第1章 緒論
軸承是核心基礎零部件，被稱為“高端裝備的關節”。軸承工業是國家基礎戰略性產業，對國民經濟發展和國防建設起著重要的支撐作用。新中國成立以來，特別是改革開放以來，我國軸承工業已形成獨立完整的工業體系。目前我國已成為軸承銷售額和產量居世界第三的軸承生產大國，但是距軸承強國還存在較大差距，尤其是在軸承鋼、軸承專用裝備以及滾子加工技術上存在的差距更加明顯。2018年《科技日報》報道制約我國工業發展的35項“卡脖子”技術，就包括高端軸承鋼和掘進機主軸承。2020年國家新材料產業發展戰略咨詢委員會盤點我國嚴重依賴進口的20項產品，就包括高端軸承和高端數控機床，而后者離不開高端精密軸承。因此，突破軸承制造整個產業鏈從軸承材料的生產、軸承設計到軸承零件的制造，直至成品裝配整個過程中的關鍵共性技術成為我國軸承工業基礎研究的重要目標之一。而軸承零件的熱處理是其中非常關鍵的共性技術之一。
隨著機械工業不斷發展，對主機的要求越來越高，軸承的服役工況越來越苛刻，同時對軸承高質量、長壽命和高可靠性要求也越來越高，如高承載能力、低噪聲、低摩擦、耐高溫、耐高速、輕量及單元化等。與之對應，需要不斷提高軸承鋼材料性能，如純凈度、均質性等，且要開發新的熱處理技術及裝備，以滿足越來越苛刻的軸承性能要求。
1）長壽命。延長壽命是軸承追求的永恒主題。滾動軸承服役情況越來越苛刻，要求軸承具有更高的承載能力和更長的疲勞壽命，如軸承額定動載荷計算公式中的系數bm，深溝球軸承在原來1.3的基礎上又提高了15%；SKF鐵路軸箱軸承大修周期由10×105km提高到了14×105km；盾構機主軸軸承無故障服役壽命要求10000h或10km；風電軸承服役壽命要求20年；汽車軸承輪轂、變速器等關鍵部位軸承設計壽命要求10×105km甚至12×105km。壽命的顯著提高需要提高軸承材料的純凈度和均質性，并增加適宜的合金成分，從而提高基體強度以及改進熱處理工藝，以期得到理想的組織和性能。
2）低噪聲和低摩擦。低噪聲軸承如舍弗勒C型深溝球軸承，摩擦力矩降低35%，噪聲減低50%；NSK的GR系列軸承具有低能耗、靜音的特點，摩擦力矩減小了40%～50%，適用于空調、吸塵器等高效電動機。低摩擦是軸承實現節能降耗的主要手段之一，而實現低摩擦除了對滾動軸承結構進行優化，同時需要降低潤滑劑用量及黏度，進而降低滾動黏滯阻力和攪拌阻力，實現微量潤滑或邊界潤滑。這就要求滾動軸承零件的接觸部位應具有較高耐磨性，以抵抗磨損及表面起源型接觸疲勞。如SKF推出的E2深溝球軸承摩擦損耗降低了30%以上，開發的X-Tracker低摩擦汽車輪轂軸承摩擦力矩降低了25%等。
3）高低溫及高速性能。隨著主機應用環境和工況越來越復雜，滾動軸承轉速越來越高和工作溫度呈兩極化發展，如機床主軸軸承、新能源汽車軸承，軸承工作溫度高于150℃，dm·n值高達4×106mm·r/min。航空發動機主軸軸承需要承受350℃高溫，需采用高溫軸承鋼（GCr4Mo4V和G13Cr4Mo4Ni4V，對應美國牌號M50和M50NiL）等，并采用相應的碳氮共滲技術實現耐磨、耐熱等。現在通用軸承耐受低溫極限要求已達-55℃，此時部分軸承材料會出現低溫脆性，即“冷脆”風險。轉速提高主要通過減小滾動體離心力、采用特殊材料或結構的保持架、改進潤滑或冷卻條件等來實現。
4）輕量及單元化。輕量化是現代設計目標函數中的一個核心指標，尤其對于航空航天飛行器，已按“克”進行計量。對汽車而言，輕量化也是關鍵技術之一，如NTN開發的微型汽車用超輕輪轂軸承單元，僅重1.0kg，為“世界最輕”的汽車輪轂軸承單元；SKF輕型輪轂軸承單元總質量降低約30%。單元化在輪轂軸承單元應用非常明顯，已發展出第1、2、3代汽車輪轂軸承單元，目前正在發展第4、5、6代汽車輪轂軸承單元。另外，鐵路軸箱軸承單元、機床主軸軸承單元、風電主軸雙列圓錐滾子軸承單元等也得到了迅速發展。
5）耐異常白色組織疲勞剝落。白色組織剝落是繼“內部起源型為主”和“表面起源型為主”軸承疲勞機理后的第三種疲勞機理，已獲廣泛共識。其剝落壽命約為正常壽命的1/10。如：舍弗勒風電增速器中高速軸承采用發黑處理，不僅減輕了高速輕載打滑損傷，且有效防止了白色組織裂紋產生；NSK自主研發的AWS-TF鋼，耐白色組織剝落的疲勞壽命提高了7倍。