轴承钢生产工艺技术简介

轴承用钢的质量是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢种。世界公认轴承钢的水平是一个国家冶金水平的标志。轴承对其材料的要求较高，必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、弹性极限，良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工等性能。为保证这些性能要求，轴承钢的冶金质量必须保证其严格的化学成分及化学成分均匀性，特别高的纯净度，极低的氧含量和残余元素含量，严格的低倍组织和高倍组织，严格的碳化物均匀性，严格的表面脱碳层和内部疏松、偏析、显微孔隙等，不允许存在裂纹、夹渣、毛刺、折迭、结疤、氧化皮、缩孔、气泡、白点和过烧等表面和内部缺陷。我国特钢企业2007年轴承钢产量为245万t。当前世界各国所使用的轴承钢主要有5大类，即高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢、中碳轴承钢。高碳铬轴承钢。高碳铬轴承钢是含铬0.6%～1.5%的高碳合金钢，目前我国标准中采用5个牌号，GCr15、GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15SiMn。高碳铬轴承钢已有100多年的历史，长期的生产和使用证明，这种钢基本上可以满足一般工作条件的轴承要求，具有良好的耐磨性和抗接触疲劳性能，有较理想的耐锈蚀性和一定的弹性、韧性，加工性能较好，价格也较便宜，因此应用最广。由于淬透性的差别，其中用量最大的是GCr15和GCr15SiMn，GCr6和GCr9已很少采用。渗碳轴承钢。渗碳轴承钢实质上是优质渗碳结构钢，目前我国标准中采用6个牌号，G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Ni4、G20CrNi2Mo、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo。这类钢经过渗碳、淬火、回火等热处理工序后，表面具有很高的硬度和一定的耐磨性以及较高的抗接触疲劳强度，且其心部都具有良好的韧性、一定的强度和硬度。主要用于承受冲击载荷下的轴承和特大型轴承，如铁路、轧钢机用轴承等。不锈轴承钢。有马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢，目前我国标准中采用3个牌号，9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4。其中以马氏体不锈钢9Cr18使用最多。这类钢经过热处理可以得到全部或大部马氏体组织，具有高强度、很好的耐磨性和韧性，特别是在海水、酸、有机盐水溶液中具有较强的抗锈蚀能力。这些轴承钢的缺点是碳含量高，碳与铬形成粗大的一次碳化物，降低材料的机械性能，减少铬元素对抗腐蚀的贡献。1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢，经热处理后可以得到单一的奥氏体组织，具有良好的韧性和很好的抗腐蚀能力。但由于强度、硬度不高，只适用于制造低负荷、低转速轴承。高温轴承钢。高温轴承钢具有一定的高温硬度和高温耐磨性。高温接触疲劳强度、抗氧化、耐冲击、高温尺寸稳定性等特点。此类钢利用高速钢和高铬马氏体不锈钢的一些钢号。我国目前使用的高温轴承钢主要有：9Cr18Mo（260℃）、Cr4Mo4V（315℃）、Cr14Mo4（480℃）、W6Mo5Cr4V2（480℃）、W9Cr4V2Mo（520℃）、W18Cr4V（560℃）、W12Cr4V5Co5（590℃），其中使用最普遍的是Cr4Mo4V。