摘要：高碳鉻軸承鋼GCr15是Z為典型的軸承鋼。通過對GCr15鋼化學成分設計的解析，梳理擷取出其發明時所奠定的技術理念與基本準則——“使用性能、工藝性和經濟性”。對于近一階段新型軸承鋼的研發，列舉了國外遵循該準則的案例，指出了國內背離該準則的一些現象。重申強調，在軸承鋼乃至新材料的研發中，必須銘記和秉承這一準則才是正確方向與根本之道。
關鍵詞：滾動軸承；軸承鋼；高碳鉻軸承鋼；使用性能；工藝性能；準則
高碳鉻軸承鋼GCr15(德國100Cr6，美國52100，日本SUJ2等)是一種十分優秀的鋼種，自1901年由Stribeck發明以來，已經跨越了一個多世紀的歷史，至今化學成分基本保持不變，仍作為滾動軸承主要用鋼，做出了卓越貢獻[1]。隨著科技與工業的不斷進步，要求軸承在特殊工況與惡劣環境下工作的需求更加多樣化，新型軸承鋼的研究與開發也應運而生，呈現出密集之勢，如近幾十年推出的美國第三代高溫軸承鋼CSS-42L、德國高氮不銹鋼Cronidur30、日本中碳表面硬化鋼SHX等都是其中的典型代表。近一時期，中國對軸承鋼特別是高性能軸承鋼的研發也高度重視，在“產、學、研”不同層面形成了前所未有的熱潮；但在國內外(尤其是國內)新鋼種的研發中，有一些現象值得關注與思考，如對于堅持“面向工程應用”的基本要求，有些始終遵循秉持，有些似乎有所淡忘，有些則完全背離：因此，回顧重溫百余年前GCr15鋼成分設計的理念與準則，無疑具有很強的現實借鑒與指導意義。
1 GCr15鋼化學成分設計的基本準則與解構分析
現代軸承工業誕生之初，軸承主要采用碳鋼[2]及滲碳鋼[3]制造。碳鋼的冶煉技術成熟，價格低廉，但其綜合性能難以滿足軸承的使用特性要求。滲碳鋼外硬里韌，具有適用于復雜載荷的梯度性能，但由于當時所用的固體滲碳法所限，滲碳不均勻導致的個別軟點使軸承壽命大大降低，且熱處理工藝復雜，生產周期長，效率低而成本高。因此，研發適用于軸承批量化生產的專用鋼種成為迫切需求。GCr15鋼的發明就是基于碳鋼而取得的重大突破。GCr15及相當牌號軸承鋼的主要化學成分(質量分數，下同)見表1，化學成分以碳、鉻為主，除碳以外，其他合金元素的質量分數小于3%，系高碳、低鉻、低合金、過共析鋼。
表1 GCr15及相當牌號軸承鋼的主要化學成分
對文獻[4-6]進行解析研究可梳理擷取出當初GCr15鋼化學成分設計時所體現的基本準則，即使用性能、工藝性、經濟性。
1.1 使用性能
軸承鋼必須首先滿足其目標產品即軸承的使用性能要求。軸承的基本使用性能包括：
1)耐疲勞。由于軸承中滾動體與滾道是高副(點/線)接觸，接觸面積小而接觸應力高(一般軸承通常達1 000～2 000 MPa)，軸承的正常失效形式主要是滾動接觸疲勞。含碳量(質量分數，下同)在0.8%～1.0%范圍內，軸承的疲勞壽命基本相當；超過1%后，疲勞壽命下降。添加適量鉬、硅等元素可增強回火穩定性，也有利于提高軸承的疲勞壽命。
2)耐磨損。軸承在運轉過程中，工作部位(滾動，特別是滑動接觸處)的磨損不可避免，這將影響軸承的旋轉精度、運動穩定性、振動噪聲等，因此軸承鋼應具有較高的硬度(硬度通常是耐磨性的代用指標)。①碳——鋼的硬度主要由馬氏體硬度及未溶碳化物數量決定。在含碳量小于0.9%(也有研究結論為1.0%或1.2%)的范圍內，含碳量越高，淬火后得到馬氏體組織過飽和碳及未溶碳化物越多，硬度越高；超過此含碳量，則由于殘余奧氏體增多，硬度反而開始下降。此外，在同樣硬度的條件下，馬氏體基體上有均勻細小的未溶碳化物析出，比單純回火馬氏體的耐磨性更高。因此，為了形成足夠數量的碳化物，含碳量應趨于上限。②鉻——鉻是中碳化物形成元素，含鉻量較高可大大增強鋼的淬透性，實現高硬度、高強度與良好的耐磨性；但當含鉻量超過1.65%時，會增加碳化物的不均勻性和殘余奧氏體，降低沖擊韌性和疲勞強度。③鉬、錳——鉬和錳分別是中、弱碳化物形成元素，適量添加可進一步提高鋼的淬透性。若含鉬量過高(超過0.5%)，會產生非常穩定的粗大碳化物；錳有促進奧氏體晶粒粗大化的傾向，過多不利于增強韌性。當鉬、錳與鉻等并存配合時，可降低或抑制其他元素導致的回火脆性，提高回火穩定性，使硬度、強度的保持性加強。
