admin 管理员组文章数量: 1087139
2024年3月11日发(作者：ppt如何制作超链接跳转)
第
42
卷第
1
期
2021
年
2
月
特殊钢
SPECIAL
STEEL
Vol.42.
No.
1
February
2021
•
1
.
综述
.
高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向
曹文全俞峰王存宇徐海峰许达刘正东
(钢铁研究总院特殊钢研究所
，
北京
100081)
摘要针对滚动轴承特点
、
轴承钢类型以及国内外轴承钢差距
，
本文对国内外高端装备用轴承需求
、
国内外
轴承钢品种
、
轴承钢生产装备与冶金质量
、
轴承钢热处理技术以及轴承钢质量性能评价技术等发展现状进行了综
述，
指出了国内外高端装备用轴承钢在冶炼流程的超纯净控制
、
新型热处理技术和新型轴承钢研发对提升轴承长
寿命的巨大作用
，
提出了未来基于夹杂物
、
碳化物和基体组织细质化
、
均匀化和稳定化的传统轴承钢质量性能提
升
、
高性能热处理研发
、
新型轴承钢材料创新以及加强抗疲劳基础理论研究的发展方向和大幅度提升轴承钢接触
疲劳寿命的发展目标
。
关键词高端轴承钢冶金质量与性能长寿命热处理碳化物调控接触疲劳性能
Status
and
Future
Development
of
Metallurgical
Quality
and
Performance
of
Bearing
Steels
for
High-End
Equipment
Cao
Wenquan
,
Yu
Feng,
Wang
Cunyu
,
Xu
Haifeng
,
Xu
Da
and
Liu
Zhengdong
(
Institute
of
Special
Steel,
Central
Iron
and
Steel
Research
Institute
,
Beijing
100081
)
Abstract
Focusing
on
the
characteristics
of
rolling
bearings
,
the
types
of
bearing
steels
,
and
the
gap
between
bearing
steels
at
home
and
abroad
,
this
paper
summarizes
the
art
of
the
status
of
the
requirement
of
the
bearing
steel
of
the
high-end
equipment
,
the
types
of
the
bearing
steels
,
the
processing
equipment
and
metallurgical
quality
of
the
bearing
steels
,
the
heat
treatment
technologies
,
and
the
evaluation
technologies
for
both
metallurgical
quality
and
performance.
It
is
put
for
ward
that
the
important
role
to
improve
the
rolling
contact
life
of
the
bearing
steel
by
ultra-purification
technologies
among
different
melting
routes
,
the
new
heat
treatment
technologies
and
the
new
bearing
steel
developments.
This
paper
pointed
out
that
it
needs
to
be
done
in
the
future
through
the
refinement
,
the
homogenization
and
the
stabilization
of
the
inclusions
,
carbides
and
the
matrix
of
the
bearing
steel
to
improve
the
quality
and
performance
of
existing
bearing
steels
,
to
develop
the
high
performance
heat
treatment
technologies
,
to
innovate
the
high
performance
bearing
steel
and
to
strengthen
the
basic
re
search
on
the
mechanism
of
the
fatigue-resistance
of
the
bearing
steels
,
which
would
finally
enhances
the
rolling
contact
fa
tigue
life
of
the
bearing
steel
significantly.
Material
Index
High-End
Rolling
Bearing,
Metallurgical
Quality
and
Performance
,
Long-Life
Heat
Treatment
Tech
nology
,
Carbide
Control
,
Rolling
Contact
Fatigue
Property
1
滚动轴承特点与轴承钢类别介绍
轴承是国民经济的战略物资
，
是装备制造业的
最常见接触疲劳破坏和占次要地位的磨损破坏
〔
71
。
由于要承受高接触应力
（
一般高达
1
500
-
5
000
关键基础件
，
可分为滚动轴承和滑动轴承两类
，
广泛
应用在航空航天
、
交通运输和工业机械等各种装备
中,用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置
，
起支
MPa
）
、
多次循环接触疲劳应力以及滑动磨损的工作
环境
，
要求轴承有高抗塑性变形
、
抗摩擦磨损
、高旋
转精度及尺寸精度
、
高尺寸稳定性
、
长使用寿命和高
承或导向作用的基础零部件
［
⑷
。
滚动轴承由内
、
外
套圈
、
滚动体
（
滚珠
、
滚柱或滚针
）
和保持器四部分
组成
，
合称为轴承四大件⑷
。
滚动轴承工作条件十
可靠性;对于在特殊条件下工作的轴承
，
还有耐冲
击
、
高
Dn
值
（
轴承直径与转速的乘积
）
、
耐高温低
温
、防腐蚀和抗磁等性能
。
轴承钢是制造轴承的主要材料,需要具有超高
分复杂
，
不仅要承受各类高的交变应力
（
如图
1
所
示
），
还要承受各种瞬时冲击力的作用
，
使轴承极易
产生疲劳裂纹和磨损破坏
，
严重的情况下出现轴承
的纯净度
、
严格控制的夹杂物类型
、
尺寸
、
数量与分
布等冶金质量和高的硬度
、
适当的韧性
、
较高的耐磨
性和抗接触疲劳性能
，
满足滚动轴承对寿命和可靠
性要求
。
因此轴承钢品质最高
，
性能要求苛刻
，
而且
套圈的断裂破坏
3
〕
。
轴承破坏形式主要有两种即
通讯作者
：
刘正东
（
1966
・
）
，
男
，
博士
，
中国工程院院士
，
正高级工程师
。
:
liuzhengdong@
nercast.
com
•
2
•
量大面广
，
其种类繁多
，
被称为
特钢之王
。
按照轴承钢的化学
特殊钢
第
42
卷
成分及使用需求
，
轴承钢可分
为高碳铭轴承钢
、
渗碳轴承钢
、
中碳轴承钢
、
高温轴承钢和无
磁轴承钢等五大类型⑻
。
其
中高碳铭轴承钢
（
高碳常轴承
钢是轴承钢的代表钢种
：
GCrl5
、
GCrl5SiMn
、
GCrl5SiMo
、
GCrl8Mo
等
，
该类钢是轴承钢
的主体.占我国轴承钢总量的
图
1
滚动轴承滚道的接触区域及其应力分布
：
(
a)
滚动体与内外圈接触变形区域示意图
；
(b)
接触区域应力分布示意图
90%
以上
，
也是欧洲滚动轴承
用轴承钢的主要材料
）
®°
）
；
渗
碳轴承钢
（
表面经渗碳处理后
Fig.
1
Contact
area
and
stress
distribution
of
rolling
bearing
raceway
：
(
a
)
Schematic
diagram
of
contact
deformation
area
between
rolling
element
and
inner
and
outer
rings
；
(
b)
Schematic
diagram
of
con
tact
area
stress
distribution
具有高硬度和高耐磨性
,
而心部仍具有良好的韧性
，
目前我国轴承已形成行业销售额
2
000
多亿元
的经济规模
，
但在关键轴承上
，
我国在使用寿命
、
可
能承受较大的冲击
，
主要品种有
G20CrMo
、
G20CrNiMo
、
G20CrNi2Mo
、
G20Cr2Ni4
、
G10CrNi3Mo
、
靠性
、
Dn
值与承载能力等方面与先进国家存在较大
的差距
，
成为我国精密机床
、
冶金设备
、
重型装备与
G20Cr2Mn2Mo
等
，
渗碳轴承钢是美国滚动轴承的主
打材料
）
⑴
］
;中碳轴承钢
（
主要为适应轮毂和齿轮等
部位具有多种功能的轴承部件或特大型轴承
，
适用
于制作掘进
、
起重
、
大型机床等重型设备上用的特大
尺寸轴承
，
50CrNi
、
42CrMo
、
65Mn2
、
70Mn2
等
）
［
12
］
；
高端汽车等重大装备和风力发电
、
高速铁路及航空
航天等战略新兴产业等装备制造业发展的制约瓶
颈⑺如
。
目前作为准高速铁路客车和高速铁路客
车最为关键部件之一的专用配套轮对轴承
，
全部需
要从国外进口
，
严重制约了国内高速铁路客车产业
不锈轴承钢
（
440C
系列和
7Crl4Mo,
主要应用于化
工
、
石油
、
造船
、
食品工业等部门
）
“⑷
；
高温轴承钢
（
具有高的高温硬度
（
58HRC
以上
）
、
尺寸稳定性
、
耐
高温氧化性
、
低的热膨胀性和高的抗蠕变强度
。
的正常和持续发展
；
国外汽车变速箱轴承使用寿命
最低
50
万公里
，
而国内同类轴承寿命约
10
万公里
，
且可靠性稳定性差
；
风电用轴承的使用寿命要求达
M50
（8Ci4Mo4V
）
和
M50NiL
是含
Mo
的高温不锈钢
和
BG42
钢是高温不锈轴承钢
，
工作温度分别在
350
到
20
年
，
国内目前可以生产
6
兆瓦以下的转盘轴承
和偏航变桨轴承
，
但增速器轴承和电机轴承依然没
有能力提供;国外高速机床主轴轴承高速性能指数
T
和
420
七以下"叩
；
CSS42I.
