浅析我国GCr15轴承钢发展现状与未来展望

1、浅析我国GCr15轴承钢发展现状与未来展望摘要：运用情报研究的方法，对GCr15轴承钢研究与生产情况进行研究。研究GCr15轴承钢的相关特性，分析国内、国外GCr15轴承钢生产技术、产品发展现状以及未来GCr15轴承钢行业的发展趋势，并结合大型钢铁企业实际情况提出一些GCr15轴承钢产业发展建议，为今后发展GCr15轴承钢产业提供参考。关键词：GCr15;轴承钢;产业现状;研究方向 1 高碳铬轴承钢的发展现状与质量要求1.1 高碳铬轴承钢的种类及生产工艺过程轴承钢是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢种，其质量的高低是衡量一个国家冶金水平的标志。按化学成分和使用特性，在GB/T221-20

2、00标准中，将轴承钢分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢(G20CrNi2MoA、G20Cr2Ni4A, G20CrNiMoA )、高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢等四大类。而用于制造滚动体的通常为高碳铬轴承钢、高碳铬不锈轴承钢、高温轴承钢。高碳铬轴承钢是含铬0.6%1.5%的高碳合金钢，含铬量为0.4%1.65%，接触时面积小，最大接触应力可达30005000MPa，不仅有滚动摩擦而且还有滑动摩擦，承受很高、很集中的周期性交变载荷，所以常常是接触疲劳破坏，接触面出现麻点、剥落。同时，其塑性加工范围宽，热处理后质量稳定，硬度高且均匀，耐磨性好，接触疲劳强度高，经过球化退火后具有良好的切削加工性能广泛地用于

3、制造轴承。目前我国采用的高碳铬轴承钢主要有GCr4, GCr15, GCr15SiMn, GCr15SiMo及GCr18Mo。其中应用最广的是GCr15(占高碳铬轴承钢使用90%以上)，直径25mm以下的滚动体及厚度25mm以下的轴承套圈都是由GCr15制造的。其冶炼方法有三种:一是电炉流程，电炉一二次精炼一连铸或模铸一轧制;二是转炉流程，高炉一铁水预处理一转炉一二次精炼一连铸一轧制;三是特种冶金流程，真空感应熔炼(VIM)、电渣重熔(ESR)等一轧制或锻造。一般生产普通用途轴承钢采用电炉流程或转炉流程;对特殊用途轴承钢(如航空轴承、铁道轴承等)，则采用特种冶金流程生产。1.2 高碳铬轴承钢质

4、量要求轴承钢主要用于制造轴承套圈(内套、外套)和滚动体(滚珠、滚柱、滚针)。在合金钢领域中，轴承钢是检验项目最多、质量要求最高、生产难度及用量最大的钢种之一。从三个方面衡量轴承钢质量的高低:一是纯净度，即钢中夹杂物的含量;二是碳化物不均匀性;三是钢材的表面质量，包括尺寸精度，表面裂纹。轴承钢的纯洁度:是指轴承钢中夹杂物的含量与类型、气体含量及有害元素的种类和含量。应尽可能降低轴承钢中的夹杂物含量。因为夹杂物破坏了钢的连续性;在压力加工过程中或热处理时由于金属(基体)与夹杂物的热膨胀系数不同，在夹杂物和金属界面处产生符号相反的微观应力，形成初始裂纹，初始裂纹则是金属进一步疲劳破坏的疲劳源;单独的

5、硫化物夹杂同样破坏了钢的连续性。尽可能降低轴承钢中的氧含量。氧含量的高低是评价轴承钢纯净度的重要依据，随着钢中氧含量的降低，轴承的疲劳寿命可以成倍提高。目前，轴承钢中的氧含量很容易控制在15ppm以下。当氧含量达到l0ppm的水平后，对轴承钢纯净度的进一步提高出现了两种不同的倾向:以山阳为代表的日本轴承钢生产厂仍然在为更低的氧含量而努力，超纯轴承钢的氧含量甚至达到45ppm，同时钦含量也降低至78ppm。而以SKF为代表的欧美企业则更重视夹杂物的尺寸、数量和性质，要求尺寸小，数量少，可变形1,2,3。轴承钢的均匀性:是指材料的化学成分、内部组织包括基体组织、析出相碳化物颗粒度及其间距、夹杂物颗

