新材料G8SiMnMoVRE在重載高沖擊軋輥軸承上的應(yīng)用

逄曉男，史立新，呂智勇

(1.山東鋼鐵有限公司 萊蕪分公司H型鋼廠，山東 萊蕪 271126；2.北京天馬軸承有限公司，北京 102300)

軋鋼機(jī)輥系軸承的工作條件極為惡劣，承受重載荷、高沖擊、高轉(zhuǎn)速，各種有害污染、變形、熱輻射及自身運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱。 我公司“H”型鋼軋機(jī)為1998年日本新日鐵設(shè)計(jì)制造。歷經(jīng)15年的使用，關(guān)聯(lián)部件都存在著不同形式的老化。原機(jī)所用軸承為日本進(jìn)口配套，由于進(jìn)口成本高、周期長(zhǎng)，后經(jīng)國(guó)產(chǎn)化改造，使用效果較好，但與原進(jìn)口軸承比較性價(jià)比方面有待提高。

初步選擇精軋機(jī)組主軸承(76FC54360-2CS145)作為研究對(duì)象，同時(shí)確定在不改變軋機(jī)相關(guān)部件的前提下，從提高軸承耐用度的角度進(jìn)行攻關(guān)?？紤]到以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)外文獻(xiàn)關(guān)于長(zhǎng)壽命軸承鋼的研究與應(yīng)用，擬用新研發(fā)的材料G8SiMnMoVRE來(lái)提高軸承的壽命可靠性，同時(shí)也有利于成本的降低。

1 鋼材的選擇

目前我國(guó)常用軸承鋼有兩大類(lèi)。一類(lèi)是高碳鉻軸承鋼，即GCr15SiMn，GCr18Mo，GCr15SiMo，GCr15，GCr4等，經(jīng)淬、回火后具有高硬度、高強(qiáng)度及好的耐磨性，缺點(diǎn)是沖擊韌度低，在沖擊載荷較大的場(chǎng)合，如重載軋機(jī)上應(yīng)用時(shí)軸承容易脆裂，壽命不穩(wěn)定。另一類(lèi)是滲碳軸承鋼，常用的有G20CrNiMo，G20CrNi2Mo和G20Cr2Ni4等，二次淬、回火后不但具有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和接觸疲勞性能，且沖擊韌度高，很適宜在沖擊載荷很大的冶金、礦山機(jī)械上應(yīng)用，但其最大的缺點(diǎn)是材料價(jià)格昂貴，軸承熱處理工藝復(fù)雜，成本高。

76FC54360-2CS145軸承原采用滲碳鋼制造，本次選擇的G8SiMnMoVRE為新研發(fā)鋼種，材料為軸承制造廠商自行冶煉和軋制，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 18254—2002。

鋼材的化學(xué)成分見(jiàn)表1。退火組織為細(xì)粒狀珠光體，如圖1所示。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 試驗(yàn)鋼材的退火組織(500×)

2 淬(回)火熱處理工藝試驗(yàn)

2.1 馬氏體淬火工藝試驗(yàn)

2.1.1 淬火溫度對(duì)鋼材硬度和組織的影響

試樣尺寸：30 mm×40 mm×15mm，淬火處理后試樣的硬度見(jiàn)表2。(1)馬氏體淬油工藝：將試樣加熱到不同淬火溫度后，淬入快速淬火油中，冷透，清洗，檢驗(yàn)硬度；加熱保溫時(shí)間40 min；180 ℃回火3 h。(2)馬氏體分級(jí)淬火工藝：將試樣加熱到不同淬火溫度保溫后(40 min)，淬入170 ℃硝鹽中冷卻10 min，空冷，清洗，檢驗(yàn)硬度；180 ℃回火3 h。

表2 不同淬火溫度得到的試樣硬度

G8SiMnMoVRE鋼經(jīng)馬氏體淬火后的金相組織，與高碳鉻軸承鋼不同，是條狀馬氏體組織。圖2所示為830 ℃加熱，170 ℃硝鹽淬火后的金相組織，組織中也有少量細(xì)針狀和隱晶馬氏體。

