高碳鉻類軸承鋼通常采用馬氏體淬回火，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，近年來根據(jù)軸承應(yīng)用工況，提出了一些針對性的研究與應(yīng)用。

ЧЕРМЕНСКИ.О.Н研究了不同溫度回火后硬度對軸承性能的影響。當(dāng)軸承載荷產(chǎn)生的接觸應(yīng)力超過σn0（σn0=2.57σ0，σ0為在單向拉伸或壓縮時(shí)開始塑性變形的應(yīng)力，取σ0.005），在計(jì)算可靠性要求不高的軸承壽命時(shí)，硬度在58~64HRC范圍內(nèi)壽命的變化可以忽略不計(jì)。對于精密重載部件用球軸承，不允許在工作過程中因微塑性變形積累而使套圈溝道尺寸發(fā)生變化，最好采用高溫回火（200~250 ℃）；對一般用途的軸承，最好的回火溫度不是現(xiàn)在的150~160 ℃，而是提高到170~180℃，不降低壽命且承載能力有所提高。

日本學(xué)者樋口博和對汽車變速箱軸承提出了3種長壽命熱處理措施：1）增加殘余奧氏體以提高滾動疲勞壽命（TM處理），對高碳銘軸承鋼進(jìn)行淬火時(shí)，通過提高淬火溫度增加殘余奧氏體含量。2）提高回火軟化抗力（TA處理），進(jìn)行碳氮共滲時(shí)，由于氮在表層的擴(kuò)散導(dǎo)致殘余奧氏體量增多，此外由于氮的固溶，回火軟化抗力上升，進(jìn)而提高疲勞壽命。3)晶粒微細(xì)化(FA處理)，使鋼材的晶粒尺寸微細(xì)化，縮小到傳統(tǒng)材料晶粒尺寸的50%以下，以提高疲勞強(qiáng)度，并組合碳氮共滲處理實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步長壽命化。

GHEORGHIES.C，STEFANESCU.I.I對高碳鉻軸承鋼在磁場中進(jìn)行淬回火后的組織和性能進(jìn)行了研究。在磁場中進(jìn)行熱處理時(shí)，馬氏體晶粒變小且組織均勻，殘余奧氏體減少，硬度可提高（1~2）HRC，抗彎強(qiáng)度提高50%，疲勞可靠度提高（承載時(shí)組織不易變化）。

對高碳鉻軸承鋼在淬火后進(jìn)行深冷處理可以提高耐磨性。1）在深冷處理過程中，大量的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，在磨損過程中向碳化物提供強(qiáng)大的支承并抑制其脫落，阻止大的麻點(diǎn)形成；2）由深冷處理產(chǎn)生的細(xì)小碳化物析出并均勻分布，也是耐磨性提高的原因，深冷處理試樣中碳化物的分布比那些沒進(jìn)行深冷處理的均勻，且碳化物體積分?jǐn)?shù)更高；3）深冷處理提高了馬氏體的轉(zhuǎn)變率，使合金基體組織細(xì)化，從而達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化效果，有助于耐磨性的提高。對100Cr6試樣淬火后進(jìn)行-186 ℃×24 h的深冷處理，并進(jìn)行200 ℃回火，與未進(jìn)行深冷處理相比，試樣的硬度提高18%，耐磨性提高37%。

BARTARYA.G，CHOUDHURY.S.K對熱處理工藝參數(shù)對鋼球滾動疲勞壽命的影響進(jìn)行研究，860 ℃加熱后具有合適的未溶碳化物數(shù)量及原奧氏體晶粒，進(jìn)行160 ℃回火后可獲得較高的疲勞壽命。鋼球的拋丸強(qiáng)化可以減少鋼球加工和軸承裝配時(shí)的表面損傷，但疲勞壽命會下降，振動噪聲會增加。

