杭州富阳瑞庾阀门有限公司联系方式及轴承钢研发挑战分析

杭州富阳瑞宇阀门有限公司电话：18058810880

轴承钢的研究现状及发展趋势

王坤1,2、胡风1,2、周文1,2、吴开明1,2

（1. 武汉科技大学高性能钢铁材料及其应用部共建协同创新中心，湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学国际钢铁研究院，武汉(湖北 430081)

摘要：近年来我国工业制造领域持续发展，对国内轴承钢的研发和制造提出了新的挑战。高品质轴承钢的研发和生产已成为当前国内轴承行业急需解决的问题之一。本文从轴承钢的分类、性能的主要影响因素、热处理工艺的发展等方面全面论述了国内外轴承钢的研究进展，并提出了工艺优化、夹杂物和碳化物需要处理的问题。发展国产优质轴承钢亟待解决。解决控制、检测设备和技术评价指标缺乏等问题的方法，以实现国产优质轴承钢的定量生产和应用。

关键词：轴承钢；质量控制；夹杂物；碳化物；热处理；发展趋势

随着当今社会的快速发展，轴承钢已广泛应用于工业机械、装备制造、交通运输、航空航天等各个领域。经过几十年的发展，国内轴承及轴承钢制造业已逐步形成了较为完整的产业体系。国产轴承和轴承钢的研发和生产以及轴承钢产品质量的稳步提升，使我国逐步成为世界轴承制造大国，并正在向制造强国的目标稳步迈进。目前国内轴承行业年销售额已达2000亿元以上，并以年增长率12%~15%的速度快速增长。兴城特钢、宝武钢铁等国内一些大型钢铁企业生产的轴承钢产品已得到SKF、FAG等国外知名轴承钢生产公司的认可。尽管近年来国内轴承行业取得了长足的进步，但存在的问题仍然不容忽视。国内轴承钢生产主要集中在中低端轴承产品，低端轴承领域甚至出现产能过剩。航空航天、高铁等领域要求轴承具有良好的强度、韧性、质量稳定和较长的使用寿命。但目前我国在高端轴承研发领域很难取得重大突破，使得国产优质轴承严重依赖进口。这也成为制约我国高端装备制造和战略性新兴产业发展的主要因素之一。目前我国高端轴承钢产品研发水平与瑞典、德国、日本等轴承制造强国存在显着差距。轴承钢洁净度低、氧化物夹杂、碳化物不稳定、分布不均匀等因素，使国产轴承钢的成本大大降低。其寿命和可靠性严重影响国内高端装备制造和战略性新兴产业的发展。因此，开发高品质轴承钢是目前我国各科研院所、大专院校和轴承钢制造行业的研究重点之一。本文主要从轴承钢的分类、性能影响因素、热处理工艺及发展方向等方面探讨了近年来轴承钢的发展现状。

轴承钢分类

轴承在工业设备中的主要作用是支撑旋转体，降低其设备运行过程中的摩擦系数，保证机械设备的运行精度。因此，轴承的工作状态一般为线接触或点接触。由于接触面积较小，轴承在运行时需要承受1 500～5 000 MPa的压应力。轴承的工作环境对轴承钢的强度、韧性、耐磨性和使用寿命提出了更高的要求，这使得轴承钢成为所有合金钢生产要求最严格的钢种之一。 1976年，国际标准化组织ISO将轴承钢分为四类：表面淬硬轴承钢、全淬硬轴承钢、高温轴承钢和不锈轴承钢。我国轴承钢分类与ISO分类基本相同，分别为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢和不锈轴承钢。对应的标准号为GB/T 18254、GB/T 3203、GB/T 1205、GB/T 3086和YB/T 688共15个等级。

1.1 高碳铬轴承钢

GCr15高碳铬轴承钢是世界上第一代轴承钢。经过一百多年的发展，其化学成分没有发生明显变化。据统计，该钢种的产量仍占轴承钢年总产量的80%以上。然而，轴承设计尺寸的增大和所需载荷的增加，要求轴承钢具有更高的强度、更好的尺寸稳定性和更长的疲劳寿命。

铬锰硅轴承钢添加一定量的Si、Mn元素，提高了钢的淬透性，增加了轴承钢的强度和硬度，有效提高了钢的耐磨性； Mo和Cr、Mn元素共存时，可以改善钢的回火脆性，提高碳化物的稳定性，这对提高轴承钢的性能至关重要。这就逐渐形成了以铬硅钼和铬锰钼为基础的轴承钢。代表高碳铬轴承钢。目前，广泛应用于各个领域的高碳铬轴承钢大多是在GCr15的基础上进一步优化合金元素含量而得到的。高碳铬轴承钢牌号及其主要化学成分见表1。

