轴承钢的冶金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北京科技大学冶金与生态工程学院 E-mail:tanghaiyanmetall.ustb.edu.cn 13811289681 唐海燕唐海燕 2 主要内容主要内容 概述概述 轴承钢的生产技术轴承钢的生产技术 案例分析案例分析 3 概概 述述 轴承钢主要用来生产轴承的滚动体轴承钢主要用来生产轴承的滚动体 和套圈和套圈. .近年来随着汽车工业近年来随着汽车工业、航空航空 以及国防工业的发展以及国防工业的发展，对其用量和对其用量和 质量都提出了新的要求质量都提出了新的要求。轴承的需轴承的需 求量和一个国家的求量和一个国家的GNPGNP保持一定的关保持一定的关 系系。在美国和日本轴承的总需求量在美国和日本轴承的总需求量 占占GNPGNP的的 0 0. .1313% %、 0 0. .1111% %. . 4 目前轴承向着低噪音、无振动、无故障和高可靠性方向发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、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。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。匀性。所谓纯净度是指材料中气体含量、夹杂物的含量、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。化物颗粒度及其间距、夹杂物颗粒和分布等均匀程度。 5 轴承钢主要轴承钢主要失效的形式是接触疲劳损坏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，同时也存在摩擦磨损导致精度丧 失。失。 接触疲劳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。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，日本产量稳定在来，日本产量稳定在6060万吨左右，钢中氧含量平均小于万吨左右，钢中氧含量平均小于 10ppm10ppm，一些生产厂家氧含量平均已降到，一些生产厂家氧含量平均已降到5.4ppm5.4ppm，达到了，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。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，在此基础上，国内外采取措施控制轴承钢的碳化物不均匀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，将过热度控制在温度，将过热度控制在1010- -1515，加强钢锭或铸坯的高温，加强钢锭或铸坯的高温 均热扩散。均热扩散。进口轴承钢冷拔材碳化物及球化组织检验结果进口轴承钢冷拔材碳化物及球化组织检验结果 表明，表明，颗粒实测最大为颗粒实测最大为0.9m0.9m，最小为，最小为0.3m0.3m，平均直径，平均直径 为为0.413m0.413m。 7 轴承钢分类轴承钢分类 19761976年国际标准化组织年国际标准化组织ISOISO将轴承钢号纳入国际标将轴承钢号纳入国际标 准。准。 ISOISO将轴承钢分为：将轴承钢分为：全淬透型轴承钢，表面硬化轴全淬透型轴承钢，表面硬化轴 承钢，不锈轴承钢，高温轴承钢承钢，不锈轴承钢，高温轴承钢等四类，共等四类，共1717个个 钢号，有的国家增加一个类别作为特殊用途的轴钢号，有的国家增加一个类别作为特殊用途的轴 承钢或合金。承钢或合金。 8 高碳铬轴承钢目前主要指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,P 30 过热度 中心偏析平均级别 39 2 2）全程保护浇注：防止钢水二次氧化）全程保护浇注：防止钢水二次氧化 3 3）低拉速弱冷工艺：一般为）低拉速弱冷工艺：一般为0.60.8m/min, ,二冷配水量通常二冷配水量通常 为为0.250.3L/kg 4) 4) 结晶器液面检测及控制系统：保证稳定操作结晶器液面检测及控制系统：保证稳定操作 40 江阴兴澄：江阴兴澄： 100吨吨AC EAF（60%废钢废钢40生铁生铁）EBT 出出 钢钢100吨吨 LF100吨吨VD真空脱气炉真空脱气炉CCM (全弧全弧 形形、两点矫直两点矫直，5机机5流流，半径为半径为R12m/R23m, 300300 mm2)17架棒材连轧机架棒材连轧机。 项目项目 单位单位 指标指标 精炼炉平均处理时间精炼炉平均处理时间 min/炉炉 59 精炼炉电耗精炼炉电耗 kwh/t 34 钢水真空处理比钢水真空处理比 % 67 氧含量：轴承钢氧含量：轴承钢(平均平均) 106 7 S含量：轴承钢含量：轴承钢(平均平均) % 0.005 P含量：轴承钢含量：轴承钢(平均平均) % 0.009 轴承钢夹杂物轴承钢夹杂物 80符台符台SKF标准标准 兴澄特钢兴澄特钢LF/VDLF/VD主要技术指标主要技术指标 江阴兴澄生产轴承钢的工艺江阴兴澄生产轴承钢的工艺 41 42 GCr15轴承钢碳化物影响及控制工艺轴承钢碳化物影响及控制工艺 1.1.