首先，本文主要按 ISO 標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)和我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)闡明軸承鋼的主要類型。
1.1 全淬透軸承鋼
ISO標(biāo)準(zhǔn)的全淬透軸承鋼中出現(xiàn)了8個(gè)鋼號(hào)，其成分特點(diǎn)如下:1)其含碳量均為0.93%～1.05%; 2)含Cr量分為4個(gè)級(jí)別:0.90%～1.20%，1.35%～1.65%，1.65%～1.95%和1.80%～2.05%;3)含Mo 的主要分為0.15%～0.35%、0.40%～0.50%、0.50%～0.60% 3個(gè)級(jí)別(注意鋼號(hào)中表示含Mo量數(shù)字與千分之一濃度相當(dāng));4)含Si量分兩種，當(dāng)鋼號(hào)中不出現(xiàn)合金元素Si時(shí)，含Si在0.45%以下(注意:Si作為鋼脫氧時(shí)的殘存量≤0.40%)，當(dāng)鋼號(hào)中出現(xiàn)Si的，其含量在0.40%～0.60%=或者 0.45%～0.75%;5)鋼中含Mn量在≤0.45%和0.6%～0.8%時(shí)也不在鋼號(hào)中出現(xiàn)，其余的量在鋼號(hào)中均表示出來(lái)。8個(gè)鋼號(hào)除100Cr6(52100，相當(dāng)于SKF3)外，第2～4號(hào)鋼為增加Si和Mn的鋼，第5 ～7號(hào)鋼為增加Cr和Mo的鋼。100CrMnMoSi8-4-6是加入代位式合金元素最高的鋼，總加入量＞ 3%，具有最優(yōu)良的性能，可制作大約75mm厚度或直徑～?130mm鋼棒的軸承環(huán)，經(jīng)過(guò)淬火回火后獲得61HＲC 硬度時(shí)，Ｒm達(dá)到2300MPa。全淬透軸承鋼表中已注明與我國(guó)高碳鉻軸承鋼相近的型號(hào)。
Cr在含Cr軸承鋼中是最重要的合金元素。它能顯著改變鋼中碳化物的分布和大小，從而使?jié)B碳體型碳化物變成細(xì)小而均勻分布，Beswick［21］的工作是最好的說(shuō)明。一般介紹，在含C量 1% 時(shí)，含Cr量小于2.65%的鋼中，只生成M3C型碳化物，含Cr量更高則易形成大塊Cr7C3 型碳化物，它的出現(xiàn)會(huì)使材料的韌性降低［22］。C為1.0%時(shí)的Fe-Cr-C垂直截面見(jiàn)圖1［23］。含 Cr的鋼在室溫的退火組織中出現(xiàn)的碳化物與含碳量和含鉻量關(guān)系表示于圖2［24］，該兩圖能很好說(shuō)明上述觀點(diǎn)，這在后文中會(huì)作說(shuō)明。Cr也會(huì)使鋼的 Ms 點(diǎn)降低而增加冷至室溫的殘余奧氏體量，不利于軸承壽命提高。同時(shí)Cr升高 Ac1，能減小鋼的過(guò)熱傾向和脫碳速度，高碳含 Cr軸承鋼的Cr含量常常在0.65%～1.65%范圍內(nèi)［22］。
高碳鉻軸承鋼中加入Si、Mn 為提高鋼的淬透性和改善抗回火性。含 Si 量0.45%～0.75% ，含Mn 為1.00% ～ 1.20% 時(shí)，ISO 標(biāo)準(zhǔn)中的100CrMnSi6-4軸承鋼，在我國(guó)為GCr15SiMn，淬透性比100Cr6 鋼有所提高，用于制造壁厚＞12 mm，外徑 ＞ ?250 mm 的軸承套圈。Mo的加入與 Si、Mn 加入的作用相似，并提高疲勞強(qiáng)度和抗回火能力，也細(xì)化退火組織［23］。在我國(guó)鋼中出現(xiàn) GCr15SiMo 和GCr18Mo。ISO 標(biāo)準(zhǔn)中的 100CrMo7 為我國(guó)的 GCr18Mo(相當(dāng)于 SKF24)，100Cr6 相比，其 Cr 增加 0． 3% ，Mo 增加 0． 1% ，用于制造壁厚≤20 mm 的軸承套圈。