1.2 渗碳轴承钢

高碳铬轴承钢的碳含量较高，降低了钢的冲击韧性。由于轴承钢在工作环境下对抗冲击性能和韧性有更高的要求，因此在低合金结构钢的基础上发展了渗碳轴承钢。降低轴承钢中的碳含量，对钢的表面进行渗碳，最终开发出表面硬度较高、耐磨性良好、钢心韧性好的渗碳轴承钢。渗碳轴承钢的代表钢种有G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G20Cr2Mn2Mo等。

赵防卫等人关于热处理工艺对渗碳轴承钢显微组织和性能影响的研究结果表明，钢从表面到心部碳含量梯度分布直接影响渗碳轴承钢的梯度分布。钢材硬度。由于奥氏体和马氏体的比体积不同，导致渗碳处理后渗碳层表面产生压应力，从而提高了钢的疲劳寿命。图1为轴承钢渗碳热处理后渗碳层的形貌。

燕山大学张福成研究团队研制出渗碳纳米贝氏体轴承钢。其表面组织如图2所示。该钢的表面组织为高碳纳米贝氏体，心部组织为低碳马氏体。身体。试验表明，与传统马氏体渗碳钢相比，这种纳米贝氏体渗碳钢的接触疲劳寿命提高了一倍以上，在渗碳轴承钢领域具有良好的应用前景。

1.3 不锈钢轴承钢

典型的不锈钢轴承钢有马氏体不锈钢（如9Cr18、9Cr18Mo、Cr15Mo4）、奥氏体不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）等。国内外主要高碳铬不锈钢轴承钢的牌号和化学成分见表2。 高碳、高铬马氏体不锈钢如9Cr18和9Cr18Mo具有高硬度和耐磨性。同时，它们在海洋环境、某些酸溶液、盐溶液中具有优异的耐腐蚀性。它们常用于耐腐蚀和耐腐蚀。用于耐磨要求较高的工况。奥氏体不锈钢轴承钢常用于要求较高耐腐蚀性但较低冲击载荷的轴承零件。该钢种在大多数工作环境中表现出良好的耐腐蚀性能，但由于奥氏体结构的特点，该轴承钢不能用于对强度载荷和耐磨性要求较高的工作环境。

近年来，研究人员开发了一种具有高耐蚀性的不锈钢轴承钢G30Cr15MoN，并比较了马氏体不锈钢440C和不锈钢轴承钢G30Cr15MoN的组织和性能。 G30Cr15MoN和440C不锈钢轴承钢的SEM显微组织如图3所示。研究表明，G30Cr15MoN中细分散的碳氮化物Cr2(C,N)与M23C6碳化物之间存在复合强化，这使得G30Cr15MoN钢具有优良的高强度性能。硬度和耐腐蚀性高。

1.4 高温轴承钢

高温轴承钢的工作温度一般在150℃以上。随着航空发动机、燃气轮机等大型轴承设备功率的不断提高，轴承的工作温度可达350℃以上。这就要求高温轴承钢具有高强度和高硬度、抗氧化性、尺寸稳定性和耐腐蚀性。

近年来，为了满足轴承钢在高温环境下的性能要求，高速钢逐渐应用于轴承钢的研发和生产中。例如8Cr4Mo4V是添加一定量Mo、V元素的高速钢。 Mo元素可以增加其高温下的硬度，提高钢的耐磨性和耐腐蚀性； V是强碳化物形成元素，与钢中的C形成VC碳化物，可有效提高钢的耐磨性；同时，W还可以提高钢的淬透性和耐磨性。赵凯利等基于高温轴承钢8Cr4Mo4V贝氏体等温淬火工艺，对8Cr4Mo4V钢进行不同温度固溶处理，然后进行260℃盐浴处理。他们研究分析了不同固溶温度对8Cr4Mo4V钢贝氏体的影响。结构转型的影响。 8Cr4Mo4V高温轴承钢经不同固溶温度处理和回火后的贝氏体组织如图4所示。结果表明，在1 050和1065℃固溶温度下，8Cr4Mo4V钢中的贝氏体组织为更细、更均匀，冲击韧性也更优异。

