2.3　“特钢之王”——高品质重大装备用轴承钢

轴承钢是一种高性能合金钢，主要用于制造滚动轴承的零件，如滚珠、滚柱和轴承套圈等。滚动轴承是机械行业使用广泛、要求严格的配套件和基础件，其在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢具有高而均匀的硬度和耐磨性以及高弹性极限等。近年来，随着高速铁路和风力发电等新兴产业的发展，对轴承的性能提出了更高的要求。我国是轴承钢生产大国，但并不是强国。因为轴承是国家重大技术装备的关键零部件，而目前轿车、高铁、精密机床、大型机械主轴配套轴承等重型装备用的高端轴承一直是中国轴承行业的软肋，长期依靠进口。因此，开发具有自主知识产权的高品质重大技术装备用轴承钢十分必要。

2.3.1　高品质重大装备轴承的生产与应用现状

轴承质量除了轴承结构设计、制造精度外，轴承用钢是关键，其对轴承产品的质量、使用寿命和可靠性能具有至关重要的作用。目前，中国特殊钢生产企业有近100家，特钢市场供大于求的格局已经形成，但产品档次不高，能耗高，名牌产品缺乏，市场竞争力差。生产的多为低附加值轴承钢产品，结果是，在技术含量低的产品市场，供大于求；在技术含量较高的产品市场，国内高质量轴承钢的供应仅为需求的1/10，主要依赖进口。因此，开发、应用高附加值轴承钢，提高产品竞争力刻不容缓。

近年来中国高速铁路迅猛发展，但时速超过200km的高速列车轴承全部进口。同时，随着“十二五”期间中国建设规划的规模将进一步提高，高速客运专线、城市地铁建设将步入高速发展时期。对轨道建设施工设备的需求将迎来高峰，中国已经成为世界最大的盾构机市场，而目前在中国盾构机市场上国外盾构机的占有率高达95％以上。面对广大的市场应用前景，盾构机国产化替代进口是未来的目标和主要任务。另外，在传统能源的相对匮乏、环境压力以及地缘政治的强烈不安全感，使得各国在发展包括风电在内的可再生能源方面不遗余力。按照中国能源发展战略，在“十二五”期间，将建设陆上和海上大型风电基地，新建装机7000万千瓦以上。风电产业的快速增长，为风电设备的发展提供了强有力的支撑。

无论是高速列车系统、风电设备还是盾构机国产化，滚动轴承是其共同的重要关键基础件，目前这些高端轴承国内都不能提供，完全依赖进口。因此，加速高端轴承的科技研发，尽快实现国产化以替代进口，满足配套势在必行。

2.3.2　轴承钢的工作条件与基本性能要求

滚动轴承零件以点接触或线接触的形式，在高的交应接触应力下长期工作。其工作部位多处于主机的“心脏”或“关节”等要害处。接触疲劳破坏是轴承正常破坏的主要形式。因此，主机的精度、寿命和可靠性很大程度上决定于轴承。无论是应用在高速列车、风力发电还是大型机械设备上的滚动轴承，以下是对于轴承钢性能的基本要求。

（1）高的接触疲劳强度

滚动轴承运转时，滚动体在轴承内、外圈的滚道间滚动，其接触部分承受周期性交变载荷，多者每分钟可达数十万次，在周期性交变应力的反复作用下，接触表面出现疲劳剥落。滚动轴承开始出现剥落后便会引起轴承振动、噪声增大、工作温度急剧上升，致使轴承最终损坏，这种破坏形式称为接触疲劳破坏。因此，要求滚动轴承用钢应具有高的接触疲劳强度。提高轴承的寿命，目前在学术界有两种理论：一种是要提高轴承零件滚动面的硬度，增加其耐磨性和抗疲劳强度；另一种是滚动面的硬度无须提高，而是建立缓冲区，提高自润滑性，从而达到抗磨的作用。

（2）高的耐磨性

滚动轴承正常工作时，除了发生滚动摩擦外，还伴有滑动摩擦。发生滑动摩擦的主要部位是滚动体与滚道之间的接触面、滚动体和保持架兜孔之间的接触面、保持架和套圈引导挡边之间以及滚子端面与套圈引导挡边之间等。滚动轴承中滑动摩擦的存在不可避免地使轴承零件产生磨损。如果轴承钢的耐磨性差，滚动轴承便会因磨损而过早地丧失精度或因旋转精度下降而使轴承振动增加、寿命降低。因此，要求轴承钢应具有高的耐磨性。

