一类超强碳型轴承钢的组织机构及操控性

科学研究

陈潘文柏，刘AM1860，孙志强

(上海交通大学 金属材料学院，西安 710049)

全文：介绍了一类电阻率高达1.4%的超强碳轴承钢(UHCBS)，并与现代GCr15轴承钢展开了组织机构及操控性对比预测。结果显示：该钢的淬退火组织机构微小且含有非常多的形变亚结构；退火延展性、退火灵活性及耐腐蚀性均强于GCr15，碰触烦躁使用寿命L10和L50均为GCr15钢的5倍；轴承姆林测试使用寿命为GCr15钢的3～5倍，且测试操作过程中轴承耗电小，温升低。

关键字：慢速轴承；轴承钢；造影组织机构；延展性；退火灵活性；耐腐蚀性；烦躁使用寿命；姆林测试

轴承是机械、交通、航太、电力、能源等工业电子设备与装备中不可或缺的通用配件，起到传递有效载荷和运动的功能。制作轴承的经典金属材料是轴承钢，国内典型车牌号为GCr15，主要成份C 浓度为1.0%(质量平均分，雷米雷蒙县)，Cr浓度为1.5%，这一成份与主要城市化国家的同类成份大致相同，该成份的轴承钢已近100多年的产业发展史[1-2]低温轴承，至今产量仍占据轴承钢的80%，可以满足大部分电子设备的使用要求。减少氧浓度一直是轴承钢的产业发展方向，整个轴承钢的产业发展产业发展史就是产业发展新电子设备、生产工艺，减少氧浓度的产业发展史，时至今日轴承钢的氧浓度已降至5×10-6的数量级，继续减少氧浓度已不可能大幅提升GCr15轴承钢的操控性。GCr15轴承钢的退让气压为2 000 MPa左右，轴承在服役操作过程中局部性点碰触或线碰触形变高达5 000 MPa[1,3]，远远高于金属材料退让气压的高形变引致轴承滚道表层和亚表层反反复复形变，在亚表层造成茶色区域，茶色区的组织机构是一类局部性边界层黏合造成的低温退火，使钢的原始组织机构局部性发生了回复熔解[3]。这种高形变引发的反反复复局部性形变会造成烦躁，引致裂缝萌发。已近科学研究表明，轴承的烦躁使用寿命反比于金属材料的表层延展性[4-5]，轴承钢的电阻率已达1.0%，不断提高电阻率就达至了超退火的覆盖范围。产业发展史文献[6-7]于20世纪70年代提出超退火(Ultra High Carbon Steel,UHCS)的概念，其电阻率为1.0%～2.1%，包括了过共析钢的全部覆盖范围，但始终没有开展超强碳轴承钢的科学研究。产业发展史文献[8]后来发现中世纪的贝鲁特宝剑的成份就是超退火。产业发展史文献[9]自2007年开始超强碳轴承钢(Ultra High Carbon Bearing Steel, UHCBS)的科学研究，最高电阻率达至了1.5%，超强碳轴承钢综合操控性强于现代GCr15钢。

责任编辑系统科学研究了超退火作为轴承钢的可行性研究，预测了UHCBS的球化组织机构、退火纤维状组织机构、退火操控性、耐磨操控性、碰触烦躁操控性，并加工成轴承样本展开了姆林测试，以证明UHCBS是一类操控性优良的新型轴承钢。低温轴承

1 测试金属材料

测试采用的超强碳轴承钢化学成份为C浓度1.1%～1.5%，Cr浓度1.2%～1.6%，Mn浓度0.3%～0.5%，Si浓度0.3%～0.5%%，Al浓度0.5%～1.5%，其中，加入Al可以抑制网状碳化物的析出，均匀化组织机构。金属材料经50，100 kg真空感应炉熔炼，分别锻造成直径为40，80 mm的棒料，40 mm棒料用于加工实验室各种预测测试样本，80 mm棒料用于加工工业卡车轮毂轴承样本并展开姆林测试。采用GCr15钢和SKF-3钢作为对比，这2种金属材料分别从市场采购和企业获得。

2 测试结果及预测

2.1 造影组织机构及延展性

造影组织机构预测采用光学金相造影镜(尼康 MA-100)，扫描电子造影镜TEM(JSM-6390)和透射电子造影镜(JEM-2100F)，原奥氏体晶界采用电化学腐蚀方法显示[10]低温轴承。UHCBS锻造空冷后的造影组织机构如图1所示，图中可见珠光体的晶界，无大块液析碳化物、网状碳化物和网状二次渗碳体，由此可见，加入Al后明显抑制了块状碳化物和网状碳化物的析出。