G8SiMnMoVRE淬火時(shí)，形成板條狀馬氏體，其亞組織結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。板條體自?shī)W氏體晶界向晶內(nèi)平行排列成群，一個(gè)晶粒內(nèi)包含幾個(gè)板條群。形成過(guò)程不產(chǎn)生顯微裂紋，所以具有較高的韌度及較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

圖2 830 ℃加熱，170 ℃硝鹽淬火板條馬氏體組織(500×)

2.1.2 回火溫度對(duì)馬氏體淬、回火后硬度的影響

將830 ℃淬油的試樣經(jīng)不同溫度回火3 h后其硬度變化列于表3。淬火后的硬度為65～66 HRC。

表3 不同溫度回火的硬度

G8SiMnMoVRE鋼回火馬氏體金相組織與高碳鉻軸承鋼不同，是板條狀的回火馬氏體組織，與滲碳鋼的過(guò)渡層的金相組織類(lèi)似，圖3為此種鋼的回火馬氏體組織。

圖3 820 ℃加熱，170 ℃硝鹽分級(jí)淬火，170 ℃回火的金相組織(500×)

2.2 下貝氏體淬火工藝試驗(yàn)

G8SiMnMoVRE不同加熱溫度下貝氏體等溫淬火后的硬度見(jiàn)表4。從表中可以看出，870 ℃和850 ℃均可進(jìn)行貝氏體淬火，而850 ℃貝氏體淬火后，硬度還略偏高。(1)貝氏體等溫淬火：將試樣分別加熱到870 ℃和850 ℃，保溫時(shí)間40 min，然后淬入230 ℃硝鹽中等溫4 h。(2)貝氏體分級(jí)等溫淬火：將試樣分別加熱到870 ℃和850 ℃，保溫后淬入230 ℃硝鹽中等溫1 h，出鹽槽然后吹風(fēng)，水冷，清洗，再放入空氣爐中230 ℃繼續(xù)等溫3 h。

表4 貝氏體淬火后的硬度

G8SiMnMoVRE下貝氏體淬火金相組織形態(tài)與高碳鉻軸承鋼相似。經(jīng)硝酸酒精侵蝕后為黑色針狀組織，也有一部分馬氏體。這種黑色針狀貝氏體只能在230 ℃硝鹽中等溫較短的時(shí)間(約0.5～1.5 h)才能清晰可見(jiàn)。若等溫時(shí)間太長(zhǎng)，由于貝氏體本身的分解，與回火馬氏體混在一起，有時(shí)難以區(qū)分。因?yàn)榛鼗瘃R氏體在組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)上與下貝氏體沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。圖4為850 ℃加熱后，在230 ℃硝鹽中等溫1 h和4 h后的下貝氏體(完全轉(zhuǎn)變≥3 h)金相組織。

圖4 850 ℃加熱，在230 ℃硝鹽中等溫淬火的下貝氏體組織(500×)

3 淬透性試驗(yàn)

頂端淬火試驗(yàn)是評(píng)價(jià)鋼材淬透性能常用方法之一。采用通用頂端淬火試驗(yàn)機(jī)對(duì)GCr15，GCr18Mo和G8SiMnMoVRE鋼在相同條件下進(jìn)行端淬試驗(yàn)。

將Φ150 mm×50 mm的試樣從中間剖開(kāi)，檢測(cè)淬硬層的深度。經(jīng)貝氏體等溫淬火的試樣，表面硬度為59 HRC，心部硬度為58 HRC，整個(gè)試塊已全部淬透。而經(jīng)馬氏體分級(jí)淬火的試樣， 58 HRC以上的淬硬層深度為10 mm，心部硬度為55 HRC。

4 沖擊韌度試驗(yàn)