碳化物对轴承钢寿命的影响碳化物对轴承钢寿命的影响 ( () )碳化物颗粒大小及分布的影响碳化物颗粒大小及分布的影响 碳化物颗粒大小及分布的影响：碳化物颗粒的大碳化物颗粒大小及分布的影响：碳化物颗粒的大 小、形状、数量和分布都影响疲劳寿命。轴承厂小、形状、数量和分布都影响疲劳寿命。轴承厂 要求碳化物颗粒细小，形状规则且分布均匀。要求碳化物颗粒细小，形状规则且分布均匀。当当 存在粗大碳化物时，钢的淬硬性、压坏值和转动存在粗大碳化物时，钢的淬硬性、压坏值和转动 疲劳寿命等都要恶化。疲劳寿命等都要恶化。 43 (2)(2)带状碳化物的影响带状碳化物的影响 带状碳化物是带状碳化物是由枝晶偏析引起的由枝晶偏析引起的。扩散扩散退火退火降低带状降低带状级别。级别。 (3)(3)网状碳化物的影响网状碳化物的影响 网状碳化物是在热加工之后缓冷过程中，由于碳在奥氏体网状碳化物是在热加工之后缓冷过程中，由于碳在奥氏体 中的溶解度降低，二次碳化物形成并沿奥氏体晶界呈网状中的溶解度降低，二次碳化物形成并沿奥氏体晶界呈网状 析出。析出。 (4)(4)液析碳化物的影响液析碳化物的影响 液析碳化物与带状碳化物的起因相同，都起源于液析碳化物与带状碳化物的起因相同，都起源于枝晶偏析枝晶偏析。 44 连铸中心碳偏析形成及影响连铸中心碳偏析形成及影响 影响影响中心碳偏析主要有中心碳偏析主要有钢中偏析元素、铸坯断面钢中偏析元素、铸坯断面 形状、钢水过热度、冷却强度、拉速、电磁搅拌、形状、钢水过热度、冷却强度、拉速、电磁搅拌、 轻压下技术轻压下技术等七个因素。等七个因素。 45 国内外一些著名钢厂采用国内外一些著名钢厂采用大断面方坯连铸大断面方坯连铸机对中机对中 心偏析具有严格限制的轴承钢进行生产。实际表心偏析具有严格限制的轴承钢进行生产。实际表 明大方坯内部质量具有明显的优势，其中心碳偏明大方坯内部质量具有明显的优势，其中心碳偏 析指数可控制在析指数可控制在1.051.05以内。出现这一结果除了以内。出现这一结果除了轧轧 制过程中的偏析区域压缩以及再加热过程中偏析制过程中的偏析区域压缩以及再加热过程中偏析 元素的扩散均匀化元素的扩散均匀化外，与大方坯连铸工艺特点密外，与大方坯连铸工艺特点密 切相关。大方坯连铸过程中切相关。大方坯连铸过程中工艺参数比较稳定工艺参数比较稳定， 有利于借助末端冶金技术而减少中心偏析有利于借助末端冶金技术而减少中心偏析。 46 47 钢液的浇注温度钢液的浇注温度对等轴晶的形核和长大起着至关重要的作对等轴晶的形核和长大起着至关重要的作 用，根据用，根据“自由晶自由晶”理论，在接近液相线温度的低过热度理论，在接近液相线温度的低过热度 区会形成大量等轴晶的晶核，等轴晶的长大进一步阻止了区会形成大量等轴晶的晶核，等轴晶的长大进一步阻止了 柱状晶的发展。柱状晶的发展。 冷却强度冷却强度对中心碳偏析具有明显影响。研究发现：对于不对中心碳偏析具有明显影响。研究发现：对于不 同铸坯断面尺寸，可以采取不同冷却强度，大方坯采用弱同铸坯断面尺寸，可以采取不同冷却强度，大方坯采用弱 冷却可以抑制柱状晶生长，增加等轴晶的比例，避免产生冷却可以抑制柱状晶生长，增加等轴晶的比例，避免产生 严重的中心疏松；小方坯则多采用强冷，严重的中心疏松；小方坯则多采用强冷，C C、MnMn、P P、S S等等 元素没有析出就凝固。元素没有析出就凝固。 48 正确正确控制二冷段的冷却强度和喷淋水的均匀性控制二冷段的冷却强度和喷淋水的均匀性，保证铸坯，保证铸坯 出二冷室到拉矫机前的表面温度出二冷室到拉矫机前的表面温度在在900900以上以上，可有效地，可有效地 防止铸坯裂纹的产生。防止铸坯裂纹的产生。 一般说来，一般说来，适当降低拉速适当降低拉速可以提高铸坯质量，尤其对大方可以提高铸坯质量，尤其对大方 坯连铸更是如此。降低拉速可使铸坯离开结晶器时，坯连铸更是如此。降低拉速可使铸坯离开结晶器时，形成形成 足够厚度的坯壳足够厚度的坯壳以承受内部钢液的静压力。否则，容易产以承受内部钢液的静压力。否则，容易产 生鼓肚。生鼓肚。 49 根据搅拌位置的不同，根据搅拌位置的不同， 电磁搅拌电磁搅拌分为结晶器电分为结晶器电 磁搅拌磁搅拌(MEMS)(MEMS)、二冷电、二冷电 磁搅拌磁搅拌(SEMS)(SEMS)以及凝固以及凝固 末端电磁搅拌末端电磁搅拌(FEMS)(FEMS)。 由于由于MEMSMEMS显著改善铸坯显著改善铸坯 的表面及内部质量受到的表面及内部质量受到 特钢连铸机的青睐。特钢连铸机的青睐。 0 10 20 30 40 50 60 70 010203040506070 钢水过热度/ 等轴晶率/% 有EMS 无EMS 图图 MEMS、过热度对、过热度对 铸坯中心等轴晶区率的影响铸坯中心等轴晶区率的影响 50 FEMSFEMS的搅拌在凝固末端的糊状区，通常对均匀残的搅拌在凝固末端的糊状区，通常对均匀残 余液相的成分与温度、抑制余液相的成分与温度、抑制“搭桥搭桥”现象的产生现象的产生 有显著的作用。有显著的作用。FEMSFEMS位置的选择十分关键，直接位置的选择十分关键，直接 影响到其使用效果，一般设置在固相率影响到其使用效果，一般设置在固相率( (fsfs) )为为 0.40.4- -0.70.7区间内。区间内。FEMSFEMS位置选定合适，连铸工艺条位置选定合适，连铸工艺条 件稳定，并能够有效地减少件稳定，并能够有效地减少V V型偏析和缩