影响轴承钢性能的因素

2.1 清洁度

钢中N、H、O的质量分数是衡量轴承钢洁净度的重要指标。氮在钢中主要以TiN和AlN的形式存在，氧一般以氧化物夹杂物的形式存在。钢中的氢很容易引起氢脆和内部裂纹。为了便于分析钢中夹杂物对钢的影响，通常将夹杂物分为四类：A-硫化物、B-Al2O3、C-硅酸盐、D-点状（球状）不变形夹杂物。夹杂物的存在破坏了钢基体组织的连续性和均匀性。在交变载荷的影响下，夹杂物存在的区域容易出现应力集中，导致轴承疲劳剥落。当应力集中更加严重时，就会产生微裂纹，裂纹不断扩展会导致轴承失效。

氧化物夹杂物是非金属夹杂物中对轴承疲劳寿命危害最大的缺陷。钢中氧质量分数的增加导致氧化物夹杂物显着增加。氧化物夹杂物的数量和尺寸是影响轴承疲劳寿命的重要因素。日本三洋特殊钢、瑞典SKF公司等著名轴承制造企业近年来不断改进冶炼工艺。钢中氧的质量分数现在可以稳定控制在0.000 4%至0.000 6%之间，提高了产品质量稳定性和使用寿命。得到了很大的改善。近年来，虽然国内对钢中氧质量分数的控制逐渐向欧美标准靠拢，但钢中氧质量分数波动较大，导致产品质量稳定性不足。另外，由于Ti是强碳和氮化物形成元素，如果控制不当，Ti很容易与钢中的C、N、O等元素形成氮化钛和碳氮化钛夹杂物，严重降低钢材的疲劳寿命。轴承钢。国内外轴承钢生产厂家对钢中Ti质量分数的控制有严格的要求。 SKF生产标准规定轴承钢中残余Ti质量分数不应高于0.001±2%。山阳特钢要求Ti的质量分数控制在0.001 4～0.001 5%。

2.2 碳化物和组织缺陷

轴承钢洁净度的提高，使得碳化物的尺寸和均匀性对轴承的疲劳寿命产生更加显着的影响。研究表明，钢中碳化物尺寸越大、均匀性越低，轴承失效的概率越大；碳化物含量越低，轴承的疲劳寿命越长。轴承钢中含有大量的合金碳化物形成元素，如Mn、Cr、Mo等元素，极易引起碳化物偏析，造成碳化物分布不均匀，从而降低轴承的疲劳寿命。钢中碳化物主要有三种形式：碳化物液态沉淀、网状碳化物和带状碳化物。随着冶炼质量的提高，碳化物液态析出被消除；网状碳化物需要通过一定的热轧工艺（如控轧、控冷）来消除；对于中碳轴承钢或渗碳轴承钢，由于其含碳量较低，主要控制带状碳化物。需要球化处理来细化碳化物，提高钢中碳化物的均匀性。

高端轴承钢除了对钢中碳化物的精细控制外，对低倍组织也有极其严格的要求。中心气孔、缩孔、偏析等结构缺陷需要控制在极低的水平，才能获得高质量的轴承钢。产品质量标准。目前，国内轴承钢生产企业对结构缺陷、尺寸精度等的控制与瑞典、日本等轴承制造强国还存在较大差距。在控制碳化物和夹杂物的尺寸和均匀性的同时，还需要严格控制碳化物和夹杂物的尺寸和均匀性。控制松散程度，避免组织出现白点、缩孔等结构缺陷，提高产品质量的稳定性。

2.3 冶炼工艺

近年来，随着兴城、大冶等国内大型轴承钢制造企业不断改进冶炼工艺，其轴承质量逐渐得到国外先进轴承企业的认可。目前国内冶炼工艺已逐步与国际先进特钢生产企业接轨。常用的冶炼工艺为废钢+高炉铁水→超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD/RH真空脱气→IC/CC。是国内最先进的冶炼工艺。轴承钢生产企业冶炼工艺流程如表3所示。

基于目前的冶炼工艺和先进的冶炼设备，国产轴承钢的氧质量分数基本可以控制在0.000 6%～0.000 8%。一些先进钢铁企业甚至可以将钛质量分数控制在0.001±5%。钢中夹杂物控制水平显着提高。但冶炼过程的精细化控制，如成分、工艺参数控制不够、检测技术缺乏等，导致国产轴承钢产品的质量稳定性无法得到保证。不同批次生产的钢材性能差异较大，特别是高端轴承钢的产品质量无法得到有效保证。轴承钢在碳化物分布、低倍组织缺陷控制等方面与国际制造水平相比还有很大提升空间。鉴于此，我国可以引进真空感应+真空自耗（VIM+VAR）等国外先进冶炼工艺，提高轴承钢的洁净度，改善钢中夹杂物和碳化物的尺寸和分布均匀性。

