着航空发动机设计的进步和传递能量及转速增大、功率的不断提高、推动比和功重比以及Dn值的不断增加，航空轴承的工作温度可达到350～500℃，在新条件下工作的高温轴承要求轴承材料具有高的表面硬度、高耐磨性能、良好的断裂韧性、延展性和冲击韧性，另外腐蚀失效的因素也要考虑在内。目前国内外常用的发动机的主轴轴承用钢，GCr15使用温度低，M50韧性差，均不能满足新一代航空发动机主轴轴承的用钢要求，而M50NiL和CSS-42L具有高强韧、耐温等优异的综合性能，能够满足新一代航空发动机的主轴轴承的使用要求，但目前尚未在发动机主轴轴承上应用，因此我国需开展超强高韧性轴承齿轮渗碳钢的应用及工程化研究。
目前我国航空发动机仍然大量应用350℃型的M50等第二代高碳轴承齿轮钢，这限制了我国航空发动机的高温性能、耐蚀性能、以及高转速、长寿命和高推力性能的发展。虽然M50NiL具有比M50更高的寿命和可靠性，如图3a所示，但目前我国尚没有应用，需要进一步进行高性能M50NiL轴承钢以及轴承技术的研究。通过复合的渗碳和渗氮处理后(Duplex hardening)，M50NiL的疲劳寿命与可靠性比M50提高的幅度更大，可以比未复合表面处理的M50NiL的寿命提高10倍以上，如图3b所示。我国采用双真空冶炼工艺生产的高温渗碳轴承钢M50NiL具有较高的纯净度，但由于其钢属于低碳钢，脱氧比较困难，钢中氧含量波动较大，因此控制钢中氧含量和纯净度等双真空冶炼工艺有待进一步研究和优化，以便确保钢中具有低的氧含量和高的纯净度。钢获得超纯净以后，钢中的晶粒度更加难于控制，往往在钢中出现较大的晶粒，如何得到比较细小、均匀的晶粒生产厂有较大的困难，应研究如何控制和细化超纯钢的晶粒度及其均匀性的技术，确保钢中晶粒度符合要求。另外由于M50NiL钢中合金元素含量较高，因此如何控制钢中含有低的有害元素和残余元素也比较困难，需进行深入的合金化与热处理研究。另外，钢厂缺乏后部高质量的精整装备，以及高精度的在线无损探伤设备，也缺乏有效的超纯净钢的评价技术等，这也影响了钢材的质量。
100F(t), Failure probility (%) 1 M50NiL M50110t, Running time (h)100110 M50NiL-DH M50-DH100t, Running time (h)1000 10F(t), Failure probility (%)(a)100 (b)10
图3 350℃航空发动机用轴承钢的接触疲劳寿命、可靠性及组织细化热处理(a)未复合热处理的M50与M50NiL高温轴承钢接触疲劳寿命与可靠性对比，(b)新型热处理前M50钢的粗大组织结构和(c)新型热处理后M50钢的均匀化与超细化的组织结构
三、国外轴承钢及热处理最新进展 1.轴承钢组织的细质化与均匀化热处理
最近国外报道了一种新型热处理可以大幅度细化9Cr18Mo钢夹杂物、碳化物
与基体组织，如图4所示。可以看出，经过新型热处理后，9Cr18Mo的组织结构得到大幅度细化。所以需要研发一种新型的热处理对M50NiL钢进行组织细化研究，从而推进国产M50NiL轴承钢在我国航空发动机上的应用。我国高温渗碳轴承钢M50NiL的接触疲劳寿命目前较国外低，热处理工艺不完善可能是另一个很重要的原因。在我国轴承制造企业，渗碳钢的渗碳热处理是通过多用途渗碳炉中通过碳势的控制，获得所需的碳浓度和渗碳层的深度，常常导致渗层的碳浓度和深度比较不均匀、组织也不理想，并且变形较大。国外多采用真空渗碳热处理工艺，该工艺通过控制炉内压力和流量以及渗碳时间，也可采用真空低压渗碳及等离子渗碳等工艺以获得均匀的碳浓度和渗层深度，可以获得理想的组织并且变形很小，磨加工以后可以保持比较均匀的渗层深度。