(a)锻造态组织机构

(b)珠光体内渗碳体形貌

图1 UHCBS锻造态造影组织机构

Fig.1 Metallographs of UHCBS in forging state

UHCBS，GCr15钢和SKF-3钢金属材料球化处理后的组织机构如图2所示，GCr15钢和SKF-3钢球化处理后是供货态组织机构，UHCBS经800 ℃保温9 h球化处理后也是球状组织机构，且效果较好，颗粒大小均匀。整体来看，SKF-3钢的球化组织机构最好，碳化物颗粒最微小并均匀，GCr15钢次之，有2 μm左右的块状碳化物，UHCBS的碳化物颗粒平均尺寸稍大，但仍然比较均匀。

(a)UHCBS

(b)GCr15钢

(c)SKF-3钢

图2 3种轴承钢金属材料球化处理后的组织机构

Fig.2 Microstructures of three bearing steel materials after spheroidizing treatment

UHCBS，GCr15钢和SKF-3钢退火后的组织机构如图3所示，采用电化学方法腐蚀出了晶界[10]低温轴承，可以看出UHCBS的晶粒最小，平均晶粒尺寸为6.9 μm，GCr15钢和SKF-3钢的晶粒尺寸基本相同，约为13.5 μm。晶粒细化是由于UHCBS中有非常多的未溶碳化物，引致加热时奥氏体晶粒长大受阻，这与产业发展史文献[7]早期的科学研究结论一致。

(a)UHCBS

(b)GCr15钢

(c)SKF-3钢

图3 3种轴承钢金属材料的晶粒度

Fig.3 Grain size of three bearing steel materials

GCr15钢、UHCBS在845 ℃退火、160 ℃退火后的TEM微观组织机构如图4所示，GCr15钢中出现非常多且大的孪晶亚结构，而UHCBS中主要是形变亚结构，表明UHCBS中有大量的形变型纤维状。

(a)UHCBS

(b)GCr15钢

图4 GCr15钢和UHCBS在845 ℃退火、160 ℃退火后的TEM微观组织机构

Fig.4 TEM microstructure of GCr15 steel and UHCBS after quenching at 845 ℃ and tempering at 160 ℃

UHCBS奥氏体化温度与延展性及残余奥氏体量的关系如图5所示，奥氏体化温度从840 ℃升高至860 ℃，延展性基本维持在65 HRC左右，残余奥氏体量略有升高。这是由于奥氏体化温度升高，合金元素溶解量增多，奥氏体的灵活性增加，引致退火后残余奥氏体增多，但残余奥氏体的增加量不大(3%左右)，不足以减少延展性。GCr15钢和UHCBS退火温度与延展性的关系如图6所示，随退火温度升高UHCBS的延展性减少较缓慢，360 ℃退火时延展性仍然可以维持在60 HRC，此时GCr15钢的延展性减少至54 HRC左右。造成这一现象的主要原因是Al元素不溶于碳化物中，对退火中碳化物的析出有抑制作用。对于高速重载的轴承，UHCBS的这一特性可以减少运行中轴承发热引起延展性减少进而引致轴承使用寿命下降的问题。低温轴承

图5 UHCBS奥氏体化温度与延展性及残余奥氏体量的关系

Fig.5 Relationship between austenitizing temperature, hardness and retained austenite amount of UHCBS

图6 GCr15钢和UHCBS退火温度与延展性的关系

Fig.6 Relationship between tempering temperature and hardness of GCr15 steel and UHCBS低温轴承

2.2 磨损操控性

采用销盘式摩擦磨损测试机测量摩擦因数，有效载荷分别为6，10，20 N，观察磨痕形貌，同时记录有效载荷和摩擦因数，采用慢速碰触烦躁磨损测试机测量磨损量，测试原理如图7所示。GCr15钢和UHCBS试样均采用845 ℃加热油淬，160 ℃退火。

(a)销盘摩擦磨损测试

(b)慢速碰触烦躁磨损测试

图7 轴承钢金属材料磨损测试原理示意图

Fig.7 Schematic diagram of wear test of bearing steel material

有效载荷为10 N时，销盘磨损测试后的表层形貌如图8所示，UHCBS磨痕底部可见原磨削加工纹路，GCr15钢的磨痕底部则未见原磨削加工纹路，这表明GCr15 钢的磨痕较深，而UHCBS的磨痕较浅。

(a)UHCBS

(b)GCr15钢

图8 2种轴承钢在有效载荷为10 N的磨损测试后的表层形貌

Fig.8 Surface morphology of two bearing steels after wear test with load of 10 N

2种轴承钢摩擦因数与有效载荷的关系如图9所示：有效载荷小于10 N时，UHCBS的摩擦因数大于GCr15钢；有效载荷大于10 N时，UHCBS的摩擦因数明显小于GCr15钢。减小摩擦因数可以提高传动效率，减小发热，提高能量利用率。有效载荷在10 N时2种金属材料的摩擦因数出现转折，主要是在小有效载荷时金属材料的表层粗糙度对测量结果影响较大。低温轴承

