国内外轴承钢发展现状及方向

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1、国外轴承钢开展现状及方向一、轴承钢对组织构造及性能根本要求轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类，用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件，它是由、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱或滚针 ）和保持器四局部组成，合称为轴承四大件。轴承工作条件十分复杂，不仅要承受各类高的交变应力，还要承受各种瞬时冲击力的作用，使轴承极易产生疲劳裂纹和摩擦破坏，严重的情况下出现轴承套圈的断裂破坏。轴承主要破坏形式主要有两种，即最常见接触疲劳破坏和占次要地位的磨损破坏。由于要承受高接触应力（一般高达1500-5000N/mm2）、 屡次循环接触疲劳应力以及滑动磨损的工作环境，要求轴承有高抗塑性变形，抗摩擦磨

2、损，高旋转精度及尺寸精度，高尺寸稳定性、长使用寿命和高可靠性；对于在特殊条件下工作的轴承，还有耐冲击、高Dn 值 （轴承直径与转速的成绩）、耐高温低温，防腐蚀和抗磁等性能。轴承钢是制造轴承的主要材料，轴承钢品质最高，性能要求苛刻，而且量大面广，其种类繁多，但根本上可分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、中碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢及无磁轴承钢等系列钢种。（1）高碳铬轴承钢：高碳铬轴承钢是轴承钢的代表钢种：GCr15、 GCr15SiMn、 GCr4、 GCr15SiMo、 GCr18Mo等。该类钢是轴承钢的主体，占到我国轴承钢总量的90%以上（美国不到70%，欧洲不到50%）。我国高碳铬轴承钢的

3、冶金水平、热处理水平及外表处理水平与国外相比尚有较大差距；（2）渗碳轴承钢：外表经渗碳处理后具有高硬度和高耐磨性， 而心部仍有良好的韧性，能承当较大的冲击。品种有G20CrMo、 G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、 G20Cr2Ni4、 G10CrNi3Mo、 G20Cr2Mn2Mo 等。美国的渗碳轴承钢占轴承钢总量的30%，而我国仅占3%，有待于进一步开展，渗碳轴承钢的品质缺乏成为我国高铁、机床与冶金轴承国产化的制约因素；（3）中碳轴承钢：主要为适应轮毂和齿轮等部位具有多种功能的轴承部件或特大型轴承。适用于制作掘进、 起重、 大型机床等重型设备上用的特大尺寸轴承，50CrNi、 50

4、CrNiL、 42CrMo、65Mn2、70Mn2等。目前我国没有专用中碳轴承钢，需要规化和新型钢种研发；（4）高铬不锈承钢：马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等。为满足轴承的硬度要求，多采用马氏体不锈钢，9CU8和9CU8M。主要应用于化工、石油、 造船、 食品工业等部门。该类钢中的夹杂物与碳化物控制水平仍然需要进一步提高；（5）中高温轴承钢：具有高的高温硬度（大于58HRC）、尺寸稳定性、耐 高温氧化性、低的热膨胀性和高的抗蠕变强度。 M50（8Cr4M04V并口 M50NiL是含 Mo的高温不锈钢和BG42钢，工作温度在315C； CSS-42L可以使用到500c 以上；X30

5、钢是一种高氮（0.42%）勺超高强不锈钢，耐蚀性能比 M50高出几十倍。 主要应用于航空、航天工业的喷气发动机、燃汽轮机和宇航飞行器的制造领域。我国高温轴承钢与国外差距很大，限制了航空发动机的开展；（6）无磁轴承合金：高强度和高硬度（GH05或G60）以及X52合金等。最近美国NASA正在研发具有 低密度、低模量、耐高温、耐腐蚀的金属间化合物轴承合金Ni60Ti40（我们定名为 GNiTi40）， 其密度仅仅6.7g/cm3， 弹性模量只有95GPa， 耐蚀性能与瓷材料相当。 未来这种轴承合金有望在航空航天等军事领域得到推广应用，有可能是一种划时代的轴承合金材料。总的来说我国的高碳铬轴承钢的韧

