摘  要： 中國近年來工業制造領域不斷發展，這對國內軸承鋼的研發制造提出了新的挑戰，高品質軸承鋼的研發生產成為當前國內軸承行業亟待解決的問題之一。從軸承鋼的分類、性能的主要影響因素以及熱處理工藝的發展等方面對國內外軸承鋼的研究進展進行了綜合論述，提出了發展國內高品質軸承鋼需解決的工藝優化、夾雜物與碳化物的控制、檢測設備及技術評價指標缺乏等問題的方法，以期實現國內高品質軸承鋼的量化生產與應用。

關鍵詞： 軸承鋼；質量控制；夾雜物；碳化物；熱處理；發展趨勢

隨著當前社會的飛速發展，軸承鋼已廣泛應用于工業機械、裝備制造、交通運輸、航空航天等各個領域。國內的軸承和軸承鋼制造行業經過了數十年的發展，逐漸形成了較為完善的工業體系。國內軸承與軸承鋼的研發與生產，以及軸承鋼產品質量的穩定提升，使中國逐漸成為世界軸承制造大國，并朝著制造強國的目標穩步前進。國內的軸承行業年銷售額現今已達到2000多億元人民幣，并以每年12%～15%的增速高速增長。國內部分大型鋼企，如興澄特鋼、寶武鋼鐵等生產的軸承鋼產品均已得到國外著名軸承鋼生產企業SKF、FAG等的認可。國內軸承行業雖然近年來已有了長足發展，但是其中存在的問題仍然不能忽視。國內生產的軸承鋼主要集中于中低端軸承產品，甚至在低端軸承領域出現產能過剩的情況。而航空航天、高速鐵路等領域要求軸承具有良好的強韌性、質量穩定性以及更長的使用壽命，而國內目前難以在高端軸承研發領域取得明顯突破，使國內高品質軸承嚴重依賴進口，這也成為制約中國高端裝備制造和戰略新興產業發展的主要因素之一。當前中國高端軸承鋼產品的研發水平與瑞典、德國、日本等軸承制造強國差距懸殊較大，軸承鋼潔凈度低，氧化物夾雜、碳化物不穩定且分布不均勻等因素大幅降低了國產軸承鋼的壽命和可靠性，嚴重影響了國內高端裝備制造和戰略新興產業的發展。因此，發展高品質軸承鋼是當前中國各科研院所、高校以及軸承鋼制造行業的研究重點之一。本文主要從軸承鋼分類、性能影響因素、熱處理工藝及發展方向等方面綜合論述了軸承鋼近年來的發展現狀。

1 軸承鋼的分類

軸承在工業設備中的主要作用為支撐旋轉體，降低其在設備運轉過程中的摩擦因數，保證機械設備的運轉精度,因此軸承的工作狀態一般為線接觸或者點接觸。由于接觸區域較小，導致軸承在運轉過程中需要承受1500～5000MPa的壓應力。軸承的工作環境對軸承鋼的強韌性、耐磨性以及使用壽命提出了更高的要求，這使軸承鋼成為所有合金鋼生產要求中***為嚴格的鋼種之一。1976年國際標準化組織ISO將軸承鋼分為表面硬化型軸承鋼、全淬透型軸承鋼、高溫軸承鋼以及不銹軸承鋼等4大類。中國的軸承鋼分類與ISO分類基本相同，分別為高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高溫軸承鋼和不銹軸承鋼，對應的標準號為GB/T18254、GB/T3203、GB/T1205、GB/T3086和YB/T688共計15個牌號。

1.1高碳鉻軸承鋼

GCr15高碳鉻軸承鋼作為世界第1代軸承鋼，經過百余年的發展，其化學成分至今未有大的改變。據統計，該鋼種的產量至今仍占軸承鋼年總產量的80%以上。但軸承設計尺寸的增大、承受載荷的不斷增加，要求軸承鋼具有更高的強度、更好的尺寸穩定性以及更長的疲勞壽命。

