超高碳型轴承钢及接触疲劳性能研究

A proposal that ultra-high carbon steels (UHCS)can be used as bearing steels has been proposed in this application. The proposal has broken through the limit that the carbon content of bearing steels can not be higher than 1% . A 1.29%C UHCS has been prepared in laboratory and tests showed that the contact fatigue life is batter for the UHCS than for GCr15 and SKF-3m, a Sweden bearing steel. In addition to carbon content, spheriodization constituents have a geat influence on contact fatigue. For the same 1.29% UHCS,the shperiodization constituent was very fine and uniform with a continuous furnace colling(CFC)treatment, while a relative coarse constituent was obtained with spheriodization technology of heating at 800℃and keeping for 9 hours.However, fatigue test showed that shorter life was dispayed for the UHCS with CFC treatment.The phenomenon is different from the strength principle of structure materials, in which fine,small,uniform and round second phase particles are primary conditions to obtain a high strength and high toughness. In bearing steels,our experiment indicated that fine and small second phase particles have not brought long life in contact fatigue. It is obvious that the behavior of local failure cused by Hertz stress in contact fatigue is different from that entire yeild and fracture failure in structure steels. It can provide not only a new material for bearing industry but also a new knowledge for materials strengthening principle in carring out this study.

本项目提出采用超高碳钢作为新型轴承钢材料的设想，这一提法突破了轴承钢含碳量1% 的上限。实验室制备了碳量1.29%的超高碳钢，预研实验表明超高碳钢比经典轴承钢GCr15和瑞典SKF-3m轴承钢的接触疲劳性能有明显优势。除了含碳量会影响轴承钢的疲劳性能以外，球化组织状态对疲劳性能同样有非常大的影响，同样是1.29%超高碳钢，采用连续炉冷球化工艺获得的球化组织非常细小、均匀，采用800℃保温9小时球化工艺获得的球化组织相对较粗，但是疲劳寿命显示连续炉冷处理的超高碳钢的疲劳寿命较低。这一现象与结构钢的强化原理有点不同，第二相细、小、匀、圆是获得高强度高韧性的必要条件，但在轴承钢中，我们测试地结果表明细小的第二相却没有带来更高的接触疲劳寿命。显然，赫兹应力主导的接触疲劳局部失效与结构钢整体屈服断裂行为不同。开展该项目的研究不仅可以为轴承工业提供一种新型材料，而且可以为材料强化原理带来知识。

我国已是GDP世界第二的制造业大国，但还不是制造业强国。虽然高速铁路已成为国家的靓丽名片，但是高铁机车的轴承全部采用进口，国产轴承的寿命达不到要求，国外产品采取技术封锁，甚至维修更换的轴承也要全部返回。数控精密机床轴承也是大部分采用进口，这将导致国防装备制造技术与水平长期依赖进口产品，关键时期受制于人。.传统轴承钢的含碳量在0.9-1.05%，本项目提出了超高碳轴承钢的概念，含碳量可以达到1.1-1.4%量级。本项目设计并制备了含碳量在1.20-1.31% 3个成分的超高碳钢，系统研究了球化工艺、热处理工艺、各种组织状态对接触疲劳寿命的影响。结果表明在最佳热处理工艺条件下，超高碳钢的接触疲劳寿命是传统GCr15钢和瑞典SKF-3轴承钢的3-5倍，新材料表现出巨大的优势。这一优势的获得不是依靠降低氧含量和钛含量，我们所者制备的材料氧含量在30ppm量级。思路创新，即高的碳含量是获得这一结果的原因。提高含碳量后带来了以下不同的结果：1、未溶碳化物增多，硬度增加。未溶碳化物增加会提高耐磨性，在相同的热处理条件下硬度提高2-3HRc度。2、晶粒显著细化。在相同热处理条件下，超高碳钢的平均晶粒尺寸为6.9μm，而传统GCr15和SFK-3材料的晶粒为13.5μm，细化晶粒可以提高强度与韧性。3、耐回火温度提高。在相同的回火温度下，超高碳钢的硬度高2-3HRc，因此在相同的硬度条件下，回火温度可以提高50-100℃。典型的轴承钢回火温度为160℃，而超高碳钢的最佳回火温度为200℃，这样可以充分释放淬火应力。这些因素都是提高寿命的原因。由于我们的材料氧含量和钛含量都是工业生产的一般水平，这样将大大降低工业生产的难度，降低成本，有利于工业普及。.在实验室工作的基础上，本项目已开展了工业化的实验，完成了小批量超高碳轴承钢的制备、重卡汽车轴承样件加工以及轴承产品的台架疲劳实验。测试结果与实验室材料接触疲劳寿命实验结果吻合，在0.45应力比条件下测试了8倍的额定寿命，传统GCr15轴承通常在0.35应力比台架下测试3倍寿命。目前已完成了工业化规模（60吨）的材料熔炼、轧制，进入到机械加工阶段。待路试合格后将成为新一代轴承钢材料，有望超过传统和进口材料。