一種超高碳型軸承鋼的組織及性能研究

柳永寧，陳秀明，劉宏基，孫俊杰

(西安交通大學 材料學院，西安 710049)

軸承是機械、交通、航空航天、電力、能源等工業設備與裝備中必不可少的通用零件，起到傳遞載荷和運動的功能。制作軸承的經典材料是軸承鋼，國內典型牌號為GCr15，主要成分C 含量為1.0%(質量分數，下同)，Cr含量為1.5%，這一成分與主要工業化國家的同類產品成分基本一致，該成分的軸承鋼已有100多年的歷史[1-2]，至今產量仍占據軸承鋼的80%，可以滿足大部分設備的使用要求。降低氧含量一直是軸承鋼的發展方向，整個軸承鋼的發展歷史就是發展新設備、新工藝，降低氧含量的歷史，現今軸承鋼的氧含量已降到5×10-6的量級，繼續降低氧含量已不可能大幅提高GCr15軸承鋼的性能。GCr15軸承鋼的屈服強度為2 000 MPa左右，軸承在服役過程中局部點接觸或線接觸應力高達5 000 MPa[1,3]，遠遠高于材料屈服強度的高應力導致軸承滾道表面和亞表面反復變形，在亞表面產生白亮區域，白亮區的組織是一種局部絕熱剪切產生的高溫回火，使鋼的原始組織局部發生了回復再結晶[3]。這種高應力引發的反復局部變形會產生疲勞，導致裂紋萌生。已有研究表明，軸承的疲勞壽命正比于材料的表面硬度[4-5]，軸承鋼的含碳量已達1.0%，進一步提高含碳量就達到了超高碳鋼的范圍。文獻[6-7]于20世紀70年代提出超高碳鋼(Ultra High Carbon Steel,UHCS)的概念，其含碳量為1.0%～2.1%，包括了過共析鋼的全部范圍，但始終沒有開展超高碳軸承鋼的研究。文獻[8]后來發現中世紀的大馬士革寶刀的成分就是超高碳鋼。文獻[9]自2007年開始超高碳軸承鋼(Ultra High Carbon Bearing Steel, UHCBS)的研究，最高含碳量達到了1.5%，超高碳軸承鋼綜合性能優于傳統GCr15鋼。

本文系統研究了超高碳鋼作為軸承鋼的可行性，分析了UHCBS的球化組織、淬火馬氏體組織、回火性能、耐磨性能、接觸疲勞性能，并加工成軸承樣品進行了臺架試驗，以證明UHCBS是一種性能優良的新型軸承鋼。

1 試驗材料

試驗采用的超高碳軸承鋼化學成分為C含量1.1%～1.5%，Cr含量1.2%～1.6%，Mn含量0.3%～0.5%，Si含量0.3%～0.5%%，Al含量0.5%～1.5%，其中，加入Al可以抑制網狀碳化物的析出，均勻化組織。材料經50，100 kg真空感應爐熔煉，分別鍛造成直徑為40，80 mm的棒料，40 mm棒料用于加工實驗室各種分析測試樣品，80 mm棒料用于加工工業卡車輪轂軸承樣品并進行臺架試驗。采用GCr15鋼和SKF-3鋼作為對比，這2種材料分別從市場采購和企業獲得。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織及硬度

顯微組織分析采用光學金相顯微鏡(尼康 MA-100)，掃描電子顯微鏡TEM(JSM-6390)和透射電子顯微鏡(JEM-2100F)，原奧氏體晶界采用電化學腐蝕方法顯示[10]。UHCBS鍛造空冷后的顯微組織如圖1所示，圖中可見珠光體的晶界，無大塊液析碳化物、網狀碳化物和網狀二次滲碳體，由此可見，加入Al后明顯抑制了塊狀碳化物和網狀碳化物的析出。

UHCBS，GCr15鋼和SKF-3鋼材料球化處理后的組織如圖2所示，GCr15鋼和SKF-3鋼球化處理后是供貨態組織，UHCBS經800 ℃保溫9 h球化處理后也是球狀組織，且效果較好，顆粒大小均勻。整體來看，SKF-3鋼的球化組織最好，碳化物顆粒最細小并均勻，GCr15鋼次之，有2 μm左右的塊狀碳化物，UHCBS的碳化物顆粒平均尺寸稍大，但仍然比較均勻。

UHCBS，GCr15鋼和SKF-3鋼淬火后的組織如圖3所示，采用電化學方法腐蝕出了晶界[10]，可以看出UHCBS的晶粒最小，平均晶粒尺寸為6.9 μm，GCr15鋼和SKF-3鋼的晶粒尺寸基本相同，約為13.5 μm。晶粒細化是由于UHCBS中有較多的未溶碳化物，導致加熱時奧氏體晶粒長大受阻，這與文獻[7]早期的研究結論一致。

GCr15鋼、UHCBS在845 ℃淬火、160 ℃回火后的TEM微觀組織如圖4所示，GCr15鋼中出現較多且大的孿晶亞結構，而UHCBS中主要是位錯亞結構，表明UHCBS中有大量的位錯型馬氏體。

