軸承鋼發(fā)展研究報告

1、軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展首鋼技術(shù)研究院2003.101 前言 滾動軸承是重要的機械基礎(chǔ)件，在宇航、軍工、機械制造、鐵路運輸以及汽車制造等行業(yè)中應用十分廣泛。它在很大程度上決定了裝備的精度、性能、壽命與可靠性。軸承鋼是重要的特鋼品種，其純凈度和組織均勻性是影響軸承壽命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的GCr15滾珠軸承鋼是專用鋼中質(zhì)量要求最為苛刻的鋼種，該鋼種是19世紀末發(fā)明的，100年來，成分基本沒變化，而質(zhì)量提高了很多，它是發(fā)達國家中在生產(chǎn)、科研方面投入人力、物力最多的鋼種，一向被認為是高質(zhì)量鋼的代表。其冶煉方法，從3040年代傳統(tǒng)的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐單煉，60年代的鋼包滴流

2、脫氣法和真空循環(huán)脫氣法(RH)精煉，發(fā)展到今天的綜合爐外精煉工藝(LF+RH、LF+VD等)，使鋼中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲勞壽命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公認的軸承及軸承鋼生產(chǎn)“王國”，質(zhì)量居全球之冠，它們80年代創(chuàng)建的SKF-MR法(MR是熔煉加精煉的意思)，使軸承鋼的氧含量達到10×106以下，日本山陽特殊鋼公司從60年代起經(jīng)過整整3040年的努力，到80年代末，最終形成了90tEAF-LF-RH-CC工藝生產(chǎn)軸承鋼，氧含量達到5.0×106左右。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國目前不僅已經(jīng)成為軸承鋼生產(chǎn)大國，形成了幾條軸承鋼生產(chǎn)工藝路線，即EFLFVD、

3、EFVAD、EF吹氬或喂絲工藝路線等，年產(chǎn)軸承鋼80萬噸左右（日本60萬噸、瑞典70萬噸），基本能滿足國內(nèi)市場的需求，并有少量出口；而且其內(nèi)部質(zhì)量也接近或達到國際水平，如氧含量降到了10×106左右。但是國產(chǎn)軸承鋼與瑞典SKF、日本山陽等先進廠家相比還存在一定差距，主要表現(xiàn)在以下三個方面：一是鋼中微量雜質(zhì)元素含量偏高；二是表面質(zhì)量差(包括尺寸精度、表面裂紋和脫碳等)；三是內(nèi)部質(zhì)量不穩(wěn)定，波動范圍大。2 軸承的工作環(huán)境及對軸承鋼的性能要求2.1工作環(huán)境 軸承是由內(nèi)、外套圈、滾動體（滾珠、滾柱或滾針）和保持器四部分組成，除保持器外，其余都是由軸承鋼組成。當軸承工作時，軸承內(nèi)、外套圈，軸承

4、滾動體間承受高頻、變應力的作用。軸承的工作條件十分復雜。載荷集中作用在滾動體的很小面積上。理論上講對于滾珠，作用在一點上；而對于滾柱則作用在一條線上，并且滾動體與套圈間接觸面積也很?。ǔ庶c/線接觸），因此軸承零件在工作時，其滾動體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力，一般高達15005000N/mm2；軸承旋轉(zhuǎn)時，還要承受離心力的作用，作用力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大；滾動體和套圈間不僅存在滾動，而且還有滑動，所以在滾動體與套圈之間還存在著摩擦。在以上幾種力的綜合作用下，在套圈或滾動體的表面上抗疲勞強度低的部位首先產(chǎn)生疲勞裂紋，最后形成疲勞剝落，使軸承破損失效。軸承正常的破損形式是接觸疲勞損壞，常見

5、的還有塑性變形、壓痕、磨損、裂紋等。2.2性能要求軸承的壽命和可靠性雖然與軸承的設(shè)計、加工制造、潤滑條件、安裝、維護保養(yǎng)等因素有關(guān)，但軸承材料的高質(zhì)量和可靠性是關(guān)鍵?；谝陨蠈S承的工作條件和破損的分析，對軸承鋼的性能應有如下要求：(1)高的純凈度和高均勻性；(2)足夠的抗壓強度和抗永久變形能力；(3)優(yōu)良的接觸疲勞性能；(4)高的耐磨性；(5)良好的尺寸穩(wěn)定性；(6)良好的工藝性能。對于在特殊條件下工作的軸承，還有特殊要求，如耐高溫性能、耐低溫性能、防腐蝕性能和抗磁性能等等。3 微量元素對軸承鋼質(zhì)量的影響3.1氧圖1 氧含量與壽命的關(guān)系 瑞典SKF公司和日本山陽特殊鋼公司對軸承鋼氧含量與疲勞

6、壽命的關(guān)系，做過大量的試驗研究工作，得出了明確的結(jié)論，見圖12。Lund.T.等認為疲勞壽命與氧含量的關(guān)系為L10(相對壽命)=372O1.6，即二次精煉鋼（氧含量為10×106）的疲勞壽命是大氣下熔煉鋼（氧含量為40×106）的10倍。上杉年一認為：精煉鋼氧含量降到5×106，其疲勞壽命是非精煉鋼的30倍，與真空自耗和電渣重熔鋼相當。大冶特殊鋼股份有限公司近年來對此也做過一系列試驗15，結(jié)果表明，當精煉鋼中氧含量降到20×106時，疲勞壽命是電弧爐大氣下熔煉鋼（氧含量為30×106）的1.5倍，15×106是2.0倍，8×

7、106是3.0倍，接近電渣重熔鋼的水平（見圖2）。圖2 氧含量與疲勞壽命軸承鋼中的氧含量與疲勞壽命之間的關(guān)系，國內(nèi)外的試驗結(jié)果大體一致。但是應當指出的是，氧含量與疲勞壽命的關(guān)系是辯證的關(guān)系，不是絕對的，因為鋼中氧含量的高低，實際上只能代表鋼中氧化物夾雜數(shù)量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用說夾雜物的尺寸及分布了。通常，一個軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個大型夾雜物引起。這些夾雜物有硫化物（A類）、氧化物（B、C、D類）和氮化物。從這個意義上說，夾雜物的尺寸與分布對疲勞壽命影響最大。因此，不同的冶煉方法，氧含量即使相同，其疲勞壽命也完全不一樣。圖3表示各種不同煉鋼方法生產(chǎn)的

