軸承鋼發展現狀及發展趨勢

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領域經過幾十年的發展，工業體系已經逐漸完善，但目前我國高品質軸承鋼的開發品質與發達國家的生產品質還有著較大的差距，軸承鋼潔凈度不高、氧化物多樣化等現狀嚴重影響著軸承鋼的使用時間和穩定性[1]。所以，高品質軸承鋼是高質量生產的關鍵之一，本文重點通過軸承鋼的分類、性能影響和發展導向等領域整體介紹了軸承鋼近年來的發展情況[2]。

1 軸承鋼分類

軸承的工作方式通常是通過線或點進行接觸，因為接觸面積不大，造成軸承在實際運作時必須擔負1 500～5 000 MPa 的壓應力，軸承使用環境的復雜性對軸承鋼提出多種要求，使得軸承鋼成為鋼種材料中最為規范的品種之一[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，經過一個多世紀的發展，其化學成分至今沒有太大的變化。據數據顯示，高碳鉻軸承鋼的生產規模占軸承鋼每年所有生產總量的80%以上，然而軸承規格的提高以及承受水平的持續加大，需要軸承鋼具備更高的強度、更出色的規格和更長的使用時間。

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于其他類型軸承鋼，增強了該類型軸承鋼的強度和硬度系數，并改善了其耐磨性能。Mo 和Cr、Mn 元素都存在的情況下，能夠增強碳化物的穩定性，是優化鉻錳硅系軸承鋼的關鍵因素，所以，目前已逐漸構建出以鉻硅鉬、鉻錳鉬系軸承鋼為代表的高碳絡軸承鋼。

1.2 滲碳軸承鋼

高碳鉻軸承鋼中含碳量非常高，導致鋼材的沖擊韌性的降低，但由于軸承鋼的抗沖擊性能對環境需求較高，在低合金結構鋼的條件下開發出滲碳軸承鋼。降低了軸承鋼中的碳含量，對鋼材表面進行滲碳處理，最終開發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 等高碳高絡馬氏體不銹鋼具備較為突出的硬度和耐磨性，在海洋環境、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準較為突出的環境下進行使用。

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增加，軸承的實際工作溫度能夠超過350 ℃，這需要在高溫條件下擁有高強度、高硬度、抗氧化性等性能。為了讓軸承鋼在高溫環境下能夠得到滿足，高溫鋼得以開發生產，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 等所占比例是評估軸承鋼潔凈度的關鍵參數。氮重點通過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、內裂紋出現。為了方便對夾雜物在鋼材中的影響進行分析，往往把夾雜物分成A-硫化物、B-Al2O3、C-硅酸鹽、D-點狀不變形夾雜物4 種。夾雜物的產生對鋼基體框架的連續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，鋼中碳化物的規格越高、勻稱水平就越小，軸承失效的比例也會不斷提高。碳化物的含量越少，軸承的疲勞壽命越高。由于冶煉品質的優化，碳化物液析也不斷剔除，而網狀碳化物必須利用相對的熱軋工藝才可以剔除；針對中碳軸承鋼，因為其碳含量不高，重點通過帶狀碳化物的管控為核心，必須利用球化處理來對碳化物進行細化，增強其在鋼中的勻稱水平。

2.3 冶煉工藝

隨著冶煉設備及冶煉工藝的發展，我國軸承鋼的氧質量分數基本能夠管控在0.000 6%～0.000 8%，部分鋼鐵公司對鈦質量分數的管控能夠實現0.001 5%，鋼中夾雜物的管控得到了顯著提高。然而針對冶煉時的精細化管控，如成分、工藝指標管控的缺失，評估技能的不足導致我國軸承鋼產品品質平穩性無法獲得保障，不同批次生產的鋼材性能有著極大的差別。針對這一情況，我國引入真空感應等先進冶煉技術來增強軸承鋼的潔凈度，轉化其中夾雜物和碳化物的規格和分布勻稱水平。國內先進軸承鋼生產企業的冶煉工藝流程見表1。

表1 國內先進軸承鋼企業生產工藝流程

3 軸承鋼發展方向

3.1 工藝改進

根據較為普遍的貝氏體軸承鋼，必須要先關注貝氏體等溫淬火技術的融合性，熱處理技術的選擇必須根據軸承的工作條件和實際使用標準來明確[5]；對貝氏體等溫淬火介質的優化，必須盡可能規避頻繁使用有毒的硝鹽，開發更為環保的淬火介質；因貝氏體等溫溫度不高，造成所有熱處理過程時間過長，導致企業成本的增加，所以對貝氏體轉變時間的縮減是未來的研發重點[6-7]。

3.2 內部質量控制

針對氧質量分數的管控和夾雜物的分布勻稱性必須具備更為精細化的評估和管控要求，未來對鋼中氧元素質量分數占比必須維持在0.000 6%以下，鈦元素質量分數占比必須小于0.001 5%，降低夾雜物造成的疲勞剝落和斷裂風險。根據我國軸承鋼較為明顯的碳化物不穩定甚至超標的困境，必須利用控軋控冷等技術，最大水平降低碳化物偏析，增強碳化物的勻稱性。

4 結語

我國軸承通過幾十年的發展已經有了明顯的進步，然而在高品質產業中，因為對鋼中的夾雜物、碳化物的規格和分布，以及管控精細水平缺失等問題，導致高品質產品的平穩性無法獲得保證。針對這一情況，未來我國軸承領域必須要從工藝改進、內部質量控制等方向著重研究，從而研發出高品質的軸承鋼。