2.3　“特鋼之王”——高品質重大裝備用軸承鋼

軸承鋼是一種高性能合金鋼，主要用于制造滾動軸承的零件，如滾珠、滾柱和軸承套圈等。滾動軸承是機械行業使用廣泛、要求嚴格的配套件和基礎件，其在工作時承受著極大的壓力和摩擦力，所以要求軸承鋼具有高而均勻的硬度和耐磨性以及高彈性極限等。近年來，隨著高速鐵路和風力發電等新興產業的發展，對軸承的性能提出了更高的要求。我國是軸承鋼生產大國，但并不是強國。因為軸承是國家重大技術裝備的關鍵零部件，而目前轎車、高鐵、精密機床、大型機械主軸配套軸承等重型裝備用的高端軸承一直是中國軸承行業的軟肋，長期依靠進口。因此，開發具有自主知識產權的高品質重大技術裝備用軸承鋼十分必要。

2.3.1　高品質重大裝備軸承的生產與應用現狀

軸承質量除了軸承結構設計、制造精度外，軸承用鋼是關鍵，其對軸承產品的質量、使用壽命和可靠性能具有至關重要的作用。目前，中國特殊鋼生產企業有近100家，特鋼市場供大于求的格局已經形成，但產品檔次不高，能耗高，名牌產品缺乏，市場競爭力差。生產的多為低附加值軸承鋼產品，結果是，在技術含量低的產品市場，供大于求；在技術含量較高的產品市場，國內高質量軸承鋼的供應僅為需求的1/10，主要依賴進口。因此，開發、應用高附加值軸承鋼，提高產品競爭力刻不容緩。

近年來中國高速鐵路迅猛發展，但時速超過200km的高速列車軸承全部進口。同時，隨著“十二五”期間中國建設規劃的規模將進一步提高，高速客運專線、城市地鐵建設將步入高速發展時期。對軌道建設施工設備的需求將迎來高峰，中國已經成為世界最大的盾構機市場，而目前在中國盾構機市場上國外盾構機的占有率高達95％以上。面對廣大的市場應用前景，盾構機國產化替代進口是未來的目標和主要任務。另外，在傳統能源的相對匱乏、環境壓力以及地緣政治的強烈不安全感，使得各國在發展包括風電在內的可再生能源方面不遺余力。按照中國能源發展戰略，在“十二五”期間，將建設陸上和海上大型風電基地，新建裝機7000萬千瓦以上。風電產業的快速增長，為風電設備的發展提供了強有力的支撐。

無論是高速列車系統、風電設備還是盾構機國產化，滾動軸承是其共同的重要關鍵基礎件，目前這些高端軸承國內都不能提供，完全依賴進口。因此，加速高端軸承的科技研發，盡快實現國產化以替代進口，滿足配套勢在必行。

2.3.2　軸承鋼的工作條件與基本性能要求

滾動軸承零件以點接觸或線接觸的形式，在高的交應接觸應力下長期工作。其工作部位多處于主機的“心臟”或“關節”等要害處。接觸疲勞破壞是軸承正常破壞的主要形式。因此，主機的精度、壽命和可靠性很大程度上決定于軸承。無論是應用在高速列車、風力發電還是大型機械設備上的滾動軸承，以下是對于軸承鋼性能的基本要求。

（1）高的接觸疲勞強度

滾動軸承運轉時，滾動體在軸承內、外圈的滾道間滾動，其接觸部分承受周期性交變載荷，多者每分鐘可達數十萬次，在周期性交變應力的反復作用下，接觸表面出現疲勞剝落。滾動軸承開始出現剝落后便會引起軸承振動、噪聲增大、工作溫度急劇上升，致使軸承最終損壞，這種破壞形式稱為接觸疲勞破壞。因此，要求滾動軸承用鋼應具有高的接觸疲勞強度。提高軸承的壽命，目前在學術界有兩種理論：一種是要提高軸承零件滾動面的硬度，增加其耐磨性和抗疲勞強度；另一種是滾動面的硬度無須提高，而是建立緩沖區，提高自潤滑性，從而達到抗磨的作用。

（2）高的耐磨性

滾動軸承正常工作時，除了發生滾動摩擦外，還伴有滑動摩擦。發生滑動摩擦的主要部位是滾動體與滾道之間的接觸面、滾動體和保持架兜孔之間的接觸面、保持架和套圈引導擋邊之間以及滾子端面與套圈引導擋邊之間等。滾動軸承中滑動摩擦的存在不可避免地使軸承零件產生磨損。如果軸承鋼的耐磨性差，滾動軸承便會因磨損而過早地喪失精度或因旋轉精度下降而使軸承振動增加、壽命降低。因此，要求軸承鋼應具有高的耐磨性。