是一种高温不锈渗
碳轴承钢
，
可以使用到
500
£
以上
〔
叼
；
Cronidur30
钢
是一种高氮
（
0.
40%
N
）
的超高强不锈钢
，
耐蚀性能
Dn
值可达到
3.
3
x
10
6
rpm
•
mm,
而我国同类产品
的
Dn
值最高不超过
1.0X10&
rpm
•
mm,
而且无法
比
440C
高出几十倍
，
主要应用于航空
、
航天工业的
喷气发动机
、
燃汽轮机和宇航飞行器的制造领域
）
及无磁轴承钢
（
高强度和高硬度
C60
以及
52*
合金
等
）
等系列钢种必如
。
保障高速精密数控机床的使用寿命
。
作为航空发动
机的基础零部件
，
国外正在研发推重比为
15
~20
的
因为轴承服役条件的严苛性和复杂性,要求轴
承钢不仅要具有高的冶金质量
、
优异的疲劳性能和
航空发动机主轴轴承
，
而我国则在进行
10
~
12
推重
比的航空发动机轴承研制
。
以上现状表明
，
国内高
端轴承与国外轴承存在很大差距
，
尤其是高铁用轴
承
、
航空发动机用轴承和高速精密机床等方面与国
外差距最为显著
。
良好的耐磨性能
，
同时要满足轴承的耐温
、
耐蚀和无
磁等各种不同要求
，
以满足矿山机械
、
精密机床
、
冶
金设备
、
重型装备与高端汽车等重大装备领域和风
力发电
、
高速铁路及航空航天等新兴业领域等不同
行业高端装备需求
。
2.2
国内外轴承钢品种发展现状
轴承钢的接触疲劳是轴承失效的主要方式之
一
，
得到了国内外高度关注
。
轴承钢的冶金质量对
接触疲劳等性能有直接的影响
。
近百年以来
，
高碳
2
国内外高端轴承与轴承钢现状
2.
1
国内外高端轴承发展状况
铮轴承钢
GCrl5
的化学成分没有大的变化
，
而接触
疲劳寿命提高了
100
倍以上
，
这与轴承钢冶炼技术
第
1
期
曹文全等:高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向
•
3
•
的发展息息相关
，
氧含量的
降低,非金属夹杂物数量和
尺寸的减少,使轴承钢的疲
劳寿命大幅提高
。
研究表
(a)
100000
•
0
1
2
7
培
<
披
0>)
E
w
L15.91
轴承寿命评估
血万转)
10000
loo
1n
明
，
氧含量从
30
x
10"
左
右降低到
5
X10
6
,
夹杂物
烽
尿
樂
叢
1000
B
总长度从
1
mm/cn?
以上,
真
S
空
清
底部
不同
时期
的冶
不同
时的冶
不同
时
的冶
工
艺
工
艺
工
艺
减小到
0.
000
1
mm/cm
3
以
100
1960
1965
970
1975
1980
1985
1990
1995
下
，
轴承钢的接触疲劳额定
图
2
轴承钢接触疲劳寿命厶
。
随着研发时间的提升
(
a)
以及厶
。
与夹杂物之间的关系
(
b)
寿命(厶
o)
从
10
7
次提高到
Fig.
2
Increasing
of
contact
fatigue
life
厶
o
for
bearing
steel
with
development
time
(
a)
and
re
材料制造业务年
1
-
I
r
T
nriii
:
iHiir
I
-
imrii
1
minn
I
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
单位体积内的夹杂物总长度
/(mm
•
cm
')
S
S
10
8
次以上
，
如图
2
所示
。
随着高端装备向着长
lationship
between
L
10
and
inclusion
(
b)
寿命
、
耐高温
、
耐腐蚀以及其他特殊性能发展
，
国外
性能更高和耐温性更好的
CSS42L
钢和
Cronidur30
钢
。
我国在第三代航空发动机用高性能轴承齿轮钢
相继开发出耐温不超过
150
七的以
GCrl5
为代表的
第一代轴承钢
、
耐温性能不超过
350
T
的
M50
和
的研发方面与国外存在更大差距
，
需要进行高温渗
M50NiL
以及更高耐蚀性能和更高耐温性能的
Cro-
nirdur30
和
CSS42L
。
常温条件下使用的第一代轴
承钢,包括以
GCrl5
为主高碳钢
、
以
G20CrNi2Mo
为
碳不锈轴承钢
CSS42L
和高氮不锈轴承钢
Croni-
dur30
等轴承齿轮钢的研发
。
CSS42L
是美国拉特
罗布特殊钢公司
(
Latrobe
Special
Steel
Company)
研
制的表面硬化型轴承齿轮钢
，
属于第三代轴承齿轮
主渗碳钢和以
42CrMo
为主的表面感应硬化中碳
钢
。
材料
，
应用于宇航齿轮传动机构和涡轮螺旋桨主轴
轴承等零部件
。
国内近年来也开始了第三代轴承齿
轮材料的研究工作
，
研制的新型高温不锈渗碳轴承
CCrl5
是最经典的轴承钢牌号
，
已有百年历史
，
目前仍然是轴承钢中乃至特殊钢中产量最大的单一
钢种
，
占到轴承钢总量的
85%
以上
。
GCrl5
作为通
钢
G13Crl4Col2Mo5Ni2,
经淬回火热处理后的抗拉
强度可达到
1
800
MPa,
屈服强度可达到
1
400
MPa,
用轴承钢,适用于
150
t
以下环境使用的各类轴承
部件
。
为满足腐蚀及耐冲击等特殊环境要求
，
国内
断裂韧性
Kg
可达到
80
MPa
•
nJ"
以上
。
该钢经表
面渗碳热处理后室温表面硬度可达到
900
HV(67
外也相应开发了高碳铮不锈轴承钢
G95Crl8
(440C)
、
渗碳轴承钢
G20CrNi2Mo
(8620)
和中碳轴
承钢
42CrMo
(42CrMo4
)
和
G55Mn
(S53C
)
等钢种
。
HRC)
以上
，
渗层深度可达到
1.0
mm,
心部硬度可达
到
545
HV(52
HRC)
O
滚动接触疲劳寿命试验表明
第二次世界大战以后
，
随着喷气发动机的出现
，
轴承
的使用温度提高到
300
T
以上
，
高碳铮轴承钢
G13Crl4Col2Mo5Ni2
的厶
。
比
G13Cr4Mo4Ni4
V
高
10
倍以上
，
如图
3
所示
。
Cronidur30
钢是欧洲最早
GCrl5
耐温性不足
，
因此借鉴使用高速工具钢的钢
种
，
典型牌号为
8Ci4Mo4V
(
M50
),
至今也有
60
年
的历史
，
目前已经发展为航空发动机主打材料
。
为
开发的
，
典型化学成分为
0.