美國(guó)全淬透軸承鋼分高碳抗磨軸承鋼和高淬透性抗磨軸承鋼。前者除 52100 鋼外，其余為含鉻量＜ 1%的價(jià)格便宜的低鉻和無(wú)鉻軸承鋼。其中 51 系合金含鉻 0.8% ，5090M 的含鉻量為 0.5% ，1070M鋼為含 Mn(≤1% )的碳素鋼。這些鋼主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械上的軸承。后者中的 1 ～ 4 號(hào)鋼是美國(guó)原標(biāo)準(zhǔn)中加入 Si、Mn 和 Mo 的高淬透性軸承鋼(注意，1 號(hào)鋼與 100CrMnSi4-4 相近)，其余為 ISO 標(biāo)準(zhǔn)中的鋼。為此，淬透性試驗(yàn)僅列 1 ～ 4 號(hào)鋼。
我國(guó)全淬透軸承鋼即為高碳鉻軸承鋼，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB /T 18254—2016 為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中列出 5 個(gè)鋼號(hào)。它與原 2002 標(biāo)準(zhǔn)相比較，除后面 4 個(gè)鋼號(hào)和成分與原來(lái)的相同外，主要具有 6 個(gè)特點(diǎn):1)取消了GCr4 鋼，增加了 G8Cr15 鋼，G8Cr15 鋼是我國(guó)研究降低 GCr15 含碳量至 0.8% 的最為成熟的鋼，這次被納入標(biāo)準(zhǔn);2)加嚴(yán)了 Ni、P、S 和 O 的含量要求，增加了Al、Ti、Ca、Sn、As、Sb 和 Pb 元素的考核指標(biāo)(詳細(xì)可見(jiàn)表 3);3)增加中心偏析項(xiàng)目評(píng)級(jí)圖;4)增加特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的發(fā)藍(lán)斷口檢驗(yàn);5)修改非金屬夾雜物評(píng)級(jí)圖，增加單顆粒球狀 DS 類和 TiN 的考核指標(biāo);6)按澆鑄工藝分模鑄鋼和連鑄鋼，按冶金質(zhì)量分優(yōu)質(zhì)、高級(jí)優(yōu)質(zhì) A 和特級(jí)優(yōu)質(zhì) E 鋼，特級(jí)優(yōu)質(zhì) E 鋼的水平已經(jīng)高于 ISO 標(biāo)準(zhǔn)。
順便提出，日本軸承鋼現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) JIS 4805:2008 與 1999 年的相比少了 SUJ 1(0.90% ～ 1.20% Cr)。SUJ 2 為 52100，SUJ 3 為 52100 添加了 Si 和 Mn，可用于壁厚較大的零件，SUJ 4 和 SUJ 5 為52100 添加Mo 和 Si、Mn、Mo，它們的淬透性優(yōu)良，適合在高耐磨性場(chǎng)合使用［24］。
1.2 表面硬化軸承鋼
ISO 標(biāo)準(zhǔn)中表面硬化的軸承鋼分以 Mn、Ni 和 Cr為主加元素的鋼，這類鋼的含 Mo 量均在 0.25% 附近，Si≤0.40% ，共有 13 個(gè)鋼號(hào)。這一種類鋼在設(shè)定的溫度、碳勢(shì)、冷卻方式等工藝參數(shù)下經(jīng)過(guò)滲碳熱處理以后，零件表面具有高的含碳量，獲得隱晶馬氏體上分布細(xì)小粒狀碳化物組織，達(dá)到 58 ～ 62 HＲC的硬度和高的耐磨性以及疲勞強(qiáng)度，心部具有一定的強(qiáng)度、硬度和高的韌性，從而實(shí)際上成了一種梯度功能材料，同時(shí)在表面還存在壓應(yīng)力，有利于軸承疲勞壽命的提高，并具有高抗沖擊性能。很顯然，這種材料特別適合于用來(lái)制造承受大負(fù)荷和沖擊的軋鋼機(jī)械、重型車輛、鐵路機(jī)車和礦山設(shè)備上的軸承。
