第一、二、三代轴承钢及其热处理技术的研究进展(二)

朱祖昌，杨弋涛

(1.上海工程技术大学，上海 201620；2.上海大学，上海 200072)

首先，本文主要按ISO标准以及美国和我国的标准来阐明轴承钢的主要类型。

1.1 全淬透轴承钢

ISO标准的全淬透轴承钢中出现了8个钢号，其成分特点如下：1)其含碳量均为0.93%～1.05%；2)含Cr量分为4个级别：0.90%～1.20%，1.35%～1.65%,1.65%～1.95%和1.80%～2.05%；3)含Mo的主要分为0.15%～0.35%、0.40%～0.50%、0.50%～0.60% 3个级别(注意钢号中表示含Mo量数字与千分之一浓度相当)；4)含Si量分两种，当钢号中不出现合金元素Si时，含Si在0.45%以下(注意：Si作为钢脱氧时的残存量≤0.40%)，当钢号中出现Si的，其含量在0.40%～0.60%或者0.45%～0.75%；5)钢中含Mn量在≤0.45%和0.6%～0.8%时也不在钢号中出现，其余的量在钢号中均表示出来。8个钢号除100Cr6(52100，相当于SKF3)外，第2～4号钢为增加Si和Mn的钢，第5～7号钢为增加Cr和Mo的钢。100CrMnMoSi 8-4-6是加入代位式合金元素最高的钢，总加入量>3%，具有最优良的性能，可制作大约75 mm厚度或直径～φ130 mm钢棒的轴承环，经过淬火回火后获得61 HRC硬度时，Rm达到2300 MPa。全淬透轴承钢表中已注明与我国高碳铬轴承钢相近的型号。

Cr在含Cr轴承钢中是最重要的合金元素。它能显著改变钢中碳化物的分布和大小，从而使渗碳体型碳化物变成细小而均匀分布，Beswick[21]的工作是最好的说明。一般介绍，在含C量1%时，含Cr量小于2.65%的钢中，只生成M3C型碳化物，含Cr量更高则易形成大块Cr7C3型碳化物，它的出现会使材料的韧性降低[22]。C为1.0%时的Fe-Cr-C垂直截面见图1[23]。含Cr的钢在室温的退火组织中出现的碳化物与含碳量和含铬量关系表示于图2[24]，该两图能很好说明上述观点，这在后文中会作说明。Cr也会使钢的Ms点降低而增加冷至室温的残余奥氏体量，不利于轴承寿命提高。同时Cr升高Ac1，能减小钢的过热倾向和脱碳速度，高碳含Cr轴承钢的Cr含量常常在0.65%～1.65%范围内[22]。

高碳铬轴承钢中加入Si、Mn为提高钢的淬透性和改善抗回火性。含Si量0.45%～0.75%，含Mn为1.00%～1.20%时，ISO标准中的100CrMnSi6-4轴承钢，在我国为GCr15SiMn，淬透性比100Cr6钢有所提高，用于制造壁厚>12 mm，外径>φ250 mm的轴承套圈。Mo的加入与Si、Mn加入的作用相似，并提高疲劳强度和抗回火能力，也细化退火组织[23]。在我国钢中出现GCr15SiMo和GCr18Mo。ISO标准中的100CrMo7为我国的GCr18Mo(相当于SKF24)，与100Cr6相比，其Cr增加0.3%，Mo增加0.1%，用于制造壁厚≤20 mm的轴承套圈。

图1 在含1%C时的Fe-Cr-C三元相图垂直截面Fig.1 The vertical section of Fe-Cr-C ternary phase diagram at 1% C content

图2 含Cr钢在室温的退火组织中的碳化物与含碳量和含铬量关系Fig.2 Relationship between carbide and content of C and Cr in annealing microstructure at room temperature for Cr steels

美国全淬透轴承钢分高碳抗磨轴承钢和高淬透性抗磨轴承钢。前者除52100钢外，其余为含铬量<1%的价格便宜的低铬和无铬轴承钢。其中51系合金含铬0.8%，5090M的含铬量为0.5%，1070M钢为含Mn(≤1%)的碳素钢。这些钢主要应用于农业机械上的轴承。后者中的1～4号钢是美国原标准中加入Si、Mn和Mo的高淬透性轴承钢(注意，1号钢与100CrMnSi4-4相近)，其余为ISO标准中的钢。为此，淬透性试验仅列1～4号钢。

