滾動軸承材料及熱處理進展與展望

趙志高

五洲新春集團股份有限公司，中國·浙江 紹興 312500

1 引言

機械工業化進程逐步加快，相關技術手段不斷推陳出新，逐漸朝著高效化、小型化與環保化方向發展。由于軸承的應用范圍越來越廣，使用要求也變得十分苛刻，在提升軸承承載性能同時，也要保證軸承的精度、低噪音、低摩擦力矩，并具備耐高溫和耐污染等特性。所以，需要持續加強滾動軸承材料和熱處理技術研發創新，力求更好地滿足新時期軸承性能需要，在機械工業生產中更加廣泛地應用。

2 滾動軸承的性能要求

2.1 壽命長、高可靠性

滾動軸承在尺寸減小同時，需要具備更高的可靠性和使用壽命，因此需要抽成零件承載力更強，并且有著較長的接觸疲勞壽命。提升滾動軸承純凈度，各項成分均勻，調整合金成分來增強軸承基體強度，熱處理后組織更加均勻[1]。

2.2 低摩擦力矩

降低軸承摩擦力矩，優化軸承結構來降低發熱量和能耗，這就需要縮小軸承尺寸，但軸承零件有著更強的強度，接觸疲勞壽命進一步延長。減少潤滑劑使用量，選擇邊界潤滑方式來增強接觸位置的耐磨性和接觸疲勞性。

2.3 高溫、高速性能

滾動軸承在使用中，由于旋轉速度較快，不可避免的產生高溫，如電動汽車軸承和機場主軸軸承，工作溫度達到了150℃。因此，軸承需要具備耐高溫性能，選擇M50、KUJ7 和ES1 等高溫鋼材料[2]。

2.4 高精度

加工設備性能高低，一定程度上由滾動軸承決定，表現在滾動軸承精度和保持性方面，因此需要軸承具備較強的接觸疲勞壽命和耐磨性，獲取高精度[3]。

2.5 耐污染

軸承容易出現水侵入和外來顆粒侵入，導致軸承潤滑劑受到污染，受到污染物影響加劇軸承接觸疲勞，強度發生變化，使用壽命隨之縮短。因此，需要提高接觸位置殘余奧氏體含量和硬度，可以大大增強滾動軸承的接觸疲勞壽命[4]。

3 滾動軸承用鋼冶金質量演變和鋼種研發

3.1 軸承用鋼冶金質量演變

氧化物類夾雜物是影響滾動軸承疲勞壽命的主要因素，在研發中心嘗試著使用多種方法來降低氧含量，如真空自耗重熔和真空冶煉等。伴隨著冶煉技術和裝備水平提升，生產軸承鋼氧含量得到了顯著降低，區域穩定，下降到5×10-6以下水平。鋼材氧含量降到一定標準后，繼續下降則會導致鋼材生產成本增加，影響到滾動軸承疲勞壽命[5]。氧含量越低，夾雜物含量越低，但部分尺寸規格較大的氧化物偶然出現在滾道面區域，則會降低軸承疲勞壽命，影響軸承可靠性。

加強Ti、TiN 物質控制，前者屬于有害元素，同鋼材中的氮物質具有較強的親和力，多通過碳氮化鈦夾雜物形式存在，而這種夾雜物有棱角，質地較硬，熱加工中不會形變，但棱角會導致基體應力集中，產生微小的裂紋。

美國研發一種高效精煉和復雜澆筑系統結合的空氣熔煉法，用于新型鋼種生產，含量和真空重熔鋼相近。基于超聲波檢查法，夾雜物長度小于E.FQ.B2 型軸承鋼，此種軸承鋼是選擇保護性射流澆筑和沉淀脫氧工藝聯合生產形成，通常是應用在鋼材質量要求較高的區域。在氧含量下降到一定程度后，人們更加期望改善夾雜物組成機構，令其無害化，或是進一步延長使用壽命。例如，通過熱等靜壓加工處理棒材，可以令非金屬夾雜物和基體脫離，提升二者而結合力，夾雜物處氣源疲勞剝落壽命隨之提升。

3.2 新鋼種的開發

3.2.1 全淬硬軸承鋼

在全淬硬軸承鋼中，以Si 鋼為代表，隨著含Si 含量增加，軸承鋼的接觸疲勞壽命也將隨之提升，并且具備更強的抗回火軟化性能。例如，大同特鋼和NTN 建立合作關系，結合高溫工況特性，在SUJ2 鋼種基礎上增加Si 含量，機體強度和韌性將得到同步升高，即便是200℃高溫下仍然具備較高的硬度，高溫環境適應性較強。

3.2.2 表面硬化類軸承鋼

SHX3 系列剛是TF 剛和NSK 鋼基礎上加入Cr 物質開發的表面硬化剛。碳氮共滲下可以取得可觀的耐磨性與抗熱黏著性能，耐污染，使用壽命長。潤滑受到污染下，加入Cr 實現碳氮共滲，可以有效遏制氫滲入和擴散，大大增強軸承異常白色組織剝落壽命，增強滾動軸承的精度保持性。

4 熱處理技術研究進展

4.1 常規淬回火

滾動軸承多選擇馬氏體淬回火熱處理技術，結合前人學者的研究成果來看，對汽車變速箱軸承提出了多種熱處理方法。具體如下：

①提高回火軟化抗力，碳氮共滲時，氮在表層擴散一定程度上促進殘余奧氏體量增加，氮的固溶也會導致回火軟化抗力升高，疲勞壽命隨之提升。

②增加殘余奧氏體，滾動疲勞壽命隨之提升，因此升高淬火溫度有助于殘余奧氏體含量在增加。淬火后深冷處理，有助于增強滾動軸承鋼的耐磨性，促使細小碳化物析出、均勻分布，合金基體組織細化，具有細晶強化作用，耐磨性隨之升高。

4.2 感應加熱整體熱處理

此項技術優勢鮮明，具有開機、停機時間短，集成在生產線中，并且具有環保性優勢特點，多是在表面淬火中應用。中國洛陽LYC 采用此項熱處理技術，其他廠家很少采用此類技術，是由于感應加熱選擇性難，零件容易出現加熱不均勻情況。NTN 經過研究，推出了可控制鋼中溫度和顯微組織的整體感應加熱淬回火技術，基于兩支溫度計測量套圈內徑和外徑溫度，PID 控制溫度，輸入到PC 程序中來分析材料性能，未溶碳化物表面為6%～10%范圍內時，停止加熱滾動軸承鋼，然后噴水淬火。

5 未來展望

滾動軸承材料和熱處理技術不斷研究深化，未來應該進一步開發新型鋼種，現有鋼種中，GCr15 的淬透性較為突出，通常是在大型軸承零件加工制作中應用，淬硬層和硬度符合要求。在高溫工況下中小型軸承加工制作，采用這一鋼種可以大大提升滾動軸承承載力和耐高溫性能。未來要注重碳氮共滲熱處理技術研發創新，發揮此項技術優勢，增強接觸疲勞壽命。盡管此項技術在軸承行業得到了大范圍推廣應用，但還有很多問題亟待優化解決。例如，如何獲取最佳滲層深度與組織，碳氮化物進一步細化，如何提升零件性能等問題，需要加強研究，整合資源優勢進一步開發和創新。

6 結語

綜上所述，滾動軸承材料和熱處理技術不斷研究深化，盡管相較其他發達國家技術水平差異顯著，軸承質量有所不足。因此，需要加強新材料和新技術研發，推動研究成果轉化應用，進一步提升中國軸承材料和熱處理技術水平。