【正文】 軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展首鋼技術(shù)研究院1 前言 滾動(dòng)軸承是重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，在宇航、軍工、機(jī)械制造、鐵路運(yùn)輸以及汽車制造等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。它在很大程度上決定了裝備的精度、性能、壽命與可靠性。軸承鋼是重要的特鋼品種，其純凈度和組織均勻性是影響軸承壽命的重要因素。%C、%Cr的GCr15滾珠軸承鋼是專用鋼中質(zhì)量要求最為苛刻的鋼種，該鋼種是19世紀(jì)末發(fā)明的，100年來，成分基本沒變化，而質(zhì)量提高了很多，它是發(fā)達(dá)國家中在生產(chǎn)、科研方面投入人力、物力最多的鋼種，一向被認(rèn)為是高質(zhì)量鋼的代表。其冶煉方法，從30~40年代傳統(tǒng)的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐單煉，60年代的鋼包滴流脫氣法和真空循環(huán)脫氣法(RH)精煉，發(fā)展到今天的綜合爐外精煉工藝(LF+RH、LF+VD等)，使鋼中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲勞壽命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公認(rèn)的軸承及軸承鋼生產(chǎn)“王國”，質(zhì)量居全球之冠，它們80年代創(chuàng)建的SKFMR法(MR是熔煉加精煉的意思)，使軸承鋼的氧含量達(dá)到1010－6以下，日本山陽特殊鋼公司從60年代起經(jīng)過整整30~40年的努力，到80年代末，最終形成了90tEAFLFRHCC工藝生產(chǎn)軸承鋼，10－6左右。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國目前不僅已經(jīng)成為軸承鋼生產(chǎn)大國，形成了幾條軸承鋼生產(chǎn)工藝路線，即EF＋LF＋VD、EF＋VAD、EF＋吹氬或喂絲工藝路線等，年產(chǎn)軸承鋼80萬噸左右（日本60萬噸、瑞典70萬噸），基本能滿足國內(nèi)市場(chǎng)的需求，并有少量出口；而且其內(nèi)部質(zhì)量也接近或達(dá)到國際水平，如氧含量降到了1010－6左右。但是國產(chǎn)軸承鋼與瑞典SKF、日本山陽等先進(jìn)廠家相比還存在一定差距，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是鋼中微量雜質(zhì)元素含量偏高；二是表面質(zhì)量差(包括尺寸精度、表面裂紋和脫碳等)；三是內(nèi)部質(zhì)量不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍大。2 軸承的工作環(huán)境及對(duì)軸承鋼的性能要求 軸承是由內(nèi)、外套圈、滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針）和保持器四部分組成，除保持器外，其余都是由軸承鋼組成。當(dāng)軸承工作時(shí)，軸承內(nèi)、外套圈，軸承滾動(dòng)體間承受高頻、變應(yīng)力的作用。軸承的工作條件十分復(fù)雜。載荷集中作用在滾動(dòng)體的很小面積上。理論上講對(duì)于滾珠，作用在一點(diǎn)上；而對(duì)于滾柱則作用在一條線上，并且滾動(dòng)體與套圈間接觸面積也很?。ǔ庶c(diǎn)/線接觸），因此軸承零件在工作時(shí)，其滾動(dòng)體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力，一般高達(dá)1500－5000N/mm2；軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，還要承受離心力的作用，作用力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大；滾動(dòng)體和套圈間不僅存在滾動(dòng)，而且還有滑動(dòng)，所以在滾動(dòng)體與套圈之間還存在著摩擦。在以上幾種力的綜合作用下，在套圈或滾動(dòng)體的表面上抗疲勞強(qiáng)度低的部位首先產(chǎn)生疲勞裂紋，最后形成疲勞剝落，使軸承破損失效。軸承正常的破損形式是接觸疲勞損壞，常見的還有塑性變形、壓痕、磨損、裂紋等。軸承的壽命和可靠性雖然與軸承的設(shè)計(jì)、加工制造、潤滑條件、安裝、維護(hù)保養(yǎng)等因素有關(guān)，但軸承材料的高質(zhì)量和可靠性是關(guān)鍵。基于以上對(duì)軸承的工作條件和破損的分析，對(duì)軸承鋼的性能應(yīng)有如下要求：(1)高的純凈度和高均勻性；(2)足夠的抗壓強(qiáng)度和抗永久變形能力；(3)優(yōu)良的接觸疲勞性能；(4)高的耐磨性；(5)良好的尺寸穩(wěn)定性；(6)良好的工藝性能。對(duì)于在特殊條件下工作的軸承，還有特殊要求，如耐高溫性能、耐低溫性能、防腐蝕性能和抗磁性能等等。3 微量元素對(duì)軸承鋼質(zhì)量的影響圖1 氧含量與壽命的關(guān)系 瑞典SKF公司和日本山陽特殊鋼公司對(duì)軸承鋼氧含量與疲勞壽命的關(guān)系，做過大量的試驗(yàn)研究工作，得出了明確的結(jié)論，見圖1～2。(相對(duì)壽命)=372〔O〕－，即二次精煉鋼（氧含量為1010－6）的疲勞壽命是大氣下熔煉鋼（氧含量為4010－6）的10倍。