轴承用钢的发展

    高碳铬轴承钢的质量提高主要是降低钢中的氧含量，减少非金属夹杂物的含量，控制氧化物系夹杂物的大小和组成,提高钢的纯洁度，从而提高轴承的使用寿命和可靠性。

    在六、七十年代前，瑞典、德国、美国及前苏联的轴承生产水平及轴承钢的冶金质量代表着当时的世界先进水平。从八十年代以后，无论从轴承钢的产量质量，还是从技术水平以及钢材在世界市场的占有量，日本都处于领先地位。日本的轴承钢生产主要集中在大同、山阳、爱知、高周波四大突然书钢厂，其次是住友金属和神户制钢等公司。日本的轴承钢冶炼技术在六十年代与我国不相上下，但从六十年代中期以来，其轴承钢的生产技术在以下六个方面有了大的突破，一举达到世界领先水平。

    超高功率电弧炉的应用提高了生产率，降低了电耗；炉外精练LF+RH联合使用使轴承钢的氧含量降低到3～10ppm；连续浇注（CC）技术使轴承钢坯的氧含量得以很好地控制在3～8ppm范围内，减少了对滚动疲劳寿命影响很大的
B类和D类非金属夹杂物的数量；偏心炉底出钢（EBT）改善了轴承钢中的非金属夹杂物的形态，使B类
细系列D类粗系列的夹杂物得到明显的改善；采用巨型钢包（70～150T）、大型连铸坯（370×470×2000mm）、大型钢锭（70～10T，大头为450×450mm），保证轴承钢材中的碳化物不均匀性；实现了轴承钢锭、钢坯表面质量在生产线上的检查和清理，同时有严格的在线无损探伤装置对轴承钢材进行表面及内部缺陷的检验，充分保证轴承钢材无裂纹出厂。

    日本轴承钢生产技术的提高过程简单地归纳为以下几个阶段：
    1964年以前轴承钢生产采用普通地30吨电弧炉冶炼，下铸法铸锭，氧含量为25～35ppm，疲劳寿命L10作为以下对比的基础值（作为 1）。
    1964～1968年，生产采用30～60吨大功率电弧炉冶炼LF法真空脱气精练，下铸法铸锭，氧含量为15～20ppm，疲劳寿命为4 L10，即提高4倍。

     1969～1974年，采用60吨大功率电弧炉冶炼，LF-RH法真空脱气进行精练，氧含量可以达到9 ～15ppm，L10提高
10倍。
    1975～1982年，采用UHD100吨大电弧炉进行冶炼，LF-RH法真空脱气进行精练，氧含量可以达到5 ～10ppm，L10提高20倍。
    1983～1989年，采用Super-UHD100吨大电弧炉进行冶炼，偏心炉底出钢，LF-RH法真空脱气进行精练，大断面连铸钢坯（或巨型钢锭）生产工艺生产轴承钢，氧含量可以达到3 ～8ppm，L10提高30倍。
    从以上的几个阶段可以看出，随着科学技术的不断进步，在短短的25年中，轴承钢的冶金质量得到了很大的提高，使轴承钢的疲劳寿命稳定提高了30倍。
    日本NSK公司和钢厂长期合作致力于改进轴承钢的质量，开发了长寿命轴承钢（Z 钢）和超长寿命高可靠性轴承钢（EP钢）。长寿命轴承钢Z钢的主要元素（C、Si、Mn、Cr）与一般SUJ2钢相同，但对P、Ni、Cu的规定比较严格，规定了硫含量应小于0.008%，由于钛和氧对滚动疲劳寿命有害，规定钛含量应小于0.004%，氧含量应小于9ppm，轴承的疲劳寿命提高一倍。

表3 几种钢材的氧化物的图象分析结果

    超长寿命高可靠性轴承钢EP钢中氧含量为5ppm左右，控制氧化物系夹杂物的大小、数量和分布，使大型夹杂物数量减少，最大夹杂物直径大幅度变小见表3，从而提高轴承的使用寿命EP钢的L10寿命是Z钢的5倍以上，可靠性大大提高。

