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热处理是利用加热和冷却的方法来改变材料组织和性能的一种热加工工艺方法，它是提高产品性能的关键工艺方法之一。热处理工艺水平的高低也被业界认为是决定机械产品先进性的关键因素之一。轴承是高端装备的核心基础件之一，高品质、高精度、高性能、长寿命轴承以及轴承钢的研究、生产和发展是一个庞大的系统工程，涉及轴承钢材料成分设计、冶炼、锻造、热处理、精密加工、制造装备和检测试验等诸多领域。轴承热处理是提高轴承品质的关键工艺之一。
本书在编写过程中，结合生产实际，从培养生产技术人员的角度出发，对滚动轴承零件热处理内容进行了重组和整合，更加注重增强应用性和强化解决实际问题的专业知识。
本书的主要任务是让读者对滚动轴承材料及热处理基本理论知识和工艺特点有明确的认识，系统掌握各类轴承钢制滚动轴承零件热处理工艺，熟悉不同类型轴承钢材料应用范围和热处理工艺特点，通过典型案例学习，具备合理选择轴承钢材料、正确选择热处理方法、妥善安排热处理工艺路线的能力。
本书由河南科技大学邱明担任主编，河南科技大学庞晓旭和斯凯孚（上海）汽车技术有限公司张飞舟担任副主编，洛阳LYC轴承有限公司尤蕾蕾、苏州轴承厂股份有限公司杨伟民、斯凯孚中国技术中心宋云峰和潘云飞参与编写。具体分工如下：第1章由邱明编写；第2章、第3章、第9章由庞晓旭编写；第4章由张飞舟编写；第5章、第6章和第10章由尤蕾蕾编写；第7章由潘云飞和宋云峰编写；第8章由杨伟民编写。在编写过程中，洛阳轴承研究所有限公司叶健熠对本书提出了宝贵意见，在此表示由衷感谢。同时，编者参考和引用了一些文献内容，在此也谨向这些文献作者表示谢意。
滚动轴承热处理工艺实践性很强，又需要较深的理论基础，除了材料科学基础理论，还涉及热力学、数学、力学和机械工程等多学科知识。限于编者水平，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。
编者
轴承是核心基础零部件，被称为“高端装备的关节”。轴承工业是国家基础战略性产业，对国民经济发展和国防建设起着重要的支撑作用。新中国成立以来，特别是改革开放以来，我国轴承工业已形成独立完整的工业体系。目前我国已成为轴承销售额和产量居世界第三的轴承生产大国，但是距轴承强国还存在较大差距，尤其是在轴承钢、轴承专用装备以及滚子加工技术上存在的差距更加明显。2018年《科技日报》报道制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术，就包括高端轴承钢和掘进机主轴承。2020年国家新材料产业发展战略咨询委员会盘点我国严重依赖进口的20项产品，就包括高端轴承和高端数控机床，而后者离不开高端精密轴承。因此，突破轴承制造整个产业链从轴承材料的生产、轴承设计到轴承零件的制造，直至成品装配整个过程中的关键共性技术成为我国轴承工业基础研究的重要目标之一。而轴承零件的热处理是其中非常关键的共性技术之一。
随着机械工业不断发展，对主机的要求越来越高，轴承的服役工况越来越苛刻，同时对轴承高质量、长寿命和高可靠性要求也越来越高，如高承载能力、低噪声、低摩擦、耐高温、耐高速、轻量及单元化等。与之对应，需要不断提高轴承钢材料性能，如纯净度、均质性等，且要开发新的热处理技术及装备，以满足越来越苛刻的轴承性能要求。
