3 國(guó)外高端軸承鋼與熱處理的研發(fā)現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外傳統(tǒng)軸承鋼的質(zhì)量提升及新型軸承鋼的開發(fā)

國(guó)外在傳統(tǒng)軸承鋼的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)超高純冶煉工藝的改進(jìn)，形成了超高純軸承鋼（EP鋼）和 各 向同性軸承鋼（IQ鋼），取得了真空脫氣軸承鋼在冶金質(zhì)量控制上的長(zhǎng)足進(jìn)展。另外國(guó)外針對(duì)軸承的長(zhǎng)壽命、高精密、耐高溫及其他特殊性能的要求，也相繼開發(fā)了特殊熱處理軸承鋼（SHX鋼）、低密度軸承材料（60NiTi）、耐高溫軸承鋼CSS-42L及高耐蝕軸承鋼Cronidur30等新型軸承材料^[37]。

日本山陽(yáng)在最近10年里，相繼開發(fā)了Z級(jí)高純軸承鋼和EP級(jí)超高純軸承鋼。二者最大的差別是軸承鋼中的最大夾雜物尺寸與夾雜物含量^[38]。圖3給出了日本山陽(yáng)的Z級(jí)軸承鋼與 EP級(jí)軸承鋼的夾雜物情況與對(duì)應(yīng)的接觸疲勞壽命情況。從圖3可以看出，山陽(yáng)EP級(jí)軸承鋼中的最大夾雜物基本都小于11 μm，而Z級(jí)軸承鋼的最大夾雜物尺寸在1.5 μm以上。從山陽(yáng)的Z鋼、EP鋼和雙真空鋼的對(duì)比情況來(lái)看，山陽(yáng)的Z級(jí)軸承鋼基本達(dá)到了雙真空鋼的水平，而EP鋼中的夾雜物質(zhì)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了雙真空鋼。從接觸疲勞壽命的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，EP鋼的接觸疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Z鋼。說(shuō)明未來(lái)高端軸承鋼的發(fā)展方向依然是控制軸承鋼中夾雜物的數(shù)量以及夾雜物的最大尺寸。瑞典OVAKO的軸承鋼分為BQ和IQ兩個(gè)級(jí)別。其中BQ級(jí)別屬于普通軸承鋼級(jí)別，與日本山陽(yáng)的Z級(jí)鋼接近。而瑞典OVAKO公司的各向同性軸承鋼（IQ steel）則在軸向和徑向具有基本一致的性能，即軸承鋼的疲勞強(qiáng)度、韌性和夾雜物水平在各個(gè)方向基本相同，如圖4所示。以GCr15軸承鋼為例，瑞典OVAKO軸承鋼在各個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)彎曲強(qiáng)度（σ – 1）為900～1000 MPa，夾雜物含量也降低到普通軸承鋼的1/10。從OVAKO報(bào)道的結(jié)果來(lái)看，其IQ鋼的性能也達(dá)到了雙真空軸承鋼的冶金水平。

通過(guò)以上對(duì)山陽(yáng)的EP鋼和瑞典的IQ鋼的夾雜物與性能結(jié)果來(lái)看，未來(lái)高端脫氣軸承鋼的質(zhì)量和性能水平應(yīng)該超過(guò)電渣鋼，接近甚至達(dá)到雙真空鋼的水平。這表明目前國(guó)外真空脫氣軸承鋼的夾雜物質(zhì)量控制已經(jīng)接近軸承鋼質(zhì)量控制的極限水平。所以未來(lái)中國(guó)高端真空脫氣軸承鋼研發(fā)的關(guān)鍵是控制軸承鋼中的氧含量、鈦含量、夾雜物數(shù)量以及最大夾雜物尺寸，其指標(biāo)要超過(guò)電渣重熔軸承鋼，接近或達(dá)到雙真空軸承鋼的水平。

CSS-42L是美國(guó)拉特羅布特殊鋼公司（Latrobe Special Steel Company）研制的表面硬化型軸承鋼，屬于第3代軸承材料，應(yīng)用于宇航齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和渦輪螺旋槳主軸軸承等零部件^[39]。滲碳后碳化物細(xì)小且分布均勻（圖5 (a)），室溫表面最高硬度可達(dá)到67~72 HRC，在430 ℃ 下的最高高溫硬度為62 HRC，在480~500 ℃下的最高高溫硬度58 HRC。芯部為高溫回火的馬氏體及均勻分布的細(xì)小碳化物基體組織（圖5 (b)），其斷裂韌性可達(dá)到100 MPA · m^1/2。滾動(dòng)接觸疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果表明，它的L10是M50鋼的約28倍，具有廣泛的應(yīng)用前景。所以利用CSS-42L替代M50和M50NiL等第2代軸承鋼，可以大幅度提高軸承的壽命和可靠性，大大降低軸承的更換頻率，提高安全性和降低發(fā)動(dòng)機(jī)的維修成本。近幾年中國(guó)對(duì)第3代軸承鋼CSS-42L進(jìn)行了跟蹤研究、初步試制及應(yīng)用工作，但剛剛起步且，有待于進(jìn)一步推廣應(yīng)用。所以未來(lái)CSS-42L鋼的工程化目標(biāo)是要解決在航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪上進(jìn)一步推廣應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承上的應(yīng)用。