我国全淬透轴承钢即为高碳铬轴承钢，国家标准GB/T 18254—2016为现行标准，标准中列出5个钢号。它与原2002标准相比较，除后面4个钢号和成分与原来的相同外，主要具有6个特点：1)取消了GCr4钢，增加了G8Cr15钢，G8Cr15钢是我国研究降低GCr15含碳量至0.8%的最为成熟的钢，这次被纳入标准；2)加严了Ni、P、S和O的含量要求，增加了Al、Ti、Ca、Sn、As、Sb和Pb元素的考核指标(详细可见表3)；3)增加中心偏析项目评级图；4)增加特级优质钢的发蓝断口检验；5)修改非金属夹杂物评级图，增加单颗粒球状DS类和TiN的考核指标；6)按浇铸工艺分模铸钢和连铸钢，按冶金质量分优质、高级优质A和特级优质E钢，特级优质E钢的水平已经高于ISO标准。

顺便提出，日本轴承钢现行标准JIS 4805:2008与1999年的相比少了SUJ 1(0.90%～1.20%Cr)。SUJ 2为52100，SUJ 3为52100添加了Si和Mn，可用于壁厚较大的零件，SUJ 4和SUJ 5为52100添加Mo和Si、Mn、Mo，它们的淬透性优良，适合在高耐磨性场合使用[24]。

1.2 表面硬化轴承钢

ISO标准中表面硬化的轴承钢分以Mn、Ni和Cr为主加元素的钢，这类钢的含Mo量均在0.25%附近，Si≤0.40%，共有13个钢号。这一种类钢在设定的温度、碳势、冷却方式等工艺参数下经过渗碳热处理以后，零件表面具有高的含碳量，获得隐晶马氏体上分布细小粒状碳化物组织，达到58～62 HRC的硬度和高的耐磨性以及疲劳强度，心部具有一定的强度、硬度和高的韧性，从而实际上成了一种梯度功能材料，同时在表面还存在压应力，有利于轴承疲劳寿命的提高，并具有高抗冲击性能。很显然，这种材料特别适合于用来制造承受大负荷和冲击的轧钢机械、重型车辆、铁路机车和矿山设备上的轴承。

表面硬化轴承钢在成分上的特点为：1)材料心部要保证耐冲击性应具有足够的韧度，也要有足够的强度和淬透性，含碳量常在0.10%～0.30%，经渗碳淬火和回火后的硬度以25～45 HRC为最好[23]；2)含S量为0.015%，比一般表面渗碳合金结构钢的0.035%低得多，确保其保持优良的力学性能和疲劳寿命；3)一般渗碳结构钢的合金系都可用于渗碳轴承钢，如Cr系、Mn-Cr系、Cr-Mo系、Ni-Cr-Mo系或Cr-Ni-Mo系。但在成分上存在差别，所以不用相同的钢号(这与国内钢号前+G不同)以免混淆。13个钢号中只有20Cr4和18CrNiMo 7-6 两个钢号相同，成分上除S含量相差外基本上完全相同。另外，17MnCr5和19MnCr5 两个轴承钢钢号，即使成分(除S含量外)全部与一般渗碳结构钢的16MnCr5和20MnCr5相同，也不用相同牌号，以示区别；4)渗碳轴承钢中另外还有Mn-Cr-Mo、Mn-Ni-Cr-Mo系。Mn对渗碳性能有影响，Mn量增加使钢渗碳性能大幅度提高，有研究指出，含Mn≤1%时，对冲击疲劳和破断韧性的作用优于Cr，在20MnCrMo4-2中的Mn应<1.20%，当>1.30%时会使钢切削性能下降[23]；5)Ni在渗碳轴承钢中，Ni降低表面吸收碳原子能力，减少碳的浓度，降低渗碳速度。但加速C在奥氏体中的扩散，同时增加钢的韧性，另外从淬透性上确定，当钢中C、Mn、Si、Mo的含量少时，应提高Ni量。Ni在渗碳轴承钢中的加入量在5.00%以下[23]。

美国的渗碳抗磨轴承钢除ISO标准的13种钢以外，为美国的41、43、46、47、48、51、86和93的10种H系列合金钢，它们与合金结构钢H系列的合金元素含量类同，如41系列Cr-Mo钢(含0.50 Cr，含0.12 Mo)，43系列含1.82 Ni、0.50 Cr 、0.25 Mo 和93系列含3.25 Ni、1.20 Cr、0.12 Mo等。但是钢中的含S和P量存在差别，对轴承钢分别为≤0.015和≤0.025(在合金结构钢中为≤0.040和≤0.035)。