（3）高的弹性极限

滚动轴承工作时，由于滚动体与套圈滚道之间接触面积很小，轴承在承受载荷时，尤其是在承受较大载荷的情况下，接触表面的接触压力很大。为了防止在高接触应力下发生过大的塑性变形使轴承精度丧失或发生表面裂纹，要求轴承钢应具有高的弹性极限。

（4）高而均匀的硬度

硬度是滚动轴承的重要指标之一。它与材料接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限有着密切的关系，直接影响着滚动轴承的寿命，轴承的硬度通常要根据轴承承受载荷的方式和大小、轴承尺寸和壁厚的总体情况来决定。滚动轴承用钢的硬度要适宜的高而均匀，过大或过小都将影响轴承使用寿命。众所周知，滚动轴承的主要失效形式是接触疲劳破坏，以及由于耐磨性差或尺寸不稳定而使轴承精度丧失；轴承零件如缺乏一定韧性，在承受较大冲击载荷时又会由于发生脆断而导致轴承的破坏。所以，一定要根据轴承的具体情况和破坏的方式来确定轴承的硬度。对于由于疲劳剥落或耐磨性差使轴承精度丧失的情况，轴承零件应选用较高的硬度；对于承受较大冲击载荷的轴承（例如轧机轴承、铁路轴承和一些汽车轴承等），应适当降低硬度以提高轴承的韧性是十分必要的。一般认为，洛氏硬度在62（HRC）左右可得到高的接触疲劳寿命。

（5）一定的冲击韧度

滚动轴承在使用过程中都会受一定的冲击载荷，因此要求轴承钢具有一定韧性，以保证轴承不因冲击而破坏。对于承受较大冲击载荷的轴承要求材料具相对较高的冲击韧度和断裂韧度，这些轴承有的用贝氏体淬火热处理工艺，有的用渗碳钢材料，就是为保证这些轴承具有较好的冲击韧度。

此外，还需要加工性好。根据用途不同，还有要求其耐热性、耐腐蚀性好等。

2.3.3　高品质轴承钢的发展与质量控制

近几十年来，工业发达国家在轴承用钢的开发及生产应用方面可大致分为2个方面：大多数是以采用新的冶炼技术和装备或对传统的冶炼工艺和装备进行改进，降低钢中氧含量及夹杂物的数量，改善夹杂物的分布、尺寸和形态，改善结晶状态等，以提高原有钢种的冶金质量，生产长寿命、纯净或超高洁净钢；另外，也有采用对原有钢种的化学成分进行改进或开发全新轴承用钢，以满足不同使用场合对轴承越来越高的性能要求，或在具有同样性能的前提下降低材料费用和整个轴承的生产成本。

轴承用钢的质量是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢种。就应用范围广的高碳铬轴承钢GCr15而言，尽管是已开发出近百年的老钢种，但其高纯净度、组织均质化控制和性能稳定保证，仍是高技术水平的最好体现。从轴承钢冶金质量方面：必须保证严格的化学成分，极低的氧含量和残余元素含量，特别要保证高的洁净度，尤其是要降低对轴承寿命有严重危害的脆性夹杂物的尺寸及数量，严格控制铸坯的内部疏松、偏析、显微孔隙等。对于轧（锻）材及热处理工艺控制，严格控制表面脱碳层，要严格控制钢的组织均匀性和碳化物分布的均匀性；控制淬火组织中马氏体碳含量、形态及体积量，控制碳化物颗粒尺寸和弥散分布状态，严格控制残留奥氏体量以保证轴承钢性能。同时对钢材的尺寸精度也有严格要求。

（1）轧材质量控制

轴承钢轧材产品质量控制的目标可归纳为纯净化、精细化和均匀化。其中冶金和凝固过程通过窄成分控制、低有害元素含量、碳化物液析、元素偏析带状、结晶组织缺陷、夹杂物控制等以获取洁净钢。后续轧制锻造工序通过控轧控冷实现形变组织的均匀化和精细化控制。但需要强调的是，由于元素偏析引起的组织均匀性问题，轧制变形过程改善有限，仍然是冶金和凝固过程起决定作用。