    各国均以相当于GCr15的刚号作为轴承用钢的基础，通过调整部分合金元素的含量以增加或减小其淬透性。一方面向高淬透性方向发展以适应大壁厚轴承零件的需要，其作法都是增加0.1～0.6%含Mo量，其含Cr量略有提高，也略有降低或不变的，从而发展出一系列淬透性高碳铬轴承钢：如瑞典的SKF24、SKF25、SKF26、SKF27：美国的52100.3和52100.4：德过的100CrMo7、100CrMo8；SUJ-4、SUJ-5；我国的GCr15SiMn、GCr18Mo、GCr15SiMo等，这些钢不仅适用于马氏体淬火，有的也适用于大壁厚轴承零件的贝氏体淬火。高碳铬轴承钢的另一发展是适当降低铬含量，减小淬透性，研制出被称为限制淬透性轴承钢GCr4，其淬透性介于GCr15和碳钢之间，施以中频感应透热，靠淬透性有限而整体淬火只表面硬化，既有渗碳钢淬火的优越性，又节约了合金渗碳钢的钢材成本和昂贵的渗碳热处理成本。用这种钢制造的铁路轴承获得了很好的性能和经济效益。

    以GCr15钢为基础，适当调整合金成分以满足不同特殊性能的高碳铬轴承用钢新钢种：

    1）KUJ2KOYO公司在SUJ2的基础上降低妨碍冷加工性能的C含量及铁素体强化元素Si、Mn含量，调整了Cr、Mo含量以补偿其淬透性、提高淬火后的韧性。该钢的淬透性与SUJ2相当，寿命、机械性能优于SUJ2，突出优点是具有优越的冷加工性能，比SUJ2的变形阻力低15～20%,在轴承加工中可节约资源和能源;且可利用其冷加工性能提高轴承的使用性能。KOYO拟用KUJ2代替 SUJ2作为标准材料.

    2）高强度GT
    GT轴承钢是在SUJ2的基础上添加适量的Si和Ni,提高基体的强度和韧性,同时提高抗回火稳定性.GT钢的旋转疲劳强度、抗压强度分别比SUJ2提高20%、30%，相当于60HRC的回火温度提高50℃。滚子试验的L10为SUJ2 的20倍，6206轴承洁净润滑的L10比SUJ2轴承提高了约6倍，在污染油中的L10寿命大约是SUJ2轴承的2倍，采用特殊热处理（SH处理）后，寿命大约是SUJ2轴承的6倍。推荐GT钢用于重载、润滑条件下使用的轴承及小型轻量化条件下使用的轴承。

    3）NSJ2
    NSJ2是 NSK在SUJ2钢的基础上开发的新钢种。其技术思路是认为在润滑剂受污染的情况下，轴承的疲劳萌生于外来磨屑引起的轴承滚道擦伤或压痕处，增加残余奥氏体含量可提高起源于表面疲劳的轴承寿命，通过调整钢的合金成分，提高淬回火后的残余奥氏体含量并将其保持在相对稳定的状态。该钢的化学成分为：C0.8～0.85%，Cr0.9～1.1%，Mn0.6～0.8%，Si0.5%。NSJ2在清洁润滑条件下的疲劳寿命与SUJ2相当，在污染润滑条件下的寿命、尺寸稳定性优于SUJ2，抗磨损及抗咬合性与SUJ2相近。

    4）准高温轴承钢（中温轴承钢）
    GCr15钢在超过150℃的情况下，滚动疲劳寿命会急剧下降。研究认为，在高温及接触应力作用下，次表层形成硬度低的铁素体白色区，该区内球状碳化物消失并在临近区域析出针状碳化物，白亮区称为后来的疲劳源。通过在GCr15钢的基础上加入Cr、Mo、Si等阻止碳扩散的元素以阻止白亮区的形成来提高高温性能。

KOYO公司开发准高温KUJ7，其成分为C1.00%，Cr2.00%，Si0.80%，Mn0.05%，Mo0.50%。该钢在180℃、5230Mpa的条件下L10比SUJ2提高约20倍，特别适合于制造汽车发动机及辅机用轴承和钢铁等热加工设备用轴承。NTN也在SUJ2的基础上通过调整化学成分开发了类似的钢种NTJ2。在150℃工作温度下，该钢制轴承的寿命为 TS2处理（200℃高温回火）的SUJ2的3倍多，尺寸稳定性、抗剥落性优于后者。NTN主要把该钢用于车辆用牵引电机、汽车电器、复印机、薄膜延伸机、燃汽轮机、造纸机等机械中使用的轴承。