表面硬化軸承鋼在成分上的特點(diǎn)為:1)材料心部要保證耐沖擊性應(yīng)具有足夠的韌度，也要有足夠的強(qiáng)度和淬透性，含碳量常在 0.10% ～ 0.30% ，經(jīng)滲碳淬火和回火后的硬度以 25 ～ 45 HＲC 為最好［23］;2)含 S 量為 0.015% ，比一般表面滲碳合金結(jié)構(gòu)鋼的0.035% 低得多，確保其保持優(yōu)良的力學(xué)性能和疲勞壽命;3)一般滲碳結(jié)構(gòu)鋼的合金系都可用于滲碳軸承鋼，如 Cr 系、Mn-Cr 系、Cr-Mo 系、Ni-Cr-Mo系或Cr-Ni-Mo 系。但在成分上存在差別，所以不用相同的鋼號(hào)(這與國(guó)內(nèi)鋼號(hào)前 + G 不同) 以免混淆。13個(gè)鋼號(hào)中只有 20Cr4 和 18CrNiMo 7-6 兩個(gè)鋼號(hào)相同，成分上除 S 含量相差外基本上完全相同。另外， 17MnCr5 和 19MnCr5 兩個(gè)軸承鋼鋼號(hào)，即使成分(除 S 含量 外) 全部與一般滲碳結(jié)構(gòu)鋼的16MnCr5 和 20MnCr5 相同，也不用相同牌號(hào)，以示區(qū)別;4) 滲碳軸承鋼中另外還有 Mn-Cr-Mo、Mn-Ni-Cr-Mo 系。Mn對(duì)滲碳性能有影響，Mn 量增加使鋼滲碳性能大幅度提高，有研究指出，含Mn≤1% 時(shí)，對(duì)沖擊疲勞和破斷韌性的作用優(yōu)于 Cr，在 20MnCrMo4-2 中的 Mn 應(yīng) ＜ 1.20% ，當(dāng)＞ 1.30% 時(shí)會(huì)使鋼切削性能下降［23］; 5)Ni 在滲碳軸承鋼中，Ni 降低表面吸收碳原子能力，減少碳的濃度，降低滲碳速度。但加速 C 在奧氏體中的擴(kuò)散，同時(shí)增加鋼的韌性，另外從淬透性上確定，當(dāng)鋼中C、Mn、Si、Mo 的含量少時(shí)，應(yīng)提高 Ni 量。Ni 在滲碳軸承鋼中的加入量在 5.00% 以下［23］。
美國(guó)的滲碳抗磨軸承鋼除 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的 13 種鋼以外，為美國(guó)的 41、43、46、47、48、51、86 和 93的 10 種 H 系列合金鋼，它們與合金結(jié)構(gòu)鋼 H 系列的合金元素含量類同，如 41 系列 Cr-Mo 鋼(含0.50 Cr，含 0.12 Mo)，43 系列含 1.82 Ni、0.50 Cr 、0.25 Mo 和 93 系列含 3.25 Ni、1.20 Cr、0.12 Mo 等。但是鋼中的含 S 和 P 量存在差別，對(duì)軸承鋼分別為≤0.015 和 ≤0.025(在合金結(jié)構(gòu)鋼中為≤0.040 和≤0.035)。
我國(guó)的滲碳軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)為 GB /T 3203—2016，取 代 1982 年 標(biāo) 準(zhǔn)。主 要 具 有 5 個(gè) 特 點(diǎn): 1) 新 增 加G23Cr2Ni2Si1Mo 鋼，是燕山大學(xué)張富成等［25］研究采用滲碳淬火能使其表層獲得納米貝氏體組織的一種軸承鋼;2) 加嚴(yán)了 P、S 的含量要求，增加了 Al、Ti、 Ca、O 和 H 元素的考核指標(biāo);3)為脫氧和改變夾雜形狀不允許加入 Ca 或 Ca 合金;4)按冶金質(zhì)量分優(yōu)質(zhì)、高級(jí)優(yōu)質(zhì) A 鋼，在成分上未列出差別，加嚴(yán)其低倍缺陷合格級(jí)別;5)刪除平爐冶煉方法，冶煉方法分真空脫氣和電渣重熔。為了突出全面性和簡(jiǎn)潔性，本文中列出了這類鋼的力學(xué)性能和末端淬透性指標(biāo)。
1.3 感應(yīng)加熱淬火軸承鋼
許多研究表明:決定軸承鋼疲勞壽命的重要因素是取決于軸承鋼淬火馬氏體基體的碳含量，該含碳量約為0.5% ～ 0.6% ，同時(shí)將殘余奧氏體含量定為 3% ～ 6% 。按這一設(shè)計(jì)思想確定感應(yīng)加熱淬火軸承鋼的成分。
