軸承鋼新技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展方向分析

軸承鋼主要用于制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和套圈。由于軸承應(yīng)具備長(zhǎng)壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求軸承鋼應(yīng)具備：高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強(qiáng)度、必須的韌性、一定的淬透性、在大氣的潤(rùn)滑劑中的耐腐蝕性能。為了達(dá)到上述性能要求，對(duì)軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類(lèi)型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴(yán)格。軸承鋼總體上向高質(zhì)量、高性能和多品種方向發(fā)展。軸承用鋼按特性及應(yīng)用環(huán)境劃分為：高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高溫軸承鋼、不銹軸承鋼及專(zhuān)用的特種軸承材料。

為適應(yīng)高溫、高速、高負(fù)荷、耐蝕、抗輻射的要求，需要研制一系列具有特殊性能的新型軸承鋼。為了降低軸承鋼的氧含量，發(fā)展了真空冶煉、電渣重熔、電子束重熔等軸承鋼的冶煉技術(shù)。而大批量軸承鋼的冶煉由電弧爐熔煉，發(fā)展成各種類(lèi)型初煉爐加爐外精煉。目前，采用容量大于60噸初煉爐＋LF／VD或RH＋連鑄＋連軋工藝生產(chǎn)軸承鋼，以達(dá)到高質(zhì)量、高效率、低能耗之目的。在熱處理工藝方面，由車(chē)底式爐、罩式爐發(fā)展成連續(xù)可控氣氛退火爐熱處理。目前，連續(xù)熱處理爐型最長(zhǎng)為150m，加工生產(chǎn)軸承鋼的球化組織穩(wěn)定和均勻，脫碳層小，消耗能量低。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，軸承的應(yīng)用范圍擴(kuò)大；而國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展，又推動(dòng)了軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化和新技術(shù)、新工藝及新裝備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，效率高、質(zhì)量高、成本低的配套技術(shù)和工藝裝備應(yīng)運(yùn)而生。日本和德國(guó)等均建成了高潔凈度、高質(zhì)量的軸承鋼生產(chǎn)線，使鋼的產(chǎn)量迅速增加，鋼的質(zhì)量和疲勞壽命大度提高。日本和瑞典生產(chǎn)的軸承鋼的含量降到10ppm以下。80年代末期，日本山陽(yáng)特鋼公司的先進(jìn)水平為5.4ppm，達(dá)到了真空重熔軸承鋼的水平。

軸承的接觸疲勞壽命對(duì)鋼組織的均勻性非常敏感。提高潔凈度(減少鋼中的雜質(zhì)元素和夾雜物含量)，促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細(xì)小均勻分布，可以提高軸承鋼的接觸疲勞壽命。軸承鋼使用狀態(tài)下的組織應(yīng)是回火馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小的碳化物顆粒，這樣的組織可以賦予軸承鋼所需要的性能。高碳軸承鋼中的主要合金元素有碳、鉻、硅、錳、釩等。

如何獲得球化組織是軸承鋼生產(chǎn)中的重要問(wèn)題，控軋控冷是先進(jìn)軸承鋼的重要生產(chǎn)工藝。通過(guò)控軋或軋后快冷消除了網(wǎng)狀碳化物，獲得合適的預(yù)備組織，可以縮短軸承鋼球化退火時(shí)間，細(xì)化碳化物，提高疲勞壽命。據(jù)軸承交易網(wǎng)專(zhuān)家調(diào)查，近年來(lái)，俄羅斯和日本采用低溫控軋(800℃～850℃以下)，軋后采用空冷加短時(shí)間退火，或完全取消球化退火工藝，就可得到合格的軸承鋼組織。軸承鋼的650℃溫加工也是新型技術(shù)。共析鋼或高碳鋼熱加工前若具有細(xì)晶粒組織或在加工過(guò)程能形成細(xì)晶粒，則在(0.4～0.6)熔化溫度范圍內(nèi)，在一定應(yīng)變速率下，呈現(xiàn)出超塑性。美國(guó)海軍研究院(NSP)對(duì)52100鋼進(jìn)行了650℃溫加工試驗(yàn)表明，在650℃下真應(yīng)變2.5不發(fā)生斷裂。因此，有可能以650℃溫加工來(lái)代替高溫加工并與球化退火工藝結(jié)合起來(lái)，這對(duì)簡(jiǎn)化設(shè)備和工序、節(jié)約能源、提高質(zhì)量有重要意義。