30%
C
、
15%
Cr
、
l%
Mo
、
0.4%N,
该钢采用
C-Cr-Mo-N
合金体系
，
属于高耐
蚀高氮不锈轴承钢
。
通过
N
的固溶强化
，
形成细小
弥散的
Cr2(C,
N)
碳氮化物和
M23C6
碳化物的双强
满足耐蚀性能的要求
，
国外开发了高温不锈轴承钢
G115Crl4Mo4V
(BG42)
,
满足轴承
400
T
以下高温
腐蚀使用的要求
。
为满足高温耐冲击的要求
，
在
化机理
。
由于
Cronidur30
钢中含有
14%
~
16%
的
Cr
和约
0.4%
的
N,
赋予了高氮轴承钢高的硬度
、
高
的耐蚀性能和优异的接触疲劳性能
。
据报道
,Croni-
8Cr4Mo4V
的基础上
，
国外开发出了高温渗碳轴承
钢
G13Cr4Mo4Ni4V
(M50NiL)
。
相对于常温使用的
轴承钢
,M5O
、
M5ONiL
和
BG42
的使用温度分别达到
dur30
钢的耐蚀性能比
440C
钢提高了
100
倍
，
接触
疲劳寿命提高了
4
倍以上
。
但高氮不锈轴承钢
7
350
T
和
400
被称之为第二代轴承钢而被广
泛应用于航空航天领域
。
随着高端装备的发展
，
需
要适应更加复杂的环境,除要求轴承钢具有高硬度
、
高耐磨
、
高接触疲劳性能以外,还要兼备耐温
、
耐蚀
、
Cronidur30
的
N
的加入需要专门的加压冶炼装备
(加压电渣炉
PESR)
和非常复杂的冶炼工艺
，
以保
证材料成分的均匀性和稳定性⑴呦
。
装备的轻量化一直是科研工作者努力的方向,
耐冲击等良好的综合性能
。
第三代轴承钢则是耐蚀
轴承作为装备的关键核心部件
，
由于其工作的特殊
•
4
•
性要求
，
如需要高负载
、
高耐磨
等
，
因此轻量化材料的应用很
特殊钢
第
42
卷
少
。
而航天
、
航空等领域对轻
量化的要求日益迫切
，
因此新
一代的低密度轴承钢的研发成
为关键
。
新型的臻钛合金
60NiTi
以及铁基的马氏体和奥
氏体低密度轴承钢
GCrl5Al
目
前正在研发当中
。
NSK
公司
经过多年研究
，
开发出了一种
接触我劳寿命
经表面淬硬的
SHX
耐热钢
，
图
3
G13Crl4Col2Mo5Ni2(CSS42L
、
GQSS-13)
与
G13Ci4Mo4Ni4V(
M50NiL)
工业试制
SHX
具有良好的抗卡死和耐
钢的经真空表面渗碳后的硬度变化及
200
t
下的接触疲劳性能
磨损特性
，
并且寿命长
（
比
GQSS-13
)
and
G13Cr4Mo4Ni4V(
M50NiL)
after
surface
vacuum
carburisation
and
contact
fa
Fig.
3
Hardness
variation
of
the
industry
trial
steel
of
both
G13Crl4Col2Mo5Ni2(
CSS~42L
、
tigue
property
at
200
七
SUJ2
钢制的轴承寿命长
3
~4
倍
）
。
可以看出尽管已经存在第一代
、
第二代及第
三代系列化轴承钢材料
，
国外依然根据应用需求
，
进
程:真空脱气
（
真空感应
）
一>
电渣炉
（
保护电渣炉和
加压电渣炉
）
，
简称电渣重熔
；
双真空流程
：
真空感
行更高性能轴承齿轮研发
，
而国内在新型轴承钢研
发方面还存在创新能力不足的问题
。
应炉
（
真空脱气
）
真空自耗炉
（
VAR
）
,
简称双真
空
。
由于这两个特冶流程仅仅包括两个冶炼阶段
，
2.3
轴承钢生产装备与冶金质量现状
轴承钢的性能不仅与轴承钢钢种有关,还与轴
承钢的生产装备及其工艺控制密切相关
。
目前国内
故称之为轴承钢短流程冶炼工艺
。
电渣重熔通过渣
洗提高轴承钢的纯净度
，
获得均匀细小的新生夹杂
物
，
并通过水冷结晶器获得均匀的组织
，
质量稳定性
高
，
但批量较小
，
成本较高
。
目前我国年产电渣重熔
轴承钢
20
万
t
左右
，
主要应用于铁路
、
风电
、
轧机
、
兵器等领域
。
双真空工艺具有极强的脱氧能力
，
可
获得极少数量且细小均匀分布的夹杂物
，
以及良好
的组织均匀性
，
质量稳定性很髙
，
但批量更小
、
成本
更高
，
主要用于航空
、
航天等关键轴承部件
。轴承钢
外基于真空脱气流程
（
高炉铁水
（
废钢
）
—
转炉
（
电
炉
）
—
LF
钢包精炼炉
->VD
（
RH
真空精炼炉
）
—
连
铸
（
模铸
）
）
，
在原材料控制
、
冶炼
、
热加工及热处理
等全流程质量控制的基础上
，
已经将高碳铮轴承钢
GCrl5
的冶金质量和性能提高到了
[0]
W5
X10"
、
[Ti]
W10
x
1O"
、
DSWO.
5
级
、
4.
5
GPa
下接触疲劳
寿命厶
0
^1
X10
7
次等优异的冶金质量与疲劳性能
水平
。
由于该流程生产流程长且主要应用于生产量
的生产装备与工艺决定了轴承钢中纯净度与夹杂物
控制水平
，
也极大影响着轴承钢的接触疲劳寿命
。
所以
GCrl5
接触疲劳性能就是一种典型的由夹杂
物大小
、
类型
、
分布所控制的
，
被称之为夹杂物控制
大面广的
GCrl5
、
GC20CrNi2Mo
和
42CrMo
等轴承钢
钢种
，
故而称之为真空脱气轴承钢
。
轴承钢夹杂物
对寿命的影响
，
不仅受到夹杂物尺寸
、夹杂物类型和
夹杂物数量影响
，
同时也受到夹杂物分布的影响
。
的疲劳机制
。
图
4
给出了通过旋弯疲劳法进行真空
脱气
、
电渣和真空自耗等冶炼方法获得的轴承钢夹
杂物对比
。
从中可以看出
，
真空脱气轴承钢的大颗
因此如何提升夹杂物的分布均匀性依然是需要解决
的装备与工艺问题
。
美国
Timken
为了获得高均匀
粒夹杂物是电渣钢和双真空钢的
2
倍左右⑶]
o
轴承钢的接触疲劳寿命不仅受到夹杂物影响
，
还与轴承钢中碳化物颗粒尺寸存在直接相关性
。
碳
化物对接触疲劳寿命影响在
M50
和
440C
中表现得
性夹杂物分布的量大面广轴承钢
，
建立了真空脱气
轴承钢的垂直连铸生产线
，
目前
Timken
的垂直连铸
生产线已经建成并投产
，
可见未来长流程的垂直连
铸工艺也应该是未来轴承钢发展的重要方向
。
目前
更为显著
。
双真空冶炼的
440C
钢的厶
。
仅仅达到了
国内的河北钢厂
、
浙江天马
、
中原特钢都上马了垂直
连铸生产装备
，
可以解决长流程轴承钢弧弯式连铸
带来的夹杂物分布不均匀的问题
。
0.5
X10
7
次
，
低于炉外精炼的
GCH5
的
£
10
&1
x
10
7
次
。
主要原因是
440C
钢中的碳化物尺寸达到了
50
pm
的尺寸
，
远远大于钢中最大夹杂物
Ds
的尺寸
（
20
pun
）
,
同时也远远大于炉外精炼和双真空
GCrl5
的碳化物尺寸
（
最大碳化物一般小于
10
|xm
）
。
据报
除了长流程生产工艺
，
还有电渣冶炼和双真空
冶炼
2
个特冶流程生产更高等级的轴承钢
。
电渣流
第
1
期
曹文全等:高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向
・
5
・
道
，
与
440C
钢一样
，
M50
钢的
接触疲劳寿命主要受到钢中碳
1500
1400
1300
1200
1100
(a)
化物尺寸所控制
。
针对于
M50
钢和
440C
钢的接触疲劳寿命
•
C«-Al-0
▲表面夹杂
ftj(Ca-Al-O)
•
表面夹杂物
(TiN)
z
与轴承钢中的碳化物之间的关
系
，
提出了
M50
和
440C
等高
碳高合金钢的碳化物控制的接
触疲劳机制
。
尽管人们更多地
1000
•
£
拆*
•
•
<<
・・
--
>
......
