由GCr15钢的化学成分设计看轴承钢的研发准则

杨晓蔚

(1.河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用实验室，河南 洛阳 471003；2.中浙高铁轴承有限公司，浙江 衢州 324000)

高碳铬轴承钢GCr15(德国100Cr6，美国52100，日本SUJ2等)是一种十分优秀的钢种，自1901年由Stribeck发明以来，已经跨越了一个多世纪的历史，至今化学成分基本保持不变，仍作为滚动轴承主要用钢，做出了卓越贡献[1]。随着科技与工业的不断进步，要求轴承在特殊工况与恶劣环境下工作的需求更加多样化，新型轴承钢的研究与开发也应运而生，呈现出密集之势，如近几十年推出的美国第三代高温轴承钢CSS-42L、德国高氮不锈钢Cronidur30、日本中碳表面硬化钢SHX等都是其中的典型代表。近一时期，中国对轴承钢特别是高性能轴承钢的研发也高度重视，在“产、学、研”不同层面形成了前所未有的热潮；但在国内外(尤其是国内)新钢种的研发中，有一些现象值得关注与思考，如对于坚持“面向工程应用”的基本要求，有些始终遵循秉持，有些似乎有所淡忘，有些则完全背离：因此，回顾重温百余年前GCr15钢成分设计的理念与准则，无疑具有很强的现实借鉴与指导意义。

1 GCr15钢化学成分设计的基本准则与解构分析

现代轴承工业诞生之初，轴承主要采用碳钢[2]及渗碳钢[3]制造。碳钢的冶炼技术成熟，价格低廉，但其综合性能难以满足轴承的使用特性要求。渗碳钢外硬里韧，具有适用于复杂载荷的梯度性能，但由于当时所用的固体渗碳法所限，渗碳不均匀导致的个别软点使轴承寿命大大降低，且热处理工艺复杂，生产周期长，效率低而成本高。因此，研发适用于轴承批量化生产的专用钢种成为迫切需求。GCr15钢的发明就是基于碳钢而取得的重大突破。GCr15及相当牌号轴承钢的主要化学成分(质量分数，下同)见表1，化学成分以碳、铬为主，除碳以外，其他合金元素的质量分数小于3%，系高碳、低铬、低合金、过共析钢。

表1 GCr15及相当牌号轴承钢的主要化学成分

对文献[4-6]进行解析研究可梳理撷取出当初GCr15钢化学成分设计时所体现的基本准则，即使用性能、工艺性、经济性。

1.1 使用性能

轴承钢必须首先满足其目标产品即轴承的使用性能要求。轴承的基本使用性能包括：

1)耐疲劳。由于轴承中滚动体与滚道是高副(点/线)接触，接触面积小而接触应力高(一般轴承通常达1 000～2 000 MPa)，轴承的正常失效形式主要是滚动接触疲劳。含碳量(质量分数，下同)在0.8%～1.0%范围内，轴承的疲劳寿命基本相当；超过1%后，疲劳寿命下降。添加适量钼、硅等元素可增强回火稳定性，也有利于提高轴承的疲劳寿命。

2)耐磨损。轴承在运转过程中，工作部位(滚动，特别是滑动接触处)的磨损不可避免，这将影响轴承的旋转精度、运动稳定性、振动噪声等，因此轴承钢应具有较高的硬度(硬度通常是耐磨性的代用指标)。

①碳——钢的硬度主要由马氏体硬度及未溶碳化物数量决定。在含碳量小于0.9%(也有研究结论为1.0%或1.2%)的范围内，含碳量越高，淬火后得到马氏体组织过饱和碳及未溶碳化物越多，硬度越高；超过此含碳量，则由于残余奥氏体增多，硬度反而开始下降。此外，在同样硬度的条件下，马氏体基体上有均匀细小的未溶碳化物析出，比单纯回火马氏体的耐磨性更高。因此，为了形成足够数量的碳化物，含碳量应趋于上限。

②铬——铬是中碳化物形成元素，含铬量较高可大大增强钢的淬透性，实现高硬度、高强度与良好的耐磨性；但当含铬量超过1.65%时，会增加碳化物的不均匀性和残余奥氏体，降低冲击韧性和疲劳强度。