图9 2种轴承钢的摩擦因数与有效载荷的关系

Fig.9 Relationship between friction coefficient and load of two bearing steels

慢速磨损测试后，不同有效载荷下磨损量随时间的变化如图10所示：有效载荷为250 N时，2种钢金属材料的磨损量差异不大，GCr15钢略高于UHCBS(UHCBS-1为常规球化退火，UHCBS-2为离异共析方法退火)；当有效载荷达至500 N时，GCr15钢的磨损量逐渐变大，10 h的磨损量超过UHCBS钢的一倍。慢速磨损测试后测量轴承钢金属材料的表层延展性，结果见表1，初始状态，UHCBS的延展性高于GCr15钢；250 N加载时，GCr15钢的加工硬化较快，表层延展性达至了1 190 HV，此时UHCBS的表层延展性为1 096 HV；随着有效载荷继续增加，UHCBS的延展性高于GCr15 钢。虽然UHCBS的初始延展性高于GCr15钢，但仍然有较好的加工硬化能力。低温轴承

(a)250 N

(b)500 N

图10 不同有效载荷下磨损量随时间的变化

Fig.10 Variation of wear loss with time under different loads

表1 慢速磨损测试后轴承钢金属材料的表层延展性

Tab.1 Surface hardness of bearing steel after rolling wear test

300 N正压力作用下慢速磨损测试后的表层形貌如图11所示：2种轴承钢的表层均有许多黑色区域，为磨下来的铁屑被滚压到试样表层后形成的图像；除了这些区域，GCr15 钢的表层有许多小裂缝，而UHCBS的表层则未观察到，这说明除了耐腐蚀性高外，UHCBS的裂缝萌发倾向也小于GCr15钢。这与现代的看法不一致，UHCBS退火退火态的延展性高，耐腐蚀性好，说明UHCBS的脆性大，会引致裂缝萌发的倾向增大；但实际情况却相反，说明有不同于常规的机制在起作用。

(a)UHCBS

(b)GCr15钢

图11 GCr15钢和UHCBS慢速磨损测试后的表层形貌

Fig.11 Surface morphology of UHCBS and GCr15 steel after rolling wear test低温轴承

2.3 碰触烦躁操控性及姆林测试

碰触有效载荷4 400 MPa下UHCBS，GCr15钢及SKF-3钢的碰触烦躁测试如图12所示，测试结果如图13所示。由图13可知：SKF-3钢与GCr15钢的烦躁使用寿命为同一水平，只是SKF-3钢的分散度略小，2种钢的小部分试样的烦躁使用寿命超过1×107 r，大部分试样的使用寿命较低。相比之下，UHCBS全部试样的烦躁使用寿命均超过了1×107 r，个别超过了1×108 r。3种轴承钢的烦躁使用寿命和韦布尔斜率b见表2，UHCBS的烦躁使用寿命L10和L50均是SKF-3钢和GCr15钢的5倍。

(a)测试原理

(b)盘状试样与磨损轨道形貌

图12 碰触烦躁测试

Fig.12 Contact fatigue test

图13 3种轴承钢的碰触烦躁使用寿命曲线

Fig.13 Contact fatigue life curves of three bearing steels

表2 3种轴承钢的烦躁使用寿命及韦布尔斜率

Tab.2 Fatigue life and Weibull slope of three bearing steels低温轴承

不同运转次数后滚道的磨损情况如图14所示(从左至右分别为0，1.3×106，2.6×106，7.8×106 r工况下的结果)：SKF-3钢和GCr15钢的磨损情况严重，原磨削加工的直线纹路变得扭曲甚至消失，同时表层造成了严重的塑性形变(如图14c中运转2.6×106 r后的黑色箭头所指)，并造成了许多黑色的小点，为反反复复塑性形变引致的夹杂物剥落或氧化物、碳化物点剥落遗留的小坑，这些都有可能成为烦躁裂缝源；UHCBS的磨损比较轻微，磨削纹路仍然存在，在运转7.8×106 r后有一些轻微的剥落点。

(a)UHCBS

(b)GCr15钢

(c)SKF-3钢

图14 3种轴承钢在不同运转周次后滚道的磨损情况

Fig.14 Wear of raceway made of three kinds of bearing steels after different operating cycles

以上结果显示，UHCBS延展性高，退让气压高，可以承受更大的有效载荷。

将UHCBS和GCr15钢加工成重型卡车轴承展开姆林烦躁测试，在0.35倍额定动有效载荷的条件下，UHCBS制轴承的烦躁使用寿命是GCr15钢的3～5倍。姆林测试后轴承的表层形貌如图15所示：GCr15钢制轴承的表层已经发黄，表明轴承运转时表层瞬间温度升高至金属氧化温度以上，发生氧化；反观UHCBS制轴承的表层仍保持金属原有颜色，说明UHCBS制轴承在运转时表层温度较低。轴承运转时热量来自反反复复的塑性形变和滚子与滚道的摩擦生热，由于GCr15钢和SKF-3钢的延展性低，引致金属材料的退让气压也较低，同样有效载荷下，UHCBS的形变较小，摩擦因数低，因而发热少。低温轴承