900
---
>
—
2*
------------
研究了
GCrl5
夹杂物对接触
失效循环次数
夹杂物尺寸
疲劳寿命的影响
，
但碳化物对
图
4
通过旋弯疲劳法进行轴承钢中夹杂物评价
(
a)
及冶炼工艺对夹杂物影响的评价
接触疲劳寿命的影响得到长时
结果
(
b)
间关注
。人们发现高碳锯轴承
Fig.
4
Inclusion
evaluation
by
Spin-bending
Fatigue
Method
(
a)
and
evaluation
results
of
the
effect
of
smelting
process
on
inclusions
(
b)
钢
GCrl5
通过高温扩散
、
控轧
控冷
、
球化退火工艺技术等
，
使钢中的碳化物液析
、
为获得高硬度
、
高耐磨
、
高接触疲劳等性能
,
热处理的
碳化物网状和碳化物带状得到一定的控制与改善
，
从而可以提高轴承钢的接触疲劳性能
。
目的是获得细小均匀的基体组织和析出相
。
常规淬
火
（
SQ
）
后的高碳锯轴承钢
GCrl5
中一般含有体积分
轴承钢的组织均匀性
，
特别是夹杂物与碳化物的
均匀性
，
严重影响轴承钢的接触疲劳寿命
。
瑞典
数为
6%
-15%
的残余奥氏体
，
该残余奥氏体为软的
亚稳定相
,
在一定的条件下
（
如回火
、
自然时效或零件
OVAKO
通过超低
S
含量
（
Wl
X10'
5
）
,
以及
A
、
B
、
C
类夹杂物的尺寸控制
，
从而获得轴承齿轮钢的各向同
性
。
该公司对外宣称可以将不同
C
含量和性能级别
的轴承钢处理成各向同性轴承钢
,
体现出国外较高的
的使用过程中
）
会失稳转变为马氏体或贝氏体
。相变
带来的后果是零件的硬度提高
，
韧性下降
，
尺寸发生
变化而影响零件的尺寸精度
，
导致轴承无法正常工
作
。
对尺寸精度要求较高的轴承零件,一般希望残余
控锻控冷水平
。
OVAKO
公司最近报道的各向同性轴
奥氏体越少越好
，
如淬火后进行补充水冷或深冷处
承及齿轮钢
（
IQ-Steel
）
的部分结果
，
可以看出夹杂物
理
，
采用较高温度回火等消除残余奥氏体
。
但残余奥
氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力
，在一定的条件下,
长度
、
旋转弯曲疲劳强度
、冲击韧性等在横
、
纵
2
个方
向基本相同。
碳化物不均匀性的根源在于凝固组织
工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中
，
提高
轴承的接触疲劳寿命
。
最近国内外报道了一种新型
的均匀性
,
因此对于凝固技术的研究是控制碳化物不
均匀性必不可少的
。
电渣重熔和真空自耗工艺就是
循环热处理可以大幅度细化
GCrl5
的原始奥氏体尺
利用水冷结晶器获得良好的铸态组织,
从而极大改善
寸
，
从而大幅度提升轴承钢接触疲劳性能的研究成
果
。
研究指出
，
双阶段特殊热处理
（
DQ
）
后
,GCrl5
轴
了轴承钢中的碳化物不均匀性
。
通过控制轧制实现
轴承钢整个截面的均匀变形
，
实现碳化物的破碎及形
承钢的原始奥氏体晶粒尺寸从约
15
am
细化到约
5
变诱导碳化物析出
，
改善轴承钢的带状及网状不均匀
性分布卩呦
a
IJim
和轴承钢中的碳化物平均尺寸也从
a
6
p,m
细化
到了
0.3
pm
的水平
，
从而将轴承钢的接触疲劳寿命
无论是夹杂物还是碳化物都有可能成为疲劳裂
纹萌生的源头
。
目前国内外已经发现了不同种类轴
承钢的夹杂物疲劳控制机制和碳化物疲劳控制机制
,
提高了
5
倍以上
，
如图
5
所示⑶
〕。
据报道国外对渗
碳轴承钢进行了新型热处理及表面复合处理研究并
得到了应用
，
该技术可将轴承的使用寿命提高
5
~
10
同时除了夹杂物
、
碳化物外
，
还有基体组织等其他因
倍,显示出热处理技术在提高轴承齿轮寿命方面的巨
素
，
通过抑制疲劳裂纹扩展来影响着轴承钢疲劳寿
命
。
但国内尚没有对此展开系统深入研究
，
因而也无
法形成夹杂物
、碳化物和其他因素的控制理论指导轴
承钢的生产实践
。
大作用
。
原始奥氏体细化大幅提升接触疲劳寿命的
机理可以通过位错在夹杂物边部的塞积加以解
释
（
旳
，
即晶粒越细化
，
作用到夹杂物与基体界面的位
错数量越少
，
减轻夹杂物周围应力聚集程度,降低了
2.4
国内外轴承钢长寿命热处理控制技术
热处理决定了轴承钢最终的组织状态和性能
，
是
轴承长寿命与高可靠性性能保障的重要技术之一
。
夹杂物作为裂纹源的倾向
。
目前国外成功运用了
GCrl5
轴承钢表面碳氮共
渗的特殊热处理技术
（
SH
）
,
该技术可以将轴承钢的
・
6
・
疲劳寿命最高提高了
10
倍
。
国
内也进行了相关研究
，
通过对轴
承钢
GCrl5
进行渗碳
，
以提高表
特殊钢
第
42
卷
面硬度与残余奥氏体含量
，
将接
触疲劳寿命提高了
10
倍以上
。
另外
，
考虑到加工表面粗糙度
、
轴
承钢中残余奥氏体及表面残余应
力等对轴承寿命影响的新型表面
处理技术也亟需研究
。
目前国外
的轴承寿命是国内的
2~4
倍,其
关键原因还在于轴承钢的表面处
图
5
轴承钢双细化热处理工艺
(
a)
及双细化热处理对接触疲劳寿命的影响
(
b)
的示
理技术没有到位
。
目前国外进行
意图
了含大量奥氏体轴承钢
，即超长
ning
heat
treatment
on
contact
fatigue
life
(
b)
in
bearing
steel
寿命轴承钢研发
，
比传统轴承钢
定了水浸超声波检测大颗粒夹杂物的要求
，
未来高铁
高岀
10
倍的寿命
。
通过复合的渗碳和渗氮处理后
轴承用钢及超高纯净轴承钢标准都将采用水浸超声
(
d
叩
lex
hardening)
1,6
,
M50NiL
的疲劳寿命与可靠
波检测技术,检测钢中的大颗粒夹杂物
。
另外
，
利用
性比
M50
提高的幅度更大
，
可以比未复合表面处理
Aspex
explorer
全自动夹杂物分析检测仪和旋转弯曲
的
M50NiL
的寿命提高
10
倍以上
。
我国采用双真
疲劳试验法
，对钢中非金属夹杂物的定量检测及评价
空冶炼工艺生产的高温渗碳轴承钢
M50NiL
具有较
也进行了大量的研究
。
研究表明
［
37J81
,
Aspex
作为新
高的纯净度,但由于其属于低碳钢
，钢中的晶粒度特
型夹杂物检测仪器
，
具有制样较为简单
、
检测分析速
别是渗碳热处理后的晶粒度控制较难
，
往往在钢中
度快
、
可以输出如夹杂物尺寸类型种类等数据等优
出现粗大的晶粒
，
影响其力学等性能
，
因此仍需研究
点;但无法全面表征夹杂物三维形态等缺点
。
旋转弯
M50NIL
的组织细化和均匀化热处理技术
。
曲疲劳法表征夹杂物最为显著的优点就是可以直观
相对于国外对轴承钢热处理技术研究的系统与
观察夹杂物的三维形态,同时利用能谱仪对夹杂物进
深入程度
，
国内依然停留在轴承钢的纯净度控制阶
行点线面的成分分析;但是也存在制样繁琐
、耗时较
段
，
还没有对轴承钢的碳化物
、
残余奥氏体和基体组
长
、
成本高昂等问题,与此同时由于疲劳断裂机理
，
疲
织等影响因素进行深入系统研究
，
也没有形成指导
劳法对于小尺寸夹杂物较难表征
。
轴承钢生产和轴承制造的新型长寿命热处理工艺
。
相对于国外的轴承钢冶金质量的定量检测
，
我
2.5
轴承钢的冶金质量评价技术发展现状
国对轴承钢冶金质量的检测评价还处在定性检测与
材料的检测技术不仅可以保证产品的质量
，
同
评价阶段
，
已经无法进行超纯净轴承钢的夹杂物和
时可为工艺的优化提高数据支持
。
轴承钢是特殊钢
碳化物的评价
，
导致无法细分不同等级的轴承钢冶
中要求最为严格,检测项目最多的钢种
，
包括化学成
金质量
。
未来需要进行轴承钢冶金质量检测评价从
分
、
高低倍组织
、
脱碳层
、
表面与内部缺陷
、
尺寸精度
定性走向定量
、
从二维走向立体的研究
，
为轴承钢生
等
。
在这些检测项目中
，
对轴承钢接触疲劳性能影
产企业和轴承钢用户提升精确指导
。
响较大的非金属夹杂物和碳化物等的标准检测方
3
高端轴承钢发展方向探讨
法
，
多采用图谱法评定
。
然而对于高纯净轴承钢而
Fig.