（3）高的彈性極限

滾動軸承工作時，由于滾動體與套圈滾道之間接觸面積很小，軸承在承受載荷時，尤其是在承受較大載荷的情況下，接觸表面的接觸壓力很大。為了防止在高接觸應力下發生過大的塑性變形使軸承精度喪失或發生表面裂紋，要求軸承鋼應具有高的彈性極限。

（4）高而均勻的硬度

硬度是滾動軸承的重要指標之一。它與材料接觸疲勞強度、耐磨性、彈性極限有著密切的關系，直接影響著滾動軸承的壽命，軸承的硬度通常要根據軸承承受載荷的方式和大小、軸承尺寸和壁厚的總體情況來決定。滾動軸承用鋼的硬度要適宜的高而均勻，過大或過小都將影響軸承使用壽命。眾所周知，滾動軸承的主要失效形式是接觸疲勞破壞，以及由于耐磨性差或尺寸不穩定而使軸承精度喪失；軸承零件如缺乏一定韌性，在承受較大沖擊載荷時又會由于發生脆斷而導致軸承的破壞。所以，一定要根據軸承的具體情況和破壞的方式來確定軸承的硬度。對于由于疲勞剝落或耐磨性差使軸承精度喪失的情況，軸承零件應選用較高的硬度；對于承受較大沖擊載荷的軸承（例如軋機軸承、鐵路軸承和一些汽車軸承等），應適當降低硬度以提高軸承的韌性是十分必要的。一般認為，洛氏硬度在62（HRC）左右可得到高的接觸疲勞壽命。

（5）一定的沖擊韌度

滾動軸承在使用過程中都會受一定的沖擊載荷，因此要求軸承鋼具有一定韌性，以保證軸承不因沖擊而破壞。對于承受較大沖擊載荷的軸承要求材料具相對較高的沖擊韌度和斷裂韌度，這些軸承有的用貝氏體淬火熱處理工藝，有的用滲碳鋼材料，就是為保證這些軸承具有較好的沖擊韌度。

此外，還需要加工性好。根據用途不同，還有要求其耐熱性、耐腐蝕性好等。

2.3.3　高品質軸承鋼的發展與質量控制

近幾十年來，工業發達國家在軸承用鋼的開發及生產應用方面可大致分為2個方面：大多數是以采用新的冶煉技術和裝備或對傳統的冶煉工藝和裝備進行改進，降低鋼中氧含量及夾雜物的數量，改善夾雜物的分布、尺寸和形態，改善結晶狀態等，以提高原有鋼種的冶金質量，生產長壽命、純凈或超高潔凈鋼；另外，也有采用對原有鋼種的化學成分進行改進或開發全新軸承用鋼，以滿足不同使用場合對軸承越來越高的性能要求，或在具有同樣性能的前提下降低材料費用和整個軸承的生產成本。

軸承用鋼的質量是所有合金鋼中要求最嚴格、檢驗項目最多的鋼種。就應用范圍廣的高碳鉻軸承鋼GCr15而言，盡管是已開發出近百年的老鋼種，但其高純凈度、組織均質化控制和性能穩定保證，仍是高技術水平的最好體現。從軸承鋼冶金質量方面：必須保證嚴格的化學成分，極低的氧含量和殘余元素含量，特別要保證高的潔凈度，尤其是要降低對軸承壽命有嚴重危害的脆性夾雜物的尺寸及數量，嚴格控制鑄坯的內部疏松、偏析、顯微孔隙等。對于軋（鍛）材及熱處理工藝控制，嚴格控制表面脫碳層，要嚴格控制鋼的組織均勻性和碳化物分布的均勻性；控制淬火組織中馬氏體碳含量、形態及體積量，控制碳化物顆粒尺寸和彌散分布狀態，嚴格控制殘留奧氏體量以保證軸承鋼性能。同時對鋼材的尺寸精度也有嚴格要求。

（1）軋材質量控制

軸承鋼軋材產品質量控制的目標可歸納為純凈化、精細化和均勻化。其中冶金和凝固過程通過窄成分控制、低有害元素含量、碳化物液析、元素偏析帶狀、結晶組織缺陷、夾雜物控制等以獲取潔凈鋼。后續軋制鍛造工序通過控軋控冷實現形變組織的均勻化和精細化控制。但需要強調的是，由于元素偏析引起的組織均勻性問題，軋制變形過程改善有限，仍然是冶金和凝固過程起決定作用。

