軸承鋼研究現狀及發展趨勢

張博

摘要：隨著我國綜合國力的不斷提升，我國軸承港的應用范圍逐漸增大，軸承鋼被廣泛應用于機械制造、國防工業等領域，主要是用來制造軸承的滾動體、套圈等。軸承鋼的使用條件對軸承鋼提出了更為嚴苛的要求，需要提高軸承鋼的冶金質量，使其滿足化學成分均勻、偏析小、超純凈內質、硬度高、碳化物級別低等技術要求。

關鍵詞：軸承鋼;研究現狀;發展趨勢

引言

高合金表面硬化軸承鋼屬于低碳高合金鋼，使用溫度可以達到500℃，具有較好的綜合性能，能滿足在惡劣環境中的使用需求，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，由于其在破壞前無宏觀變形特征，和靜載力下的破壞相比更具有危險性。

1精確控制化學成分

電爐粗煉的主要任務是熔化鋼鐵料，脫除鋼中有害元素磷等，熔煉過程一般采用吹氧助熔，但吹氧助熔控制不好會造成粗煉終點碳含量過低。過低的終點碳含量，不僅加重了精煉爐調整碳含量的任務，延長精煉時間，還給鋼液帶來過高的溶解氧，導致后續消耗大量脫氧劑，致使夾雜物總量增加，導致夾雜物超標，達不到軸承鋼對鋼水高純凈度的要求。通過優化調整粗煉過程各階段電流電壓、吹氧氧槍壓力流量等措施，最終確定電爐終點碳含量控制在0.05%～0.10%。精煉過程合金小批量、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。由于鉻鐵熔點達1857℃，若精煉爐一次加入過多合金元素，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行。精煉過程中，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。精煉總時間135min，過程以多次小批量合金調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因計算與實際生產有誤而帶來的合金元素超標風險，還可以最大限度地利用鐵合金中的碳含量，減少調整碳含量造成的原材料消耗，節約生產成本。

2轉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頂底復吹轉爐→70tLF爐外精煉→VD真空脫氣→R12m五機五流連鑄機連鑄產180mm×220mm連鑄坯→冷送→三段連續式推鋼加熱爐加熱→高壓水除鱗→Φ650mm三輥可逆開坯機→Φ550mm×4/Φ450mm×2機列連軋→熱鋸鋸切→冷床收集→入坑緩冷→出表面檢查→內部超探→包裝→計量、標識、入庫。工藝優化措施。根據現場工藝調研、夾渣物檢測結果及大量的數據統計分析，對原軸承鋼的冶煉操作工藝規程進行了調整，主要調整如下：1）為了降低鋼水的氧化性，嚴格控制轉爐出鋼下渣，如無把握控制擋渣效果，主張留鋼操作;2）改變鋁脫氧制度，轉爐爐后加鋁脫氧，進LF前補加鋁錢，在LF爐開始精煉后及VD不得對鋁進行調整，給予夾渣物充分上浮時間;3）精煉渣堿度控制在5～6.5，同時強化精煉渣渣面脫氧，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結束后軟吹時間要求≥30min;7）連鑄大包開澆前，中包充氬排空時間調整為>5min。

3軸承鋼開坯軋制溫度及變形滲透性分析

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

4 GCr15鋼軸承內套圈滾道不規則碳化物的成因

碳化物是GCr15軸承鋼組織中的重要組成相之一，主要起到第二相強化以及增強耐磨性的作用。退火態GCr15軸承鋼組織中的碳化物質量分數約為14%，而淬火后碳化物質量分數一般控制在5%-7%。淬火的作用是固溶一部分碳化物以提高基體的強度與硬度，留下一定量的未溶碳化物來保證軸承鋼良好的耐磨性。軸承套圈對碳化物的尺寸、圓整度與均勻性等均有一定的要求。若碳化物粗大、形狀不規則，或成分偏析嚴重，則在軸承服役過程中易引起應力集中，從而加速疲勞裂紋萌生和擴展，進而降低軸承疲勞壽命。因此，控制碳化物質量是提高軸承壽命的重要途徑。高溫擴散、控軋控冷等方法可有效控制軸承鋼中碳化物偏析程度，碳化物超細化熱處理工藝可使碳化物分布均勻、形狀細小圓整。

結語

通過改進工藝的實施，使軸承鋼平均氧含量由原來的成品9.16×10-6降低到7.41×10-6，夾雜物級別也得到明顯降低，證明所采取的措施有效。在改進后的試驗工藝的基礎上，還應從以下方面做進一步的優化：強調轉爐高拉碳操作，主張轉爐拉碳控制在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，應使用低鈦鉻鐵;連鑄加強保護澆注或使用整體侵入式水口，會達到更好的效果。

參考文獻：

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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方法：中國，01132236.5[P].2004.

河南工學院材料科學與工程學院 河南 新鄉 453003