鉻錳硅系軸承鋼因添加了一定量的Si、Mn元素，使得鋼材的淬透性有所提升，提高了軸承鋼的強度和硬度，并有效改善了鋼材的耐磨性能；Mo與Cr、Mn元素共存時，可以改善鋼的回火脆性，提升碳化物的穩定性，這對軸承鋼的性能改善是至關重要的，由此逐步形成了以鉻硅鉬、鉻錳鉬系軸承鋼為代表的高碳鉻軸承鋼。目前，各領域廣泛應用的高碳鉻軸承鋼多數是在GCr15的基礎上通過進一步優化合金元素含量得到的，高碳鉻軸承鋼牌號及其主要化學成分見表1。

1.2滲碳軸承鋼

高碳鉻軸承鋼含碳量較高，使得鋼材的沖擊韌性降低，因軸承鋼抗沖擊性能和韌性對工作環境要求較高，在低合金結構鋼的基礎上研發出了滲碳軸承鋼。降低軸承鋼中的碳含量，對鋼材表面進行滲碳處理，***終研發出表面具有更高的硬度和良好的耐磨性、鋼材芯部具有良好的韌性的滲碳軸承鋼。滲碳軸承鋼的代表性鋼種有G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G20Cr2Mn2Mo等。

趙國防等研究熱處理工藝對滲碳軸承鋼組織性能影響時的結果表明，鋼的表面到芯部的碳含量梯度分布直接影響鋼材硬度的梯度分布，由于奧氏體與馬氏體比容的不同，導致滲碳處理后的滲層表面存在壓應力，提升了鋼材的疲勞壽命。圖1所示為軸承鋼經滲碳熱處理后的滲碳層形貌。

燕山大學張福成研究團隊開發出了一種滲碳型納米貝氏體軸承鋼，其表層組織如圖2所示，該鋼的表層組織為高碳納米貝氏體，芯部組織為低碳馬氏體。試驗表明，相較于傳統馬氏體滲碳鋼，這種納米貝氏體滲碳鋼的接觸疲勞壽命提升了一倍以上，在滲碳軸承鋼領域擁有良好的應用前景。

1.3不銹軸承鋼

典型的不銹軸承鋼有馬氏體不銹鋼(如9Cr18、9Cr18Mo、Cr15Mo4)、奧氏體不銹鋼(如1Cr18Ni9Ti)等，國內外主要高碳鉻不銹軸承鋼的牌號與化學成分見表2。9Cr18、9Cr18Mo等高碳高鉻馬氏體不銹鋼具有較高的硬度和耐磨性，同時，在海洋環境、某些酸溶液、鹽溶液中具備優良的耐蝕性，常在耐腐蝕性和耐磨性要求較高的使用工況下應用。奧氏體不銹軸承鋼常用于對耐蝕性能要求更高但承受沖擊載荷較低的軸承件上，該鋼種在多數工作環境中表現出了良好的抗腐蝕性，但由于奧氏體組織的特性，導致該軸承鋼無法在強度載荷、耐磨性要求較高的工作環境下應用。

近年來有研究人員研發出了一種具備高耐蝕性的不銹軸承鋼G30Cr15MoN，并對比了馬氏體不銹鋼440C與不銹軸承鋼G30Cr15MoN的組織性能。G30Cr15MoN與440C不銹軸承鋼的SEM組織形貌如圖3所示，研究表明，G30Cr15MoN中細小彌散的碳氮化物Cr2(C,N)與M23C6碳化物之間存在復合強化，從而使得G30Cr15MoN鋼具有高硬度和高耐蝕性的優異性能。

1.4高溫軸承鋼

高溫軸承鋼的工作溫度一般為150℃以上，隨著航空發動機、燃氣輪機等大型軸承設備功率的不斷提高，軸承的工作溫度可達到350 ℃以上，這要求高溫軸承鋼在高溫環境下具備高強度、高硬度、抗氧化性、尺寸穩定性以及耐蝕性等性能。