歐洲的科研人員從表面氮化產(chǎn)品在污染環(huán)境中具有良好的壽命、耐磨性和防銹性能中得到啟示，利用加壓電渣重熔工藝（Pressurized electro-slag remelting-PESR），將氮加到鋼中，取代碳，開發(fā)出了系列化的氮化軸承鋼。其中超耐蝕軸承鋼Croni-dur30氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%左右，具有比440C高出100倍的耐蝕性能^[40]。FAG稱用這種鋼制造的軸承具有高可靠性、超長(zhǎng)壽命、低摩擦和低溫升等特點(diǎn)，在水中其軸承壽命高出常規(guī)軸承鋼5倍。近年來(lái)，鋼鐵研究總院聯(lián)合撫鋼、寶鋼、洛陽(yáng)軸承研究所、洛陽(yáng)軸承廠等相關(guān)單位，開展了系列高氮不銹軸承鋼的研究工作。在實(shí)驗(yàn)室研究了氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%~0.42%的系列高氮不銹軸承鋼，經(jīng)淬火－低溫回火后，室溫硬度均大于58 HRC，同時(shí)經(jīng)淬火－高溫回火后的室溫硬度也均大于58 HRC，具有優(yōu)異的抗回火軟化性能和尺寸穩(wěn)定性；同時(shí)系列高氮不銹軸承鋼在200 ℃的高溫硬度均可大于56 HRC；另外鋼中的碳化物（碳氮化物）均勻細(xì)小，開發(fā)的X30N高氮不銹軸承鋼（馬氏體基體氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.42%）中碳化物（碳氮化物）最大尺寸小于 5 μm；系列高氮不銹軸承鋼的耐蝕性能也得到明顯的提升，開發(fā)的高氮不銹軸承鋼40Cr15Mo2VN（氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%~0.25%）的鹽霧腐蝕試片在120 h鹽霧腐蝕過(guò)程中未發(fā)生點(diǎn)蝕等腐蝕破壞（440C試片8 h內(nèi)就出現(xiàn)點(diǎn)蝕）。正是由于高氮系列不銹軸承鋼具有比傳統(tǒng)不銹軸承鋼440C更加優(yōu)異的質(zhì)量和耐蝕性能，目前鋼鐵研究總院正在進(jìn)行系列高氮不銹軸承鋼在航空、航天、核動(dòng)力等領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承、火箭燃料泵軸承、核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用軸承等。

國(guó)外近年研制了其他多種新型軸承鋼，例如，NSK公司經(jīng)過(guò)多年研究，開發(fā)出了一種表面淬硬的SHX耐熱軸承鋼，SHX具有良好的耐溫性能（可以耐溫300 ℃）、抗卡死和耐磨損特性，并且壽命長(zhǎng)（比SUJ2鋼制造的軸承壽命長(zhǎng)3~4倍）。在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常認(rèn)為內(nèi)圈由于受到高的環(huán)向應(yīng)力作用而易于斷裂。通過(guò)使用SHX材料的內(nèi)圈，其內(nèi)部殘余應(yīng)力能抵消環(huán)向應(yīng)力，從而避免了軸承內(nèi)圈的斷裂。目前用SHX材料制造的RO-BUST系列軸承已經(jīng)應(yīng)用于許多高速精密機(jī)床的主軸，其長(zhǎng)壽命和高可靠性能也已經(jīng)得到驗(yàn)證。最近的文獻(xiàn)表明^[41]，美國(guó)NASA實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行超彈性軸承合金60NiTi的研究，準(zhǔn)備用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。這種新型超彈性合金具有低模量、低密度、耐腐蝕、耐高溫和無(wú)磁性等優(yōu)異性能。最新的研究結(jié)果表明，60NiTi最高使用溫度可以達(dá)到400 ℃，能承受的最大載荷也比傳統(tǒng)軸承鋼提高3倍以上。60NiTi軸承合金的這些優(yōu)越性能有可能成為未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承材料。高鉻含量不僅提高了軸承鋼的成本，也不利于軸承壽命的提高（研究結(jié)果表明，合金含量越高壽命越低），而且大幅減緩滲碳速度，所以國(guó)外在開發(fā)新型低成本耐高溫的CrNiMov系軸承鋼（低成本高溫鋼包括表面硬化型和全淬透型2種，其合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~20%的現(xiàn)有高溫軸承鋼（M50、M50NiL、Cronidur30、BG-42、Prewear675和CSS-42L等高溫軸承鋼）^[42]。

