2 國內(nèi)外軸承鋼質(zhì)量控制的現(xiàn)狀

眾所周知，長壽命、高轉(zhuǎn)速、高負載和高推力軸承涉及到材料、加工、制造及檢測等多個環(huán)節(jié)，其中材料性能的好壞直接影響到軸承的性能。影響軸承鋼質(zhì)量的因素主要有４個^[26]：一是軸承鋼中的夾雜物含量、形態(tài)、分布和大?。欢禽S承鋼中的碳化物含量、形態(tài)、分布和大小；三是軸承鋼中的中心疏松縮孔和中心偏析；四是軸承鋼產(chǎn)品質(zhì)量和性能的一致性。目前國外不僅在傳統(tǒng)軸承鋼質(zhì)量控制水平方面大幅領(lǐng)先于中國，而且在新型軸承鋼的開發(fā)力度方面也遠遠走在中國前面，形成了國外傳統(tǒng)軸承鋼的質(zhì)量和性能提升的研究以及新型和特殊性能軸承材料研發(fā)并行的局面^[27]。

軸承鋼的夾雜物水平直接決定于原料的純凈度以及冶煉過程中氧含量的控制^[28]。在20世 紀(jì)70年代以前，國內(nèi)外主要是使用無脫氣冶煉（無爐外精煉），鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)高達( 30～40 ) × 10^-6，20世紀(jì)70年代到90年代以真空脫氣鋼為主（應(yīng)用爐外精煉），鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)已經(jīng)降到15 × 10^-6左右，20世紀(jì)90年代后期到21世紀(jì)的今天，由于三脫工藝與真空脫氣技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)可以降到5 × 10^-6甚至以下?？梢钥闯觯瑖飧咂焚|(zhì)軸承鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)在20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在基本維持在(4～6) × 10^-6，沒有進一步的大幅度提高^[29]。由于氧含量的降低，鋼中的夾雜物含量得到大幅度降低，分布更加均勻，尺寸更加細小。隨著鋼的高純凈度冶煉平臺（分電爐與轉(zhuǎn)爐2個系統(tǒng)）的完善和軸承鋼純凈度的提高，軸承鋼中的夾雜物水平得到很大改善，以至于鋼中碳化物的含量、分布、大小成為制約軸承鋼質(zhì)量的主要因素，因此在高純度冶煉平臺下控制碳化物的水平顯得越來越重要?？梢哉f包括美國、歐洲和日本等軸承鋼強國已經(jīng)完成對軸承鋼夾雜物控制的化學(xué)冶金的研究（從20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在，鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定控制在(4～6) × 10^-6的水平），目前主要進行以軸承鋼中碳化物的控制、組織細化以及表面處理的物理冶金研究。

2.1 軸承鋼中夾雜物及碳化物對性能的影響

以高碳軸承鋼GCr15為例，軸承鋼的冶煉質(zhì)量要求很高，不僅要嚴格控制硫、磷、氫等的含量，而且要對非金屬夾雜物和碳化物的數(shù)量、大小和分布狀況進行控制。非金屬夾雜物和碳化物的數(shù)量、大小和分布狀況對軸承鋼的使用壽命影響很大，往往軸承的失效是微裂紋在大顆粒夾雜或碳化物周圍形成和擴展所致。研究指出，夾雜物的含量基本上決定了軸承鋼的接觸疲勞壽命，如圖１（ａ）所示，軸承鋼的接觸疲勞壽命隨著單位體積內(nèi)夾雜物長度的增加而呈指數(shù)降低。一般認為，鋼中夾雜物的含量和鋼中氧含量密切相關(guān)，氧含量越高，夾雜物數(shù)量就越多，壽命就越短。隨著煉鋼潔凈度水平的不斷提高，國外真空脫氣軸承鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)已經(jīng)可以穩(wěn)定控制到4 × 10^-6，夾雜物的數(shù)量、尺寸及其分布得到大幅度改善（夾雜物的最大尺寸已經(jīng)可以小于11 μm，即最大夾雜物評級為0級）。

隨著軸承鋼純凈度的提高，軸承鋼中碳化物的含量、分布及尺寸大小對軸承鋼壽命的影響逐步成為影響軸承鋼壽命與可靠性的關(guān)鍵因素。如圖１（ｂ）所示，軸承鋼的接觸疲勞壽命隨著碳化物含量的減少而呈指數(shù)級提高。通過圖１（ｂ）還可以看出碳化物的含量對軸承鋼的接觸疲勞壽命起決定性作用（鋼鐵研究總院未發(fā)表的結(jié)果）。