1）长寿命。延长寿命是轴承追求的永恒主题。滚动轴承服役情况越来越苛刻，要求轴承具有更高的承载能力和更长的疲劳寿命，如轴承额定动载荷计算公式中的系数 b m ，深沟球轴承在原来1.3的基础上又提高了15%；SKF铁路轴箱轴承大修周期由10×10 5 km提高到了14×10 5 km；盾构机主轴轴承无故障服役寿命要求10000h或10km；风电轴承服役寿命要求20年；汽车轴承轮毂、变速器等关键部位轴承设计寿命要求10×10 5 km甚至12×10 5 km。寿命的显著提高需要提高轴承材料的纯净度和均质性，并增加适宜的合金成分，从而提高基体强度以及改进热处理工艺，以期得到理想的组织和性能。
2）低噪声和低摩擦。低噪声轴承如舍弗勒C型深沟球轴承，摩擦力矩降低35%，噪声减低50%；NSK的GR系列轴承具有低能耗、静音的特点，摩擦力矩减小了40%～50%，适用于空调、吸尘器等高效电动机。低摩擦是轴承实现节能降耗的主要手段之一，而实现低摩擦除了对滚动轴承结构进行优化，同时需要降低润滑剂用量及黏度，进而降低滚动黏滞阻力和搅拌阻力，实现微量润滑或边界润滑。这就要求滚动轴承零件的接触部位应具有较高耐磨性，以抵抗磨损及表面起源型接触疲劳。如SKF推出的E2深沟球轴承摩擦损耗降低了30%以上，开发的X-Tracker低摩擦汽车轮毂轴承摩擦力矩降低了25%等。
3）高低温及高速性能。随着主机应用环境和工况越来越复杂，滚动轴承转速越来越高和工作温度呈两极化发展，如机床主轴轴承、新能源汽车轴承，轴承工作温度高于150℃， d m · n 值高达4×10 6 mm·r/min。航空发动机主轴轴承需要承受350℃高温，需采用高温轴承钢（GCr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V，对应美国牌号M50和M50NiL）等，并采用相应的碳氮共渗技术实现耐磨、耐热等。现在通用轴承耐受低温极限要求已达-55℃，此时部分轴承材料会出现低温脆性，即“冷脆”风险。转速提高主要通过减小滚动体离心力、采用特殊材料或结构的保持架、改进润滑或冷却条件等来实现。
4）轻量及单元化。轻量化是现代设计目标函数中的一个核心指标，尤其对于航空航天飞行器，已按“克”进行计量。对汽车而言，轻量化也是关键技术之一，如NTN开发的微型汽车用超轻轮毂轴承单元，仅重1.0kg，为“世界最轻”的汽车轮毂轴承单元；SKF轻型轮毂轴承单元总质量降低约30%。单元化在轮毂轴承单元应用非常明显，已发展出第1、2、3代汽车轮毂轴承单元，目前正在发展第4、5、6代汽车轮毂轴承单元。另外，铁路轴箱轴承单元、机床主轴轴承单元、风电主轴双列圆锥滚子轴承单元等也得到了迅速发展。
5）耐异常白色组织疲劳剥落。白色组织剥落是继“内部起源型为主”和“表面起源型为主”轴承疲劳机理后的第三种疲劳机理，已获广泛共识。其剥落寿命约为正常寿命的1/10。如：舍弗勒风电增速器中高速轴承采用发黑处理，不仅减轻了高速轻载打滑损伤，且有效防止了白色组织裂纹产生；NSK自主研发的AWS-TF钢，耐白色组织剥落的疲劳寿命提高了7倍。
