田 沛，吴 伟
(陕西法士特汽车传动集团有限责任公司，陕西 西安 710119)
滚动轴承是汽车传动系统使用广泛、要求严格的配套件和基础件。近几年，随着应用条件的不断提高，对轴承承载能力、寿命、耐极端环境等性能也提出更高的要求。目前，国内外轴承行业的结构设计技术差异较小。然而，针对不同使用工况的基础材料性能和热处理技术方面却存在较大差距。在严苛的工况条件下，国内部分轴承产品难以满足实际使用性能要求，需进口国外价格昂贵的轴承产品。
众所周知，轴承的性能很大一部分取决于其材料和微观组织结构。因此，研究与分析国内外轴承在材料和微观组织上的差异性，对指导国内轴承的研究与发展具有重要的意义。本文利用金相显微镜、硬度计、光谱仪、残余应力仪等测试设备，分析日本N公司轴承与国内G公司、W公司、H公司的质量差异，并提出部分改进建议。
1.1 比对样品
样品选用某款箱型用6207深沟球轴承，生产厂家分别为日本N公司和国内G公司、H公司、W公司，对比分析轴承套圈质量，但对滚子暂不作分析。
1.2 硬度和耐回火性能
使用洛氏硬度计检测套圈端面的硬度，每个套圈检测不少于5个点，且检测位置均匀分布，结果取平均值。
套圈硬度检测完成后放置烘箱内进行回火，回火温度为160、200 ℃，回火时间均为2 h；
回火后检测套圈端面硬度，计算回火后硬度的下降量，用于评价耐回火性能。
1.3 化学成分
采用直读光谱仪检测各轴承套圈的化学成分。
1.4 金相组织
沿套圈切取轴向金相试样，经打磨、抛光、腐蚀后，观察碳化物带状、屈氏体、马氏体的组织，并按标准JB/T 1255—2014要求进行评级。
1.5 碳化物
金相试样深腐蚀后，选择有代表性的视场，放大1000倍后拍照；
对金相图片进行二值化处理，将其中白亮的颗粒状碳化物分离，并使用超景深三维显微镜的颗粒分析功能，统计碳化物颗粒面积占比、颗粒个数、最大尺寸及尺寸分布。
1.6 残余应力
采用X射线残余应力衍射仪测定轴承外圈滚道、内圈滚道轴向和径向的残余应力。轴承经过磨削后，表面已无氧化层等异常组织，故测定残余应力时不需要腐蚀。
1.7 锻造流线
切取轴向试样，打磨、抛光后在50%盐酸溶液中浸蚀约60 min，浸蚀温度80 ℃；
浸蚀后将试样冲洗、吹干，通过肉眼或低倍显微镜即可观察套圈的锻造流线。
2.1 化学成分
各公司轴承套圈的化学成分检测结果见表1。由表1可知，轴承套圈的化学成分均符合标准GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》中GCr15特级优质钢的要求[1]。
表1 轴承化学成分(质量分数，%)
比较日本N公司与国产轴承的化学成分，发现：1)C、S、Cr等元素均在标准要求的下限，四个厂家的差异很小，但日本N公司轴承内、外圈的元素含量一致性较好；
2)日本N公司轴承含P量较低。
GCr15钢中的C元素用于保证轴承的硬度，C、Cr、Si、Mn等元素决定了轴承的淬透性和抗回火性能。由于使用的轴承截面尺寸较小，C、Cr等元素处于要求下限即可保证轴承的表面和心部硬度均符合要求。S为有害杂质元素，一般认为S元素与Mn结合生成MnS夹杂，成为疲劳源，因此轴承钢的疲劳寿命随着S含量的提高而降低[2]。P为钢中的有害杂质元素，一般认为会降低钢材的塑性和热加工性能。P在轴承钢中是否有特别的危害，目前尚无文献详细报道。
2.2 硬度和耐回火性能
四个厂家的轴承套圈硬度及耐回火性能见表2。由表2可知，轴承套圈的硬度均在60.8～63.2 HRC之间，处于标准技术要求60～65 HRC的中下限；
同一厂家的轴承内、外套圈硬度比较接近，最大差异仅为0.6 HRC，但日本N公司轴承的内、外套圈硬度一致性较高；
同一厂家的轴承套圈的硬度差符合标准要求，其中国内H公司轴承外圈硬度差达到0.9 HRC，接近要求上限；
日本N公司轴承的耐回火性能最佳，其次为国内G公司；
国内H公司和W公司轴承经200 ℃回火后硬度降低超过1.5 HRC。
表2 轴承套圈硬度及耐回火性能(HRC)
