特殊鋼研發(fā)系列報(bào)道
特殊鋼是先進(jìn)裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)材料，是高端制造業(yè)發(fā)展的重要保障。但是特殊鋼的需求量小、品種多、生產(chǎn)技術(shù)含量高，影響了我國(guó)特殊鋼高端產(chǎn)品的開發(fā)。為促進(jìn)我國(guó)特殊鋼產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，世界金屬導(dǎo)報(bào)特組織特殊鋼研發(fā)進(jìn)展系列專題報(bào)道，重點(diǎn)介紹特殊鋼的發(fā)展趨勢(shì)及新品種開發(fā)，以饗讀者。
隨著全球環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，汽車電動(dòng)化和風(fēng)力發(fā)電引入速度加快，軸承需要應(yīng)對(duì)這些新變化。此外，應(yīng)用在鋼鐵設(shè)備等惡劣環(huán)境中的軸承，需要提高耐用性。今年，軸承鋼及相關(guān)領(lǐng)域圍繞這些新需求、新趨勢(shì)，不斷進(jìn)行探索、研究和創(chuàng)新。
1 汽車電動(dòng)化
1.1電動(dòng)汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)
汽車電動(dòng)化是汽車發(fā)展的方向，但它使汽車驅(qū)動(dòng)方式發(fā)生改變，與傳統(tǒng)汽車依靠?jī)?nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不同，在新一代汽車中，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）通過在驅(qū)動(dòng)中利用電機(jī)，從而能夠抑制CO2、NOx等氣體排放，電動(dòng)汽車（EV）更是實(shí)現(xiàn)了零的排放。
盡管如此，IEA（國(guó)際能源機(jī)關(guān)）預(yù)測(cè)，到2050年，燃油汽車仍將保有50%以上。因此，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，也開展了諸如搭載怠速停止機(jī)構(gòu)、進(jìn)行裝有小型渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)等的研究，以推進(jìn)熱效率的提高。
未來，如果汽車電動(dòng)化使電機(jī)驅(qū)動(dòng)成為主流，則將形成比目前內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，每輛汽車的軸承數(shù)量及其鋼材使用量將不可避免地減少。另外，從小型輕量化、傳動(dòng)效率的提高（低扭矩化）、應(yīng)對(duì)電動(dòng)化（應(yīng)對(duì)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的高速旋轉(zhuǎn)）等的需求來看，未來軸承的使用環(huán)境將更加惡劣。
1）小型輕量化
由于提高燃油效率和搭載空間的限制，要求組件小型輕量化，同樣也要求軸承小型化。由于小型化，軸承負(fù)荷容量變小，因此需要對(duì)軸承長(zhǎng)壽化和靜態(tài)強(qiáng)度下降采取應(yīng)對(duì)措施。
2）傳動(dòng)效率提高
為了提高動(dòng)力傳動(dòng)效率，從降低HEV·EV組件機(jī)械損失的觀點(diǎn)出發(fā)，要求軸承低扭矩化（降低損失），需要采取降低滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦、攪拌損失等措施。
3）高速旋轉(zhuǎn)
為了提高效率、提高行駛時(shí)的最高車速，推進(jìn)電機(jī)小型化和高速旋轉(zhuǎn)，需要在超過以往容許轉(zhuǎn)數(shù)的條件下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。
1.2問題及措施
面對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)用軸承長(zhǎng)壽化、高速旋轉(zhuǎn)、低扭矩化的發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)產(chǎn)生一系列的問題，下面介紹解決這些問題的相關(guān)技術(shù)最新研發(fā)進(jìn)展。
1）長(zhǎng)壽化
