我国高碳铬轴承钢材的生产与质量分析

我国高碳铬轴承钢材的生产与质量分析

1序言轴承是机械工程的基本部件。近十年来，轴承材料在许多方面得到了开发，轴承钢产品的质量不断提高。2lf—轴承钢生产工艺装备近20年里,电弧炉单炉容量已从80年代初期的10~20t扩大到50~100t,偏心炉底留钢留渣操作和LF—VD精炼工艺与连铸配合,轴承钢氧含量已由传统电弧炉大气下熔炼的(0.003%~0.004%到0.001%左右。各特钢厂连轧机组的相继投产,辊底式连续退火炉的应用,使轴承钢的纯净度、轧材的尺寸精度、球化退火组织都已达到或接近国际先进水平。3高碳铬轴承用铸件近几年来,各特钢企业经大规模的技术改造、设备更新,使轴承钢的产量和生产能力都有很大程度的提高。2001年国内生产轴承钢108万吨,钢材近93.4万吨,2002年生产轴承钢114万吨,钢材97.5万吨。完全能满足国内轴承生产企业的需要,且呈供过于求的状态,20年来各特钢企业的高碳铬轴承钢材产量的发展情况见图1。从表1中可以看出,1985至2002年国内高碳铬轴承钢材品种结构的变化情况。虽然国内轴承钢产量已翻了几番,但品种结构却几乎没什么变化。高碳铬轴承钢的棒材比重很大,丝、板带很小,管材更少。由于品种结构的严重不合理,使得我国轴承钢材的利用率与先进的工业国家相比差距很大。日本、瑞典、德国在70年代末期高碳铬轴承钢的利用率已高于60%,而国内现在是40%左右。4碳化物、碳纯度衡量轴承钢的质量,着眼三个方面: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,表面裂纹及脱碳情况。4.1炉外竞争力分析主要从两方面着手提高轴承钢的纯净度:一是通过炉外二次精炼来减少夹杂物的数量,主要是降低钢中氧含量;二是通过调整精炼渣的化学成分改善夹杂物的性质和形态。国内轴承钢主要生产企业,近年多已相继建成投产超高功率电炉,采用先进的偏心炉底出钢技术。进行炉外二次精炼,使钢中氧含量降到0.001%左右,个别最低氧含量可降到0.0004%~0.0005%。二次精炼比率也达到100%(如表2示)。因此,钢中夹杂物的数量得到很好的控制。同时,优选精炼渣系,精确地控制精炼渣的化学成分,非金属夹杂物的形态得到有效地控制,氧化物夹杂中基本不会出现球状夹杂物。北京钢铁研究总院,洛阳轴承研究所都对1998年用LFV工艺生产的GCr5材与1987年进口的SKF3材进行过材质疲劳对比试验。结果表明,GCr15的L10比SKF3高76.19%,L50高31.43%。说明精炼轴承钢的氧含量达到0.001%左右,纯净度亦达到瑞典SKF3钢的水平,接触疲劳寿命也相当。4.2加强钢锭或钢坯的均热扩散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10~15℃;二是加强钢锭或铸坯的高温均热扩散。表3是进口轴承钢材碳化物及球化组织检验结果,其中B产地冷拔材碳化物颗粒实测最大为0.9μm,平均直径为0.413μm。国内则早在60年代到70年代就已经掌握了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工艺技术。近年又成功地研究了<∅34mm、≥∅34~55mm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2.0~3.0级的碳化物颗粒尺寸平均为0.5~0.6μm。但由于不少厂家对钢锭不进行充分的高温均热扩散,同时为提高成材率,又纷纷减小冒口容积,轧后快冷工艺得不到推广和正常应用,加上原来行之有效的低温终轧、正火处理等工艺,也在产量、能耗等指标的压力下被废弃了。因此,实际上国内轴承钢碳化物的均匀程度要低于国外先进水平。4.3表面质量和裂纹虽然国内轴承钢的内在质量近年有了很大的提高,但是钢材的尺寸精度及表面质量仍普遍存在着较大的差距。就尺寸公差而言,瑞典SKFD33小型材料标准规定尺寸公差为±0.2mm,弯曲度≤1mm/m,表面脱碳的径向深度不得超直径的1%,国内一般尺寸公差为±(0.35~0.40)mm,弯曲度为4~6mm/m,表面脱碳为0.2mm。但是在已建成棒、线材连轧机组的上五、兴澄、大连等厂家钢材的尺寸精度则要好得多。对于轴承钢材的表面质量,反映最为强烈的是裂纹和脱碳,尤其是用于滚子料的冷拔材。由于厂家各生产工序工作质量的降低,直接导致钢材表面质量的下降,如浇铸速度控制不当,带来钢锭表面质量下降,钢坯裂纹增多;开坯轧制翻钢道次减少,带来钢坯方向性裂纹增多。钢坯修磨不认真(或修磨能力不够)带来钢材表面裂纹增多,特别是冷拔坯料未经认真地扒皮或修磨,致使滚子料裂纹越来越严重。脱碳除了与多次加热开坯的生产工艺有关外,与裂纹也有着千丝万缕的联系,改善了裂纹,脱碳也会得到相应的改善。5轴承钢开发方向以品种质量为龙头,由数量型向品种质量型转变是解决目前国内轴承钢供大于求的关键。5.1体应力加热—不断开发新品种提高产品质量,开发、研制节能、节资源、适应市场需求的品种。如:(1)GCr4—供铁路机客车辆的节能、节资源、抗冲击的低淬透性轴承钢。该钢种与GCr15、GCr15SiMn相比明显地降低了Cr、Mn、Si、Mo等提高淬透性的元素含量,只用廉价的碳和低含量铬元素,并用不同于传统的全淬透热处理的整体感应加热—表面淬火处理方法,使材料表层既具有全淬硬高碳铬轴承钢的高硬度、高耐磨性的优点,其心部又获得了渗碳轴承钢心部所具有的高韧性、抗冲击的特点,是一种具有全淬硬高碳铬轴承钢和渗碳轴承钢两者特性合一的轴承材料。(2)GCr18Mo—新型高淬透性轴承钢,与GCr15、GCr15SiMn相比,明显地提高了铬元素的含量,同时添加了适量的钼元素,采用下贝氏体等温淬火处理工艺,使钢种具有下贝氏体组织和较低的残余奥氏体含量。与处理成贝氏体组织的GCr15相比,该钢种具有更高的冲击韧性、断裂韧性和轴承中值寿命,能更好地保证铁路轴承使用寿命的可靠性和稳定性。(3)碳素轴承钢—国外新观点认为,轴承钢中的合金元素主要是提高淬透性,而真空脱气技术发展到今天,碳素钢的纯洁度同样也可以大大提高。对于壁厚不大的轴承采用真空脱气的高碳钢,其寿命完全能满足要求。例如:美国用含碳量0.7%左右的碳素钢(1070钢)制造轿车轴承,日本用含碳量0.53%左右的碳素钢(S53C钢)作汽车等速万向节轴承等。5.2轴承钢品种结构不合理至2002年国内轴承钢材已达97.5万吨,跃居世界轴承钢生产大国的前列,但品种结构仍无大的改善,轴承钢材中棒材占91.29%,线材占8.61%,板带材占0.10%,结构仍不尽合理,材料利用率很低,因此,调整品种结构,增加线、板带材的比重,以提高材料利用率是轴承钢生产制造业今后应不懈