IS0683 標(biāo)準(zhǔn)中的感應(yīng)加熱淬火軸承鋼出現(xiàn) 4 個(gè)鋼號(hào)，其含≤0.025 P 和≤0.015 S，低于優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。它們的含碳量為中碳，采用感應(yīng)加熱淬火方法使軸承表面達(dá)到高的硬度和耐磨性。這種采用含Mn 碳素鋼或碳鋼等低等級(jí)鋼來(lái)替代高等級(jí)鋼制造軸承，并應(yīng)用感應(yīng)加熱淬火的簡(jiǎn)單熱處理工藝替代滲碳工藝，可以大大節(jié)省材料費(fèi)用和加工成本。
這類鋼相應(yīng)在美國(guó)歸中碳抗磨軸承鋼 ASTM A 866 － (20) 14 標(biāo)準(zhǔn)。包含 14 個(gè)抗磨軸承鋼，其中C56E2、56Mn4、43CrMo4 牌號(hào)與 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的相同;其余為 10 系列(含≤1% Mn) 和 15 系列(含Mn 量在1.00% ～ 1.65% 范圍內(nèi))的中碳軸承鋼;以及 41 系 列 Cr-Mo 鋼(含 0． 50 Cr 或 0.95 Cr，0.20 Mo)、51 系 列 Cr 鋼(含 0.80 Cr)和 61 系列 Cr-V 鋼(含 0.95 Cr， ≥0.15 V)的中碳合金軸承鋼。這類鋼和相應(yīng)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的合金元素含量相同，但是它們的 S、P 含量則按照軸承鋼的要求范圍。這是應(yīng)該引起注意之點(diǎn)。
在我國(guó)這類鋼歸 GB /T 28417 碳素軸承鋼，牌號(hào)G55、G55Mn 和 G70Mn 分別相當(dāng)于 C56E2、56Mn4 和 70Mn4。在日本有資料介紹:碳鋼廣泛應(yīng)用于汽車輪轂軸承，牌號(hào)為 JIS S53C、SAE1070 和1070Mn，它們介紹的 JIS S53C、SMn60、SMn65 和 1072 的相應(yīng)成分與 C56E2、56Mn4、70Mn4接近［26］。通過(guò)熱處理后的疲勞壽命為 52100 的一半左右提高至與 52100 相近的數(shù)據(jù)。
1． 4 不銹軸承鋼
ISO 標(biāo)準(zhǔn)中不銹軸承鋼出現(xiàn) 5 個(gè)鋼號(hào)，都屬于馬氏體不銹鋼，這些鋼在高溫加熱形成奧氏體，并于冷卻至室溫過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變(即其 Ms ＞ 20 ℃ )，具有高的淬透性，淬火馬氏體的硬度決定于含碳量。它們?cè)谑褂脳l件下達(dá)到耐腐蝕要求含鉻在 10.5% ～ 18% 范圍，含碳量可以超過(guò) 1.2% ，含鉻量隨著含碳量提高而增加。試驗(yàn)表明，0.1% C 的馬氏體硬度大約為 35 HＲC，在高碳高鉻(16% ～ 18% )馬氏體不銹鋼中，馬氏體硬度與含碳量有關(guān):440A(0.60% C)、 440B(0.80% C)和 440C(1.0% C)鋼的馬氏體硬度分別為 51、55 和 60 HＲC，要求硬度保持 58 HＲC 時(shí)鋼的含碳量大約在 0.7% 左右。
X108CrMo17 相當(dāng)于我國(guó)的 G102Cr18Mo(原鋼號(hào)為 9Cr18Mo)，它與美國(guó)和日本的 440C 馬氏體不銹鋼成分相當(dāng)。對(duì) 440C 鋼，在淬硬不銹鋼中能獲得最高的硬度，可在油或空氣中淬火，也可以進(jìn)行馬氏體分級(jí)淬火，在淬火、回火條件下具有好的腐蝕抗力。按圖 1，在 1.0 C 的 Fe-Cr-C 鋼三元狀態(tài)圖中，E點(diǎn)大約降低至 9.5 Cr 處，為此，X108CrMn17 鋼中會(huì)出現(xiàn)大塊的共晶碳化物，尤其會(huì)分布在原奧氏體晶界上，這種碳化物通過(guò)熱處理也無(wú)法消除。