8、軸承鋼彎曲疲勞極限與氧含量的關(guān)系，可以看出氧含量大約為20×106的鋼材（LDRH）疲勞極限相當好，而采用硅鈣處理的鋼材(EFRH)盡管氧含量很低，510×106，由于其形成了危害嚴重的CaO類夾雜，疲勞極限并不高，冶鋼公司的試驗也證明了這一點，雖然電渣重熔鋼的氧含量(18.6×106)和夾雜物含量較高，但它的夾雜尺寸細小，分布均勻，它的疲勞壽命比低氧含量(8.2×106)爐外精煉鋼高。據(jù)此，只能將氧含量看作是特定工藝范圍內(nèi)疲勞極限的一個相關(guān)參數(shù)。只有在同一冶煉方法和大量試驗條件下，才有可能確定氧含量和疲勞性能之間的關(guān)系。3.2硫圖3 不同煉鋼工藝的GC

9、r15鋼中總氧含 量與彎曲疲勞極限的關(guān)系 圖4 硫化物阻止蝶形開裂萌發(fā)一例(只有 單翼的蝶裂) 峰公雄認為：，硫?qū)π阅軟]有影響。關(guān)于硫?qū)ζ趬勖挠绊?，目前還存在著意見分歧，歸納起來有以下三種觀點1620：一種認為適當提高鋼中硫化物含量有利于壽命的提高；另一種觀點認為硫化物含量增加會降低壽命；還有一種觀點則認為硫化物含量與疲勞壽命關(guān)系不大。認為硫化物有益的觀點，常用“共生理論”來解釋之。這種理論認為鋼液在凝固過程中，低熔點的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包圍氧化物的共生夾雜，它能夠松弛拉應力，并能夠進行協(xié)調(diào)變形，從而減少氧化物的有害作用，但是這種理論是建立在鋼中氧化物夾雜較多的前提下。從

10、本世紀70年代初期以來，許多研究結(jié)果都指出適當提高鋼中MnS類硫化物的含量對滾珠軸承的接觸疲勞壽命至少是無害的，甚至是有益的。Tricot認為蝶形裂紋源總是以氧化物夾雜為核心，他報道過一個只有單翼的蝶形裂紋源，另一翼之所以沒有形成，是因為該處有硫化物包覆于氧化物上(見圖4)。Eneke也持相似的觀點。他認為：當氧化物夾雜全部為硫化物包覆時，滾珠軸承的接觸疲勞壽命最長。瑞典SKF公司曾經(jīng)是世界上最高質(zhì)量滾珠軸承鋼的生產(chǎn)者。當時他們的產(chǎn)品主要是在酸性平爐中用硅還原法冶煉的。其氧含量約為2550×106，硫含量在0.018%以上。和堿性電弧爐鋼比較，其特點之一是90%的夾雜為硫化物和氧硫化

11、物。按上述研究，這被認為就是其壽命高的原因。但必須看到，這些觀點只在有限的條件下才值得重視。一方面，是因為硫化物包覆氧化物并非僅靠控制氧硫比就一定能實現(xiàn)。凝固速率也會影響硫化物在氧化物上析出的過程。在熱加工和熱處理溫度下，已形成的硫化物“膜”有可能部分再次溶于鋼的基體。由于硫化物和氧化物變形抗力的差異，熱加工時“膜”還可能被擠掉，這些因素對高硫軸承鋼壽命測定值分散度大看來是有影響的。另一方面，所謂用硫化物包覆氧化物可提高滾珠軸承的壽命只是相對的。即硫化物的危害性相對于氧化物的較小一些。然而不可否認它也是雜質(zhì)，同樣也會破壞鋼基體組織的連續(xù)性與均勻性。隨著酸性平爐的逐漸淘汰及爐外精煉技術(shù)的廣泛應用

12、，現(xiàn)在滾珠軸承鋼的含氧量水平已可降到5×106，氧化物夾雜大大減少。Cogne等指出18：在這種條件下硫化物的破壞作用自然也就會顯現(xiàn)出來(見圖5)。Tardy等發(fā)現(xiàn)實際上有兩個影響因素：%O和%O/%S。%O/%S恒定，%O低者其接觸疲勞壽命高。 圖5 夾雜物類型對軸承鋼的有害程度 但值得注意：硫與氧相似，它也只能代表鋼中硫化物夾雜的數(shù)量，不能代表其尺寸和分布。這是由于鋼中硫化物含量較低，絕不意味著大顆粒夾雜物完全消失，因為鋼在凝固過程中，夾雜物存在著聚集、長大的條件。特別是硫化物夾雜，由于它容易產(chǎn)生偏析，其尺寸的大小與鋼錠的重量、鋼液的澆鑄溫度更為密切。例如日本山陽特殊鋼公司已將鋼

13、中的硫含量降到了很低的程度(0.002)，但它的硫化物級別并不很低，平均為1.34級?，F(xiàn)在有些特殊用鋼，為了有利于切削加工，要求鋼中含有一定數(shù)量的硫(0.020.06)，同時要求其硫化物細小分散，級別要低。因為要改善鋼中硫化物的尺寸和分布，使其變得細小分散，必須注意凝固條件，應盡量將澆鑄溫度降低，以減少硫化物偏析。3.3鈣鈣在軸承鋼中主要是以鋁酸鈣、硅鋁酸鈣、硫化鈣等形式存在。這種夾雜物與其它夾雜物不同，熱加工時既不變形，也不會破碎。在球狀夾雜兩側(cè)經(jīng)常可以看到“孔穴”，此處較易造成應力裂紋。在氧含量很低的軸承鋼中，鈣可部分替代硫化錳中的錳。富鈣硫化物的韌性很差，同氧化物相似，起產(chǎn)生裂紋的作用。

