滾動(dòng)軸承材料及熱處理進(jìn)展與展望

趙志高

五洲新春集團(tuán)股份有限公司，中國·浙江 紹興 312500

1 引言

機(jī)械工業(yè)化進(jìn)程逐步加快，相關(guān)技術(shù)手段不斷推陳出新，逐漸朝著高效化、小型化與環(huán)保化方向發(fā)展。由于軸承的應(yīng)用范圍越來越廣，使用要求也變得十分苛刻，在提升軸承承載性能同時(shí)，也要保證軸承的精度、低噪音、低摩擦力矩，并具備耐高溫和耐污染等特性。所以，需要持續(xù)加強(qiáng)滾動(dòng)軸承材料和熱處理技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，力求更好地滿足新時(shí)期軸承性能需要，在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中更加廣泛地應(yīng)用。

2 滾動(dòng)軸承的性能要求

2.1 壽命長、高可靠性

滾動(dòng)軸承在尺寸減小同時(shí)，需要具備更高的可靠性和使用壽命，因此需要抽成零件承載力更強(qiáng)，并且有著較長的接觸疲勞壽命。提升滾動(dòng)軸承純凈度，各項(xiàng)成分均勻，調(diào)整合金成分來增強(qiáng)軸承基體強(qiáng)度，熱處理后組織更加均勻[1]。

2.2 低摩擦力矩

降低軸承摩擦力矩，優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)來降低發(fā)熱量和能耗，這就需要縮小軸承尺寸，但軸承零件有著更強(qiáng)的強(qiáng)度，接觸疲勞壽命進(jìn)一步延長。減少潤滑劑使用量，選擇邊界潤滑方式來增強(qiáng)接觸位置的耐磨性和接觸疲勞性。

2.3 高溫、高速性能

滾動(dòng)軸承在使用中，由于旋轉(zhuǎn)速度較快，不可避免的產(chǎn)生高溫，如電動(dòng)汽車軸承和機(jī)場主軸軸承，工作溫度達(dá)到了150℃。因此，軸承需要具備耐高溫性能，選擇M50、KUJ7 和ES1 等高溫鋼材料[2]。

2.4 高精度

加工設(shè)備性能高低，一定程度上由滾動(dòng)軸承決定，表現(xiàn)在滾動(dòng)軸承精度和保持性方面，因此需要軸承具備較強(qiáng)的接觸疲勞壽命和耐磨性，獲取高精度[3]。

2.5 耐污染

軸承容易出現(xiàn)水侵入和外來顆粒侵入，導(dǎo)致軸承潤滑劑受到污染，受到污染物影響加劇軸承接觸疲勞，強(qiáng)度發(fā)生變化，使用壽命隨之縮短。因此，需要提高接觸位置殘余奧氏體含量和硬度，可以大大增強(qiáng)滾動(dòng)軸承的接觸疲勞壽命[4]。

3 滾動(dòng)軸承用鋼冶金質(zhì)量演變和鋼種研發(fā)

3.1 軸承用鋼冶金質(zhì)量演變

氧化物類夾雜物是影響滾動(dòng)軸承疲勞壽命的主要因素，在研發(fā)中心嘗試著使用多種方法來降低氧含量，如真空自耗重熔和真空冶煉等。伴隨著冶煉技術(shù)和裝備水平提升，生產(chǎn)軸承鋼氧含量得到了顯著降低，區(qū)域穩(wěn)定，下降到5×10-6以下水平。鋼材氧含量降到一定標(biāo)準(zhǔn)后，繼續(xù)下降則會(huì)導(dǎo)致鋼材生產(chǎn)成本增加，影響到滾動(dòng)軸承疲勞壽命[5]。氧含量越低，夾雜物含量越低，但部分尺寸規(guī)格較大的氧化物偶然出現(xiàn)在滾道面區(qū)域，則會(huì)降低軸承疲勞壽命，影響軸承可靠性。

加強(qiáng)Ti、TiN 物質(zhì)控制，前者屬于有害元素，同鋼材中的氮物質(zhì)具有較強(qiáng)的親和力，多通過碳氮化鈦夾雜物形式存在，而這種夾雜物有棱角，質(zhì)地較硬，熱加工中不會(huì)形變，但棱角會(huì)導(dǎo)致基體應(yīng)力集中，產(chǎn)生微小的裂紋。

美國研發(fā)一種高效精煉和復(fù)雜澆筑系統(tǒng)結(jié)合的空氣熔煉法，用于新型鋼種生產(chǎn)，含量和真空重熔鋼相近?；诔暡z查法，夾雜物長度小于E.FQ.B2 型軸承鋼，此種軸承鋼是選擇保護(hù)性射流澆筑和沉淀脫氧工藝聯(lián)合生產(chǎn)形成，通常是應(yīng)用在鋼材質(zhì)量要求較高的區(qū)域。在氧含量下降到一定程度后，人們更加期望改善夾雜物組成機(jī)構(gòu)，令其無害化，或是進(jìn)一步延長使用壽命。例如，通過熱等靜壓加工處理棒材，可以令非金屬夾雜物和基體脫離，提升二者而結(jié)合力，夾雜物處氣源疲勞剝落壽命隨之提升。