轴承钢是重要的基础材料，是战略性物资。轴承钢的发展和轴承服役环境温度有着很大关系，从一定程度上说，轴承钢的发展随着轴承使用温度不断提升，大致可分为四代。第一代轴承钢使用温度不超过150℃，钢种主要有高碳铬轴承钢GCr15、渗碳轴承钢G20CrNi2Mo、高碳铬不锈轴承钢G95Cr18和中碳轴承钢G42CrMo与G55Mn；第二代轴承钢使用温度一般不超过350℃，钢种主要有高温轴承钢GCr4Mo4V、高温不锈轴承钢G115Cr14Mo4V、高温渗碳轴承钢G13Cr4Mo4Ni4V；第三代轴承钢使用温度为350～550℃，同时具备高耐蚀性，钢种主要有G13Cr14Co12Mo5Ni2（CSS-42L）和G30Cr15MoN（Cronidur30）等，目前已得到部分应用；第四代轴承钢具有耐超高温及轻质化等特点，钢种主要有60NiTi和GCr15Al，该钢种目前尚处于研发阶段。
轴承钢的发展起步较早，1856年，Bessemer提出了转炉炼钢法，标志着现代轴承钢及冶金技术发展的开端，向生铁中吹入空气生产出相对优质的钢材。随后，平炉熔炼技术的发明进一步改善了钢材的质量，由此，钢材开始更广泛应用于工业生产中。而世界轴承工业兴起于19世纪末期到20世纪初期，其中德国FAG成立于1883年，是世界上首家轴承公司。据Stribeck在1900年的叙述，19世纪的后25年，轴承材料越来越多地采用碳钢和铬钢，这些轴承钢应“全淬透且硬度和韧性均匀一致”。1920年首先规定了这种钢材的技术规范，进而形成了现在应用最广泛的一种轴承钢（中国牌号GCr15，美国牌号52100）。
1964年开始应用钢包脱气法进行炼钢，即把钢包放在真空室内，通入惰性气体进行搅拌，室内压力降至66.5Pa实现脱气，氧的质量分数降低到（15～20）×10 -6 ，但是此种方法难以有效地提高钢的纯净度。1968年开始采用提升脱气法，在高真空下，钢中的氧和氢被脱气，降低了夹杂物含量，提高了钢精炼效果，氧的质量分数降至（8.3～15）×10 -6 。1974年日本采用钢包精炼技术（LF法），即钢包带有加热、搅拌和真空脱气装置，实现了脱氧、脱硫、脱氢，氧的质量分数降至（5～10）×10 -6 。20世纪80年代后，日本、瑞典以及德国等轴承生产大国进一步优化各种冶炼设备和炉外精炼工艺，例如扩大初炼炉的容量、偏心炉底出钢以及真空吸渣等，轴承钢的氧含量及其他有害元素含量不断下降。目前，国外轴承钢的冶炼工艺较为成熟，轴承钢的氧含量稳定在较低水平，氧的质量分数可达5×10 -6 左右。由瑞典OVAKO公司和日本山阳特殊钢公司生产的轴承钢产品质量较好，代表了当今轴承钢生产企业的最高水平。上述两家公司生产的轴承钢纯净度极高，氧的质量分数可控制在3×10 -6 左右。由上述分析可知，轴承钢冶炼技术的发展也是氧含量降低技术的发展，图1-1和图1-2所示分别为钢中氧含量随时间的变迁和世界著名钢厂轴承钢中氧含量的变化。
图1-1 采用的冶炼技术及钢中氧含量的变化
目前，轴承钢采用真空冶炼时，不仅可避免氧化，还可以对钢液进行脱氧，进而获得比真空脱气更高的纯净度，一般采用真空感应熔炼法（VIM）、电渣重熔法（ESR）和真空电弧重熔法（VAR）等。这些冶炼方法在保证纯净度的基础上，还可有效细化轴承钢中非金属夹杂物的尺寸，进而提高轴承的可靠性。与普通冶炼方法相比，电渣重熔后轴承钢的氧含量略高，但由于夹杂物的尺寸较小，且组织较为致密，电渣重熔后轴承钢的疲劳性能仍然有所改善。真空感应熔炼可获得纯净度较高的轴承钢，但偶尔会混入外来的夹杂物，影响可靠性。因此，真空感应熔炼常与真空电弧重熔或电渣重熔配合使用。如使用VIM+VAR法，材料致密度更高，晶粒细小均匀，力学性能得到显著提高。欧美的军用发动机轴承钢常采用此法；美国波音飞机发动机轴承规定轴承钢采用多次VAR法；英国贝斯航空发动机公司规定选用的高速钢MSRR6015采用VIM+ESR法。
