国内外轴承钢发展现状方向Word文档下载推荐.docx

1、高碳铬轴承钢是轴承钢的代表钢种： GCr15、GCr15SiMn、GCr4、GCr15SiMo、GCr18Mo等。该类钢是轴承钢的主体，占到我国轴承钢总量的 90%以上（美国不到70%，欧洲不到50%）。我国高碳铬轴承钢的冶金水平、热处理水平及表面 处理水平与国外相比尚有较大差距；（2）渗碳轴承钢：表面经渗碳处理后具有高 硬度和高耐磨性， 而心部仍有良好的韧性，能承担较大的冲击。品种有G20CrMo、G20CrNiMo 、G20CrNi2Mo 、G20Cr2Ni4、G10CrNi3MoG20Cr2Mn2Mo 等。美国的渗碳轴承钢占轴承钢总量的 30% ,而我国仅占3% , 有待于进一步发展，渗

2、碳轴承钢的品质不足成为我国高铁、 机床与冶金轴承国产化的制约因素；（3）中碳轴承钢：主要为适应轮毂和齿轮等部位具有多种功能的 轴承部件或特大型轴承。适用于制作掘进、起重、大型机床等重型设备上用的特 大尺寸轴承，50CrNi、50CrNiL、42CrMo、65Mn2、70Mn2 等。目前我国没 有专用中碳轴承钢，需要规化和新型钢种研发； （4）高铬不锈承钢：马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等。为满足轴承的硬度要求，多采用马氏 体不锈钢，9Cr18和9Cr18Mo。主要应用于化工、石油、造船、食品工业等部 门。该类钢中的夹杂物与碳化物控制水平仍然需要进一步提高； （5）中高温轴承钢：具

3、有高的高温硬度（大于58HRC）、尺寸稳定性、耐高温氧化性、低的热膨 胀性和高的抗蠕变强度。M50（8Cr4Mo4V）和M50NiL是含Mo的高温不锈钢 和BG42钢，工作温度在315 C； CSS-42L，可以使用到500 C以上；X30钢是 一种高氮（0.42%）的超高强不锈钢，耐蚀性能比 M50高出几十倍。主要应用于 航空、航天工业的喷气发动机、燃汽轮机和宇航飞行器的制造领域。 我国高温轴承钢与国外差距很大，限制了航空发动机的发展； （6）无磁轴承合金：高强度和高硬度（GH05或G60）以及X52合金等。最近美国NASA正在研发具有低密度、 低模量、耐高温、耐腐蚀的金属间化合物轴承合金

4、Ni60Ti40（我们定名为GNiTi40），其密度仅仅6.7g/cm3，弹性模量只有95GPa，耐蚀性能与瓷材料 相当。未来这种轴承合金有望在航空航天等军事领域得到推广应用， 有可能是一种划时代的轴承合金材料。总的来说我国的高碳铬轴承钢的韧性差、 渗碳轴承钢 的成本高、中碳轴承钢品种少、不锈轴承钢均匀度差，第二代高温轴承钢批量稳 定性不足和第三代高温轴承钢的研发落后。轴承钢的几个品种从实质上也代表了轴承钢的整体发展趋势。 自从一个世纪前高硬度高耐磨类型的全淬透性高碳铬轴承钢，到现代的渗碳轴承钢和中碳轴承 钢，轴承钢的发展实质上是在保证轴承耐磨性的基础上向着提高韧性的方向发 展。对于目前应用量

5、最大的高碳铬轴承钢， 其耐磨性最高，但是该类型轴承钢的 韧性很差，其无缺口冲击韧劲仅仅约几十个焦耳，而其 U型缺口韧性仅仅有几个焦耳。为了提高轴承的可靠性，出现了渗碳轴承钢和中碳轴承钢， 在表面渗碳 和表面处理的条件下大幅度提高了轴承的可靠性。 总体来讲，轴承钢总体发展趋势是在高洁净度炼钢平台的基础上，实现低成本、高性能、稳定化和新型化。民 用轴承钢的发展从有Cr到低Cr甚至无Cr发展，降低成本；从高碳向渗碳发展， 降低二次碳化物，提高寿命和可靠性；从普通向耐蚀发展，提高耐蚀性及其特殊 用途；从低合金到高合金发展，拓展轴承钢使用围。军用轴承钢从高碳到渗碳， 低温到高温，从普通到不锈，从无氮到高