為了改善碳化物的分布，采用降低 C 和 Cr 量的方法，這樣就出 現(xiàn) X47Cr14 和 X65Cr14 兩 種 鋼。標(biāo) 準(zhǔn) 中 的X89CrMoV18-1 鋼與 X108CrMo17 鋼相比，降低含碳量(0.85% ～ 0.95% )，增加 Cr(17.0% ～ 19.0% )、 Mo(0.90% ～ 1.30% )和加入V(0.07% ～ 0.17% )，與我國(guó)馬氏體不銹鋼的 90Cr18MoV 相當(dāng)［27 － 28］，熱處理為:1070 ℃油冷，200 ～ 300 ℃ 油或空冷回火，硬度≥55 HＲC。
標(biāo)準(zhǔn)中新增加的 X40CrMoVN16 ～ 2 鋼是在降低了 C、Si、Mn 后略為減少 Cr 和增加 Mo 和 V，并加入0.16 ～ 0.25 N 來(lái)進(jìn)一步改善抗蝕性能。上面已經(jīng)指出，對(duì)含碳量高的 440C 鋼，顯微組織中出現(xiàn)粗的共晶碳化物，并在其周圍還會(huì)出現(xiàn) Cr 的局部貧化區(qū)，從而 影 響 耐 腐 蝕 性 能，限制疲勞壽命的提高。X40CrMoVN16 ～ 2 鋼的開(kāi)發(fā)是針對(duì) 15 ～ 17 Cr 鋼通過(guò)常規(guī)冶煉方法加入飽和的大約 0.2 N，它與大約0.4C 結(jié)合以保證獲得細(xì)小的共晶碳化物組織，并在淬火后達(dá)到 55 或 58 HＲC 的硬度。N的加入與 Cr 和 Mo 結(jié)合也有利于提高抗點(diǎn)蝕性能，更加重要的是:鋼中加入的 Mo 和 V 取代 Cr 來(lái)得到二次硬化效應(yīng)，使基體中的 Cr 含量保持在高的水平，即使在高的回火溫度下也具有優(yōu)良的耐腐蝕性。
美國(guó)不銹抗磨軸承鋼出現(xiàn) 7 個(gè)鋼號(hào)，除第 2 個(gè)以 外 的 鋼 已 作 介 紹。第 2 個(gè) 為 X30CrMoN15-1 (Cronidur30，DIN 1． 4108)［29］。它由 Energietechnik Essen GmbH 開(kāi)發(fā)的鋼，和上述X40CrMoVN16 ～ 2 鋼類似，15 Cr 鋼中通過(guò)加壓冶煉方法加入了 0.300 ～ 0.500 N。該鋼具有細(xì)小和相對(duì)均勻的顯微組織，具有高硬度和優(yōu)良的抗沖擊彎曲能，在淬火-去應(yīng)力和淬火-回火(至 500 ℃ )狀態(tài)下能明顯改進(jìn)耐腐蝕性能。鋼在全淬硬和二次硬化(475 ℃ )狀態(tài)下使用。0);">。
我國(guó)不銹軸承鋼列出 3 個(gè)鋼號(hào)。采用的 9Cr18 和 9Cr18Mo 鋼屬于萊氏體鋼，后者在前者中加入 Mo(≤0.75% )，具有更好的淬透性和更高硬度，也擴(kuò)大鈍化范圍，增加抗點(diǎn)蝕能力，為此應(yīng)用范圍更廣，抗蝕性更好［30］。在 ISO 標(biāo)準(zhǔn)中未列入我國(guó)的 9Cr18 鋼。另 外 的 G65Cr14Mo 鋼 相 近 于 ISO 標(biāo) 準(zhǔn) 中 的X65Cr14。
1.5 高溫軸承鋼
隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展，愈益迫切需要制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和宇航飛行器等，裝備的軸承的工作溫度將越來(lái)越高，大部分已經(jīng)高于 300 ℃。如上世紀(jì) 80 年代，飛行速度達(dá)到 3 mach(1 mach =1190 km /h，相當(dāng)于空氣中的音速)的巡航飛機(jī)使用軸承的工作溫度達(dá) 316 ℃［23］。為此，高溫軸承鋼應(yīng)運(yùn)而生。高溫軸承鋼除了應(yīng)具有一般軸承鋼的特性要求外，還應(yīng)具有高的高溫硬度(≥50 HＲC)和耐磨性，尺寸穩(wěn)定性，耐高溫氧化性能和耐腐蝕性，高的抗蠕變強(qiáng)度和低的熱膨脹系數(shù)等。其中前兩項(xiàng)為選擇高溫軸承鋼材料的主要指標(biāo)。作為高溫軸承鋼，主要為高溫不銹鋼、滲碳高溫鋼和高速工具鋼三類。
