轴承钢的生产与工艺技术

轴承钢的冶金技术北京科技大学冶金与生态工程学院E-mail:[e-mail]13811289681唐海燕2主要内容概述轴承钢的生产技术案例分析3概述轴承钢主要用来生产轴承的滚动体和套圈.近年来随着汽车工业、航空以及国防工业的发展，对其用量和质量都提出了新的要求。轴承的需求量和一个国家的GNP保持一定的关系。在美国和日本轴承的总需求量占GNP的0.13%、0.11%.4•目前轴承向着低噪音、无振动、无故障和高可靠性方向发展，特别是一些轴承工作在高温、高速、高载荷、耐蚀、辐射等苛刻的工作环境，轴承钢必备的性能为高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性，高的耐磨性能，高且均匀的硬度，一定的抗腐蚀能力。•为满足上述的性能要求，必须保证轴承材料的纯净度和均匀性。所谓纯净度是指材料中气体含量、夹杂物的含量、夹杂物的种类以及有害元素的种类和含量。均匀性是指材料的化学成分、内部组织，包括基体组织特别是析出相碳化物颗粒度及其间距、夹杂物颗粒和分布等均匀程度。5•轴承钢主要失效的形式是接触疲劳损坏，同时也存在摩擦磨损导致精度丧失。•接触疲劳是滚动轴承在接触应力长时间反复作用下表面产生针状或痘状凹坑、麻点剥落所引起的一种疲劳剥落的损坏现象。轴承钢的使用性能可用特殊试样的接触疲劳寿命以及轴承的快速台架试验数据进行评定。常以3级作为接触疲劳破坏的基本标志。6•瑞典和日本的轴承钢产量及质量处于世界领先地位。近年来，日本产量稳定在60万吨左右，钢中氧含量平均小于10ppm，一些生产厂家氧含量平均已降到5.4ppm，达到了真空重熔轴承钢的水平，钢的接触疲劳寿命大幅度提高。在此基础上，国内外采取措施控制轴承钢的碳化物不均匀性，减小钢锭或钢坯的偏析，严格控制凝固过程以及浇铸温度，将过热度控制在10-15℃，加强钢锭或铸坯的高温均热扩散。进口轴承钢冷拔材碳化物及球化组织检验结果表明，颗粒实测最大为0.9μm，最小为0.3μm，平均直径为0.413μm。7轴承钢分类•1976年国际标准化组织ISO将轴承钢号纳入国际标准。•ISO将轴承钢分为：全淬透型轴承钢，表面硬化轴承钢，不锈轴承钢，高温轴承钢等四类，共17个钢号，有的国家增加一个类别作为特殊用途的轴承钢或合金。8•高碳铬轴承钢目前主要指GCr15(%C：0.95-1.05%Mn:0.9-1.20%Si:0.40-0.65%Cr:1.30-1.65％S,P0.020)此类钢种用途最广泛，产量为轴承钢的80%以上，世界各国的工艺、装备和技术研究多围绕着它而进行。9转炉长流程电炉短流程特种冶炼：真空感应熔炼(VIM)、电渣重熔(ESR)轴承钢生产流程/Basicprocessforbearingsteelproduction10纯净度：气体、残余元素、夹杂轴承钢最重要的性能指标是疲劳寿命。影响轴承钢寿命的重要指标是钢中氧含量。接触疲劳寿命试验结果表明，T[O]≤10ppm时寿命可提高15倍，T[O]≤5ppm时寿命则可提高30倍。国外平均已控制在8ppm左右，山阳特殊钢公司已降到5.4ppm，最低降到3-4ppm，瑞典SKF一般为5-8ppm。国内10ppm左右,兴澄特钢5~7ppm.轴承钢纯净度的控制11氮的存在易使钢中形成氮化钛，一般控制在50ppm以下。氢为间隙元素，对轴承钢有害无益，在压力加工应力条件下，会产生白点缺陷，且分布极不均匀。OVAKO公司实物中[H]均控制在≤1ppm。12•在世界各国高碳铬轴承钢标准中，对残余元素的规定，仅有Mo、Cu、Ni三个残余元素，而SKF标准则增加了对P、As、Sn、Sb、Pb、Ti、Ca等规定。这些残余元素在钢中有的形成软点；有的则形成硬而脆的化合物。瑞典已在其轴承钢标准中明确规定As、Sn、Sb、Pb应分别控制在0.04%、0.03%、0.0005%、0.0002%以下。