图1-2 世界著名钢厂轴承钢中氧含量的变化
与国外相比，我国工业基础相对薄弱，轴承钢的发展起步较晚。1953年制定了高碳铬轴承钢的相关标准。20世纪60年代，我国开始进行高温轴承钢、不锈轴承钢以及渗碳轴承钢等特殊用途轴承钢的生产。20世纪90年代初，轴承钢的连铸技术在我国得到应用，此时轴承钢的年产量和日本轴承钢的年产量相当。进入21世纪，由于冶炼和轧制技术及装备水平的提升，特别是真空脱气技术和装备的应用，我国轴承钢在纯净度和夹杂物方面上了一个大的台阶，关键技术指标已达国际先进水平。氧的质量分数由原来的电炉钢（30～40）×10 -6 降低到真空脱气模铸钢的（5～12）×10 -6 和连铸钢的（4～12）×10 -6 ，Ti控制在25×10 -6 以下，通过严格控制添加的铬铁合金含量，Ti达到15×10 -6 以下；DS类夹杂物基本上能达到1.0级以下。经过70年的发展，我国有较大轴承钢生产能力的特钢企业达到20多家，轴承钢的年产量超过400万吨，其中高碳铬轴承钢占95%以上，稳居世界第一位。兴澄特钢已发展成为轴承钢销量世界第一的特钢厂。其生产的高档轴承钢已向斯凯孚、舍弗勒、NTN等世界各国轴承公司供货。氧含量、疲劳寿命、单颗粒球状夹杂物等技术指标达到国际先进水平。有的指标已达国际领先水平。但是，轴承钢技术质量水平依然是制约我国轴承产业高质量发展的短板之一，尤其在质量的一致性、性能的稳定性和特种轴承钢个性化需求上与国际先进水平还存在一定差距。
目前，以连铸轴承钢为代表的日本山阳（Sanyo）和以模铸轴承钢为代表的瑞典奥沃科（Ovako）达到了轴承钢生产工艺以及质量的最高水平。传统国产轴承钢与国际先进水平的差距主要体现在以下三个方面：氧含量和钛含量偏高，且波动性较大；非金属夹杂物的尺寸较大、分布均匀性和稳定性较差；碳化物较大，且分布均匀性较差。目前我国轴承钢制造逐渐形成了较为完善的工业体系，产品质量和品种也取得了显著的进步，部分大型钢企如兴澄特钢、宝武钢铁等生产的轴承钢产品均已得到国际著名轴承生产企业的认可。国内一直针对上述问题持续开展研究，力求进一步提升质量。
1）提高纯净度。部分国内生产的轴承钢中氧的质量分数已经可以极限控制在5×10 -6 以下，与国际先进水平相近，但仍存在高纯净度条件下大颗粒夹杂物尺寸大、夹杂物的分布不均匀、残留钛含量偏高等问题。
2）减少低倍组织缺陷。进一步降低轴承钢中的中心疏松、中心缩孔与中心成分偏析。
3）微观组织的超细化、稳定化。细化原奥氏体晶粒和碳化物尺寸，提高均匀性，并调控残留奥氏体，提高其稳定性。
4）提高综合服役性能。提高轴承钢的强韧性，使其具备耐蚀、抗冲击、耐超高温及轻质化等服役性能。
著名材料学家师昌绪说“设计是灵魂，材料是基础，工艺是关键，测试是保证”，因此，轴承钢材料是保证轴承具有高可靠性的关键之一。目前，我国轴承钢的种类主要有以下几种。
1）高碳铬轴承钢。高碳铬轴承钢GCr15是轴承钢的代表钢种，从发明以来已有百年历史，其主要成分基本没有改变，但是接触疲劳寿命提高了100倍以上，目前依然是轴承钢中产量最大的单一钢种。随着轴承服役性能要求越来越高，轴承钢中的Si、Mn和Mo等合金元素的含量也在逐步提高，氧的质量分数从30×10 -6 降低到了5×10 -6 ，夹杂物长度从1mm/cm 3 减小到了0.0001mm/cm 3 ，接触疲劳寿命从10 7 提高到了10 8 。