由于HEV·EV動(dòng)力傳動(dòng)裝置高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)滾珠軸承因潤(rùn)滑環(huán)境劣化導(dǎo)致套圈和滾珠之間油膜形成不足時(shí)，表面性狀變差，將發(fā)生表面起點(diǎn)剝離的問題。作為表面劣化的對(duì)策，開發(fā)了強(qiáng)化滾動(dòng)體的長(zhǎng)壽化滾珠軸承。具體而言，對(duì)在SAE52100鋼（相當(dāng)于JIS標(biāo)準(zhǔn)鋼SUJ2）基礎(chǔ)上增加0.3mass%-0.4mass%Si的鋼材實(shí)施特殊滲碳氮化處理，使之析出高硬度的Si·Mn系氮化物強(qiáng)化鋼球，即使在EHL油膜參數(shù)Λ低的惡劣潤(rùn)滑條件下（Λ值為0.3，Λ=hmin（最小油膜厚度）/σ（兩個(gè)接觸表面的合成粗糙度）），鋼球表面的粗糙度仍不易降低。對(duì)6206深溝滾珠軸承進(jìn)行了內(nèi)置試驗(yàn)，確認(rèn)可以達(dá)到長(zhǎng)壽的效果。
用于游星齒輪部位的行星齒輪軸（作為內(nèi)輪軌道面的軸），對(duì)SUJ2鋼實(shí)施特殊滲碳氮化，通過殘余奧氏體（γ）、碳氮化物、殘余壓應(yīng)力提高耐久疲勞強(qiáng)度；對(duì)SUJ2實(shí)施特殊高頻淬火，同時(shí)減少心部的殘余奧氏體，抑制高溫環(huán)境下的熱塑性彎曲，提高耐久性疲勞強(qiáng)度。另外，還開發(fā)了采用高鉻淬火鋼、進(jìn)一步提高耐久性疲勞強(qiáng)度的超長(zhǎng)壽命行星齒輪軸。
變速機(jī)用軸承，由于應(yīng)用于含有齒輪咬合時(shí)的磨損粉末等硬質(zhì)異物的油潤(rùn)滑環(huán)境下，必須具有耐異物性。為此，對(duì)調(diào)整了Si、Mn、Cr含量的開發(fā)鋼實(shí)施高濃度滲碳淬火回火，開發(fā)了使碳化物（平均0.2μm，面積比約10%）分散強(qiáng)化的小型圓錐滾子軸承。
2）應(yīng)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)
為了實(shí)現(xiàn)高功率、緊湊的HEV、EV驅(qū)動(dòng)組件，必然要促進(jìn)電機(jī)的高速化。對(duì)于為實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)而降低潤(rùn)滑黏度、由于潤(rùn)滑的高溫化導(dǎo)致的發(fā)熱以及磨損等問題，通過套圈溝曲率、滾珠直徑、節(jié)圓直徑等的優(yōu)化，降低滾珠與套圈之間的滑動(dòng)。另外，為了防止因離心力增加導(dǎo)致保持架變形，進(jìn)而與滾珠發(fā)生摩擦，設(shè)計(jì)了雙柱形狀的保持架。
3）低扭矩化
隨著汽車電動(dòng)化的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選項(xiàng)增加，可以預(yù)見動(dòng)力傳動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)將發(fā)生變化。變速機(jī)用軸承起到平滑支持傳導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)·扭矩的齒輪軸的作用，因此，存在著降低旋轉(zhuǎn)扭矩的問題。變速機(jī)用軸承大多采用對(duì)齒輪咬合時(shí)的徑向和軸向兩種負(fù)載具有高載荷能力、利于高剛性和節(jié)省空間的圓錐滾子軸承，但存在著損失扭矩較大的問題。各軸承生產(chǎn)企業(yè)通過鎖定扭矩發(fā)生源并對(duì)其處理，實(shí)現(xiàn)了低扭矩化。例如，通過降低潤(rùn)滑油攪拌阻力、抑制軸承內(nèi)部流入潤(rùn)滑油量等減少損失的方法。另外，由于將滾子軸承更換為滾珠軸承可實(shí)現(xiàn)扭矩減小，因此，開發(fā)了可用于差速驅(qū)動(dòng)齒輪軸支撐以及在變速器中承受大軸向載荷部位的滾珠軸承等。
另外，大量用于發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)軸承需要油泵，使其產(chǎn)生高液壓，來向軸承部位提供潤(rùn)滑油，但在低速旋轉(zhuǎn)區(qū)域無法形成高壓，因此供油不充分，存在滑動(dòng)摩擦阻力較大的問題。因此，將滑動(dòng)軸承改為滾動(dòng)軸承，不需要高液壓，可實(shí)現(xiàn)油泵小型化和低扭矩啟動(dòng)，易于采用怠速停止機(jī)構(gòu)，有利于降低燃耗。
總之，伴隨著電動(dòng)汽車高效化和高速旋轉(zhuǎn)的要求，可以預(yù)見，軸承使用環(huán)境將日益惡劣。因此，需要應(yīng)對(duì)軸承小型輕量化（小口徑·減薄從而實(shí)現(xiàn)小規(guī)格化）要求，為應(yīng)對(duì)有利于低扭矩化的低黏度潤(rùn)滑油環(huán)境、降低摩擦而用滾珠軸承代替滾子軸承等，對(duì)軸承鋼提出了高可信度和長(zhǎng)壽化的要求。同時(shí)，對(duì)于因高速旋轉(zhuǎn)引起的潤(rùn)滑油高溫化黏度下降，造成滾動(dòng)體和座圈之間發(fā)生金屬接觸（滑動(dòng)）的問題，以及由于殘余奧氏體分解使部件尺寸改變等問題，需要根據(jù)軸承使用環(huán)境采取相應(yīng)的對(duì)策。
2 風(fēng)力發(fā)電擴(kuò)大
近年來，風(fēng)力發(fā)電作為不排放CO2、對(duì)環(huán)境影響小的清潔能源得到了發(fā)展，累計(jì)發(fā)電容量逐年增加。
