軸承鋼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張博

摘要：隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提升，我國(guó)軸承港的應(yīng)用范圍逐漸增大，軸承鋼被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域，主要是用來(lái)制造軸承的滾動(dòng)體、套圈等。軸承鋼的使用條件對(duì)軸承鋼提出了更為嚴(yán)苛的要求，需要提高軸承鋼的冶金質(zhì)量，使其滿足化學(xué)成分均勻、偏析小、超純凈內(nèi)質(zhì)、硬度高、碳化物級(jí)別低等技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：軸承鋼;研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

引言

高合金表面硬化軸承鋼屬于低碳高合金鋼，使用溫度可以達(dá)到500℃，具有較好的綜合性能，能滿足在惡劣環(huán)境中的使用需求，是具有巨大潛力的新一代軸承鋼。滲碳處理后鋼具有高的表面硬度和表面殘余壓應(yīng)力，提高了鋼的承載能力和抑制表面裂紋的形成，使鋼具有較高的疲勞壽命。接觸疲勞失效是軸承的主要失效形式，由于其在破壞前無(wú)宏觀變形特征，和靜載力下的破壞相比更具有危險(xiǎn)性。

1精確控制化學(xué)成分

電爐粗煉的主要任務(wù)是熔化鋼鐵料，脫除鋼中有害元素磷等，熔煉過(guò)程一般采用吹氧助熔，但吹氧助熔控制不好會(huì)造成粗煉終點(diǎn)碳含量過(guò)低。過(guò)低的終點(diǎn)碳含量，不僅加重了精煉爐調(diào)整碳含量的任務(wù)，延長(zhǎng)精煉時(shí)間，還給鋼液帶來(lái)過(guò)高的溶解氧，導(dǎo)致后續(xù)消耗大量脫氧劑，致使夾雜物總量增加，導(dǎo)致夾雜物超標(biāo)，達(dá)不到軸承鋼對(duì)鋼水高純凈度的要求。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整粗煉過(guò)程各階段電流電壓、吹氧氧槍壓力流量等措施，最終確定電爐終點(diǎn)碳含量控制在0.05%～0.10%。精煉過(guò)程合金小批量、分批加入，GCr15SiMn中Cr、Mn、Si主合金元素含量高，特別是鉻元素含量最大。由于鉻鐵熔點(diǎn)達(dá)1857℃，若精煉爐一次加入過(guò)多合金元素，很難保證合金充分溶解，極易造成后期鍛件出現(xiàn)異金屬夾雜的缺陷，因此，主合金元素特別是鉻元素采用電爐隨鋼流加入+精煉爐分批加入的方式進(jìn)行。精煉過(guò)程中，分批加入，每批合金加入量控制在500～1000kg，每加入一批合金送電30～50min，配以70～100min包底吹氬，以保證加入的合金充分溶解及混合均勻。精煉總時(shí)間135min，過(guò)程以多次小批量合金調(diào)整的方式不僅可以保證合金加入后充分溶解、成分均勻，也可以避免大批量加入合金時(shí)因計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)有誤而帶來(lái)的合金元素超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，還可以最大限度地利用鐵合金中的碳含量，減少調(diào)整碳含量造成的原材料消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2轉(zhuǎn)爐煉鋼控制軸承鋼氧含量的工藝

工藝流程為：采用80%高爐鐵水熱裝→80t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→70tLF爐外精煉→VD真空脫氣→R12m五機(jī)五流連鑄機(jī)連鑄產(chǎn)180mm×220mm連鑄坯→冷送→三段連續(xù)式推鋼加熱爐加熱→高壓水除鱗→Φ650mm三輥可逆開坯機(jī)→Φ550mm×4/Φ450mm×2機(jī)列連軋→熱鋸鋸切→冷床收集→入坑緩冷→出表面檢查→內(nèi)部超探→包裝→計(jì)量、標(biāo)識(shí)、入庫(kù)。工藝優(yōu)化措施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)研、夾渣物檢測(cè)結(jié)果及大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)原軸承鋼的冶煉操作工藝規(guī)程進(jìn)行了調(diào)整，主要調(diào)整如下：1）為了降低鋼水的氧化性，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐出鋼下渣，如無(wú)把握控制擋渣效果，主張留鋼操作;2）改變鋁脫氧制度，轉(zhuǎn)爐爐后加鋁脫氧，進(jìn)LF前補(bǔ)加鋁錢，在LF爐開始精煉后及VD不得對(duì)鋁進(jìn)行調(diào)整，給予夾渣物充分上浮時(shí)間;3）精煉渣堿度控制在5～6.5，同時(shí)強(qiáng)化精煉渣渣面脫氧，分批均勻加入碳化硅，總量不少于150kg，勤觀察爐況，始終保持還原性氣氛;4）在化渣完畢后，底吹氬禁止大流量操作，防止鋼液與空氣大面積接觸;5）精煉渣料及合金在中前期加入，出鋼前15min禁止加任何物料;6）VD結(jié)束后軟吹時(shí)間要求≥30min;7）連鑄大包開澆前，中包充氬排空時(shí)間調(diào)整為>5min。

