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第一二三代轴承钢及其热处理技术的研究进展(1)?

按搜集的近一二十年来很多和很新的资料加以比较详细综述,阐明轴承钢的主要类型; GCr15 钢的球化退火; GCr15 钢的淬火回火组织结构; GCr15 钢的贝氏体转变; 残余奥氏体、纳米贝氏体和纳米析出相; 淬火-分配 QP 处理; 光学显微镜下出现黑、白的腐蚀区分析; 第 2、第 3 代轴承钢的组织转变与性能; 轴承钢的纯净度和非金属夹杂物以及双真空冶炼技术; 航空轴承用钢的双重( 复 合) 硬化处理等。试着为我国轴承钢研究方面的突破性进展作出努力。


轴承按牛津英语辞典定义为能使一部分部件在尽可能很小的摩擦条件下相对于接触的另一部分部件作转动或移动的一种机械零件[1]。同时具有传递载荷和使装配部件能够精确定位的功能。轴承能承受静态载荷和循环载荷在困难环境下可靠运行,十分明显,轴承承受着严酷的接触疲劳负荷。轴承主要由滚动体( 球,滚柱,滚针等) 和套圈组成。显然,制造轴承滚动体和套圈的钢为轴承钢。这类钢应该具有一定的淬透性和淬硬性,均匀的硬度分布,很高的耐磨性能,高的拉伸或压缩强度、接触疲劳强度、塑性和韧度,并具有一定的耐腐蚀性能。当然对耐腐蚀场合使用的轴承材料还应具有高的耐腐蚀性能。


轴承的应用已渗透入国民经济的各个领域,如机械工程、冶金工程、航空航天工程、交通运输工程、军事工程、海洋工程、发电行业、核电行业、轻纺工业等。其中轴承在航空航天事业发展中的应用一直在谱写着最艳丽的篇章,与此同时,航空航天事业的发展又极大地促进轴承和轴承钢的发展。


我国自改革开放以来,国民经济发展进入高速发展轨道,取得的成就令全世界瞩目。我国轴承和轴承钢制造,研究和发展以及生产轴承钢的质量的提高正在迈入世界制造大国和向制造强国发展的地位。按李昭昆等[2]和张立峰等[3],我国轴承的行业销售额达到 2000 多亿元的经济规模,并以每年 12% ~ 15% 的增速增长,其中高速、精密和重载等高端轴承的增长速度更快; 我国 2015 年生产的轴承钢粗钢产量已达 258 万吨。同时,一些生产 GCr15( 52100, 100Cr6) 轴承钢的骨干企业,如兴澄特钢、宝钢特钢和北满特钢等已前后通过 SKF、FAG、NSK 和 Timken等世界著名轴承企业的认证,已成为它们的材料供应商。但是我国生产的轴承存在集中于中低端轴承和小中型轴承上,表现出“低端轴承过剩”以及“高端轴承明显匮缺”和“依赖进口”的弊病。特别在航空航天,高速铁路,高速精密机床等工业领域中应用的轴承,相应的使用寿命、运行精度和可靠性、DN 值和承载能力等方面与先进国家的高端轴承相比存在着较大差距,成为制约我国高端装备制造和战略新兴产业发展的瓶颈[2 - 3]。在高水准轴承钢生产上,我国和瑞典、日本、德国、美国等发达国家之间存在更大差距,美国已经开展了航空发动机第三代轴承、齿轮钢的研发、生产和应用,以连铸轴承钢为代表的日本山阳( Sanyo) 和以模铸轴承钢为代表的瑞典 Ovako ( 2018 年 6 月被新日铁 Nippon Steel 收购) 达到了轴承钢生产工艺以及质量的最高水平,它们生产的超高纯轴承钢 EP( extra purified) 和 IQ 轴承钢( identical quality) 赢得了很高的声誉[2]。为此,我国必须在高端轴承和轴承钢的研究、试验和生产上取得突破性的进展。


高品质、高精度、高性能、长寿命轴承以及轴承钢的研究、生产和发展是一个宏大的系统工程,涉及轴承钢材料成分设计、冶炼、铸造、轧制、热处理、精密机械加工、制造装备、润滑和检测等许多领域,其中轴承钢及其热处理作为轴承材料的基础将占据极重要地位。本文将搜集的近一二十年来很多和很新的资料加以综述,试着为轴承钢研究方面的突破性进展作出努力。


1 轴承钢的主要类型

国际标准化组织 ISO 的轴承钢现行标准为 ISO 683—17: 2014( E) ,它为热处理钢、合金钢和易切削钢 ( Heat-Treated steels,alloy steels and free-cutting steels) 的第 17 部分,名称为球和滚动体轴承钢( Ball and roller bearing steels) [4]。该标准将轴承钢分为全淬透轴承钢、表面淬硬轴承钢、感应淬硬轴承钢和不锈轴承钢以及高温轴承钢五类。这五类钢的钢号和主要化学成分列于表 1。现在英国、法国和德国的轴承钢现行标准全部与 ISO 683—17: 2014 相等同。它们分别为: BS EN ISO 683—17: 2014; NF-A35-565- 17-2015 或 NF-EN ISO 683-17—2015 和 DIN EN ISO 683—17: 2015。


美国轴承钢的现行标准将轴承钢分为高碳抗磨轴承钢 ASTM A295 /A295M - 14[5],高淬透性抗磨轴承钢 ASTM A485 - 17[6],渗碳抗磨轴承钢 ASTM A534 - 17[7],不锈抗磨轴承钢 ASTM A756 - 17[8]和中碳抗磨轴承钢 ASTM A866 - 14[9]。现行标准中的钢牌号比以前对应标准的作了一些修改,并适当补充了 ISO 标准中的牌号,现在全部整理如表 2,表中对相应的主要技术特点也作了说明。



我国轴承钢现行标准[10 - 20]比原先对应的作了修正,特别是高碳铬轴承钢和渗碳轴承钢已经采用2016 年的标准[11 - 12]。为了突出改动部分和相应的主要技术特点,全部整理如表 3。为了方便比较,表中还加入一些应用于航空发动机、铁路和汽车等的轴承相关标准内容[14 - 19],它们与相对应的国家标准有一定不同。我国的中碳耐冲击轴承钢国家标准尚未制定,因而对应钢种的成分尚不能正确标出,但其轴承零件的热处理技术条件[20]JB /T 已有现行标准。


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