5
Schematic
diagram
of
double
refining
heat
treatment
(a)
and
effect
of
double
refi-
言
，
图谱法
(GB/T
10561-2005
)
已经无法有效评价
高纯轴承钢冶金质量的优劣
，
因此需要探讨非金属
影响轴承钢冶金质量与服役性能的因素很多
，
需要深入系统的理论研究
，
给轴承钢的研发
、
轴承钢
制造
、
轴承加工制造和轴承的使用提供理论基础
。
但是目前国内研究非常薄弱
，
无法给相关轴承钢和
夹杂物等的定量评价方法
。
目前国外利用水浸超声
波检测技术检测夹杂物的精度在
10
~
100
“
m,
是一
种可实现在线无损夹杂物检测技术
，
因此得到大力的
轴承企业提供理论指导
。
需要一方面进行传统轴承
发展
。
目前国内多家先进轴承钢生产企业已经具备
钢质量性能提升的理论与技术研究
，
保障传统装备
的寿命与可靠性;另一方面进行新型轴承钢开发
，
进
水浸超声波检测技术及能力
，
而且该检测方法的国家
标准也已发布
，
铁路货车用轴承钢的技术条件率先规
行长寿命高可靠性和适应不断发展的装备需求
。
第
1
期
曹文全等:高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向
•
7
•
3.
1
国内外长流程轴承钢超纯净的发展方向
根据轴承钢中合金含量
、
夹杂物控制水平及轴
承钢接触疲劳性能控制水平
，
轴承钢的冶炼方式可
以分为两大类:一是生产量大面广的低合金轴承钢
(GCrl5
、
G20CrNi2Mo)
的长流程工艺
(
BOF/EAF
+
LF
+
RH
+
CC/IC),
另外一种是生产特殊应用的高
合金轴承钢
(
440C
、
M50
、
M50NiL
、
CSS42L
等)的短
流程工艺
(VIM+ESR
和
VIM+VAR)
。
当然这两种
工艺也可以穿插使用
，
以获得低成本的高性能轴承
钢
(
BOF/EAF
+
LF
+
RH
+
CC/IC
+
ESR/VAR
，
女
口
高
均匀性和长寿命的
GCrl5)
0
国外发达国家
，
比如瑞
典
、
日本
、
德国
、
美国等国的轴承钢质量处于领先地
位
，
共同特点是设备先进
、
工艺技术成熟
、
质量稳定
。
世界上生产轴承钢的最著名的厂家有日本的山阳特
殊钢厂
、
瑞典
OVAKO
公司
、
美国
Timken
公司等轴
承钢企业
。
日本山阳特殊钢厂通过长流程轴承钢生
产工艺，
将冶金质量控制的
［
0
］
在
5
x
10"
以下
，有
的甚至达到
(
2
~3)
x
10"
；
最大夹杂物尺寸为
11
pm
；
硫含量达到
(20
-30)
xlO-Ti
达到
(
14
~
15)x10"
。
同时日本近年研制了多个新钢种
，例如
NSK
公司经过多年研究
，
开发出了一种经表面淬硬
的
SHX
耐热钢
，
SHX
具有良好的抗卡死和耐磨损
特性
，
并且寿命长
(
比
SUJ2
钢制的轴承寿命长
3
-
4
倍)
。
在超高速运转时
，
通常认为内圈由于受到
高的环向应力作用而易于断裂
，
使用
SHX
材料的内
圈
，
其内部残余应力能抵消环向应力
，
因此可以大大
地避免断裂
。
用
SHX
材料制造的
ROBUST
系列轴
承已经应用于许多高速主轴
，
其性能已经得到验证
。
在要求高载荷
、
高可靠性方面
，
开发出了
EP
钢以及
一般环境下实现长寿命的
Z
钢
。
瑞典
OVAKO
钢厂
通过长流程生产工艺
，
将轴承钢的冶金质量控制的
［
0
］
在
(5
~8)
x
10",
且偏差值低
(
0.5
x
10")
；
［
Ti
］
波动在
(8
~12)
X10-
6
；
钢中
［
H
］
W1
X10"
。
此外瑞典
OVAKO
公司最近报道的各向同性轴承及
齿轮钢
(IQ-Steel)
的部分结果,表明通过控制轴承钢
各向同性
，
可以实现各种力学性能
，
特别是钢的冲击
韧性在各个方向基本一致
。
因此可以说日本山阳特
殊钢和瑞典
OVAKO
的生产工艺和冶金质量代表了
当代世界量大面广轴承钢
GCrl5
和
G20CrNi2Mo
等
生产质量的水平和发展方向
。
美国
TIMKEN
公司对
轴承材料的研究和开发大致分为三个方面
：
(
1
)
通
过采用新的冶炼技术和装备
，
或对传统的冶炼工艺
和设备进行改进,降低钢中氧含量及夹杂物的数量,
改善夹杂物的分布
、
尺寸和形态
，
改善结晶状态等,
以提高原有钢种的冶金质量
，
生产出长寿命
、
纯净或
超高洁净钢
；
(
2)
对原有钢种的化学成分进行改进
或开发全新轴承用钢
，
以满足不同使用场合对轴承
越来越高的性能要求
；
(
3)
在具有同样性能的前提
下降低材料费用和整个轴承的生产成本
。
国内以兴澄特钢
、
大冶特钢
、
南京钢厂
、
东北特
钢和宝武特冶等为代表的通过长流程生产先进轴承
钢生产企业
，
年产量基本维持在
30
~
100
万
t,
代表
了我国长流程轴承钢冶金质量的最高水平
。
目前国
内以兴澄特钢为代表的轴承钢生产企业
，
已经将轴
承钢
GCrl5
在纯净度方面提升至国外先进水平
。
兴澄特钢生产的轴承钢
GCrl5,
冶金质量方面已经
达到钢中
［
0
］
普遍控制在
5
X10-
6
以下
，
最大夹杂物
尺寸为
18
|im
；
硫含量达到
(20
-30)
x
10"
、
Ti
达
10x10"
以下
。
但通过国内外轴承钢实物解剖发
现
，
国内轴承钢的强韧性与国外存在很大差距
。
比
如国外轴承钢的抗拉强度可以稳定达到
2
400
MPa
以上
，
而国内轴承钢的抗拉强度在
1
800
-2
200
MPa
之间
，
不仅普遍低而且稳定性差
。
这说明虽然国内
轴承钢的纯净度控制水平已经达到或超过了西方发
达国家
，
但在碳化物与基体组织控制等方面还存在
比较大的差距
。
通过以上对国外先进
GCrl5
轴承
钢技术与国内轴承钢技术的比较可以看出
，
轴承钢
技术的先进与否
，
不仅与轴承钢中夹杂物的数量
、
尺
寸和分布
、
碳化物的数量
、
尺寸与分布控制水平密切
相关
，
另外还与轴承钢中基体组织与碳化物控制密
切相关
。
未来我国长流程生产的轴承钢发展方向主
要是超纯净冶炼工艺条件下的轴承钢夹杂物细小化
和均匀化
、
轴承钢中碳化物
、
基体组织及其相关的合
金化与热处理工艺改进与提升
。
目前国内外长流程轴承钢中的氧含量已经降低
到
(3
~5)
X10-
6
,
已经达到了轴承钢氧含量的控制
极限,而轴承钢的接触疲劳寿命厶
。
也仅仅达到
(
1
~
2)
X10
7
次水平
。
未来像高铁
、
机床
、
盾构
、
风电等
高端装备用更长寿命
(L.o^l
X10
8
次)和更高
Dn
值
(
33
x
It?