(a)UHCBS (b)GCr15钢

图15 姆林烦躁测试后轴承的表层形貌

Fig.15 Surface morphology of bearing after bench fatigue test

3 讨论

3.1 UHCBS亚结构与裂缝萌发

UHCBS的延展性及电阻率高于GCr15钢，引致残留碳化物多，脆性大，裂缝萌发概率高是比较合理的推论；但测试结果恰恰相反，UHCBS在滚滑摩擦条件下裂缝萌发率小于GCr15钢。

最近的一些科学研究发现，高碳纤维状的亚结构受相变前奥氏体的晶粒尺寸影响较大，奥氏体晶粒细化到4 μm时，高碳纤维状的亚结构会由原来的孪晶转变为形变[11-16]低温轴承。以此发现为基础，研发出了气压为2 600 MPa、延伸率7%的低合金超强气压钢[11]，从宏观力学的角度证明了晶粒细化改变了高碳纤维状亚结构这一说法的可靠性。GCr15钢纤维状中孪晶与奥氏体粒尺寸的关系如图16所示[13]，奥氏体晶粒在4 μm时，纤维状中基本没有孪晶，即均为形变。由图3可知，UHCBS的晶粒尺寸为6.9 μm，而GCr15钢和SKF-3钢的晶粒尺寸为13.5 μm，根据图16，UHCBS中的孪晶量纤维状浓度应该在30%～40%左右，GCr15钢和SKF-3钢的孪晶纤维状浓度应该在50%～60%左右，图4也确实观察到UHCBS中有大量的形变纤维状[16]。形变有较好的塑性形变能力，可以缓解形变集中，而孪晶通常是不可逆缺陷，不具备塑性形变的能力，是引致高碳纤维状脆性的根源[17-18]，孪晶与基体的界面以及孪晶相交处是裂缝萌发和扩展的源头[17]。通常，少量的孪晶并不会影响纤维状的塑性，可以起到分割晶粒，细化晶粒的作用[16]，但是孪晶量超过50%时，就会引致金属材料变脆。这很好的解释了图11中的现象，GCr15钢在300 N的正形变作用下滚滑摩擦测试后表层造成很多的微裂缝，而UHCBS经相同条件的测试后表层没有造成裂缝。

图16 GCr15钢纤维状中孪晶量与奥氏体晶粒尺寸的关系低温轴承

Fig.16 Relationship between twinning amount in martensite and austenite grain size of GCr15 steel

3.2 超强碳轴承钢的操控性特点及应用

与常规轴承钢相比，UHCBS电阻率较高且加入了一定量的Al，球化退火再退火退火后组织机构为大量均匀分布的粒状碳化物，同时合金元素Al抑制了网状碳化物及退火时碳化物的析出，淬退火后组织机构主要为形变型超细退火纤维状以及大量的未溶碳化物；因此UHCBS具有淬退火延展性大，退火灵活性、耐腐蚀性及碰触烦躁性好，不易萌发微裂缝等特性。

近年来，轴承的使用工况越来越苛刻，如汽车的轻量化及集成化使轴承在更高的温度下工作，机床的高速化使主轴轴承更易磨损、发热卡死等；对轴承的操控性要求也越来越高，如高精度保持性，长使用寿命，高可靠性，低温操控性等。鉴于超强碳轴承钢的操控性特点，其在汽车辅机(发电机、张紧轮、空调)轴承、新能源汽车电机轴承、高速高精度机床主轴轴承等方面应具有较好的应用前景。同时，还有不少方面需要进一步科学研究，如超强碳轴承钢批量生产时碳化物偏析的控制，轴承配件加工操控性及应用考核等。低温轴承

4 结论

通过在超强碳轴承钢中加入Al抑制网状碳化物的析出并均匀化组织机构，与常规GCr15钢展开对比预测得到以下结论：

1)在相同的热处理条件下，超强碳轴承钢可获得较细的造影组织机构，非常多的形变亚结构及未溶碳化物。

2)超强碳轴承钢具有更高的退火延展性，同时有更好的退火灵活性。

3)超强碳轴承钢具有更好的耐腐蚀性，更小的裂缝萌发倾向和摩擦因数。

4)超强碳轴承钢在4 400 MPa压力下，烦躁使用寿命L10和L50均是CGr15钢和SKF-3钢的5倍。

5)轴承姆林测试表明超强碳轴承钢制轴承烦躁使用寿命较长，耐腐蚀性好，工作温升低。