一、研究的背景與問(wèn)題

軸承在服役過(guò)程中經(jīng)受著(zhù)反復應力、熱應力及外部環(huán)境的綜合作用，容易出現磨損、疲勞破壞、腐蝕等，導致軸承失效，對軸承鋼生產(chǎn)及軸承加工制造提出了極為嚴苛的要求。

從微觀(guān)角度，軸承（鋼）在不同加工階段呈現不同的組織狀態(tài)，并且在整個(gè)生產(chǎn)加工鏈條各工藝環(huán)節具有遺傳性。軸承套圈/滾動(dòng)體淬火過(guò)程過(guò)冷奧氏體→馬氏體的生成導致的尺寸變化與熱脹冷縮引起的尺寸變化不協(xié)調，導致熱處理后尺寸穩定性差，給用戶(hù)加工過(guò)程帶來(lái)了不便和難度；同時(shí)由于淬火后殘留奧氏體含量較高，回火過(guò)程雖然分解了部分殘留奧氏體，但最終仍含有5%以上的殘奧，導致軸承套圈服役過(guò)程中發(fā)生殘奧的分解，破壞零件的尺寸穩定性，影響服役壽命。

從軸承鋼原材料-軸承零部件加工-軸承裝配和服役過(guò)程全生產(chǎn)鏈角度對其微觀(guān)組織構成和演變進(jìn)行系統研究，包括基體組織、殘余奧氏體、夾雜物、碳化物等，揭示組織結構演變的前后遺傳性，對微觀(guān)組織構成和演變過(guò)程進(jìn)行精確的定量控制，從而提升軸承尺寸穩定性和疲勞壽命，成為軸承行業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本項目從軸承鋼原材料-軸承零部件加工-軸承裝配和服役過(guò)程全生產(chǎn)鏈角度對其微觀(guān)組織構成和演變進(jìn)行系統研究，揭示組織結構演變的遺傳性規律，提出流程工藝精確控制關(guān)鍵點(diǎn)，對微觀(guān)組織構成進(jìn)行精準控制，從而提升軸承尺寸穩定性和疲勞壽命。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

基于用戶(hù)對軸承（鋼）產(chǎn)品加工過(guò)程尺寸穩定性、尺寸精度和疲勞性能的綜合要求，從全流程角度對基體組織、殘余奧氏體和碳化物進(jìn)行精確定量控制，揭示其組織遺傳性規律，實(shí)現殘余奧氏體穩定性提升及組織遺傳性的定量控制，明確加工過(guò)程微觀(guān)相演變（包括球狀碳化物、殘余奧氏體含量與狀態(tài)等）與尺寸穩定性和疲勞壽命的關(guān)系，提出工藝改進(jìn)和調控方向，為工業(yè)化穩定生產(chǎn)和質(zhì)量提升提供精確的工藝參數指導，實(shí)現全生產(chǎn)鏈微觀(guān)相構成和演變的定性/定量控制，促進(jìn)高品質(zhì)、高尺寸穩定性、高疲勞壽命軸承產(chǎn)品的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。

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圖1 主要研究?jì)热莺蛯?shí)施技術(shù)路線(xiàn)

三、主要創(chuàng )新性成果

1.?高品質(zhì)軸承鋼材質(zhì)控制技術(shù)創(chuàng )新。進(jìn)行了基于用戶(hù)應用技術(shù)的高品質(zhì)軸承鋼性能-成分設計；開(kāi)發(fā)了軸承鋼熱加工、球化退火過(guò)程的碳化物精細控制技術(shù)；構建了連鑄坯-軋材-退火材的組織遺傳性關(guān)系，形成了原材料微觀(guān)相組織定量精細控制技術(shù)。

（1）熱力學(xué)平衡相計算及合金元素作用

運用J-Mat pro熱力學(xué)軟件，繪制出軸承鋼的相圖。溫度升高至750℃時(shí)，基體開(kāi)始發(fā)生奧氏體化，溶碳能力驟增，碳化物開(kāi)始溶解（圖2）。

