下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
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。