大負(fù)荷軋機(jī)用滲碳軸承鋼G20Cr2Ni4A的生產(chǎn)試制

供稿|劉紅祎，肖洋，李卯華，白剛/ LIU Hong-yi， XIAO Yang， LI Mao-hua， BAI Gang

大負(fù)荷軋機(jī)用滲碳軸承鋼G20Cr2Ni4A的生產(chǎn)試制

供稿|劉紅祎1，肖洋2，李卯華3，白剛1/ LIU Hong-yi1， XIAO Yang2， LI Mao-hua3， BAI Gang1

內(nèi)容導(dǎo)讀

軋機(jī)、連鑄機(jī)、鐵路機(jī)車、礦山機(jī)械、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的軸承要求材料表面具有高強(qiáng)度和良好的耐磨性、芯部具有一定的韌性和抗沖擊性能，目前多采用滲碳軸承鋼。滲碳軸承鋼的售價高，利潤可觀，市場需求大，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α１句撛嚿a(chǎn)的G20Cr2Ni4A，通過精確控制化學(xué)成分，充分去除夾雜物，并通過電渣重熔提高芯部致密度，高精度軋機(jī)保證尺寸公差，大大提高了滲碳軸承鋼的產(chǎn)品質(zhì)量與附加值，不僅擴(kuò)大了市場份額，提高了經(jīng)濟(jì)效益，也得到了廣泛認(rèn)可與好評。

滲碳軸承鋼是各種機(jī)械部件的支承，其工作環(huán)境大多是低溫、強(qiáng)真空等惡劣環(huán)境，或者是強(qiáng)沖擊、高磨損和超高轉(zhuǎn)速等高強(qiáng)度工作環(huán)境。使用特點和工作條件要求軸承零件必須具備高的硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度、良好的韌性、尺寸穩(wěn)定性、耐蝕和良好的冷熱加工性能。制作軸承的鋼材表面滲碳處理后可以在材料表面形成殘余壓應(yīng)力，大大提高軸承壽命及耐沖擊性能。正是由于滲碳軸承鋼的多方面優(yōu)點，美國目前滲碳軸承鋼的產(chǎn)量已達(dá)到軸承鋼總產(chǎn)量的30%，日本為10%～15%，而我國為3%左右［1］。

G20Cr2Ni4A是常用的滲碳合金結(jié)構(gòu)鋼，滲碳處理后表面具有相當(dāng)高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，同時芯部好保留著有良好的韌性，能耐強(qiáng)烈的沖擊負(fù)荷。采用G20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼制造的軸承，內(nèi)部具有高的韌性，外部具有較好的強(qiáng)度，整體尺寸的穩(wěn)定性非常良好，廣泛應(yīng)用于制造受沖擊較大的軸承，如軋機(jī)、連鑄機(jī)、鐵路機(jī)車、礦山機(jī)械、發(fā)電設(shè)備等。滲碳軸承鋼的售價高，利潤可觀，市場需求大，具有良好的發(fā)展?jié)摿ΑＮ恼箩槍20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼采用“電爐+真空處理+電渣+軋制”生產(chǎn)工藝，為滲碳軸承鋼生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步發(fā)展提供了必要的技術(shù)支持。

主要技術(shù)要求

化學(xué)成分

軸承在交變應(yīng)力下，受沖擊較大，要求一定的硬度和耐磨性。碳含量是決定滲碳淬火后芯部硬度和淬透性重要元素之一，芯部既要耐沖擊而且還要有足夠的強(qiáng)度，因此碳含量一般控制在0.20%以下。在滲碳軸承鋼中，硅和錳復(fù)合作用下，能顯著提高滲碳層的抗回火穩(wěn)定性，同時隨著錳含量的增加，鋼的滲碳性能大幅度提高。鉻在滲碳軸承鋼中，其主要功能是提高淬透性、滲碳層耐磨性，改善鋼的力學(xué)性能，同時還能使鋼熱處理工藝穩(wěn)定，獲得良好的滲碳性能。鎳在鋼中能降低表面吸收碳原子的能力，加速碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散，減少滲碳層中碳的濃度，提高鋼的韌性。經(jīng)過電渣重熔后，渣料會減少鋼中夾雜物，電渣鋼夾雜物控制是特別理想的，因此滲碳軸承鋼國標(biāo)中對氧沒有具體要求，但為了高質(zhì)量要求，此次實驗控制［H］≤2×10-6，［O］≤30×10-6，化學(xué)成分見表1。

表1　滲碳軸承鋼化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

其他技術(shù)指標(biāo)

