汽車軸承的材料及熱處理長壽命技術

劉耀中，張 松

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.常州光洋軸承有限公司，江蘇 常州 213002）

據有關資料統計，40%的滾動軸承應用于汽車。近年來，隨著汽車工業的發展和各方面對汽車性能要求的不斷提高，汽車軸承越來越小型輕量化、高速化和高效率化，使用條件越來越苛刻。軸承不僅要求低摩擦、耐磨性和耐久性的摩擦學特性，而且要求在高速、高載、高溫等條件下具有長的壽命、高的可靠性，并能實現免維修化、環保和低成本等。為了滿足這些要求，從軸承材料及熱處理、設計、潤滑等方面進行了大量的探討。其中NSK公司開展的工作尤為突出。文中以NSK公司的技術研究為主題，從材料及熱處理方面，對國外相關技術的發展動態進行綜述，以期有所借鑒。

1 軸承的失效形式

軸承的正常失效大致可分為疲勞剝落失效、精度喪失失效、振動噪聲超標失效，相應壽命為疲勞壽命、精度壽命及音質壽命。除此之外的失效劃歸為非正常失效，如滾動軸承零件（套圈、滾動體）的斷裂、保持架的斷裂等等。其中，疲勞剝落失效為最主要的失效形式，疲勞壽命也是目前軸承設計的主要依據。疲勞剝落按其起源部位可分為次表面起源型、表面起源型；按疲勞剝落發生前有無組織變化又可分為組織變化型和非組織變化型。

1.1 次表面起源型剝落

在良好的潔凈潤滑條件下，受高的滾動接觸壓力作用，位于接觸表面下一定深度的最大剪應力處，形成疲勞源（或微裂紋），裂紋隨后向表面擴展形成剝落。位于該區域的高硬度夾雜物（氧化物）或粗大的碳化物由于和基體的變形不協調，而優先成為疲勞剝落的發源地。夾雜物的硬度越高，尺寸越大，越易成為疲勞源，其相應的疲勞壽命越短。次表面起源型剝落為正常剝落，其軸承的疲勞壽命一般較長。

1.2 表面起源型剝落

在潤滑不良的情況下，滾動體和套圈之間發生金屬的直接接觸，滑動摩擦增大，使疲勞源由次表面移向表面，隨后疲勞裂紋向內擴展，形成剝落。表面存在各種缺陷，如暴露于表面的粗大夾雜物或碳化物，可直接以這些缺陷為疲勞源，形成剝落。表面起源型剝落更常見的情形是潤滑劑中存在外來污染顆粒或傳動件產生的磨粒等，即所謂的污染潤滑。在污染潤滑條件下，潤滑劑中的污染顆粒被輾入接觸區，在套圈或滾動體的滾動接觸面上形成壓痕，在壓痕邊沿造成高的應力集中或裂紋，成為疲勞源。其剝落過程如圖1所示［1］。在這種剝落形式下，軸承的疲勞壽命較短。

圖1 污染潤滑條件下的疲勞剝落過程

1.3 組織變化型剝落

近年來，隨著軸承使用條件的惡化，汽車輔機軸承，如發電機軸承、皮帶輪軸承等，使用常規材料并經常規的熱處理后，軸承的疲勞剝落壽命明顯降低。分析表明，雖然剝落起源于次表面，但在剝落發生前，其組織發生了變化。通過詳細的觀察發現：其組織變化又分為兩種類型。

1.3.1 常規型組織變化

GCr15鋼制軸承在準高溫（100～200℃）及接觸應力作用下，接觸表面下出現白色腐蝕區（White Etching Area，WEA）或白色條帶，具有一定的方向性（圖2），其為低硬度的鐵素體區，該區內粒狀碳化物消失，并在鄰近區域析出針狀（或網狀）碳化物，成為黑色腐蝕區（Dark Etching Area，DEA），當該區存在夾雜物時，白色區域可呈以夾雜物對稱分布的蝴蝶狀。一般，白色區域分布于原奧氏體晶粒內。白亮區成為后來的疲勞源。其形成機制是高溫及應力作用下，碳原子的擴散能力提高，馬氏體發生回火，硬度降低。軸承壽命僅為常溫下壽命的1／10左右。同時，耐磨性及尺寸精度和配合間隙變差，甚至發生軸承卡死。