14、含CaO的點狀夾雜物經(jīng)常是軸承鋼產(chǎn)生裂紋的源泉，佩特爾森(Peterson)根椐點狀夾雜就是裂紋的假設(shè)。提出了下列疲勞極限與夾雜尺寸的關(guān)系式：(1)式中：SN：疲勞極限，MN/m2； Rm：材料的抗拉強度，MN/m2； a： 點狀夾雜的周長，um； R：點狀夾雜的半徑，um。利用上式所作的預測值和實測結(jié)果基本吻合，由此證明點狀夾雜的確是軸承疲勞壽命降低的直接原因，夾雜尺寸愈大，疲勞壽命愈短。對有些鋼種而言，為了提高鋼材的機械加工性能，并改善非金屬夾雜物的形態(tài)與分布，在冶煉過程中有意向鋼中加鈣。但對軸承鋼而言，殘留鈣不是有意添加的，而是來源于與鋼水接觸的熔渣和爐襯。軸承鋼如果采用Ca或CaSi脫

15、氧，鋼中必將產(chǎn)生危害性極大的D類球狀夾雜物，使其疲勞壽命大幅度降低。因此，在很多國家的軸承鋼標準中都規(guī)定(如瑞典SKF、美國ASTM標準等)，不能用Ca或CaSi脫氧。3.4其它殘余元素關(guān)于滾珠軸承鋼中的有害元素，除了氧、硫、鈣之外，近來鈦與氮也備受關(guān)注，因為它引入TiN夾雜，其危害甚至比等粒度的剛玉更大(見圖5)。Cogne等和坪田等認為Ti含量超過3050×106時疲勞壽命開始下降。關(guān)于軸承鋼中氮和鈦形成氮化鈦夾雜的條件以及如何控制氮化鈦的尺寸和分布還沒有文獻報道，有待今后研究。由于沒有可靠的檢測方法，對于殘余元素如砷、鉍、鉛、銻和錫等對軸承鋼壽命的影響報導很少。對于雜質(zhì)元素鋁、

16、銅、鉬、鎳、釩與軸承疲勞壽命間的關(guān)系研究表明14：為了獲得高疲勞壽命的軸承鋼，其雜質(zhì)元素的相對量必須符合下述條件。(2)滾珠軸承鋼有白點敏感性，鋼中氫增加會導致疲勞壽命下降。磷會促進加熱時晶粒的長大，使鋼脆性增加而強度降低，易于在淬火時開裂。鎳會降低滾珠軸承淬火層的硬度。銅會引起失效。由于殘余元素的有害作用，為了提高軸承鋼質(zhì)量，國外在標準中對殘余元素有明確的規(guī)定，如SKF D33“SKF3熱軋球化退火鋼棒”標準中規(guī)定Ti30ppm；As0.04%；Sn0.04%；Sb0.03%；Pb0.002%；T.O0.0015%。在80年代末90年代初，德國FAG軸承公司、日本NTN和NSK等公司的軸承鋼

17、交貨標準規(guī)定Ti30ppm、T.O15ppm、S0.008%。4 夾雜物對軸承鋼質(zhì)量的影響4.1夾雜物類型和數(shù)量對疲勞壽命的影響 圖1.6 D型和B型夾雜的彎曲疲勞 強度的失效分布鋼中的非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續(xù)性和均勻性。在交變應力的作用下，易于引起應力集中，成為疲勞裂紋源，降低鋼的疲勞壽命。但是不同的夾雜物類型、形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布，對鋼的疲勞壽命影響是不相同的。不同類型的夾雜物在軋制時表現(xiàn)為不同的形狀。脆性夾雜物(如Al2O3夾雜)一般沿軋制方向排列成串狀或點鏈狀；塑性夾雜物(如硫化物)呈連續(xù)性分布；點狀(或球狀)夾雜物在熱加工時不變形；即不同類型的夾雜物，具有不同的熱應力變形能力

18、。硬脆夾雜物不具有塑性，在加工和使用過程中難以變形，構(gòu)成應力集中，使疲勞裂紋萌生期縮短，影響了疲勞性能的提高。有時在變形時，這些夾雜物還能將鋼的基體劃傷。顯微觀察表明，在點狀不變形夾雜物的周圍，常常發(fā)現(xiàn)有喇叭形的空洞和裂紋。這種空洞引起“劃傷”往往就是疲勞破壞的“胚芽”，因此點狀夾雜物危害極大。大量的試驗工作證實了脆硬夾雜物的危害性。圖6是含D類(點狀)和B類(Al2O3)夾雜物鋼的彎曲旋轉(zhuǎn)疲勞性能與失效率的關(guān)系。從圖中可以看出，D類夾雜物比B類夾雜物的危害大得多。氮化鈦夾雜物也是一種具有規(guī)則外形的硬而脆的夾雜物，氮化鈦夾雜甚至比氧化物更為有害。與脆硬性夾雜物相比，塑性夾雜在熱變形時，能夠與基

19、體協(xié)調(diào)一致的變形，不會導致嚴重的局部應力集中，使疲勞裂紋萌生期延長，因而塑性夾雜物對疲勞壽命的影響遠遠小于脆硬性夾雜物。 以上說明，非金屬夾雜物對軸承鋼性能的有害影響因素，歸納起來，可以分為兩個方面。首先是夾雜物的種類和數(shù)量，其次是它們的幾何性因子(粒度、形狀、分布等)。 4.2夾雜物尺寸和分布對疲勞壽命的影響 關(guān)于夾雜物的幾何性因子對滾珠軸承接觸疲勞壽命的影響，歷來試驗結(jié)果和理論分析是一致的。分布越均勻越好。因為每個夾雜物周圍都有應力場，兩夾雜物過于靠近則兩應力場就會疊加起來。形狀越尖銳或粒度越大越不利，因為應力集中系數(shù)較大。這種觀點不錯，但再深入一步，還要看到夾雜的幾何性因子在某種程度上是