13日本小仓钢厂连铸轴承钢的残余元素的控制元素含量PSCuNiTi炉数143143143143143平均值/%0.00840.00490.0130.0130.011标准偏差0.00150.00090.0050.0020.000314A12O3夹杂、点状不变形夹杂及含钛的碳氮化物夹杂对轴承的疲劳失效影响最为严重。世界各国的冶金工作者长期以来，从纯净度出发，主要从事两方面的工作，一是减少钢中夹杂物的含量，二是控制夹杂物的成分、尺寸、分布，即改善夹杂物的性质和形态。减少夹杂物的数量，主要是降低钢中的氧含量，其手段是炉外精炼；改善夹杂物的性质和形态则主要依赖于精炼渣的化学成分。15•在曲线的AB段，疲劳极限主要由氧化物或高钙硫化物所影响，对钛含量并不敏感；在BC段，即当轴承钢中钛含量超过30ppm，其疲劳寿命开始下降。在CD段，当钛含量大于50ppm，断裂将由TiN引起。为此，国外许多轴承钢生产企业都对钛含量有严格的控制，如SKF为13.4ppm，山阳14～15ppm，神户15ppm，爱知15ppm，和歌山(12～22ppm，高周波为(9～20)ppm。16夹杂物及分类•定义：在冶炼或浇注过程中产生于或混入钢液中，而在其后的热加工过程中分散在钢材中的类似于炉渣的非金属物质叫非金属夹杂物。17一、classifiedbychemicalcomponents1、oxideseriesofinclusion1)simple－FeO、MnO、SiO2、Al2O3、Cr2O3、TiO22)compound－spinel-type、silicate、aluminatespinel-type－FeOFe2O3、FeOAl2O3、MnOAl2O3、FeOCr2O3、MgOAl2O318silicate-type－xFeOyMnOzSiO2aluminate-type－xFeOyMnOzAl2O3Mostoftheinclusionsbydeoxidizingare:Al2O3、SiO2、Mn-Alsilicate、Mn-Sialuminate。192、sulphideseriesMnS,CaSOxide+(Ca,Mn)S第I类硫化物：形状为球形，尺寸可在相当大的范围内变动，可以是单纯的硫化物，也可以是硫化物(MnS)与氧化物(FeO、MnO等)结合形成的硫氧化物20第III类硫化物：晶界处存在的排成链状的球状夹杂或者是在晶界形成的共晶式的薄膜。第II类硫化物：此类夹杂物呈块状、外形不规则，多少呈任意状态分布。21簇群状Al2O3夹杂物22块状Al2O3非金属夹杂物233、nondeformableinclusion在热加工时保持原来的球、点状(SiO2、含较高SiO2的硅酸盐、钙的铝酸盐等)。24•ASTME45-97标准将夹杂物按形态和分布分为四类，即A（硫化物类）、B（氧化铝类）、C（硅酸盐类）和D（球状氧化物类）。ISO4967-1998标准将夹杂物分为五类，在上述四类的基础上增加了DS（单颗粒球类）三、classifiedbyshapeanddistribution25A类（硫化物类）：具有高的延展性，单个灰色颗粒，有较大压缩比，一般尾端呈钝角；B类（氧化铝类）：大多数没有变形，有角，压缩比小（一般小于3），黑色或黑蓝的颗粒，沿轧制方向排成一行（至少有三个颗粒）；C类（硅酸盐类）：具有高的延展性，单个呈黑色或深灰色颗粒，压缩比较大，一般尾端呈尖角；D类（球状氧化物类）：不变形，角状或圆形，压缩比小，黑色或蓝黑色，任意分布的颗粒;DS类（单颗粒球类）：圆形或近似圆形，直径大于或等于13微米的单颗粒夹杂物;E类（单颗粒球类）：TiN26四、classifiedbyoriginofinclusion27国外轴承钢的发展上世纪60年代以来，日本轴承工业发展迅速。日本山阳特殊钢厂在1964年引入钢桶脱气设备，使氧含量从原来的30ppm迅速降低到15ppm，但在后来的生产中，发现惰性气体搅拌，高碱度渣操作，真空度为66.7Pa的情况下，要进一步降低氧含量效果并不十分明显。