BRYAN.A等研究了滾動接觸疲勞過程中初始?xì)堄鄳?yīng)力對軸承鋼材料性能的影響，對M50制大鋼球（28.6~41.3 mm）進(jìn)行機(jī)械處理，在表面下700 μm內(nèi)得到初始?xì)堄鄩簯?yīng)力（-400 MPa），與未機(jī)械處理的球相比，初始?xì)堄鄩簯?yīng)力延緩了鋼中微觀塑性變形硬化和組織變化（次表面黑色腐蝕區(qū)及白色條帶的出現(xiàn)），有利于提高接觸疲勞壽命。

在常規(guī)淬火設(shè)備方面，主要是在減小淬火變形，提高淬火后材料的組織和硬度均勻性方面進(jìn)行研究應(yīng)用。如近年來在國內(nèi)推行的高壓氣淬技術(shù)，可明顯減小淬火變形，且節(jié)能環(huán)保；連續(xù)式鹽浴淬火設(shè)備在國內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用，通過調(diào)節(jié)鹽浴含水量，可控制冷速，適用于不同的零件尺寸，保證最小的淬火變形及最大的硬度均勻性，且通過有效的熱回收利用裝置回收清洗液中的鹽，實(shí)現(xiàn)少無排放和低能耗。

另外，隨著熱鍛套圈技術(shù)的進(jìn)步，提高了毛坯精度，普遍使用熱回收氮基保護(hù)氣氛球化退火，降低了能耗和工件脫碳。

張福成等對近年來貝氏體淬火技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。與馬氏體組織相比，在馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度（Ms點(diǎn)）以上進(jìn)行等溫淬火處理獲得的下貝氏體組織在保留高硬度的同時(shí)，兼具更高的韌性，同時(shí)表面為殘余壓應(yīng)力，使得貝氏體淬火軸承在某些應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)異的疲勞性能，因此適用于裝配過盈量大、服役條件差的軸承，如承受大沖擊載荷的鐵路、軋機(jī)、起重機(jī)等軸承，潤滑條件不良的礦山運(yùn)輸機(jī)械或礦山裝卸系統(tǒng)、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝已在鐵路、軋機(jī)軸承上得到成功應(yīng)用，取得了較好效果。

近年來新發(fā)現(xiàn)的納米貝氏體組織，也稱為硬貝氏體組織、低溫貝氏體或超級貝氏體組織，在保留與馬氏體相當(dāng)硬度的同時(shí)，具有比常規(guī)下貝氏體組織更高的韌性和相當(dāng)?shù)谋砻鏆堄鄩簯?yīng)力，具有更加優(yōu)異的耐磨性和滾動接觸疲勞性能，納米貝氏體鋼在材料設(shè)計(jì)、微結(jié)構(gòu)調(diào)控等基礎(chǔ)理論研究方面得到了快速發(fā)展，推動了其在軸承制造領(lǐng)域的應(yīng)用，在軸承上應(yīng)用具有的巨大潛力。

在20世紀(jì)90年代，SKF等公司開展納米貝氏體用鋼開發(fā)，如SKF的755V，通過特殊的等溫淬火得到更均勻的納米下貝氏體，硬度增加的同時(shí)韌性也提高了60%，耐磨性提高了3倍。處理的套圈壁厚超過100 mm，近期將其應(yīng)用于高鐵軸承。國內(nèi)近十幾年也開展了納米貝氏體技術(shù)的研究，如張福成等團(tuán)隊(duì)開發(fā)的含Al，Si的全淬硬鋼及滲碳鋼，經(jīng)過貝氏體淬火后獲得納米貝氏體，接觸疲勞壽命較普通軸承鋼及滲碳鋼分別提高1倍、2倍以上。

在國內(nèi)，納米貝氏體軸承技術(shù)的應(yīng)用仍有一些問題，最突出的問題是等溫處理時(shí)間過長，急需縮短熱處理工藝周期的方法。另外，服役過程中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變及其引發(fā)的尺寸穩(wěn)定性問題，納米貝氏體組織在軸承服役過程中的組織演變規(guī)律及對服役壽命的影響，納米貝氏體軸承更適用的工況等，均有待深入研究。