3)高強度。軸承中的高副接觸易產生塑性變形即壓痕；軸承承受重載以及振動沖擊、高速離心等附加載荷會產生很高的拉、壓應力；有些軸承安裝時需要較大的過盈配合而產生顯著的環向應力：因此，軸承鋼必須具有優良的機械強度，主要包括屈服強度、抗拉(壓)強度和沖擊韌性等。鋼的強度與硬度成正比，一般有抗拉強度為布氏硬度的0.33～0.36倍。盡管硬度隨著碳含量增高而提高，但當碳含量大于0.9%時，由于脆性二次滲碳體數量的增加，并形成網狀，鋼的強度反而下降，塑性、韌性也較差。除碳之外，鉻、錳、鉬、硅等合金元素都有利于提高鋼的強度。
4)良好的尺寸穩定性。軸承屬于精密機械部件，要求在加工、儲存、運輸和使用過程中都具有良好的尺寸穩定性(即精度保持性)。高碳及相關合金元素使得馬氏體相變起始溫度Ms下降(GCr15鋼中相關合金元素降低Ms的程度由強到弱排列為錳、鉻、鉬)，導致殘余奧氏體增多，尺寸穩定性難以保證。因此，在碳、鉻含量較大的情況下，需要盡量減小錳、鉬等元素的含量，以使淬回火后的殘余奧氏體能保持在較低水平。
5)耐腐蝕。軸承應用廣泛，不可避免會在潮濕、泥水等環境下工作，加入的鉻含量略高一些可具備一定的防銹與耐腐蝕性能。鉬對鉻的防銹性起增強作用(鉬對抗銹性的作用相當于鉻的3倍，但不能代替鉻的作用，必須以鉻為主)。硅與鉬、鉻等元素的結合也有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用。
1.2 工藝性
在滿足使用性能要求的前提下，軸承鋼還必須具有良好的工藝性能，便于進行軸承零件的特定冷、熱加工。1)鍛造。鍛造加熱后奧氏體晶粒細小，具有一定的熱塑性，鍛造加工性能良好。2)熱處理及機械加工。采用常規熱處理，工藝簡單，并為后續的車削、磨削等加工工序做好準備。①球化退火——含碳量約1%時，可加速球化退火時間，質量較好，其球狀細化碳化物的微觀組織與較低的硬度易于進行后續的套圈車削加工或滾動體冷鐓成型，并為獲得良好的淬、回火質量做好準備。一定的含錳量，還可降低或消除硫的不利影響，形成MnS，有利于車削加工。②馬氏體淬、回火——熱處理設備及工藝簡單，時間短，淬透性好，工件變形小，可獲得高硬度(通常要求達到58 HRC以上)，有利于軸承零件磨削加工的高精度與高效率。③磨削超精加工——含鉻量較高，使組織和碳化物細化，套圈磨削與滾動體研磨時易于獲得較低的表面粗糙度。
1.3 經濟性
軸承鋼必須契合于軸承的批量化生產，具備良好的經濟性，才具有推廣應用價值。1)合金元素簡單，且質量分數小，主要采用的鉻、錳等均為常用的非稀有貴重元素且成本低。2)常規冶煉方法(當時為電弧爐冶煉法)即可，不必采用復雜的特殊冶煉方法。3)球化退火時間盡量短；淬火后低溫回火(如150～180 ℃)即可。4)磨削加工不僅能實現高精度，而且可兼顧高效率。綜上所述，含碳量為1.0%左右，含鉻量為1.5%左右，輔以錳、鉬、硅等少量元素，嚴格控制磷、硫等雜質元素含量以保證達到優質鋼水平，采用常規熱處理，各方面性能綜合平衡的GCr15鋼就此奠定了化學成分設計的基本框架。經試驗、應用與推廣，于20世紀20年代在全世界軸承工業領域得到普及，至今仍占據著軸承鋼市場80%左右的份額，在具有“廣譜”優異使用性能并兼備良好工藝性與經濟性方面，沒有其他鋼材可以替代與超越，“具有至高無上的地位”。