20、由夾雜類型決定的，例如剛玉常呈點鏈狀分布或簇狀分布的碎屑。 綜上所述，夾雜物對疲勞壽命的影響是一個復雜的課題，它包括夾雜物的數(shù)量、成份、形貌、尺寸和分布等的影響。有時甚至后者影響更大，因為通常一個軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個大型夾雜物所引起的；夾雜物的形狀多種多樣，有圓形和方形，有條狀、角狀和鏈狀等不規(guī)則形狀。一般認為細條狀塑性夾雜物的危害小，尖棱狀硬脆性夾雜危害最大，因為它容易劃傷金屬基體和引起應力集中。同一個夾雜物，由于離開表面的距離不同，其影響程度也不一樣。一般認為，裂紋出現(xiàn)在切應力最大處(離表面約0.350.55mm)。夾雜物離開這個位置越遠，其危害就越小。夾雜物粒度對軸承

21、壽命的影響，也會隨夾雜的位置不同而有所區(qū)別。因此為了改善軸承鋼的質(zhì)量，應盡量將鋼的各類夾雜物(包括A、B、C、D類和氮化物)含量降低，尺寸變小，分布更均勻，最終達到提高軸承壽命的目的。5 碳化物對軸承鋼質(zhì)量的影響 碳化物對疲勞壽命的影響是十分明顯的。特別是隨著冶煉、澆鑄等技術(shù)的進步，在鋼中氧含量及氧化物夾雜含量極低的情況下，碳化物的作用就顯得更為重要了。5.1碳化物顆粒大小及分布的影響碳化物的顆粒大小、形狀、數(shù)量及分布狀況都影響疲勞壽命。軸承廠要求軸承鋼材中碳化物顆粒細小，形狀規(guī)則，而且分布均勻。當存在粗顆粒碳化物時，鋼的淬硬值、壓壞值、轉(zhuǎn)動疲勞壽命都要惡化。J.E.梅雷廷恩和J.F.修厄爾在

22、測定疲勞壽命與碳化物顆粒大小與分布的關(guān)系的試驗中發(fā)現(xiàn)，碳化物細小，分布均勻，疲勞壽命較好(見圖7)。對于碳化物的不均勻性常用碳化物顆粒平均間距(MSP)來衡量，日本不二越鋼廠在研究軸承鋼的碳化物時，測定了MSP與疲勞壽命的關(guān)系，并建立起碳化物顆粒平均距離(MSP)與疲勞壽命的回歸方程： Y=435.12×10698.25×106 (8) 式中：Y：疲勞壽命； ：碳化物顆粒平均距離，um。圖7 細小或粗大球化退火組織的疲勞結(jié)果 線A細小球化組織的；線B粗大球化組織的 文獻4042報道用型號6305的滾動軸承的內(nèi)外套圈作試樣40，在承受徑向交變負荷的壽命試樣機上做了試驗。結(jié)果表

23、明，碳化物顆粒最大和最小兩者之間的平均壽命相差大約2.0倍。用碳化物顆粒為0.91.4um的各種環(huán)形試樣作壽命試驗，結(jié)論是：碳化物顆粒間平均距離的對數(shù)的倒數(shù)和疲勞壽命呈直線關(guān)系，即碳化物顆粒越細小，壽命越高。大澤近藤也做了同樣的試驗，得出結(jié)論：具有細球狀碳化物(平均直徑0.51.0um)材料壽命為粗顆粒碳化物(平均直徑2.53.5um)材料的1.5倍。也有人用平均碳化物顆粒分別為0.6um和1.4um的細顆粒和粗顆粒碳化物的鋼，將馬氏體含碳量固定在0.5%，做推力片壽命試驗，試驗結(jié)果表明：細顆粒材料比粗顆粒材料顯著要好，平均壽命(L50)大約為2.51，之所以粗顆粒碳化物比細顆粒碳化物壽命差，

24、他們認為：軸承鋼在淬火溫度下，奧氏體的含碳量不是充分均勻的。在碳化物附近的奧氏體和遠離碳化物的奧氏體之間存在著碳的濃度差。碳化物顆粒越大，這種濃度差也越大。而濃度高和濃度低的地方壽命都不好，這樣平均壽命自然也低。5.2帶狀碳化物的影響 帶狀碳化物是由枝晶偏析引起的。前蘇聯(lián)學者研究了帶狀碳化物對軸承鋼疲勞壽命的影響。他們將直徑為100mm的GCr15SiMn棒料(中心區(qū)帶狀組織評級為3.5級、邊緣為2級)在1150擴散退火15h，得到帶狀組織小于0.5級的鋼棒；以未經(jīng)擴散退火的直徑為100mm的鋼棒改鍛為60mm，在790進行球化退火；再將兩者一同加工成疲勞試樣進行試驗。結(jié)果表明：擴散退火使縱向

25、和橫向試樣的接觸疲勞強度大大提高。如果把帶狀3.03.5級試樣的壽命作為100%，則帶狀為0.5級的縱向壽命為166%，橫向為388%。5.3網(wǎng)狀碳化物的影響 網(wǎng)狀碳化物是在熱加工變形后的冷卻過程中形成的，如果在800900之間冷卻速度太慢，則溶解在奧氏體中的碳有足夠動力和充分的時間擴散到奧氏體晶粒的邊界上析出。最終在鋼中呈沿晶的網(wǎng)絡狀分布。關(guān)于網(wǎng)狀碳化物對性能的影響，研究的不多。A.T.斯別克托爾研究發(fā)現(xiàn)，隨網(wǎng)狀級別的增加，接觸疲勞強度下降。冶鋼公司一組GCr15鋼氧含量為 14×10-6，碳化物網(wǎng)狀為1.5級，與SKF一組相同牌號鋼氧含量為8×10-6，網(wǎng)狀為3.0級的

26、鋼材對比。大冶材的接觸疲勞壽命L10、L50分別為SKF的1.67和1.74倍。5.4液析碳化物的影響 液析碳化物與帶狀碳化物的起因相同，都起源于枝晶偏析。當偏析嚴重達到共晶成分時，形成共晶碳化物。液析碳化物的影響與帶狀碳化物大體相當。由于起因相同，減輕和消除的方法也相同。5.5殘余碳化物含量的影響 用軸承鋼加工成軸承，必須在淬、回火狀態(tài)下使用，此時鋼具有混合組織，通常含有80%(體積比)的馬氏體，510%的殘余奧氏體和7%左右的未溶/碳化物殘余碳化物。殘余碳化物的含量同樣影響疲勞壽命。有的研究結(jié)果指出，殘余碳化物的含量為78%時，壽命最長。但這種試驗結(jié)果是用含碳量一定的鋼(1.0%C)，在不