③钼、锰——钼和锰分别是中、弱碳化物形成元素，适量添加可进一步提高钢的淬透性。若含钼量过高(超过0.5%)，会产生非常稳定的粗大碳化物；锰有促进奥氏体晶粒粗大化的倾向，过多不利于增强韧性。当钼、锰与铬等并存配合时，可降低或抑制其他元素导致的回火脆性，提高回火稳定性，使硬度、强度的保持性加强。

3)高强度。轴承中的高副接触易产生塑性变形即压痕；轴承承受重载以及振动冲击、高速离心等附加载荷会产生很高的拉、压应力；有些轴承安装时需要较大的过盈配合而产生显著的环向应力：因此，轴承钢必须具有优良的机械强度，主要包括屈服强度、抗拉(压)强度和冲击韧性等。钢的强度与硬度成正比，一般有抗拉强度为布氏硬度的0.33～0.36倍。尽管硬度随着碳含量增高而提高，但当碳含量大于0.9%时，由于脆性二次渗碳体数量的增加，并形成网状，钢的强度反而下降，塑性、韧性也较差。除碳之外，铬、锰、钼、硅等合金元素都有利于提高钢的强度。

4)良好的尺寸稳定性。轴承属于精密机械部件，要求在加工、储存、运输和使用过程中都具有良好的尺寸稳定性(即精度保持性)。高碳及相关合金元素使得马氏体相变起始温度Ms下降(GCr15钢中相关合金元素降低Ms的程度由强到弱排列为锰、铬、钼)，导致残余奥氏体增多，尺寸稳定性难以保证。因此，在碳、铬含量较大的情况下，需要尽量减小锰、钼等元素的含量，以使淬回火后的残余奥氏体能保持在较低水平。

5)耐腐蚀。轴承应用广泛，不可避免会在潮湿、泥水等环境下工作，加入的铬含量略高一些可具备一定的防锈与耐腐蚀性能。钼对铬的防锈性起增强作用(钼对抗锈性的作用相当于铬的3倍，但不能代替铬的作用，必须以铬为主)。硅与钼、铬等元素的结合也有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。

1.2 工艺性

在满足使用性能要求的前提下，轴承钢还必须具有良好的工艺性能，便于进行轴承零件的特定冷、热加工。

1)锻造。锻造加热后奥氏体晶粒细小，具有一定的热塑性，锻造加工性能良好。

2)热处理及机械加工。采用常规热处理，工艺简单，并为后续的车削、磨削等加工工序做好准备。

①球化退火——含碳量约1%时，可加速球化退火时间，质量较好，其球状细化碳化物的微观组织与较低的硬度易于进行后续的套圈车削加工或滚动体冷镦成型，并为获得良好的淬、回火质量做好准备。一定的含锰量，还可降低或消除硫的不利影响，形成MnS，有利于车削加工。

②马氏体淬、回火——热处理设备及工艺简单，时间短，淬透性好，工件变形小，可获得高硬度(通常要求达到58 HRC以上)，有利于轴承零件磨削加工的高精度与高效率。

③磨削超精加工——含铬量较高，使组织和碳化物细化，套圈磨削与滚动体研磨时易于获得较低的表面粗糙度。

1.3 经济性

轴承钢必须契合于轴承的批量化生产，具备良好的经济性，才具有推广应用价值。

1)合金元素简单，且质量分数小，主要采用的铬、锰等均为常用的稀有元素且成本低。

2)常规冶炼方法(当时为电弧炉冶炼法)即可，不必采用复杂的特殊冶炼方法。

3)球化退火时间尽量短；淬火后低温回火(如150～180 ℃)即可。

4)磨削加工不仅能实现高精度，而且可兼顾高效率。

综上所述，含碳量为1.0%左右，含铬量为1.5%左右，辅以锰、钼、硅等少量元素，严格控制磷、硫等杂质元素含量以保证达到优质钢水平，采用常规热处理，各方面性能综合平衡的GCr15钢就此奠定了化学成分设计的基本框架。经试验、应用与推广，于20世纪20年代在全世界轴承工业领域得到普及，至今仍占据着轴承钢市场80%左右的份额，在具有“广谱”优异使用性能并兼备良好工艺性与经济性方面，没有其他钢材可以替代与超越，“具有至高无上的地位”。

