由GCr15鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)看軸承鋼的研發(fā)準(zhǔn)則

楊曉蔚

(1.河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；2.中浙高鐵軸承有限公司，浙江 衢州 324000)

高碳鉻軸承鋼GCr15(德國100Cr6，美國52100，日本SUJ2等)是一種十分優(yōu)秀的鋼種，自1901年由Stribeck發(fā)明以來，已經(jīng)跨越了一個(gè)多世紀(jì)的歷史，至今化學(xué)成分基本保持不變，仍作為滾動(dòng)軸承主要用鋼，做出了卓越貢獻(xiàn)[1]。隨著科技與工業(yè)的不斷進(jìn)步，要求軸承在特殊工況與惡劣環(huán)境下工作的需求更加多樣化，新型軸承鋼的研究與開發(fā)也應(yīng)運(yùn)而生，呈現(xiàn)出密集之勢(shì)，如近幾十年推出的美國第三代高溫軸承鋼CSS-42L、德國高氮不銹鋼Cronidur30、日本中碳表面硬化鋼SHX等都是其中的典型代表。近一時(shí)期，中國對(duì)軸承鋼特別是高性能軸承鋼的研發(fā)也高度重視，在“產(chǎn)、學(xué)、研”不同層面形成了前所未有的熱潮；但在國內(nèi)外(尤其是國內(nèi))新鋼種的研發(fā)中，有一些現(xiàn)象值得關(guān)注與思考，如對(duì)于堅(jiān)持“面向工程應(yīng)用”的基本要求，有些始終遵循秉持，有些似乎有所淡忘，有些則完全背離：因此，回顧重溫百余年前GCr15鋼成分設(shè)計(jì)的理念與準(zhǔn)則，無疑具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)借鑒與指導(dǎo)意義。

1 GCr15鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則與解構(gòu)分析

現(xiàn)代軸承工業(yè)誕生之初，軸承主要采用碳鋼[2]及滲碳鋼[3]制造。碳鋼的冶煉技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，但其綜合性能難以滿足軸承的使用特性要求。滲碳鋼外硬里韌，具有適用于復(fù)雜載荷的梯度性能，但由于當(dāng)時(shí)所用的固體滲碳法所限，滲碳不均勻?qū)е碌膫€(gè)別軟點(diǎn)使軸承壽命大大降低，且熱處理工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，效率低而成本高。因此，研發(fā)適用于軸承批量化生產(chǎn)的專用鋼種成為迫切需求。GCr15鋼的發(fā)明就是基于碳鋼而取得的重大突破。GCr15及相當(dāng)牌號(hào)軸承鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)見表1，化學(xué)成分以碳、鉻為主，除碳以外，其他合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%，系高碳、低鉻、低合金、過共析鋼。

表1 GCr15及相當(dāng)牌號(hào)軸承鋼的主要化學(xué)成分

對(duì)文獻(xiàn)[4-6]進(jìn)行解析研究可梳理擷取出當(dāng)初GCr15鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)時(shí)所體現(xiàn)的基本準(zhǔn)則，即使用性能、工藝性、經(jīng)濟(jì)性。

1.1 使用性能

軸承鋼必須首先滿足其目標(biāo)產(chǎn)品即軸承的使用性能要求。軸承的基本使用性能包括：

1)耐疲勞。由于軸承中滾動(dòng)體與滾道是高副(點(diǎn)/線)接觸，接觸面積小而接觸應(yīng)力高(一般軸承通常達(dá)1 000～2 000 MPa)，軸承的正常失效形式主要是滾動(dòng)接觸疲勞。含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)在0.8%～1.0%范圍內(nèi)，軸承的疲勞壽命基本相當(dāng)；超過1%后，疲勞壽命下降。添加適量鉬、硅等元素可增強(qiáng)回火穩(wěn)定性，也有利于提高軸承的疲勞壽命。

2)耐磨損。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工作部位(滾動(dòng)，特別是滑動(dòng)接觸處)的磨損不可避免，這將影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、振動(dòng)噪聲等，因此軸承鋼應(yīng)具有較高的硬度(硬度通常是耐磨性的代用指標(biāo))。

