軸承鋼發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

符云龍，張 旭，魏秀軍

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

我國的軸承和軸承鋼生產(chǎn)領(lǐng)域經(jīng)過幾十年的發(fā)展，工業(yè)體系已經(jīng)逐漸完善，但目前我國高品質(zhì)軸承鋼的開發(fā)品質(zhì)與發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)品質(zhì)還有著較大的差距，軸承鋼潔凈度不高、氧化物多樣化等現(xiàn)狀嚴(yán)重影響著軸承鋼的使用時(shí)間和穩(wěn)定性[1]。所以，高品質(zhì)軸承鋼是高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵之一，本文重點(diǎn)通過軸承鋼的分類、性能影響和發(fā)展導(dǎo)向等領(lǐng)域整體介紹了軸承鋼近年來的發(fā)展情況[2]。

1 軸承鋼分類

軸承的工作方式通常是通過線或點(diǎn)進(jìn)行接觸，因?yàn)榻佑|面積不大，造成軸承在實(shí)際運(yùn)作時(shí)必須擔(dān)負(fù)1 500～5 000 MPa 的壓應(yīng)力，軸承使用環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)軸承鋼提出多種要求，使得軸承鋼成為鋼種材料中最為規(guī)范的品種之一[3]。軸承鋼的使用范圍也特別的廣，通常把軸承鋼分為4 類：高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼和高溫軸承鋼[4]。

1.1 高碳鉻軸承鋼

高碳鉻軸承鋼作為全球第一代軸承鋼，經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其化學(xué)成分至今沒有太大的變化。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，高碳鉻軸承鋼的生產(chǎn)規(guī)模占軸承鋼每年所有生產(chǎn)總量的80%以上，然而軸承規(guī)格的提高以及承受水平的持續(xù)加大，需要軸承鋼具備更高的強(qiáng)度、更出色的規(guī)格和更長的使用時(shí)間。

鉻錳硅系軸承鋼由于材料中摻雜了一定比例的Si、Mn 元素，該類型的軸承鋼淬透性優(yōu)于其他類型軸承鋼，增強(qiáng)了該類型軸承鋼的強(qiáng)度和硬度系數(shù)，并改善了其耐磨性能。Mo 和Cr、Mn 元素都存在的情況下，能夠增強(qiáng)碳化物的穩(wěn)定性，是優(yōu)化鉻錳硅系軸承鋼的關(guān)鍵因素，所以，目前已逐漸構(gòu)建出以鉻硅鉬、鉻錳鉬系軸承鋼為代表的高碳絡(luò)軸承鋼。

1.2 滲碳軸承鋼

高碳鉻軸承鋼中含碳量非常高，導(dǎo)致鋼材的沖擊韌性的降低，但由于軸承鋼的抗沖擊性能對(duì)環(huán)境需求較高，在低合金結(jié)構(gòu)鋼的條件下開發(fā)出滲碳軸承鋼。降低了軸承鋼中的碳含量，對(duì)鋼材表面進(jìn)行滲碳處理，最終開發(fā)出表面硬度和耐磨性以及韌性更高的滲碳軸承鋼。

1.3 不銹軸承鋼

典型的不銹軸承鋼涵蓋馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼等，9Cr18、9Cr18Mo 等高碳高絡(luò)馬氏體不銹鋼具備較為突出的硬度和耐磨性，在海洋環(huán)境、部分酸溶液、鹽溶液中擁有出色的耐蝕性，往往在耐蝕性和耐磨性標(biāo)準(zhǔn)較為突出的環(huán)境下進(jìn)行使用。

1.4 高溫軸承鋼

高溫軸承鋼的工作溫度往往在150 ℃以上，由于軸承工況溫度持續(xù)增加，軸承的實(shí)際工作溫度能夠超過350 ℃，這需要在高溫條件下?lián)碛懈邚?qiáng)度、高硬度、抗氧化性等性能。為了讓軸承鋼在高溫環(huán)境下能夠得到滿足，高溫鋼得以開發(fā)生產(chǎn)，如8Cr4Mo4V 就屬于一種添加一定比例的Mo、V 元素的高溫鋼。添加Mo元素能夠提高其在高溫條件下的硬度，增強(qiáng)其耐磨性和耐蝕性。