為保證鋼材致密度和均勻性要求中心疏松≤1.0級，一般疏松≤1.0級，錠型偏析≤1.5級，不允許有發(fā)紋存在。同時為提高軸承的耐磨性和降低疲勞破壞，按國家標(biāo)準(zhǔn)要求脆性夾雜物、韌性夾雜物和點狀不變形夾雜物均不超過2.0級。鋼材的奧氏體晶粒度要求5～8級，按GB/T6394標(biāo)準(zhǔn)中滲碳法檢驗。鋼材需要經(jīng)過超聲波探傷檢驗，要求質(zhì)量等級為A級。按GB/T4162標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探傷檢驗。

工藝流程

工藝流程

此次生產(chǎn)的滲碳軸承鋼主要工藝流程為：電爐冶煉→LF精煉→VD精煉→澆鑄電極→電渣重熔→加熱→800棒材連軋機(jī)組→保溫或熱處理→檢驗→包裝繳庫→發(fā)貨。主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表2　特鋼廠主要生產(chǎn)設(shè)備簡介

煉鋼精煉控制

加強(qiáng)入爐及澆鑄系統(tǒng)各種材料清潔干燥，如造渣材料石灰保證干燥，螢石等烘烤良好，以免帶入氣體等。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，鐵水加入量要求大于70%，廢鋼要求精品廢鋼。采用氧氣氧化，激烈沸騰、爐料大半熔時向渣中噴碳粉造泡沫渣，氧化前期形成高堿度、大渣量、低溫爐渣以保證脫磷效果，出鋼控制碳及磷元素含量，并進(jìn)行預(yù)脫氧。電爐出鋼時合金化，同時加入精選專用混合渣料。氧化溫度要求≥1580℃。LF爐采用造白渣進(jìn)行脫氧，要求液渣形成后加入擴(kuò)散脫氧，閉爐門10 min后加入第二批脫氧劑脫氧。5 min后，渣白、溫度達(dá)到要求時取全分析［2］。VD全程吹氬氣攪拌，氬氣壓力控制在0.2～0.4 MPa，以渣面波動鋼水部不裸露為準(zhǔn)。真空度100 Pa以下保持足夠時間，軟吹氬時間要求大于15 min。澆鑄3 t模鑄電極，對電極表面進(jìn)行清理。

電渣重熔控制

電渣重熔要求渣料必須純凈、無泥沙、鐵屑等。使用前必須加熱。渣系采用二元渣系A(chǔ)l2O3和 CaF2，按一定量配比。要求電極表面質(zhì)量良好，不得有冷接、橫裂等問題。要求電極平直。底墊在水冷底座安放平穩(wěn)，引弧劑四周圍上料，引弧電極卡好，垂直入爐，調(diào)正中心，加渣時四周均勻加入，加渣量適中，待熔渣升溫時間達(dá)到后，立即換入自耗電極。為提高電渣鋼成材率，消除縮孔加渣，熔煉后期留夠足夠的自耗電極，保證鋼錠頭部豐滿。鋼錠出爐后進(jìn)行退火，消除鋼錠應(yīng)力，降低鋼中氣體，降低鋼錠硬度。

軋制工藝控制

電渣重熔后的電極錠進(jìn)行入保溫坑進(jìn)行保溫，嚴(yán)格執(zhí)行加熱工藝，加熱溫度要求勻速增加，保證持續(xù)加熱，保證高溫在爐時間，保證鋼錠的頭尾、內(nèi)外溫度均勻，同時不易長時間在均熱段，防止晶粒粗大和浪費(fèi)能源。初軋采用軋輥直徑為800 mm的二輥可逆式軋機(jī)進(jìn)行初軋開坯，經(jīng)過多道次往復(fù)軋制，軋制成規(guī)定預(yù)備方。對預(yù)備方進(jìn)行切頭尾后直接進(jìn)入連軋機(jī)組進(jìn)行軋制。嚴(yán)格控制入連軋入口溫度，采用方—橢圓—圓孔型系統(tǒng)進(jìn)行軋制，軋制過程保證產(chǎn)品尺寸規(guī)格和表面質(zhì)量。嚴(yán)格控制冷卻速度，經(jīng)過5機(jī)架軋制后迅速保溫坑進(jìn)行緩冷和熱處理。對生產(chǎn)后的產(chǎn)品進(jìn)行超聲波探傷儀探傷，同時對表面質(zhì)量進(jìn)行修磨，保證產(chǎn)品表面質(zhì)量。