6、粒和分布等均匀程度。影响轴承钢均匀性的因素很多，钢锭结构，锭重，浇铸温度，铸锭方法等影响钢中化学成分的分布状态，钢锭、钢坯在热加工前的加热工艺、钢材热加工终止温度及随后的冷却方法，球化退火工艺等影响碳化物的均匀性。液析碳化物、带状碳化物、网状碳化物评级的级别是衡量碳化物均匀性的指标。研究表明:液析碳化物的危害性相当于钢中的夹杂物:带状碳化物评级达到3-4级可使钢材疲劳寿命降低30%;网状碳化物升高1级，可使轴承寿命降低三分之一:碳化物颗粒大小，影响轴承寿命。马氏体基体组织中含碳量为一定值时，碳化物平均粒度愈小则疲劳寿命愈高。1.3 GCr15轴承钢概述GCr15轴承钢于1901年问世，1913

7、年美国最先纳入标准，该钢从发明到现在的100多年来，成分基本没有变化，而其生产工艺经过了几次大的变化，质量大幅度提高，是超纯净高质量钢的代表。该钢的合金元素Cr含量不高，价格便宜，综合性能良好，淬火和回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性，高的接触疲劳寿命。该钢的热加工变形性能好，球化退火后有良好的可切削性。表1-1为GCr15常温下的物理、机械性能。表1-1为GCr15常温下的物理、机械性能。硬度/HV抗拉强度/MPa纵向弹性模数/MPa平均线膨胀系数/-1密度/gcm-3热处理772156918612.1105110-67.85淬火高碳铬轴承钢中的碳或溶于基体或以碳化物的形式存在。长期以来

8、，一直没有弄清碳含量及其存在形式与接触疲劳寿命的定量关系。门间政三等人研究的结果表明淬火马氏体中含碳量在0.40.5%时，疲劳寿命和力学性能最高;马氏体中含碳量是影响疲劳寿命的最重要因素，其疲劳寿命、压碎硬度、抗拉强度等大体是在硬度HRC5057时最高。碳化物的颗粒大小、形状、数量及分布状况都影响疲劳寿命。当存在粗颗粒碳化物时，钢的淬硬值、压坏值、转动疲劳寿命都将恶化。轴承钢多为过共析钢，有相当数量的碳化物，这些碳化物颗粒大小及分布状态，对轴承的耐磨性及疲劳寿命都有很重要的影响。轴承钢中碳化物的不均匀分布是由于钢锭结晶偏析所造成的，表现为碳化物液析、碳化物带状和轧后冷却过程中沿晶界析出的网状碳

9、化物。国外从两方面着手改善轴承钢的碳化物不均匀性，一是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1015;二是加强钢锭或铸坯的高温均热扩散。对钢锭或钢坯进行高温均热扩散，以消除碳化物液析，改善碳化物带状;低终轧温度或钢材正火处理改善网状碳化物，以消除大块碳化物等。近年又研制出了34mm、3455mm的棒材轧后快冷工艺及快速球化退火工艺，球化退火时间大大缩短，珠光体组织达到2.03.0级的碳化物颗粒尺寸平均为0.50.6m。2 我国GCr15轴承钢质量现状二十多年来，经冶金行业和轴承行业共同努力，我国轴承用钢的质量有了明显的提高。国家标准高碳铬轴承钢(GB/T18254-2000)的

10、制订和实施，使我国轴承用钢的冶炼水平、冶金质量与国外先进水平接轨。国内生产的轴承钢氧含量都能满足新国家标准要求，其中以兴澄特钢、上海五钢生产的轴承钢氧含量最低，已接近国外轴承钢先进国家的水平4,5,6。有多家企业得到了SKF, FAG, NSK、美国通用轴承公司等公司的认证。目前，我国模铸轴承钢的氧含量在913ppm范围内，连铸轴承钢中的氧含量在710ppm范围内。但是，我国轴承钢整体质量水平和质量稳定性与国外先进国家的质量水平存在较大的差距。2.1 国产轴承用钢各厂冶金质量水平差异较大、冶金质量不稳定由于冶炼装备、冶炼方法、冶炼水平、检测手段、技术水平、质量意识、管理水平及经济效益等方面的差

11、异，导致主要轴承钢生产厂家生产的轴承钢冶金质量水平参差不齐。国外主要靠控制轴承钢生产工艺参数和工艺过程控制轴承钢的冶金质量，我国是靠后序检验来判定所生产的材料质量是否合格，而且不同批次或炉号的产品在质量方面的差异较大。这与我国绝大多数轴承钢是用废钢冶炼等原因有关。我国轴承用钢冶金质量(氧含量指标、非金属夹杂物指标、表面质量等)在近几年来有所进步，但是，在模铸和连铸轴承钢中均出现了过去很少出现的非金属夹渣、缩孔、非金属夹杂物等问题;轴承生产厂家与钢厂之间关于化学成分不合格、非金属夹杂物严重超标(尤其是点状夹杂)、碳化物带状严重、碳化物堆积、迟火组织不合格、脱碳层超标、表面裂纹、疏松、折迭等冶金质