我国的渗碳轴承钢标准为GB/T 3203—2016，取代1982年标准。主要具有5个特点： 1)新增加G23Cr2Ni2Si1Mo钢，是燕山大学张富成等[25]研究采用渗碳淬火能使其表层获得纳米贝氏体组织的一种轴承钢；2)加严了P、S的含量要求，增加了Al、Ti、Ca、O和H元素的考核指标；3)为脱氧和改变夹杂形状不允许加入Ca或Ca合金；4)按冶金质量分优质、高级优质A钢，在成分上未列出差别，加严其低倍缺陷合格级别；5)删除平炉冶炼方法，冶炼方法分真空脱气和电渣重熔。为了突出全面性和简洁性，本文中列出了这类钢的力学性能和末端淬透性指标。

1.3 感应加热淬火轴承钢

许多研究表明：决定轴承钢疲劳寿命的重要因素是取决于轴承钢淬火马氏体基体的碳含量，该含碳量约为0.5%～0.6%，同时将残余奥氏体含量定为3%～6%。按这一设计思想确定感应加热淬火轴承钢的成分。

IS0683标准中的感应加热淬火轴承钢出现4个钢号，其含≤0.025 P和≤0.015 S，低于优质结构钢。它们的含碳量为中碳，采用感应加热淬火方法使轴承表面达到高的硬度和耐磨性。这种采用含Mn碳素钢或碳钢等低等级钢来替代高等级钢制造轴承，并应用感应加热淬火的简单热处理工艺替代渗碳工艺，可以大大节省材料费用和加工成本。

这类钢相应在美国归中碳抗磨轴承钢ASTM A 866-(20)14标准。包含14个抗磨轴承钢，其中C56E2、56Mn4、43CrMo4牌号与ISO标准的相同；其余为10系列(含≤1%Mn)和15系列(含Mn量在1.00%～1.65%范围内)的中碳轴承钢；以及41系列Cr-Mo钢(含0.50 Cr或0.95 Cr，0.20 Mo)、51系列Cr钢(含0.80 Cr)和61系列Cr-V钢(含0.95 Cr，≥0.15 V)的中碳合金轴承钢。这类钢和相应碳素结构钢和合金结构钢的合金元素含量相同，但是它们的S、P含量则按照轴承钢的要求范围。这是应该引起注意之点。

在我国这类钢归GB/T 28417碳素轴承钢，牌号G55、G55Mn和G70Mn分别相当于C56E2、56Mn4和70Mn4。在日本有资料介绍：碳钢广泛应用于汽车轮毂轴承，牌号为JIS S53C、SAE1070和1070Mn，它们介绍的JIS S53C、SMn60、SMn65和1072的相应成分与C56E2、56Mn4、70Mn4接近[26]。通过热处理后的疲劳寿命为52100的一半左右提高至与52100相近的数据。

1.4 不锈轴承钢

ISO标准中不锈轴承钢出现5个钢号，都属于马氏体不锈钢，这些钢在高温加热形成奥氏体，并于冷却至室温过程中发生马氏体转变(即其Ms>20 ℃)，具有高的淬透性，淬火马氏体的硬度决定于含碳量。它们在使用条件下达到耐腐蚀要求含铬在10.5%～18%范围，含碳量可以超过1.2%，含铬量随着含碳量提高而增加。试验表明，0.1%C的马氏体硬度大约为35 HRC，在高碳高铬(16%～18%)马氏体不锈钢中，马氏体硬度与含碳量有关：440A(0.60%C)、440B(0.80%C)和440C(1.0%C)钢的马氏体硬度分别为51、55和60 HRC，要求硬度保持58 HRC时钢的含碳量大约在0.7%左右。

X108CrMo17相当于我国的G102Cr18Mo(原钢号为9Cr18Mo)，它与美国和日本的440C马氏体不锈钢成分相当。对440C钢，在淬硬不锈钢中能获得最高的硬度，可在油或空气中淬火，也可以进行马氏体分级淬火，在淬火、回火条件下具有好的腐蚀抗力。按图1，在1.0 C的Fe-Cr-C钢三元状态图中，E点大约降低至9.5 Cr处，为此，X108CrMn17钢中会出现大块的共晶碳化物，尤其会分布在原奥氏体晶界上，这种碳化物通过热处理也无法消除。为了改善碳化物的分布，采用降低C和Cr量的方法，这样就出现X47Cr14和X65Cr14两种钢。标准中的X89CrMoV18-1钢与X108CrMo17钢相比，降低含碳量(0.85%～0.95%)，增加Cr(17.0%～19.0%)、Mo(0.90%～1.30%)和加入V(0.07%～0.17%)，与我国马氏体不锈钢的90Cr18MoV相当[27-28]，热处理为：1070 ℃油冷，200～300 ℃油或空冷回火，硬度≥55 HRC。