①純凈度

a.氧含量及其波動偏差的控制　軸承零件的疲勞剝落與鋼中非金屬夾雜物有關，特別是氧化物影響更大。研究表明，當氧含量從非精煉鋼的40×10-6降到精煉鋼的10×10-6時，軸承的疲勞壽命可提高10倍；若氧含量降到5×10-6，軸承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。這是由于滾動軸承轉動時軸承零件接觸面在脈沖負荷作用下，非金屬夾雜物使鋼的基體組織連續性的局部破壞，引起內應力集中，在非金屬夾雜物周圍出現塑性變形，并形成微裂紋。另外，軸承鋼中氣體（氧、氮、氫）含量的多少也是衡量純凈度的一個重要指標。溶解在鋼中的氧隨溫度降低析出并與鋁、鈣、硅、錳等元素形成氧化物夾雜，氮在鋼中形成非常彌散的氮化鋁夾雜和較粗大的氮化欽及碳氮化物夾雜，當聚集的氫原子結合成氫分子后產生極大的壓力，一旦超過鋼的強度極限就會產生內裂，形成白點。降低氣體含量是提高軸承鋼純凈度的重要一環。瑞典SKF公司OVAKO廠生產的高品質軸承鋼中氧含量為5×10-6，夾雜物含量達到極低的程度。日本神戶鋼鐵公司和大同特殊鋼公司的全氧含量分別達到4×10-6和5×10-6，日本山陽特殊鋼廠軸承鋼全氧含量已可控制在5×10-6以下，氧化物夾雜可控制在11μm以內，其接觸疲勞壽命比普通軸承鋼的壽命大幅度提高。我國大冶和興澄特鋼公司生產的高品質軸承鋼氧含量分別達（6.5～6.7）×10-6、（7～9）×10-6。我國軸承鋼氧含量的波動偏差多在2×10-6以上，而瑞典SKF軸承鋼的氧含量波動偏差為0.6×10-6。研究者認為現在的高品質軸承鋼中全氧含量需控制在10×10-6以下，實際生產中的波動控制在（±1.5）×10-6；鑄錠中的平均全氧含量應控制在（2～5）×10-6。近年多我國軸承企業已相繼建成投產超高功率電弧爐，采用先進的偏心爐底出鋼技術，進行二次精煉，使鋼中氧含量降到10×10-6左右，個別最低氧含量降到（4～5）×10-6。二次精煉比也達到100％。因此，鋼中夾雜物的數量得到一定的控制。

b.鈦含量的控制　研究發現，鈦型夾雜物危害很大，因碳氮化鈦、氮化鈦等夾雜物具有很高剛性，并在幾何形狀上呈棱角狀，因而極易造成應力集中，誘發疲勞裂紋。此外，氮化鈦比氧化物更容易產生偏析。因此，現在高質量軸承鋼都增加了對鈦含量的規定，通常要求小于30×10-6，先進水平可達6×10-6左右。

c.硫含量的影響　有關硫含量的影響一直存在兩個方面不同看法：一方面認為硫化物較軟，幾何形狀一般呈橢球狀，且能夠包裹危害較大氧化物形成共生夾雜，使拉應力松弛即產生裂紋的傾向性降低，故對疲勞壽命的不利影響很小甚至還可能有益，可以對硫含量從寬控制；另一方面也發現，在氧和鈦元素含量均較低（氧含量小于10×10-6和鈦含量小于30×10-6）時，硫含量高時將對軸承疲勞壽命產生不利影響，且隨硫含量的降低，對氧含量的降低也較容易控制，因此還是應從嚴控制。

d.高純凈度鋼的壽命離散性及可靠性　氧含量降至10×10-6甚至6×10-6以下的高純凈度鋼，其疲勞壽命分散性會更大，有時會嚴重影響對可靠性水平的控制。這是由于盡管鋼中非金屬夾雜物等缺陷很少，但若出現在工作表面上或最大應力的次表面區域中，將導致軸承很快出現早期疲勞剝落。這其中，所存在的極少量大尺寸非金屬夾雜物（實質是在非金屬夾雜物周圍形成的疲勞損傷區域中的裂紋長度），對于無異物混入的清潔潤滑環境下工作的軸承而言，更是主要原因。因此，采用新的夾雜物評定方法，如極值統計法來替代原ASTM E45法等，以改善煉鋼工藝技術，控制非金屬夾雜物的數量、尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夾雜物的數量及出現在工作表面上的概率，對于顯著減小軸承壽命的離散性，即提高軸承壽命的可靠性是非常有效的。

②化學成分和碳化物的均勻性　鋼錠結構、錠重、澆鑄溫度、鑄錠方法等影響鋼中化學成分的分布狀態。鋼錠、鋼坯在熱加工前的加熱工藝、鋼材熱加工終止溫度及隨后的冷卻方式、球化退火工藝等影響碳化物的均勻性。

根據軸承鋼中碳化物不均勻性在顯微組織上的形狀、分布及其形成原因，可分為液析碳化物、帶狀碳化物及網狀碳化物，液析碳化物的危害性相當于鋼中的夾雜物，帶狀碳化物評級達到3～4級可使鋼材疲勞壽命降低30％。網狀碳化物升高1級，可使軸承壽命降低1/3，碳化物顆粒大小直接或間接影響軸承壽命。液析碳化物、帶狀碳化物、網狀碳化物評級的級別是衡量碳化物均勻性的指標。

