國內(nèi)外高品質(zhì)軸承鋼潔凈化與均質(zhì)化控制技術(shù)的進(jìn)展

宗男夫，張慧，張興中

（鋼鐵研究總院 連鑄國家工程研究中心，北京 100081）

主機的高可靠性和安全性對軸承提出了高品質(zhì)、長壽命和高可靠性要求，而鋼材的潔凈度和均質(zhì)性是軸承性能的基本保證［1］。雖然我國軸承鋼的產(chǎn)量世界第一，但高品質(zhì)軸承鋼仍然依賴進(jìn)口，因此對國內(nèi)外高品質(zhì)軸承鋼的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 國內(nèi)外高品質(zhì)軸承鋼全氧、微量元素和夾雜物控制水平

隨著特殊鋼企業(yè)冶煉工藝和質(zhì)量控制水平的提高，高品質(zhì)軸承鋼中全氧、微量元素和夾雜物水平（表 1）［2-12］得到進(jìn)一步改善。

表1 國內(nèi)外高品質(zhì)軸承鋼全氧、微量元素和夾雜物現(xiàn)狀Tab.1 Current situation of total oxygen，trace elements and inclusions for high-quality bearing steel at home and abroad

隨著冶煉裝備及生產(chǎn)控制水平的進(jìn)步，國內(nèi)外著名特殊鋼廠生產(chǎn)的軸承鋼中氧含量大幅度降低，控制范圍逐步趨于穩(wěn)定（圖 1）［2-3，10］。

圖1 特殊鋼廠軸承鋼中氧含量Fig.1 Oxygen content for bearing steel in special steel company

日本山陽特殊鋼通過研究鋼中氧含量與軸承鋼疲勞壽命關(guān)系如圖2所示。軸承鋼疲勞壽命與氧含量的關(guān)系：L10（相對壽命）＝372［O］-1.6，即若連鑄鋼中氧含量控制為5×10-4%，其疲勞壽命與電渣重熔和真空自耗鋼相當(dāng)［12］。瑞典SKF公司生產(chǎn)的軸承鋼氧含量波動偏差也逐年降低（圖3）［2］。SKF的高品質(zhì)軸承鋼中全氧含量需控制在10×10-4%以下，實際生產(chǎn)中的波動控制在15×10-4%以內(nèi)。

圖2 軸承鋼中氧含量與疲勞壽命關(guān)系Fig.2 Relation between oxygen content in bearing steel and fatigue life

圖3 SKF軸承鋼中氧含量標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.3 Standard deviation of oxygen content in SKF bearing steels

隨著氧含量降低，鋼中氧化物夾雜的數(shù)量減小，氧化物作為疲勞源的概率逐步減少，其他缺陷開始成為疲勞源，控制鋼中氧化物形態(tài)和尺寸成為關(guān)鍵。對現(xiàn)代商用高品質(zhì)軸承鋼的研究表明，TiN及Ti（C，N）對軸承鋼滾動接觸疲勞造成的損害最為嚴(yán)重，其次為大型球狀鈣鋁尖晶石［13-14］。當(dāng)鋼中氧含量控制在6×10-4%以下時，Ti（C，N）開始導(dǎo)致疲勞斷裂［15］。在高碳鉻軸承鋼中Ti為有害元素，其與溶解于鋼中的氮的親和力極強，多以TiN，Ti（C，N）夾雜物形式存在。TiN夾雜是具有棱角的硬而脆的夾雜物（表2），在熱加工過程中不發(fā)生形變，其棱角易劃傷鋼的基體成為疲勞裂紋源。

表2 軸承鋼中夾雜物的物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of inclusions in bearing steel

文獻(xiàn)［16-18］顯示，尺寸較小的TiN與尺寸較大的Al2O3的有害指數(shù)相同（圖4）；平均直徑8μm的TiN與平均直徑25μm的氧化物的危害程度相當(dāng)（圖5）。

圖4 夾雜物類型和尺寸對軸承鋼有害程度的影響Fig.4 Effect of type and size of inclusions on harmful level of bearing steel

圖5 氧化物和TiN夾雜附近局部應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系Fig.5 Relation between local stress and fatigue life near oxide and TiN inclusions

這是由鈦氮化物本身性質(zhì)決定，其形態(tài)為棱角立方體，易破壞軸承鋼基體的連續(xù)性，在點狀不變形夾雜的周圍，常有喇叭形的空洞或裂紋；相同尺寸的碳氮化物比氧化物硬度高，氧化物更易變形。

2 國內(nèi)外高品質(zhì)軸承鋼典型生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展

日本山陽特殊鋼公司研發(fā)了 SNRP（Sanyo New Refining Process）超潔凈軸承鋼生產(chǎn)工藝［2-4］，該工藝生產(chǎn)的軸承鋼稱為超潔凈軸承鋼。鋼中的氧含量可以控制在5×10-4%以下，氧化物夾雜物的直徑在11μm以下。