27、同溫度淬火條件下進行實驗得出的。由于淬火加熱溫度不同，殘余碳化物數(shù)量固然有變化，但同時馬氏體的含碳量也在變化，而馬氏體含碳量對疲勞壽命有顯著影響。因此，殘余碳化物含量為78%時是否壽命最高，這一結(jié)論還是一個問題。日本學者用其它成分和GCr15相同，而含碳量在0.701.17%之間變化的鋼，對其進行適當?shù)臒崽幚?，使馬氏體中的含碳量保持一定，均為0.45%，在這樣的條件下研究殘余碳化物含量對疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，殘余碳化物含量由10.5%減少到4.5%，疲勞壽命提高。研究造成疲勞剝落區(qū)附近的顯微組織時發(fā)現(xiàn)，疲勞裂縫都是在碳化物和馬氏體的界面上傳播的。這是因為碳化物和馬氏體交界處碳濃度高，易引起

28、應力集中，從而產(chǎn)生裂紋。殘余碳化物一旦增加，碳化物和馬氏體的界面增加，于是材料發(fā)生破裂的危險也增加。由此可以推斷出，增加殘余碳化物會造成疲勞壽命降低。但完全不存在殘余碳化物也不行，從耐磨性角度考慮，為了防止晶粒粗大引起疲勞壽命降低，存在一定數(shù)量的殘余碳化物是必要的。6 國外軸承鋼發(fā)展概況6.1工藝及質(zhì)量水平發(fā)達國家對于軸承鋼的生產(chǎn)及其科研極為重視，其中以瑞典、日本、德國等國表現(xiàn)突出。它們的軸承鋼生產(chǎn)狀況體現(xiàn)了當今世界軸承鋼生產(chǎn)質(zhì)量的水平和方向。由于不斷采用新技術(shù)，軸承鋼的氧含量及其它有害元素含量不斷下降，疲勞壽命不斷提高。瑞典是世界軸承鋼及軸承的生產(chǎn)“王國”，歷史悠久，產(chǎn)品質(zhì)量居世界之冠。日本

29、則大有后來居上之勢，經(jīng)過3040年的努力，加強科研，引進先進技術(shù)及裝備，優(yōu)化工藝，使軸承鋼的質(zhì)量躍居世界先進行列。通過近100年來的發(fā)展，軸承鋼的生產(chǎn)工藝經(jīng)過了幾次大的變化。其冶煉方法，從3040年代傳統(tǒng)的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐單煉，60年代的鋼包滴流脫氣(SLD)和真空循環(huán)脫氣法(RH)精煉 ，發(fā)展到今天的綜合冶煉工藝，生產(chǎn)工藝復雜，設(shè)備較多，但歸納起來只有三種：一是電爐流程：即電爐二次精煉連鑄或模鑄軋制；二是轉(zhuǎn)爐流程：高爐鐵水預處理轉(zhuǎn)爐二次精煉連鑄軋制；三是特種冶金：真空感應熔煉(VIM)、電渣重熔(ESR)等軋制或鍛造。一般生產(chǎn)普通用途軸承鋼采用電爐流程或轉(zhuǎn)爐流程；對特殊用途軸承

30、鋼(如航空軸承等)，則采用特種冶金流程生產(chǎn)。表12列出了世界典型軸承鋼生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量。下面以瑞典SKF公司、日本山陽特殊鋼公司和德國克虜伯鋼公司為例說明軸承鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀。表1 世界各主要軸承鋼生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工藝及鋼中微量含量元素國家廠名生產(chǎn)工藝T.O×10-6Ti×10-6Al%S%P%瑞典SKFEAF-除渣-ASEA-SKF-IC(4.2t)8.113.40.0360.0200.008日本山陽90tEAF-傾動式出鋼-LF-RH-IC90tEAF-傾動式出鋼-LF-RH-CC90tEAF-偏心爐底出鋼-LF-RH-IC8.35.85.414150.011

31、0.0220.002 0.013日本神戶鐵水預處理-轉(zhuǎn)爐吹煉-倒包除渣-ASEA-SKF-CC(立彎式大截面坯)9.0150.0160.0240.00260.0063日本愛知80tEAF-真空除渣-LF-RH-CC7.0150.030.0020.001日本和歌山轉(zhuǎn)爐-CC轉(zhuǎn)爐-RH-CC10.06.022120.008日本高周波EF-ASEA-SKFEF-ASEA-SKF吹A(chǔ)r9.05.02090.0150.0140.0070.0140.0140.008德國蒂森高爐-140t轉(zhuǎn)爐TBM-RH-喂絲-IC高爐-140t轉(zhuǎn)爐TBM-RH-喂絲-IC12.012.06.2瑞典軸承鋼的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀SK

32、F公司是世界上著名的跨國集團公司，經(jīng)營項目很多，主要包括：機械設(shè)備、軸承、鋼材等。其中SKF軸承公司是世界上最大的軸承公司，它有Hofors和Hellefors兩個煉鋼廠，是歐洲軸承鋼的主要生產(chǎn)廠家，年生產(chǎn)直接還原鐵50000t，鋼錠700000t(幾乎全是軸承鋼)。60年代以前，軸承鋼采用酸性平爐生產(chǎn)，完全不存在點狀(D型)氧化物夾雜，有著極其一致的純凈度，因而具有良好的耐疲勞性能。但是由于酸性平爐不能去除磷和硫，對原材料要求極為苛刻，生產(chǎn)效率低，在激烈的競爭機制中很難滿足需要。表2 非金屬夾雜物評級廠名工藝非金屬夾雜物分類評級ABCD 細粗細粗細粗細粗SKF100tEAF-ASEA-SKF