圖2 常規型組織變化剝落

1.3.2 特異型組織變化

另一類組織變化如圖3所示。白色組織及隨后出現的裂紋傾向于優先發生在原始晶界上，呈橢圓形不規則形態。這多發生在汽車動力傳動系統及其周圍的輔助設備（如發電機、皮帶輪）用軸承中，該類軸承工作溫度、速度及載荷均較高，且有電流或電荷存在。較常規型組織變化發生的疲勞剝落而言，其疲勞壽命大幅度下降，約為計算壽命的1／10。有研究認為：該類白色組織剝落是由氫引起的，是一種氫致脆性剝落。其產生機理如圖4所示［2］。處于接觸面間的潤滑劑或潤滑油在高溫高壓下或受電流（電荷）的放電的影響，并受接觸金屬的催化作用，發生摩擦化學反應分解而產生氫原子或離子，氫原子吸附于接觸面并向金屬內擴散，在最大剪應力區的微小缺陷處聚集，使局部材料的強度減弱，最終形成白色組織剝落。原奧氏體晶界為氫擴散和聚集的優先部位，故白色組織優先在該處形成。

值得注意的是，這兩類組織變化型剝落有時會在同一軸承中出現，不少研究均把兩者統稱為組織變化型剝落，但兩者從產生的機理到對軸承壽命的影響有著很大的區別。另外，在水混入的潤滑條件下，關于水的作用尚無統一的認識。有的研究認為，混入潤滑劑中的水降低了潤滑劑的黏度，使潤滑狀態劣化，并且水分解產生氫原子，引發氫致脆性剝落；有的研究認為，水削弱了滾動表面金屬的強度，在表面的非金屬夾雜物處形成疲勞源，并沿原奧氏體晶界向內擴展，為表面起源型剝落，與氫引起的白色組織次表面剝落不同，機理見圖5［3］。

圖3 特異型組織變化剝落

圖4 特異型組織變化剝落機理

圖5 水混入潤滑條件下的剝落

2 材料及熱處理長壽命技術

根據軸承的工況條件不同，其失效形式不同，所采用的材料及熱處理長壽命措施各異。

2.1 次表面起源型剝落的長壽命技術

2.1.1 提高鋼的潔凈度，改善夾雜物的分布

對于易發生次表面起源型剝落的軸承，如潔凈潤滑及密封良好的軸承，其壽命主要取決于材料中夾雜物的類型、數量及尺寸。其中，氧化物型（Al2O3，SiO2等）和Ti型（TiN）非金屬夾雜物是有害的，其縮短軸承壽命，尤其是粗大的硬脆夾雜物對接觸疲勞的壽命影響最大，夾雜物的尺寸越大，與基體的硬度差別越大，其危害越大。因而，為了延長軸承壽命，有效的方法是減少非金屬夾雜物量，其中最有效的方法是降低鋼中的Ti和氧含量。通過鋼包精煉、真空脫氣、改善制鋼條件降低非金屬夾雜物等雜質和氧含量，可有效提高鋼的潔凈度和疲勞壽命。當氧含量由30×10-6降低到10×10-6以下時，軸承壽命提高20～30倍以上。如NSK開發的Z鋼、KOYO生產的高精煉鋼HRS（high refining steel），其軸承的壽命為標準鋼制軸承的3倍，等同于特殊重熔鋼的壽命（如VAR，ESR）。

近年來的研究還發現：即使是鋼的氧含量降至10×10-6以下，甚至是6×10-6以下，其疲勞壽命仍具有分散性，即少數的軸承壽命仍很低，影響了軸承的可靠性；同時，進一步降低氧含量將大大增加成本。其原因是盡管鋼的整體氧含量很低、非金屬夾雜物的總量很少，但仍存在極少量的大尺寸非金屬夾雜物，在一定的條件下導致軸承的早期疲勞剝落。為此，最近日本采用了一些新的夾雜物評定控制方法，如極限法統計（The statistics of extremes method）、NSK-ISD法（NSK-inclusion size distribution discriminating method）等。采用這些評估方法可以改善煉鋼工藝和條件來減少非金屬夾雜物的數量和尺寸，控制夾雜物的尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夾雜物的數量。如NSK在采用NSK-ISD法評定夾雜物的試驗基礎上確立SNRP（SANYO New Refining Process）煉鋼方法，生產出EP鋼。該鋼的氧含量為5×10-6左右，夾雜物分布及尺寸均勻，壽命長（L10為Z鋼的5倍以上）、壽命分散性大大減小，使可靠性大大提高。