12、量问题的争议呈上升趋势，这说明我国轴承钢的冶金质量水平总体呈现下降趋势。造成质量下降的主要原因是由于追求成材率、简化和缩短正常的工艺流程、放松生产过程中的质量控制和出厂前质量检验与把关等原因所致。2.2 非金属夹杂物、碳化物的颗粒较大、分布不均匀近几十年来我国在冶金方面取得的较大进步主要是采用了真空脱气冶炼方法，使氧含量有了大幅度的降低，甚至有些重点特殊钢生产企业生产的轴承钢中氧含量已接近或达到国外的先进水平。但在非金属夹杂物、碳化物颗粒尺寸大小、分布状态等方面并没有开展较为深入的研究。对许多机械产品而言，轴承的使用性能和可靠性直接决定着其产品的使用性能和可靠性，轴承钢质量的优劣直接影响轴承产

13、品使用性能和可靠性。所以，在“十五”期间提高轴承的使用性能和可靠性是轴承行业主要奋斗目标。轴承钢中氧含量对钢中非金属夹杂物的数量起着决定性的作用，其含量的降低对提高轴承产品的使用寿命起着很大的作用，但对提高轴承产品可靠性方面有一定的影响，并不是主要影响因素。如我国军用轴承钢是用电渣重熔的冶炼方法，其含氧量高于真空脱气方法冶炼的轴承钢，但其使用寿命、尤其是可靠性方面大大优于一般真空脱气轴承钢，原因是电渣重熔钢的结晶组织、非金属夹杂物和碳化物的颗粒大小及分布状态优于真空脱气钢。由此说明，钢材的结晶组织、非金属夹杂物和碳化物的颗粒大小及分布状态是目前影响我国轴承产品使用寿命和可靠性的主要因素。2.3

14、 表面质量较差轴承用钢的表面质量直接影响材料的利用率。随着轴承钢市场的竞争日趋激烈，大部分特殊钢厂开始重视表面质量问题，积极采取控制钢锭的表面质量，加大对钢锭表面缺陷的修磨，改进轧钢工艺，以及增加在线对钢材的探伤检验等措施，使钢材表面的裂纹出现率由过去的5%以上下降到1.2%。但从总体而一言，我国生产的轴承钢表面质量与国外相比仍存在着明显的差距。根据调查轴承生产厂家从国外进口的钢材表央质量的情况来看，无论是棒材，还是线材的表面质量非常好，表面缺陷出现率几乎为零。而我国钢厂没有涡流、超声探伤设备，有的钢厂有这些设备却没有充分地利用，所以材料表面质量存在较大的差异。3 轴承钢未来发展的课题研究我国

15、目前已成为轴承钢生产大国，年产轴承钢6070万吨，氧含量已经降到了10 x 10-6%左右，内部质量接近国际水平。在未来的发展过程中确定了如下的研究课题8:(1)极低的氧含量(3 x 10 -64 x 10 -6)轴承钢的生产工艺及同时控制其钢中夹杂物和碳化物的形态、尺寸和分布。(2)电渣重熔过程和炉外精炼过程中氧的控制及作用。(3)低氧情况下轴承钢中硫的行为。(4)轴承钢中钦和氮的控制及作用研究。(5)微量镁对轴承钢碳化物的影响。(6)精炼渣系的研究，目前国外普遍采用高碱度渣(Ca0/SiOZ = 46)精炼，国内为了消除点状夹杂物普遍采用低碱度渣(Ca0/SiOa=2)精炼:(7)改善连铸轴承钢的碳偏析以及碳偏析对轴承钢的疲劳性能的影响。 总之，这些研究课题的确定，指明r轴承钢的发展方向，即:进一步降低钢中氧含量及其它有害元素和夹杂物含量，提高钢的纯净度、组织均匀性和表面质量。参考文献: 1 付云峰，崔连进，刘雅琳.国内轴承钢的生产现状及发展.重型机械科技，2004(4):37-402 李铮，徐明华，冯刚等.轴承钢纯净度的现状与发展.五钢科技，2003(1):3-83 Toshikazu UESUGI.Production of High-C