SUJ2高碳铬轴承钢高强度碳化物强化和高碳马氏体基体的共同贡献

高碳铬轴承钢中的“大尺寸专家"：SUJ4——从JIS G 4805到大型轴承套圈的“钼增强解"

在高碳铬轴承钢的阶梯谱系中，SUJ2以约1.0%C、1.5%Cr的经典配方在轴承市场占据统治地位。而SUJ4在JIS G 4805标准中，于SUJ2的成分框架上引入了约0.10-0.25%的钼（Mo），将淬透性从常规轴承钢的≈Φ25mm扩展至≈Φ50mm以上的大截面硬化区间，在壁厚>12mm的轴承套圈、直径>50mm的钢球和直径>22mm的滚子的选材中，以“钼微量添加-大截面全淬硬"的工程逻辑，划出了一道“重型轴承钢"的JIS基线。它不属于耐高温轴承钢的范畴，其高温性能与SUJ2基本持平，主要优势体现在大尺寸淬透性上。它也不以耐蚀性见长——不锈钢轴承钢在腐蚀环境中的耐蚀性远超SUJ4。

一、从SUJ2到SUJ4的“Mo边际"：JIS G 4805高碳铬轴承钢的“大截面特化"

SUJ4是日本工业标准JIS G 4805《高碳铬轴承钢》中的高碳铬轴承钢牌号，在该标准与SUJ1、SUJ2、SUJ3、SUJ5共同组成JIS高碳铬轴承钢的全系列覆盖。JIS G 4805版本为2025年版，对化学成分、硬度、非金属夹杂物等作出了明确规定。SUJ4在JIS高碳铬轴承钢的阶梯谱系中，位于SUJ2（无钼基础版）与SUJ5（高锰高硅高钼版）之间。SUJ2的钼含量≤0.08%，SUJ4将钼提升至0.10-0.25%。在壁厚>12mm、外径>280mm的大型轴承套圈和直径>50mm的钢球选材中，这一“钼边际"意味着SUJ2在大截面油淬时的芯部淬透性不足到SUJ4“全截面≥60HRC硬化"的性能跨越。SUJ4主要用于制造壁厚>12mm、外径>280mm的轴承套圈，钢球直径>50mm，以及圆锥、圆柱和球面滚子直径>22mm和所有尺寸的滚针-3-4。

二、成分的“Mo增强精算式"：C≈1.0%、Cr≈1.5%、Mo≈0.15%、Mn≤0.5%的轴承钢方程

SUJ4的化学成分是该材料获得“高硬度-高淬透性-高耐磨性"三重平衡的物质基础。核心设计思路可概括为“高碳主耐磨、铬钼淬透、硫磷严控、大截面均一"。在JIS G 4805标准中，SUJ4的化学成分窗口如下。但需注意，JIS G 4805:2025版标准已对SUJ4的化学成分进行了重新定义，硅含量和锰含量的窗口与JIS G 4805:2008版存在显著差异-1-3-4。以下成分数据综合自不同标准版本：

元素 质量分数范围 (wt%) 名义值 核心冶金角色

碳 (C) 0.95 — 1.10 约1.0 “马氏体硬度与碳化物硬度的双料供给者"。高碳是该材料在淬火回火后获得HRC 60-65高硬度和高碳化物（M₃C、M₇C₃）体积分数的物质基础-1-2

硅 (Si) 0.15-0.35（JIS旧版）/ 0.40-0.65（新版） 约0.40-0.55 “淬透性的辅助放大器"。提高淬透性和弹性极限，新版标准中硅含量的提升进一步扩展了大截面淬硬深度-1-3-4

锰 (Mn) ≤0.50（JIS旧版）/ 0.90-1.20（新版） 约0.90-1.05 “淬透性改善的核心变量"。新版标准中锰含量的大幅提升显著改善了大型轴承零件的淬透性-1-3-4

铬 (Cr) 1.30 — 1.60（部分窗口1.30-1.65） 约1.45 “淬透性与碳化物稳定性双核"。铬是该材料获得高硬度碳化物（M₇C₃）和淬透性的核心变量-1-2

钼 (Mo) 0.10 — 0.25 约0.15 “大截面淬透性的边际杠杆"。钼是该材料区别于SUJ2的本质特征。约0.15%的钼在SUJ2的成分框架上，将油淬临界直径从常规轴承钢的约25-30mm扩展至约40-50mm以上-1-2

