在全球减碳背景下，对轴承制造全过程降低CO₂排放量提出新的要求。为此，本文对轴承用材、轴承制造、轴承制造设备等不同方面的减碳研究情况作了简要介绍。

轴承部件用钢经热锻、温锻、冷锻制造成轴承内外轮座圈和滚动体。钢板材经冲压加工制造成保持器。这些制造方法直接或间接排放出CO₂。为减少CO₂的排放量，生产技术部门应改进加工方法和提高设备效率。为此要进行新技术开发。本文对轴承用材、轴承制造、轴承制造设备进行减碳研究情况作简要介绍。

1.1冷锻的CO₂排放

轴承内外轮用材是低碳钢时，可用冷锻加工方法制造。冷锻加工的一个优点是，锻件近终形，减少了后工序的加工余量，或省略后续的机械加工，减少CO₂排放量。此外，虽然冷锻加工线本身不使用大电量，但加工材料的润滑皮膜处理和退火处理用电量很大。总体来看，冷锻尚未达到CO₂减排的效果。为此，需要开发出缩短润滑皮膜处理时间和省略退火处理的技术。此外，冷锻用钢是高质量钢材，价格高。因此，选定材料、锻造、机械加工总成本低的工艺方法十分重要。

一个省略退火工序的案例是，热锻制造出环形坯料后，对环形坯料冷锻，进行尺寸精加工。该方法利用热锻坯料的加工热进行控制冷却，省略退火，进行冷锻。

1.2热锻的CO₂排放

轴承内外轮用材多是高碳轴承钢。难于用冷锻方法对高碳轴承钢进行塑性加工，基本上采用对坯料加热后进行加工的热锻方法。但是，热锻是CO₂排放量较多的加工方法。对钢材坯料进行加热的高频加热装置的用电量比冲压机和切断机的用电量大很多。为了降低CO₂排放量，应采取降低高频加热装置用电量的措施。

图1显示常规热锻加工生产线的构成布局。切断机将钢材坯料切断，高频加热装置将切断的坯料加热到约1150℃，然后，将加热坯料移送到热锻机进行内外轮部件的尺寸成形加工。

对切断坯料进行加热，不仅消费电力，而且增大了材料的加工余量和增多了氧化铁皮量，降低了制品的成材率，增加了CO₂排放量。

已经使用有效的降低高频加热装置CO₂排放量的方法是，高频加热装置线圈的适正化和将线圈内衬材料变更为高绝热性材料，提高加热效率，降低耗电量。

通常，为了减少线圈备品种类，提高高频加热装置的维修便利性，加热线圈使用通用内径（图2），使用一种加热线圈可对各种直径切断材进行加热。

但是，对于高频加热，加热线圈内径与被加热材料直径的距离越大，加热效率越低，耗电量越大。因此，采用内径与被加热材料直径相符的加热线圈，可提高高频加热装置的加热效率，降低耗电量。

此外，减少初期设定温度前的回路数和锻造暂停时高频加热装置出来的回路数，消除不需要的加热，也可以减少CO₂排放量。

在轴承部件用材是轴承钢时，热锻后的轴承钢坯料表面被氧化铁皮覆盖，表面很硬。为了进行机械加工，要对坯料表面进行喷丸处理和退火处理，增加了CO₂排放量。在轴承部件用材是低碳钢时，利用热锻的加工热进行控制冷却，使坯料的硬度下降到不影响机械加工的程度，则可省略退火，削减CO₂排放量。

1.3温锻的CO₂排放

温锻是坯料加热温度低于热锻的塑性加工方法。温锻适用于制作轴承内外圈的中、低碳钢材料。温锻生产线的组成与热锻生产线基本一致，也有部分温锻生产线与切断机直接相连布置的形式。

温锻加工降低CO₂排放量的方法与上述的热锻加工降低CO₂排放量的方法相同。改进高频加热装置可降低CO₂排放。但由于温锻加工的加热温度低，坯料表面没有高频加热产生的氧化铁皮，所以改进高频加热装置降低CO₂排放量的效果小于热锻。因此，如对热锻加工的轴承钢进行温锻，可获得CO₂减排的效果。温锻加工存在着与冷锻加工同样的问题，即，钢料硬难于冷切断以及锻造加工硬化引起硬度升高，难于进行机械加工。因此，温锻材需进行退火处理，导致CO₂排放量增多和加工成本升高。为解决这些问题，今后应进行温锻新工艺开发。

1.4圆环滚压加工过程中的CO₂排放

轴承内外轮是圆环状制品。在锻造时，要将实心钢材锻造成内外轮内径尺寸的圆环形状，所以，产生锻造废料，降低了制品的成材率。因此，为了降低锻造废料的重量采用了圆环滚压加工方法。圆环滚压加工前的圆环锻造将坯料开出直径小于完成品孔径的孔洞，降低了锻造废料的重量。然后进行圆环滚压加工，将孔洞内径扩大到完成品的内径。此外，圆环滚压加工可以进行锻造加工不能成形的轨道形状的加工，进一步提高了制品的成材率（图3）。

