3 國外高端軸承鋼與熱處理的研發(fā)現狀

3.1 國外傳統(tǒng)軸承鋼的質量提升及新型軸承鋼的開發(fā)

國外在傳統(tǒng)軸承鋼的基礎上，經過超高純冶煉工藝的改進，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量控制上的長足進展。另外國外針對軸承的長壽命、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]。

日本山陽在最近10年里，相繼開發(fā)了Z級高純軸承鋼和EP級超高純軸承鋼。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給出了日本山陽的Z級軸承鋼與 EP級軸承鋼的夾雜物情況與對應的接觸疲勞壽命情況。從圖3可以看出，山陽EP級軸承鋼中的最大夾雜物基本都小于11 μm，而Z級軸承鋼的最大夾雜物尺寸在1.5 μm以上。從山陽的Z鋼、EP鋼和雙真空鋼的對比情況來看，山陽的Z級軸承鋼基本達到了雙真空鋼的水平，而EP鋼中的夾雜物質量已經遠遠超過了雙真空鋼。從接觸疲勞壽命的測試結果來看，EP鋼的接觸疲勞壽命遠遠好于Z鋼。說明未來高端軸承鋼的發(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兩個級別。其中BQ級別屬于普通軸承鋼級別，與日本山陽的Z級鋼接近。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，即軸承鋼的疲勞強度、韌性和夾雜物水平在各個方向基本相同，如圖4所示。以GCr15軸承鋼為例，瑞典OVAKO軸承鋼在各個方向的旋轉彎曲強度（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報道的結果來看，其IQ鋼的性能也達到了雙真空軸承鋼的冶金水平。

通過以上對山陽的EP鋼和瑞典的IQ鋼的夾雜物與性能結果來看，未來高端脫氣軸承鋼的質量和性能水平應該超過電渣鋼，接近甚至達到雙真空鋼的水平。這表明目前國外真空脫氣軸承鋼的夾雜物質量控制已經接近軸承鋼質量控制的極限水平。所以未來中國高端真空脫氣軸承鋼研發(fā)的關鍵是控制軸承鋼中的氧含量、鈦含量、夾雜物數量以及最大夾雜物尺寸，其指標要超過電渣重熔軸承鋼，接近或達到雙真空軸承鋼的水平。

CSS-42L是美國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，應用于宇航齒輪傳動機構和渦輪螺旋槳主軸軸承等零部件^[39]。滲碳后碳化物細小且分布均勻（圖5 (a)），室溫表面最高硬度可達到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小碳化物基體組織（圖5 (b)），其斷裂韌性可達到100 MPA · m^1/2。滾動接觸疲勞壽命試驗結果表明，它的L10是M50鋼的約28倍，具有廣泛的應用前景。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)動機的維修成本。近幾年中國對第3代軸承鋼CSS-42L進行了跟蹤研究、初步試制及應用工作，但剛剛起步且，有待于進一步推廣應用。所以未來CSS-42L鋼的工程化目標是要解決在航空發(fā)動機齒輪上進一步推廣應用以及實現其在航空發(fā)動機軸承上的應用。

歐洲的科研人員從表面氮化產品在污染環(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氮的質量分數為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、超長壽命、低摩擦和低溫升等特點，在水中其軸承壽命高出常規(guī)軸承鋼5倍。近年來，鋼鐵研究總院聯合撫鋼、寶鋼、洛陽軸承研究所、洛陽軸承廠等相關單位，開展了系列高氮不銹軸承鋼的研究工作。在實驗室研究了氮的質量分數為0.16%~0.42%的系列高氮不銹軸承鋼，經淬火－低溫回火后，室溫硬度均大于58 HRC，同時經淬火－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）均勻細小，開發(fā)的X30N高氮不銹軸承鋼（馬氏體基體氮的質量分數達到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（氮的質量分數為0.16%~0.25%）的鹽霧腐蝕試片在120 h鹽霧腐蝕過程中未發(fā)生點蝕等腐蝕破壞（440C試片8 h內就出現點蝕）。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)異的質量和耐蝕性能，目前鋼鐵研究總院正在進行系列高氮不銹軸承鋼在航空、航天、核動力等領域的應用研究工作，如航空發(fā)動機主軸承、火箭燃料泵軸承、核動力驅動機構用軸承等。