33、-IC1.320.790.8800 000山陽90tEAF-TST-LF-RH-CC90tEAF-EPT-LF-RH-CC1.34 1.350.100.120.720.17000 0 000.980.900.370.04蒂森EAF-RH-ICTBM(轉(zhuǎn)爐)-RH-ICTBM-RH-CCTBM-RH+Ca1.41.51.3100.100.21.01.20.71.000.20.220.5 圖8 SKF公司軸承鋼生產(chǎn)工藝 和鋼中氧含量的變化因此，6070年代，采用堿性電弧爐配合DH脫氣處理，但由于沒有加熱手段，DH脫氣鋼質(zhì)量分散性較大，氧含量波動在25×106左右。在此期間(60年代中期)

34、SKF公司與ASEA電氣公司共同開發(fā)了ASEASKF桶爐真空精煉法，又稱SKFMR法。SKFMR法是SKF熔煉加精煉的意思，是一種兩步煉鋼法。由一個在氧化條件下快速熔煉的SKF雙殼爐體和一個在還原條件下精煉的ASEASKF桶爐所組成，雙殼爐體是帶有兩個爐殼的電弧爐，它有兩個可以旋轉(zhuǎn)的爐頂，共用一套電極升降裝置、一套電源。這種雙殼爐體的目的是為了盡可能利用變壓器的最大功率。在一個殼體內(nèi)熔煉的同時，在另一殼體內(nèi)進行其它操作，包括出鋼、補爐、裝料及廢鋼預熱。在出鋼至ASEASKF鋼包之前，在雙殼爐體內(nèi)將磷的含量降至允許值以下。ASEASKF桶爐則由一個鋼包和鋼包車、一個帶電極的爐頂和一個真空爐頂組成

35、，并配備電磁攪拌器，可在桶內(nèi)進行諸如除渣電磁攪拌加熱脫氧合金化脫硫脫碳(也可在真空下)真空脫氣澆鑄(模鑄，也可以連鑄)等不同的冶煉工序。這意味著除了脫磷以外， 熔煉以后的所有正常的精煉工序都可以在桶爐內(nèi)完成。到70年代中期，采用雙殼爐與桶爐配合，即電弧爐初煉，真空脫氣(包括真空碳脫氧)，電磁攪拌然后再進行鋼包電弧加熱，氧含量降到20×106左右。70年代中到80年代初，SKF公司對工藝再一次進行改革。改革的重點是針對脫氧制度和操作順序，上個階段主要是采用真空碳脫氧，它是將初煉鋼液放入精煉鋼包，不加鋁脫氧，在真空下進行電磁攪拌，利用鋼液中的碳含量在真空下脫氧，精煉結(jié)束前加鋁補充脫氧，然

36、后加熱將鋼液調(diào)整到澆鑄要求溫度。經(jīng)過研究，SKF公司發(fā)現(xiàn)，真空碳脫氧工藝時間長，效率不高。于是他們著手進行將初煉鋼液先用鋁沉淀脫氧，再在非真空下進行電磁攪拌去除夾雜的試驗工作，為了比較真空脫氣和非真空精煉的SKFMR鋼的純凈度，他們對SKF3鋼(相當于我國GCr15)進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，在桶爐內(nèi)事先用鋁沉淀脫氧比真空碳脫氧獲得更一致的氧含量和夾雜物含量，因此，SKF公司自80年代以來，SKF3鋼一般情況都用非真空精煉，這是SKF工藝的一大顯著特點。圖8是SKF公司從60年代中期酸性平爐工藝過渡到堿性電弧爐的各個階段SKF3鋼氧含量的變化。從圖8中可以看出，由于脫氧制度的改進，即由真空下

37、的碳脫氧制度改為在非真空下事先用鋁沉淀脫氧，然后進行強烈的電磁攪拌精煉，氧含量由20×106左右降到10×106左右。在80年代中后期，SKF公司還進行過電磁攪拌與氬氣攪拌對比試驗，結(jié)果表明電磁攪拌工藝的氧含量保持在7.512×106，氬氣攪拌的氧含量在8.515×106之間，因此，他們認為電磁攪拌方式優(yōu)于氬氣攪拌方式。到目前為止，SKF公司軸承鋼生產(chǎn)工藝采用以下模式：BEA(堿性電弧爐)除渣加Al脫氧合金化加熱脫硫真空或非真空下電磁攪拌吹氬攪拌鋼錠模鑄(下注4.2t錠)。所謂優(yōu)化工藝，那就是由原來的真空碳脫氧制度改為鋁脫氧加電磁攪拌和吹氬攪拌，使脫氧產(chǎn)

38、物(主要是Al2O3及其它夾雜物)充分上浮，80年代中后期以來，SKF公司生產(chǎn)的高碳鉻軸承鋼氧含量已基本上穩(wěn)定在10×106以下。研究SKF公司軸承鋼生產(chǎn)工藝的演變，發(fā)現(xiàn)它有一個并非鮮為人知的特點，那就是SKF工藝是由酸性平爐過渡到今天的堿性電弧爐加上爐外精煉。而堿性電弧爐，經(jīng)爐外精煉與酸性平爐冶煉的軸承鋼一樣完全不出現(xiàn)含CaO的球狀不變形夾雜物，這是SKF工藝的最大特點(見表23)。6.3日本軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀從60年代以來，特別是近十幾年以來，日本各個軸承鋼生產(chǎn)廠家廣泛采用新工藝、新技術(shù)和新裝備，軸承鋼質(zhì)量已躋身于世界先進水平。近十年來日本軸承鋼的產(chǎn)量一直保持在600,000t左

39、右，成為軸承鋼生產(chǎn)大國。山陽軸承鋼的質(zhì)量居日本之首，氧含量達到5.4×10-6，下面就其生產(chǎn)工藝和質(zhì)量水平作一簡介。日本山陽特殊鋼公司是世界上著名的特殊鋼生產(chǎn)廠家之一，以生產(chǎn)軸承鋼鋼管著稱。1939年日本政府指定山陽為軸承鋼專業(yè)廠，1959年改稱為山陽特殊鋼公司。通過幾十年的發(fā)展，山陽特殊鋼公司現(xiàn)在年產(chǎn)粗鋼978,000t ，軋材696,000t(月產(chǎn)棒材40,000t，鋼管13,000t，線材1,000t)，冶煉設(shè)備包括一臺90tUHPEAF，兩臺30tEAF，一臺35tRH ，一臺90tRH，一臺90tLF爐，以及VAR和ESR裝置，一臺3流370×470mm垂直連鑄機

