滾動軸承材料及熱處理技術展望

滾動軸承材料及熱處理技術展望
1、現有鋼種的新應用
現有鋼種中，GCr15SiMn，GCr15SiMo具有較高的淬透性，一般用于制造大型軸承零件，以獲得足夠的淬硬層和硬度，根據目前軸承使用工況的變化，這兩種鋼可用于制造準高溫或重載工況下使用的中小型軸承，以提高其承載能力及抗高溫性能；GCr18Mo為貝氏體淬火開發的鋼種，原用于制造經貝氏體淬火處理的鐵路、軋機軸承，現可開展用于帶電環境下工作的脂潤滑軸承的研究，以提高抗白色組織疲勞剝落的性能。
2、開發新鋼種
開發不同淬透性的軸承鋼以適應不同尺寸軸承零件的要求，避免為保證零件的淬硬層而采取過度加熱和激烈冷卻而帶來的不利影響（淬火裂紋、變形等），解決我國軸承鋼種單一的問題。
開發不同用途的軸承鋼以適應不同軸承用途的要求。如：開發新型馬氏體不銹鋼、準高溫用鋼、耐水系列軸承鋼、耐污染軸承鋼、抗白色組織疲勞剝落的鋼種、高氮鋼HNS（X30、ESI）等。
3、提高現有材料的質量
改善夾雜物的性質、分布及尺寸均勻性，提高軸承的壽命及可靠性。在氧含量較低的水平下，夾雜物的總量較低，但偶爾有個別大尺寸的氧化物碰巧出現在滾道面或次表面最大應力區，會造成軸承壽命非常短，從而使整批軸承的可靠性大大下降。因此，在降低氧含量的同時要嚴格控制夾雜物的均勻性。如嚴格選取煉鋼原料、改進冶煉工藝及軋鋼工藝等。
改善碳化物及成分均勻性。國產軸承鋼的碳濃度分布不均勻，碳化物尺寸大且分布不均勻，出現大顆粒、帶狀碳化物等。破壞了基體的連續性，變形協調能力及碳化物的有益作用，影響加工質量。可通過鋼水澆注增加電磁攪拌，加大鋼坯尺寸和軋制比，并進行1 200～1 250 ℃的長時間高溫退火等措施，均勻成分，改善碳化物的分布。
4、改進常規馬氏體淬火技術
目前，軸承零件的常規馬氏體淬火多采用鑄鏈爐、網帶爐、輥底爐等連續淬火設備，淬火后的組織、硬度等指標很容易控制在所期望的范圍內。此類淬火工藝今后的發展方向有以下兩方面。
4.1 淬火變形的控制
淬火加熱設備基本采用了保護氣氛或可控氣氛，可以保證不脫碳或根據需要進行復碳、滲碳，從而大大壓縮熱處理后的加工余量。但加工余量的可壓縮程度往往受到淬火變形的制約。目前，淬火變形（尤其是畸變）成為控制加工余量的主要因素。例如對于密封防塵軸承的套圈，淬火畸變將影響防塵蓋的壓入，進而影響密封性能。因此，減小淬火畸變或實現零畸變將是常規馬氏體淬火需要解決的主要問題。影響淬火畸變的因素繁多，變形機理較為復雜，因此，每個生產廠家應根據自身設備和產品特點，從生產實踐中探索出一些有效控制畸變的措施，如控制工件的擺放、入油方式、淬火油及油溫、攪拌等，從而實現少或無畸變淬火。
4.2 殘余應力及殘余奧氏體的控制和評定
我國目前的熱檢標準中，增加了殘余奧氏體含量控制及相應檢測方法，但還沒有殘余應力的評定指標限制。大量的研究表明：殘余應力影響零件的接觸疲勞性能、韌性和磨削裂紋，適當的殘余壓應力可以提高接觸疲勞壽命，防止磨削及安裝裂紋的產生；殘余奧氏體降低尺寸穩定性，其影響程度與殘余奧氏體本身的穩定性、數量和存在部位有關。但適量的殘余奧氏體可以提高斷裂韌性和接觸疲勞性能。
多家國外的著名軸承公司已把殘余應力和殘余奧氏體列入熱處理控制指標。因此，進一步開展殘余應力和殘余奧氏體對熱處理后性能的影響及其機理的研究，開展淬回火工藝對殘余應力和殘余奧氏體影響的研究，進而根據軸承的工況提出殘余應力和殘余奧氏體的控制指標等，將是我國軸承行業熱處理研究的主要方向之一。
5、開發貝氏體等溫淬火新鋼種及新工藝
就貝氏體等溫淬火而言，雖然對其工藝、組織、性能進行了較為系統的研究，但在大力推廣此工藝的同時，應注意該工藝的限制，并非所有的軸承零件均適合貝氏體等溫淬火。
同時，應開展納米貝氏體等溫淬火用鋼的開發，進一步提高貝氏體等溫淬火后的性能。另外，需開展貝氏體等溫淬火介質和相關技術研究，一方面開發控制鹽浴含水量的技術以保證鹽浴的冷卻性能；另一方面尋求替代介質和技術以減少環境污染，如采用無毒鹽浴代替硝鹽或采用其他冷卻方式代替鹽浴（控制噴水冷卻）；三是開展貝氏體淬火工藝研究，縮短等溫時間。
6、進一步開展碳氮共滲及滲碳熱處理技術研究
近年來，洛陽軸承研究所與有關單位合作，開展了高碳鉻軸承鋼的碳氮共滲或滲碳熱處理工藝研究，同時還獨家開展了中碳合金鋼特殊熱處理工藝的研究。研究結果表明：通過碳氮共滲或滲碳熱處理可以顯著提高接觸疲勞壽命。這一工藝在軸承行業具有重大的推廣價值，已在不少企業得到應用。但仍有許多問題需要研究，如對不同工況的軸承零件，如何得到最佳的滲層深度和組織，并進一步細化碳氮化物，增加其數量；如何改變鋼的成分在滲后得到氮化硅、碳化釩等特殊化合物從而進一步提高零件性能等。
對于滲碳鋼常規滲碳，國內目前主要控制滲層深度、表面碳含量及碳化物形態，國外先進企業還控制碳濃度及殘余應力沿深度的分布趨勢。應針對不同零件開展碳濃度及殘余應力沿深度分布的研究，以優化滲后性能。
7、表面改性技術
軸承零件主要工作表面為滾動接觸面，進行表面涂層及其他改性處理可大幅提高軸承性能。我國軸承行業從20世紀80年代開始離子注入，涂覆MoS2類軟膜等在軸承上的應用研究，并成功應用于航空、航天領域，取得了良好的效果。近年來，在軸承外圈涂覆陶瓷絕緣涂層也成功應用于鐵路牽引電機軸承。但其他硬涂層的研究和應用相對落后，應開展DLC，GLC，TiN，TiAlN等硬膜涂層的相關研究。
另外，應大力開展其他表面改性技術的研究，如高能束（如激光）表面淬火、表面熔覆、表面織構處理等，改善表面性能及形貌，提高耐磨性及潤滑性能。