另外研究結(jié)果還表明，夾雜物和碳化物的粒徑越大、分布越不均勻，使用壽命也越短，如圖 ２所示。軸承鋼的化學(xué)成分控制、夾雜物與碳化物的顆粒大小、分布狀況與使用的冶煉工藝和冶煉質(zhì)量密切相關(guān)。所以軸承鋼的未來發(fā)展方向之一就是降低鋼中夾雜物與碳化物的含量，減小夾雜物與碳化物的顆粒尺寸。鋼中碳化物主要來自于軸承鋼中的一次液析碳化物、二次網(wǎng)狀碳化物和三次共析碳化物。隨著高潔凈冶煉水平的應(yīng)用，一次碳化物基本上可以消除。二次碳化物主要在過共析鋼中存在，需要通過控軋控冷或低溫軋制加以消除或減輕。而影響性能的三次碳化物則需要通過球化處理來加以控制，使得碳化物的顆粒細小和均勻分布。

2.2 國內(nèi)外夾雜物的質(zhì)量控制水平

國外發(fā)達國家，例如瑞典、日本、德國、美國等國的軸承鋼產(chǎn)量和質(zhì)量都處于領(lǐng)先地位，其共同特點是設(shè)備先進、工藝技術(shù)成熟、質(zhì)量穩(wěn)定。世界上生產(chǎn)軸承鋼最著名的廠家有日本的山陽特殊鋼廠、瑞典OVAKO公司、美國Timken公司等軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)。以連鑄軸承鋼為代表的日本山陽 （SANYO）和以模鑄軸承鋼為代表的瑞典OVAKO，代表了目前國外軸承鋼生產(chǎn)工藝及質(zhì)量的最高水平。日本山陽軸承鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)普遍控制在5 × 10^-6以下，有的甚至達到 (2～3) × 10^-6；最大夾雜物尺寸為11 μm；硫的質(zhì)量分數(shù)達到 (20～30) × 10^-6、鈦的質(zhì)量分數(shù)達到10^-5以下，且化學(xué)成分波動范圍小，有害元素含量小。接觸疲勞壽命接近VAR方法冶煉的軸承鋼的水平。山陽超高純軸承鋼，即extra puri-fied bearing steel (EP)，代表了其軸承鋼化學(xué)冶金質(zhì)量的最高水平^[30]。瑞典OVAKO是通過模鑄冶煉的軸承鋼，其普通級（B 級）軸承鋼氧的質(zhì)量分數(shù)控制在 (4～6) × 10^-6，鈦的質(zhì)量分數(shù)在(8～12) ×10^-6。OVAKO超高純凈軸承鋼是它的各等向性軸承鋼，即Identical quality bearing steel（IQ鋼），其氧的質(zhì)量分數(shù)在 (3～4) × 10^-6，硫的質(zhì)量分數(shù)在10^-5，因其極限疲勞強度和韌性在軋向和徑向等各個方向基本相同，故而稱為各向同性軸承鋼?！?/p>

通過對SANYO和OVAKO軸承鋼的冶金質(zhì)量對比可以看出，氧含量和鈦含量是衡量軸承冶金質(zhì)量的２個關(guān)鍵控制指標(biāo)。從夾雜物的角度而言，日本軸承鋼企業(yè)主要從降低氧含量著手，通過氧含量極低化來達到減少夾雜物含量和降低夾雜物尺寸的目的。而瑞典軸承鋼企業(yè)則重在控制夾雜物的形狀和分布。這２個國家的軸承鋼生產(chǎn)狀況代表了當(dāng)今世界軸承鋼生產(chǎn)質(zhì)量的最高水平和中國未來軸承鋼化學(xué)冶金的發(fā)展方向。國內(nèi)以興澄特鋼、寶鋼特材、東北特鋼和江蘇蘇鋼、南京鋼廠等為代表的先進軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)，具有品質(zhì)高（通過國際知名軸承公司SKF、FAG、Timken等國外軸承鋼公司的認證）和產(chǎn)量大等特點，代表了中國軸承鋼冶金質(zhì)量的最高水平。雖然國內(nèi)軸承鋼廠的冶金設(shè)備、工藝和生產(chǎn)流程與國外先進的軸承鋼廠基本一致，即高爐鐵水＋優(yōu)質(zhì)廢鋼→100t超高功率偏心底出鋼直流電弧爐→100t LF精煉 爐→100t VD/RH 真空脫氣爐→大方坯連鑄→熱送→熱裝→加熱→連續(xù)軋制→拋丸→矯直→渦流探傷→超聲波探傷。但在冶煉工藝、操作水平、控軋控冷工藝、參數(shù)控制及檢驗檢測及自動化能力等方面存在較大差距，導(dǎo)致中國軸承鋼在潔凈度控制（［O］含量、［Ti］含量、有害元素含量及夾雜物尺寸與分布）、碳化物控制（網(wǎng)狀碳化物、帶狀組織、碳化物尺寸及其分布）及低倍組織（中心疏松縮孔和成分偏析）等方面與日本、瑞典、德國等國外軸承鋼發(fā)達國家相比有很大的差距^[31]。例如中國軸承鋼的潔凈度控制一致性差：不同爐次、批次的軸承鋼氧含量波動范圍大；成分控制的一致性差：中心疏松與中心偏析大；夾雜物與碳化物的均勻性差：夾雜物顆粒尺寸超大；另外中國軸承企業(yè)化學(xué)成分的窄范圍控制水平較差，導(dǎo)致不同爐次軸承鋼的性能一致性差。