滲碳鋼最大的優(yōu)點(diǎn)就是沖擊韌度好。G8SiMnMoVRE鋼能否取代滲碳鋼，沖擊韌度是最關(guān)鍵的指標(biāo)，因此，重點(diǎn)對(duì)此鋼種的沖擊韌度進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)用的試樣有兩種，分別為標(biāo)準(zhǔn)的U形缺口沖擊試樣和無(wú)缺口試樣(10 mm×10 mm×55 mm)。表5、表6分別為馬氏體淬火和貝氏體淬火后的沖擊韌度。由表5看出，790～830 ℃之間沖擊韌度較好，所以此鋼種馬氏體淬火最佳溫度范圍應(yīng)是790～830 ℃。

表5 馬氏體淬火后的沖擊韌度(U型缺口)

表6 不同貝氏體淬火加熱溫度的沖擊韌度(U型缺口)

研制G8SiMnMoVRE鋼的主要目的，是想用此鋼種取代或部分取代滲碳鋼來(lái)制作76FC54360-2CS145軸承。滲碳鋼由于心部硬度低，所以沖擊韌度很好。因而，將此鋼種的沖擊韌度與滲碳鋼等幾種鋼的沖擊韌度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 幾種鋼材沖擊韌度(無(wú)缺口)

從以上沖擊韌度的比較可以看出，就沖擊韌度而言，用G8SiMnMoVRE取代滲碳鋼制作承受沖擊載荷較大的冶金軸承是非常理想的鋼材。

5 抗拉強(qiáng)度比較

為了對(duì)比幾種鋼材的抗拉強(qiáng)度，高碳鉻軸承鋼(GCr15，GCr18Mo)和G8SiMnMoVRE均采用最佳熱處理工藝獲得的數(shù)值。滲碳鋼G20Cr2Ni4采用正常滲碳淬火，高溫回火，二次淬火及180 ℃回火工藝處理試樣，滲碳深度為1 mm。拉伸試樣為Φ10 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 幾種鋼材的抗拉強(qiáng)度

從表8看出，G8SiMnMoVRE的抗拉強(qiáng)度均高于高碳鉻軸承鋼和滲碳鋼。

6 實(shí)用效果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，按原軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在不改變?nèi)魏卧O(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，只對(duì)材料進(jìn)行變更，將原用材料G20Cr2Ni4用新材料G8SiMnMoVRE替代進(jìn)行了軸承在機(jī)試驗(yàn)。共投入4套軸承在線跟蹤，按實(shí)際在線軋制時(shí)間與原用軸承作對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 試驗(yàn)軸承與原軸承使用壽命對(duì)比 h

從實(shí)際使用結(jié)果上看，除3號(hào)軸承低于原軸承使用壽命外，其余軸承使用壽命都超過(guò)原軸承，其壽命可提高30%～50%。3號(hào)軸承失效后，經(jīng)分析存在熱加工缺陷。

試驗(yàn)證明新材料無(wú)論是在各項(xiàng)理化指標(biāo)、綜合力學(xué)性能及壽命可靠性上都優(yōu)于原用材料，且降低了制造成本(材料成本、加工成本能降低15%～20%)，延長(zhǎng)了使用壽命。由此可見(jiàn)，用新材料G8SiMnMoVRE替代滲碳鋼材料是可行的。

7 結(jié)論

(1)G8SiMnMoVRE的沖擊韌度比滲碳鋼G20Cr2Ni4高，比高碳鉻軸承鋼高3倍多。

(2)G8SiMnMoVRE的強(qiáng)度略高于滲碳鋼和高碳鉻軸承鋼。

(3)G8SiMnMoVRE的淬透性好，有效淬透厚度大于70 mm。

(4)G8SiMnMoVRE的熱處理工藝可與高碳鉻軸承鋼基本相同。只是馬氏體淬火溫度低一些，淬火加熱溫度范圍為780～830 ℃。貝氏體淬火溫度也低一些，應(yīng)為850 ℃。

(5)G8SiMnMoVRE取代滲碳鋼制作承受沖擊載荷較大的冶金類(lèi)軸承是比較理想的鋼材。