①纯净度

a.氧含量及其波动偏差的控制　轴承零件的疲劳剥落与钢中非金属夹杂物有关，特别是氧化物影响更大。研究表明，当氧含量从非精炼钢的40×10-6降到精炼钢的10×10-6时，轴承的疲劳寿命可提高10倍；若氧含量降到5×10-6，轴承疲劳寿命是非精炼钢的30倍，与真空自耗和电渣重熔钢相当。这是由于滚动轴承转动时轴承零件接触面在脉冲负荷作用下，非金属夹杂物使钢的基体组织连续性的局部破坏，引起内应力集中，在非金属夹杂物周围出现塑性变形，并形成微裂纹。另外，轴承钢中气体（氧、氮、氢）含量的多少也是衡量纯净度的一个重要指标。溶解在钢中的氧随温度降低析出并与铝、钙、硅、锰等元素形成氧化物夹杂，氮在钢中形成非常弥散的氮化铝夹杂和较粗大的氮化钦及碳氮化物夹杂，当聚集的氢原子结合成氢分子后产生极大的压力，一旦超过钢的强度极限就会产生内裂，形成白点。降低气体含量是提高轴承钢纯净度的重要一环。瑞典SKF公司OVAKO厂生产的高品质轴承钢中氧含量为5×10-6，夹杂物含量达到极低的程度。日本神户钢铁公司和大同特殊钢公司的全氧含量分别达到4×10-6和5×10-6，日本山阳特殊钢厂轴承钢全氧含量已可控制在5×10-6以下，氧化物夹杂可控制在11μm以内，其接触疲劳寿命比普通轴承钢的寿命大幅度提高。我国大冶和兴澄特钢公司生产的高品质轴承钢氧含量分别达（6.5～6.7）×10-6、（7～9）×10-6。我国轴承钢氧含量的波动偏差多在2×10-6以上，而瑞典SKF轴承钢的氧含量波动偏差为0.6×10-6。研究者认为现在的高品质轴承钢中全氧含量需控制在10×10-6以下，实际生产中的波动控制在（±1.5）×10-6；铸锭中的平均全氧含量应控制在（2～5）×10-6。近年多我国轴承企业已相继建成投产超高功率电弧炉，采用先进的偏心炉底出钢技术，进行二次精炼，使钢中氧含量降到10×10-6左右，个别最低氧含量降到（4～5）×10-6。二次精炼比也达到100％。因此，钢中夹杂物的数量得到一定的控制。

b.钛含量的控制　研究发现，钛型夹杂物危害很大，因碳氮化钛、氮化钛等夹杂物具有很高刚性，并在几何形状上呈棱角状，因而极易造成应力集中，诱发疲劳裂纹。此外，氮化钛比氧化物更容易产生偏析。因此，现在高质量轴承钢都增加了对钛含量的规定，通常要求小于30×10-6，先进水平可达6×10-6左右。

c.硫含量的影响　有关硫含量的影响一直存在两个方面不同看法：一方面认为硫化物较软，几何形状一般呈椭球状，且能够包裹危害较大氧化物形成共生夹杂，使拉应力松弛即产生裂纹的倾向性降低，故对疲劳寿命的不利影响很小甚至还可能有益，可以对硫含量从宽控制；另一方面也发现，在氧和钛元素含量均较低（氧含量小于10×10-6和钛含量小于30×10-6）时，硫含量高时将对轴承疲劳寿命产生不利影响，且随硫含量的降低，对氧含量的降低也较容易控制，因此还是应从严控制。

d.高纯净度钢的寿命离散性及可靠性　氧含量降至10×10-6甚至6×10-6以下的高纯净度钢，其疲劳寿命分散性会更大，有时会严重影响对可靠性水平的控制。这是由于尽管钢中非金属夹杂物等缺陷很少，但若出现在工作表面上或最大应力的次表面区域中，将导致轴承很快出现早期疲劳剥落。这其中，所存在的极少量大尺寸非金属夹杂物（实质是在非金属夹杂物周围形成的疲劳损伤区域中的裂纹长度），对于无异物混入的清洁润滑环境下工作的轴承而言，更是主要原因。因此，采用新的夹杂物评定方法，如极值统计法来替代原ASTM E45法等，以改善炼钢工艺技术，控制非金属夹杂物的数量、尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夹杂物的数量及出现在工作表面上的概率，对于显著减小轴承寿命的离散性，即提高轴承寿命的可靠性是非常有效的。

②化学成分和碳化物的均匀性　钢锭结构、锭重、浇铸温度、铸锭方法等影响钢中化学成分的分布状态。钢锭、钢坯在热加工前的加热工艺、钢材热加工终止温度及随后的冷却方式、球化退火工艺等影响碳化物的均匀性。

根据轴承钢中碳化物不均匀性在显微组织上的形状、分布及其形成原因，可分为液析碳化物、带状碳化物及网状碳化物，液析碳化物的危害性相当于钢中的夹杂物，带状碳化物评级达到3～4级可使钢材疲劳寿命降低30％。网状碳化物升高1级，可使轴承寿命降低1/3，碳化物颗粒大小直接或间接影响轴承寿命。液析碳化物、带状碳化物、网状碳化物评级的级别是衡量碳化物均匀性的指标。