3.2 新鋼種的開發(fā)

3.2.1 全淬硬軸承鋼

在全淬硬軸承鋼中，以Si 鋼為代表，隨著含Si 含量增加，軸承鋼的接觸疲勞壽命也將隨之提升，并且具備更強(qiáng)的抗回火軟化性能。例如，大同特鋼和NTN 建立合作關(guān)系，結(jié)合高溫工況特性，在SUJ2 鋼種基礎(chǔ)上增加Si 含量，機(jī)體強(qiáng)度和韌性將得到同步升高，即便是200℃高溫下仍然具備較高的硬度，高溫環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。

3.2.2 表面硬化類軸承鋼

SHX3 系列剛是TF 剛和NSK 鋼基礎(chǔ)上加入Cr 物質(zhì)開發(fā)的表面硬化剛。碳氮共滲下可以取得可觀的耐磨性與抗熱黏著性能，耐污染，使用壽命長。潤滑受到污染下，加入Cr 實(shí)現(xiàn)碳氮共滲，可以有效遏制氫滲入和擴(kuò)散，大大增強(qiáng)軸承異常白色組織剝落壽命，增強(qiáng)滾動(dòng)軸承的精度保持性。

4 熱處理技術(shù)研究進(jìn)展

4.1 常規(guī)淬回火

滾動(dòng)軸承多選擇馬氏體淬回火熱處理技術(shù)，結(jié)合前人學(xué)者的研究成果來看，對汽車變速箱軸承提出了多種熱處理方法。具體如下：

①提高回火軟化抗力，碳氮共滲時(shí)，氮在表層擴(kuò)散一定程度上促進(jìn)殘余奧氏體量增加，氮的固溶也會(huì)導(dǎo)致回火軟化抗力升高，疲勞壽命隨之提升。

②增加殘余奧氏體，滾動(dòng)疲勞壽命隨之提升，因此升高淬火溫度有助于殘余奧氏體含量在增加。淬火后深冷處理，有助于增強(qiáng)滾動(dòng)軸承鋼的耐磨性，促使細(xì)小碳化物析出、均勻分布，合金基體組織細(xì)化，具有細(xì)晶強(qiáng)化作用，耐磨性隨之升高。

4.2 感應(yīng)加熱整體熱處理

此項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢鮮明，具有開機(jī)、停機(jī)時(shí)間短，集成在生產(chǎn)線中，并且具有環(huán)保性優(yōu)勢特點(diǎn)，多是在表面淬火中應(yīng)用。中國洛陽LYC 采用此項(xiàng)熱處理技術(shù)，其他廠家很少采用此類技術(shù)，是由于感應(yīng)加熱選擇性難，零件容易出現(xiàn)加熱不均勻情況。NTN 經(jīng)過研究，推出了可控制鋼中溫度和顯微組織的整體感應(yīng)加熱淬回火技術(shù)，基于兩支溫度計(jì)測量套圈內(nèi)徑和外徑溫度，PID 控制溫度，輸入到PC 程序中來分析材料性能，未溶碳化物表面為6%～10%范圍內(nèi)時(shí)，停止加熱滾動(dòng)軸承鋼，然后噴水淬火。

5 未來展望

滾動(dòng)軸承材料和熱處理技術(shù)不斷研究深化，未來應(yīng)該進(jìn)一步開發(fā)新型鋼種，現(xiàn)有鋼種中，GCr15 的淬透性較為突出，通常是在大型軸承零件加工制作中應(yīng)用，淬硬層和硬度符合要求。在高溫工況下中小型軸承加工制作，采用這一鋼種可以大大提升滾動(dòng)軸承承載力和耐高溫性能。未來要注重碳氮共滲熱處理技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，發(fā)揮此項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢，增強(qiáng)接觸疲勞壽命。盡管此項(xiàng)技術(shù)在軸承行業(yè)得到了大范圍推廣應(yīng)用，但還有很多問題亟待優(yōu)化解決。例如，如何獲取最佳滲層深度與組織，碳氮化物進(jìn)一步細(xì)化，如何提升零件性能等問題，需要加強(qiáng)研究，整合資源優(yōu)勢進(jìn)一步開發(fā)和創(chuàng)新。

6 結(jié)語

綜上所述，滾動(dòng)軸承材料和熱處理技術(shù)不斷研究深化，盡管相較其他發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平差異顯著，軸承質(zhì)量有所不足。因此，需要加強(qiáng)新材料和新技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)研究成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，進(jìn)一步提升中國軸承材料和熱處理技術(shù)水平。