2.3 國內(nèi)外軸承鋼碳化物質(zhì)量控制的現(xiàn)狀

未來中國軸承鋼的努力方向，一是經(jīng)濟潔凈度：在考慮經(jīng)濟性的前提下，進一步提高鋼的潔凈度，降低鋼中的氧和鈦含量，達到軸承鋼中的氧與鈦的質(zhì)量分數(shù)分別小于6 × 10^-6和15 × 10^-6的水平，減小鋼中夾雜物的含量與尺寸，提高分布均勻性。二是組織細化與均勻化：通過合金化設(shè)計與控軋控冷工藝的應(yīng)用，進一步提高夾雜物與碳化物的均勻性，降低和消除液析、網(wǎng)狀和帶狀碳化物，降低平均尺寸與最大顆粒尺寸，達到碳化物的平均尺寸小于１μm的目標(biāo)；進一步提高基體組織的晶粒度，使軸承鋼的晶粒尺寸進一步細化。三是減少低倍組織缺陷：進一步降低軸承鋼中的中心疏松、中心縮孔與中心成分偏析，提高低倍組織的均勻性。四是軸承鋼的高韌性化：通過新型合金化、熱軋工藝優(yōu)化與熱處理工藝研究，大幅度提高軸承鋼的韌性，從而提高軸承的可靠性。

與GCr15等過共析軸承鋼相比，中碳軸承鋼與滲碳軸承鋼中的碳化物控制主要為帶狀鐵素體的控制，即軸承鋼中帶狀組織的控制。相對于過共析軸承鋼，滲碳和中碳軸承鋼無網(wǎng)狀碳化物的問題，其工藝控制技術(shù)相對容易。也許這也可以理解為，除了通過滲碳軸承鋼和中碳軸承鋼提高軸承鋼 的韌性外，滲碳軸承鋼和中碳軸承鋼的網(wǎng)狀碳化物控制工藝技術(shù)相對簡單，是國外發(fā)達國家滲碳軸承鋼與中碳軸承鋼的比例高達30%～50%的另一個原因^[32]。為了提高過共析軸承鋼的碳化物分布均勻性和降低碳化物顆粒的尺寸，一方面可以采用低溫控軋控冷技術(shù)，以減少和抑制網(wǎng)狀碳化物的出現(xiàn)，為后續(xù)的球化退火提供良好的組織預(yù)備；另一方面可以改進球化退火工藝，實現(xiàn)過共析軸承鋼的碳化物細化和均勻化。目前國外利用循環(huán)感應(yīng)球化退火技術(shù)，對熱軋態(tài)的GCr15SiMn軸承鋼進行球化退火，實現(xiàn)了在幾分鐘的時間內(nèi)將軸承鋼中的碳化物細化，大大縮短了軸承鋼的球化退火時間，提高了軸承鋼中碳化物的均勻 性與細 質(zhì)化^{[33 – 34]}。可見軸承鋼的碳化物球化退火工藝尚存在很大的發(fā)展空間，未來需要進一步的研究。

2.4 特殊冶煉軸承鋼的質(zhì)量與性能

除了以上普通民用軸承鋼采用電爐或轉(zhuǎn)爐 (EAF、BOF) + LF + VD (RH) 的生產(chǎn)工藝外，國內(nèi)外對于一些高端軸承鋼和軍用軸承鋼還需要通過電爐冶煉＋電渣重熔工藝(EAF+ESR) 冶煉，或采用真空感應(yīng)＋真空自耗的雙真空 (VIM + VAR) 或多次真空自耗等工藝來進一步提高 軸承鋼的冶金質(zhì)量。其中真空冶煉可以大幅降低鋼中夾雜物的含量，電渣重熔可以提高軸承鋼中夾雜物分布的均勻性，而真空自耗則顯著降低夾雜物的體積分數(shù)和控制夾雜物的分布及尺寸。隨著航空發(fā)動機設(shè)計的進步和傳遞能量及轉(zhuǎn)速的增大，功率的不斷提高，推動比和功重比以及Dn值的不斷增加，航空軸承的工作溫度能達到350～500 ℃，這要求航空軸承材料具有高的耐溫性能、高的表面硬度、高耐磨性能、良好的斷裂韌性、沖擊韌性和優(yōu)異的耐腐蝕性能^[35]。在國內(nèi)外常用的航空發(fā)動機主軸軸承用鋼中，GCr15使用溫度低，M50韌性差，均不能滿足未來航空發(fā)動機主軸軸承用鋼的要求，而M50NiL和CSS-42L具有高強韌、耐溫等優(yōu)異的綜合性能，能夠滿足新一代航空發(fā)動機的主軸軸承的使用要求^[36]，表１給出了幾種航空發(fā)動機用軸承鋼性能的比較。