因此，应采用多种措施来细化均匀碳化物。电磁搅拌、均匀化（高温扩散）退火、控轧控冷、可控气氛连续球化退火等。压缩比也是保证碳化物细化均匀、提高材料致密度、改善材料力学性能和疲劳强度的一个重要手段。轴承钢坯，尤其是对于连铸坯，需要加大压缩比来改善其芯部缺陷。如对于普通碳素钢的连铸坯，压缩比为4～6时就可满足要求；对优质碳素钢、合金钢连铸坯，最小压缩比不低于10即可；但对于轴承钢连铸坯，套圈用料一般需保证压缩比为12～15，滚动体用料达30～50，要求更严格的为：套圈用料压缩比15以上，滚动体用料压缩比50以上（有的可达到65）。

③钢材的尺寸精度及表面质量　改善钢材尺寸精度不仅提高轴承材料利用率，也减少不必要的切削加工。部分钢厂采用短应力线等高刚度轧机，钢材断面尺寸偏差大幅度下降，直径30mm以下圆钢，直径偏差可达0.3mm左右。

轴承的寿命及可靠性与轴承的结构设计、所用材料、冷热加工工艺及装备、安装及使用条件等因素有关，其中，材料与热处理是影响轴承寿命及可行性的主要因素之一。由于材料和热处理工艺的影响，像材料强度低、纯度差、金属材料纤维组织取向不合理、硬度低、锻造比不合适、残余应力大等因素极易使轴承损坏。国外钢材质量对轴承寿命的影响在20世纪50～60年代约占50％，80年代缩小到1/3。我国目前受工艺及装备的影响，轴承钢材质量对轴承寿命的影响约占60％，故对于轴承生产企业来说，选择合格、优质的轴承材料也是提高轴承寿命的关键因素之一。

④中心偏析与疏松　轴承钢的主流生产工艺流程已从模铸钢走向连铸钢，但连铸钢存在的一个最大问题就是中心偏析和疏松。中心偏析和疏松对于套圈、滚子等零件影响不大，但对于料芯部位仍不可避免地处于工作表面的钢球就十分有害。采用轻压下技术，同时配备中间包等离子加热和电磁搅拌等技术，确保最佳工艺条件下的最佳压下位置，对改善中心偏析与疏松的效果最为显著。

⑤金属流线　金属纤维流线应致密，还应尽量保证与滚动表面平行，特别应控制流线断头不能垂直露出工作表面，否则将降低轴承的疲劳寿命。

（2）热处理质量控制

轴承钢最终成品组织性能是各工序综合系统控制的结果，涉及冶金、轧制和最终热处理等工艺过程，在轧材纯净化、精细化和均匀化控制的基础上，如果通过热处理发挥材料强韧性潜能也十分重要，而根据钢种的不同，其热处理控制关键也有所差异。

①严格控制退火组织　锻造加工后退火组织的金相显微镜检查的放大倍数通常规定为500倍，为严格控制退火组织，保证其为细小均匀的球化组织，避免片状碳化物存在，应在1000倍下进行检查评定。

②硬度匹配　热处理后的表面硬度不仅仅是达到标准要求范围，而是要关注轴承套圈与滚动体的匹配问题。滚动体的硬度应控制在范围上限，而套圈的硬度应控制在范围下限，以保证滚动体的硬度高于套圈1～2（HRC），使轴承在运转中，尺寸与形状精度更高的滚动体可以对滚道起到“冷辗整形”作用，进一步提高轴承的疲劳寿命。

高硬度要求——精密轴承的应用场合一般是轻载高速，磨损寿命是主要评价指标，因此硬度可偏于范围上限。

低硬度要求——用于冲击、重载等工况条件，如轧机、离心浇铸机及石油钻机等配套轴承，断裂比疲劳和磨损等危害更大。因此其硬度应偏于范围下限，甚至可牺牲疲劳性能，降低至58（HRC）以下。

③残余奥氏体　轴承钢常规热处理后残余奥氏体在9％左右时最有利于轴承力学性能和疲劳强度的提高。但在齿轮箱等具有大量污染颗粒的条件下，在工作表面层保留稳定的残余奥氏体为30％～35％时，可以利用奥氏体易变形的特点来降低接触压痕边缘的应力集中效应，使表面疲劳源不易形成及扩展，从而提高轴承的疲劳寿命。