高碳鉻軸承鋼的碳氮共滲處理是在添加了5%~15%丙烷和丁烷的滲碳?xì)夥罩屑尤牒橘|(zhì)（如氨氣），將碳和氮同時(shí)滲入擴(kuò)散到軸承鋼中的處理技術(shù)。由于在材料表層擴(kuò)散的氮元素會使奧氏體變得穩(wěn)定，因此淬火后殘余奧氏體量增多，而且通過氮元素的固溶作用提高了抗回火軟化性，亦增加了滾動疲勞壽命。

KARTHIKEYAN.R等對52100鋼實(shí)施的碳氮共滲處理工藝及處理后的組織、硬度等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。工藝曲線、成分分析、顯微組織、硬度分別如圖1—圖3所示。碳氮共滲溫度一般在A1以上，溫度越高則滲速越高，但滲后晶粒越粗，氮含量越低。碳氮共滲后除未溶碳化物外，還有大量細(xì)小的氮化物、碳氮化物，提高了硬度和耐磨性。另外滲層組織中有高含量的殘余奧氏體（20%以上）。因大量殘余奧氏體的存在，滲后低溫回火的硬度與未滲的相近，但在較高溫度回火后，滲層表面硬度明顯高于未滲件（如300 ℃回火后，滲后硬度為63.6HRC，未滲的僅58HRC）。

圖1 碳氮共滲工藝曲線

圖5 滲后表層X-射線衍射圖

圖6 碳氮共滲和非熱處理鋼的硬度曲線

（實(shí)心符號代表碳氮共滲，空心符號代表非碳氮共滲）

DAISUKE.S等研究了高表面氮含量碳氮共滲SUJ2的滾動接觸疲勞壽命。通過控制碳氮共滲氣氛的氮?jiǎng)菔固嫉矟B后成品內(nèi)圈的表面氮含量分別為0.1%和0.4%，并在人工壓痕及污染潤滑的條件下進(jìn)行軸承疲勞壽命對比試驗(yàn)。人工壓痕條件下，高氮含量（0.4% N）的碳氮共滲軸承疲勞壽命分別約為常規(guī)碳氮共滲（0.1%N）的2倍及普通淬回火的3倍；污染潤滑條件下則為普通淬回火的2倍。高的表面氮含量提高了熱處理后的殘余奧氏體含量，從而提高了軸承壽命。文中還對高氮碳氮共滲不同溫度回火后的壓痕深度進(jìn)行測量和計(jì)算，表明回火溫度越高，壓痕深度越淺，殘余奧氏體含量越低，但未對不同溫度回火后的疲勞壽命進(jìn)行對比。但可以推測：對于潔凈潤滑的軸承，采用高的溫度回火應(yīng)有利于提高硬度和耐磨性。

20世紀(jì)90年代起，日本各公司積極應(yīng)用這種特殊熱處理技術(shù)，將其應(yīng)用于污染潤滑條件下工作的軸承以提高壓痕起源型剝落壽命；應(yīng)用于乏油潤滑條件下工作的軸承以提高耐磨性；應(yīng)用于異常白色組織剝落失效的軸承以防止早期剝落。

1981年，洛陽軸承研究所開展了軸承鋼的碳氮共滲研究，并將碳氮共滲處理的軸承裝于機(jī)床進(jìn)行試驗(yàn)，壽命明顯提高。但因種種原因被擱置，沒有推廣應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)軸承企業(yè)開始積極推廣應(yīng)用這一技術(shù)，尤其是在汽車變速箱軸承方面，已成為標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝。

XIE.L.C等研究了表面硬化技術(shù)和硬化層深度對AISI 8620，9310，4140鋼的滾動接觸疲勞性能的影響。8620及9310采用氣體滲碳和真空滲碳，4140采用感應(yīng)淬火，得到不同硬度和硬化層深度。接觸疲勞試驗(yàn)表明，硬化層硬度越高、層深越厚（到613HV的最大深度小于1 mm），接觸疲勞壽命越長，滲碳處理大于感應(yīng)淬火，真空滲碳大于氣體滲碳；而且對應(yīng)于最大等效應(yīng)力深度（約0.13 mm）處的硬度與疲勞壽命強(qiáng)相關(guān)，該處硬度越高，疲勞壽命越長。

