G55SiMoVA鋼在軸承領域的新應用

翟正龍 戈文英 李泰 亓顯玲

G55SiMoVA鋼在軸承領域的新應用

翟正龍 戈文英 李泰 亓顯玲

通過對G55SiMoVA軸承鋼的質量特性、工藝控制技術和用戶應用技術的系統(tǒng)研究，顯示中碳G55SiMoVA軸承鋼具有高強度、高沖擊韌性、高耐磨性能和高疲勞壽命的特點，進而證實采用G55SiMoVA軸承鋼可代替滲碳軸承鋼，用于耐沖擊重載荷的軸承制造領域。目前，G55SiMoVA軸承鋼已在軋機軸承和石油鉆具軸承領域得到廣泛應用。

G55SiMoVA軸承鋼 高疲勞壽命 軋機軸承 石油鉆具軸承

1.前言

針對中碳G55SiMoVA軸承鋼的特點，開展了在軋機軸承、石油鉆具軸承領域鋼的質量特性和應用技術研究。通過鋼的成分和性能優(yōu)化設計、鋼的內在質量控制及熱處理工藝的系統(tǒng)研究，拓展了應用領域，在制造耐沖擊重載荷的軋機軸承和石油鉆井渦輪鉆具軸承方面得到了廣泛應用。

2.鋼的質量特性研究

2.1 軋機軸承工作特點及鋼的質量特性

目前，軋機軸承向著大型、高速、長壽命方向發(fā)展。與一般用途的軸承相比，軋機軸承有以下特點：（1）工作負荷大，軋件是在被咬入時進行軋制，沖擊載荷是軸承的受載特點；（2）工作環(huán)境惡劣，軋機軋制時，軋輥用水冷卻，且有氧化鐵皮飛濺，軸承很容易受到污染。軋機軸承在很高的接觸應力下工作，承受頻繁多變的大沖擊載荷和磨損，因此除一般軸承要求的高抗壓強度及硬度外，還應具有好的耐沖擊性能；（3）軋機軸承熱處理后硬度應在57-60HRC，高硬度是高接觸疲勞壽命和耐磨性的基礎。采用G55SiMoVA軸承鋼制造的軋機軸承外徑最大Ф670mm，壁厚最大為30mm；熱處理后硬度控制在58-59HRC范圍，硬度均勻。軋機軸承先后在多家鋼廠使用，軸承壽命達到滲碳軸承鋼水平，部分替代進口產品。

2.2 石油鉆具軸承工作特點及鋼的質量特性

石油鉆具軸承工作過程中，條件惡劣，沖擊載荷較大，并有泥漿和細砂進入，軸承很容易得不到潤滑而很快磨損失效；而且，鉆井地質條件復雜多變；石油鉆具軸承熱處理后硬度通常在52-56HRC。因此，G55SiMoVA作為石油鉆具軸承用鋼與軋機軸承用鋼比較，對鋼的質量和性能要求存在差異。采用G55SiMoVA鋼生產的石油鉆具軸承外徑為Ф50mm-240mm，有效壁厚5mm-15mm，軸承產品已廣泛應用于大型石油鉆具制造企業(yè)。

3.主要技術要求

根據鋼的質量特性，主要技術要求如下：

3.1化學成分(見表1)

3.2氧含量不大于12ppm。

3.3低倍組織

鋼材應進行低倍組織檢查。經酸浸的試樣應無縮孔、裂紋、皮下氣泡、白點、過燒裂紋及有害夾雜物。低倍組織按GB/T18254-2002評定，合格級別符合表2規(guī)定。

表2 低倍組織

表1 化學成分 %

3.4非金屬夾雜物

鋼應具有高的純凈度。非金屬夾雜物按GB/T18254-2002評定，合格級別符合表3規(guī)定。

表3 非金屬夾雜物

4.G55SiMoVA軸承鋼生產工藝和質量控制

4.1生產工藝流程

50噸電爐冶煉－LF精煉－VD真空處理－連鑄(電磁攪拌) －緩冷－軋制成材

4.2關鍵工藝控制技術

為保證軸承長使用壽命，必須控制鋼的純凈度。由50tEAF－LF(VD)流程冶煉，配料采用低P、S優(yōu)質廢鋼，配加一定比例的優(yōu)質鐵水，控制As、Sn、Pb、Sb等有害元素含量；電爐冶煉防止鋼水過氧化，加強脫P去除操作，出鋼嚴禁氧化渣流入鋼包，為精煉創(chuàng)造好的鋼水條件。LF精煉要求脫氧良好和夾雜物充分上浮，鋼水到精煉位后快速造高堿度白渣，精煉渣成分見表4；迅速提升鋼水溫度和爐渣溫度，加強脫氧脫硫反應和夾雜物的去除；白渣保持時間大于15min。

表4 精煉渣樣成分

VD真空脫氣確保足夠的真空度和真空保持時間?？焖俪檎婵?，使真空度＜67Pa保持20min以上；同時采用鋼包吹氬的精煉工藝，前期和后期采取小氬氣流量控制措施，鋼水的氫含量≤2.0ppm；VD處理后軟吹氬時間控制大于12分鐘。