热处理工艺

改进热处理工艺不仅可以细化晶粒，还可以细化碳化物，提高碳化物分布的均匀性。传统高碳铬轴承钢中的高硬度马氏体使该钢具有良好的耐磨性和优异的抗接触疲劳性能。但由于韧性较差，淬火时工件表面易存在残余拉应力，出现氢脆。高灵敏度大大降低了高碳铬轴承钢在性能要求较高的工作环境中的使用寿命。为此，在传统马氏体调质工艺的基础上，发展了贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体复相淬火等新的热处理工艺。

以GCr15高碳铬轴承钢为例，图5给出了该钢种常见的三种热处理工艺。工艺1为常规马氏体调质工艺；工艺2为贝氏体等温淬火热处理工艺；工艺3为马氏体-贝氏体复合淬火热处理工艺。图6为GCr15轴承钢经马氏体调质、贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体复相淬火和贝氏体变温淬火工艺热处理后的显微组织形貌。

3.1 球化退火

轴承常规热处理有球化退火淬火+低温回火。球化退火一方面使球状碳化物颗粒均匀分布在铁素体基体上，从而获得粒状珠光体组织；另一方面，球化退火可以降低材料的硬度，使钢获得良好的切削性能，这是最终的结果。制备组织的工艺（淬火+低温回火）。

杨洪波等.等对GCr15轴承钢进行不同球化退火时间处理，并进行马氏体-贝氏体复相淬火工艺。他们发现，随着球化退火时间的继续增加，贝氏体铁素体条带逐渐变宽。不同球化退火时间下GCr15轴承钢等温淬火后的SEM显微组织如图7所示。当退火时间为150 min时，贝氏体铁素体条带变窄。分析表明，当球化退火时间为150 min时，下贝氏体转变过程中，大量未溶碳化物阻碍了贝氏体铁素体条带的长大，导致畸变能增大，促进新贝氏体的形成。产生贝氏体铁素体片状，因此球化退火时间直接影响钢中碳化物的分布。精确控制球化退火时间可以细化贝氏体铁素体片状尺寸，从而有效提高轴承钢的性能。整体表现。

常规球化退火的冷却速度一般为10-25℃/h。如果冷却速度太快，对切削过程不利；如果冷却速度太慢，碳化物的尺寸会增大。因此，开发了等温球化退火工艺，这种球化退火工艺的加工时间一般可缩短至10～18小时；詹姆斯·M 等人。提出了另一种可以缩短加工时间的周期性球化退火工艺，但该工艺的热处理控制步骤相对复杂，在实际生产应用中具有一定的局限性。

3.2 马氏体调质工艺

将预处理（球化退火）、淬火后的钢进行低温回火，以提高轴承钢的强度、硬度、耐磨性和疲劳寿命。最终处理（淬火+低温回火）的加热温度一般为Ac1～Accm。以GCr15轴承钢为例，淬火温度一般为820~860℃。如果温度过高或过低，都会影响钢材的综合性能。低温回火温度一般为150~170℃。为了获得更稳定的回火组织，并尽可能消除结构中的内应力，应保证较长的回火时间。 GCr15轴承钢马氏体淬火回火后的显微组织如图8所示。GCr15轴承钢经850℃淬火30分钟，160℃低温处理3小时。最终得到由回火马氏体、少量残余奥氏体和碳化物组成的回火组织。

3.3 贝氏体等温淬火工艺

随着对轴承钢性能要求的不断提高，轴承钢的调质工艺也不断改进。高碳铬轴承钢经过下贝氏体等温淬火，获得由下贝氏体、马氏体、残余奥氏体和碳化物组成的最终组织。张增奇等人的研究表明，GCr15轴承钢经贝氏体等温淬火后的冲击韧性比常规马氏体淬火回火后的钢提高一倍以上。

赵杰等。对高碳铬轴承钢在200℃下分别进行2、6、12和72小时的等温淬火处理，得到体积分数分别为2.1%、40.8%、60.2%和86.6%的针状贝氏体。体组织，图9为两个样品在200℃等温保持6 h和12 h后的透射电子显微镜图像中，可以观察到由板条贝氏体铁素体、膜状残余奥氏体和ε-碳化物组成的最终组织。采用平均线截距法对数据进行测量和校正，得到的结构为纳米贝氏体板条，平均厚度约为50 nm±15 nm。

燕山大学张福成等人研究发现，与常规热处理工艺相比，纳米贝氏体轴承钢热处理工艺等温温度较低，增加了相变驱动力，增加了贝氏体形核点。但该工艺的缺点是延长了贝氏体转变过程的等温时间，增加了生产制造成本。因此，对于纳米贝氏体热处理工艺，应进一步优化成分设计，改进热处理工艺，缩短贝氏体热处理工艺。本体转变过程中的形成时间降低了生产的制造成本。