因此，應采用多種措施來細化均勻碳化物。電磁攪拌、均勻化（高溫擴散）退火、控軋控冷、可控氣氛連續球化退火等。壓縮比也是保證碳化物細化均勻、提高材料致密度、改善材料力學性能和疲勞強度的一個重要手段。軸承鋼坯，尤其是對于連鑄坯，需要加大壓縮比來改善其芯部缺陷。如對于普通碳素鋼的連鑄坯，壓縮比為4～6時就可滿足要求；對優質碳素鋼、合金鋼連鑄坯，最小壓縮比不低于10即可；但對于軸承鋼連鑄坯，套圈用料一般需保證壓縮比為12～15，滾動體用料達30～50，要求更嚴格的為：套圈用料壓縮比15以上，滾動體用料壓縮比50以上（有的可達到65）。

③鋼材的尺寸精度及表面質量　改善鋼材尺寸精度不僅提高軸承材料利用率，也減少不必要的切削加工。部分鋼廠采用短應力線等高剛度軋機，鋼材斷面尺寸偏差大幅度下降，直徑30mm以下圓鋼，直徑偏差可達0.3mm左右。

軸承的壽命及可靠性與軸承的結構設計、所用材料、冷熱加工工藝及裝備、安裝及使用條件等因素有關，其中，材料與熱處理是影響軸承壽命及可行性的主要因素之一。由于材料和熱處理工藝的影響，像材料強度低、純度差、金屬材料纖維組織取向不合理、硬度低、鍛造比不合適、殘余應力大等因素極易使軸承損壞。國外鋼材質量對軸承壽命的影響在20世紀50～60年代約占50％，80年代縮小到1/3。我國目前受工藝及裝備的影響，軸承鋼材質量對軸承壽命的影響約占60％，故對于軸承生產企業來說，選擇合格、優質的軸承材料也是提高軸承壽命的關鍵因素之一。

④中心偏析與疏松　軸承鋼的主流生產工藝流程已從模鑄鋼走向連鑄鋼，但連鑄鋼存在的一個最大問題就是中心偏析和疏松。中心偏析和疏松對于套圈、滾子等零件影響不大，但對于料芯部位仍不可避免地處于工作表面的鋼球就十分有害。采用輕壓下技術，同時配備中間包等離子加熱和電磁攪拌等技術，確保最佳工藝條件下的最佳壓下位置，對改善中心偏析與疏松的效果最為顯著。

⑤金屬流線　金屬纖維流線應致密，還應盡量保證與滾動表面平行，特別應控制流線斷頭不能垂直露出工作表面，否則將降低軸承的疲勞壽命。

（2）熱處理質量控制

軸承鋼最終成品組織性能是各工序綜合系統控制的結果，涉及冶金、軋制和最終熱處理等工藝過程，在軋材純凈化、精細化和均勻化控制的基礎上，如果通過熱處理發揮材料強韌性潛能也十分重要，而根據鋼種的不同，其熱處理控制關鍵也有所差異。

①嚴格控制退火組織　鍛造加工后退火組織的金相顯微鏡檢查的放大倍數通常規定為500倍，為嚴格控制退火組織，保證其為細小均勻的球化組織，避免片狀碳化物存在，應在1000倍下進行檢查評定。

②硬度匹配　熱處理后的表面硬度不僅僅是達到標準要求范圍，而是要關注軸承套圈與滾動體的匹配問題。滾動體的硬度應控制在范圍上限，而套圈的硬度應控制在范圍下限，以保證滾動體的硬度高于套圈1～2（HRC），使軸承在運轉中，尺寸與形狀精度更高的滾動體可以對滾道起到“冷輾整形”作用，進一步提高軸承的疲勞壽命。

高硬度要求——精密軸承的應用場合一般是輕載高速，磨損壽命是主要評價指標，因此硬度可偏于范圍上限。

低硬度要求——用于沖擊、重載等工況條件，如軋機、離心澆鑄機及石油鉆機等配套軸承，斷裂比疲勞和磨損等危害更大。因此其硬度應偏于范圍下限，甚至可犧牲疲勞性能，降低至58（HRC）以下。

③殘余奧氏體　軸承鋼常規熱處理后殘余奧氏體在9％左右時最有利于軸承力學性能和疲勞強度的提高。但在齒輪箱等具有大量污染顆粒的條件下，在工作表面層保留穩定的殘余奧氏體為30％～35％時，可以利用奧氏體易變形的特點來降低接觸壓痕邊緣的應力集中效應，使表面疲勞源不易形成及擴展，從而提高軸承的疲勞壽命。

④高碳鉻軸承鋼　對于高碳鉻軸承鋼棒線軋材，以GCr15為例，其無網狀碳化物的索氏體組織控制十分重要，再經球化退火后組織中碳化物形態規則、尺寸細小、分布均勻，從而可在熱處理后形成具有良好強韌性匹配和合理硬度的淬火組織——高硬度馬氏體基體上均勻彌散分布細小碳化物。