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圖 2 不同溫度下軸承鋼的相組成

（2）鑄坯加熱過(guò)程微觀(guān)相控制

研究解析了不同熱處理溫度時(shí)間和不同生產(chǎn)工序下鑄坯微觀(guān)組織的變化規律。研究表明，隨保溫時(shí)間延長(cháng)，越多的碳化物溶于基體，同時(shí)也捕捉到微觀(guān)組織存在不均勻現象；連鑄坯、軋材、退火材對應的碳化物形貌分別為片層滲碳體（片層間距400nm）、片層滲碳體（片層間距246nm）、球狀碳化物（直徑0.5-2.5μm）（圖3），因此生產(chǎn)工藝參數精準調控和合理匹配是軸承鋼微觀(guān)相組織定量精細控制的關(guān)鍵要素。

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圖 3 不同生產(chǎn)工序下碳化物形貌對比

2. 高品質(zhì)軸承零部件控制技術(shù)創(chuàng )新?；谖⒂^(guān)組織定量控制的軸承零部件尺寸穩定性控制技術(shù)。運用微分數值分析方法得出軸承鋼/軸承熱處理加熱過(guò)程滲碳體和鐵素體的相轉變溶解數學(xué)模型；得出碳化物的體積分數和直徑隨保溫時(shí)間的演變規律，明確了保溫過(guò)程碳化物溶解和擴散的微觀(guān)機制。

軸承鋼/軸承熱處理加熱過(guò)程中任意一個(gè)狀態(tài)都可看成是一個(gè)與時(shí)間和溫度有關(guān)的函數，應用等溫過(guò)程相轉變計算分析的JMAK方程，引入加熱速率對該模型相變動(dòng)力學(xué)參數的影響，建立實(shí)驗鋼加熱過(guò)程的相轉變動(dòng)力學(xué)模型；基于界面局部平衡理論，利用DICTRA分析軟件，建立兩相區保溫過(guò)程碳化物溶解模型。

（1）加熱過(guò)程相變和相構成的定量計算和表征

研究測定了加熱奧氏體化過(guò)程熱膨脹曲線(xiàn)，繪制出時(shí)間-溫度的奧氏體化圖（圖4）。研究表明，當加熱速率不同時(shí)，各相的轉變開(kāi)始溫度不同，相轉變溫度區間有顯著(zhù)的變化。通過(guò)原子層面晶體結構解析模型和數學(xué)模型（圖5）完成加熱相變過(guò)程定量解析。

圖 4 加熱奧氏體化過(guò)程膨脹曲線(xiàn)、TTA曲線(xiàn)

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圖 5 加熱過(guò)程相變過(guò)程定量計算模型

（2）兩相區保溫過(guò)程相構成和演變定量表征

基于已有技術(shù)成果理論，定量表征保溫過(guò)程中相組成的演變規律。研究表明，同一溫度下，隨保溫時(shí)間的延長(cháng)，碳化物比例逐漸降低，且尺寸小的碳化物出現的頻率越來(lái)越高；同一保溫時(shí)間下，加熱溫度越高，碳化物體積及粒子尺寸越?。▓D6）。

圖 6 ?860℃保溫不同時(shí)間后的碳化物顆粒統計分析

為驗證動(dòng)力學(xué)模型計算結果，深入解析碳化物尺寸和體積分數的變化規律，與實(shí)際SEM組織統計結果進(jìn)行比較分析（圖7），計算結果與實(shí)際統計結果變化趨勢相一致，具有較高的吻合性。但總體上來(lái)講，實(shí)際統計數據略低于模型計算結果。840℃、860℃和880℃熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，滲碳體的體積分數分別為3.47%、2.59%和1.41%。840℃保溫時(shí)，經(jīng)過(guò)2h的保溫，仍未達到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而860℃和880℃保溫2h后，滲碳體含量均已達到熱力學(xué)平衡狀態(tài)值。

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圖7 計算值與實(shí)測值比較分析

（3）組織構成和精細表征

研究結果表明，GCr15軸承鋼經(jīng)淬火、回火熱處理，基體馬氏體針之間互不平行，呈一定角度，晶粒大小不均；馬氏體針內存在大量的孿晶亞結構將成為回火過(guò)程中碳原子聚集和析出部位（圖8）。

