我國高碳鉻軸承鋼材的生產(chǎn)與質(zhì)量分析

我國高碳鉻軸承鋼材的生產(chǎn)與質(zhì)量分析

1序言軸承是機(jī)械工程的基本部件。近十年來，軸承材料在許多方面得到了開發(fā)，軸承鋼產(chǎn)品的質(zhì)量不斷提高。2lf—軸承鋼生產(chǎn)工藝裝備近20年里,電弧爐單爐容量已從80年代初期的10~20t擴(kuò)大到50~100t,偏心爐底留鋼留渣操作和LF—VD精煉工藝與連鑄配合,軸承鋼氧含量已由傳統(tǒng)電弧爐大氣下熔煉的(0.003%~0.004%到0.001%左右。各特鋼廠連軋機(jī)組的相繼投產(chǎn),輥底式連續(xù)退火爐的應(yīng)用,使軸承鋼的純凈度、軋材的尺寸精度、球化退火組織都已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。3高碳鉻軸承用鑄件近幾年來,各特鋼企業(yè)經(jīng)大規(guī)模的技術(shù)改造、設(shè)備更新,使軸承鋼的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力都有很大程度的提高。2001年國內(nèi)生產(chǎn)軸承鋼108萬噸,鋼材近93.4萬噸,2002年生產(chǎn)軸承鋼114萬噸,鋼材97.5萬噸。完全能滿足國內(nèi)軸承生產(chǎn)企業(yè)的需要,且呈供過于求的狀態(tài),20年來各特鋼企業(yè)的高碳鉻軸承鋼材產(chǎn)量的發(fā)展情況見圖1。從表1中可以看出,1985至2002年國內(nèi)高碳鉻軸承鋼材品種結(jié)構(gòu)的變化情況。雖然國內(nèi)軸承鋼產(chǎn)量已翻了幾番,但品種結(jié)構(gòu)卻幾乎沒什么變化。高碳鉻軸承鋼的棒材比重很大,絲、板帶很小,管材更少。由于品種結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重不合理,使得我國軸承鋼材的利用率與先進(jìn)的工業(yè)國家相比差距很大。日本、瑞典、德國在70年代末期高碳鉻軸承鋼的利用率已高于60%,而國內(nèi)現(xiàn)在是40%左右。4碳化物、碳純度衡量軸承鋼的質(zhì)量,著眼三個(gè)方面:一是純凈度,即鋼中夾雜物的含量;二是碳化物不均勻性;三是鋼材的表面質(zhì)量,包括尺寸精度,表面裂紋及脫碳情況。4.1爐外競爭力分析主要從兩方面著手提高軸承鋼的純凈度:一是通過爐外二次精煉來減少夾雜物的數(shù)量,主要是降低鋼中氧含量;二是通過調(diào)整精煉渣的化學(xué)成分改善夾雜物的性質(zhì)和形態(tài)。國內(nèi)軸承鋼主要生產(chǎn)企業(yè),近年多已相繼建成投產(chǎn)超高功率電爐,采用先進(jìn)的偏心爐底出鋼技術(shù)。進(jìn)行爐外二次精煉,使鋼中氧含量降到0.001%左右,個(gè)別最低氧含量可降到0.0004%~0.0005%。二次精煉比率也達(dá)到100%(如表2示)。因此,鋼中夾雜物的數(shù)量得到很好的控制。同時(shí),優(yōu)選精煉渣系,精確地控制精煉渣的化學(xué)成分,非金屬夾雜物的形態(tài)得到有效地控制,氧化物夾雜中基本不會(huì)出現(xiàn)球狀?yuàn)A雜物。北京鋼鐵研究總院,洛陽軸承研究所都對1998年用LFV工藝生產(chǎn)的GCr5材與1987年進(jìn)口的SKF3材進(jìn)行過材質(zhì)疲勞對比試驗(yàn)。結(jié)果表明,GCr15的L10比SKF3高76.19%,L50高31.43%。說明精煉軸承鋼的氧含量達(dá)到0.001%左右,純凈度亦達(dá)到瑞典SKF3鋼的水平,接觸疲勞壽命也相當(dāng)。