另外，除非金屬夾雜物外，粗大的碳化物同樣也是疲勞剝落的優先源區，尤其是在高純度鋼中，其對壽命和可靠性的影響更加突出。因此，國外公司在煉鋼時采用了多種措施來改善碳化物的分布，如澆注時采用電磁攪拌、采用大尺寸的連鑄等。此外，結合鍛造，采用等溫球化退火也可進一步細化均勻碳化物。

2.1.2 改進合金成分提高基體強度

在潔凈潤滑條件下，次表面起源的剝落也可由最大切應力處基體的疲勞而引起。在這種情況下，延長疲勞壽命的有效途徑是通過合金元素的最佳化來強化材料的基體，防止基體疲勞的發生。如KOYO開發的GT鋼，其是在SUJ2的基礎上添加Si，Ni，提高了基體強度、韌性，同時提高了抗回火穩定性，在潔凈潤滑條件下其軸承的疲勞壽命約為標準SUJ2的6倍以上。GT鋼用于制造在重載、潤滑條件下或小型輕量化條件下使用的軸承。NSK開發的SHJ5是在GCr15的基礎上增加了鉻含量。

2.2 表面起源型剝落的長壽命技術

表面起源型剝落主要發生在潤滑油膜形成不充分或潤滑劑污染的條件下，如變速系統軸承、輪轂軸承等。有效的方法是改善潤滑條件，如使用能夠確保潤滑油膜充分形成的高黏度潤滑劑，或利用良好的密封阻止異物混入潤滑劑，或增加潤滑劑過濾系統等，使表面起源型剝落轉換為壽命較長的次表面起源型剝落。但這些措施有時受到諸多限制，如增加潤滑劑黏度意味著攪拌阻力及相應的功耗增大，軸承安裝部位不允許設置密封或過濾裝置等。只有從材料及熱處理方面采取措施，實現長壽命化。

對于常見污染潤滑條件下發生表面起源型剝落，其壽命的降低程度取決于表面壓痕的尺寸及邊緣的形狀。壓痕尺寸越大，邊緣曲率越小，應力集中越大，壽命越低。提高壽命的有效途徑是減小壓痕尺寸，增大壓痕邊緣曲率。一方面可通過合金化提高基體強度或通過表面覆膜材料提高表面硬度，減小壓痕尺寸，但增加了材料成本和制造成本。另一方面是增加殘余奧氏體的含量，減小壓痕邊緣的應力集中。圖6為殘余奧氏體量與壽命的關系［4］。壽命隨殘余奧氏體的增加而增加，殘余奧氏體到達30%～40%時，壽命最高。提高殘余奧氏體含量的方法有兩類：一類方法是調整GCr15鋼的合金成分或進行特殊的淬回火熱處理，使熱處理后的軸承零件中保留一定量的穩定的殘余奧氏體，利用易變形的殘余奧氏體降低壓痕的邊緣效應，使起源于壓痕邊沿的表面疲勞源不易形成和擴展。NSK的NSJ2鋼及KOYO的SH技術正是基于這一理論開發的。另一類方法是采取表面碳氮共滲處理。首先，對鋼的成分進行調整，提高Si，Mn含量以提高殘余奧氏體的穩定性，加入Mo以細化碳化物、碳氮化物。其次是嚴格控制滲碳或碳氮共滲工藝，使零件處理后在其表面得到較多的殘余奧氏體（約30%～35%）和大量細小的碳化物、碳氮化物。一方面，大量細小的碳化物、碳氮化物可保證表面的硬度和耐磨性使壓痕不易形成；另一方面，即使形成壓痕，較多的穩定的殘余奧氏體也可降低其邊緣效應，阻止疲勞源的形成和擴展。基于這一理論，NSK，KOYO分別開發了對軸承鋼進行碳氮共滲的UR技術及KE技術；NSK開發了采用中碳合金鋼碳氮共滲的TF系列技術（HTF，STF，NTF）。這些技術大大提高了軸承在污染潤滑條件下的壽命，如NSK采用HTF技術生產的圓錐滾子軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命為普通軸承的10倍。