6、氮，从无合金化走向微合金化的方向发 展。目前国轴承钢产量约400万吨，其中高碳轴承钢占到90%以上，而中碳全 淬透性轴承钢和渗碳轴承钢的比例仅仅占 3%左右的水平，远远落后于国外中碳 及渗碳轴承钢30-50%的水平。由于碳含量的降低，中碳及渗碳轴承钢的韧性要 远远高于高碳轴承钢，所以国外中碳及渗碳轴承钢的高比例可能与使用环境与使 用条件对轴承钢的较高的韧性要求有关。目前国外应用最多的中碳轴承钢为表面 感应淬火的42CrMo。但日本三阳已经成功开发了具有耐蚀、耐温和长寿命的 SHX中碳轴承钢（40CrNiMo），通过渗碳和渗氮热处理，得到长寿命的轴承，应 用在高速电机和精密机床等高端装备领域。

7、另外，SKF也在开发能够应用与轨道 交通的中碳低成本轴承钢来取代现有的渗碳轴承钢 G20Cr2Ni4，达到降低生产成本和长寿命的目的。所以国未来需要加大中碳及渗碳轴承钢的研发， 着力提高 轴承钢的韧性，提高轴承钢使用的可靠性。但目前国外对韧性对轴承钢性能的影 响还没有深入系统研究，有必要开展轴承钢韧性对轴承钢接触疲劳寿命、耐磨性 能和可靠性等关键性能的研究，提升人们对轴承钢韧性对轴承钢使用性能的影响 认识，促进我国轴承钢的快速发展。国外轴承钢代表性生产企业及其质量水平影响以上六大类轴承钢组织结构与性能的因素主要有四个， 一是轴承钢中的 夹杂物含量、形态、分布和大小；二是轴承钢中的碳化物含量、形

8、态、分布和大 小；三是轴承钢中的中心疏松缩孔和中心偏析；四是轴承钢产品性能的一致性， 需要通过窄成分区间控制和生产工艺的自动化控制为了实现对轴承钢夹杂物、碳化物、成分偏析与产品性能的一致性，需要提 高轴承钢的原料与钢液的纯净度、铸态及轧态组织的均匀度、降低轴承钢的成分 偏析以及轴承钢的窄成分区间控制。轴承钢的夹杂物水平直接决定于原料的纯净 度以及冶炼过程中氧含量的控制。在70年代以前，国外主要是使用无脱气冶炼， 钢中的氧含量高达30-40ppm ； 70年代到90年代以脱气钢为主，钢中氧含量 已经降到15ppm ； 90年代后期由于三脱工艺与真空脱气技术的联合应用， 钢中的氧含量可以降到10p

9、pm以下。到了 21世纪的今天，国外发达国家钢中氧含 量已经可以降低到5ppm 以下，钢中的夹杂物含量得到大幅度降低，分布更加 均匀，尺寸更加细小。随着钢的高纯净度冶炼平台 （分电炉与转炉两个系统）的完 善和轴承钢纯净度的提高，轴承钢中的夹杂物水平得到很大改善， 以至于钢中碳 化物的含量、分布、大小成为制约轴承钢质量的主要因素。因此在高纯度冶炼平 台下控制碳化物的水平显得越来越重要。 影响碳化物的两个化学成分因素，一是 碳含量的影响，从渗碳轴承钢、中碳轴承钢到高碳轴承钢分别属于亚共析钢、近 共析钢和过共析钢的畴，因而碳含量的变化直接影响了钢中碳化物的含量、 形态、 分布；二是合金元素的影响，从

10、低合金到高合金，不仅改变了钢的共析点和碳化 物的类型，影响了碳化物含量、形态和分布，更重要的是影响了钢中元素的偏析 行为，加大了轴承钢化学成分的不均匀性。 从这个意义来讲，轴承钢中碳化物的 工艺控制难度随着碳含量的提高和合金元素含量的增加而增加。对过共析轴承钢，以高碳轴承钢GCr15为例，轴承钢的冶炼质量要求很高， 不仅要严格控制硫、磷、氢等含量，而且要对非金属夹杂物和碳化物的数量、大 小和分布状况进行控制。非金属夹杂物和碳化物的数量、 大小和分布状况对轴承 钢的使用寿命影响很大，往往轴承的失效就是在大的夹杂或碳化物周围产生的微 裂纹扩展而成。研究指出，夹杂物的含量基本上决定了轴承钢的接触寿命