試制結(jié)果

此次試制共計生產(chǎn)一爐，鋼材的規(guī)格為φ200 mm，分別對生產(chǎn)出的產(chǎn)品進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能、低倍、夾雜物等進(jìn)行了檢驗。

化學(xué)成分

電渣錠化學(xué)成分實際值如表3所示，檢驗結(jié)果為電渣錠實際值平均值，每個電渣錠頭、尾均做了成分檢驗。從所有檢查結(jié)果看，與電極成分對比，C有0.01%燒損現(xiàn)象，S結(jié)果比電極結(jié)果低0.025%，有可能是在電極中以硫化物形式存在，在電渣重熔過程中消除了夾雜物，降低了鋼中硫含量。H質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2×10-6，降低了白點發(fā)生幾率。O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19×10-6，雖然經(jīng)過了VD真空處理，但是由于在電渣重熔過程中，電渣為非密閉保護(hù)氣氛電渣爐，增加了空氣中的O，導(dǎo)致O含量上升。

夾雜物

夾雜物破壞了鋼的連續(xù)性。在外加變形力的情況下，在非金屬夾雜物處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。鋼在壓力加工或熱處理時，由于金屬和夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，在夾雜物和金屬界面產(chǎn)生符號相反的微觀應(yīng)力，形成初始裂紋。電渣重熔去除鋼中非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極端頭，而金屬熔滴滴落過程的渣洗以及夾雜物自金屬熔池的浮升，都具有去除夾雜的作用。電渣重熔過程中爐渣吸收鋼中夾雜物可視為自發(fā)過程，而夾雜物由鋼液內(nèi)部向鋼渣界面轉(zhuǎn)移構(gòu)成限制性環(huán)節(jié)。電渣重熔后鋼中殘存夾雜物相當(dāng)一部分是金屬熔池冷卻及凝固過程二次氧化形成的新生夾雜物，它的析出和分布與結(jié)晶條件有關(guān)。所以根據(jù)檢驗結(jié)果脆性夾雜物0.5級，塑性夾雜物1.0級。

表3　電 渣錠化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

力學(xué)性能

熱處理制度為第一次淬火溫度為870℃，第二次淬火溫度為790℃，采用油冷，回火溫度為180℃，空冷。用熱處理毛坯制造的試樣測定鋼材的縱向力學(xué)性能結(jié)果，詳見表4。

表4　機(jī)械性能檢驗結(jié)果

其他檢驗

低倍檢驗。低倍檢驗按GB/T226進(jìn)行腐蝕，按照GB/T1979進(jìn)行低倍檢驗。低倍檢驗結(jié)果為一般疏松和中心疏松均為0級，錠型偏析為0.5級。晶粒度按照GB/T6394進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果為奧氏體晶粒度為7級。鋼材超聲波探傷滿足GB/T4162中A級質(zhì)量水平。

結(jié)束語

1） 采用合理的成分控制，合適的冶煉工藝，經(jīng)過真空處理，采用澆鑄模鑄電極，經(jīng)過電渣重熔生產(chǎn)的G20Cr2Ni4A純凈度高，晶粒細(xì)小等優(yōu)點。

2） 經(jīng)過電渣重熔軋制大規(guī)格鋼材，中心疏松和一般疏松均為0級，塑性夾雜物小于等于0.5級，脆性夾雜物≤1級，達(dá)到了電渣鋼要求。

3） 本鋼采用電渣生產(chǎn)的G20Cr2NiA滲碳軸承鋼質(zhì)量完全滿足國標(biāo)要求，能夠形成穩(wěn)定批量生產(chǎn)。

［1］ 鐘順?biāo)?，王昌? 軸承鋼. 1版. 北京：冶金工業(yè)出版社，2000：14

［2］ 許汝鐘. 電爐煉鋼500問. 2版. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999：96

Trial-production of Carburizing Bearing Steel G20Cr2Ni4A for Heavy Load Rolling Mill

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.15

劉紅祎（1985—）男，工程師，主要從事軸承鋼和工模具鋼等產(chǎn)品的開發(fā)與研制。通信地址：117000遼寧省本溪市平山區(qū)氧氣路6號，E-mail：aslhy@126. com。

肖洋（1983—）女，工程師，主要從事特殊鋼生產(chǎn)研究。通信地址：117000 遼寧省本溪市平山區(qū)鋼鐵路1號，E-mail：117183328@qq.com。

1. 本鋼板材股份有限公司產(chǎn)品研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠，遼寧 本溪 117000； 3. 本鋼板材股份有限公司采購中心，遼寧 本溪 117000