3軸承鋼開坯軋制溫度及變形滲透性分析

目前，小規(guī)格棒材生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品質(zhì)量能得到有效控制，但大規(guī)格棒材產(chǎn)品質(zhì)量控制一直是難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在大棒材心部質(zhì)量方面。大棒材使用的坯料斷面較大，受冷卻影響，鑄坯中心易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的疏松和孔隙缺陷，而開坯軋制過(guò)程變形滲透性的改善有利于減輕或消除這類缺陷。受制于軋機(jī)能力及坯料尺寸，開坯軋制時(shí)的變形滲透性往往難以達(dá)到心部孔隙閉合的要求。影響大規(guī)格坯料開坯軋制過(guò)程變形滲透性的影響因素復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外研究人員為此展開了廣泛研究。軋制過(guò)程中，軋件表面換熱包括軋件與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱、輻射換熱、軋件和軋輥孔型接觸面的熱傳導(dǎo)。如軋輥表面溫度取300℃，軋件與軋輥孔型接觸的傳熱系數(shù)取10kW/（m2·K），摩擦因子取0.4，塑性變形功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)置為0.9。除鱗過(guò)程可近似看成水在冷卻管中以受壓流動(dòng)形式均勻流過(guò)坯料表面，坯料溫度高，水與坯料的換熱系數(shù)取3kW/（m2·K），設(shè)置除鱗速度為0.8m/s。

4 GCr15鋼軸承內(nèi)套圈滾道不規(guī)則碳化物的成因

碳化物是GCr15軸承鋼組織中的重要組成相之一，主要起到第二相強(qiáng)化以及增強(qiáng)耐磨性的作用。退火態(tài)GCr15軸承鋼組織中的碳化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為14%，而淬火后碳化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在5%-7%。淬火的作用是固溶一部分碳化物以提高基體的強(qiáng)度與硬度，留下一定量的未溶碳化物來(lái)保證軸承鋼良好的耐磨性。軸承套圈對(duì)碳化物的尺寸、圓整度與均勻性等均有一定的要求。若碳化物粗大、形狀不規(guī)則，或成分偏析嚴(yán)重，則在軸承服役過(guò)程中易引起應(yīng)力集中，從而加速疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而降低軸承疲勞壽命。因此，控制碳化物質(zhì)量是提高軸承壽命的重要途徑。高溫?cái)U(kuò)散、控軋控冷等方法可有效控制軸承鋼中碳化物偏析程度，碳化物超細(xì)化熱處理工藝可使碳化物分布均勻、形狀細(xì)小圓整。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)工藝的實(shí)施，使軸承鋼平均氧含量由原來(lái)的成品9.16×10-6降低到7.41×10-6，夾雜物級(jí)別也得到明顯降低，證明所采取的措施有效。在改進(jìn)后的試驗(yàn)工藝的基礎(chǔ)上，還應(yīng)從以下方面做進(jìn)一步的優(yōu)化：強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)爐高拉碳操作，主張轉(zhuǎn)爐拉碳控制在0.2%以上;采用中高堿度中間包覆蓋劑;為了控制鋼中的Ti含量，應(yīng)使用低鈦鉻鐵;連鑄加強(qiáng)保護(hù)澆注或使用整體侵入式水口，會(huì)達(dá)到更好的效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]虞明全，王治政，徐明華，等.一種超純高碳鉻軸承鋼的生產(chǎn)方法：中國(guó)，01132236.5[P].2004.

河南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南 新鄉(xiāng) 453003