①碳——鋼的硬度主要由馬氏體硬度及未溶碳化物數(shù)量決定。在含碳量小于0.9%(也有研究結(jié)論為1.0%或1.2%)的范圍內(nèi)，含碳量越高，淬火后得到馬氏體組織過飽和碳及未溶碳化物越多，硬度越高；超過此含碳量，則由于殘余奧氏體增多，硬度反而開始下降。此外，在同樣硬度的條件下，馬氏體基體上有均勻細(xì)小的未溶碳化物析出，比單純回火馬氏體的耐磨性更高。因此，為了形成足夠數(shù)量的碳化物，含碳量應(yīng)趨于上限。

②鉻——鉻是中碳化物形成元素，含鉻量較高可大大增強(qiáng)鋼的淬透性，實(shí)現(xiàn)高硬度、高強(qiáng)度與良好的耐磨性；但當(dāng)含鉻量超過1.65%時(shí)，會(huì)增加碳化物的不均勻性和殘余奧氏體，降低沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度。

③鉬、錳——鉬和錳分別是中、弱碳化物形成元素，適量添加可進(jìn)一步提高鋼的淬透性。若含鉬量過高(超過0.5%)，會(huì)產(chǎn)生非常穩(wěn)定的粗大碳化物；錳有促進(jìn)奧氏體晶粒粗大化的傾向，過多不利于增強(qiáng)韌性。當(dāng)鉬、錳與鉻等并存配合時(shí)，可降低或抑制其他元素導(dǎo)致的回火脆性，提高回火穩(wěn)定性，使硬度、強(qiáng)度的保持性加強(qiáng)。

3)高強(qiáng)度。軸承中的高副接觸易產(chǎn)生塑性變形即壓痕；軸承承受重載以及振動(dòng)沖擊、高速離心等附加載荷會(huì)產(chǎn)生很高的拉、壓應(yīng)力；有些軸承安裝時(shí)需要較大的過盈配合而產(chǎn)生顯著的環(huán)向應(yīng)力：因此，軸承鋼必須具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，主要包括屈服強(qiáng)度、抗拉(壓)強(qiáng)度和沖擊韌性等。鋼的強(qiáng)度與硬度成正比，一般有抗拉強(qiáng)度為布氏硬度的0.33～0.36倍。盡管硬度隨著碳含量增高而提高，但當(dāng)碳含量大于0.9%時(shí)，由于脆性二次滲碳體數(shù)量的增加，并形成網(wǎng)狀，鋼的強(qiáng)度反而下降，塑性、韌性也較差。除碳之外，鉻、錳、鉬、硅等合金元素都有利于提高鋼的強(qiáng)度。

4)良好的尺寸穩(wěn)定性。軸承屬于精密機(jī)械部件，要求在加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中都具有良好的尺寸穩(wěn)定性(即精度保持性)。高碳及相關(guān)合金元素使得馬氏體相變起始溫度Ms下降(GCr15鋼中相關(guān)合金元素降低Ms的程度由強(qiáng)到弱排列為錳、鉻、鉬)，導(dǎo)致殘余奧氏體增多，尺寸穩(wěn)定性難以保證。因此，在碳、鉻含量較大的情況下，需要盡量減小錳、鉬等元素的含量，以使淬回火后的殘余奧氏體能保持在較低水平。

5)耐腐蝕。軸承應(yīng)用廣泛，不可避免會(huì)在潮濕、泥水等環(huán)境下工作，加入的鉻含量略高一些可具備一定的防銹與耐腐蝕性能。鉬對(duì)鉻的防銹性起增強(qiáng)作用(鉬對(duì)抗銹性的作用相當(dāng)于鉻的3倍，但不能代替鉻的作用，必須以鉻為主)。硅與鉬、鉻等元素的結(jié)合也有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用。