圖6 殘余奧氏體量與表面起源型剝落壽命的關系

2.3 組織變化型剝落的長壽命技術

對于常規型組織變化剝落，如采用M50類高溫用材料，則必然增加軸承的成本。提高準高溫工作條件下軸承壽命的有效而廉價的途徑是在GCr15的成分基礎上適當提高Cr，Si，Mo等阻止碳擴散的元素含量，以阻止白色腐蝕區的形成來提高高溫性能。為此，NTN及KOYO分別開發了準高溫軸承鋼NTJ2（SUJ2的基礎上提高了鉻含量），KUJ7（1.0Si，2.0Cr，0.5Mo），其在150～180℃的工作溫度下壽命、尺寸穩定性等均優于200℃高溫回火處理的GCr15（SUJ2）；NSK開發了SBS1（0.5 Si，0.3Mo），在130℃下L10為SUJ2的1.5～3倍。這類準高溫鋼特別適合于制造汽車發動機主軸、發電機用軸承。

對于特異型白色組織剝落，其本質是氫致脆性，不利于潤滑劑的分解、氫的擴散及聚集的因素或措施均能提高壽命。主要采取的措施有：

（1）接觸面鍍鎳，利用鍍鎳膜和在滾動接觸過程中鎳向內部擴散形成的富鎳層阻止氫向金屬中滲入，從而使鋼中氫含量控制在發生氫致脆性剝落的臨界氫含量Hc以下，壽命可提高4倍左右。

（2）提高鋼中鉻含量，利用鉻降低氫在鋼中的擴散速率和在微缺陷處的聚集，原理見圖7［1］。NSK在SUJ2的成分基礎上適當增加鉻含量，開發了SHJ5，在清潔脂潤滑環境中，發生白色組織剝落的壽命為SUJ2的4倍以上。

圖7 鉻的作用機理

（3）采用特殊的碳氮共滲，一方面利用碳氮共滲在表層形成大的壓應力，阻止氫的滲入和擴散；另一方面利用密集細小的碳氮化物減少磨損，進而減少新鮮的金屬表面的形成，降低金屬的催化作用，使氫不易生成。如NSK開發的含鉻較高的SHX3，施以特殊碳氮共滲（STF技術），其白色組織剝落壽命為SUJ2的10倍以上。

（4）利用其他覆膜技術，如鍍氮化鈦、離子注入等，或減少金屬的直接接觸以抑制氫的生成，或阻止氫的滲入。圖8為外圈滾道涂覆氧化物涂層的壽命試驗結果，通過在滾道上形成氧化膜，避免新鮮金屬表面接觸，控制摩擦化學反應，抑制氫的產生，大幅度提高壽命。

（5）在有電流或電荷存在的場合（如發電機軸承、電動機軸承），一方面可采取絕緣措施，如采用陶瓷滾動體，或在外圈外徑面上涂覆氧化鋁或樹脂，減少金屬間的接觸或阻斷電流通路，壽命明顯提高，見圖9［2］。另一方面使用加入納米碳的導電脂，形成通電回路，連續綜合靜電，減小內、外圈的電位差，避免放電現象發生，達到限制氫產生的目的。其作用機理見圖10。

NSK的長壽命技術如圖11所示［1］。

3 結束語

汽車中所用軸承種類較多，使用的部位及相應的工況各異，其失效形式千變萬化，且隨著汽車技術的發展和對汽車性能要求的不斷提高，軸承的工況越來越惡劣，對軸承的性能要求也越來越高、越來越多樣化。將不斷出現新的問題需要去認識、去研究和解決。每個軸承制造企業應根據用戶的要求，針對產品中出現的問題，尋求一套切實可行、行之有效的解決方案。

圖8 外圈滾道面涂覆氧化鋁后的壽命

圖9 采用陶瓷球后的壽命

圖10 導電脂的作用機理

圖11 NSK軸承長壽命技術