rpm
•
mm)
等更高性能的长流程轴承
钢冶金质量的进一步提升不仅需要控制纯净度和夹
杂物
，
更需要控制碳化物与基体组织
。
因此未来我国
长流程轴承钢发展
,
一方面需要进行基体组织细化与
均匀化
，
通过合金化设计
、
控轧控冷与热处理技术联
合应用
，
使轴承钢的晶粒尺寸大幅细化
，
形成超细晶
组织轴承钢产品与技术;另一方面需要进行碳化物的
细化和均匀化
，
通过合金化优化
、
冶炼铸造
、
热变形与
热处理等工艺技术相结合
，
进一步提高碳化物的均匀
•
8
•
特殊钢
第
42
卷
性
，
降低和消除液析
、
网状和带状碳化物
，
降低平均尺
寸与最大颗粒尺寸
，形成高强韧轴承钢
GCrl5
o
和美国等发达国家
）
相继建立了不同轴承齿轮钢的
系列化先进冶炼设备
、
轧制锻造设备及高精端热处
理设备
，
满足了不同成分类型轴承齿轮钢的生产与
3.2
国内外短流程轴承钢发展方向
除了以上量大面广的轴承钢长流程生产工艺
应用需求,极大促进了高端航空器件的发展
。
针对
轻量化
、
长寿命
、
高负载与高耐温
，
美国还进行了密
外
，
国内外对于一些高端高合金轴承钢或特殊领域
用长寿命轴承钢采用短流程工艺生产
，
如真空感
应
+
电渣重熔
（
VIM
+ESR
）
、
真空感应
+
真空自耗
度低于
6.
8
g/cm
3
的第四代航空轴承材料的研发
，
以满足更髙载荷和更高
Dn
值要求
。
经过改革开放以来的
40
年发展和国外装备与
（
VIM
+
VAR
）
和
VIM
+
ESR
+
VAR
等联合应用的多
联工艺来进一步提高轴承钢中夹杂物的质量
。
轴承
技术引进
，
我国也形成了第一代和第二代航空发动
机用钢
，
并进行了第三代轴承钢的先期研发
。
但总
体而言
，
在轴承钢的冶金质量与性能来看
，
我国第一
钢短流程的电渣冶炼和自耗重熔的作用均是显著降
低夹杂物尺寸和控制夹杂物分布
。
目前这一类轴承
钢主要用在航空发动机
、
坦克
、
装甲车及战术导弹等
用基础件,其中航空发动机用轴承对钢的要求最高
。
代和第二代轴承钢与国外尚存在比较大的差距
。
我
国也进行了第三代轴承钢
Cronirdur30
和
CSS42L
的国内仿制
，
目前还没有进行第三代轴承钢轴承制
造及应用技术研究
，
距离到轴承应用还需要更多的
随着航空发动机设计的进步和传递能量及转速
增大
、
功率的不断提高
、
推重比和功重比以及
Dn
值
的不断增加,航空轴承的工作温度可达到
350
-500
工作
。
未来像航空发动机主轴轴承和机体轴承等更
高推重比
（
15
-20
）
、
更高
Dn
值
（
M4.
0
x
10
6
rpm
•
七
，
在新条件下工作的高温轴承要求轴承材料具有
高的表面硬度
、
高耐磨性能
、
良好的断裂韧性
、
延展
mm
）
和更高耐温耐蚀性能
（
&
500
T
）
等高强韧性
、
低密度
、
更高耐温性和耐蚀性能轴承钢将会是短流
性和冲击韧性
。
目前航空发动机
M50
和
M50NIL
是
美国卡本特公司研发并通过
VIM
+
VAR
的短流程
冶炼制造
，
已经成为国内外航空发动机主轴轴承的
程轴承钢的重要发展方向
，
以满足我国航空航天
、交
通运输等高端装备的发展
。
主打材料
。
近
20
年美国拉特罗布特殊钢公司
（
La
3.3
国内外轴承钢质量热处理技术发展方向
轴承钢的冶金质量影响轴承的寿命与可靠性
，
trobe
Special
Steel
Company
）
开发应用于航空发动机
主轴轴承的高温渗碳不锈轴承钢
CSS42L,
渗碳后
碳化物组织细小且分布均匀
，
室温最高硬度可达到
也与轴承钢的热处理工艺存在比较大的关系
。
近
68
HRC,
在
430
七下的最高高温硬度为
62
HRC,
在
20
年来
，
国外报道了多种大幅度提升轴承钢接触疲
劳寿命的热处理技术
。
我国高温渗碳轴承钢
M50NiL
的接触疲劳寿命目前较国外低
，
热处理工艺
不完善可能是另一个很重要的原因
。
在我国轴承制
造企业
，
渗碳钢的渗碳热处理是通过多用途渗碳炉
480
-
500
七下的最高高温硬度
58
HRC,
芯部最高
断裂韧性可达到
HO
MPa
•
m'
/2
o
滚动接触疲劳寿
命试验表明它的乙
。
是
M50
钢约
28
倍
，
具有广泛的
应用前景
。
所以利用
CSS-42L
替代
M50
等第二代
中通过碳势的控制
，
获得所需的碳浓度和渗碳层的
深度
,
常常导致渗层的碳浓度和深度比较不均匀
、
组
轴承齿轮钢不仅可以大幅度提高轴承齿轮寿命和可
靠性
，
大幅降低轴承齿轮的更换频率,提高安全性和
降低发动机维修成本
。
欧洲为了提升航空轴承的耐
织也不理想
，
并且变形较大
。
国外多采用真空渗碳
热处理工艺
，
该工艺通过控制炉内压力和流量以及
渗碳时间
，
也可采用真空低压渗碳及等离子渗碳等
蚀性能和疲劳性能
，
开发了高氮轴承钢
Cronidur30
钢
，
目前已经形成产品与标准
，
并成功得到应用
。纵
观国内外航空发动机用钢的发展
，
可以看出航空发
工艺获得均匀的碳浓度和渗层深度
，
获得理想的组
织并且变形很小
，
磨加工以后可以保持比较均匀的
渗层深度
。
因此开展真空渗碳热处理的工艺研究
，
动机用钢已经形成了以
GCrl5
、
440C
等为代表的常
温使用的第一代航空用轴承钢
（
使用温度不高于
并对热处理后的表层应力分布状态和结构
、
微观组
织
、
过度层和心部组织与失效以及接触疲劳性能的
研究很有必要
。
另外
，
据报道国外对渗碳轴承钢进
150
T
）
,
以
M50
、
M50NiI
、
Proyweai€75
及
BG42
等为
代表的中温使用的第二代航空用轴承钢
（
使用温度
不高于
350
X.