因此，在1968年引入RH装置，很快在70年代初使钢中的氧含量达到10ppm，以后进一步达到8.3ppm；在70年代末期，将模铸改成了连铸，使得氧含量为5.8ppm；将原来的倾动式电炉改造成偏心炉底设备，氧含量由5.8ppm降为5.4ppm。28厂家生产工艺T.O×10-6Ti×10-6Al/%S/%P/%SKF100tEAF-除渣-ASEA-SKF-IC8.113.40.0360.0200.008山阳90tEF-倾动式出钢-LF-RH-IC8.314～150.011～0.0220.002～0.013－山阳90tEF-倾动式出钢-LF-RH-CC5.814～150.011～0.0220.002～0.013－山阳90tEF-偏心炉底出-LF-RH-CC5.414～150.011～0.0220.002～0.013－神户铁水预处理－转炉－除渣-LF-RH-CC9.0150.016～0.0240.00260.0063爱知80tEF-真空除渣-LF-RH-CC7.0150.0300.0020.001和歌山转炉-CC10.022－0.008－EF-ASEA-SKF6.012－－－高周波EF-ASEA-SKF9.0200.0150.0070.014EF-ASEA-SAF吹氩5.090.0140.0140.008蒂森高炉-140t转炉(TBM)-RH-喂丝-IC12-－－－高炉-140t转炉(TBM)-RH-喂丝-CC12-－－－国外主要轴承钢厂家所采用的工艺方法及钢中微量元素的含量29国外轴承钢冶炼设备和工艺的主要特点为降低消耗、提高产品质量和质量稳定性及便于进行二次精炼，冶炼设备大型化。为降低钢中残余元素，对钢铁料进行精选或采用高炉铁水为原料。为减少氧化渣的带入，采用无渣出钢技术或真空除渣技术。采用以RH为主的真空脱气炉外精炼装置，进一步降低钢中氧、氢和氮含量。30国外的生产特点1）规模大：提高生产率，降低成本2）除渣：采用EBT、真空吸渣和换钢包除渣等技术，将氧化渣彻底排除3）铝脱氧:精炼前用铝沉淀脱氧4）长时间搅拌：促使夹杂物上浮5）高碱度渣精炼：碱度控制4~66）连铸：由于轴承钢的碳含量高，生产的铸坯容易产生偏析、缩孔和裂纹等，故连铸较为困难，至今尚未解决铸坯中心碳偏析问题31川崎钢铁公司生产轴承钢典型的工艺流程32•日本超洁净轴承钢的生产工艺流程称为MRAC－SSS。•首先要在LF炉中进行强化脱氧精炼，去除氧化物夹杂；然后在RH炉中脱气精炼，促进夹杂物上浮、分离，并抑制连铸过程中的再氧化，实现低氧和夹杂物细化。•对于钛系夹杂物，首先在电炉或LF炉中促进脱钛，在添加合金和耐火材料的过程中控制钛系金属的混入，实现低钛化、低氮化、细化钛系夹杂物。33国外对于改善与控制轴承钢的碳化物均匀性从三方面着手:1.减小钢锭或钢坯的偏析，严格控制浇铸温度，将过热度控制在10-15℃，2.加强钢锭或铸坯的高温均热扩散，3.控制轧制与热处理工艺参数。34电炉冶炼工艺：UHPEAF（超高功率电弧炉）+LF+VD（或RH）+CCM：LF出钢后，扒渣（倒渣）2/3，渣层厚度应保持40－70mm，扒渣时间3min。扒渣完毕LF钢包入VD处理工位，接通氩气，调节流量50－80NL/min，同时测温、取样，加入硅石，调整炉渣碱度R=1.2－1.5。测温、取样后VD加盖密封，抽真空。真空泵启动期间，调整氩气流量保持30－40NL/min。国内轴承钢冶炼工艺/smeltingprocess35真空保持时间：真空启动后，工作压力达到67Pa时，保持时间≥15min。真空保持期间调整氩气流量70NL/min左右，并通过观察孔观察钢水沸腾情况，及时调整，保持均匀沸腾。终脱氧后解除真空、开盖、测温，软吹15－25min，氩气流量70-100NL/min左右，控制渣面微动为宜。软吹结束后，测温、取样，加保温剂出钢，出钢温度1530－1540℃。36钢厂工艺流程上钢五厂大电炉100