⑤中碳滲碳軸承鋼　G20CrNi2Mo是應用較為廣泛的滲碳軸承鋼，其熱處理過程包括滲碳、淬火、低溫回火，以進行表面強化，形成表層硬度高、心部韌性好的復相組織，獲得從表面到基體的合理硬度梯度，以使其能夠承受大的沖擊載荷、接觸應力和磨損，明顯提高軸承的抗疲勞壽命。比較典型的G20CrNi2Mo熱處理工藝如下：滲碳（930±10）℃→高溫回火（600～650）℃×10h回火→淬火（800～820℃，油冷）→低溫回火（160℃×12h）。滲碳過程需要控制的關鍵參數有強滲溫度、強滲時間和擴散時間，以及各階段的碳勢控制。滲碳的目的在于獲得合理的表面碳含量、有效淬硬層深度以及表面到基體的碳含量合理分布，為表面到基體的組織過渡奠定基礎。高溫回火主要是基于后續機加工的需要所進行的工藝回火，但其亦對表面高碳區域的碳化物形態有一定影響，進而影響淬火后表面顯微組織特征。淬火過程是保證合理的表面硬度、表面到基體的硬度梯度分布以及獲取從表面到基體不同位置組織過渡的關鍵。在表面高碳區域，淬火溫度的確定需兼顧高碳馬氏體組織細化以及碳化物的溶解，控制合理的殘余奧氏體體積分數，保證高的疲勞強度和一定的耐磨性，通過高碳馬氏體相變體積膨脹，在表面形成有利于疲勞壽命的殘余壓應力層。基體獲得低碳馬氏體組織，保證良好的疲勞強度和耐沖擊性能的匹配。過渡區組織滿足合理的硬度梯度過渡以及疲勞強度過渡，從而配合與銜接高碳馬氏體表面與低碳馬氏體基體，經低溫回火去除殘余應力后，得到良好的綜合性能。

與G20Cr2Ni4滲碳鋼相比，G20CrNi2Mo鋼的滲碳工藝穩定，表面硬化性能優于G20Cr2Ni4，且熱處理變形趨勢小，殘余奧氏體含量合理。即通過合理的滲碳熱處理工藝控制，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼可獲得優良的強韌性和疲勞性能。

2.3.4　高品質重大裝備軸承鋼應用例解

（1）高速鐵路列車軸承用鋼

①高鐵軸承的性能要求　高速鐵路客車軸承必須具有在加速度運轉條件下的高可靠性、耐沖擊性和變軸向負荷承載能力。因此鐵路機車用軸承必須能夠承受較大沖擊負荷，表面必須具有高強度和良好的耐磨性，心部具有足夠的強度和韌性。速度為320km/h的高速鐵路客車軸承的主要技術指標為：軸承壽命350萬～500萬千米、可靠度50萬千米為99％。列車運行40萬千米檢查一次，80萬千米再檢查一次，120萬千米大修。除了軸承設計、軸承潤滑等研究方面外，提高軸承在高速運轉下的壽命可靠度是開發重點之一。

②鐵路軸承用鋼品種　瑞典、德國、美國和日本等都是當今世界上的軸承工業強國，尤其在鐵路車輛滾動軸承方面，其技術先進，制造水平高，產品質量好。歐洲標準在技術先進性，結構完整性，敘述完整性，使用方便性方面比美國標準更具優勢。常用的軸承鋼有高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高溫軸承鋼和不銹軸承鋼等。目前應用最廣泛的是高碳鉻軸承鋼，如我國的GCr15鋼和GCr15SiMn鋼。對于壁厚>12mm或外徑≥250mm的軸承套圈及直徑>22mm的輥子，規定必須采用GCr15SiMn鋼，因其淬透性好，表層和心部的硬度幾乎相等，洛氏硬度均可在60（HRC）以上。但是鐵路機車上的使用經驗表明，這樣的硬度分布，對承受劇烈沖擊負荷的軸箱軸承并不合適，內外套圈和滾子脆性大，沖擊韌性低，容易發生裂損。相較而言，GCr15鋼淬透性相比GCr15SiMn較差，但經適當熱處理后，表層洛氏硬度可達60～63（HRC），而心部較軟，這樣，既能保證軸承有足夠的疲勞壽命與磨損壽命，又具有承受沖擊負荷的優良性能。此外，有關研究還表明，在相同回火溫度下，GCr15SiMn鋼的殘余奧氏體含量比GCr15鋼高。GCr15經淬回火后，殘余奧氏體一般為百分之十幾，而GCr15SiMn鋼熱處理后的殘余奧氏體高達百分之二十幾。較高的殘余奧氏體含量導致軸承尺寸的不穩定，軸箱軸承常因此產生內孔直徑的脹大，使軸承與軸頸的配合過盈量得不到保證，從而出現透銹和弛緩現象。