2 遵循GCr15鋼發明準則的案例
軸承鋼應遵循的研發準則，作為開山之作的GCr15鋼給出了極好的示范。國外在軸承鋼的研發中，大多都嚴格秉持了使用性能、工藝性、經濟性的三大準則，其中尤以日本表現Z為突出。1)基于GCr15鋼，日本與歐洲主要通過調整硅、錳、鉻、鉬等不同含量衍生開發出系列鋼號，如日本的SUJ系列共4個鋼號[7](原SUJ1—SUJ5共5個鋼號，后取消了SUJ1)，見表2；瑞典的OVAKO公司僅803(即GCr15)系列就有8個鋼號，其他衍生產品還有十幾個鋼號。
表2 日本軸承鋼的主要化學成分
2)日本軸承鋼生產企業普遍注重在常規冶煉方法上的持續改進，如山陽特鋼在真空脫氣軸承鋼上的技術進步歷程：大氣熔煉→鋼包精煉LF→循環真空脫氣RH→連續澆鑄CC→偏心爐底出鋼EBT→超純凈鋼SNRP→極純凈鋼SURP，始終追求的是高性價比，其高質量等級的真空脫氣鋼可應用于鐵路、風電等重要軸承產品領域；而不像有些研發思路，總是偏好于在特種冶煉方法(電渣重熔ESR、真空感應熔煉VIM 或真空電弧重熔VAR甚至“雙真空”VIM+VAR)上尋求解決方案。3)日本NSK公司研發的抗表面疲勞NSJ2鋼[8]，增加硅含量并控制Z佳鉻含量，不僅以污染條件下的疲勞壽命為評價依據，而且對尺寸穩定性(殘余奧氏體)、表面硬度、抗磨損及抗咬合進行多指標綜合評價，正交試驗水平多達80個，同時考慮與其工藝性相關的力學性能、淬硬性、車削與磨削性能等，證明其與SUJ2鋼相比，能將早期失效降低到Z小程度，因而大大延長了使用壽命。4)日本NTN公司與大同特殊鋼公司共同研發耐受工作溫度250 ℃的軸承鋼，盡管在該溫度下可采用成熟的航空發動機主軸軸承用鋼M50來解決問題，但該鋼含有10%左右的Cr?Mo，V等元素，系高合金鋼，材料成本高，熱處理工藝復雜，難以普及通用。因此在SUJ2的基礎上，通過增加硅含量以防止高溫下的硬度降低；通過添加鎳元素來保持滾動疲勞特性；同時考慮了熱處理與冷加工性能，研制成功了STJ2高溫軸承鋼。采用STJ2鋼的軸承試驗壽命在常溫下是SUJ2鋼的3.5倍，在200 ℃高溫下是SUJ2鋼的15倍，形成了高溫、長壽命軸承系列產品，可擴展應?至汽車、鋼鐵、造紙等多個領域。
3 結束語
GCr15鋼是軸承鋼發展史上的經典與標桿。向經典致敬，與標桿對標，是新鋼種研發中應該秉持的敬畏之心與基本遵循。在國外推出的新鋼種中，對于GCr15鋼所奠定的“三大準則”，大多都予以了充分體現，有些則有所偏離，對此應有所甄別，避免跟風盲從。在我國近期的軸承鋼研究熱中，“為項目而項目、為研制而研制、為性能而性能”的現象還比較普遍和突出，例如為了顯示“高大上”，采用高合金、稀有貴重元素、超高碳等成為主流研究方向(研發特殊軸承鋼無可厚非，若試圖替代GCr15鋼就南轅北轍)；僅以疲勞壽命或某一(些)特殊性能做評價指標，而對影響軸承基本性能的其他核心指標(如殘余奧氏體對尺寸穩定性的影響，高硬度對裂紋敏感性或斷裂韌性的影響等)很少做多維度、多水平的全面研究；對性能與壽命試驗結果往往做選擇性宣介，不利的指標或避而不談，或含糊其辭；在工藝性上淺嘗輒止，缺乏系統深入的冷、熱加工工藝試驗與工藝應用；對經濟性更是鮮有分析，考慮甚少：這些做法，從根本上背離了軸承鋼作為工程材料研發的出發點和落腳點，使很多項目成果難以契合軸承產品的技術特性和軸承產業的工業特征，盤點若干年來所謂的工程化與產業化目標的達成狀況，寥寥可數，就是很好的例證。因此，有必要重申強調，在軸承鋼乃至所有工程材料的研發中，必須始終銘記和堅決秉承的技術理念與遵循準則是使用性能、工藝性和經濟性，這才是正確方向與根本之道。
（來源：工業風景線）