1.2 工藝性

在滿足使用性能要求的前提下，軸承鋼還必須具有良好的工藝性能，便于進(jìn)行軸承零件的特定冷、熱加工。

1)鍛造。鍛造加熱后奧氏體晶粒細(xì)小，具有一定的熱塑性，鍛造加工性能良好。

2)熱處理及機(jī)械加工。采用常規(guī)熱處理，工藝簡單，并為后續(xù)的車削、磨削等加工工序做好準(zhǔn)備。

①球化退火——含碳量約1%時(shí)，可加速球化退火時(shí)間，質(zhì)量較好，其球狀細(xì)化碳化物的微觀組織與較低的硬度易于進(jìn)行后續(xù)的套圈車削加工或滾動(dòng)體冷鐓成型，并為獲得良好的淬、回火質(zhì)量做好準(zhǔn)備。一定的含錳量，還可降低或消除硫的不利影響，形成MnS，有利于車削加工。

②馬氏體淬、回火——熱處理設(shè)備及工藝簡單，時(shí)間短，淬透性好，工件變形小，可獲得高硬度(通常要求達(dá)到58 HRC以上)，有利于軸承零件磨削加工的高精度與高效率。

③磨削超精加工——含鉻量較高，使組織和碳化物細(xì)化，套圈磨削與滾動(dòng)體研磨時(shí)易于獲得較低的表面粗糙度。

1.3 經(jīng)濟(jì)性

軸承鋼必須契合于軸承的批量化生產(chǎn)，具備良好的經(jīng)濟(jì)性，才具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1)合金元素簡單，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，主要采用的鉻、錳等均為常用的稀有元素且成本低。

2)常規(guī)冶煉方法(當(dāng)時(shí)為電弧爐冶煉法)即可，不必采用復(fù)雜的特殊冶煉方法。

3)球化退火時(shí)間盡量短；淬火后低溫回火(如150～180 ℃)即可。

4)磨削加工不僅能實(shí)現(xiàn)高精度，而且可兼顧高效率。

綜上所述，含碳量為1.0%左右，含鉻量為1.5%左右，輔以錳、鉬、硅等少量元素，嚴(yán)格控制磷、硫等雜質(zhì)元素含量以保證達(dá)到優(yōu)質(zhì)鋼水平，采用常規(guī)熱處理，各方面性能綜合平衡的GCr15鋼就此奠定了化學(xué)成分設(shè)計(jì)的基本框架。經(jīng)試驗(yàn)、應(yīng)用與推廣，于20世紀(jì)20年代在全世界軸承工業(yè)領(lǐng)域得到普及，至今仍占據(jù)著軸承鋼市場(chǎng)80%左右的份額，在具有“廣譜”優(yōu)異使用性能并兼?zhèn)淞己霉に囆耘c經(jīng)濟(jì)性方面，沒有其他鋼材可以替代與超越，“具有至高無上的地位”。

2 遵循GCr15鋼發(fā)明準(zhǔn)則的案例

軸承鋼應(yīng)遵循的研發(fā)準(zhǔn)則，作為開山之作的GCr15鋼給出了極好的示范。

國外在軸承鋼的研發(fā)中，大多都嚴(yán)格秉持了使用性能、工藝性、經(jīng)濟(jì)性的三大準(zhǔn)則，其中尤以日本表現(xiàn)最為突出。

1)基于GCr15鋼，日本與歐洲主要通過調(diào)整硅、錳、鉻、鉬等不同含量衍生開發(fā)出系列鋼號(hào)，如日本的SUJ系列共4個(gè)鋼號(hào)[7](原SUJ1—SUJ5共5個(gè)鋼號(hào)，后取消了SUJ1)，見表2；瑞典的OVAKO公司僅803(即GCr15)系列就有8個(gè)鋼號(hào)，其他衍生產(chǎn)品還有十幾個(gè)鋼號(hào)。

表2 日本軸承鋼的主要化學(xué)成分

2)日本軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)普遍注重在常規(guī)冶煉方法上的持續(xù)改進(jìn)，如山陽特鋼在真空脫氣軸承鋼上的技術(shù)進(jìn)步歷程：大氣熔煉→鋼包精煉LF→循環(huán)真空脫氣RH→連續(xù)澆鑄CC→偏心爐底出鋼EBT→超純凈鋼SNRP→極純凈鋼SURP，始終追求的是高性價(jià)比，其高質(zhì)量等級(jí)的真空脫氣鋼可應(yīng)用于鐵路、風(fēng)電等重要軸承產(chǎn)品領(lǐng)域；而不像有些研發(fā)思路，總是偏好于在特種冶煉方法(電渣重熔ESR、真空感應(yīng)熔煉VIM 或真空電弧重熔VAR甚至“雙真空”VIM+VAR)上尋求解決方案。