11、， 如图 1a所示，轴承钢的接触疲劳寿命随着单位体积夹杂物长度的增加而呈指数降低。 一般认为，钢中夹杂物的含量和钢中氧含量密切相关， 氧含量越高，夹杂物数量 就越多，寿命就越短。随着炼钢洁净度水平的不断提高， 轴承钢中氧含量已经可 以控制到5ppm，夹杂物的数量、尺寸及其分布大为改善。轴承钢中碳化物的含 量、分布及尺寸大小对轴承钢的寿命又起到至关重要的影响。如图 1b所示，随着碳化物含量的降低，轴承钢的接触疲劳寿命随着碳化物含量的减少呈指数级提 高。通过图1b可以看出，碳化物的含量对轴承钢的接触疲劳寿命起决定性作用。 另外研究结果还表明，夹杂物和碳化物粒径越大、分布越不均匀，使用寿命也越 短，

12、如图2所示。轴承钢的化学成分控制、夹杂物与碳化物的大小、 分布状况与 使用的冶炼工艺和冶炼质量密切相关。所以轴承钢的未来发展方向之一就是降低 钢中夹杂物与碳化物的含量，减小夹杂物与碳化物的颗粒大小。钢中的碳化物主要来自于轴承钢中的一次液析碳化物、 二次网状碳化物和三次共析碳化物。 随着高洁净冶炼水平的应用，一次碳化物基本上可以消除。二次碳化物主要在过共析 钢中存在，需要通过控轧控冷或低温轧制加以消除或减轻。 而具有影响性能的三 次碳化物则主要存在于轴承钢的带状组织，需要通过轧前的高温成分均匀化来加 以消除。图1夹杂物与碳化物含量对轴承钢接触疲劳寿命的影响 （a）单位体积夹杂物的长度与轴承钢寿命

13、间关系和（b）碳化物体积分数与轴承钢疲劳寿命间关系图2夹杂物与碳化物的大小对轴承钢接触疲劳寿命的影响 （a）轴承钢中夹杂物平均直径与轴承钢寿命间的关系和（b）碳化物尺寸大小对轴承钢疲劳寿命间的影响国外发达国家，比如瑞典、日本、德国、美国等国的轴承钢产量和质量都处 于领先地位，共同特点是设备先进、工艺技术成熟、质量稳定。世界上生产轴承 钢的最著名的厂家有日本的山阳特殊钢厂、瑞典 SKF公司、美国Timken公司等轴承钢企业。下面以连铸轴承钢为代表的日本山阳 （SANYO）和模铸轴承钢为代表的德国斯凯孚（SKF）为例介绍国外轴承钢生产工艺及质量水平。日本山阳的主要工艺流程为：90tUHP电炉一 L

14、F精炼炉-RH精炼炉-连铸或模铸一初轧一 三辊行星轧机或大型轧机一无损探伤一修磨一连轧机组-无损检验一连续炉球 化退火无损检测检验入库。它的质量控制水平为钢中 0含量普遍控制在5ppm 以下，有的甚至达到2-3ppm ;最大夹杂物尺寸为11阿；硫含量达到 20-30ppm、Ti达14-15ppm。氧化物颗粒在11 ，而传统工艺夹杂在 20卩m以下。化学成分波动围小，有害元素含量小。接触疲劳寿命接近（ VAR）方 法冶炼的水平。瑞典SKF轴承的生产工艺流程：100t电炉-LFV精炼炉-模铸 -均热炉-初轧-火焰清理-150 X150坯料-检验、喷丸、修磨-加热-除鳞 轧制冷却剪切打包发货。它的质量控制水平为 O含量在5-8ppm ,且偏差值低（0.5ppm） ; Ti含量波动在8-12ppm，钢中H 1ppm（精炼结束时 的钢水中测定）。通过对山阳和斯凯孚的生产工艺可以看出，氧含量和钛含量是 衡量轴承冶金质量的两个轴承指标。从夹杂物的角度来看，日本轴承钢企业主要 从降低氧含量着手，通过氧含量极低化来达到减少夹渣物含量和降低夹杂物尺寸 的目的，而瑞典轴承钢