ISO 標(biāo)準(zhǔn)中列出的高溫軸承鋼出現(xiàn) 5 個(gè)鋼號(hào)。其中列出的第 1 個(gè) 33CrMoV12 ～ 9 鋼為新增加鋼種，列出 的 3 個(gè) 鋼 種 80MoCrV42-16、X82WMoCrV6-5-4 和 X75WCrV18-4-1 為高速鋼 M50、M2和 T1，列出的13MoCrNi42-16-14 為滲碳高溫鋼，常稱為 M50NiL。M50 相應(yīng)成分表示為80Cr4Mo4V1 + 少量 W 和 Cu，高溫下具有高的硬度和疲勞性能，廣泛用于 316 ℃以下的高溫軸承，最佳淬火溫度 1120 ℃，淬火后存在殘余奧氏體 Ar。通過(guò)冷處理或 520 ～ 540 ℃ 回火使 Ar 轉(zhuǎn)變，可出現(xiàn)二次硬化，國(guó)外有稱半高速鋼的。M50NiL 是在 M50 基礎(chǔ)上降低 C，增加 Ni 和少量 W + Cu，這就是“NiL”的由來(lái)。
33CrMoV12 ～ 9 是含有 0.33 C 的 3Cr1Mo0.2V 鋼，法國(guó)的 32CDV13 鋼的成分與它相近，屬于滲氮用表面改性鋼。注意，鋼號(hào)以合金結(jié)構(gòu)鋼的形式表示，這與上述的鋼號(hào)有明顯不同。該鋼在 920 ℃ 油淬后于 620 ℃ 回火，經(jīng)過(guò)在比較低的溫度下的滲氮改性處理來(lái)獲得表面耐磨和優(yōu)良疲勞性能以及高韌性能的心部，深層滲氮可以達(dá)到 0.7 mm。
高溫軸承鋼含大量的能與 C 形成穩(wěn)定的碳化物的 W、Mo、V 等強(qiáng) C 化物形成元素和 Co，經(jīng)高溫奧氏體化加熱淬火后，在 520 ～ 540 ℃ 回火所產(chǎn)生的二次硬化，使鋼具有一定的高溫力學(xué)性能。
美國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫軸承鋼和高溫滲碳軸承鋼相應(yīng)按航空航天材料規(guī)范 AMS(Aerospace Ma-terial Specification)，已經(jīng)收集的有:AMS6491(M50)，AMS 6278 (M50NiL)，AMS 5619 (14Cr-4Mo)，AMS 5930(Pyrowear 675)，AMS 5900(Carpenter CＲB-7)，AMS 5932 ( CSS-42L)，AMS 5749 ( 14Cr-4Mo-1.2V， BG42)等。關(guān)于這部分內(nèi)容在本文后面會(huì)加以詳細(xì)闡明。
我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫軸承鋼和高溫滲碳軸承鋼還只有冶金部標(biāo)準(zhǔn)，它們對(duì)應(yīng)是M50鋼和M50NiL鋼。高溫軸承鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在今年五月仍在征求意見(jiàn)中，至今尚未發(fā)布。
高溫不銹鋼Cr14Mo4 是 9Cr18Mo(440C，工作溫度 149 ℃ )改進(jìn)型(增 Mo 減 Cr)［23］，在 260 ～ 480 ℃溫度內(nèi)比 9Cr18Mo 有更高硬度和耐磨性，好的耐蝕性、抗氧化性。用于 480 ℃以下工作的耐蝕軸承，同時(shí)也用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈上。該鋼未列入 ISO 高溫軸承鋼的高溫不銹鋼中。
2 三代軸承鋼的發(fā)展