磷 (P) ≤0.025 ≤0.020 严格控制——防止晶界脆化，保障轴承的滚动接触疲劳寿命-1-2

硫 (S) ≤0.025 ≤0.020 严格控制——避免硫化物夹杂成为疲劳裂纹萌生源-1-2

镍 (Ni) ≤0.25 — 残余元素限制-2

铜 (Cu) ≤0.20-0.25 — 残余元素限制-2

铁 (Fe) — 余量（约95-97%） 基体元素

SUJ4与SUJ2的化学成分差异集中于钼元素的添加和锰、硅窗口的分化。SUJ4将钼从SUJ2的≤0.08%跃升至0.10-0.25%，在大截面轴承零件（壁厚>12mm套圈、直径>50mm钢球）的选材中，这一“钼边际"意味着从SUJ2“芯部硬度不足25mm以上截面"到SUJ4“全截面硬度≥60HRC"的性能跨越。新版JIS G 4805中SUJ4的Si和Mn含量提升，进一步扩展了其在大截面轴承中的应用范围-1-3-4。

该钢材通过电弧炉+LF+VD/ESR等精炼工艺，将氧含量控制在15ppm以下、硫含量压至0.010%以下，有效消除非金属夹杂物对滚动接触疲劳寿命的边际影响。

三、高碳马氏体+弥散碳化物——轴承钢的“高硬度-高耐磨"组织本底

SUJ4的性能根植于其“淬火+低温回火"后的高碳马氏体和弥散碳化物强化网络。在淬火+低温回火态下，SUJ4的微观组织为高碳回火马氏体（板条马氏体+针状马氏体混合组织）+细小弥散分布的球状/粒状碳化物。高碳马氏体基体（含碳约0.5-0.6%固溶碳）的硬度贡献约HRC 55-58，是轴承零件获得≥60HRC的基础。M₃C和M₇C₃型碳化物以球状或粒状弥散分布于马氏体板条间，尺寸通常≤1-2μm，钉扎位错运动并抵抗磨粒磨损。该钢球化退火后的组织为球状珠光体（铁素体基体+球状碳化物），硬度约201HBW，为切削加工和冷成型提供预备态组织。淬火加热时（830-840℃），碳化物部分溶解于奥氏体，淬火后碳化物保留部分未溶，贡献硬度和耐磨性；回火后碳化物从马氏体基体中析出，产生二次硬化效应，同时消除残余应力-3-4-10。约0.15%的钼在淬火加热时以M₂C碳化物形式细化晶粒并延缓马氏体回火时的软化，保障大截面轴承在淬火后获得均匀的≥60HRC硬度分布。

四、性能矩阵：淬火硬度≥60HRC、抗拉≥1831MPa、芯部硬度梯度受控的三轴锚点

SUJ4经过“淬火+低温回火"或“退火"处理后的性能体系，建立在“淬火硬度≥60HRC—抗拉≥1831MPa—球化退火硬度≥201HBW"三大支柱上。不同来源的化学成分窗口差异可能导致实测力学性能的波动。综合多个数据来源，其性能指标如下：

性能指标 标准/典型值 说明

淬火+回火硬度（HRC） ≥60-66 HRC（830-840℃油淬，160-170℃回火） 该材料最核心的性能指标。经830-840℃油淬+160-170℃回火后，实测硬度65HRC-3-4-10

抗拉强度 Rm ≥1831 MPa 高强度碳化物强化和高碳马氏体基体的共同贡献，保障重载轴承在高接触应力下的结构完整性-3-4

冲击功 Akv ≥23 J 在超高硬度（≥65HRC）等级下保持的有限韧性储备，保障轴承在瞬时冲击载荷下不发生脆裂-3-4

球化退火硬度（HBW） ≥201 HBW 为切削加工和冷成型提供预备态组织-9-10

弹性模量 E 约210 GPa 与高碳铬轴承钢相当

密度 ρ 约7.83-7.85 g/cm³ 与普通碳钢一致

热导率（20℃） 约30-35 W/(m·K) 与高碳铬轴承钢相当

线膨胀系数（20-100℃） 约11.5×10⁻⁶/K 与中碳钢相当，在轴承装配热压配合计算中需考虑

工作温度（长期） 150-170℃ 在150℃以下保持较高硬度，超过200℃时硬度开始衰减

磁性 有磁性（铁磁性） 高碳马氏体组织的固有特性

SUJ4的淬火硬度≥65HRC与SUJ2（≥60-65HRC）处于同一等级，但大截面零件（壁厚>12mm套圈、直径>50mm钢球）的全截面硬度一致性更高，是大型轴承零件通过“芯部硬度≥60HRC"验收的关键性能差异。160℃回火是SUJ4轴承套圈和滚动体的标准回火温度，保障轴承零件在150℃以下长期服役时硬度不衰减。