一般认为，钢材的硬度越高，则其接触疲劳寿命越高。但对于轴承钢，较高的硬度表明其马氏体基体的碳含量高、淬火强度高，必然会导致马氏体针状组织粗大，韧性降低，从而使轴承疲劳性能下降[3]。因此，轴承的硬度一般控制在技术要求的中下限。同一轴承套内、外圈的硬度差越小，说明其质量稳定、性能均匀，有利于提高轴承的疲劳寿命。因此，日本N公司轴承质量较国内G公司、H公司和W公司高。
轴承在使用过程中，滚子和套圈摩擦产生热量，轴承的整体温度升高，组织中的残余奥氏体转变为马氏体，体积膨胀，导致轴承硬度和尺寸精度发生变化。轴承再次回火硬度的变化称为耐回火性能，硬度降低越少，说明轴承在较高温度下工作时组织、尺寸稳定，能够保证足够的疲劳性能。为了提高耐回火性能，在轴承生产过程中经常采用淬火后深冷处理或者高温回火工艺来稳定组织，称为稳定化处理[4]。根据四个厂家的轴承耐回火性能检测结果，推测日本N公司轴承可能进行了深冷稳定化处理，国内G公司轴承可能进行了高温回火稳定化处理。
2.3 残余应力
各轴承套圈残余应力检测结果见表3。由表3可知，残余应力均为压应力，应力值在-300～-700 MPa之间，日本N公司与国内轴承的残余应力并无明显差异。
表2 轴承套圈残余应力 (MPa)
轴承在工作时承受拉应力，若表面有残余压应力，则可抵消一部分工作应力，从而显著提高疲劳寿命。
轴承套圈的残余压应力来源于轴承淬火及后续的磨削工艺、后处理工艺，其中后处理工艺包括喷丸强化、滚压强化等手段，对轴承残余压应力影响较大[5]。根据表3的检测结果，各轴承的轴向和径向残余应力差异均不显著，由此可推测各轴承在制造过程中均未使用强化工艺。
2.4 金相组织
四个厂家的轴承金相组织评级结果见表4。由表4可知，屈氏体、马氏体及碳化物带状组织均控制在标准要求的范围内[6]。
表4 金相组织检测结果
2.5 碳化物
碳化物是提高轴承耐磨性的主要组织。颗粒状碳化物的外形较为圆滑，能减少应力集中，提高产生裂纹所需的应力和裂纹扩展的临界应力，从而可减缓裂纹扩展，提高轴承的疲劳寿命[7]。但过高的碳化物数量会使基体碳含量不足，可能会导致基体硬度偏低。国家标准中未规定碳化物的数量和尺寸，各个厂家主要根据自身工艺特点来控制碳化物数量和尺寸。
表5为各轴承碳化物数量和尺寸分布统计结果。由表5可知，各轴承的碳化物面积占比、颗粒数量、最大尺寸和碳化物比例均无明显差异。此外，各轴承中也未发现有粗大、条状或网状碳化物。
表5 碳化物检测结果
2.6 锻造流线
四个厂家的轴承套圈的锻造流线，如图1所示。从图中可以看出，日本N公司轴承套圈流线具有明显的变形和回流，为锻造变形痕迹；
而国内三家轴承套圈流线呈轴向平行分布，这可能是管料直接车削加工，而未经锻造变形所致[8]。
金属材料在铸坯时不可避免地会存在疏松、偏析、夹杂等缺陷，经过锻造变形后，材料会更加致密，疏松会减少，偏析会减轻，夹杂物破碎、尺寸减小。目前，试验及应用经验显示，在常规工况条件下，与管件直接车削加工相比，轴承套圈经锻造加工的寿命至少会提高两倍。
(a)N公司；
(b)G公司；
(c)W公司；
(d)H公司图1 轴承套圈流线图(a)N company; (b) G company; (c) W company; (d) H CompanyFig.1 Streamline of bearing rings
根据上述分析和讨论，日本N公司轴承与国内轴承相比，其主要差异如下：
1)日本N公司轴承的化学成分含量一致性较好，且有害元素S、P等含量较低；
2)日本N公司轴承的耐回火性能好，经160 ℃回火后硬度未降低，200 ℃回火后硬度降低小于1 HRC，推测日本N公司的轴承可能经过了深冷稳定化处理；
3)日本N公司轴承套圈为锻造成形，国内轴承均为管料直接车削成形。锻造成形的套圈组织更致密，轴承的疲劳寿命会显著提高。
建议在产品设计时，考虑产品价格成本的同时，需要根据实际应用工况条件，有针对性考虑轴承原材料性能等级；
有针对性选择稳定化处理工艺，以期提高轴承使用寿命。