6、性差、渗碳轴承钢的本钱高、 中碳轴承钢品种少、不锈轴承钢均匀度差，第二代高温轴承钢批量稳定性缺乏和第三代高温轴承钢的研发落后。轴承钢的几个品种从实质上也代表了轴承钢的整体开展趋势。自从一个世纪前高硬度高耐磨类型的全淬透性高碳铬轴承钢，到现代的渗碳轴承钢和中碳轴承钢，轴承钢的开展实质上是在保证轴承耐磨性的根底上向着提高韧性的方向开展。 对于目前应用量最大的高碳铬轴承钢，其耐磨性最高，但是该类型轴承钢的韧性很差，其无缺口冲击韧劲仅仅约几十个焦耳，而其U 型缺口韧性仅仅有几个焦耳。 为了提高轴承的可靠性，出现了渗碳轴承钢和中碳轴承钢，在外表渗碳和外表处理的条件下大幅度提高了轴承的可靠性。总体来讲，轴

7、承钢总体开展趋势是在高干净度炼钢平台的根底上，实现低本钱、高性能、稳定化和新型化。民用轴承钢的开展从有Cr 到低 Cr 甚至无Cr 开展，降低本钱；从高碳向渗碳开展，降低二次碳化物，提高寿命和可靠性；从普通向耐蚀开展，提高耐蚀性及其特殊用途；从低合金到高合金开展，拓展轴承钢使用围。军用轴承钢从高碳到渗碳，低温到高温，从普通到不锈，从无氮到高氮，从无合金化走向微合金化的方向开展。目前国轴承钢产量约400万吨，其中高碳轴承钢占到90%以上，而中碳全淬透性轴承钢和渗碳轴承钢的比例仅仅占3%左右的水平，远远落后于国外中碳及渗碳轴承钢30-50%的水平。由于碳含量的降低，中碳及渗碳轴承钢的韧性要远远高于

8、高碳轴承钢，所以国外中碳及渗碳轴承钢的高比例可能与使用环境与使用条件对轴承钢的较高的韧性要求有关。目前国外应用最多的中碳轴承钢为外表感应淬火的42CrMo。但日本三阳已经成功开发了具有耐蚀、耐温和长寿命的SHX中碳轴承钢（40CrNiMo）,通过渗碳和渗氮热处理，得到长寿命的轴承，应用在高速电机和精细机床等高端装备领域。另外， SKF 也在开发能够应用与轨道交通的中碳低本钱轴承钢来取代现有的渗碳轴承钢G20Cr2Ni4， 到达降低生产本钱和长寿命的目的。所以国未来需要加大中碳及渗碳轴承钢的研发，着力提高轴承钢的韧性， 提高轴承钢使用的可靠性。但目前国外对韧性对轴承钢性能的影响还没有深入系统研究

9、，有必要开展轴承钢韧性对轴承钢接触疲劳寿命、耐磨性能和可靠性等关键性能的研究，提升人们对轴承钢韧性对轴承钢使用性能的影响认识，促进我国轴承钢的快速开展。二 . 国外轴承钢代表性生产企业及其质量水平影响以上六大类轴承钢组织构造与性能的因素主要有四个，一是轴承钢中的夹杂物含量、形态、分布和大小；二是轴承钢中的碳化物含量、形态、分布和大小；三是轴承钢中的中心疏松缩孔和中心偏析；四是轴承钢产品性能的一致性，需要通过窄成分区间控制和生产工艺的自动化控制。为了实现对轴承钢夹杂物、碳化物、成分偏析与产品性能的一致性，需要提高轴承钢的原料与钢液的纯洁度、铸态及轧态组织的均匀度、降低轴承钢的成分偏析以及轴承钢的

10、窄成分区间控制。轴承钢的夹杂物水平直接决定于原料的纯洁度以及冶炼过程中氧含量的控制。在 70 年代以前，国外主要是使用无脱气冶炼，钢中的氧含量高达30-40ppm； 70年代到 90年代以脱气钢为主，钢中氧含量已经降到15ppm； 90 年代后期由于三脱工艺与真空脱气技术的联合应用，钢中的氧含量可以降到10ppm 以下。到了21 世纪的今天，国外兴旺国家钢中氧含量已经可以降低到5ppm 以下，钢中的夹杂物含量得到大幅度降低，分布更加均匀，尺寸更加细小。随着钢的高纯洁度冶炼平台（分电炉与转炉两个系统）的完善和轴承钢纯洁度的提高，轴承钢中的夹杂物水平得到很大改善，以至于钢中碳化物的含量、 分布、

