碳素轮毂轴承用钢G55的开发

陈 敏

(江阴兴澄特种钢铁有限公司， 江苏 江阴 214429)



碳素轮毂轴承用钢G55的开发

陈 敏

(江阴兴澄特种钢铁有限公司， 江苏 江阴 214429)

介绍了碳素轮毂轴承用钢开发、生产的关键环节，在冶炼过程中通过采取精炼加强脱氧、连铸保护浇注、电磁搅拌等技术，其产品有害元素含量低、非金属夹杂物少、钢材偏析状况好。

轴承钢； 轮毂钢； 偏析； 非金属夹杂物； 有害元素

引 言

江阴兴澄特种钢铁有限公司(以下简称“兴澄特钢”)采用电炉-炉外精炼-VD真空脱气-连铸-连轧的生产工艺路线，开发、生产G55碳素轮毂轴承用钢。轮毂轴承的主要作用是承重以及为轮毂的转动提供精确引导，它既承受轴向载荷又承受径向载荷，是一个非常重要的零部件，因此对制作轮毂轴承的原材料——轮毂轴承用钢也有着严格的要求。

钢材的纯净度和均匀性是影响轴承使用寿命的主要因素。钢中非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性。根据轴承的使用条件，在交变应力的作用下，非金属夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。特别是对于硬脆性夹杂物，由于其不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高[1]。此外，高端轮毂轴承钢对组织均匀性、成分偏析是十分敏感的，特别是中心碳的偏析，它会导致轴承组织的不均匀，严重影响产品的性能[2]。

针对上述情况，兴澄特钢根据企业实际情况，大胆创新，在新工艺和新技术方面有所突破，提高G55碳素轮毂轴承用钢的质量水平，以满足客户高层次的需求。

1 工艺流程及技术要求

1.1 工艺流程

兴澄特钢采用100 t电炉初炼→100 t LF钢包炉精炼→VD炉真空脱气→大方坯连铸机浇注→连铸坯热送→轧钢分厂加热、轧制成材→锯切→棒材堆冷→后续精整→打件、入库的生产流程。

1.2 技术要求

1.2.1 化学成分设计

G55钢对成分要求严格，不仅要求同批次成分均匀、不同批次成分稳定，而且要求钢中有害元素(主要是氧和钛)含量低。钢中的氧和钛会影响成品轴承的使用寿命：钛对轴承的危害方式是以氮化钛、碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢材中，这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命；通过大量试验证明，氧含量的降低对提高轴承疲劳寿命显著有利[3]。根据现有的国家标准GB/T 28417-2012，结合用户的实际要求，制定了相应的化学成分控制值，具体如表1所示。

1.2.2 钢材洁净度控制

钢材内部的宏观缺陷严重危害材料的性能，极大地降低成品轴承的使用寿命，必须对钢中的宏观缺陷做出严格限制。因此，规定对G55钢材进行探伤抽检，采用SEP 1927(锻轧钢棒纯净度超声水浸测定方法)进行检验，要求缺陷指数不允许超过5 mm/dm3。

表1 G55钢化学成分控制值/%

对于钢材中的微观非金属夹杂物，特别是硬脆性夹杂物，比如沿轧制方向排列成串状或点链状的Al2O3夹杂(B类)，不变形的点状或球状夹杂(D类)以及大颗粒点状或球状夹杂(DS类)，因其不具有塑性，在轴承使用中容易萌生裂纹。因此也必须对G55钢材的微观非金属夹杂物的含量及形态进行严格控制，具体级别值如表2所示，按GB/T 10561-2005 中的A法进行检测。

表2 G55钢非金属夹杂物级别

1.2.3 钢材均匀性控制

钢材原材料若偏析严重，会导致成品轴承的组织不均匀，严重降低轴承的使用寿命。因此，对G55产品的低倍组织也提出严格要求，按ASTM E381-01(2012)(钢棒、方钢坯、大钢坯和钢锻件宏观浸蚀测试方法)判定，C, R, S值均要求≤1.5级。

1.3 主要工序的工艺特点

1.3.1 电炉

对电炉冶炼的要求是控制出钢终点碳、磷含量及温度至规定范围，并防止出钢过程下氧化渣。具体操作时通过稳定铁水量来控制配碳量和残余元素成分，同时优化烧嘴参数、控制电炉吹氧量，最终形成良好的出钢条件，在电炉出钢过程中加入脱氧剂，利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧。1.3.2 精炼及真空脱气

钢包到精炼工位后，接通氩气，采用扩散脱氧造白渣，并进行钢水脱氧、脱硫，同时调整合金含量、化学成分达到判钢标准。该过程应选用优质合金、原辅料，减少外来夹杂，同时通过全过程氩气流量控制和脱氧炉渣发泡技术，实现炉渣对非金属夹杂物的较好吸附和隔绝空气，减少钢水的二次氧化。待成分及温度等满足工艺规定要求后，将钢包运送至VD炉进行真空脱气。