④高碳铬轴承钢　对于高碳铬轴承钢棒线轧材，以GCr15为例，其无网状碳化物的索氏体组织控制十分重要，再经球化退火后组织中碳化物形态规则、尺寸细小、分布均匀，从而可在热处理后形成具有良好强韧性匹配和合理硬度的淬火组织——高硬度马氏体基体上均匀弥散分布细小碳化物。

⑤中碳渗碳轴承钢　G20CrNi2Mo是应用较为广泛的渗碳轴承钢，其热处理过程包括渗碳、淬火、低温回火，以进行表面强化，形成表层硬度高、心部韧性好的复相组织，获得从表面到基体的合理硬度梯度，以使其能够承受大的冲击载荷、接触应力和磨损，明显提高轴承的抗疲劳寿命。比较典型的G20CrNi2Mo热处理工艺如下：渗碳（930±10）℃→高温回火（600～650）℃×10h回火→淬火（800～820℃，油冷）→低温回火（160℃×12h）。渗碳过程需要控制的关键参数有强渗温度、强渗时间和扩散时间，以及各阶段的碳势控制。渗碳的目的在于获得合理的表面碳含量、有效淬硬层深度以及表面到基体的碳含量合理分布，为表面到基体的组织过渡奠定基础。高温回火主要是基于后续机加工的需要所进行的工艺回火，但其亦对表面高碳区域的碳化物形态有一定影响，进而影响淬火后表面显微组织特征。淬火过程是保证合理的表面硬度、表面到基体的硬度梯度分布以及获取从表面到基体不同位置组织过渡的关键。在表面高碳区域，淬火温度的确定需兼顾高碳马氏体组织细化以及碳化物的溶解，控制合理的残余奥氏体体积分数，保证高的疲劳强度和一定的耐磨性，通过高碳马氏体相变体积膨胀，在表面形成有利于疲劳寿命的残余压应力层。基体获得低碳马氏体组织，保证良好的疲劳强度和耐冲击性能的匹配。过渡区组织满足合理的硬度梯度过渡以及疲劳强度过渡，从而配合与衔接高碳马氏体表面与低碳马氏体基体，经低温回火去除残余应力后，得到良好的综合性能。

与G20Cr2Ni4渗碳钢相比，G20CrNi2Mo钢的渗碳工艺稳定，表面硬化性能优于G20Cr2Ni4，且热处理变形趋势小，残余奥氏体含量合理。即通过合理的渗碳热处理工艺控制，G20CrNi2Mo渗碳轴承钢可获得优良的强韧性和疲劳性能。

2.3.4　高品质重大装备轴承钢应用例解

（1）高速铁路列车轴承用钢

①高铁轴承的性能要求　高速铁路客车轴承必须具有在加速度运转条件下的高可靠性、耐冲击性和变轴向负荷承载能力。因此铁路机车用轴承必须能够承受较大冲击负荷，表面必须具有高强度和良好的耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。速度为320km/h的高速铁路客车轴承的主要技术指标为：轴承寿命350万～500万千米、可靠度50万千米为99％。列车运行40万千米检查一次，80万千米再检查一次，120万千米大修。除了轴承设计、轴承润滑等研究方面外，提高轴承在高速运转下的寿命可靠度是开发重点之一。

②铁路轴承用钢品种　瑞典、德国、美国和日本等都是当今世界上的轴承工业强国，尤其在铁路车辆滚动轴承方面，其技术先进，制造水平高，产品质量好。欧洲标准在技术先进性，结构完整性，叙述完整性，使用方便性方面比美国标准更具优势。常用的轴承钢有高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢和不锈轴承钢等。目前应用最广泛的是高碳铬轴承钢，如我国的GCr15钢和GCr15SiMn钢。对于壁厚>12mm或外径≥250mm的轴承套圈及直径>22mm的辊子，规定必须采用GCr15SiMn钢，因其淬透性好，表层和心部的硬度几乎相等，洛氏硬度均可在60（HRC）以上。但是铁路机车上的使用经验表明，这样的硬度分布，对承受剧烈冲击负荷的轴箱轴承并不合适，内外套圈和滚子脆性大，冲击韧性低，容易发生裂损。相较而言，GCr15钢淬透性相比GCr15SiMn较差，但经适当热处理后，表层洛氏硬度可达60～63（HRC），而心部较软，这样，既能保证轴承有足够的疲劳寿命与磨损寿命，又具有承受冲击负荷的优良性能。此外，有关研究还表明，在相同回火温度下，GCr15SiMn钢的残余奥氏体含量比GCr15钢高。GCr15经淬回火后，残余奥氏体一般为百分之十几，而GCr15SiMn钢热处理后的残余奥氏体高达百分之二十几。较高的残余奥氏体含量导致轴承尺寸的不稳定，轴箱轴承常因此产生内孔直径的胀大，使轴承与轴颈的配合过盈量得不到保证，从而出现透锈和弛缓现象。