自 20 世紀(jì)中期開(kāi)始，國(guó)外軸承鋼發(fā)展至今已經(jīng)歷三代［2，31］。隨美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其推重比(飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力與發(fā)動(dòng)機(jī)重力或飛機(jī)重力之比)，由起初的 2 ～ 3 級(jí)提高至 7 ～ 8 級(jí)和 10 ～ 12 級(jí)以及 15 ～ 20 級(jí)，對(duì)應(yīng)為第 1 和第 2 代以及第 3 代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，這 3 代發(fā)動(dòng)機(jī)采用的軸承鋼也以第1 和 第 2 代以及第 3 代對(duì)應(yīng)發(fā)展，其對(duì)應(yīng)著的軸承使用溫度分別為≤150 ℃ 和≤350 ℃ 以及耐 500 ℃［2］。相對(duì)應(yīng)的三代軸承鋼的典型代表鋼號(hào)為 52100、 9310H 和 M50、M50NiL 以及 CSS-42L。
高碳 Cr 軸承鋼 52100 (100Cr6，100C6，GCr15，ЩХ15，SUJ2)是軸承鋼的代表性鋼種，也是第一代軸承鋼的最主要鋼種，同時(shí)也是世界上要求最嚴(yán)格的一種鋼。它的含碳是在 0.8 ～ 1.1 wt% 和代位式元素濃度 ＜ 3% 的鋼，起先設(shè)計(jì)為機(jī)械工具用鋼，已作為軸承在全世界被廣泛使用。其成分常寫成 1% C- 1.5% Cr 的高 C 低合金鋼。它能滿足軸承使用中的種種性能要求。但是，其使用溫度僅僅為≤150 ℃。在美國(guó)，優(yōu)良的航空質(zhì)量真空自耗電極重熔的 52100 鋼(AMS6444)的成分為:0.93 ～ 1.05 C，≤0.015 S， 0.25 ～0.45 Mn，1.35 ～1.60 Cr，≤0.015 P，≤0.25 Ni， ≤0.10 Mo，≤0.30 Cu，0.15 ～ 0.35 Si，≤0.050 Al， 15 ppmO，球化組織硬度≯207 HB，在 829 ± 6 ℃ (1525 ± 10 ℉)加熱 20 ± 2 min，淬火于室溫商用石蠟油中的均勻硬度值≮63 HＲC［32］。
要注意的是，上世紀(jì)五十年代末高性能軸承鋼開(kāi)始普遍采用 VIM + VAＲ(真空感應(yīng)熔煉 + 真空自耗重熔)的雙真空熔煉先進(jìn)技術(shù)。上世紀(jì) 60 年代，美國(guó)又用于制造高純凈度軸承鋼的 VIM + VAＲ 的雙真空熔煉先進(jìn)技術(shù)移植至高性能齒輪鋼，這樣也更推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代和發(fā)展。同 時(shí) M50、M50NiL、CSS-42L 也都可以用于制造齒輪，由此可見(jiàn)，軸承鋼和齒輪鋼向著逐漸融合為一的方向發(fā)展［31］。分別列出典型的三代軸承齒輪鋼為 52100， 9310H; M50，M50NiL，還 有 EX-53，Pyrowear 675 (P675)，440N-Dur 以及 Gearmet C69，CSS-42L，相應(yīng)的性能(回火硬度和 KIC)列于下表。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，技術(shù)途徑為提高發(fā)動(dòng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，如 25000 轉(zhuǎn)/分(rpm)［1］，轉(zhuǎn)速的提高相應(yīng)要求其應(yīng)具有更高的抗彎與抗扭剛度而增加軸徑，這必然使軸承所承受的 DN 數(shù)值(軸承內(nèi)徑 D 和轉(zhuǎn)速 N 的乘積)提高。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過(guò)程中，飛機(jī)主軸軸承的 DN 值在不斷提高，上世紀(jì)五十年代的DN 值為 1.5 × 10∧6，至七十年代中期，DN 值升高至 ＞ 2.4 × 10∧6，八十年代達(dá)到 2.5 ～ 3 ×10∧6 mm·rpm［33］。