五、热处理工艺：从830-840℃油淬到160℃低温回火的“高硬度窗口"

SUJ4的完整热处理体系建立在“球化退火→粗加工→淬火→低温回火→精加工"的复合工程链条上-3-4-10。

完整工艺流程：锻造/热轧毛坯→球化退火（790-810℃→710-720℃等温，空冷）→粗加工（车削）→淬火（830-840℃，油淬）→低温回火（160-170℃×3h，空冷）→精磨/精加工-3-4-10。

球化退火（预备热处理的软化路径） ：退火温度推荐790-810℃，加热后以≤25℃/h速率冷却至710-720℃等温，保温足够时间后空冷。退火后球状珠光体+粒状碳化物组织，硬度约201-229HBW-10。

淬火（马氏体转变的“高硬度窗口"） ：淬火温度推荐830-840℃，油淬冷却。该温度窗口保障碳化物部分溶解、奥氏体晶粒无明显粗化，淬火后硬度可达HRC 62-66。对直径>50mm钢球和壁厚>12mm套圈，油淬时需充分搅拌以保障心部冷却速度-3-4-10。

低温回火（残余应力释放与硬度微调） ：回火温度推荐160-170℃，保温3小时，空冷。低温回火可消除淬火残余应力，将硬度微调至HRC 61-66区间，同时不引起硬度大幅下降-3-4-10。

SUJ4适用于830-840℃油淬，大截面零件（壁厚>12mm套圈、直径>50mm钢球）的淬火加热时间需根据有效截面尺寸适当延长（通常按1-1.5min/mm计算）。

六、加工与成型：从球化退火态车削到淬火后精磨的轴承钢双轨工艺

SUJ4的加工成型性能是该材料在大尺寸轴承零件领域被批量选用的工艺依据。钢材通常以球化退火态交货，硬度约201-229HBW。

切削加工性与冷成型性：在球化退火态下（硬度约201-229HBW），SUJ4的切削加工性一般，可通过车削、铣削、钻孔等常规方法加工。由于约1.0%碳和约1.5%铬的合金化使硬度较高，推荐使用硬质合金涂层刀具，切削速度Vc=60-100m/min，进给量f=0.05-0.15mm/r。冷加工塑性中等-10。

锻造与热加工：锻造温度范围建议控制在1100-850℃，始锻温度约1100-1150℃，终锻温度≥850℃，锻后应立即球化退火以防应力开裂和网状碳化物形成。

焊接性（不推荐焊接） ：SUJ4的焊接性差，在轴承结构设计中应优先采用机械连接方式，避免焊接-10。

供货形态：SUJ4的供应覆盖热轧/锻制圆棒（Φ2.3-350mm）、板材/钢板（8-200mm厚度）及定制锻件，以球化退火态交货。

七、服役疆域：从大型轴承套圈到冷冲模的“大截面硬化"覆盖

SUJ4的应用版图以“大截面轴承零件+高硬度-高耐磨"为筛选规则，覆盖大型轴承、滚动体、冷作模具和通用机械等领域。主要用于制造壁厚>12mm、外径>280mm的轴承套圈，钢球直径>50mm，以及圆锥、圆柱和球面滚子直径>22mm和所有尺寸的滚针-3-4。

战场：大型滚动轴承套圈与滚动体。这是SUJ4最核心的应用领域。在直径>50mm的钢球和壁厚>12mm的轴承套圈中，零件在重载和高速旋转工况下长期服役。SUJ4淬火后全截面硬度≥60HRC，抗拉强度≥1831MPa，在大尺寸钢球和大壁厚套圈的全截面硬化中保障了轴承零件的接触疲劳强度和尺寸稳定性。

第二战场：高负荷冷作模具与量具。SUJ4可用于制造高负荷、要求高耐磨性、高弹性极限、高接触疲劳强度的其他机械零件及各种精密量具、冷冲模等，如机床的滚珠丝杆、涡轮喷气发动机喷嘴的喷口、柱塞、活门、衬套等-10。该材料淬火硬度≥65HRC，在冲裁高强度钢板和精密挤压成形中抵抗冲头的磨损和压溃。