另外，我國研究者針對GCr15SiMn鋼淬透性低的不足，又開發了高淬透性和淬硬性軸承鋼GCr15SiMo，其淬硬性≥60（HRC），淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo鋼的接觸疲勞壽命L10和L50分別比GCr15SiMn鋼提高73％和68％。近年來，我國還開發了節約能源、節約資源和抗沖擊的GCr4軸承鋼，與GCr15鋼相比，GCr4鋼的沖擊值提高了66％～104％，斷裂韌度提高了67％，接觸疲勞壽命L10提高了12％。GCr4鋼軸承采用高溫加熱-表面淬火熱處理工藝，與全淬透的GCr15鋼軸承相比，GCr4鋼軸承的壽命明顯提高，可用于重載高速列車軸承。

采用科學的冶煉方法也能有效地提高軸承材料的性能。在《鐵路機車滾動軸承技術條件》中已規定軸承套圈和滾動體應采用真空脫氣鋼。這種鋼的氧和非金屬夾雜物約減少1/2。采用真空脫氣鋼的軸承，其疲勞壽命比普通軸承鋼高0.5～3.0倍以上，而其價格卻只貴10％左右。而電渣重熔鋼在夾雜物細化、凝固組織致密和偏析的減少方面具有明顯優勢。G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼是優質低碳合金鋼，它具有切削、冷加工性能良好、耐沖擊、滲碳后耐磨、接觸疲勞壽命高等優點。采用G20CrNi2MoA滲碳軸承鋼制造的軸承，除表面具高硬度、耐磨性、高疲勞強度、良好尺寸穩定性外，軸承內部還具有高的韌性，可用于制造承受沖擊較大鐵路機車用軸承。美國滲碳軸承鋼產量達到軸承鋼總產量的30％，日本為10％～15％，而中國還不到5％，用G20CrNi2Mo鋼制造的鐵路軸承，每年的需求量約130萬套，用鋼15萬噸左右，滲碳軸承鋼在中國存在著巨大潛在市場及發展前景。

（2）風電軸承用鋼

①風電軸承的性能特點　風電軸承大致分3類，即偏航軸承、變槳軸承、傳動系統軸承。由于風電軸承的工況條件較惡劣，經受溫度、濕度和載荷變化范圍很大，偏航和變槳軸承要承受很大的傾覆力矩，增速器軸承在啟動和制動時要承受很大的沖擊載荷，因要求風電機組在風速達3～4m/s的條件下即能啟動發電，故軸承應具低摩擦力矩、高運轉靈活性的特點。另外，由于吊裝和更換軸承極為不便且成本較高，一次安裝拆卸費用即高達幾十萬到上百萬元人民幣，因此，20年的使用壽命及高可靠性，就成為對風電軸承的基本要求。風電主軸軸承的要求無故障運轉達13萬小時以上，并具有95％以上的可靠度。據統計，齒輪箱故障中約80％左右是由軸承失效所致。目前，我國風電設備的國產化率為50％左右。國內生產風電軸承用鋼的企業有寶鋼特鋼、興澄特鋼和湖北新鋼等。

②國內外風電軸承用鋼

a.偏航和變槳軸承　不同部位軸承采用不同材料及熱處理，偏航和變槳軸承采用40CrMo、42CrMo鋼等。如何提高其低溫（環境溫度-40～-30℃，軸承工作溫度在-20℃左右）沖擊功等力學性能是關鍵。軸承熱處理工藝應關注：表面感應淬火的淬硬層深度、表面硬度、軟帶寬度和表面裂紋尤其是齒根部位裂紋的控制。由于此類軸承技術難度相對較低，準入門檻低，軸承國產化率可達80％以上。

b.增速器軸承和主軸軸承　主要依靠進口。我國少數企業尚處研制階段。增速器軸承由于承受的扭矩和轉速波動范圍大、傳輸負載易突變、箱體質量與安裝空間有限制、安裝平臺存在柔性變形等，因而與傳統的重載工業齒輪箱的應用環境相去甚遠。目前，在各部件失效造成風力發電機停機中，增速器失效所占比例最高，為20％左右。增速器在工作過程中，齒輪磨損產生的微小金屬顆粒在軸承工作表面形成壓痕，壓痕邊緣形成高的應力集中，成為疲勞源，最終導致剝落，縮短軸承使用壽命。