日本大同特鋼最近研發(fā)出MRAC-SSS工藝生產(chǎn)高端軸承鋼［5］，鋼中氧含量控制在5×10-4%以下，鈦含量控制在5×10-4%以下，氮含量控制在30×10-4%以下，并且氧化物夾雜、鈦系夾雜物極其細(xì)小。采用MRAC-SSS工藝生產(chǎn)的超純凈軸承鋼的接觸疲勞壽命得到延長，較傳統(tǒng)精煉工藝生產(chǎn)的長25%以上。

SKF公司 OVAKO鋼鐵廠［2，8］研發(fā)出與 SAEA-SKF鋼包精煉相匹配的雙聯(lián)工藝，組成SKFMR（熔煉+精煉）先進(jìn)煉鋼工藝。在鋼包爐內(nèi)加熱，同時進(jìn)行鋁沉淀脫氧，利用電磁攪拌使脫氧產(chǎn)物從鋼液中分離，從而降低了鋼中氧含量和夾雜物含量。

日本神戶［6］和 JFE［19，20］進(jìn)行鐵水預(yù)處理“提純”。神戶制鋼開發(fā)出的超潔凈鋼，其氧含量為4×10-4%，鈦含量為7×10-4%。超潔凈軸承鋼中基本消除大顆粒夾雜物，夾雜物尺寸細(xì)小其彌散分布在軸承鋼基體中。

上述工藝的關(guān)鍵點是控制鋼中氧化物夾雜和Ti系夾雜的形狀、分布和數(shù)量，其生產(chǎn)工藝流程見表3。瑞典和日本生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量水平在一定程度上代表了當(dāng)今世界軸承鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)的最高水平，但其側(cè)重點不同，日本特殊鋼廠主要通過降低氧含量來減少夾雜物；SKF在超低氧含量的前提下，重點控制夾雜物的尺寸、形狀和分布。

表3 國內(nèi)外高品質(zhì)軸承鋼生產(chǎn)工藝Tab.3 Production technology for high-quality bearing steel at home and abroad

3 高品質(zhì)軸承鋼潔凈化與均質(zhì)化新技術(shù)進(jìn)展

3.1 高效除渣技術(shù)

電爐采用偏心爐無渣出鋼（如 EBT）［2-4，8］，轉(zhuǎn)爐擋渣出鋼（如氣動擋渣），進(jìn)入精煉階段前采用鋼包扒渣、真空吸渣、換鋼包進(jìn)一步去除氧化渣等技術(shù)，易于造還原渣并防止?fàn)t渣中Ti還原進(jìn)入鋼液。連鑄采用大包下渣檢測技術(shù)，提高鋼液潔凈度，改善鑄坯質(zhì)量。如瑞典SKF采用雙爐殼熔煉，日本神戶采用轉(zhuǎn)爐冶煉，均在出鋼后對鋼水進(jìn)行除渣處理，有效降低轉(zhuǎn)爐渣對鋼液Ti含量和潔凈度的影響。

3.2 高堿度精煉技術(shù)

采用高堿度精煉渣系［21-24］是日本鋼鐵廠開發(fā)的超低氧特殊鋼生產(chǎn)技術(shù)的另一重要技術(shù)，可提高堿度、降低爐渣中SiO2的活度、控制Al2O3夾雜物含量。日本山陽特鋼［4］采用高堿度爐渣（CaO／SiO2＝10.2），在精煉條件下生產(chǎn)低氧含量軸承鋼，研究表明，隨著爐渣堿度的提高總氧含量差別不大，但鋼中大型夾雜物數(shù)量顯著降低。軸承鋼冶煉過程中精煉渣吸收Al2O3夾雜物的能力與渣中Al2O3的活度有直接關(guān)系［25-27］。

3.3 大斷面垂直型連鑄技術(shù)

高品質(zhì)軸承鋼生產(chǎn)中最大的質(zhì)量問題是中心偏析和內(nèi)部夾雜物導(dǎo)致的內(nèi)裂。其中，高碳鋼的中心碳偏析最為嚴(yán)重。應(yīng)用大斷面旋轉(zhuǎn)式圓坯垂直型連鑄機［28］和大斷面方坯垂直型連鑄機［29-30］生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼可有效地減少鑄坯中心縮孔及伴生中心裂紋，改善中心疏松，使表面與內(nèi)部質(zhì)量均較好。

旋轉(zhuǎn)式圓坯連鑄機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力使結(jié)晶器內(nèi)的鋼液能與結(jié)晶器壁有較好的接觸，生成的坯殼厚度比較均勻，鑄坯不易產(chǎn)生內(nèi)裂。同時，離心力使鋼液中夾雜物產(chǎn)生向心力，促使夾雜物上浮排除，提高了鋼潔凈度。