近年來，為滿足軸承鋼高溫環境下的性能要求，高速鋼逐漸被應用于軸承鋼的研發生產，例如8Cr4Mo4V就是一種添加一定量Mo、V元素的高速鋼。Mo元素可提高其高溫下的硬度，提升鋼材的耐磨性與耐蝕性；V為強碳化物形成元素，與鋼中的C形成的VC碳化物可有效提高鋼材的耐磨性；同時，W也可提高鋼的淬透性和耐磨性能。趙開禮等在高溫軸承鋼8Cr4Mo4V貝氏體等溫淬火工藝的基礎上，對8Cr4Mo4V鋼進行了不同溫度的固溶處理，隨后進行260℃鹽浴處理，研究分析了不同固溶溫度對8Cr4Mo4V鋼貝氏體組織轉變的影響，8Cr4Mo4V高溫軸承鋼在不同固溶溫度處理并回火后的貝氏體組織如圖4所示，結果表明，在1050和1065℃的固溶溫度下，8Cr4Mo4V鋼中貝氏體組織更加細小均勻，其沖擊韌性也更為優異。

2 軸承鋼性能影響因素

2.1潔凈度

鋼中N、H、O的質量分數是衡量軸承鋼潔凈度的重要指標。氮在鋼中主要以TiN、AlN的形式存在，氧一般以氧化物夾雜的形式存在，氫在鋼中易引起氫脆、內裂紋的產生。為了便于分析鋼中夾雜物對鋼材的影響，通常將夾雜物分為A—硫化物、B—Al₂O₃、C—硅酸鹽、D—點狀(球狀)不變形夾雜物4類。夾雜物的存在破壞了鋼基體結構的連續性和均勻性，在交變載荷的影響下，存在夾雜物的部位易產生應力集中，導致軸承疲勞剝落。當應力集中更為嚴重時，則會萌生微裂紋，裂紋的不斷擴展將會導致軸承失效。

氧化物夾雜為非金屬夾雜物中對軸承疲勞壽命危害***大的缺陷，鋼中氧質量分數的增加導致氧化物夾雜明顯增多，氧化物夾雜的數量和尺寸均是影響軸承疲勞壽命的重要因素。日本山陽特鋼、瑞典SKF公司等著名軸承制造企業近年來對冶煉工藝不斷改進，鋼中氧的質量分數目前已經能夠穩定控制在0.0004%～0.0006%，產品的質量穩定性與使用壽命均得到極大的提升。近些年，國內雖然對鋼中氧的質量分數的控制已逐漸向歐美標準靠近，但由于鋼中氧質量分數的波動較大，導致產品質量穩定性不足。另外，由于Ti為強碳、氮化物形成元素，若控制不當，Ti易與鋼中C、N、O等元素形成氮化鈦、碳氮化鈦夾雜物，嚴重降低軸承鋼的疲勞壽命。國內外軸承鋼生產企業對鋼中Ti質量分數的控制都有著嚴格要求，SKF生產標準規定軸承鋼中殘余Ti質量分數不高于0.0012%、山陽特鋼要求Ti的質量分數應控制為0.0014～0.0015%。

2.2碳化物與組織缺陷

軸承鋼潔凈度的提高，使得碳化物的尺寸與均勻性對軸承疲勞壽命的影響更為顯著。研究表明，鋼中碳化物的尺寸越大、均勻程度越低，軸承失效的概率越大；碳化物的含量越低，軸承的疲勞壽命越長。軸承鋼中含有較多的合金碳化物形成元素，如Mn、Cr、Mo等元素極易引起碳化物發生偏析現象，導致碳化物分布不均勻，從而降低軸承的疲勞壽命。鋼中的碳化物存在形式主要表現為碳化物液析、網狀碳化物以及帶狀碳化物3種。隨著冶煉質量的提升，碳化物液析隨之消除；而網狀碳化物需通過一定的熱軋工藝(如控軋控冷)才能進行消除；對于中碳軸承鋼或滲碳軸承鋼，由于其碳含量較低，主要以帶狀碳化物的控制為主，需通過球化處理以細化碳化物，提升碳化物在鋼中的均勻性。