我國機械行業標準規定增速器軸承的套圈和滾動體采用電渣重熔冶煉的高碳鉻軸承鋼GCr15SiMn和GCr15SiMo，按《軍用高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理質量要求》的規定進行熱處理。對于GCr15SiMn和GCr15SiMo鋼，由于Si、Mn等元素含量提高，更容易引起鑄坯偏析，因此在冶煉中要采用有效措施控制偏析。同時，非金屬夾雜物成為制約軸承鋼性能的關鍵因素。提高鋼的純潔度，降低夾雜物含量，改善夾雜物的性質和形態以減輕其對鋼的危害。GCr15SiMn和GCr15SiMo鋼制成的軸承失效主要是由于成分偏析及夾雜物引起的，同時也應采用合理的熱處理工藝。因此，應嚴格控制軸承鋼的冶金質量，并優化設計合理的熱處理工藝。來保證其獲得合格力學性能和提高其疲勞壽命。GCr15SiMn和GCr15SiMo相比，后者淬透性更好些。總體來說，我國風電回轉支撐軸承材料一般采用GCr15、GCr15SiMn、38CrMoAl、40CrNiMoA、12CrMoG、H13等。

（3）盾構隧道掘進機軸承

盾構機施工主要由穩定開挖面、挖掘及排土、襯砌包括壁后灌漿三大要素組成。盾構主軸承是盾構機的關鍵部件，使用在盾構刀盤系統上。由于盾構機在既定施工段不允許失效，盾構主軸承的壽命和可靠性直接影響盾構機械的施工安全，幾乎等同于盾構機的壽命。目前，盾構機主軸承依靠進口，美國TIMKEN占有份額較大，滾動體采用鋼種為GCr15SiMn，套圈則采用42CrMo或滲碳鋼G20CrNi2Mo。

近年來，國產盾構機有了長足的發展，北方重工、上海隧道股份、第二重型機械集團公司、大連重工起重集團和首鋼集團、武漢重工集團有限公司等企業也相繼進入了盾構機裝配制造行列。盾構技術的國產化離不開其關鍵部件——主軸承的國產化，盾構主軸承的自主研發制造能否跟得上，將成為促進或制約中國盾構技術發展的關鍵因素。

（4）航空、航天軸承

①航空軸承用鋼　我國每年航空軸承用鋼的需求量約為1115t，其中高溫軸承鋼15～20t。表2-23為航空軸承鋼不同部位軸承所需的鋼種。

②航天軸承用鋼　航天軸承包括火箭、衛星、飛船等特種用途的軸承。我國航天軸承每年使用鋼材約15t，其中，中小型軸承主要使用不銹軸承鋼9Cr18、9Cr18Mo，每年約需10t；微型軸承主要使用高碳鉻軸承鋼GCr15，每年約需5t。

③大飛機軸承用鋼　中國大飛機項目啟動，預計到2020年，需要新增干線客機1600架左右，平均每架飛機軸承成本為307.5萬元。其中，主要是高溫軸承，年銷售額為4.92億元，軸承鋼年銷售額2.46億元。

（5）汽車軸承

我國汽車軸承材料大量使用的是高碳鉻軸承鋼GCr15和滲碳軸承鋼20GrNiMoA。其中輪轂軸承使用S55C（SAE1055）軸承鋼，僅寶鋼特鋼年產銷量就達到3萬噸以上。

2.3.5　高品質軸承鋼的發展趨勢

“十二五”期間，國家把高品質軸承鋼等特殊鋼作為戰略性新興產業，這是從根本上改變中國軸承鋼落后面貌、整體提升我國軸承鋼等特殊鋼產業技術水平和戰略產品研發水平的重要機遇期。因此，要依靠國家重點科技計劃，建立起產-學-研-用戰略研發聯盟，采用先進軸承鋼產業發展理念，開發、應用高品質軸承鋼，頂替進口，并用高端軸承鋼控制技術支撐鋼鐵企業做強，提高中國軸承鋼產品競爭力，滿足國家重點工程需求：一是要提高高品質重大技術裝備用軸承鋼的使用壽命和降低成本，向高潔凈度和性能多樣化方向發展。同時，還應為適應高溫、高速、高負荷、耐蝕、抗輻射等特殊要求，進一步研發高溫軸承鋼和不銹鋼軸承等高端產品等。

具體而言，高品質軸承鋼的發展方向如下。

（1）減少軸承鋼鋼材成分波動范圍，提高質量一致性

我國軸承鋼制造企業今后應該把提高不同爐次軸承鋼的成分一致性作為重要研究課題，對工藝過程進行統計過程控制，提高過程能力和工藝穩定性，從而減少鋼材成分波動，提高質量一致性，為后續加工和提高我國軸承的質量奠定良好的材料基礎。