VD真空处理过程中，根据真空度，对应调节钢渣搅拌参数，在实现快速脱氢的同时，减缓钢渣对钢包耐火材料的冲刷和侵蚀，避免钢水被耐火材料污染而形成难以去除的非金属夹杂物。VD破空后，进行软吹氩、弱搅拌，保证钢包中非金属夹杂物快速上浮的同时，均匀钢水温度。待钢包温度合适后吊包连铸。

1.3.3 连铸

连铸浇注过程中，从大包到中间包再到结晶器，均严格采用密封保护浇注，杜绝钢水与空气接触，控制钢水二次氧化；中间包采用经过多次数模和水模优化后的内部流场结构，减少中间包死区面积，缩小中间包内钢水紊流区域，充分发挥中间包的冶金作用，提高钢水洁净度。

浇注时采用低过热度浇注，采用连续测温并根据温度进行拉速调整，结晶器液面自动控制，使用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌；二次冷却采用强冷。同时，为摸索最佳的连铸工艺参数，生产技术室按期以炉号为主线，对重要的连铸参数建立数据库(如拉速、过热度、比水量、连铸流速、电磁搅拌)，同时根据相关炉号的实际检测结果，结合实际生产工艺参数，不断优化、摸索出质量最优的连铸工艺参数。

1.3.4 轧钢

轧钢采用高温扩散加热，进一步降低钢材的中心偏析。此外，由于客户对材料的表面质量等提出较高要求，为保证产品的出厂质量，轧钢分厂对钢材100%进行超声波探伤和涡流、漏磁或红外探伤，以保证出厂钢材零缺陷。

2 开发结果

2.1 化学成分

从已有的生产数据看，G55钢材的各元素指标均满足用户技术要求。通过制定严格的内控标准和规范的操作要点，将主要元素的波动进行了有目的的控制：如C波动控制在0.03%以内，Mn波动控制在0.04%以内，保持了批量生产的稳定性，减少了对钢材加工性能的影响；同时将有害元素氧和钛控制在较低范围内，图1为生产100炉G55钢的氧、钛含量分布直方图。

2.2 钢材洁净度

按照GB/T 10561-2005 的A法对G55钢材的非金属夹杂物评级，完全满足标准要求。采用ASPEX的电子扫描显微镜对6支试样进行非金属夹杂物面扫，重点检验、分析了对轴承使用寿命影响较大的Al-Mg夹杂和氧化物夹杂的直径分布情况，检测结果如表3所示，均未出现直径超过20 μm的大颗粒夹杂。

此外，按SEP 1927法对生产的G55钢材进行水浸高频超声波探伤检测，完全满足标准要求。

2.3 钢材均匀性

按ASTM E381-01(2012)标准对生产的G55钢材进行低倍组织检验，结果完全满足标准要求，其中C，R，S值均≤1.0级的比例在90%以上，部分低倍实物照片如图2所示。

为更加直观地反映G55钢材的偏析状况，抽取部分G55成品钢材进行实验室原位分析检验，主要分析C, Cr元素的偏析状况，具体结果如图3所示。从原位分析结果看，G55材料的偏析良好，组织均匀。

图1 G55钢中氧、钛含量分布的统计直方图

编号夹杂物类型总数/个平均直径/μm不同直径夹杂物的分布数量/μm0～55～1010～1515～2020～30>301#Al-Mg212.88103000Oxides94.61440002#Al-Mg222.51282000Oxides84.23311003#Al-Mg102.7541000Oxides123.72730004#Al-Mg123.1560100Oxides205.331043005#Al-Mg54.8212000Oxides103.80820006#Al-Mg134.1283000Oxides68.1104100

图2 G55钢材低倍实物照片

图3 C，Cr元素的原位分析分布图

3 用户使用情况

通过分析，当前研制的G55碳素轮毂轴承用钢成分、性能稳定，组织均匀性好，非金属夹杂物的数量与形态能得到有效控制，随着市场的逐步开发，目前已有多家用户使用该工艺所生产的G55碳素轮毂轴承用钢，用户对钢材实物质量反映良好。

4 结束语

兴澄特钢研发试制的G55碳素轮毂轴承用钢化学成分与工艺路线的选择可行；钢中的氧、钛含量控制达到先进水平，钢材中大颗粒夹杂物及材料偏析的控制同样达到先进水平；实践证明，当前该生产工艺稳定可行，生产的产品实物质量得到下游用户的认可。

[1] 龚伟，姜周华，王博，等. 精炼渣对轴承钢氧含量和夹杂物的影响[C].全国轴承钢第七届学术会议. 昆明，1996:257—262.

[2] 钟顺思,王昌生. 轴承钢[M]. 北京：冶金工业出版社,2000.

[3] 王昌生，谢亚庆，周德光. 我国轴承钢生产的发展[J].特殊钢，1996,17(1):9—14.

2016-06-25

陈 敏(1985—)，男，硕士，工程师，电话：18651500871；E-mail：ttchenmin@126.com

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