目前，对大型的轴承内外轮采用热圆环滚压加工，中、小型轴承内外轮采用冷圆环滚压加工。但是，如不能降低圆环滚压加工的成本，圆环滚压加工降低锻造废料重量的成本效果显示不出来。因此，要对轴承内外轮的制造工艺进行认真研究，确定是否采用圆环滚压加工。

圆环滚压加工的CO₂减排方法是，进行热圆环滚压加工时，用高频加热装置将切断钢料加热到1150℃，对钢料进行热锻，加工成圆环滚压加工用的坯料；然后，将坯料运送到直接相连的热圆环滚压加工机。热圆环滚压加工是制品尺寸的精加工工序，所以可采用前述的改进高频加热方法。在制造对轴承钢内外轮时，为了易于后续的机械加工，要对圆环滚压加工件进行退火处理。

冷圆环滚压加工前，需对热锻坯料进行退火及喷丸预处理，因此，冷圆环滚压的坯料扩径率低于热圆环滚压工艺。工程应用中，需综合考量成材率与后续工序综合加工成本，合理确定是否选用冷圆环滚压加工工艺。

1.5镦锻加工过程中的CO₂排放

轴承滚动体（滚珠、滚柱）一般是用镦锻机对盘条钢料进行冷锻制造的。镦锻机对经退火、酸洗、润滑皮膜处理的盘条钢料切断后，进行滚珠镦锻加工或圆锥滚柱缩径加工。由于滚动体是大量生产的产品，所以镦锻机的加工速度很快。减少镦锻加工时的CO₂排放量的方法是，提高镦锻机加工速度和运转率，以及提高滚动体成材率。为此，可以导入减少镦锻加工型割面产生的毛刺机构和减少盘条钢料末端废弃量的机构。镦锻加工后，要对滚动体进行热处理和研磨加工。采用前述措施，可缩短后续工序的生产周期、削减用电量和CO₂排放量。

1.6结语

以上，对轴承部件的塑性加工现状和减碳方法作了简要介绍。与过去相比，轴承部件加工余量的减少和轴承部件制造设备的效率都有了很大进步，这些都是过去塑性加工不能实现的结果。

现在，以实现碳中和为契机，利用发展很快的CAE解析，对难加工的轴承钢减少热锻、温锻、冷锻部件加工余量、降低锻造温度，以使耗电量减半、缩短后处理的球化退火时间，进行了研究开发，期待着更加环境友好型的塑性加工方法的出现。

2.1前言

滚动轴承是运输机械、工业机械回转部件中的关键基础零部件。主要用于承载重载回转机械构件，并保障其高精度运转；同时能有效降低机械运行过程中由摩擦、振动产生的能量损耗，是机械设备实现平稳回转运动不可或缺的核心部件。滚动轴承主要由钢制轨道轮、滚珠或滚柱以及保持器构成。轨道面与滚动体发生点接触或线接触，因此会受到反复的高接触面压作用。因此，要求轴承轨道面具有高的滚动疲劳寿命、高耐磨性、高抗压痕性和良好的尺寸稳定性。为使轨道面具有这些特性，要采用适宜的材料，对材料进行锻造、车削、淬火回火处理、研磨。

上述轴承制造过程中的CO₂排放量中，热锻和热处理的CO₂排放量占很大比例。为实现日本2035年达到碳中和目标，日本轴承制造确定了进一步节能和能量再利用的方针。本文对上述高效热处理方法进行了汇总，并对减小热处理变形的措施和需要解决的课题作简要介绍。

2.2轴承常见热处理方法

轴承热处理的常见方法是，对高碳铬轴承钢（SUJ）进行热态圆环成形加工，然后进行球化退火处理。其中部分尺寸的轴承，使用的是对热成形圆环料进行冷态扩径加工后，进行车削加工的圆环料。对这些圆环料进行820-850℃的均匀加热后，进行淬火-回火处理。渗碳处理轴承使用机械结构合金钢（SCr等）。对机械结构合金钢钢料进行930-950℃渗碳处理，在冷却到转变温度后，再次均匀加热到800℃以上，进行二次淬火-回火处理。使用碳素钢（S53C）的轮毂轴承为了只将轮毂轨道面进行硬化，进行高频淬火和回火处理。为了使各种轴承内外轮具有要求的硬度，一般进行200℃以下的回火处理。

2.3轴承部件热处理的高效率方法

如前所述，轴承部件热处理需要实现节能化，以降低CO₂排放量。表1是轴承的四种高效、低碳热处理方法。

第一种方法是增加单位时间处理量。该方法是加快渗碳反应速度的方法。具体而言，为采用可在短时间内进行扩散的高温渗碳和加快碳移动速度的真空渗碳。但这些方法存在试样晶粒长大问题。因此要选用防止晶粒粗大的钢种。