高端軸承鋼在對鋼中碳化物的精細控制之外，對低倍組織的要求也極為嚴格，中心疏松、縮孔、偏析等組織缺陷需要控制在一個極低的水平，以達到高品質軸承鋼的產品質量標準。目前國內軸承鋼生產企業對于組織缺陷、尺寸精度等方面的控制與瑞典、日本等軸承制造強國還有較大的差距，在對碳化物、夾雜物的尺寸、均勻性控制的同時，還需要嚴格控制疏松級別，避免組織中出現白點、縮孔等組織缺陷，以提高產品質量的穩定性。

2.3冶煉工藝

近年來國內興澄、大冶等大型軸承鋼制造企業隨著冶煉工藝的不斷提升，其軸承質量逐漸得到國外先進軸承企業的認可。國內當前的冶煉工藝已逐漸與國際先進特鋼生產企業接軌，普遍采用廢鋼+高爐鐵水→超高功率電弧爐冶煉→LF精煉→VD/RH真空脫氣→IC/CC的冶煉工藝流程，國內先進軸承鋼生產企業的冶煉工藝流程見表3。

基于當前的冶煉工藝和先進冶煉設備，國內軸承鋼的氧質量分數基本可以控制為0.0006%～0.0008%，一些先進鋼企對鈦質量分數的控制甚至可以達到0.0015%，鋼中夾雜物的控制水平有了顯著提升。但對于冶煉過程中的精細化控制，如成分、工藝參數控制的不足，檢測技術的欠缺使國內軸承鋼產品質量穩定性得不到保證，不同批次產出的鋼材性能差異較大，特別是高端軸承鋼的產品質量不能得到有效保證，軸承鋼中碳化物分布、低倍組織缺陷控制等方面與國際制造水平相比仍有較大的提升空間。鑒于此，國內可以引進如真空感應+真空自耗(VIM+VAR)等國外先進冶煉工藝，以提高軸承鋼的潔凈度，改善鋼中夾雜物與碳化物的尺寸及分布均勻性。

3 熱處理工藝

對熱處理工藝進行改進，不僅可以細化晶粒，還可以細化碳化物、改善碳化物分布的均勻性。傳統高碳鉻軸承鋼中高硬度的馬氏體使該鋼種具有良好的耐磨性以及優異的抗接觸疲勞性能，但由于韌性較差，淬火時工件表面易存在殘余拉應力，而且其氫脆敏感性較高，使高碳鉻軸承鋼在性能要求較高的工作環境中的使用壽命大大降低。為此，在傳統馬氏體淬回火工藝的基礎上，研發出了貝氏體等溫淬火、馬氏體-貝氏體復相淬火等新型熱處理工藝。

以GCr15高碳鉻軸承鋼為例，圖5所示為該鋼種的3種常用熱處理工藝。工藝1為常規馬氏體淬回火工藝；工藝2為貝氏體等溫淬火熱處理工藝；工藝3為馬氏體-貝氏體復合淬火熱處理工藝。圖6所示為GCr15軸承鋼分別在馬氏體淬回火、貝氏體等溫淬火、馬氏體-貝氏體復相淬火以及貝氏體變溫淬火工藝下的熱處理后的組織形貌圖。

3.1球化退火

軸承的常規熱處理包括球化退火和淬火+低溫回火兩部分。球化退火一方面使球狀碳化物顆粒均勻分布在鐵素體基體上，從而上得到粒狀珠光體組織；另一方面，球化退火可以降低材料硬度，使鋼材獲得良好的切削加工性能，為終處理(淬火+低溫回火)做好組織準備。

