轴承钢发展现状及发展趋势

2024-01-07符云龙魏秀军

山西冶金 2023年11期

符云龙，张旭，魏秀军

（洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471003）

0 引言

我国的轴承和轴承钢生产领域经过几十年的发展，工业体系已经逐渐完善，但目前我国高品质轴承钢的开发品质与发达国家的生产品质还有着较大的差距，轴承钢洁净度不高、氧化物多样化等现状严重影响着轴承钢的使用时间和稳定性[1]。所以，高品质轴承钢是高质量生产的关键之一，本文重点通过轴承钢的分类、性能影响和发展导向等领域整体介绍了轴承钢近年来的发展情况[2]。

1 轴承钢分类

轴承的工作方式通常是通过线或点进行接触，因为接触面积不大，造成轴承在实际运作时必须担负1 500～5 000 MPa 的压应力，轴承使用环境的复杂性对轴承钢提出多种要求，使得轴承钢成为钢种材料中最为规范的品种之一[3]。轴承钢的使用范围也特别的广，通常把轴承钢分为4 类：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢[4]。

1.1 高碳铬轴承钢

高碳铬轴承钢作为全球第一代轴承钢，经过一个多世纪的发展，其化学成分至今没有太大的变化。据数据显示，高碳铬轴承钢的生产规模占轴承钢每年所有生产总量的80%以上，然而轴承规格的提高以及承受水平的持续加大，需要轴承钢具备更高的强度、更出色的规格和更长的使用时间。

铬锰硅系轴承钢由于材料中掺杂了一定比例的Si、Mn 元素，该类型的轴承钢淬透性优于其他类型轴承钢，增强了该类型轴承钢的强度和硬度系数，并改善了其耐磨性能。Mo 和Cr、Mn 元素都存在的情况下，能够增强碳化物的稳定性，是优化铬锰硅系轴承钢的关键因素，所以，目前已逐渐构建出以铬硅钼、铬锰钼系轴承钢为代表的高碳络轴承钢。

1.2 渗碳轴承钢

高碳铬轴承钢中含碳量非常高，导致钢材的冲击韧性的降低，但由于轴承钢的抗冲击性能对环境需求较高，在低合金结构钢的条件下开发出渗碳轴承钢。降低了轴承钢中的碳含量，对钢材表面进行渗碳处理，最终开发出表面硬度和耐磨性以及韧性更高的渗碳轴承钢。

1.3 不锈轴承钢

典型的不锈轴承钢涵盖马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢等，9Cr18、9Cr18Mo 等高碳高络马氏体不锈钢具备较为突出的硬度和耐磨性，在海洋环境、部分酸溶液、盐溶液中拥有出色的耐蚀性，往往在耐蚀性和耐磨性标准较为突出的环境下进行使用。

1.4 高温轴承钢

高温轴承钢的工作温度往往在150 ℃以上，由于轴承工况温度持续增加，轴承的实际工作温度能够超过350 ℃，这需要在高温条件下拥有高强度、高硬度、抗氧化性等性能。为了让轴承钢在高温环境下能够得到满足，高温钢得以开发生产，如8Cr4Mo4V 就属于一种添加一定比例的Mo、V 元素的高温钢。添加Mo元素能够提高其在高温条件下的硬度，增强其耐磨性和耐蚀性。

2 轴承钢性能影响因素

2.1 洁净度

钢中N、H、O 等所占比例是评估轴承钢洁净度的关键参数。氮重点通过TiN、AIN 的形式存在，氧往往通过氧化物夹杂的形式存在，氢在其中容易让氢脆、内裂纹出现。为了方便对夹杂物在钢材中的影响进行分析，往往把夹杂物分成A-硫化物、B-Al2O3、C-硅酸盐、D-点状不变形夹杂物4 种。夹杂物的产生对钢基体框架的连续性和匀称性造成极大的破坏。

2.2 碳化物与组织缺陷

分析指出，钢中碳化物的规格越高、匀称水平就越小，轴承失效的比例也会不断提高。碳化物的含量越少，轴承的疲劳寿命越高。由于冶炼品质的优化，碳化物液析也不断剔除，而网状碳化物必须利用相对的热轧工艺才可以剔除；针对中碳轴承钢，因为其碳含量不高，重点通过带状碳化物的管控为核心，必须利用球化处理来对碳化物进行细化，增强其在钢中的匀称水平。

2.3 冶炼工艺

随着冶炼设备及冶炼工艺的发展，我国轴承钢的氧质量分数基本能够管控在0.000 6%～0.000 8%，部分钢铁公司对钛质量分数的管控能够实现0.001 5%，钢中夹杂物的管控得到了显著提高。然而针对冶炼时的精细化管控，如成分、工艺指标管控的缺失，评估技能的不足导致我国轴承钢产品品质平稳性无法获得保障，不同批次生产的钢材性能有着极大的差别。针对这一情况，我国引入真空感应等先进冶炼技术来增强轴承钢的洁净度，转化其中夹杂物和碳化物的规格和分布匀称水平。国内先进轴承钢生产企业的冶炼工艺流程见表1。

表1 国内先进轴承钢企业生产工艺流程

3 轴承钢发展方向

3.1 工艺改进

根据较为普遍的贝氏体轴承钢，必须要先关注贝氏体等温淬火技术的融合性，热处理技术的选择必须根据轴承的工作条件和实际使用标准来明确[5]；对贝氏体等温淬火介质的优化，必须尽可能规避频繁使用有毒的硝盐，开发更为环保的淬火介质；因贝氏体等温温度不高，造成所有热处理过程时间过长，导致企业成本的增加，所以对贝氏体转变时间的缩减是未来的研发重点[6-7]。

3.2 内部质量控制

针对氧质量分数的管控和夹杂物的分布匀称性必须具备更为精细化的评估和管控要求，未来对钢中氧元素质量分数占比必须维持在0.000 6%以下，钛元素质量分数占比必须小于0.001 5%，降低夹杂物造成的疲劳剥落和断裂风险。根据我国轴承钢较为明显的碳化物不稳定甚至超标的困境，必须利用控轧控冷等技术，最大水平降低碳化物偏析，增强碳化物的匀称性。