2 國(guó)內(nèi)外軸承鋼質(zhì)量控制的現(xiàn)狀

眾所周知，長(zhǎng)壽命、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載和高推力軸承涉及到材料、加工、制造及檢測(cè)等多個(gè)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(gè)^[26]：一是軸承鋼中的夾雜物含量、形態(tài)、分布和大??；二是軸承鋼中的碳化物含量、形態(tài)、分布和大??；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(guó)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(guó)，而且在新型軸承鋼的開(kāi)發(fā)力度方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在中國(guó)前面，形成了國(guó)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(guò)程中氧含量的控制^[28]。在20世 紀(jì)70年代以前，國(guó)內(nèi)外主要是使用無(wú)脫氣冶煉（無(wú)爐外精煉），鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)( 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?jǐn)?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?jǐn)?shù)可以降到5 × 10^-6甚至以下?？梢钥闯?，國(guó)外高品質(zhì)軸承鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在基本維持在(4～6) × 10^-6，沒(méi)有進(jìn)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(xì)小。隨著鋼的高純凈度冶煉平臺(tái)（分電爐與轉(zhuǎn)爐2個(gè)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(tái)下控制碳化物的水平顯得越來(lái)越重要?？梢哉f(shuō)包括美國(guó)、歐洲和日本等軸承鋼強(qiáng)國(guó)已經(jīng)完成對(duì)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?jǐn)?shù)穩(wěn)定控制在(4～6) × 10^-6的水平），目前主要進(jìn)行以軸承鋼中碳化物的控制、組織細(xì)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(duì)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(yán)格控制硫、磷、氫等的含量，而且要對(duì)非金屬夾雜物和碳化物的數(shù)量、大小和分布狀況進(jìn)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(duì)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(kuò)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(zhǎng)度的增加而呈指數(shù)降低。一般認(rèn)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(guó)外真空脫氣軸承鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?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(píng)級(jí)為0級(jí)）。

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(duì)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(jí)提高。通過(guò)圖１（ｂ）還可以看出碳化物的含量對(duì)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(lái)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(lái)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(guò)共析鋼中存在，需要通過(guò)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(guò)球化處理來(lái)加以控制，使得碳化物的顆粒細(xì)小和均勻分布。

2.2 國(guó)內(nèi)外夾雜物的質(zhì)量控制水平

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，例如瑞典、日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)的軸承鋼產(chǎn)量和質(zhì)量都處于領(lǐng)先地位，其共同特點(diǎn)是設(shè)備先進(jìn)、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(yáng)特殊鋼廠、瑞典OVAKO公司、美國(guó)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(yáng) （SANYO）和以模鑄軸承鋼為代表的瑞典OVAKO，代表了目前國(guó)外軸承鋼生產(chǎn)工藝及質(zhì)量的最高水平。日本山陽(yáng)軸承鋼中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍控制在5 × 10^-6以下，有的甚至達(dá)到 (2～3) × 10^-6；最大夾雜物尺寸為11 μm；硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 (20～30) × 10^-6、鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10^-5以下，且化學(xué)成分波動(dòng)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(yáng)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(guò)模鑄冶煉的軸承鋼，其普通級(jí)（B 級(jí)）軸承鋼氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 (4～6) × 10^-6，鈦的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)在 (3～4) × 10^-6，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10^-5，因其極限疲勞強(qiáng)度和韌性在軋向和徑向等各個(gè)方向基本相同，故而稱為各向同性軸承鋼。·

通過(guò)對(duì)SANYO和OVAKO軸承鋼的冶金質(zhì)量對(duì)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(gè)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(guò)氧含量極低化來(lái)達(dá)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(gè)國(guó)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(guó)未來(lái)軸承鋼化學(xué)冶金的發(fā)展方向。國(guó)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(jìn)軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)，具有品質(zhì)高（通過(guò)國(guó)際知名軸承公司SKF、FAG、Timken等國(guó)外軸承鋼公司的認(rèn)證）和產(chǎn)量大等特點(diǎn)，代表了中國(guó)軸承鋼冶金質(zhì)量的最高水平。雖然國(guó)內(nèi)軸承鋼廠的冶金設(shè)備、工藝和生產(chǎn)流程與國(guó)外先進(jìn)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(yàn)檢測(cè)及自動(dòng)化能力等方面存在較大差距，導(dǎo)致中國(guó)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(guó)等國(guó)外軸承鋼發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大的差距^[31]。例如中國(guó)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(dòng)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(guó)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(guó)內(nèi)外軸承鋼碳化物質(zhì)量控制的現(xiàn)狀

未來(lái)中國(guó)軸承鋼的努力方向，一是經(jīng)濟(jì)潔凈度：在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，進(jìn)一步提高鋼的潔凈度，降低鋼中的氧和鈦含量，達(dá)到軸承鋼中的氧與鈦的質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)化與均勻化：通過(guò)合金化設(shè)計(jì)與控軋控冷工藝的應(yīng)用，進(jìn)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(dá)到碳化物的平均尺寸小于１μm的目標(biāo)；進(jìn)一步提高基體組織的晶粒度，使軸承鋼的晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化。三是減少低倍組織缺陷：進(jìn)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(guò)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(guò)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(duì)于過(guò)共析軸承鋼，滲碳和中碳軸承鋼無(wú)網(wǎng)狀碳化物的問(wèn)題，其工藝控制技術(shù)相對(duì)容易。也許這也可以理解為，除了通過(guò)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(duì)簡(jiǎn)單，是國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家滲碳軸承鋼與中碳軸承鋼的比例高達(dá)30%～50%的另一個(gè)原因^[32]。為了提高過(guò)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(jìn)球化退火工藝，實(shí)現(xiàn)過(guò)共析軸承鋼的碳化物細(xì)化和均勻化。目前國(guó)外利用循環(huán)感應(yīng)球化退火技術(shù)，對(duì)熱軋態(tài)的GCr15SiMn軸承鋼進(jìn)行球化退火，實(shí)現(xiàn)了在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)將軸承鋼中的碳化物細(xì)化，大大縮短了軸承鋼的球化退火時(shí)間，提高了軸承鋼中碳化物的均勻 性與細(xì) 質(zhì)化^{[33 – 34]}?？梢?jiàn)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(lái)需要進(jìn)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(guó)內(nèi)外對(duì)于一些高端軸承鋼和軍用軸承鋼還需要通過(guò)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(lái)進(jìn)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?jǐn)?shù)和控制夾雜物的分布及尺寸。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)步和傳遞能量及轉(zhuǎn)速的增大，功率的不斷提高，推動(dòng)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(dá)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(guó)內(nèi)外常用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承用鋼中，GCr15使用溫度低，M50韌性差，均不能滿足未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承用鋼的要求，而M50NiL和CSS-42L具有高強(qiáng)韌、耐溫等優(yōu)異的綜合性能，能夠滿足新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承的使用要求^[36]，表１給出了幾種航空發(fā)動(dòng)機(jī)用軸承鋼性能的比較。