連鑄采用全程保護澆注，大包保護采用長水口，中間包采用浸入式水口、使用覆蓋劑、選用性能優(yōu)良的專用結晶器保護渣，以防止鋼水二次氧化；采用低過熱度澆注，中包鋼水過熱度控制在20～30℃，防止柱狀晶過快生長，以增加鑄坯中的等軸晶，減輕中心疏松和偏析；在結晶器和凝固末端采用電磁攪拌；注意過熱度和二冷配水量，保證鑄坯冷卻均勻；鋼坯入坑緩冷。

軋制工藝保證加熱均勻和軋制比，加熱溫度1150℃-1250℃，加熱時間和高溫擴散時間保證在5-10h，保證鋼坯加熱均勻；軋材壓縮比不小于15，保證鋼的內在質量；軋后鋼材緩冷。鋼材軋制規(guī)格φ30mm-φ60mm（采用180mm×220mm鑄坯）；軋制規(guī)格φ65mm-φ80mm（采用260mm×300mm鑄坯）。

4.3產品實物質量

抽取30爐，進行了質量指標統(tǒng)計分析。主要元素含量均穩(wěn)定控制在內控要求范圍內，P、S含量分別穩(wěn)定控制在0.009%、0.003%以下，氧含量穩(wěn)定控制在10ppm以下；鋼材低倍檢驗為一般疏松0-0.5級，中心疏松0.5-1.0級，偏析為0-0.5級，低倍組織致密、均勻，未發(fā)現肉眼可見的縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、折疊、白點及有害夾雜物；非金屬夾雜物均勻、細小，鋼質純凈。

4.4鋼的力學性能和接觸疲勞壽命

采用G55SiMoVA鋼馬氏體熱處理后，試樣測定力學性能和接觸疲勞壽命，結果見表5、表6，接觸疲勞壽命P-N曲線見圖1。G55SiMoVA鋼接觸疲勞壽命和滲碳軸承鋼基本相當。

表6 接觸疲勞壽命

5.G55SiMoVA軸承鋼應用技術研究

G55SiMoVA與典型高鉻軸承鋼GCr15等相比，G55SiMoVA無鉻，碳含量相對較低，故碳化物含量少且彌散分布，淬回火后組織均勻，具有較高的綜合力學性能，耐沖擊性能好。Mo和V的加入可以細化晶粒，替代C、Cr對硬度和疲勞強度的作用。與滲碳軸承鋼相比則具有熱處理工藝簡單、組織均勻性好、制造成本低的特點。通過對G55SiMoVA鋼用戶應用技術和熱處理工藝的系統(tǒng)研究，充分挖掘發(fā)揮其性能，擴大了其應用領域。

表5 G55SiMoVA鋼室溫力學性能

表7 熱加工工藝參數

表8 熱處理工藝參數

5.1軸承生產工藝

5.1.1生產工藝流程

鍛造套圈－正火－退火－機加工－熱處理（淬火+回火）－粗磨－附加回火－細磨－精磨－檢驗－裝配－成品檢驗。

5.1.2熱加工工藝參數

熱加工工藝參數見表7。

5.2 熱處理工藝

G55SiMoVA軸承鋼應用于軋機軸承、石油鉆具軸承領域，規(guī)格大小差異和硬度差異要求需要對馬氏體淬火工藝進行優(yōu)化，熱處理工藝參數見表8。熱處理結果表明工件具有變形小、尺寸穩(wěn)定性好、表面呈壓應力狀態(tài)、不易產生磨削裂紋、沖擊韌性與斷裂韌性高等優(yōu)點。

熱處理金相組織見圖2，組織為回火馬氏體和殘余奧氏體及少量碳化物，形態(tài)以細小片狀和隱晶馬氏體為主。試驗表明，用最優(yōu)化的馬氏體淬火工藝可處理G55SiMoVA制造的軋機軸承有效壁厚最大尺寸30mm，硬度≥57～60 HRC。在調質處理后淬回火狀態(tài)下使用，完全可以替代傳統(tǒng)滲碳軸承鋼，加工后的軸承零件整體性能優(yōu)異，為軋機軸承生產廠及鋼廠降低了生產成本和使用成本。采用優(yōu)化后的馬氏體淬火工藝，石油鉆具軸承使用壽命也有顯著提高。

6.結論

6.1采用EAF-LF-VD-CC流程工藝，通過降低粗煉鋼液的含氧量，LF精煉采用合適的精煉渣系和實施合理的脫氧制度，出鋼時加入足夠的強脫氧劑鋁，并利用VD真空脫氣和吹氬對鋼液進行充分攪拌，連鑄采用全保護澆注一系列措施，可以生產出氧含量小于10ppm，潔凈度高的G55SiMoVA軸承鋼。

6.2中碳G55SiMoVA軸承鋼具有高強度、高沖擊韌性、高耐磨性能，適用于耐沖擊重載荷軸承制造領域，可以替代傳統(tǒng)滲碳軸承鋼。

6.3通過鋼的質量特性改進和熱處理工藝優(yōu)化，G55SiMoVA軸承鋼既可以應用于大規(guī)格的軋機軸承領域，也可以應用于小規(guī)格的鉆具軸承領域

[1] 鐘順思.軸承鋼.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

萊蕪鋼鐵股份有限公司特鋼事業(yè)部）