韓國浦項公司在采用大斷面方坯垂直型連鑄機輕壓下、電磁攪拌等技術(shù)基礎(chǔ)上，采用凸形輥輕壓下［31］，斷面尺寸為400 mm×500 mm的高碳鋼大方坯，輕壓下區(qū)域位于澆鑄中心的固相分?jǐn)?shù)為0.2～0.8的范圍，當(dāng)總壓下量達(dá)到14 mm，中心偏析比率可減少87.5%，顯著提高了軸承鋼質(zhì)量。

3.4 大顆粒Ds夾雜物的控制技術(shù)

瑞典SKF公司曾指出，鋼中CaO·Al2O3產(chǎn)生的危害比Al2O3對軸承鋼疲勞壽命的危害大［32-34］，并強調(diào)鋼液不宜采用Ca-Si處理。軸承鋼中Ds類（直徑＞13μm）夾雜物主要為鎂鋁尖晶石和鈣鋁酸鹽復(fù)合態(tài)夾雜物。由于軸承鋼對點狀夾雜物十分敏感，為了降低鋁酸鈣類夾雜對軸承鋼疲勞壽命的影響，國外軸承鋼廠一般不采用Ca處理技術(shù)，而是通過加精煉渣，使Al2O3形成細(xì)小、易上浮的Al2O3·SiO2，同時嚴(yán)格控制鋼中生成的Al2O3夾雜物含量。在LF爐盡量不配加［Al］，避免［Al］燒損生成（Al2O3），也抑制了渣中TiO2的還原，進(jìn)而降低鋼液中Ti含量。精煉終渣控制目標(biāo)：0%～10%SiO2，30% ～35%Al2O3，50% ～55%CaO，0% ～10%MgO，渣中全鐵含量越低越好。

3.5 高品質(zhì)軸承鋼疲勞評價體系的改進(jìn)

軸承零件承受高頻低幅循環(huán)載荷作用，傳統(tǒng)的疲勞設(shè)計是基于107r以內(nèi)的疲勞數(shù)據(jù)建立的。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和冶煉水平的提高，實際的疲勞使用壽命甚至達(dá)到1011r。鋼鐵材料應(yīng)力循環(huán)在超過107r甚至109r后仍發(fā)生破壞，傳統(tǒng)的“疲勞極限”并不存在，其S-N曲線為“階梯”型特征（圖6）［35］。曲線階梯下降是由表面、內(nèi)部裂紋萌生和擴展的機制不同引起的。

圖6 高碳鉻軸承鋼的S-N曲線Fig.6 S-N curve of high carbon chromium bearing steel

超高周疲勞的裂紋傾向萌生于材料內(nèi)部，一般存在獨立的內(nèi)部裂紋源，即“魚眼”狀特征，也有多個魚眼同時出現(xiàn)在一個斷口上的情況。在高周疲勞區(qū)，裂紋的萌生均源于非金屬夾雜物。文獻(xiàn)［36］發(fā)現(xiàn)，夾雜物周圍存在一個“暗區(qū)”，該疲勞斷裂表面較為粗糙。夾雜物周圍的“暗區(qū)”可以延長軸承鋼的疲勞壽命。內(nèi)部裂紋決定軸承鋼的壽命，對于內(nèi)部萌生裂紋的情況，要改善材料疲勞性能則需提高鋼液的純凈度，使夾雜物均勻分布于鋼液。降低鋼中夾雜物的含量和尺寸可以有效推遲疲勞裂紋的萌生，進(jìn)而提高鋼的疲勞壽命。

4 結(jié)束語

潔凈度與均質(zhì)性控制是提升高品質(zhì)軸承鋼質(zhì)量的關(guān)鍵，通過采用潔凈度（Ti，T［O］，N，Ca等有害元素）及碳化物（網(wǎng)狀碳化物、液析碳化物、帶狀組織）均勻性控制技術(shù)，可以明顯延長滾動軸承的壽命。

未來高品質(zhì)軸承鋼生產(chǎn)控制的重點研究方向大致分為2個方面：

1）提高軸承鋼的潔凈度。通過進(jìn)一步降低鋼中氧、有害元素（如N，Ti，Ca等）和夾雜物含量，采用高堿度低鋁渣精煉，提高精煉渣吸附夾雜物的能力，保證有效去除大型點狀夾雜物和脆性夾雜物TiN，使軸承鋼中的氧含量得到穩(wěn)定控制。

2）碳化物偏析和形態(tài)分布控制。采用大斷面垂直連鑄及凝固末端電磁攪拌、輕壓下等裝備和工藝，并與過熱度、二冷與拉速匹配降低碳化物液析，獲得合適的預(yù)組織，可以縮短軸承鋼球化退火時間，細(xì)化碳化物，提高疲勞壽命。

通過以上控制技術(shù)，可以得到凝固組織結(jié)構(gòu)均勻、碳成分分布均勻的軸承鋼，其綜合質(zhì)量滿足高品質(zhì)軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)。