轴承钢发展方向

随着国内工业制造不断发展，我国结合国际产业转型形势，作出了“中国制造2025”的国家战略部署。轴承作为装备制造领域不可或缺的关键零部件之一，关系到国内工业领域高端制造的未来发展方向，决定着我国迈向世界制造强国的进程。总体来看，我国轴承工业经过几十年的发展，进步明显。然而，在高端轴承领域，由于对钢中夹杂物、碳化物、低倍组织缺陷的尺寸和分布控制精度不够，导致高品质轴承产品的质量稳定性无法得到保证。鉴于此，未来，为满足高端轴承产品的长寿命、高可靠性要求，国内轴承行业在研究方向上可以考虑以下几个方面。

(1)工艺改进。在轴承钢常规马氏体调质处理的基础上，发展了贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体等温淬火、贝氏体变温淬火等新的热处理工艺。对于目前研究较多的贝氏体轴承钢，首先应注意贝氏体等温淬火工艺的适用性，并根据轴承的工作环境和轴承的工作环境来确定热处理工艺的选择。实际性能要求；其次，对于贝氏体，今后应尽量避免等温淬火介质的改进，避免有毒硝酸盐的过量使用，开发更环保的淬火介质；第三，由于贝氏体的等温温度较低，导致整个热处理过程的加工时间过长，这无疑增加了企业的制造成本，因此对于贝氏体转变时间的缩短应该是未来的重点之一研究。另外，虽然国内轴承钢的冶炼工艺基本与国际标准接轨，但国内废钢冶炼占比较大，精炼过程真空度不达标，钢中氧含量波动较大。大大提高了非金属夹杂物和碳化物的控制。难以满足评级标准。最后，还要学习真空脱气、夹杂物均匀化等国外先进冶炼工艺，实现超洁净、超长寿命轴承钢的国产化。

(2)内部质量控制。首先，对于钢中氧质量分数的控制和夹杂物分布的均匀性应该有更细化的检测和控制标准。今后钢中氧的质量分数应稳定在0.000±6%以下，钛的质量分数应小于0.001±5%，以减少或消除钢中硬脆夹杂物引起的疲劳剥落和断裂，并尽量减少夹杂物对钢材质量的影响；其次，针对国产轴承钢碳化物不稳定甚至超标的突出问题，应通过控轧控冷、周期性球化退火和循环感应球化退火进行控制。改进工艺，尽可能消除钢中碳化物偏析，提高碳化物分布的均匀性，实现组织细化、均匀；三是在冶炼过程中优化连铸工艺，减少钢中低倍组织缺陷，减少铸坯中心的气孔和缩孔，严格控制成分偏析，提高连铸坯质量。

(3)表面改性。鉴于越来越复杂的工作环境，我们应该尽力优化材料的表面特性，并根据原始的表面处理过程（例如地表渗透和碳替代）扩展表面处理过程，并结合新的表面修饰技术，例如表面涂层和覆层。为了改善轴承的疲劳寿命，我们开发了适应不同工作环境的轴承产品，并实现了轴承钢的特征发展，从单个性质到多样化。

（4）测试设备和技术评估标准。首先，国内轴承行业的生产集中较低，各种轴承制造公司的产品质量不平衡。由于大多数中小型企业都缺乏高精度测试设备，因此很难检测到显微镜包含物，网络碳化物，表面缺陷等。 ，最终导致不合格的产品流入市场；其次，国内轴承行业标准对某些有害因素，包含物以及碳化物的大小和分配的内容没有评级要求。对于脱水层，对维度准确性的控制不够严格。此外，目前，外国具有相关的控制标准，用于检测和评估钢铁中残留的奥氏体和残余应力，但是中国对钢铁中残留应力的检测和分析尚未包括在控制指标中。这应该在将来根据国内外轴承行业的实际发展组合，我们制定了统一的技术评估系统，并完整的测试和评级标准，以严格控制产品质量并提高家用轴承产品的质量稳定性。

参考

轻微地。

引用这篇文章

Wang Kun，Hu Feng，Zhou Wen，Wu Kai-Ming。轴承钢的研究状况和发展趋势[J]。中国冶金学，2020，30（9）：119-128。 Wang Kun，Hu Feng，Zhou Wen，Wu Kai-Ming。轴承钢的研究状况和发展趋势[J]。中国冶金学，2020，30（9）：119-128。

免费下载全文链接