标准中新增加的X40CrMoVN16～2钢是在降低了C、Si、Mn后略为减少Cr和增加Mo和V，并加入0.16～0.25 N来进一步改善抗蚀性能。上面已经指出，对含碳量高的440C钢，显微组织中出现粗的共晶碳化物，并在其周围还会出现Cr的局部贫化区，从而影响耐腐蚀性能，限制疲劳寿命的提高。X40CrMoVN16～2钢的开发是针对15～17 Cr钢通过常规冶炼方法加入饱和的大约0.2 N，它与大约0.4C结合以保证获得细小的共晶碳化物组织，并在淬火后达到55或58 HRC的硬度。N的加入与Cr和Mo结合也有利于提高抗点蚀性能，更加重要的是：钢中加入的Mo和V取代Cr来得到二次硬化效应，使基体中的Cr含量保持在高的水平，即使在高的回火温度下也具有优良的耐腐蚀性。

美国不锈抗磨轴承钢出现7个钢号，除第2个以外的钢已作介绍。第2个为X30CrMoN15-1(Cronidur30，DIN 1.4108)[29]。它由Energietechnik Essen GmbH开发的钢，和上述X40CrMoVN16～2钢类似，15 Cr钢中通过加压冶炼方法加入了0.300～0.500 N。该钢具有细小和相对均匀的显微组织，具有高硬度和优良的抗冲击弯曲能，在淬火-去应力和淬火-回火(至500 ℃)状态下能明显改进耐腐蚀性能。钢在全淬硬和二次硬化(475 ℃)状态下使用。

我国不锈轴承钢列出3个钢号。采用的9Cr18和9Cr18Mo钢属于莱氏体钢，后者在前者中加入Mo(≤0.75%)，具有更好的淬透性和更高硬度，也扩大钝化范围，增加抗点蚀能力，为此应用范围更广，抗蚀性更好[30]。在ISO标准中未列入我国的9Cr18钢。另外的G65Cr14Mo钢相近于ISO标准中的X65Cr14。

1.5 高温轴承钢

随着航空、航天工业的发展，愈益迫切需要制造喷气发动机、燃气轮机和宇航飞行器等，装备的轴承的工作温度将越来越高，大部分已经高于300 ℃。如上世纪80年代，飞行速度达到3 mach(1 mach=1190 km/h，相当于空气中的音速)的巡航飞机使用轴承的工作温度达316 ℃[23]。为此，高温轴承钢应运而生。高温轴承钢除了应具有一般轴承钢的特性要求外，还应具有高的高温硬度(≥50 HRC)和耐磨性，尺寸稳定性，耐高温氧化性能和耐腐蚀性，高的抗蠕变强度和低的热膨胀系数等。其中前两项为选择高温轴承钢材料的主要指标。作为高温轴承钢，主要为高温不锈钢、渗碳高温钢和高速工具钢三类。

ISO标准中列出的高温轴承钢出现5个钢号。其中列出的第1个33CrMoV12～9钢为新增加钢种，列出的3个钢种80MoCrV42-16、X82WMoCrV6-5-4和X75WCrV18-4-1为高速钢M50、M2和T1，列出的13MoCrNi42-16-14为渗碳高温钢，常称为M50NiL。M50相应成分表示为80Cr4Mo4V1+少量W和Cu，高温下具有高的硬度和疲劳性能，广泛用于316 ℃以下的高温轴承，最佳淬火温度1120 ℃，淬火后存在残余奥氏体Ar。通过冷处理或520～540 ℃回火使Ar转变，可出现二次硬化，国外有称半高速钢的。M50NiL是在M50基础上降低C，增加Ni和少量W+Cu，这就是“NiL”的由来。

33CrMoV12～9是含有0.33 C的3Cr1Mo0.2V钢,法国的32CDV13钢的成分与它相近，属于渗氮用表面改性钢。注意，钢号以合金结构钢的形式表示，这与上述的钢号有明显不同。该钢在920 ℃油淬后于620 ℃回火，经过在比较低的温度下的渗氮改性处理来获得表面耐磨和优良疲劳性能以及高韧性能的心部，深层渗氮可以达到0.7 mm。

高温轴承钢含大量的能与C形成稳定的碳化物的W、Mo、V等强C化物形成元素和Co，经高温奥氏体化加热淬火后，在520～540 ℃回火所产生的二次硬化，使钢具有一定的高温力学性能。