UHCBS奧氏體化溫度與硬度及殘余奧氏體量的關系如圖5所示，奧氏體化溫度從840 ℃升高至860 ℃，硬度基本維持在65 HRC左右，殘余奧氏體量略有升高。這是由于奧氏體化溫度升高，合金元素溶解量增多，奧氏體的穩定性增加，導致淬火后殘余奧氏體增多，但殘余奧氏體的增加量不大(3%左右)，不足以降低硬度。GCr15鋼和UHCBS回火溫度與硬度的關系如圖6所示，隨回火溫度升高UHCBS的硬度降低較緩慢，360 ℃回火時硬度仍然可以維持在60 HRC，此時GCr15鋼的硬度降低至54 HRC左右。產生這一現象的主要原因是Al元素不溶于碳化物中，對回火中碳化物的析出有抑制作用。對于高速重載的軸承，UHCBS的這一特性可以減少運行中軸承發熱引起硬度降低進而導致軸承壽命下降的問題。

2.2 磨損性能

采用銷盤式摩擦磨損試驗機測量摩擦因數，載荷分別為6，10，20 N，觀察磨痕形貌，同時記錄載荷和摩擦因數，采用滾動接觸疲勞磨損試驗機測量磨損量，試驗原理如圖7所示。GCr15鋼和UHCBS試樣均采用845 ℃加熱油淬，160 ℃回火。

載荷為10 N時，銷盤磨損試驗后的表面形貌如圖8所示，UHCBS磨痕底部可見原磨削加工紋路，GCr15鋼的磨痕底部則未見原磨削加工紋路，這表明GCr15 鋼的磨痕較深，而UHCBS的磨痕較淺。

2種軸承鋼摩擦因數與載荷的關系如圖9所示：載荷小于10 N時，UHCBS的摩擦因數大于GCr15鋼；載荷大于10 N時，UHCBS的摩擦因數明顯小于GCr15鋼。減小摩擦因數可以提高傳動效率，減小發熱，提高能量利用率。載荷在10 N時2種材料的摩擦因數出現轉折，主要是在小載荷時材料的表面粗糙度對測量結果影響較大。

滾動磨損試驗后，不同載荷下磨損量隨時間的變化如圖10所示：載荷為250 N時，2種鋼材料的磨損量差異不大，GCr15鋼略高于UHCBS(UHCBS-1為常規球化退火，UHCBS-2為離異共析方法退火)；當載荷達到500 N時，GCr15鋼的磨損量逐漸變大，10 h的磨損量超過UHCBS鋼的一倍。滾動磨損試驗后測量軸承鋼材料的表面硬度，結果見表1，初始狀態，UHCBS的硬度高于GCr15鋼；250 N加載時，GCr15鋼的加工硬化較快，表面硬度達到了1 190 HV，此時UHCBS的表面硬度為1 096 HV；隨著載荷繼續增加，UHCBS的硬度高于GCr15 鋼。雖然UHCBS的初始硬度高于GCr15鋼，但仍然有較好的加工硬化能力。

表1 滾動磨損試驗后軸承鋼材料的表面硬度

300 N正壓力作用下滾動磨損試驗后的表面形貌如圖11所示：2種軸承鋼的表面均有許多黑色區域，為磨下來的鐵屑被滾壓到試樣表面后形成的圖像；除了這些區域，GCr15 鋼的表面有許多小裂紋，而UHCBS的表面則未觀察到，這說明除了耐磨性高外，UHCBS的裂紋萌生傾向也小于GCr15鋼。這與傳統的看法不一致，UHCBS淬火回火態的硬度高，耐磨性好，說明UHCBS的脆性大，會導致裂紋萌生的傾向增大；但實際情況卻相反，說明有不同于常規的機制在起作用。

2.3 接觸疲勞性能及臺架試驗

接觸載荷4 400 MPa下UHCBS，GCr15鋼及SKF-3鋼的接觸疲勞試驗如圖12所示，測試結果如圖13所示。由圖13可知：SKF-3鋼與GCr15鋼的疲勞壽命為同一水平，只是SKF-3鋼的分散度略小，2種鋼的小部分試樣的疲勞壽命超過1×107r，大部分試樣的壽命較低。相比之下，UHCBS全部試樣的疲勞壽命均超過了1×107r，個別超過了1×108r。3種軸承鋼的疲勞壽命和韋布爾斜率b見表2，UHCBS的疲勞壽命L10和L50均是SKF-3鋼和GCr15鋼的5倍。

表2 3種軸承鋼的疲勞壽命及韋布爾斜率

不同運轉次數后滾道的磨損情況如圖14所示(從左至右分別為0，1.3×106，2.6×106，7.8×106r工況下的結果)：SKF-3鋼和GCr15鋼的磨損情況嚴重，原磨削加工的直線紋路變得扭曲甚至消失，同時表面產生了嚴重的塑性變形(如圖14c中運轉2.6×106r后的黑色箭頭所指)，并產生了許多黑色的小點，為反復塑性變形導致的夾雜物剝落或氧化物、碳化物點剝落遺留的小坑，這些都有可能成為疲勞裂紋源；UHCBS的磨損比較輕微，磨削紋路仍然存在，在運轉7.8×106r后有一些輕微的剝落點。