40、(800,000t/y)。隨著爐外精煉技術(shù)的發(fā)展，山陽特殊鋼公司從60年代中期開始，對鋼的生產(chǎn)進行了幾次大的技術(shù)改造。第一階段：1964年采用60噸電弧爐鋼包脫氣處理，鋼包置于真空室內(nèi)，真空度為67Pa，高堿度渣下吹氬攪拌，這個方法對提高鋼的純潔度不十分明顯，氧含量在25×10-6以上，且不穩(wěn)定。 表3 SKF公司SKF3鋼的氧含量及夾雜物評級n氧含量×10-6夾雜物分類 (ASTM E45D法)數(shù)據(jù)來源 ABCD 細粗細粗細粗細粗6812.38.315.11.1102.00.0800.0500000000文獻2,4398.15.212.71.321.02.00.790.5

41、1.00.880.51.50000000000進口SKF3鋼質(zhì)量檢驗證書210.58.013.02.132.02.5001.251.01.50000000000實測SKF3鋼材 第二階段：1968年從聯(lián)邦德國引進RH裝置與60tEAF配合，真空度13Pa，軸承鋼氧含量比鋼包坑脫氣處理大大降低，達到15×10-6左右。第三階段：1982年電弧爐容量擴大到90t，LF爐與RH配合，使得目標溫度、澆鑄時間有可能進行控制，大大提高了軸承鋼的純凈度，在模鑄條件下氧含量達到8.3×10-6，加上大截面垂直連鑄機的采用，可使夾雜物充分上浮，以及全程保護澆鑄措施(見圖9)，使軸承鋼的氧含量

42、進一步降低，達到5.8×10-6(連鑄與模鑄相比氧含量降低2.5×10-6)。表4 山陽公司SUJ2鋼的氧含量及夾雜物評級n氧含量×10-6夾雜物分類(ASTME45D法)數(shù)據(jù)來源ABCD 細粗細粗細粗細粗555.81.340.10.720.000.980.37傾動式出鋼6,21705.41.350.120.170000.900.04偏心爐低出鋼6,21345.14.06.01.090.52.00.2801.50.6601.50.1301.000000.8801.0000.5進口山陽SUJ2鋼材質(zhì)量檢驗證書87.15.68.01.470.52.5001.140.5

43、2.500000000實測SUJ2鋼材 圖10 山陽軸承鋼氧含量的變化圖9 日本山陽全程保護澆注示意圖第四階段：1986年將電弧爐傾動式出鋼改造成偏心爐底出鋼，軸承鋼氧含量由5.8×10-6進一步降低到5.4×10-6(偏心底出鋼與傾動式出鋼相比，氧含量降低了0.4×10-6)。圖10顯示了日本山陽軸承鋼生產(chǎn)工藝和鋼中氧含量的變化。近期從日本訪問歸來的人講，山陽特殊鋼公司的電弧爐已擴大到150t，該公司爐外精煉工藝模式可以描繪成：90tUHP(150tUHP)-EBT出鋼-LF-RH-CC(三流370×470mm坯)，表4是該公司軸承鋼的質(zhì)量水平。6.4

44、德國軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀德國是歐洲主要軸承鋼生產(chǎn)國之一，緊次于瑞典，克虜伯和蒂森是德國兩家典型的軸承鋼生產(chǎn)廠，下面以克虜伯為例說明德國軸承鋼生產(chǎn)工藝的演變過程?？颂敳摴?Sirgen廠有100tUHP電弧爐三座，全部鋼液經(jīng)連鑄機鑄成265mm×135mm坯，年產(chǎn)特殊鋼800,000t ,其中可熱處理鋼35%，表面硬化鋼30%，彈簧鋼15%，冷、熱鍛造鋼8%，軸承鋼7%，其它如工具鋼5%，克虜伯鋼公司對煉鋼和精煉工藝作過三次改造。第一次改造(1978年)，為100tUHP電弧爐配備VD鋼包脫氣站，爐子無渣出鋼后，在包中進行脫氣和成分調(diào)整，由連鑄機拉坯，這個階段沒有鋼包加熱裝置，為了補

45、償脫氣過程中的溫度損失，要求出鋼溫度高于1750，其工藝為：100tUHPEAF-無渣出鋼-VD-CC。第二次改造(1983年)，主要增加了鋼包加熱裝置-LF爐，降低了出鋼溫度(加熱裝置的建設(shè)利用了退役電弧爐的爐蓋、電極和變壓器，投資費用不大)。同時還添置了喂線設(shè)備，操作順序為：100tUHPEAF-無渣出鋼-VD-LF加熱-喂線-CC。第三次改造(1986年)，第三次改造的特點是設(shè)備的現(xiàn)代化，工序合理化。1986年新設(shè)計一臺LF爐，同時用RH脫氣裝置取代VD。VD、RH都與電爐合金加料系統(tǒng)相連，合金可以在控制的加料速度下無阻斷地連續(xù)加入鋼包。出鋼時隨鋼流加鋁脫氧，然后在RH脫氣過程中進行微調(diào)

46、，最后喂線處理，再用氬氣弱攪拌改善清潔度，精煉操作順序與第二階段相比也有所改變：135tUHPEAF-無渣出鋼-LF爐加熱-RH脫氣-FT(喂線終處理)-CC。6.5國外軸承鋼生產(chǎn)工藝特點 (1)爐子大型化 由電爐或轉(zhuǎn)爐提供粗鋼水，爐子容量大，減少了與耐火材料之間的接觸，大大提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本。 (2)除渣 為了冶煉出氧含量很低的鋼，必須把帶有氧化反應的熔煉過程與精煉過程分開進行，國外普遍采用無渣出鋼(如EBT)、真空吸渣和換鋼包除渣等技術(shù)將氧化渣徹底排除。山陽特殊公司采用無渣出鋼后，氧含量降低0.4×106。 (3)Al脫氧 由于動力學的原因，在精煉過程中，真空下碳脫氧速