另外，我国研究者针对GCr15SiMn钢淬透性低的不足，又开发了高淬透性和淬硬性轴承钢GCr15SiMo，其淬硬性≥60（HRC），淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo钢的接触疲劳寿命L10和L50分别比GCr15SiMn钢提高73％和68％。近年来，我国还开发了节约能源、节约资源和抗冲击的GCr4轴承钢，与GCr15钢相比，GCr4钢的冲击值提高了66％～104％，断裂韧度提高了67％，接触疲劳寿命L10提高了12％。GCr4钢轴承采用高温加热-表面淬火热处理工艺，与全淬透的GCr15钢轴承相比，GCr4钢轴承的寿命明显提高，可用于重载高速列车轴承。

采用科学的冶炼方法也能有效地提高轴承材料的性能。在《铁路机车滚动轴承技术条件》中已规定轴承套圈和滚动体应采用真空脱气钢。这种钢的氧和非金属夹杂物约减少1/2。采用真空脱气钢的轴承，其疲劳寿命比普通轴承钢高0.5～3.0倍以上，而其价格却只贵10％左右。而电渣重熔钢在夹杂物细化、凝固组织致密和偏析的减少方面具有明显优势。G20CrNi2Mo渗碳轴承钢是优质低碳合金钢，它具有切削、冷加工性能良好、耐冲击、渗碳后耐磨、接触疲劳寿命高等优点。采用G20CrNi2MoA渗碳轴承钢制造的轴承，除表面具高硬度、耐磨性、高疲劳强度、良好尺寸稳定性外，轴承内部还具有高的韧性，可用于制造承受冲击较大铁路机车用轴承。美国渗碳轴承钢产量达到轴承钢总产量的30％，日本为10％～15％，而中国还不到5％，用G20CrNi2Mo钢制造的铁路轴承，每年的需求量约130万套，用钢15万吨左右，渗碳轴承钢在中国存在着巨大潜在市场及发展前景。

（2）风电轴承用钢

①风电轴承的性能特点　风电轴承大致分3类，即偏航轴承、变桨轴承、传动系统轴承。由于风电轴承的工况条件较恶劣，经受温度、湿度和载荷变化范围很大，偏航和变桨轴承要承受很大的倾覆力矩，增速器轴承在启动和制动时要承受很大的冲击载荷，因要求风电机组在风速达3～4m/s的条件下即能启动发电，故轴承应具低摩擦力矩、高运转灵活性的特点。另外，由于吊装和更换轴承极为不便且成本较高，一次安装拆卸费用即高达几十万到上百万元人民币，因此，20年的使用寿命及高可靠性，就成为对风电轴承的基本要求。风电主轴轴承的要求无故障运转达13万小时以上，并具有95％以上的可靠度。据统计，齿轮箱故障中约80％左右是由轴承失效所致。目前，我国风电设备的国产化率为50％左右。国内生产风电轴承用钢的企业有宝钢特钢、兴澄特钢和湖北新钢等。

②国内外风电轴承用钢

a.偏航和变桨轴承　不同部位轴承采用不同材料及热处理，偏航和变桨轴承采用40CrMo、42CrMo钢等。如何提高其低温（环境温度-40～-30℃，轴承工作温度在-20℃左右）冲击功等力学性能是关键。轴承热处理工艺应关注：表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹尤其是齿根部位裂纹的控制。由于此类轴承技术难度相对较低，准入门槛低，轴承国产化率可达80％以上。

b.增速器轴承和主轴轴承　主要依靠进口。我国少数企业尚处研制阶段。增速器轴承由于承受的扭矩和转速波动范围大、传输负载易突变、箱体质量与安装空间有限制、安装平台存在柔性变形等，因而与传统的重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。目前，在各部件失效造成风力发电机停机中，增速器失效所占比例最高，为20％左右。增速器在工作过程中，齿轮磨损产生的微小金属颗粒在轴承工作表面形成压痕，压痕边缘形成高的应力集中，成为疲劳源，最终导致剥落，缩短轴承使用寿命。