第三战场：通用机械与汽车零件。在内燃机、电动机车、汽车、拖拉机、机床、轧钢机、钻探机、矿山机械、通用机械等高速旋转的高载荷机械传动轴承的钢球、滚子和套圈，以及承受大负荷、要求高耐磨性、高弹性极限和高接触疲劳强度的其他机械零件及精密量具、冷冲模等领域，SUJ4均可作为SUJ2的大截面升级选材-10。

八、选材坐标系：SUJ4 vs SUJ2 vs GCr15 vs SUJ5 vs 100CrMo7

在高碳铬轴承钢的选材版图中，SUJ4以“C≈1.0%、Cr≈1.5%、Mo≈0.15%"的成分配平，在SUJ2（无钼基础版）、GCr15（国标）、SUJ5（高锰-高钼版本）和100CrMo7（德标含钼）之间形成清晰的阶梯分工。

对比维度 SUJ2（GCr15/国标通用轴承钢） SUJ4（JIS含钼轴承钢/本品） SUJ5（高锰高硅高钼轴承钢） 100CrMo7（DIN含钼轴承钢）

碳含量 0.95-1.10% 0.95-1.10% 0.95-1.10% 0.95-1.10%

铬含量 1.30-1.60% 1.30-1.60% 0.90-1.20% 1.65-1.95%

钼含量 — 0.10-0.25% 0.10-0.25% 0.20-0.35%

硅含量 0.15-0.35% 0.15-0.35%（新版0.40-0.65） 0.40-0.70% 0.15-0.35%

淬火硬度（HRC） ≥60-65 ≥60-65 ≥60-65 ≥60-65

大截面淬透性 基准（≈Φ25mm） ≈Φ40-50mm（钼增益） ≈Φ40-50mm ≈Φ40-50mm

成本（基准=SUJ2） 基准（1x） ≈1.05-1.15x ≈1.15-1.25x ≈1.15-1.25x

典型应用 通用中小型轴承、钢球（≤25mm）、量具 大型轴承套圈、大型钢球（>50mm）、大尺寸滚子 大型轴承（锰强化） 德标大型轴承

SUJ2以经典高碳铬轴承钢的定位在通用轴承市场用量，但大截面淬透性不足。SUJ4以约0.15%钼的添加在淬透性上超越SUJ2，在大型轴承（壁厚>12mm套圈、直径>50mm钢球）的选材中，当SUJ2的淬透性不足以保障全截面硬化时，SUJ4往往在“淬透性-经济性"评估中综合得分。在大尺寸轴承零件和重型冷作模具的材质评审文件中，SUJ4的JIS牌号已成为“满足大型轴承淬透性标准"的技术标识，与100CrMo7（德标）、ASTM A295 52100（美标含钼改型）形成含钼轴承钢的跨国选材矩阵。

结语：0.15%Mo的“大截面淬透杠杆"

SUJ4不是高碳铬轴承钢中硬度的——SUJ2在中小截面硬度上与之持平；不是耐磨性的——SUJ5在高耐磨性上更优；也不是成本的——SUJ2的吨钢它。但在C≈1.0%、Cr≈1.5%、Mo≈0.15%的三元成分边界内，在大直径钢球（>50mm）和大壁厚轴承套圈（>12mm）的全截面硬化考核中，在重型冷作模具的高硬度-高耐磨选材评估中，SUJ4以其0.15%钼的“微量添加-大截面淬透"工程逻辑，在SUJ2的“大截面淬透性不足"与SUJ5的“合金成本偏高"的选材跨度中，划出了一道“JIS大型轴承钢"的工程基线。它不是高碳铬轴承钢中合金元素添加最复杂的，但JIS G 4805标准中的“SUJ4"牌号，在大型轴承套圈和重型冷作模具的材质评审文件中，已成为“满足大型轴承淬透性标准"的技术标识。而“4"所代表的钢号序号，正好是该材料在大截面淬透性与合金成本之间的基准线——也是从SUJ2“通用轴承钢"向SUJ4“大型轴承钢"跨越的合金成分阶梯，更是重型滚动轴承和冷作模具从常规轴承钢向含钼轴承钢升级选型的材料接口。