）
和以
CSS42L
及
Cronidur30
轴承齿
行了新型热处理及表面复合处理研究
，
并得到了应
轮钢为代表高韧性耐腐蚀和耐高温特点的第三代航
空轴承钢
（
使用温度不高于
500
七
）
。
随着国外航
用
，
该技术可将轴承的使用寿命提高
5
~10
倍
，
显示
出热处理技术在提高轴承齿轮寿命方面的巨大作用
。
在高洁净度冶炼技术的基础上,通过特殊热处
空三代轴承齿轮钢的发展
，
国外
（
主要是欧洲
、
日本
第
1
期
曹文全等:高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向
•
9
•
理不仅可以细化晶粒
，
也可以细
化碳化物
，
改善碳化物分布
；
这
样既可以提高强度和硬度
，
又可
以大幅度提高轴承的接触疲劳
寿命
。
目前我国针对奥氏体化
工艺对轴承钢组织结构及性能
影响的研究不是特别深入
，
有必
要开展新型热处理工艺对轴承
钢接触疲劳寿命影响的研究
，
形
成轴承钢的特殊热处理技术
。
图
6
百年来国内外轴承钢的接触疲劳寿命随年代变化以及各阶段采用长寿命技
术和未来超长寿命轴承钢发展方向判断
同时轴承钢的细化热处理技术
也说明了一个道理
，
那就是可以
Fig.
6
Variation
of
contact
fatigue
life
of
bearing
steels
with
age
in
domestic
and
abroad
over
past
century
and
long-life
technology
at
various
stages
and
future
development
direc
・
在一定洁净度的水平下,通过轴
tion
of
ultra-long-life
bearing
steel
承钢组织的细化和均匀化来大
幅度提高轴承钢的接触疲劳寿命
，
这为我国轴承钢
制造的经济性或低成本提供了可能方向
。残余奥氏
体可提髙韧性和裂纹扩展抗力,一定的条件下
，工件
表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中
，提高轴
方面已经达到甚至超过国外水平
，
但在夹杂物
、
碳化
物和基体组织的细质化均匀化控制方面与国外存在
较大差距,导致轴承钢的强韧性与接触疲劳寿命稳定
性方面落后于国外
,
无法满足高端装备需求
。
承的接触疲劳寿命
。
根据这一思路
，
目前国外成功
运用了轴承钢的特殊热处理技术
，
该技术可以将轴
(
2
)
新型长寿命热处理技术:我国量大面广轴承
钢和特殊用途轴承钢的热处理工艺过于陈旧,依然停
承钢疲劳寿命最高提高了
10
倍
。
留在
30
年前的水平
，
与国外的轴承钢双细化热处理
、
轴承钢表面超硬化热处理以及轴承钢表面改性技术
4
我国高端轴承钢发展机遇与方向
通过以上国内外量大面广轴承钢和特殊用途轴
存在较大差距
，
需要进行相关机理与长寿命热处理
技术研究
，
指导轴承钢生产实践和高端轴承的加工
制造
，
实现高端装备用轴承的长寿命与高可靠性
。
承钢分析可以看出
，
我国与国外发达国家还存在较
大差距
，
也是导致我国轴承质量与性能存在较大差
距的重要原因
。
目前我国制造和运行速度最快和里
(3)
新型高性能轴承钢创新
：
新型高性能轴承
钢开发的步伐与支持力度不足
，
无法形成基于使用
程最长的高铁
，
世界最大的盾构机正在中国生产和
使用
，
生产和使用世界上最大的风力发电装备
，
也在
环境要求的轴承钢自主创新
，
一直处于跟跑状态
;
未
来需要在更高强韧轴承钢
、
超长寿命轴承钢
、
更高耐
温与耐蚀性能轴承钢和低密度轴承钢等方向进行创
新研发
，
以满足高端装备需求和引领国内外高端轴
进行更高推重比和高功重比航空发动机及大型远程
运输机的研发制造
，
更应该拥有世界上最好性能的
轴承钢和更长寿命的高端轴承
。
本文分析表明，
未
来轴承钢的发展需要在超纯净冶炼的基础上
，
进行
承钢的发展
。
夹杂物
、
基体组织
、
碳化物和残余奥氏体细质化
、
均
匀化和稳定化的研究，
形成更长寿命的轴承钢
。
图
(4)
基础理论与评价体系完善
：
轴承钢抗疲劳
理论研究严重落后和没有得到充分重视
，
导致传统
轴承钢质量控制技术
、
长寿命热处理技术以及新型
6
是对国内外轴承钢夹杂物控制阶段
、
长寿命热处
理研发阶段以及未来新型超长寿命轴承钢合金化趋
势的判断
。
由此可以看出
，
我国轴承钢未来的发展
方向应该是传统轴承钢的性能提升和新型高性能轴
承钢的创新研发
。
针对国内外轴承钢质量与热处理
技术差距
，
未来我国轴承钢应在一下几个方面进行
高性能轴承钢研发等跟不上高端装备发展需求
。
需
要建立健全相关轴承钢冶金质量检验检测装备
，
进
行影响轴承钢疲劳性能因素的系统理论研究
，
指导
轴承钢冶金质量控制和未来新型超长寿命轴承钢和
高端轴承的创新研发
。
深入系统研究
：
通过以上高性能轴承钢基础理论和工程化研
究
,
完成长流程真空脱气轴承钢
、
短流程特种冶炼轴
承钢
、
轴承钢组织性能调控
、
新型高强韧轴承钢创新
(
1
)
传统轴承钢品质提升:我国量大面广轴承钢
GCrl5
和
G20CrNi2Mo
等和特殊用途轴承钢
M50
、
M50NiL
、
Cronidur30
和
CSS-42L
等在纯净度控制水平
以及高性能轴承钢检验检测平台等研究
，实现
：
(
1
)
•
10
•
特殊钢
第
42
卷
大幅度提升传统长流程真空脱气轴承钢
(GCrl5
、
G20CrNi2Mo
和
42CrMo
等长流程轴承钢)中夹杂
物
、
碳化物和基体组织控制等冶金质量
，
使我国轴承
钢接近或达到国外先进水平
。
作为轴承寿命指标的
现有轴承钢的接触疲劳寿命(厶
。
)从
10
7
提高到
108
水平
，
实现长流程轴承钢在高铁
、
机床
、
盾构
、风电等
领域应用,解决高端装备卡脖子问题
；
(
2)
通过进行
短流程特种冶炼轴承钢
(
M50
、
M50NiL
、
Cronidur30
及
CSS42L
等)的合金化
、
冶炼锻造及热处理技术
研究
，
大幅细化夹杂物
、
碳化物和基体组织
，
实现航
空发动机轴承和飞机机体轴承的国产化应用
；
(
3)
通过芯部与表面梯度组织控制技术研究
，
形成传统
轴承钢新型表面处理技术及表面组织控制技术
，
大
参考文献
[1]
杨晓蔚.高端轴承制造的关键技术
[J].
金属加工(冷加工
)
，
2013(16):16-18.
[2]
钟顺思
，
王昌生•轴承钢
[M].
北京
：
冶金工业岀版社
，
2000
：
1-
10.
[3]
刘
飞
，
刘静波
，
盛青志.国内轴承行业发展现状研究[J]
•现
代经济信息
,2018(20):317-318.
[4]
杨晓蔚.滚动轴承产品技术发展的现状与方向
[J].
轴承
,2020
(8)
：65-70.
[5]
Vaskamp
A
P.