因此开展真空渗碳热处理的工艺研究，并对热处理后的表层应力分布状态和结构、微观组织、过度层和心部组织与失效以及接触疲劳性能的研究很有必要。另外，据报道国外对渗碳轴承钢进行了新型热处理及表面复合处理研究，并得到了应用，该技术可将轴承的使用寿命提高5-10倍，显示出热处理技术在提高轴承齿轮寿命方面的巨大作用。因此，未来需要开发和完善成分精确控制技术、超纯净冶炼技术、精细组织控制技术等的稳定化工业生产，进行获得最佳性能的热处理技术和表面复合处理技术的研究，以及进行有效的检测及评价技术等以提高高温渗碳轴承钢M50NiL的质量，满足航空发动机对350℃高温轴承钢的需求。
图4新型热处理对9Cr18Mo轴承钢组织细化的影响(a)新型热处理前的粗大组织结构和(b)新型热处理后的均匀化与细化的组织结构
在高洁净度冶炼技术的基础上，通过特殊热处理不仅可以细化晶粒，也可以细化碳化物，改善碳化物分布。这样即可以提高强度和硬度，又可以大幅度提高轴承的接触疲劳寿命不小于3倍。图5给出了NSK公司通过特殊热处理对GCr15组织细化的结果。从中可以看出，晶粒细化热处理后，GCr15轴承钢的基体组织从约15μm细化到约5μm的水平。图6给出了晶粒细化前后轴承钢的疲劳寿命的变化。从中可以看出，细化热处理将轴承钢的接触疲劳寿命提高了4-5倍。
图5 GCr15轴承钢的经过双阶段热处显著理细化轴承钢基体组织
图6 高碳轴承钢经过基体组织细化后的轴承接触疲劳寿命得到大幅度提高 目前我国对奥氏体化工艺对轴承钢组织结构及性能影响的研究不是特别深入，有必要深入开展热处理工艺对轴承钢接触疲劳寿命影响的研究，形成轴承钢的特殊热处理技术。同时轴承钢的细化热处理技术也说明了一个道理，那就是可以在一定洁净度的水平下，通过轴承钢组织的细化和均匀化来大幅度提高轴承钢的接触疲劳寿命，这为我们轴承钢制造的经济性或低成本提供了可能方向。 2. 各向同性轴承钢
瑞典OVAKO公司最近报道的各向同性轴承及齿轮钢(IQ-Steel)的部分结果，可以看出，钢的疲劳强度、韧性和夹杂物水平在各个方向基本相同，如图7所示。以轴承齿轮钢的各向同性为例瑞典的OVAKO公司最近报道了各向同性轴承钢。其各种力学性能，特别是钢的冲击韧性在各个方向基本一致，而且其夹杂物水平也得到了大幅度提高。该公司对外宣称可以将不同碳含量和性能级别的轴承钢处理成各向同性轴承钢，体现出国外较高的化学冶金与物理冶金水平。
图7 瑞典OVAKO公司各向同性轴承钢的夹杂物、韧性及极限弯曲疲劳强度结果
3. 亚稳奥氏体强化轴承钢
从常规马氏体淬火后的组织中残余奥氏体的含量一般为6-15%，残余奥氏体为软的亚稳定相，在一定的条件下（如回火、自然时效或零件的使用过程中），其失稳发生分解为马氏体或贝氏体。分解带来的后果是零件的硬度提高，韧性下降，尺寸发生变化而影响零件的尺寸精度甚至正常工作。对尺寸精度要求较高的轴承零件，一般希望残余奥氏体越少越好，如淬火后进行补充水冷或深冷处理，采用较高温度的回火等。但残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力，一定的条件下，工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中，提高轴承的接触疲劳寿命，这种情况下在工艺和材料的成分上采取一定的措施来保留一定量的残余奥氏体并提高其稳定性，如加入奥氏体稳定化元素Si、Mn进行稳定化处理等。特殊热处理技术研发：目前国外成功运用了轴承钢的特殊热处理技术，该技术可以将轴承钢的疲劳寿命最高提高了10倍，如图8所示。但我国目前尚没有相关研究报道，需要研发形成超长寿命轴承钢的特殊热处理技术；(2)新型表面处理技术：加工表面粗糙度、轴承钢中残余奥氏体及表面残余应力对轴承寿命影响的研究。目前国外的轴承寿命是国内的2-4倍，其关键原因还在于轴承钢的表面处理技术没有到位。目前国外进行了含大量奥氏体轴承钢，即超长寿命轴承钢研发，比传统轴承钢高出10倍的寿命，其热处理工艺被称为特殊热处理。