2 遵循GCr15钢发明准则的案例

轴承钢应遵循的研发准则，作为开山之作的GCr15钢给出了极好的示范。

国外在轴承钢的研发中，大多都严格秉持了使用性能、工艺性、经济性的三大准则，其中尤以日本表现最为突出。

1)基于GCr15钢，日本与欧洲主要通过调整硅、锰、铬、钼等不同含量衍生开发出系列钢号，如日本的SUJ系列共4个钢号[7](原SUJ1—SUJ5共5个钢号，后取消了SUJ1)，见表2；瑞典的OVAKO公司仅803(即GCr15)系列就有8个钢号，其他衍生产品还有十几个钢号。

表2 日本轴承钢的主要化学成分

2)日本轴承钢生产企业普遍注重在常规冶炼方法上的持续改进，如山阳特钢在真空脱气轴承钢上的技术进步历程：大气熔炼→钢包精炼LF→循环真空脱气RH→连续浇铸CC→偏心炉底出钢EBT→超纯净钢SNRP→极纯净钢SURP，始终追求的是高性价比，其高质量等级的真空脱气钢可应用于铁路、风电等重要轴承产品领域；而不像有些研发思路，总是偏好于在特种冶炼方法(电渣重熔ESR、真空感应熔炼VIM 或真空电弧重熔VAR甚至“双真空”VIM+VAR)上寻求解决方案。

3)日本NSK公司研发的抗表面疲劳NSJ2钢[8]，增加硅含量并控制最佳铬含量，不仅以污染条件下的疲劳寿命为评价依据，而且对尺寸稳定性(残余奥氏体)、表面硬度、抗磨损及抗咬合进行多指标综合评价，正交试验水平多达80个，同时考虑与其工艺性相关的力学性能、淬硬性、车削与磨削性能等，证明其与SUJ2钢相比，能将早期失效降低到最小程度，因而大大延长了使用寿命。

4)日本NTN公司与大同特殊钢公司共同研发耐受工作温度250 ℃的轴承钢，尽管在该温度下可采用成熟的航空发动机主轴轴承用钢M50来解决问题，但该钢含有10%左右的Cr，Mo，V等元素，系高合金钢，材料成本高，热处理工艺复杂，难以普及通用。因此在SUJ2的基础上，通过增加硅含量以防止高温下的硬度降低；通过添加镍元素来保持滚动疲劳特性；同时考虑了热处理与冷加工性能，研制成功了STJ2高温轴承钢。采用STJ2钢的轴承试验寿命在常温下是SUJ2钢的3.5倍，在200 ℃高温下是SUJ2钢的15倍，形成了高温、长寿命轴承系列产品，可扩展应用至汽车、钢铁、造纸等多个领域。

3 结束语

GCr15钢是轴承钢发展史上的经典与标杆。向经典致敬，与标杆对标，是新钢种研发中应该秉持的敬畏之心与基本遵循。在国外推出的新钢种中，对于GCr15钢所奠定的“三大准则”，大多都予以了充分体现，有些则有所偏离，对此应有所甄别，避免跟风盲从。在我国近期的轴承钢研究热中，“为项目而项目、为研制而研制、为性能而性能”的现象还比较普遍和突出，例如为了显示“高大上”，采用高合金、稀有贵重元素、超高碳等成为主流研究方向(研发特殊轴承钢无可厚非，若试图替代GCr15钢就南辕北辙)；仅以疲劳寿命或某一(些)特殊性能做评价指标，而对影响轴承基本性能的其他核心指标(如残余奥氏体对尺寸稳定性的影响，高硬度对裂纹敏感性或断裂韧性的影响等)很少做多维度、多水平的全面研究；对性能与寿命试验结果往往做选择性宣介，不利的指标或避而不谈，或含糊其辞；在工艺性上浅尝辄止，缺乏系统深入的冷、热加工工艺试验与工艺应用；对经济性更是鲜有分析，考虑甚少：这些做法，从根本上背离了轴承钢作为工程材料研发的出发点和落脚点，使很多项目成果难以契合轴承产品的技术特性和轴承产业的工业特征，盘点若干年来所谓的工程化与产业化目标的达成状况，寥寥可数，就是很好的例证。

因此，有必要重申强调，在轴承钢乃至所有工程材料的研发中，必须始终铭记和坚决秉承的技术理念与遵循准则是使用性能、工艺性和经济性，这才是正确方向与根本之道。