3.2 國(guó)外軸承鋼的新型熱處理技術(shù)

在高潔凈度冶煉技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)特殊熱處理不僅可以細(xì)化晶粒，也可以細(xì)化碳化物，改善碳化物分布。這種細(xì)化組織的特殊熱處理技術(shù)不僅可以提高軸承鋼的強(qiáng)度和硬度，還可以將軸承的接觸疲勞壽命提高3倍以上^[43]。圖6給出了NSK公司通過(guò)特殊熱處理對(duì)GCr15組織細(xì)化的結(jié)果?？梢钥闯?，晶粒細(xì)化熱處理后，GCr15軸承鋼的晶粒尺寸從約15 μm細(xì)化到約5 μm的水平。目前中國(guó)對(duì)奧氏體化工藝對(duì)軸承鋼組織結(jié)構(gòu)及性能影響的研究不是特別深入，有必要深入開展熱處理工藝對(duì)軸承鋼接觸疲勞壽命影響的研究，形成長(zhǎng)壽命和高可靠性的軸承鋼特殊熱處理技術(shù)。同時(shí)軸承鋼的組織細(xì)化熱處理技術(shù)也說(shuō)明了一個(gè)道理，那就是可以在一定潔凈度的水平下，通過(guò)軸承鋼組織的細(xì)化和均勻化來(lái)大幅度提高軸承鋼的接觸疲勞壽命，這為研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性或低成本軸承鋼提供了一個(gè)可能的方向。

常規(guī)淬火后的高碳鉻軸承鋼中一般含有體積分?jǐn)?shù)為6%~15%的殘余奧氏體，該殘余奧氏體為軟的亞穩(wěn)定相，在一定的條件下（如回火、自然時(shí)效或零件的使用過(guò)程中）會(huì)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體。相變帶來(lái)的后果是零件的硬度提高，韌性下降，尺寸發(fā)生變化而影響零件的尺寸精度，導(dǎo)致軸承無(wú)法正常工作。對(duì)尺寸精度要求較高的軸承零件，一般希望殘余奧氏體越少越好，如淬火后進(jìn)行補(bǔ)充水冷或深冷處理，采用較高溫度回火等消除殘余奧氏體。但殘余奧氏體可提高韌性和裂紋擴(kuò)展抗力，在一定的條件下，工件表層的殘余奧氏體還可降低接觸應(yīng)力集中，提高軸承的接觸疲勞壽命。因此通過(guò)材料的成分和工藝的改進(jìn)，采取措施保留一定量的殘余奧氏體含量并提高其穩(wěn)定性，可以提高軸承的壽命與可靠性。目前國(guó)外成功開發(fā)了表面超高奧氏體含量的熱處理技術(shù)，將軸承鋼的疲勞壽命最高提高了10倍，由圖7可知，相比于長(zhǎng)壽命軸承鋼，超長(zhǎng)壽命軸承鋼具有較高的殘余奧氏體含量，然而其維氏硬度依然維持較高水平（圖7 (a)），且疲勞壽命明顯高于SUJ2與普通的滲碳軸承鋼（圖7 (b)）。

高碳鉻軸承鋼一般是整體淬硬，淬后殘余應(yīng)力為表面拉應(yīng)力狀態(tài)，易造成淬火裂紋，降低軸承的使用性能^[44-45]。根據(jù)表面超大量奧氏體可以提高軸承壽命和可靠性的研究結(jié)果，可以對(duì)全淬透軸承鋼進(jìn)行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點(diǎn)，保證在淬火過(guò)程中表面層最后發(fā)生相變而形成表面壓應(yīng)力和保留大量穩(wěn)定的殘余奧氏體，來(lái)提高軸承鋼的耐磨性及滾動(dòng)接觸疲勞性能。最近的研究還表明：高碳鉻軸承鋼經(jīng)滲碳或碳氮共滲后還可提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命。一般在淬火加熱時(shí)，通過(guò)控制氣氛的碳（氮）勢(shì)，可達(dá)到以上目的，但如果對(duì)高碳鉻軸承鋼進(jìn)行超常滲碳（碳勢(shì)２％），則必須加大加工余量，去除滲碳淬火后表層的粗大碳化物。