高碳铬轴承钢的回火温度是160～180℃，所以使用温度一般不超过120℃，如果使用温度超过120℃，钢的强度急剧下降，尺寸不稳定，并导致轴承的疲劳强度降低。所以，只能用高温轴承钢而不能用高碳铬轴承钢，如飞机用涡轮喷气发动机的功率越来越大，压缩机和涡轮机的主轴轴承要求耐高温，其工作温度一般为55～260℃，高者可达370℃，在这种工作条件下，只能采用高温轴承钢。中碳轴承钢。中碳轴承钢是中碳合金钢，我国目前主要有：55、50MnA、70Mn、5CrMnMo、60CrMnMoA、55SiMoVA、50SiMo，后两个钢号是我国开发的抗冲击轴承钢。此钢类适用于制作掘进、起重、大型机床等重型设备上用的特大尺寸轴承，一般转速不高，但承受较大的轴向、径向载荷及弯曲应力等。钢的冶炼水平是轴承钢内在质量好坏的先决条件。钢中的氧含量、成分偏析，夹杂物数量及分布，大颗粒碳化物的状况是影响轴承钢内在质量的重要冶金因素。近年来，轴承钢的冶炼技术就是围绕这些关键因素相继发展起来。钢中氧含量可稳定在≤（10～15）×10-6，一些先进企业可控制在（5～8）×10-6。钢中夹杂物分为A（硫化物）、B（氧化物）、C（硅酸盐）、D（点状不变形夹杂）4种类型，不同类型的夹杂物对轴承寿命影响也不同，夹杂物的尺寸和在钢中的位置对轴承寿命也有不同的影响。钢中氧含量愈低，轴承钢寿命愈高。上述4种夹杂物中后三者都是由氧化物所构成，三者对轴承寿命的有害影响已为大量事实所证明，钢中的氧含量几乎全部（除溶解氧外）由它们提供。因此，近年来在衡量轴承钢质量上把氧含量当作极为重要的指标。无论是转炉或电炉流程，二次精炼是轴承钢生产中的关键工序，主要精炼设备以LF或ASEA－SKF配有VD或RH为主，可使内在质量得以保证。轴承钢连铸的问题一直是人们关注的重点。长期以来，连铸坯中心疏松和偏析严重的问题并没有得到根本的解决，至少在我国还是一个“难题”。既使采用了电磁搅拌技术、轻压下技术改善疏松和偏析，由于中心疏松会残留在球极区，又会带来新的“白亮带”缺陷。尽管如此，目前，轴承钢的连铸工艺已被世界众多特殊钢厂所采用，而且除部分滚动体用轴承钢外，绝大多数轴承钢采用连铸生产。目前，为了解决轴承钢连铸坯的质量问题，正在积极地开展着如下工作：除强化冶炼技术、降低钢中的氧含量和有害杂质外，在连铸过程还采用中间包加热、电磁搅拌、结晶器液位控制、强化二次冷却和液相穴压下技术，采用浸入式水口加保护渣的保护浇铸技术，增大连铸坯断面达到大的压缩比热轧轴承钢材等。在轴承钢棒材轧制生产中，对坯料进行表面探伤，修磨，实现精坯轧制已达成共识，并且要严格遵守加热工艺制度以控制脱碳程度。采用控轧、控冷技术，步进加热炉、连轧机组、连续退火炉，在线质量监控等技术。世界上生产轴承钢最著名的厂家有瑞典某公司，日本的某特殊钢厂，美国某公司等。日本某公司的棒线生产工艺流程：UHP电炉－LF精炼炉－RH精炼炉－连铸或模铸－初轧－三辊行星轧机或大型轧机－无损探伤－修磨－连轧机组－无损检验－连续炉球化退火－无损检测－检验入库。瑞典某公司钢厂棒线生产工艺流程：电炉－LFV精炼炉－模铸－均热炉－初轧－火焰清理－150×150坯料－检验、喷丸、修磨－加热－除鳞－轧制－冷却－剪切－打包－发货。该厂年产45万t钢，全部采用模铸，初轧开坯，而没有采用连铸。OVaK0钢厂也认为连铸轴承钢已不是技术问题，但是他们主要考虑了经济问题，因产品规格的覆盖面使其投资成本与产量规模不相匹配。他们进行了一系列有利于产品质量提高的改造投资。我国某著名特殊钢厂轴承钢棒材4条生产线工艺流程：电炉－VHD精炼炉－模铸（680kg锭）－钢锭修磨（需要时）－Φ650轧机－酸洗、抛丸、检查－修磨－需要时退火－包装－入库。UHP电炉－LF+VD精炼炉－连铸或模铸（3t锭）、850开坯－检查－修磨－连轧（需要时连续退火）－检查－修磨－校直－包装入库。电炉－模铸电极－电渣冶金－轧制－或热处理－精整－包装入库。真空感应炉－真空自耗炉－轧制－精整－或热处理－包装入库。