11、大小成为制约轴承钢质量的主要因素。因此在高纯度冶炼平台下控制碳化物的水平显得越来越重要。影响碳化物的两个化学成分因素，一是碳含量的影响， 从渗碳轴承钢、中碳轴承钢到高碳轴承钢分别属于亚共析钢、近共析钢和过共析钢的畴，因而碳含量的变化直接影响了钢中碳化物的含量、形态、分布；二是合金元素的影响，从低合金到高合金，不仅改变了钢的共析点和碳化物的类型，影响了碳化物含量、形态和分布，更重要的是影响了钢中元素的偏析行为，加大了轴承钢化学成分的不均匀性。从这个意义来讲，轴承钢中碳化物的工艺控制难度随着碳含量的提高和合金元素含量的增加而增加。对过共析轴承钢，以高碳轴承钢 GCU5为例，轴承钢的冶炼质量要求很高

12、，不仅要严格控制硫、磷、氢等含量，而且要对非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况进展控制。非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况对轴承钢的使用寿命影响很大，往往轴承的失效就是在大的夹杂或碳化物周围产生的微裂纹扩展而成。研究指出，夹杂物的含量根本上决定了轴承钢的接触寿命，如图1a 所示，轴承钢的接触疲劳寿命随着单位体积夹杂物长度的增加而呈指数降低。一般认为，钢中夹杂物的含量和钢中氧含量密切相关，氧含量越高，夹杂物数量就越多， 寿命就越短。随着炼钢干净度水平的不断提高，轴承钢中氧含量已经可以控制到5ppm,夹杂物的数量、尺寸及其分布大为改善。轴承钢中碳化物的含量、分布及尺寸大小对轴承钢的寿

13、命又起到至关重要的影响。如图1b 所示，随着碳化物含量的降低，轴承钢的接触疲劳寿命随着碳化物含量的减少呈指数级提高。 通过图 1b 可以看出，碳化物的含量对轴承钢的接触疲劳寿命起决定性作用。另外研究结果还说明，夹杂物和碳化物粒径越大、分布越不均匀，使用寿命也越短，如图2 所示。轴承钢的化学成分控制、夹杂物与碳化物的大小、分布状况与使用的冶炼工艺和冶炼质量密切相关。所以轴承钢的未来开展方向之一就是降低钢中夹杂物与碳化物的含量，减小夹杂物与碳化物的颗粒大小。钢中的碳化物主要来自于轴承钢中的一次液析碳化物、二次网状碳化物和三次共析碳化物。随着高干净冶炼水平的应用，一次碳化物根本上可以消除。二次碳化物

14、主要在过共析钢中存在，需要通过控轧控冷或低温轧制加以消除或减轻。 而具有影响性能的三 次碳化物那么主要存在于轴承钢的带状组织，需要通过轧前的高温成分均匀化来 加以消除。Total length of the carbides (mm/mm )Carbides volume fraction (%)图1夹杂物与碳化物含量对轴承钢接触疲劳寿命的影响a单位体积夹杂物的长度与轴承钢寿命间关系和b碳化物体积分数与轴承钢疲劳寿命问关系1000accc/c 1.1PAr/i1101001000Dav , Average size of inclusions( m)101010Fatigue life (n)

15、图2夹杂物与碳化物的大小对轴承钢接触疲劳寿命的影响a轴承钢中夹杂物 平均直径与轴承钢寿命间的关系和b碳化物尺寸大小对轴承钢疲劳寿命间的 影响国外兴旺国家，比方瑞典、日本、德国、美国等国的轴承钢产量和质量都处于领先地位，共同特点是设备先进、工艺技术成熟、质量稳定。世界上生产轴承钢的最著名的厂家有日本的山阳特殊钢厂、瑞典 SKF公司、美国Timken公司等轴承钢企业。下面以连铸轴承钢为代表的日本山阳（SANYO）和模铸轴承钢为代表 的德国斯凯孚（SKF）为例介绍国外轴承钢生产工艺及质量水平。日本山阳的主要工艺流程为：90tUHP电炉一 LF精炼炉一 RH精炼炉一连铸或模铸一初轧一三辗 行星轧机或大型轧机-无损探伤-修磨-连轧机组-无损检验-连续炉球化退 火-无损检测-检验入库。它的质量控制水平为钢中O含量普遍控制在5Ppm以 下，有的甚至到达2-3ppm；最大夹杂物尺寸为11叩；硫含量到达20-30ppm Ti 达14-15ppm=氧化物颗粒在11叩，而传统工艺夹杂在20叩以下。化学成分波 动围小，有害元素含量小。接触疲劳寿命接近 VAR方法冶炼的水平。瑞典SKF轴承的生产工艺流程：100t电炉-LFV精炼炉-模铸-均热炉-初轧-火焰 清理-150X