轴承钢研究现状及发展趋势

张博

摘要：随着我国综合国力的不断提升，我国轴承港的应用范围逐渐增大，轴承钢被广泛应用于机械制造、国防工业等领域，主要是用来制造轴承的滚动体、套圈等。轴承钢的使用条件对轴承钢提出了更为严苛的要求，需要提高轴承钢的冶金质量，使其满足化学成分均匀、偏析小、超纯净内质、硬度高、碳化物级别低等技术要求。

关键词：轴承钢;研究现状;发展趋势

引言

高合金表面硬化轴承钢属于低碳高合金钢，使用温度可以达到500℃，具有较好的综合性能，能满足在恶劣环境中的使用需求，是具有巨大潜力的新一代轴承钢。渗碳处理后钢具有高的表面硬度和表面残余压应力，提高了钢的承载能力和抑制表面裂纹的形成，使钢具有较高的疲劳寿命。接觸疲劳失效是轴承的主要失效形式，由于其在破坏前无宏观变形特征，和静载力下的破坏相比更具有危险性。

1精确控制化学成分

电炉粗炼的主要任务是熔化钢铁料，脱除钢中有害元素磷等，熔炼过程一般采用吹氧助熔，但吹氧助熔控制不好会造成粗炼终点碳含量过低。过低的终点碳含量，不仅加重了精炼炉调整碳含量的任务，延长精炼时间，还给钢液带来过高的溶解氧，导致后续消耗大量脱氧剂，致使夹杂物总量增加，导致夹杂物超标，达不到轴承钢对钢水高纯净度的要求。通过优化调整粗炼过程各阶段电流电压、吹氧氧枪压力流量等措施，最终确定电炉终点碳含量控制在0.05%～0.10%。精炼过程合金小批量、分批加入，GCr15SiMn中Cr、Mn、Si主合金元素含量高，特别是铬元素含量最大。由于铬铁熔点达1857℃，若精炼炉一次加入过多合金元素，很难保证合金充分溶解，极易造成后期锻件出现异金属夹杂的缺陷，因此，主合金元素特别是铬元素采用电炉随钢流加入+精炼炉分批加入的方式进行。精炼过程中，分批加入，每批合金加入量控制在500～1000kg，每加入一批合金送电30～50min，配以70～100min包底吹氩，以保证加入的合金充分溶解及混合均匀。精炼总时间135min，过程以多次小批量合金调整的方式不仅可以保证合金加入后充分溶解、成分均匀，也可以避免大批量加入合金时因计算与实际生产有误而带来的合金元素超标风险，还可以最大限度地利用铁合金中的碳含量，减少调整碳含量造成的原材料消耗，节约生产成本。

2转炉炼钢控制轴承钢氧含量的工艺

工艺流程为：采用80%高炉铁水热装→80t顶底复吹转炉→70tLF炉外精炼→VD真空脱气→R12m五机五流连铸机连铸产180mm×220mm连铸坯→冷送→三段连续式推钢加热炉加热→高压水除鳞→Φ650mm三辊可逆开坯机→Φ550mm×4/Φ450mm×2机列连轧→热锯锯切→冷床收集→入坑缓冷→出表面检查→内部超探→包装→计量、标识、入库。工艺优化措施。根据现场工艺调研、夹渣物检测结果及大量的数据统计分析，对原轴承钢的冶炼操作工艺规程进行了调整，主要调整如下：1）为了降低钢水的氧化性，严格控制转炉出钢下渣，如无把握控制挡渣效果，主张留钢操作;2）改变铝脱氧制度，转炉炉后加铝脱氧，进LF前补加铝钱，在LF炉开始精炼后及VD不得对铝进行调整，给予夹渣物充分上浮时间;3）精炼渣碱度控制在5～6.5，同时强化精炼渣渣面脱氧，分批均匀加入碳化硅，总量不少于150kg，勤观察炉况，始终保持还原性气氛;4）在化渣完毕后，底吹氩禁止大流量操作，防止钢液与空气大面积接触;5）精炼渣料及合金在中前期加入，出钢前15min禁止加任何物料;6）VD结束后软吹时间要求≥30min;7）连铸大包开浇前，中包充氩排空时间调整为>5min。

3轴承钢开坯轧制温度及变形渗透性分析

目前，小规格棒材生产技术比较成熟，产品质量能得到有效控制，但大规格棒材产品质量控制一直是难点，主要体现在大棒材心部质量方面。大棒材使用的坯料断面较大，受冷却影响，铸坯中心易产生较为严重的疏松和孔隙缺陷，而开坯轧制过程变形渗透性的改善有利于减轻或消除这类缺陷。受制于轧机能力及坯料尺寸，开坯轧制时的变形渗透性往往难以达到心部孔隙闭合的要求。影响大规格坯料开坯轧制过程变形渗透性的影响因素复杂，国内外研究人员为此展开了广泛研究。轧制过程中，轧件表面换热包括轧件与周围环境的对流换热、辐射换热、轧件和轧辊孔型接触面的热传导。如轧辊表面温度取300℃，轧件与轧辊孔型接触的传热系数取10kW/（m2·K），摩擦因子取0.4，塑性变形功热转换系数设置为0.9。除鳞过程可近似看成水在冷却管中以受压流动形式均匀流过坯料表面，坯料温度高，水与坯料的换热系数取3kW/（m2·K），设置除鳞速度为0.8m/s。

4 GCr15钢轴承内套圈滚道不规则碳化物的成因

碳化物是GCr15轴承钢组织中的重要组成相之一，主要起到第二相强化以及增强耐磨性的作用。退火态GCr15轴承钢组织中的碳化物质量分数约为14%，而淬火后碳化物质量分数一般控制在5%-7%。淬火的作用是固溶一部分碳化物以提高基体的强度与硬度，留下一定量的未溶碳化物来保证轴承钢良好的耐磨性。轴承套圈对碳化物的尺寸、圆整度与均匀性等均有一定的要求。若碳化物粗大、形状不规则，或成分偏析严重，则在轴承服役过程中易引起应力集中，从而加速疲劳裂纹萌生和扩展，进而降低轴承疲劳寿命。因此，控制碳化物质量是提高轴承寿命的重要途径。高温扩散、控轧控冷等方法可有效控制轴承钢中碳化物偏析程度，碳化物超细化热处理工艺可使碳化物分布均匀、形状细小圆整。

结语

通过改进工艺的实施，使轴承钢平均氧含量由原来的成品9.16×10-6降低到7.41×10-6，夹杂物级别也得到明显降低，证明所采取的措施有效。在改进后的试验工艺的基础上，还应从以下方面做进一步的优化：强调转炉高拉碳操作，主张转炉拉碳控制在0.2%以上;采用中高碱度中间包覆盖剂;为了控制钢中的Ti含量，应使用低钛铬铁;连铸加强保护浇注或使用整体侵入式水口，会达到更好的效果。

参考文献：

[1]于平，陈伟庆，冯军，等.高碱度渣精炼的轴承钢中夹杂物研究[J].钢铁，2004（7）：20-23.

[2]虞明全，王治政，徐明华，等.一种超纯高碳铬轴承钢的生产方法：中国，01132236.5[P].2004.

河南工学院材料科学与工程学院 河南 新乡 453003