美国的航空发动机用高温轴承钢和高温渗碳轴承钢相应按航空航天材料规范AMS(Aerospace Material Specification)，已经收集的有：AMS6491(M50), AMS 6278(M50NiL), AMS 5619(14Cr-4Mo), AMS 5930(Pyrowear 675), AMS 5900(Carpenter CRB-7)，AMS 5932(CSS-42L)，AMS 5749(14Cr-4Mo-1.2V，BG42)等。关于这部分内容在本文后面会加以详细阐明。

我国的航空发动机的高温轴承钢和高温渗碳轴承钢还只有冶金部标准，它们对应是M50钢和M50NiL钢。高温轴承钢国家标准在今年五月仍在征求意见中，至今尚未发布。

高温不锈钢Cr14Mo4是9Cr18Mo(440C，工作温度149 ℃)改进型(增Mo减Cr)[23]，在260～480 ℃温度内比9Cr18Mo有更高硬度和耐磨性，好的耐蚀性、抗氧化性。用于480 ℃以下工作的耐蚀轴承，同时也用于喷气发动机和导弹上。该钢未列入ISO高温轴承钢的高温不锈钢中。

2 三代轴承钢的发展

自20世纪中期开始，国外轴承钢发展至今已经历三代[2,31]。随美国航空发动机技术的发展，其推重比(飞机发动机推力与发动机重力或飞机重力之比)，由起初的2～3级提高至7～8级和10～12级以及15～20级，对应为第1和第2代以及第3代航空发动机，这3代发动机采用的轴承钢也以第1和第2代以及第3代对应发展，其对应着的轴承使用温度分别为≤150 ℃和≤350 ℃以及耐500 ℃[2]。相对应的三代轴承钢的典型代表钢号为52100、9310H和M50、M50NiL以及CSS-42L。

高碳Cr轴承钢52100(100Cr6, 100C6，GCr15，ЩХ15，SUJ2)是轴承钢的代表性钢种，也是第一代轴承钢的最主要钢种,同时也是世界上要求最严格的一种钢。它的含碳是在0.8～1.1 wt%和代位式元素浓度<3%的钢，起先设计为机械工具用钢，已作为轴承在全世界被广泛使用。其成分常写成1%C-1.5%Cr的高C低合金钢。它能满足轴承使用中的种种性能要求。但是，其使用温度仅仅为≤150 ℃。在美国，优良的航空质量真空自耗电极重熔的52100钢(AMS6444)的成分为：0.93～1.05 C，≤0.015 S，0.25～0.45 Mn，1.35～1.60 Cr，≤0.015 P，≤0.25 Ni，≤0.10 Mo，≤0.30 Cu，0.15～0.35 Si，≤0.050 Al，15 ppm O，球化组织硬度≯207 HB，在829±6 ℃(1525±10 ℉)加热20±2 min，淬火于室温商用石蜡油中的均匀硬度值≮63 HRC[32]。

要注意的是，上世纪五十年代末高性能轴承钢开始普遍采用VIM+VAR(真空感应熔炼+真空自耗重熔)的双真空熔炼先进技术。上世纪60年代，美国又用于制造高纯净度轴承钢的VIM+VAR的双真空熔炼先进技术移植至高性能齿轮钢，这样也更推进航空发动机的更新换代和发展。同时M50、M50NiL、CSS-42L也都可以用于制造齿轮，由此可见，轴承钢和齿轮钢向着逐渐融合为一的方向发展[31]。分别列出典型的三代轴承齿轮钢为52100,9310H；M50,M50NiL，还有EX-53,Pyrowear 675(P675)，440N-Dur以及Gearmet C69，CSS-42L，相应的性能(回火硬度和KIC)列于下表。

表4 典型三代轴承齿轮钢的化学成分和一些性能

*单一硬度值为全淬硬型轴承钢热处理后的硬度；分数形式的值为表面渗碳型轴承钢热处理后的硬度，其中分子表示表面硬度数值，分母表示心部硬度数值；全部为HRC数值；

航空发动机推重比的提高，技术途径为提高发动机主轴转速，如25000转/分(rpm)[1]，转速的提高相应要求其应具有更高的抗弯与抗扭刚度而增加轴径，这必然使轴承所承受的DN数值(轴承内径D和转速N的乘积)提高。在航空发动机发展过程中，飞机主轴轴承的DN值在不断提高，上世纪五十年代的DN值为1.5×106，至七十年代中期，DN值升高至>2.4×106，八十年代达到2.5～3×106mm·rpm[33]。国外高速精密数控机床主轴采用DN值达4×106的超高速角接触主轴轴承[2]。我国将于2020年和2025年进行DN数值为2.5×106和3.0×106的轴承研发和产业化[34-35 ]。