初期階段，安裝在陸地上的風(fēng)車，由于安裝場(chǎng)所的減少或?yàn)榱颂岣甙l(fā)電效率和設(shè)備運(yùn)行率，逐漸向海上發(fā)展，且日益大型化。
由于安裝在海上的風(fēng)車不易維護(hù)，要求所使用的軸承在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具有可靠性。
風(fēng)車齒輪箱用滾動(dòng)軸承存在早期破損的問題，其破損形態(tài)之一為內(nèi)部起點(diǎn)型剝離。對(duì)這種剝離進(jìn)行了研究，研究結(jié)果是，由于潤(rùn)滑油或干油的分解以及潤(rùn)滑油中的水分，發(fā)生氫侵入到鋼中，產(chǎn)生氫脆，造成剝離破損?；瑒?dòng)、振動(dòng)、靜電等都參與了氫的發(fā)生。
研究人員使用改變軸承內(nèi)圈的溝曲率的不同PV值（P：面壓力、V：滑動(dòng)速度）的深溝滾珠軸承，進(jìn)行了滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，剝離并不是接觸面壓力最大的軌道面溝底，而是發(fā)生在滑動(dòng)大的軌道端部附近。PV值在閾值以上時(shí)，發(fā)生此類剝離。盡管風(fēng)車的齒輪箱軸承采用的是滾柱軸承和圓錐滾子軸承，套圈和滾動(dòng)體之間的滑動(dòng)相對(duì)較小，但當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸急速加減速時(shí)，有可能出現(xiàn)較大滑動(dòng)。
另外，近年來，還觀察到另外不同的破損形態(tài)，即滾動(dòng)軸承中軸承套圈的軸向裂紋。研究人員通過在SUJ2制滾柱軸承外圈侵入氫進(jìn)行滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)，推測(cè)其起因是白色組織破損形態(tài)的一種。
為了解決剝離的問題，對(duì)壓縮應(yīng)力和殘余γ進(jìn)行了研究。研究人員確認(rèn)了壓縮應(yīng)力和殘余γ量對(duì)SUJ2普通淬火材料具有較大意義，可提高滲碳氮化處理材料的壽命。推測(cè)其原因是，在壓縮應(yīng)力的作用下，延遲裂紋發(fā)展，以及相對(duì)于馬氏體組織，氫擴(kuò)散速度較慢的奧氏體延遲了氫向剪應(yīng)力區(qū)域的濃化。
此外，從防止氫侵入的角度出發(fā)，使軌道表面形成氧化膜也是一種有效的手段。當(dāng)在潤(rùn)滑劑中添加材料的作用下，金屬新生面上因摩擦化學(xué)反應(yīng)形成氧化膜時(shí)，可保證軌道面表面實(shí)現(xiàn)化學(xué)性穩(wěn)定。從鋼材成分出發(fā)，確認(rèn)添加Cr可有效抑制白色組織的剝離，其原因是在最大剪應(yīng)力區(qū)域防止了氫向微小缺陷中的擴(kuò)散。
總之，風(fēng)力發(fā)電用軸承，為了防止早期剝離失效，從抑制氫侵入或以減輕侵入氫的角度研究開發(fā)新的鋼材。
隨著風(fēng)電裝置向大型化的方向發(fā)展，風(fēng)電裝置軸承也隨之大型化。因此，產(chǎn)生大型軸承的熱處理問題。為此，要求開發(fā)淬透性好、淬火變形小的軸承鋼。
此外，由于風(fēng)電裝置軸承是長(zhǎng)期使用的軸承，所以要控制鋼中的殘余奧氏體量。
3 惡劣環(huán)境應(yīng)用
用于水、異物等混入環(huán)境的鋼鐵設(shè)備用軸承或在潤(rùn)滑稀薄等惡劣條件下使用的軸承，要求提高其耐用性。
用于鋼鐵設(shè)備時(shí)，自動(dòng)調(diào)心滾子軸承在非常低速旋轉(zhuǎn)（約10rpm、自轉(zhuǎn)速度0.01m/s）且高負(fù)荷條件下，在水或熱環(huán)境中使用。特別是在干油使用環(huán)境下，比基礎(chǔ)油更容易出現(xiàn)潤(rùn)滑膜變薄的問題，有通過尿素系干油改善低速下油膜形成狀態(tài)的研究。
另外，鋼鐵企業(yè)軋機(jī)用軸承還存在由于水或異物造成的壓痕問題，強(qiáng)烈要求提高這種環(huán)境下軸承的使用壽命。疲勞過程的報(bào)告顯示，在混入水的環(huán)境下，作為表面夾雜物的起點(diǎn)，裂紋向內(nèi)部發(fā)生，這種裂紋優(yōu)先在晶界傳播。為了抑制這種裂紋及傳播，真空精煉鋼的長(zhǎng)壽化效果已經(jīng)得到確認(rèn)，可采用高潔凈度鋼作為軸承用鋼，或?yàn)橐种屏鸭y傳播而增加可強(qiáng)化晶界的元素Ni等。
從高效化觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，為實(shí)現(xiàn)低扭矩而越來越傾向使用低黏度潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑，隨之帶來油膜變薄、易于發(fā)生金屬接觸（滑動(dòng)）的情況。在這種情況下，與氫相關(guān)的組織變化型或金屬接觸型的軸承損傷模式可能變得更加明顯，今后需要研究相應(yīng)的對(duì)策。
原創(chuàng)： WORLD METALS 世界金屬導(dǎo)報(bào)
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