在熱處理方面，在提高球化退火質(zhì)量，獲得細(xì)小、均勻、球形的碳化物以及縮短退火時(shí)間或取消球化退火工序的研究方面有了進(jìn)展，即盤(pán)條生產(chǎn)采用兩次組織退火，將拉拔后的720℃～730℃再結(jié)晶退火改為760℃的組織退火。這樣可以得到硬度低、球化好、無(wú)網(wǎng)狀碳化物組織，關(guān)鍵要保證中間拉拔減面率≥14％該工藝使熱處理爐的效率提高25％～30％。連續(xù)式球化退火熱處理技術(shù)是軸承鋼熱處理的發(fā)展方向。

各國(guó)都在研究和開(kāi)發(fā)新型軸承鋼，擴(kuò)大應(yīng)用和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸承鋼。如快速滲碳軸承鋼，通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)提高滲碳速度，其中碳含量由傳統(tǒng)的0.08％～0.20％提高到0.45％左右，滲碳時(shí)間由7小時(shí)縮短到30分鐘。開(kāi)發(fā)了高頻淬火軸承鋼，用普通中碳鋼或中碳錳、鉻鋼，通過(guò)高頻加熱淬火來(lái)代替普通軸承鋼，既簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序又降低了成本，并提高了使用壽命。日本研制的GCr465、SCM465疲勞壽命比SUJ—2高2～4倍。由于在高溫、腐蝕、潤(rùn)滑條件惡劣的環(huán)境下使用軸承愈來(lái)愈多，過(guò)去使用的M50(CrMo4V)、440C(9Cr18Mo)等軸承鋼已不能滿足使用要求，急需研制加工性能好、成本低、疲勞壽命長(zhǎng)、能適合不同目的和用途的軸承用鋼，如高溫滲碳鋼M50NiL、易加工不銹軸承鋼50X18M以及陶瓷軸承材料等。

針對(duì)GCr15SiMn鋼淬透性低的弱點(diǎn)，我國(guó)開(kāi)發(fā)了高淬透性和淬硬性軸承鋼GCr15SiMo，其淬硬性HRC≥60，淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接觸疲勞壽命L10和L50分別比GCr15SiMn提高73％和68％，在相同使用條件下，用G015SiMo鋼制造的軸承的使用壽命是GCr15SiMo鋼的兩倍。近年來(lái)，我國(guó)還開(kāi)發(fā)了能節(jié)約能源、節(jié)約資源和抗沖擊的GCr4軸承鋼。與GCr15相比，GCr4的沖擊值提高了66％～104％，斷裂韌性提高了67％，接觸疲勞壽命L10提高了12％。GCr4鋼軸承采用高溫加熱—表面淬火熱處理工藝。與全淬透的GCr15鋼軸承相比，GCr4鋼軸承的壽命明顯提高，可用于重載高速列車(chē)軸承。

今后軸承鋼主要向高潔凈度和性能多樣化兩個(gè)方向發(fā)展。提高軸承鋼的潔凈度，特別是降低鋼中的氧含量，可以明顯延長(zhǎng)軸承的壽命。氧含量由28ppm降低到5ppm，勞壽命可以延長(zhǎng)1個(gè)數(shù)量級(jí)。為了延長(zhǎng)軸承的壽命，人們多年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)應(yīng)用精煉技術(shù)來(lái)降低鋼中的氧含量。通過(guò)不懈的努力，軸承鋼中的最低氧含量已從20世紀(jì)60年代的28ppm降低到90年代的5ppm。目前，我國(guó)可以將軸承鋼中的最低氧含量控制在10ppm左右。軸承使用環(huán)境的變化要求軸承鋼必須具備性能的多樣化。如設(shè)備轉(zhuǎn)速的提高，需要準(zhǔn)高溫用(200℃以下)軸承鋼(通常采用在SUJ2鋼的基礎(chǔ)上提高Si含量、添加V和Nb的方法來(lái)達(dá)到抗軟化和穩(wěn)定尺寸的目的)；腐蝕應(yīng)用場(chǎng)合，需要開(kāi)發(fā)不銹軸承鋼；為了簡(jiǎn)化工藝，應(yīng)該開(kāi)發(fā)高頻淬火軸承鋼和短時(shí)滲碳軸承鋼；為了滿足航空航天的需要，應(yīng)開(kāi)發(fā)高溫軸承鋼。