目前常用的高碳铬轴承钢种有G8Cr15、GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo、GCr15SiMo。
2）渗碳轴承钢。渗碳轴承钢是优质的低碳或中碳合金钢，具有易切削、冷加工性能好、耐冲击、渗碳后耐磨、疲劳寿命高等特点。与高碳铬轴承钢相比，渗碳轴承钢心部具有较高冲击韧性，且经渗碳热处理后表面形成残余压应力，有利于提高轴承寿命及冲击性能，非常适合制造承受较大冲击载荷的轴承。
目前常用的渗碳轴承钢种有G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo。
3）中碳轴承钢。对于承受较大冲击载荷的轴承，除了选用渗碳轴承钢，还可以选用中碳轴承钢。中碳轴承钢主要是中碳合金钢，用于制造有耐冲击、耐振动要求的轴承，包括掘进机及重型机床等设备上的特大型轴承。
目前常用的中碳轴承钢种有G55、G55Mn、G70Mn、G42CrMo。
4）不锈轴承钢。不锈轴承钢主要有奥氏体不锈钢、高碳铬马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢等。为了满足轴承硬度和表面精度的要求，常采用高碳铬马氏体不锈钢。
目前常用的不锈轴承钢种有G95Cr18、G102Cr18Mo、G65Cr14Mo、CSS-42L、Cronidur30。其中CSS-42L（G13Cr14Co12Mo5Ni2），其典型的化学成分为0.13%C、14%Cr、12%Co、4.5%Mo、2%Ni，采用C-Cr-Ni-Co-Mo合金体系，通过Mo 2 C碳化物和Fe 2 Mo型Laves相的双强化机理，获得高强韧性及耐温、耐蚀等良好综合性能。CSS-42L是美国拉特罗布特殊钢公司（LatrobeSpecialtySteelCompany）研制的表面硬化型轴承齿轮钢，应用于宇航齿轮传动机构和涡轮螺旋桨主轴轴承等零部件。Cronidur30（G30Cr15MoN）钢，属于高耐蚀高氮不锈轴承钢，其典型化学成分为0.30%C、15%Cr、1%Mo、0.4%N，采用C-Cr-Mo-N合金体系，通过N的固溶强化，形成细小弥散的Cr 2 （C，N）碳氮化物和M 23 C 6 碳化物的双强化机理。
5）高温轴承钢。第二次世界大战以后，航天工业得到了飞速发展，轴承的使用温度也提高到300℃以上，高碳铬轴承钢GCr15已不满足要求。因此开发出了0.8%C、4%Cr、4%Mo和1%V的GCr4Mo4V（M50），采用二次硬化设计，在550℃高温回火析出Mo 2 C碳化物，从而满足轴承350℃以下高温使用的要求。为满足高温耐冲击的要求，在GCr4Mo4V的基础上，开发出了高温渗碳轴承钢G13Cr4Mo4Ni4V。一方面通过降低C含量，提高钢的韧性；另一方面增加Ni含量，降低表面吸收C原子能力，加速C原子在奥氏体中的扩散，有利于渗碳热处理，同时Ni还可提高钢的韧性。
目前我国使用的高温轴承钢主要有GCr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V、CSS-42L、Cronidur30。其中G13Cr4Mo4Ni4V是目前性能最好的高温渗碳轴承钢材料。
6）无磁轴承钢。防磁轴承是指对于导向系统的高灵敏性轴承和某些仪器仪表轴承，为了防止强磁场或地磁场对轴承的影响，使轴承不被磁化，并使轴承摩擦力矩稳定，从而确保轴承的使用精度，轴承必须用防磁材料制造。目前我国使用的无磁轴承钢主要有GH05和G52合金。