（2）研制適合制造大型軸承的高碳鉻和滲碳軸承鋼新鋼種及相應熱加工和熱處理技術

瓦房店軸承集團有限責任公司基于我國軸承鋼的研究成果、借鑒國外軸承鋼經驗、結合我國軸承行業目前及今后的發展需求，綜合考慮材料成本、加工成本及材料的經濟批量，與國內一些軸承鋼制造企業合作，研制了ZWZ11、ZWZ12、ZWZ13、ZWZ14、ZWZ15等軸承鋼新鋼種，與我國現有的高碳鉻軸承鋼和滲碳軸承鋼鋼種一起組成比較完整的高碳鉻軸承鋼和滲碳軸承鋼系列，基本滿足我國目前及今后幾年軸承制造需求。同時，也對這些新鋼種相應的熱加工和熱處理技術進行了初步研究。這些新鋼種已經成功應用于軋機軸承，風電增速機軸承和風電主軸軸承等質量和性能要求極高的高端軸承。

今后應加速對這些新鋼種的各種性能參數、熱加工和熱處理技術進行系統研究，并將這些新鋼種盡快納入國家標準，在軸承行業推廣應用，形成經濟批量，降低采購成本。

（3）提高我國軸承鋼整體質量水平，滿足制造高端軸承的需求

①對軸承鋼中有害元素進行嚴格的檢測和控制。

②研究軸承鋼的冶煉和檢測先進技術以提高其純凈度。

③深入研究大尺寸軸承鋼棒材的技術要求及加工技術。

（4）提高軸承鋼熱加工和熱處理技術水平

①深入研究大尺寸軸承鋼棒材的技術要求及加工技術。軸承行業應與鋼鐵行業聯合，深入研究大尺寸軸承鋼棒材的技術要求及加工。

②加強鋼廠和軸承企業聯合對大型軸承鍛件進行深入系統的研究。形成明確的技術要求和技術標準。

③改進軸承零件退火組織。我國軸承行業應對軸承鍛造工藝過程進行深入研究，嚴格控制零件的始鍛溫度及終鍛溫度，控制鍛后冷卻速度，細化鍛后組織，防止網狀碳化物析出。

④研究高碳鉻軸承鋼制特大型軸承零件淬火后的心部硬度、硬度梯度和顯微組織及其對軸承零件的影響。國外某企業對高碳鉻軸承鋼制森吉米爾軋機軸承套圈淬火后的表面硬度、心部硬度、硬度梯度和顯微組織及其對軸承零件的影響進行了深入研究，通過控制軸承鋼淬透性和淬火冷卻速度，得到表面硬度、心部硬度、硬度梯度和顯微組織良好配合，使制造的森吉米爾軸承具有超越滲碳鋼森吉米爾軋機軸承的性能，取得了低成本高性能的最佳效果。

⑤研究特大型軸承零件的軸承鋼種和熱處理工藝選擇原則。研究選擇合適的軸承鋼種和熱處理工藝，解決特大型軸承零件淬火后變形大、尺寸漲縮波動大、硬度偏低、同一零件硬度不均勻、不同零件硬度波動大等質量問題，提高特大型軸承零件熱處理質量。

⑥研究新熱處理方法，調控軸承零件組織和性能，提高軸承零件的熱處理質量。針對軸承零件服役條件和失效形式，研究新熱處理方法，對組織和性能進行調控，提高軸承零件的質量和性能。為更好滿足大型軸承零件的熱處理技術要求，提高特大型軸承零件的熱處理質量，瓦房店軸承集團有限責任公司研究了一種新的熱處理方式——馬貝復合組織淬火（如圖2-17所示）。馬貝復合組織淬火組織為馬氏體+下貝氏體+少量殘留奧氏體+少量殘余碳化物。淬火工藝：加熱溫度830～880℃（具體溫度根據鋼種和零件尺寸確定）；保溫時間根據工件壁厚確定，每100mm，保溫0.6～0.8h，最少保溫10min；采用冷卻能力足夠的淬火介質（主要是淬火油或鹽浴）并進行適當攪拌，確保工件以大于臨界冷卻速度的冷速冷到Ms點與Mf點之間某一溫度Md，并等溫一定的時間，保證工件心部也冷到Md，使工件內奧氏體部分轉變為馬氏體，Md溫度越低，奧氏體轉變成馬氏體的量越多；在工件心部到溫后，立即將工件轉入適當的介質（例如熱油或鹽浴）內加熱到下貝氏體轉變溫度，并等溫一定的時間（約4h），使工件內殘留奧氏體轉變為下貝氏體，并使已形成的馬氏體回火。Ms點溫度和Mf點溫度主要由鋼種和加熱條件確定，高碳鉻軸承鋼Ms點和Mf點溫度分別在220℃和-70℃左右。

（5）對于高碳鉻軸承鋼

應提高鋼材純潔度和碳化物的均勻性；研發含氧量約2～3μg/g、含鈦量小于6μg/g的高潔凈軸承鋼。

（6）對于滲碳軸承鋼和中碳軸承鋼

應開發能適應特殊服役條件的鋼種。

（7）對于不銹軸承鋼

應開發耐蝕、耐熱的多用途馬氏體不銹軸承鋼。

（8）對于高溫軸承鋼

開發航空、航天等領域用的鋼種及滲碳高溫軸承鋼。