圖8 淬火組織及內部亞結構

馬氏體內部存在高的應變能和界面能，回火處理提高了原子活動(dòng)能力，使馬氏體內過(guò)飽和的C原子擴散，經(jīng)160℃回火120min，殘留奧氏體含量由6.31%降低至3.84%（圖9）。

圖 9 ?160℃×120min回火后微觀(guān)組織

3.?全流程組織遺傳性控制技術(shù)。建立了軸承鋼原材料與軸承零部件的組織遺傳關(guān)系，通過(guò)改善軸承鋼冶煉-連鑄-控軋控冷工藝，優(yōu)化軸承加工工藝，形成了軸承鋼生產(chǎn)-軸承加工過(guò)程微觀(guān)組織遺傳性控制技術(shù)、軸承套圈加工和熱處理過(guò)程高尺寸穩定性技術(shù)。

GCr15鋼經(jīng)穿管、退火后，細粒狀珠光體組織達到4級，帶狀、網(wǎng)狀均≤1.0級，Ds類(lèi)夾雜物0.5級，內、外表面脫碳層均≤0.2mm，硬度88HRB~90HRB；冷拔管內、外表面脫碳層均≤0.12mm，硬度92HRB~96HRB；GCr15鋼經(jīng)鍛造套圈、熱處理后，組織為細小馬氏體＋均勻細小殘留碳化物+少量殘余奧氏體，碳化物尺寸＜0.35μm。

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圖10 全流程組織演變

項目研究?jì)?yōu)化了軸承鋼生產(chǎn)、軸承加工工藝技術(shù)參數，制定了全流程加工工藝技術(shù)規范，實(shí)現了高品質(zhì)、高尺寸穩定性、高疲勞壽命的軸承產(chǎn)品的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。

四、應用情況與效果

本項目依托特殊鋼電爐生產(chǎn)線(xiàn)、山東軸承產(chǎn)業(yè)基地，聯(lián)合山東理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等單位，開(kāi)展軸承鋼-軸承制造的組織缺陷遺傳關(guān)鍵控制技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)系列突破性的技術(shù)創(chuàng )新，建立了軸承鋼原材料與軸承零部件的組織遺傳關(guān)系，形成了軸承鋼生產(chǎn)、軸承加工過(guò)程微觀(guān)組織遺傳性控制技術(shù)、軸承套圈加工和熱處理過(guò)程高尺寸穩定性技術(shù)，實(shí)現軸承鋼及軸承產(chǎn)品綜合性能的顯著(zhù)提升。

通過(guò)創(chuàng )新成果的應用，取得了良好效果：（1）軸承鋼原材料實(shí)物質(zhì)量明顯改善，GCr15鑄坯中心碳偏析指數平均值在1.05以下，中心疏松1.0級、一般疏松0.5級、中心偏析0.5級，合格率100%；（2）GCr15鋼材碳化物液析0級、帶狀≤1.0級、網(wǎng)狀≤1.5級，夾雜物級別總和≤3.0級；（3）GCr15套圈退火后獲得4級細粒狀珠光體，帶狀、網(wǎng)狀均≤1.0級，Ds類(lèi)夾雜物0.5級，軸承滾動(dòng)體的加工精度、尺寸穩定性大大提高；（4）接觸疲勞壽命L₁₀達到10⁷以上，相關(guān)軸承單元制品已應用于工程機械、冶金機械、礦石機械等行業(yè)。

2021~2023年，累計新增產(chǎn)值66133.33萬(wàn)元，新增利稅15704.04萬(wàn)元，增收（節支）經(jīng)濟效益1506.96萬(wàn)元。本項目研究成果及相關(guān)技術(shù)有效提升了軸承鋼及軸承產(chǎn)品質(zhì)量和穩定性，經(jīng)鑒定項目技術(shù)達到“國際先進(jìn)水平”，具有廣闊的推廣應用前景，有著(zhù)巨大的社會(huì )效益，對推動(dòng)我國軸承行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展起到了重要的示范作用。

信息來(lái)源：山東鋼鐵股份有限公司