高温不锈渗碳轴承钢的研发现状与进展

郑凯^1,2，曹文全¹，俞峰¹，王存宇¹，钟振前²，徐海峰¹

(1. 钢铁研究总院有限公司特殊钢研究所， 北京 100083；2. 钢研纳克检测技术股份有限公司， 北京 100083)

摘要：航空用轴承钢向耐高温、耐腐蚀、高承载、长寿命方向发展，现役的M50轴承钢存在强度高但韧性和耐蚀性不足的问题；M50 NiL渗碳轴承钢虽然通过降低碳含量和调整合金成分来提高韧性，但仍越来越无法满足高推重比的航空发动机的发展需求，并且耐蚀性不足问题也未解决。高铬不锈轴承钢BG-42和高氮Cronidur30轴承钢虽然抗腐蚀能力好，但是表面硬度和心部韧性仍不足。以CSS-42L钢为代表的高温不锈渗碳轴承钢拥有高强韧性和优良耐蚀性能，不仅在航空轴承应用上极具竞争优势，而且也可应用于在高温或腐蚀性环境下使用的齿轮、轴和紧固件等，但是国内外相关研究工作仍不足且缺乏系统性，因此对其研发现状进行综述和总结尤为重要。从航空用高温轴承钢发展历程出发，详细介绍了国内外高温不锈渗碳轴承钢的研发背景和合金成分设计思路；综述了铬、钴、钼、镍、钒、钨等主要合金元素对组织和性能影响规律，其中钴的加入虽然不直接参与析出强化，但能够起到抑制δ-铁素体形成和促进弥散析出的特殊作用；分别从表面渗碳和心部材料两个方面，揭示了调控热处理工艺对微观组织和强韧性的影响规律。在此基础上，针对国内外高温不锈渗碳轴承钢基础理论和制造工艺研究的不足，提出了优化合金成分、突破渗碳热处理技术，以及加强不同工况下组织演变、疲劳损伤和破坏机理研究的研发方向。

关键词：轴承钢； 马氏体； 成分设计； 热处理； 渗碳； 高强韧性

1 高温不锈渗碳轴承钢的研发背景

随着航空航天工业发展，对更高速喷气发动机、燃气轮机和宇航飞行器等的需要愈益迫切，对应装备的轴承的工作温度将越来越高，如20世纪80年代，飞行速度已达到3 mach(1 mach = 1 190 km/h，相当于空气中的音速)的巡航飞机使用轴承的工作温度达316 ℃。航空发动机向高推重比发展，国外正在研发推重比为15~20的航空发动机主轴轴承，中国则仍在进行10~12推重比的航空发动机轴承研制。提高推重比的技术途径为提高发动机主轴转速，转速的提高要求增加轴径，以使其具有更高的抗弯与抗扭刚度，这必然使轴承所承受的DN数值(轴承内径D和转速N的乘积)提高；飞机主轴轴承的DN值在不断提高，20世纪50年代的DN值为1.5×106，至70年代中期，DN值升高至大于2.4×106，80年代达到2.5×106~3.0×106 mm·r/min。因此，航空轴承将向更高温、更高速、高承载方向发展，这要求轴承钢应具有更高的高温硬度(58HRC以上)和耐磨性、尺寸稳定性、耐高温氧化性能和耐腐蚀性、高的抗蠕变强度和低的线膨胀系数等，以满足其长寿命和高可靠性要求。

2 精选图表

3 结论

一种新材料要实现工程化应用，往往需要经历大量的基础研究和严苛的工程化应用考核；CSS-42L钢及其类似钢种国内外研究较少，在航空发动机轴承上应用国内外尚未见相关报道，距离在航空轴承应用还有较大差距。以热处理技术为例，CSS-42L钢作为轴承钢需要进行渗碳热处理，使得表面获得足够渗层深度以支持高承载，并获得高表面硬度来提升抗疲劳和磨损性能，在高温下保持高的硬度，产生足够的残余压应力来提升疲劳裂纹萌生和扩展抗力，并获得细小弥散碳化物渗层组织保证表面韧性和抗腐蚀性能，与此同时心部也具有高的强韧性。但是高强韧性却往往难以获得，主要原因是热处理工艺技术研究仍缺乏，主要体现在以下方面：(1)残余奥氏体控制。由于CSS-42L钢含有一定量的碳和镍等有效的奥氏体稳定元素，热处理后存在一定量的残余奥氏体，心部残余奥氏体能改善轴承韧性，然而一般认为表层残余奥氏体对渗碳层疲劳性能及轴承尺寸稳定性不利。(2)渗碳开裂。CSS-42L作为高合金不锈钢渗碳难度大，具有很大的渗裂倾向，国外在开发过程中也面临过同样问题。(3)碳化物调控。CSS-42L钢能获得好的渗层部分归因于铌的碳化物，但是铬的碳化物倾向于沿晶析出，渗层中碳化物的颗粒大小和分布对疲劳寿命影响极大，通常认为大块状有棱角的沿晶碳化物对疲劳性能最不利。针对渗碳层碳化物控制，国内研究者发明了在表层镀镍后进行低压脉冲渗碳工艺技术，有效改善了渗层碳化物的沿晶分布状态，但其对接触疲劳性能的影响未研究。

随着航空航天技术的不断发展，轴承服役要求愈加严苛，与此同时又对长寿命和高可靠性高要求，为此必须突破轴承材料性能极限。CSS-42L与其他轴承钢材料相比，在红硬性、耐磨性、断裂韧性、疲劳寿命以及耐蚀性等综合性能更为优异；虽然有报道表示CSS-42L钢次表面残余奥氏体层引起硬度“凹区”会阻碍其在航空轴承上应用，但是国内外有研究表明，经过热处理“凹区”可以得到消除；总体来看，它是一种极具竞争优势的新型高温轴承钢钢种。从国内外研究现状来看，应注重在以下3方面加强研究：(1)进一步优化合金成分设计获得高强韧性的渗碳和心部组织，并通过超高纯冶炼及高均匀化凝固及热变形技术，控制夹杂物和碳化物的数量、类型、尺寸和分布，抑制疲劳裂纹的起源与扩展，获得超长的疲劳寿命和高可靠性。(2)热处理技术是CSS-42L钢获得高性能的另一关键点，尤其是突破渗碳热处理技术，攻克渗裂难点、改善沿晶碳化物、控制残余奥氏体稳定性、分布状态和提高表面残余应力，实现组织和性能的梯度控制，以适应轴承高交变应力作用下应力的梯度分布。(3)航空轴承处于高速、重载和强冲击等恶劣工况，对组织和性能稳定具有高要求，需加强对不同工况条件下CSS-42L钢组织演变、疲劳损伤研究，分析控制疲劳破坏主次要因素、制定预防措施，同时为CSS-42L钢成分优化、组织调控和工艺技术改进指明优化方向。