國外近年研制了其他多種新型軸承鋼，例如，NSK公司經過多年研究，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（比SUJ2鋼制造的軸承壽命長3~4倍）。在超高速運轉時，通常認為內圈由于受到高的環(huán)向應力作用而易于斷裂。通過使用SHX材料的內圈，其內部殘余應力能抵消環(huán)向應力，從而避免了軸承內圈的斷裂。目前用SHX材料制造的RO-BUST系列軸承已經應用于許多高速精密機床的主軸，其長壽命和高可靠性能也已經得到驗證。最近的文獻表明^[41]，美國NASA實驗室正在進行超彈性軸承合金60NiTi的研究，準備用在航空發(fā)動機上。這種新型超彈性合金具有低模量、低密度、耐腐蝕、耐高溫和無磁性等優(yōu)異性能。最新的研究結果表明，60NiTi最高使用溫度可以達到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最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型航空發(fā)動機軸承材料。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，其合金元素的質量分數小于7%，遠遠低于合金元素的質量分數為10%~20%的現有高溫軸承鋼（M50、M50NiL、Cronidur30、BG-42、Prewear675和CSS-42L等高溫軸承鋼）^[42]。

3.2 國外軸承鋼的新型熱處理技術

在高潔凈度冶煉技術的基礎上，通過特殊熱處理不僅可以細化晶粒，也可以細化碳化物，改善碳化物分布。這種細化組織的特殊熱處理技術不僅可以提高軸承鋼的強度和硬度，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公司通過特殊熱處理對GCr15組織細化的結果。可以看出，晶粒細化熱處理后，GCr15軸承鋼的晶粒尺寸從約15 μm細化到約5 μm的水平。目前中國對奧氏體化工藝對軸承鋼組織結構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軸承鋼接觸疲勞壽命影響的研究，形成長壽命和高可靠性的軸承鋼特殊熱處理技術。同時軸承鋼的組織細化熱處理技術也說明了一個道理，那就是可以在一定潔凈度的水平下，通過軸承鋼組織的細化和均勻化來大幅度提高軸承鋼的接觸疲勞壽命，這為研發(fā)和生產經濟性或低成本軸承鋼提供了一個可能的方向。

常規(guī)淬火后的高碳鉻軸承鋼中一般含有體積分數為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、自然時效或零件的使用過程中）會失穩(wěn)轉變?yōu)轳R氏體或貝氏體。相變帶來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，導致軸承無法正常工作。對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，如淬火后進行補充水冷或深冷處理，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力集中，提高軸承的接觸疲勞壽命。因此通過材料的成分和工藝的改進，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。目前國外成功開發(fā)了表面超高奧氏體含量的熱處理技術，將軸承鋼的疲勞壽命最高提高了10倍，由圖7可知，相比于長壽命軸承鋼，超長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，淬后殘余應力為表面拉應力狀態(tài)，易造成淬火裂紋，降低軸承的使用性能^[44-45]。根據表面超大量奧氏體可以提高軸承壽命和可靠性的研究結果，可以對全淬透軸承鋼進行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點，保證在淬火過程中表面層最后發(fā)生相變而形成表面壓應力和保留大量穩(wěn)定的殘余奧氏體，來提高軸承鋼的耐磨性及滾動接觸疲勞性能。最近的研究還表明：高碳鉻軸承鋼經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，通過控制氣氛的碳（氮）勢，可達到以上目的，但如果對高碳鉻軸承鋼進行超常滲碳（碳勢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。