上杉年一認(rèn)為：精煉鋼氧含量降到510－6，其疲勞壽命是非精煉鋼的30倍，與真空自耗和電渣重熔鋼相當(dāng)。大冶特殊鋼股份有限公司近年來對(duì)此也做過一系列試驗(yàn)[15]，結(jié)果表明，當(dāng)精煉鋼中氧含量降到2010－6時(shí)，疲勞壽命是電弧爐大氣下熔煉鋼（氧含量為3010－6），1510－，810－，接近電渣重熔鋼的水平（見圖2）。圖2 氧含量與疲勞壽命軸承鋼中的氧含量與疲勞壽命之間的關(guān)系，國內(nèi)外的試驗(yàn)結(jié)果大體一致。但是應(yīng)當(dāng)指出的是，氧含量與疲勞壽命的關(guān)系是辯證的關(guān)系，不是絕對(duì)的，因?yàn)殇撝醒鹾康母叩?，?shí)際上只能代表鋼中氧化物夾雜數(shù)量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用說夾雜物的尺寸及分布了。通常，一個(gè)軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個(gè)大型夾雜物引起。這些夾雜物有硫化物（A類）、氧化物（B、C、D類）和氮化物。從這個(gè)意義上說，夾雜物的尺寸與分布對(duì)疲勞壽命影響最大。因此，不同的冶煉方法，氧含量即使相同，其疲勞壽命也完全不一樣。圖3表示各種不同煉鋼方法生產(chǎn)的軸承鋼彎曲疲勞極限與氧含量的關(guān)系，可以看出氧含量大約為2010－6的鋼材（LD＋RH）疲勞極限相當(dāng)好，而采用硅鈣處理的鋼材(EF＋RH)盡管氧含量很低，5~1010－6，由于其形成了危害嚴(yán)重的CaO類夾雜，疲勞極限并不高，冶鋼公司的試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，雖然電渣重熔鋼的氧含量(10－6)和夾雜物含量較高，但它的夾雜尺寸細(xì)小，分布均勻，它的疲勞壽命比低氧含量(10－6)爐外精煉鋼高。據(jù)此，只能將氧含量看作是特定工藝范圍內(nèi)疲勞極限的一個(gè)相關(guān)參數(shù)。只有在同一冶煉方法和大量試驗(yàn)條件下，才有可能確定氧含量和疲勞性能之間的關(guān)系。圖3 不同煉鋼工藝的GCr15鋼中總氧含 量與彎曲疲勞極限的關(guān)系 圖4 硫化物阻止蝶形開裂萌發(fā)一例(只有 單翼的蝶裂) 峰公雄認(rèn)為：，硫?qū)π阅軟]有影響。關(guān)于硫?qū)ζ趬勖挠绊?，目前還存在著意見分歧，歸納起來有以下三種觀點(diǎn)[16~20]：一種認(rèn)為適當(dāng)提高鋼中硫化物含量有利于壽命的提高；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為硫化物含量增加會(huì)降低壽命；還有一種觀點(diǎn)則認(rèn)為硫化物含量與疲勞壽命關(guān)系不大。認(rèn)為硫化物有益的觀點(diǎn)，常用“共生理論”來解釋之。這種理論認(rèn)為鋼液在凝固過程中，低熔點(diǎn)的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包圍氧化物的共生夾雜，它能夠松弛拉應(yīng)力，并能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)變形，從而減少氧化物的有害作用，但是這種理論是建立在鋼中氧化物夾雜較多的前提下。從本世紀(jì)70年代初期以來，許多研究結(jié)果都指出適當(dāng)提高鋼中MnS類硫化物的含量對(duì)滾珠軸承的接觸疲勞壽命至少是無害的，甚至是有益的。Tricot認(rèn)為蝶形裂紋源總是以氧化物夾雜為核心，他報(bào)道過一個(gè)只有單翼的蝶形裂紋源，另一翼之所以沒有形成，是因?yàn)樵撎幱辛蚧锇灿谘趸锷?見圖4)。Eneke也持相似的觀點(diǎn)。他認(rèn)為：當(dāng)氧化物夾雜全部為硫化物包覆時(shí)，滾珠軸承的接觸疲勞壽命最長。瑞典SKF公司曾經(jīng)是世界上最高質(zhì)量滾珠軸承鋼的生產(chǎn)者。當(dāng)時(shí)他們的產(chǎn)品主要是在酸性平爐中用硅還原法冶煉的。其氧含量約為25~5010－6，%以上。和堿性電弧爐鋼比較，其特點(diǎn)之一是90%的夾雜為硫化物和氧硫化物。按上述研究，這被認(rèn)為就是其壽命高的原因。但必須看到，這些觀點(diǎn)只在有限的條件下才值得重視。一方面，是因?yàn)榱蚧锇惭趸锊⒎莾H靠控制氧硫比就一定能實(shí)現(xiàn)。凝固速率也會(huì)影響硫化物在氧化物上析出的過程。在熱加工和熱處理溫度下，已形成的硫化物“膜”有可能部分再次溶于鋼的基體。由于硫化物和氧化物變形抗力的差異，熱加工時(shí)“膜”還可能被擠掉，這些因素對(duì)高硫軸承鋼壽命測(cè)定值分散度大看來是有影響的。另一方面，所謂用硫化物包覆氧化物可提高滾珠軸承的壽命只是相對(duì)的。即硫化物的危害性相對(duì)于氧化物的較小一些。然而不可否認(rèn)它也是雜質(zhì)，同樣也會(huì)破壞鋼基體組織的連續(xù)性與均勻性。隨著酸性平爐的逐漸淘汰及爐外精煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在滾珠軸承鋼的含氧量水平已可降到510－6，氧化物夾雜大大減少。Cogne等指出[18]：在這種條件下硫化物的破壞作用自然也就會(huì)顯現(xiàn)出來(見圖5)。Tardy等發(fā)現(xiàn)實(shí)際上有兩個(gè)影響因素：[%O]和[%O]/[%S]。[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接觸疲勞壽命高。 圖5 夾雜物類型對(duì)軸