图8 轴承钢中亚稳奥氏体控制及其对轴承钢力学性能的影响
4. 先进高温轴承钢
CSS-42L是美国拉特罗布特殊钢公司(Latrobe Sspecial Steel Company)研制的表面硬化型轴承齿轮钢，属于第三代轴承齿轮材料，应用于宇航齿轮传动机构和涡轮螺旋桨主轴轴承等零部件。渗碳后碳化物组织细小且分布均匀，如图9a所示，其室温最高硬度可达到HRC68，在430℃下的最高高温硬度为HRC62，在480℃～500℃下的最高高温硬度HRC58(如图9b所示)，芯部最高断裂韧性可达到110MPa〃m1/2。滚动接触疲劳寿命试验表明它的L10比M50钢约高出28倍，具有广泛的应用前景。所以利用CSS-42L替代M50等第二代轴承齿轮钢不仅可以大幅度提高轴承齿轮寿命和可靠性，大大降低轴承齿轮的更换频率，还能提高安全性和降低发动机维修成本。近几年我国对CSS-42L第三代轴承齿轮钢进行了跟踪研究、初步试制及应用工作。目前虽然目前已经成功研制并初步成功运用到某
型号的航空发动机中央锥齿上，取得了良好的应用效果，但我国CSS-42L航空发动机齿轮应用刚刚起步，用量相当少，有待于进一步推广应用。同时CSS-42L钢还没有被在航空发动机轴承上应用的案例。所以未来CSS-42L钢的工程化目标是要解决在航空发动机齿轮上进一步推广应用以及实现其在航空发动机轴承上的应用。
图9 CSS-42L高温轴承钢的渗碳层组织结构及性能(a)渗碳层的均匀细小碳化物组织和(b)各种中高温航空发动机用轴承钢耐温性能的比较，说明CSS-42L具有500℃的耐高温性能
5. NSK公司长寿命轴承研发路线图
图10给出了NSK公司的长寿命轴承的研发路线图。可以看出，国外已经将轴承应用技术、材料研发技术与轴承设计制造技术整合成一个完整的核心技术，国内外新技术通过研发、应用、设计制造与选材相结合，体现了新材料、新工艺和环境因素的NSK长寿命轴承集成技术系统因素，来设计长寿命的高性能轴承钢。这应该是我们未来轴承钢研发、先进国家的轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面远远领先于我国，生产、大概是我们同类轴承的2-4倍，究其原因，不外乎轴承质量与设计制造技术的先应用的发展方向。 进，下图给出了NSK公司的长寿命轴承的研发路线图。应用环境相关表面处理热处理高性能材料 可以看出，国外已经将轴承应用技术、材料研发技术与轴承设计制造技术整合成一个完整的核心技术，通过研发、应用、设计制造与选材相结合，体现了新图10 NSK公司的长寿命轴承的研发路线图 材料、新工艺和环境因素的系统因素，来设计长寿命的高性能轴承钢。这应该以上对国内外先进轴承钢的发展情况介绍可以看出，国外(主要是欧洲、日是我们未来发展的方向。本和美国等)已经基本完成对轴承钢中纯净度(夹杂物)的化学冶金行为研究，形成了完备的真空脱气轴承钢的冶炼、连铸和热轧控制纯净度和夹杂物的技术，致使其真空脱气轴承钢夹杂物控制水平和使用性能已经超过电渣钢的水平，达到甚至超过了双真空轴承钢的控制水平。正是因为国外真空脱气轴承的夹杂物控制已经接近甚至达到了极限水平，碳化物控制对轴承寿命的影响已经明显的体现，所以国外的轴承钢研发已经从轴承钢的冶炼、连铸和热轧等化学冶金研究，转移到碳化物控制、基体细化和表面硬化改性等物理冶金的研究。可以说国外的轴承钢