47、度很慢，并且效果差，如果只采用真空碳脫氧工藝生產(chǎn)，鋼中氧含量高達20×106以上。因此，為了提高鋼的純凈度，必須在精煉前預先采用鋁沉淀脫氧。 (4)高堿度渣精煉國外軸承鋼普遍采用高堿度渣精煉，一般將堿度(CaO/SiO2)控制在46之間(見表1.5)。 (5)攪拌鋼液、鋼包加熱為了改善精煉過程中物理化學反應的動力學條件，對鋼液進行攪拌必不可少，在各種爐外精煉裝置中，為了加強脫氧和去除夾雜，廣泛使用吹氬攪拌和電磁感應攪拌(當然也包括RH的循環(huán)攪拌)方法。電磁感應攪拌比吹氬攪拌所消耗的能量高，能較快地使鋼液均勻化，特別是包壁附近得到了很好攪拌，鋁脫氧產(chǎn)物的絕大部分被吸收到耐火材料上，少部

48、分進入渣中。感應攪拌除了設(shè)備昂貴外，對于促進鋼渣反應也不那么有效。鋼包吹氬攪拌設(shè)備簡單，能夠達到有效的攪拌并能促進鋼渣反應及真空下的金屬精煉，但在包底，特別是在包壁附近沒有攪拌，這是吹氬攪拌的不足之處?？傊疄榱吮ＷC長時間充分攪拌，補償其溫降，精煉爐必須具備加熱功能。 表5 山陽和SKF公司精煉爐渣的化學成分（）廠名CaOSiO2Al2O3MgOCaF2CaO/SiO2山陽57.813.815.84.37.84.5SKF50551030505.0 (6)連鑄 連鑄工藝始于50年代，但是對高碳鉻軸承鋼來說，由于碳含量較高以及對 鋼的夾雜物和碳化物要求較為苛刻，生產(chǎn)的鑄坯容易產(chǎn)生偏析、縮孔和裂紋等缺

49、陷，所以在特殊鋼連鑄中軸承鋼較為困難，發(fā)展也較慢。最近十幾年來，隨著鋼水二次精煉、保護澆注、電磁攪拌和二次冷卻技術(shù)的發(fā)展。連鑄軸承鋼技術(shù)也相應得到了發(fā)展。日本和德國的一些特殊鋼公司在70年代末，80年代初期開始采用連鑄機生產(chǎn)軸承鋼。如山陽特殊鋼公司于1982年建成連鑄機，并用于軸承鋼生產(chǎn)，由于采用了全密封澆注，氧含量比模鑄低2.5×106。但也有人認為連鑄軸承鋼材不適用于制造滾動體。例如，瑞典SKF公司Ovako 廠1991年投產(chǎn)的新車間仍沿用模鑄生產(chǎn)軸承鋼，美國Timken公司1985年投產(chǎn)的新車間，就沒有采用連鑄，估計軸承鋼的生產(chǎn)以后會越來越多地采用連鑄。1986和1991年在A

50、STM舉辦的軸承鋼國際會議上，很多廠家就主張連鑄。總之，軸承鋼連鑄仍然是一個有爭議的課題。到目前為止，還沒有一篇文章報道，徹底解決了軸承鋼連鑄坯的中心碳偏析問題。7. 國內(nèi)軸承鋼的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀中國的軸承鋼生產(chǎn)從50年代開始起步，通過40余年的發(fā)展，近幾年來在產(chǎn)量上均達到年產(chǎn)600,000t以上，基本上滿足了國內(nèi)軸承行業(yè)的需求。特別是通過近十幾年來積極采用國際標準，不斷更新工藝裝備及工藝技術(shù)，在質(zhì)量上有了新的飛躍，品種結(jié)構(gòu)上也有一定的改善，尤其是在提高鋼的純潔度和改善鋼的碳化物均勻性方面取得了不少進步，目前我國爐外精煉軸承鋼已占軸承鋼總產(chǎn)量的60%以上，大冶特殊鋼股份有限公司與上鋼五廠80年代末

51、已經(jīng)實現(xiàn)了100%爐外精煉。7.1工藝 我國軸承鋼的生產(chǎn)，長期采用1030t小容量電弧爐單煉，氧含量多在30×106左右，Al2O3夾雜及點狀夾雜物含量很高；1967年引進RH裝置對100t堿性平爐鋼液進行脫氣處理，氧含量降到20×106左右；80年代初開始大力推進爐外精煉技術(shù)，相繼建立了EAFLFV、EAFVAD、EAF吹氬或喂絲等，85年又投產(chǎn)兩座50t高功率電弧爐和一臺60tVAD鋼包精煉爐，標志著我國軸承鋼生產(chǎn)進入爐外精煉時代，特別是近幾年來主要特鋼廠都進行了大規(guī)模技術(shù)改造，如冶鋼建成了60t超高功率電弧爐(ABB)60tLFVD精煉爐(Danieli)連鑄(Kru

52、pp)650mm連軋(Pomini)。上五建成了100tEAF100tLFVDCC連軋等現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝路線，其中主體設(shè)備達到了90年代國際水平，預計不久的將來我國軸承鋼的生產(chǎn)，將要躍上一個新的臺階，主要質(zhì)量指標將達到國際先進水平。7.2產(chǎn)量、質(zhì)量和品種結(jié)構(gòu) 表68示出了我國近幾年來主要軸承鋼生產(chǎn)廠家的產(chǎn)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和氧含量的變化。從量方面看，我國軸承鋼產(chǎn)量已達60萬噸左右，實際上2000年軸承鋼產(chǎn)量已達80萬噸，躍居世界軸承鋼生產(chǎn)大國行列，日本大體穩(wěn)定在60萬噸，瑞典SKF公司70萬噸。我國高碳鉻軸承鋼的產(chǎn)量已經(jīng)不少，關(guān)鍵的問題是提高材料利用率。在這方面與先進的工業(yè)國家相比差距較大，日本、瑞典、德國在70年代末的利用率已經(jīng)達到6062，而我國到目前為止還不到40。近年來，日本的軸承產(chǎn)量已達2425億套/年，而軸承鋼的產(chǎn)量并未增加。我國軸承鋼產(chǎn)量與之相近，但軸承