GLOECKNER.P等將薄層氮化應(yīng)用于M50，M50NiL制航空發(fā)動機(jī)球軸承，提高表面硬度及殘余壓應(yīng)力，防止邊界潤滑條件下滾動接觸區(qū)內(nèi)微觀滑動引起微剝落。

航空發(fā)動機(jī)軸承運(yùn)行于高溫高速及污染潤滑條件下，常常因污染潤滑而失效，軸承長壽命的措施之一是在常規(guī)熱處理后進(jìn)行離子氮化。YAGITA.K等對軸承零件用高合金鋼（M50，M50NiL）的等離子氮化處理進(jìn)行了研究。為保證在氮化后不出現(xiàn)有害的化合物層和晶間析出物，滲層中的C+N含量需小于1.7%，在430 ℃氮化10 h后進(jìn)行低于回火溫度的擴(kuò)散處理，在不降低心部硬度的前提下保證足夠的滲層深度。經(jīng)以上處理后，接觸疲勞試驗(yàn)所得的疲勞壽命L10提高了近7倍。

KOYO通過對SUJ2進(jìn)行特殊熱處理（碳氮共滲）開發(fā)了SH軸承，在表面獲得高的硬度和一定量的殘余奧氏體，使其在污染潤滑條件下具有較高的壽命，且污染越嚴(yán)重，提高壽命的效果越顯著。

感應(yīng)加熱淬回火有許多優(yōu)點(diǎn)，如環(huán)保、可集成于生產(chǎn)線中，開、停機(jī)時(shí)間短等，一般用于表面淬火（如輪轂軸承），較少用于整體淬火。國內(nèi)企業(yè)只有洛陽LYC將感應(yīng)加熱整體淬火用于308自動線，原因是感應(yīng)加熱的選擇性難以保證整個(gè)零件的加熱均勻性，且擔(dān)心高溫短時(shí)加熱是否可重復(fù)性較好地控制碳在基體中的溶解量。

NTN開發(fā)了可控制鋼中溫度及顯微組織的整體感應(yīng)加熱淬回火技術(shù)，其加熱控制系統(tǒng)如圖4所示。利用2支溫度計(jì)同時(shí)測量套圈內(nèi)外徑溫度，PID控制溫度，基于溫度測量結(jié)果的PC程序?qū)崟r(shí)預(yù)測材料的性能，當(dāng)鋼中未溶碳化物面積到達(dá)6%~10%時(shí)停止加熱，噴水淬火；根據(jù)每個(gè)回火溫度下回火時(shí)間與硬度的關(guān)系，采用類似的方法控制回火溫度及時(shí)間。對采用900 ℃感應(yīng)加熱淬火及230 ℃回火的套圈進(jìn)行性能測試，與爐內(nèi)加熱淬回火的標(biāo)準(zhǔn)軸承相比，硬度及均勻性、耐淺層剝落及涂抹性能與標(biāo)準(zhǔn)軸承相當(dāng)，尺寸穩(wěn)定性及L10高于標(biāo)準(zhǔn)軸承，整個(gè)工藝每千克的CO2排放量由566 g降至318 g。

圖4 帶溫度控制的感應(yīng)加熱系統(tǒng)示意圖

NTN進(jìn)一步研究了感應(yīng)加熱條件對軸承鋼性能的影響。淬火溫度為900，950，1 000 ℃，目標(biāo)未溶碳化物面積為4%，8%，12%（采用不同加熱時(shí)間控制），回火為180 ℃×2 h，240 ℃×43.2 s，310 ℃×36.8 s。從尺寸變化率、額定靜載荷、靜態(tài)斷裂強(qiáng)度及剪切疲勞強(qiáng)度等性能考察不同熱處理?xiàng)l件的影響，認(rèn)為性能不低于爐內(nèi)處理的最合適的熱處理?xiàng)l件見表2。在合適熱處理?xiàng)l件下，軸承壽命可達(dá)基本額定壽命的4倍以上。

表1 適合JIS-SUJ2的感應(yīng)淬火條件