3)日本NSK公司研發(fā)的抗表面疲勞NSJ2鋼[8]，增加硅含量并控制最佳鉻含量，不僅以污染條件下的疲勞壽命為評(píng)價(jià)依據(jù)，而且對(duì)尺寸穩(wěn)定性(殘余奧氏體)、表面硬度、抗磨損及抗咬合進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，正交試驗(yàn)水平多達(dá)80個(gè)，同時(shí)考慮與其工藝性相關(guān)的力學(xué)性能、淬硬性、車削與磨削性能等，證明其與SUJ2鋼相比，能將早期失效降低到最小程度，因而大大延長了使用壽命。

4)日本NTN公司與大同特殊鋼公司共同研發(fā)耐受工作溫度250 ℃的軸承鋼，盡管在該溫度下可采用成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承用鋼M50來解決問題，但該鋼含有10%左右的Cr，Mo，V等元素，系高合金鋼，材料成本高，熱處理工藝復(fù)雜，難以普及通用。因此在SUJ2的基礎(chǔ)上，通過增加硅含量以防止高溫下的硬度降低；通過添加鎳元素來保持滾動(dòng)疲勞特性；同時(shí)考慮了熱處理與冷加工性能，研制成功了STJ2高溫軸承鋼。采用STJ2鋼的軸承試驗(yàn)壽命在常溫下是SUJ2鋼的3.5倍，在200 ℃高溫下是SUJ2鋼的15倍，形成了高溫、長壽命軸承系列產(chǎn)品，可擴(kuò)展應(yīng)用至汽車、鋼鐵、造紙等多個(gè)領(lǐng)域。

3 結(jié)束語

GCr15鋼是軸承鋼發(fā)展史上的經(jīng)典與標(biāo)桿。向經(jīng)典致敬，與標(biāo)桿對(duì)標(biāo)，是新鋼種研發(fā)中應(yīng)該秉持的敬畏之心與基本遵循。在國外推出的新鋼種中，對(duì)于GCr15鋼所奠定的“三大準(zhǔn)則”，大多都予以了充分體現(xiàn)，有些則有所偏離，對(duì)此應(yīng)有所甄別，避免跟風(fēng)盲從。在我國近期的軸承鋼研究熱中，“為項(xiàng)目而項(xiàng)目、為研制而研制、為性能而性能”的現(xiàn)象還比較普遍和突出，例如為了顯示“高大上”，采用高合金、稀有貴重元素、超高碳等成為主流研究方向(研發(fā)特殊軸承鋼無可厚非，若試圖替代GCr15鋼就南轅北轍)；僅以疲勞壽命或某一(些)特殊性能做評(píng)價(jià)指標(biāo)，而對(duì)影響軸承基本性能的其他核心指標(biāo)(如殘余奧氏體對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響，高硬度對(duì)裂紋敏感性或斷裂韌性的影響等)很少做多維度、多水平的全面研究；對(duì)性能與壽命試驗(yàn)結(jié)果往往做選擇性宣介，不利的指標(biāo)或避而不談，或含糊其辭；在工藝性上淺嘗輒止，缺乏系統(tǒng)深入的冷、熱加工工藝試驗(yàn)與工藝應(yīng)用；對(duì)經(jīng)濟(jì)性更是鮮有分析，考慮甚少：這些做法，從根本上背離了軸承鋼作為工程材料研發(fā)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，使很多項(xiàng)目成果難以契合軸承產(chǎn)品的技術(shù)特性和軸承產(chǎn)業(yè)的工業(yè)特征，盤點(diǎn)若干年來所謂的工程化與產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的達(dá)成狀況，寥寥可數(shù)，就是很好的例證。

因此，有必要重申強(qiáng)調(diào)，在軸承鋼乃至所有工程材料的研發(fā)中，必須始終銘記和堅(jiān)決秉承的技術(shù)理念與遵循準(zhǔn)則是使用性能、工藝性和經(jīng)濟(jì)性，這才是正確方向與根本之道。