此外，还有热处理变形（尺寸和正圆度）的问题。尺寸和正圆度超过允许值，增加了精研磨的加工量，最严重的情况是工件报废，导致包括上游工序在内的大量能源损失。防止热处理变形的方法将在后续介绍。因此，为了保证轴承部件的质量稳定性，应使处理量增加到可以保证质量的限度。

第二种方法是提高加热效率的方法。该方法是采用可对圆环工件进行直接加热的高频加热方法。此外，由于不使用加热炉通常使用的保护气体，所以不需要气体发生炉。这也是第二种方法的优点。通常，对加热温度进行严格控制，可获得稳定的加热质量。但进行高频加热时，为了控制不同形状工件的加热功率，进行短时间加热，要进行反复试验研究确定高频加热条件。

第三种方法是省略工序方法。该方法具有很大的节能效果。该方法可以省略传统方法必须进行的退火、渗碳、二次淬火等工序中的某个工序。为实现工序精简，需优选可实现组织精准调控、具备优良加工性能的高性能材料。

以上三种方法是过去提出的降低加工成本的方法，作为低碳化技术而受到关注。

第四种方法是使用新能源进行热处理的方法。氢和氨是燃烧时不排放CO₂的清洁能源。目前正在进行新能源燃烧技术开发的实证试验。虽然新能源在成本和稳定供给方面存在不确定性，但如对供给条件进行整合，使用新能源进行热处理可以大量削减CO₂排放量。因此有必要对新能源的发展动向进行关注。

2.4关于减轻轴承圆环部件热处理变形的研究

以上，对轴承热处理高效率化和低碳化方法作了简要介绍。本节对查明轴承部件热处理变形原因的研究情况作简要介绍。热处理变形是机械部件普遍存在的问题。但滚动轴承部件在热处理后要进行研削加工。所以要求将热处理后的滚动轴承部件的尺寸精度和正圆度控制到最小程度。此外，在某些内应力分布条件下，研削加工会引起部件的形状变化，对部件最终精度产生不良影响。热处理变形发生的原因有很多方面。有淬火急冷不均匀引起的冷却原因和起因于材料及材料成形加工的材料原因。图4是为查明冷却原因进行的试验结果。

将Φ90mm的中碳钢圆环试样嵌入陶瓷模具内进行加热，抑制加热中的变形。加热后的圆环试样在均匀配置油喷嘴的油槽内被喷油冷却，模拟圆环试样发生的椭圆变形，显示出冷却方法与淬火处理后试样的正圆度、形状的相关性。

淬火前圆环试样的正圆度约为50μm。用均匀油流从外侧对加热的圆环试样进行冷却，圆环试样发生100-200μm的变形。对加热的圆环试样进行单向冷却时，圆环试样的正圆度是100-350μm，圆环试样直径发生很大的偏差。并且，变形方向与冷却方向的相关性和形状的再现性下降。与此不同，在对圆环试样进行相对的两方向冷却时，圆环试样的正圆度增大到340-450μm，试样的椭圆短轴方向与冷却油的喷油方向完全一致，显示了再现性良好的正圆度分布结果。上述的试验结果验证了热处理解析结果，明确淬火时的试样椭圆变形起因于试样内外面冷却速度不同。

以下，对影响圆环试样椭圆成形的材料因素作简要介绍。如图5所示，对中碳钢钢棒附加一条基准线，进行车削加工，制作成圆环。固定圆环取材位置及周向取向，探究圆环椭圆变形与棒料取材方位之间的关联。

试验中将圆环平放至批量热处理炉的料筐内，经加热后浸入静止油槽实施淬火，观测并分析圆环淬火后的形貌变形规律。图5中，对称于图中原点的○点分布表示各个圆环的椭圆长轴大小和方向。例如，线段（a）-（a'）表示圆环在-20°方向形成椭圆，（b）-（b'）表示圆环在+20°方向形成椭圆。所有圆环在0°方向发生椭圆变形。该试验结果显示了圆环的椭圆变形与钢棒的位置关系。由此可推定，钢棒中存在使圆环发生椭圆变形的潜在原因，这种原因起因于钢料凝固时的成分偏析。在基于前述的圆环变形冷却要因的抑制变形条件下，材料因素引发的圆环变形特征得以显示。以冷却诱因与材料诱因为切入点，提炼圆环变形的关键影响因素，并开展变形规律可视化研究。

研究成果可为减少热处理不良品、提升热处理工艺效率提供理论依据，同时也为后续探明热处理变形机理、建立变形预测模型奠定基础。

2.5结语

为实现减碳，提高热处理效率是重要的研究课题。为解决这些课题，利用试验和解析方法深入考察热处理变形现象，获得抑制热处理变形的技术，为减少轴承制造阶段的CO₂排放量作出贡献。