Microstructural
Changes
Druing
RCF
[
M
]
.
Delft
:
Delft
University
of
Technology
,
1996
:
13-26.
〔
6]
Vaskamp
A
P.
Microstructural
Changes
Druing
Rolling
Contact
Fa
tigue
：
Metal
Fatigue
in
the
Subsurface
Region
of
Deep
Groove
Ball
Bearing
inner
Rings
[
M
]
.
Delft
:
Delft
University
of
Technology,
1997
：
5-9.
[7]
付悍巍
，
崔一南，
张
弛
，
等.轴承钢滚动接触疲劳研究进展
[J]
•中国冶金
,2020,30(9):11-23.
[8]
李昭昆
，
雷建中
，
徐海峰
，
等.国内外轴承钢的现状与发展趋
势
[J]
・
钢铁研究学报,2016,
28(3)
:
1-12.
[9]
尤绍军•我国轴承钢及热加工技术的现状和研究方向
[J].
金属
热处理
,2012,37(1)
：
119-125.
[10]
薄鑫涛.轴承钢的发展
[J].
热处理
,2012,27(4):33.
[11]
虞明全.轴承钢钢种系列的发展状况
[J].
上海金属
，
2008
(3)
：
49-54.
[12]
王
坤
，
胡
锋
，
周
雯
，
等•轴承钢研究现状及发展趋势
[J].
中国冶金
,2020,30(9):119-128.
[13]
俞
峰
，
魏果能
，
许
达•不锈轴承材料的研究和发展
[J]
•钢
铁研究学报
,2005(1):6-9.
[14]
魏果能
，
许
达
，
俞
峰
，
等.高纯
H9Crl8
不锈轴承钢的组织
和性能
[J].
钢铁研究学报
,2004(6)
：
3740
+46.
[15]
叶健熠
，
仇亚军，
高元安
，
等.新型不锈轴承钢
6Crl4Mo
冲击
韧性与显微亚结构
[J].
特殊钢
,2004,25(1)
：
29-31.
[16]
雷建中
，
叶健熠
，
杨巧玲
，
等.新型不锈轴承钢6Crl4Mo
的组
织与性能
[J]
•轴承
,2002(2):25-27
+41.
[17]
李文东
，
吴春雷
，
唐光泽
，
等.
热变形量对
M50
钢碳化物分布
的影响
〔
J]
•材料热处理学报
,2012,33(
S2)
：
98-100.
[18]
丁开勇
，李
雷
，
冀国良
，
等.M50NIL
轴承钢的奥氏体晶粒长
大行为
[J]
•材料热处理学报
,2016,37(11):166-171.
[19]
田
勇
，
宋超伟
，
葛泉江
，
等.航空用高温轴承钢
CSS42L
热
处理技术及其展望
[J].
轧钢
,2019,36(6):1-5
+28.
[20]
张
鹏
，
陈鹏飞.
CRONIDUR3
0
高氮不锈钢的热处理工艺及
组织和性能
[J].
热处理
,2020,35
(1):1-9.
[21]
林桐震
，
郝雪玲
，
杨红卫
，
等.高氮不锈钢
Cronidur3
0
轴承套
圈锻造工艺设计
[J].
轴承
,2019(4):23-25.
[22]
郑滔
，
俞峰
，
张家涛
，
等.热处理工艺对高氮不锈轴承钢
G30
组织与性能的影响
[J].
金属热处理,2013,38(9):21-25.
[23]
何加群.中国工业强国战略和轴承产业
[J].
轴承
,2015(1)
：
幅度提升轴承的寿命与可靠性
，
满足我国高端装备
对高性能轴承钢的要求
；
(
4)
完成新型高强韧
、
耐高
温和长寿命轴承钢和新型低密度轴承齿轮研发并实
现产业化
，
使其达到或超过国外同类产品水平
。
通
过控制接触疲劳寿命(厶
。
)达到
10*
来提高轴承使
用寿命;
(
5)
建立健全高性能轴承钢冶金质量和性
能的检验检测平台并制定相关标准
，
为高端轴承钢
质量性能调控的基础理论研究和高端轴承钢工业化
产品分析评价奠定坚实的分析评价装备和平台
。
国家重点研发计划资助项目
(
2016YFB0300101)
国家自然科学基金资助项目
(51871062)
55-63.
[24]
张俊江.高端轴承装备制造业的发展机遇
[J].
轴承
,2011
(12)
：
59-63.
[25]
杨晓蔚•高速铁路轴承概述
[J]
•
轴承
,2011
(10)
：
59-61
.
[26]
李尚勇
，
宋
丽
，
邓四二.汽车轴承技术及其发展动向[J].
轴
承
,2009(7)
：
58-63.
[27]
俞
峰
，
陈兴品
，
徐海峰
，等.滚动轴承钢冶金质量与疲劳性
能现状及高端轴承钢发展方向
[J].
金属学报
，
2020,56(4)
：
513-522.
[28]
Xu
H
F,
Wu
G
L
and
Wang
C
,
et
al.
Microstructure,
Hardness
and
Contact
Fatigue
Properties
of
X30N
High
Nitrogen
Stainless
Bearing
Steel
[ J
]
.
Journal
of
Iron
and
Steel
Research
Internation
al
,2018
,25
(9
)
:954-967.
[29]
Xu
H
F,
Yu
F
and
Wang
C
,
et
al.
Comparison
of
Microstructure
and
Property
of
High
Chromium
Bearing
Steel
with
and
Without
Ni
trogen
Addition.
Journal
of
Iron
and
Steel
Research
,
International,
2017,24(2)
：
206-213.
[30]
徐海峰，
曹文全
，
俞
峰
，
等.国内外高氮马氏体不锈轴承钢
研究现状与发展
[J].
钢铁,2017,52(1):53-63.
[31
]
Cao
Z
X
,
Shi
Z
Y
and
Liang
B
,
et
al.
Melting
Route
Effects
on
the
Rotatory
Bending
Fatigue
and
Rolling
Contact
Fatigue
Properties
of
High
Carbon
Bearing
Steel
SAE52100
[J]
.
International
Journal
of
Fatigue,2020,
140
:105854.
[32]
王志蒙
，
王玉辉
，
曹文全
，
等.GCrl5
轴承钢热变形行为及加
工图
[J]•材料热处理学报
,2017,38(1)
J91-197.
[33]
邢鹏达
，
王玉辉
，
王志蒙
，
等.基于非均匀温度场的
GCrl5
轴
承钢均匀化轧制
[J].
钢铁
,2017,52(
10)
:59-64.
[34]
Cao
Z
X
and
Shi
Z
Yu
F.
Effects
of
Double
Quenching
on
Fatigue
Properties
of
High
Carbon
Bearing
Steel
with
Extra-High
Purity
[
J
]
.
International
Journal
of
Fatigue,
2019
,
128
:
105176.
[35]
刘宏基
，
孙俊杰
，
江
涛
，
等.一种超高碳钢的滚动接触疲劳
研究
[J].
金属学报
,
2014,50(12)
：
1446-1452.
[36
]
Bhadeshia
H K
D
H.
Steels
for
Bearings
[
J
]
.
Progress
in
Materials
Science
,
2012
,
57
:
268-435.
[37]
史智越
，
徐海峰
，
许
达
，
等.冶金工艺对
GCrl5
高周旋转弯
曲疲劳性能的影响[J]
・
钢铁
,2018,53(11):85-92.
[38]
高宏适.钢中夹杂物自动检测装置
[N].
世界金属导报,
2020-
10-13
(B07).
曹文全
(
1969-)
，
男
，
博士
,2003
年清华大学博士毕业
，
正高
级工程师
，
轴承钢
、
汽车钢
、
耐磨钢与其他高性能钢铁材料研
究
o
:
caowenquan@
nercast.
com
收稿日期
：
2020-12-09
版权声明：本文标题：高端装备用轴承钢冶金质量性能现状及未来发展方向 内容由网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：http://roclinux.cn/b/1710143216a559355.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论