楊洪波等對GCr15軸承鋼進行不同球化退火時間處理并進行馬氏體-貝氏體復相淬火工藝后發現，隨著球化退火時間不斷增加，貝氏體鐵素體片條呈逐漸變寬的趨勢，GCr15軸承鋼在不同球化退火時間下等溫淬火后SEM組織形貌如圖7所示，當退火時間為150min時，貝氏體鐵素體片條變窄。分析表明，當球化退火時間為150min時，在下貝氏體轉變過程中，大量未溶碳化物阻礙了貝氏體鐵素體片條的長大，使得畸變能增加，促使新的貝氏體鐵素體片條產生，因此球化退火時間直接影響鋼中碳化物的分布，對球化退火時間的精準控制可以細化貝氏體鐵素體片條尺寸，從而有效提高了軸承鋼的綜合性能。

常規球化退火冷卻速度一般為10～25℃/h，冷速過快，會對切削加工不利；過慢則會導致碳化物尺寸增大。因此，研發出了等溫球化退火工藝，該球化退火工藝的加工時間一般可縮短至10～18h；James M等提出了另一種可縮短加工時間的周期性球化退火工藝，但該工藝的熱處理控制步驟較為繁雜，在實際的生產應用中受到了一定的限制。

3.2馬氏體淬回火工藝

對預處理(球化退火)、淬火后的鋼材進行了低溫回火，以提高軸承鋼的強度、硬度、耐磨性與疲勞壽命。終處理(淬火+低溫回火)的加熱溫度一般為Ac1～Accm。以GCr15軸承鋼為例，淬火溫度一般為820~860℃，溫度過高或過低都會影響鋼材的綜合性能。低溫回火溫度一般為150~170℃，為得到較為穩定的回火組織，盡可能消除組織中的內應力，應保證較長的回火時間。GCr15軸承鋼馬氏體淬-回火后的組織形貌如圖8所示，對GCr15軸承鋼進行了850℃保溫30min的淬火處理和160℃保溫3h的低溫回火處理，***終得到由回火馬氏體、少量殘余奧氏體及碳化物組成的回火組織。

3.3貝氏體等溫淬火工藝

隨著對軸承鋼性能要求的不斷提高，軸承鋼的淬火-回火工藝也在不斷改進。高碳鉻軸承鋼通過下貝氏體等溫淬火處理，得到由下貝氏體、馬氏體、殘余奧氏體及碳化物組成的***終組織。張增歧等研究表明，經過貝氏體等溫淬火后的GCr15軸承鋼，其沖擊韌性比常規馬氏體淬回火處理后的鋼材沖擊韌性提升了一倍以上。

ZHAOJ 等在200℃溫度下對高碳鉻軸承鋼分別進行了2、6、12、72h的等溫淬火處理，得到體積分數為2.1%、40.8%、60.2%、86.6%的針狀貝氏體組織，圖9所示為200℃下兩種樣品分別等溫6h和12h后的透射電鏡圖，可以觀察到由板條狀貝氏體鐵素體、薄膜狀殘余奧氏體及ε-碳化物組成的***終組織，通過平均線截距法測量并校正數據，得出該組織為納米貝氏體板條，其平均厚度約為50nm±15nm。

燕山大學張福成等研究發現，與常規熱處理工藝相比，納米貝氏體軸承鋼熱處理工藝具有更低的等溫溫度，增大了相變的驅動力，增加了貝氏體的形核點。但該工藝的不足之處是延長了貝氏體轉變過程中的等溫時間，增加了生產制造成本，因此對于納米貝氏體熱處理工藝，應進一步優化其成分設計，改善熱處理工藝，以縮短貝氏體轉變過程中的形成時間，降低生產的制造成本。

