滚动轴承材料及热处理进展与展望

赵志高

五洲新春集团股份有限公司，中国·浙江 绍兴 312500

1 引言

机械工业化进程逐步加快，相关技术手段不断推陈出新，逐渐朝着高效化、小型化与环保化方向发展。由于轴承的应用范围越来越广，使用要求也变得十分苛刻，在提升轴承承载性能同时，也要保证轴承的精度、低噪音、低摩擦力矩，并具备耐高温和耐污染等特性。所以，需要持续加强滚动轴承材料和热处理技术研发创新，力求更好地满足新时期轴承性能需要，在机械工业生产中更加广泛地应用。

2 滚动轴承的性能要求

2.1 寿命长、高可靠性

滚动轴承在尺寸减小同时，需要具备更高的可靠性和使用寿命，因此需要抽成零件承载力更强，并且有着较长的接触疲劳寿命。提升滚动轴承纯净度，各项成分均匀，调整合金成分来增强轴承基体强度，热处理后组织更加均匀[1]。

2.2 低摩擦力矩

降低轴承摩擦力矩，优化轴承结构来降低发热量和能耗，这就需要缩小轴承尺寸，但轴承零件有着更强的强度，接触疲劳寿命进一步延长。减少润滑剂使用量，选择边界润滑方式来增强接触位置的耐磨性和接触疲劳性。

2.3 高温、高速性能

滚动轴承在使用中，由于旋转速度较快，不可避免的产生高温，如电动汽车轴承和机场主轴轴承，工作温度达到了150℃。因此，轴承需要具备耐高温性能，选择M50、KUJ7 和ES1 等高温钢材料[2]。

2.4 高精度

加工设备性能高低，一定程度上由滚动轴承决定，表现在滚动轴承精度和保持性方面，因此需要轴承具备较强的接触疲劳寿命和耐磨性，获取高精度[3]。

2.5 耐污染

轴承容易出现水侵入和外来颗粒侵入，导致轴承润滑剂受到污染，受到污染物影响加剧轴承接触疲劳，强度发生变化，使用寿命随之缩短。因此，需要提高接触位置残余奥氏体含量和硬度，可以大大增强滚动轴承的接触疲劳寿命[4]。

3 滚动轴承用钢冶金质量演变和钢种研发

3.1 轴承用钢冶金质量演变

氧化物类夹杂物是影响滚动轴承疲劳寿命的主要因素，在研发中心尝试着使用多种方法来降低氧含量，如真空自耗重熔和真空冶炼等。伴随着冶炼技术和装备水平提升，生产轴承钢氧含量得到了显著降低，区域稳定，下降到5×10-6以下水平。钢材氧含量降到一定标准后，继续下降则会导致钢材生产成本增加，影响到滚动轴承疲劳寿命[5]。氧含量越低，夹杂物含量越低，但部分尺寸规格较大的氧化物偶然出现在滚道面区域，则会降低轴承疲劳寿命，影响轴承可靠性。

加强Ti、TiN 物质控制，前者属于有害元素，同钢材中的氮物质具有较强的亲和力，多通过碳氮化钛夹杂物形式存在，而这种夹杂物有棱角，质地较硬，热加工中不会形变，但棱角会导致基体应力集中，产生微小的裂纹。

美国研发一种高效精炼和复杂浇筑系统结合的空气熔炼法，用于新型钢种生产，含量和真空重熔钢相近。基于超声波检查法，夹杂物长度小于E.FQ.B2 型轴承钢，此种轴承钢是选择保护性射流浇筑和沉淀脱氧工艺联合生产形成，通常是应用在钢材质量要求较高的区域。在氧含量下降到一定程度后，人们更加期望改善夹杂物组成机构，令其无害化，或是进一步延长使用寿命。例如，通过热等静压加工处理棒材，可以令非金属夹杂物和基体脱离，提升二者而结合力，夹杂物处气源疲劳剥落寿命随之提升。

3.2 新钢种的开发

3.2.1 全淬硬轴承钢

在全淬硬轴承钢中，以Si 钢为代表，随着含Si 含量增加，轴承钢的接触疲劳寿命也将随之提升，并且具备更强的抗回火软化性能。例如，大同特钢和NTN 建立合作关系，结合高温工况特性，在SUJ2 钢种基础上增加Si 含量，机体强度和韧性将得到同步升高，即便是200℃高温下仍然具备较高的硬度，高温环境适应性较强。

3.2.2 表面硬化类轴承钢

SHX3 系列刚是TF 刚和NSK 钢基础上加入Cr 物质开发的表面硬化刚。碳氮共渗下可以取得可观的耐磨性与抗热黏着性能，耐污染，使用寿命长。润滑受到污染下，加入Cr 实现碳氮共渗，可以有效遏制氢渗入和扩散，大大增强轴承异常白色组织剥落寿命，增强滚动轴承的精度保持性。

4 热处理技术研究进展

4.1 常规淬回火

滚动轴承多选择马氏体淬回火热处理技术，结合前人学者的研究成果来看，对汽车变速箱轴承提出了多种热处理方法。具体如下：

①提高回火软化抗力，碳氮共渗时，氮在表层扩散一定程度上促进残余奥氏体量增加，氮的固溶也会导致回火软化抗力升高，疲劳寿命随之提升。

②增加残余奥氏体，滚动疲劳寿命随之提升，因此升高淬火温度有助于残余奥氏体含量在增加。淬火后深冷处理，有助于增强滚动轴承钢的耐磨性，促使细小碳化物析出、均匀分布，合金基体组织细化，具有细晶强化作用，耐磨性随之升高。

4.2 感应加热整体热处理

此项技术优势鲜明，具有开机、停机时间短，集成在生产线中，并且具有环保性优势特点，多是在表面淬火中应用。中国洛阳LYC 采用此项热处理技术，其他厂家很少采用此类技术，是由于感应加热选择性难，零件容易出现加热不均匀情况。NTN 经过研究，推出了可控制钢中温度和显微组织的整体感应加热淬回火技术，基于两支温度计测量套圈内径和外径温度，PID 控制温度，输入到PC 程序中来分析材料性能，未溶碳化物表面为6%～10%范围内时，停止加热滚动轴承钢，然后喷水淬火。

5 未来展望

滚动轴承材料和热处理技术不断研究深化，未来应该进一步开发新型钢种，现有钢种中，GCr15 的淬透性较为突出，通常是在大型轴承零件加工制作中应用，淬硬层和硬度符合要求。在高温工况下中小型轴承加工制作，采用这一钢种可以大大提升滚动轴承承载力和耐高温性能。未来要注重碳氮共渗热处理技术研发创新，发挥此项技术优势，增强接触疲劳寿命。尽管此项技术在轴承行业得到了大范围推广应用，但还有很多问题亟待优化解决。例如，如何获取最佳渗层深度与组织，碳氮化物进一步细化，如何提升零件性能等问题，需要加强研究，整合资源优势进一步开发和创新。

6 结语

综上所述，滚动轴承材料和热处理技术不断研究深化，尽管相较其他发达国家技术水平差异显著，轴承质量有所不足。因此，需要加强新材料和新技术研发，推动研究成果转化应用，进一步提升中国轴承材料和热处理技术水平。