我国机械行业标准规定增速器轴承的套圈和滚动体采用电渣重熔冶炼的高碳铬轴承钢GCr15SiMn和GCr15SiMo，按《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》的规定进行热处理。对于GCr15SiMn和GCr15SiMo钢，由于Si、Mn等元素含量提高，更容易引起铸坯偏析，因此在冶炼中要采用有效措施控制偏析。同时，非金属夹杂物成为制约轴承钢性能的关键因素。提高钢的纯洁度，降低夹杂物含量，改善夹杂物的性质和形态以减轻其对钢的危害。GCr15SiMn和GCr15SiMo钢制成的轴承失效主要是由于成分偏析及夹杂物引起的，同时也应采用合理的热处理工艺。因此，应严格控制轴承钢的冶金质量，并优化设计合理的热处理工艺。来保证其获得合格力学性能和提高其疲劳寿命。GCr15SiMn和GCr15SiMo相比，后者淬透性更好些。总体来说，我国风电回转支撑轴承材料一般采用GCr15、GCr15SiMn、38CrMoAl、40CrNiMoA、12CrMoG、H13等。

（3）盾构隧道掘进机轴承

盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。盾构主轴承是盾构机的关键部件，使用在盾构刀盘系统上。由于盾构机在既定施工段不允许失效，盾构主轴承的寿命和可靠性直接影响盾构机械的施工安全，几乎等同于盾构机的寿命。目前，盾构机主轴承依靠进口，美国TIMKEN占有份额较大，滚动体采用钢种为GCr15SiMn，套圈则采用42CrMo或渗碳钢G20CrNi2Mo。

近年来，国产盾构机有了长足的发展，北方重工、上海隧道股份、第二重型机械集团公司、大连重工起重集团和首钢集团、武汉重工集团有限公司等企业也相继进入了盾构机装配制造行列。盾构技术的国产化离不开其关键部件——主轴承的国产化，盾构主轴承的自主研发制造能否跟得上，将成为促进或制约中国盾构技术发展的关键因素。

（4）航空、航天轴承

①航空轴承用钢　我国每年航空轴承用钢的需求量约为1115t，其中高温轴承钢15～20t。表2-23为航空轴承钢不同部位轴承所需的钢种。

②航天轴承用钢　航天轴承包括火箭、卫星、飞船等特种用途的轴承。我国航天轴承每年使用钢材约15t，其中，中小型轴承主要使用不锈轴承钢9Cr18、9Cr18Mo，每年约需10t；微型轴承主要使用高碳铬轴承钢GCr15，每年约需5t。

③大飞机轴承用钢　中国大飞机项目启动，预计到2020年，需要新增干线客机1600架左右，平均每架飞机轴承成本为307.5万元。其中，主要是高温轴承，年销售额为4.92亿元，轴承钢年销售额2.46亿元。

（5）汽车轴承

我国汽车轴承材料大量使用的是高碳铬轴承钢GCr15和渗碳轴承钢20GrNiMoA。其中轮毂轴承使用S55C（SAE1055）轴承钢，仅宝钢特钢年产销量就达到3万吨以上。

2.3.5　高品质轴承钢的发展趋势

“十二五”期间，国家把高品质轴承钢等特殊钢作为战略性新兴产业，这是从根本上改变中国轴承钢落后面貌、整体提升我国轴承钢等特殊钢产业技术水平和战略产品研发水平的重要机遇期。因此，要依靠国家重点科技计划，建立起产-学-研-用战略研发联盟，采用先进轴承钢产业发展理念，开发、应用高品质轴承钢，顶替进口，并用高端轴承钢控制技术支撑钢铁企业做强，提高中国轴承钢产品竞争力，满足国家重点工程需求：一是要提高高品质重大技术装备用轴承钢的使用寿命和降低成本，向高洁净度和性能多样化方向发展。同时，还应为适应高温、高速、高负荷、耐蚀、抗辐射等特殊要求，进一步研发高温轴承钢和不锈钢轴承等高端产品等。

具体而言，高品质轴承钢的发展方向如下。

（1）减少轴承钢钢材成分波动范围，提高质量一致性

我国轴承钢制造企业今后应该把提高不同炉次轴承钢的成分一致性作为重要研究课题，对工艺过程进行统计过程控制，提高过程能力和工艺稳定性，从而减少钢材成分波动，提高质量一致性，为后续加工和提高我国轴承的质量奠定良好的材料基础。