國(guó)外高速精密數(shù)控機(jī)床主軸采用 DN 值達(dá) 4 × 10∧6的超高速 角 接 觸 主 軸 軸 承［2］。我 國(guó) 將 于 2020 年 和2025 年進(jìn)行 DN 數(shù)值為 2.5 × 10∧6和 3.0 × 10∧6 的軸承研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化［34 － 35］。
當(dāng) DN 值的升高至 ＞ 2.4 × 10∧6 時(shí)發(fā)現(xiàn)全淬硬型M50 高碳軸承鋼制作軸承套圈出現(xiàn)硬碎型斷裂，使飛機(jī)發(fā)生劇烈振動(dòng)而不能使用，甚至發(fā)生災(zāi)難性事故［33］。由于全淬硬型高碳軸承鋼的斷裂韌性比較低，KIC數(shù)值大約為 20 MPa·槡m，不適合在高速度下應(yīng)用［36］。故 M50 可承受的 DN 值限定在 2.4 ×10∧6。在上世紀(jì) 80 年代，美國(guó)開(kāi)始研究使用更高 DN 值下的滲碳型軸承材料，成熟的是M50NiL(AMS2678)，它與 M50 相比，含 C 量由 0.80% 降為 0.12% ，加入了 3.5% Ni 和 0.25% Co，因此牌號(hào)中出現(xiàn)了 Ni 和 L(ow)的字樣。M50NiL 經(jīng)滲碳淬火后，構(gòu)件表面為高碳隱晶馬氏體上分布著均勻細(xì)小的碳化物，硬度達(dá) 62 ～ 64 HＲC，心部硬度在 43 ～ 45 HＲC 范圍，具有優(yōu)良的斷裂韌性，其值為 M50 鋼的 2.5 倍(對(duì)應(yīng)數(shù)值為 20 和 50 MPa·槡m)，M50NiLTDC(表面鍍鉻) 的數(shù)值更高，達(dá)到 80 MPa·槡m，同時(shí)這種熱處理也使材料表面會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力(大約為 － 350 MPa;在 M50鋼的表面出現(xiàn)的拉應(yīng)力，約 + 70 MPa)［36］，使構(gòu)件的疲勞壽命提高。這兩種軸承材料的使用溫度分別為≤350 ℃，為典型的第 2 代軸承鋼。
第三代軸承齒輪鋼 CSS-42L 是基于現(xiàn)在的軸承合金鋼，如不銹鋼 AISI440C，和 12 ～ 15 Cr 的高合金鋼，如 BG42(化學(xué)成分為:1.15 C，0.30 Si，0.50 Mn， 14.50 Cr，4.00 Mo，1.20 V)和美國(guó)的一種超高強(qiáng)度鋼 AFC77(化學(xué)成分為:0.12 ～0.17 C，13.5 ～14.5 Cr， ＜ 0.25 Si，＜ 0.30 Mn，0.30 ～ 0.70 Ni，4.5 ～ 5.0 Mo， 0.10 ～ 0.30 V，13.0 ～ 14.5 Co) 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它的成分為 0.12 C，14.0 Cr，2.0 Ni，12.0 Co， 4.75 Mo，0.6 V 和 0.02 Nb，該鋼經(jīng)滲碳淬火熱處理后的表面最高硬度達(dá) 67 ～ 72 HＲC，在 480 ～ 500 ℃下的最高高溫硬度為 58 HＲC，心部組織為高溫回火馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小析出碳化物，斷裂韌度達(dá) 110 MPa·槡m，它可以替代 M50 和 M50NiL 等 第 2代軸承鋼，具有高的使用壽命和可靠性［2］。在下文會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。(未完待續(xù))
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