4 軸承鋼發展方向

隨著國內工業制造領域的不斷發展，中國立足于國際產業變革大形勢，作出了“中國制造2025”國家戰略部署。作為裝備制造領域不可或缺的關鍵零部件之一，軸承關系著國內工業領域高端制造的未來發展方向，決定著中國向世界制造強國目標的邁進。總體來看，中國軸承行業經過近幾十年的發展已有了顯著提升，但在高端軸承領域，由于對鋼中夾雜物、碳化物的尺寸與分布以及低倍組織缺陷的控制精細程度不足，使高品質軸承產品的質量穩定性得不到保障。鑒于此，未來國內軸承行業為滿足高端軸承產品的長壽命、高可靠性要求，其研究方向可從以下幾個方面考慮。

(1)工藝改進。基于軸承鋼的常規馬氏體淬回火處理，已陸續研發出貝氏體等溫淬火、馬氏體-貝氏體等溫淬火、貝氏體變溫淬火等新的熱處理工藝。針對當前研究較多的貝氏體軸承鋼，首先，應注意貝氏體等溫淬火工藝的適用性，熱處理工藝的選擇應根據軸承的工作環境以及實際使用性能要求來確定；其次，對于貝氏體等溫淬火介質的改良，未來應盡量避免過多使用有毒的硝鹽，研發更環保的淬火介質；第三，由于貝氏體等溫溫度較低，導致整個熱處理過程加工時間過長，這無疑增加了企業制造成本，因此對于貝氏體轉變時間的縮減應是未來的研究重點之一。此外，國內軸承鋼的冶煉工藝流程雖基本與國際水平接軌，但國內廢鋼冶煉占比較大，精煉過程中真空度不達標，鋼中氧含量波動偏大，導致非金屬夾雜物、碳化物的控制難以達到評級標準。***后，還應借鑒國外真空脫氣、夾雜物均勻化等先進冶煉工藝，實現超潔凈、超長壽命軸承鋼的國產化。

(2)內部質量控制。第一，對于氧質量分數的控制以及夾雜物在鋼中的分布均勻性應有更為精細的檢測與控制標準，未來對于鋼中氧的質量分數應穩定在0.0006%以下，鈦的質量分數應小于0.0015%，降低或消除鋼中硬脆夾雜物導致的疲勞剝落與斷裂，將夾雜物對鋼材質量的影響降到***低；第二，針對國內軸承鋼較為突出的碳化物不穩定甚至是超標問題，應通過控軋控冷、周期性球化退火以及循環感應球化退火等先進工藝，盡可能消除鋼中的碳化物偏析，提升碳化物分布的均勻性，實現組織細化與均勻化；第三，優化冶煉過程中的連鑄工藝，減少鋼中的低倍組織缺陷，降低鑄坯中心疏松、縮孔，嚴格控制成分偏析，改善連鑄坯的質量。

(3)表面改性。針對日益復雜的工作環境，盡可能基于表面滲碳、碳氮共滲等原有的表面處理工藝，結合表面涂層、熔覆等新的表面改性技術，實現對材料表面性能的優化，延長軸承的疲勞壽命，開發出適應不同工作環境的軸承鋼產品，實現軸承鋼由單一性向多元化的特色發展。

(4)檢測設備與技術評價標準。首先，國內軸承行業生產集中度低，各軸承制造企業的產品質量參差不齊，由于大部分中小企業高精密檢測設備缺乏，諸如微觀夾雜物、網狀碳化物、表面缺陷等很難被檢出，***終導致不合格產品流入市場；其次，國內軸承行業標準對于部分有害元素含量、夾雜物以及碳化物的尺寸及分布未做評級要求，對于脫碳層、尺寸精度的控制不夠嚴格；另外，目前國外對于鋼中殘余奧氏體及殘余應力的檢測評定均有相關控制標準，而中國對于鋼中殘余應力的檢測分析尚未納入控制指標，對此今后應結合國內外軸承行業發展實際情況，制定統一的技術評價體系以及完備的檢測評級標準，嚴格控制產品質量，提升國內軸承產品的質量穩定性。