以上結果表明，UHCBS硬度高，屈服強度高，可以承受更大的載荷。

將UHCBS和GCr15鋼加工成重型卡車軸承進行臺架疲勞試驗，在0.35倍額定動載荷的條件下，UHCBS制軸承的疲勞壽命是GCr15鋼的3～5倍。臺架試驗后軸承的表面形貌如圖15所示：GCr15鋼制軸承的表面已經發黃，表明軸承運轉時表面瞬間溫度升高至金屬氧化溫度以上，發生氧化；反觀UHCBS制軸承的表面仍保持金屬原有顏色，說明UHCBS制軸承在運轉時表面溫度較低。軸承運轉時熱量來自反復的塑性變形和滾子與滾道的摩擦生熱，由于GCr15鋼和SKF-3鋼的硬度低，導致材料的屈服強度也較低，同樣載荷下，UHCBS的變形較小，摩擦因數低，因而發熱少。

3 討論

3.1 UHCBS亞結構與裂紋萌生

UHCBS的硬度及含碳量高于GCr15鋼，導致殘留碳化物多，脆性大，裂紋萌生概率高是比較合理的推論；但試驗結果恰恰相反，UHCBS在滾滑摩擦條件下裂紋萌生率小于GCr15鋼。

最近的一些研究發現，高碳馬氏體的亞結構受相變前奧氏體的晶粒尺寸影響較大，奧氏體晶粒細化到4 μm時，高碳馬氏體的亞結構會由原來的孿晶轉變為位錯[11-16]。以此發現為基礎，研發出了強度為2 600 MPa、延伸率7%的低合金超高強度鋼[11]，從宏觀力學的角度證明了晶粒細化改變了高碳馬氏體亞結構這一說法的可靠性。GCr15鋼馬氏體中孿晶與奧氏體粒尺寸的關系如圖16所示[13]，奧氏體晶粒在4 μm時，馬氏體中基本沒有孿晶，即均為位錯。由圖3可知，UHCBS的晶粒尺寸為6.9 μm，而GCr15鋼和SKF-3鋼的晶粒尺寸為13.5 μm，根據圖16，UHCBS中的孿晶量馬氏體含量應該在30%～40%左右，GCr15鋼和SKF-3鋼的孿晶馬氏體含量應該在50%～60%左右，圖4也確實觀察到UHCBS中有大量的位錯馬氏體[16]。位錯有較好的塑性變形能力，可以緩解應力集中，而孿晶通常是不可逆缺陷，不具備塑性變形的能力，是導致高碳馬氏體脆性的根源[17-18]，孿晶與基體的界面以及孿晶相交處是裂紋萌生和擴展的源頭[17]。通常，少量的孿晶并不會影響馬氏體的塑性，可以起到分割晶粒，細化晶粒的作用[16]，但是孿晶量超過50%時，就會導致材料變脆。這很好的解釋了圖11中的現象，GCr15鋼在300 N的正應力作用下滾滑摩擦試驗后表面產生很多的微裂紋，而UHCBS經相同條件的試驗后表面沒有產生裂紋。

3.2 超高碳軸承鋼的性能特點及應用

與常規軸承鋼相比，UHCBS含碳量較高且加入了一定量的Al，球化退火再淬火回火后組織為大量均勻分布的粒狀碳化物，同時合金元素Al抑制了網狀碳化物及回火時碳化物的析出，淬回火后組織主要為位錯型超細回火馬氏體以及大量的未溶碳化物；因此UHCBS具有淬回火硬度大，回火穩定性、耐磨性及接觸疲勞性好，不易萌生微裂紋等特性。

近年來，軸承的使用工況越來越苛刻，如汽車的輕量化及集成化使軸承在更高的溫度下工作，機床的高速化使主軸軸承更易磨損、發熱卡死等；對軸承的性能要求也越來越高，如高精度保持性，長壽命，高可靠性，高溫性能等。鑒于超高碳軸承鋼的性能特點，其在汽車輔機(發電機、張緊輪、空調)軸承、新能源汽車電機軸承、高速高精度機床主軸軸承等方面應具有較好的應用前景。同時，還有不少方面需要進一步研究，如超高碳軸承鋼批量生產時碳化物偏析的控制，軸承零件加工性能及應用考核等。

4 結論

通過在超高碳軸承鋼中加入Al抑制網狀碳化物的析出并均勻化組織，與常規GCr15鋼進行對比分析得到以下結論：

1)在相同的熱處理條件下，超高碳軸承鋼可獲得較細的顯微組織，較多的位錯亞結構及未溶碳化物。

2)超高碳軸承鋼具有更高的淬火硬度，同時有更好的回火穩定性。

3)超高碳軸承鋼具有更好的耐磨性，更小的裂紋萌生傾向和摩擦因數。

4)超高碳軸承鋼在4 400 MPa壓力下，疲勞壽命L10和L50均是CGr15鋼和SKF-3鋼的5倍。

5)軸承臺架試驗表明超高碳軸承鋼制軸承疲勞壽命較長，耐磨性好，工作溫升低。