2 軸承鋼性能影響因素

2.1 潔凈度

鋼中N、H、O 等所占比例是評(píng)估軸承鋼潔凈度的關(guān)鍵參數(shù)。氮重點(diǎn)通過TiN、AIN 的形式存在，氧往往通過氧化物夾雜的形式存在，氫在其中容易讓氫脆、內(nèi)裂紋出現(xiàn)。為了方便對(duì)夾雜物在鋼材中的影響進(jìn)行分析，往往把夾雜物分成A-硫化物、B-Al2O3、C-硅酸鹽、D-點(diǎn)狀不變形夾雜物4 種。夾雜物的產(chǎn)生對(duì)鋼基體框架的連續(xù)性和勻稱性造成極大的破壞。

2.2 碳化物與組織缺陷

分析指出，鋼中碳化物的規(guī)格越高、勻稱水平就越小，軸承失效的比例也會(huì)不斷提高。碳化物的含量越少，軸承的疲勞壽命越高。由于冶煉品質(zhì)的優(yōu)化，碳化物液析也不斷剔除，而網(wǎng)狀碳化物必須利用相對(duì)的熱軋工藝才可以剔除；針對(duì)中碳軸承鋼，因?yàn)槠涮己坎桓撸攸c(diǎn)通過帶狀碳化物的管控為核心，必須利用球化處理來對(duì)碳化物進(jìn)行細(xì)化，增強(qiáng)其在鋼中的勻稱水平。

2.3 冶煉工藝

隨著冶煉設(shè)備及冶煉工藝的發(fā)展，我國軸承鋼的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本能夠管控在0.000 6%～0.000 8%，部分鋼鐵公司對(duì)鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的管控能夠?qū)崿F(xiàn)0.001 5%，鋼中夾雜物的管控得到了顯著提高。然而針對(duì)冶煉時(shí)的精細(xì)化管控，如成分、工藝指標(biāo)管控的缺失，評(píng)估技能的不足導(dǎo)致我國軸承鋼產(chǎn)品品質(zhì)平穩(wěn)性無法獲得保障，不同批次生產(chǎn)的鋼材性能有著極大的差別。針對(duì)這一情況，我國引入真空感應(yīng)等先進(jìn)冶煉技術(shù)來增強(qiáng)軸承鋼的潔凈度，轉(zhuǎn)化其中夾雜物和碳化物的規(guī)格和分布勻稱水平。國內(nèi)先進(jìn)軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)的冶煉工藝流程見表1。

表1 國內(nèi)先進(jìn)軸承鋼企業(yè)生產(chǎn)工藝流程

3 軸承鋼發(fā)展方向

3.1 工藝改進(jìn)

根據(jù)較為普遍的貝氏體軸承鋼，必須要先關(guān)注貝氏體等溫淬火技術(shù)的融合性，熱處理技術(shù)的選擇必須根據(jù)軸承的工作條件和實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)來明確[5]；對(duì)貝氏體等溫淬火介質(zhì)的優(yōu)化，必須盡可能規(guī)避頻繁使用有毒的硝鹽，開發(fā)更為環(huán)保的淬火介質(zhì)；因貝氏體等溫溫度不高，造成所有熱處理過程時(shí)間過長，導(dǎo)致企業(yè)成本的增加，所以對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間的縮減是未來的研發(fā)重點(diǎn)[6-7]。

3.2 內(nèi)部質(zhì)量控制

針對(duì)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的管控和夾雜物的分布勻稱性必須具備更為精細(xì)化的評(píng)估和管控要求，未來對(duì)鋼中氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比必須維持在0.000 6%以下，鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比必須小于0.001 5%，降低夾雜物造成的疲勞剝落和斷裂風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)我國軸承鋼較為明顯的碳化物不穩(wěn)定甚至超標(biāo)的困境，必須利用控軋控冷等技術(shù)，最大水平降低碳化物偏析，增強(qiáng)碳化物的勻稱性。

4 結(jié)語

我國軸承通過幾十年的發(fā)展已經(jīng)有了明顯的進(jìn)步，然而在高品質(zhì)產(chǎn)業(yè)中，因?yàn)閷?duì)鋼中的夾雜物、碳化物的規(guī)格和分布，以及管控精細(xì)水平缺失等問題，導(dǎo)致高品質(zhì)產(chǎn)品的平穩(wěn)性無法獲得保證。針對(duì)這一情況，未來我國軸承領(lǐng)域必須要從工藝改進(jìn)、內(nèi)部質(zhì)量控制等方向著重研究，從而研發(fā)出高品質(zhì)的軸承鋼。