（2）研制适合制造大型轴承的高碳铬和渗碳轴承钢新钢种及相应热加工和热处理技术

瓦房店轴承集团有限责任公司基于我国轴承钢的研究成果、借鉴国外轴承钢经验、结合我国轴承行业目前及今后的发展需求，综合考虑材料成本、加工成本及材料的经济批量，与国内一些轴承钢制造企业合作，研制了ZWZ11、ZWZ12、ZWZ13、ZWZ14、ZWZ15等轴承钢新钢种，与我国现有的高碳铬轴承钢和渗碳轴承钢钢种一起组成比较完整的高碳铬轴承钢和渗碳轴承钢系列，基本满足我国目前及今后几年轴承制造需求。同时，也对这些新钢种相应的热加工和热处理技术进行了初步研究。这些新钢种已经成功应用于轧机轴承，风电增速机轴承和风电主轴轴承等质量和性能要求极高的高端轴承。

今后应加速对这些新钢种的各种性能参数、热加工和热处理技术进行系统研究，并将这些新钢种尽快纳入国家标准，在轴承行业推广应用，形成经济批量，降低采购成本。

（3）提高我国轴承钢整体质量水平，满足制造高端轴承的需求

①对轴承钢中有害元素进行严格的检测和控制。

②研究轴承钢的冶炼和检测先进技术以提高其纯净度。

③深入研究大尺寸轴承钢棒材的技术要求及加工技术。

（4）提高轴承钢热加工和热处理技术水平

①深入研究大尺寸轴承钢棒材的技术要求及加工技术。轴承行业应与钢铁行业联合，深入研究大尺寸轴承钢棒材的技术要求及加工。

②加强钢厂和轴承企业联合对大型轴承锻件进行深入系统的研究。形成明确的技术要求和技术标准。

③改进轴承零件退火组织。我国轴承行业应对轴承锻造工艺过程进行深入研究，严格控制零件的始锻温度及终锻温度，控制锻后冷却速度，细化锻后组织，防止网状碳化物析出。

④研究高碳铬轴承钢制特大型轴承零件淬火后的心部硬度、硬度梯度和显微组织及其对轴承零件的影响。国外某企业对高碳铬轴承钢制森吉米尔轧机轴承套圈淬火后的表面硬度、心部硬度、硬度梯度和显微组织及其对轴承零件的影响进行了深入研究，通过控制轴承钢淬透性和淬火冷却速度，得到表面硬度、心部硬度、硬度梯度和显微组织良好配合，使制造的森吉米尔轴承具有超越渗碳钢森吉米尔轧机轴承的性能，取得了低成本高性能的最佳效果。

⑤研究特大型轴承零件的轴承钢种和热处理工艺选择原则。研究选择合适的轴承钢种和热处理工艺，解决特大型轴承零件淬火后变形大、尺寸涨缩波动大、硬度偏低、同一零件硬度不均匀、不同零件硬度波动大等质量问题，提高特大型轴承零件热处理质量。

⑥研究新热处理方法，调控轴承零件组织和性能，提高轴承零件的热处理质量。针对轴承零件服役条件和失效形式，研究新热处理方法，对组织和性能进行调控，提高轴承零件的质量和性能。为更好满足大型轴承零件的热处理技术要求，提高特大型轴承零件的热处理质量，瓦房店轴承集团有限责任公司研究了一种新的热处理方式——马贝复合组织淬火（如图2-17所示）。马贝复合组织淬火组织为马氏体+下贝氏体+少量残留奥氏体+少量残余碳化物。淬火工艺：加热温度830～880℃（具体温度根据钢种和零件尺寸确定）；保温时间根据工件壁厚确定，每100mm，保温0.6～0.8h，最少保温10min；采用冷却能力足够的淬火介质（主要是淬火油或盐浴）并进行适当搅拌，确保工件以大于临界冷却速度的冷速冷到Ms点与Mf点之间某一温度Md，并等温一定的时间，保证工件心部也冷到Md，使工件内奥氏体部分转变为马氏体，Md温度越低，奥氏体转变成马氏体的量越多；在工件心部到温后，立即将工件转入适当的介质（例如热油或盐浴）内加热到下贝氏体转变温度，并等温一定的时间（约4h），使工件内残留奥氏体转变为下贝氏体，并使已形成的马氏体回火。Ms点温度和Mf点温度主要由钢种和加热条件确定，高碳铬轴承钢Ms点和Mf点温度分别在220℃和-70℃左右。

（5）对于高碳铬轴承钢

应提高钢材纯洁度和碳化物的均匀性；研发含氧量约2～3μg/g、含钛量小于6μg/g的高洁净轴承钢。

（6）对于渗碳轴承钢和中碳轴承钢

应开发能适应特殊服役条件的钢种。

（7）对于不锈轴承钢

应开发耐蚀、耐热的多用途马氏体不锈轴承钢。

（8）对于高温轴承钢

开发航空、航天等领域用的钢种及渗碳高温轴承钢。