4.2加強(qiáng)鋼錠或鋼坯的均熱擴(kuò)散軸承鋼多為過共析鋼,有相當(dāng)數(shù)量的碳化物,這些碳化物顆粒大小及分布狀態(tài),對軸承的耐磨性及疲勞壽命都有很重要的影響。軸承鋼中碳化物的不均勻分布是由于鋼錠結(jié)晶偏析所造成的,表現(xiàn)為碳化物液析,碳化物帶狀和軋后冷卻過程中沿晶界析出的網(wǎng)狀碳化物。國外從兩方面著手改善軸承鋼的碳化物不均勻性,一是減小鋼錠或鋼坯的偏析,嚴(yán)格控制澆鑄溫度,將過熱度控制在10~15℃;二是加強(qiáng)鋼錠或鑄坯的高溫均熱擴(kuò)散。表3是進(jìn)口軸承鋼材碳化物及球化組織檢驗(yàn)結(jié)果,其中B產(chǎn)地冷拔材碳化物顆粒實(shí)測最大為0.9μm,平均直徑為0.413μm。國內(nèi)則早在60年代到70年代就已經(jīng)掌握了對鋼錠或鋼坯進(jìn)行高溫均熱擴(kuò)散,以消除碳化物液析,改善碳化物帶狀;低終軋溫度或鋼材正火處理改善網(wǎng)狀碳化物,以消除大塊碳化物等工藝技術(shù)。近年又成功地研究了<?34mm、≥?34~55mm棒材軋后快冷工藝及快速球化退火工藝,球化退火時(shí)間大大縮短,珠光體組織達(dá)到2.0~3.0級的碳化物顆粒尺寸平均為0.5~0.6μm。但由于不少廠家對鋼錠不進(jìn)行充分的高溫均熱擴(kuò)散,同時(shí)為提高成材率,又紛紛減小冒口容積,軋后快冷工藝得不到推廣和正常應(yīng)用,加上原來行之有效的低溫終軋、正火處理等工藝,也在產(chǎn)量、能耗等指標(biāo)的壓力下被廢棄了。因此,實(shí)際上國內(nèi)軸承鋼碳化物的均勻程度要低于國外先進(jìn)水平。4.3表面質(zhì)量和裂紋雖然國內(nèi)軸承鋼的內(nèi)在質(zhì)量近年有了很大的提高,但是鋼材的尺寸精度及表面質(zhì)量仍普遍存在著較大的差距。就尺寸公差而言,瑞典SKFD33小型材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸公差為±0.2mm,彎曲度≤1mm/m,表面脫碳的徑向深度不得超直徑的1%,國內(nèi)一般尺寸公差為±(0.35~0.40)mm,彎曲度為4~6mm/m,表面脫碳為0.2mm。但是在已建成棒、線材連軋機(jī)組的上五、興澄、大連等廠家鋼材的尺寸精度則要好得多。對于軸承鋼材的表面質(zhì)量,反映最為強(qiáng)烈的是裂紋和脫碳,尤其是用于滾子料的冷拔材。由于廠家各生產(chǎn)工序工作質(zhì)量的降低,直接導(dǎo)致鋼材表面質(zhì)量的下降,如澆鑄速度控制不當(dāng),帶來鋼錠表面質(zhì)量下降,鋼坯裂紋增多;開坯軋制翻鋼道次減少,帶來鋼坯方向性裂紋增多。鋼坯修磨不認(rèn)真(或修磨能力不夠)帶來鋼材表面裂紋增多,特別是冷拔坯料未經(jīng)認(rèn)真地扒皮或修磨,致使?jié)L子料裂紋越來越嚴(yán)重。脫碳除了與多次加熱開坯的生產(chǎn)工藝有關(guān)外,與裂紋也有著千絲萬縷的聯(lián)系,改善了裂紋,脫碳也會(huì)得到相應(yīng)的改善。5軸承鋼開發(fā)方向以品種質(zhì)量為龍頭,由數(shù)量型向品種質(zhì)量型轉(zhuǎn)變是解決目前國內(nèi)軸承鋼供大于求的關(guān)鍵。5.1體應(yīng)力加熱—不斷開發(fā)新品種提高產(chǎn)品質(zhì)量,開發(fā)、研制節(jié)能、節(jié)資源、適應(yīng)市場需求的品種。如:(1)GCr4—供鐵路機(jī)客車輛的節(jié)能、節(jié)資源、抗沖擊的低淬透性軸承鋼。該鋼種與GCr15、GCr15SiMn相比明顯地降低了Cr、Mn、Si、Mo等提高淬透性的元素含量,只用廉價(jià)的碳和低含量鉻元素,并用不同于傳統(tǒng)的全淬透熱處理的整體感應(yīng)加熱—表面淬火處理方法,使材料表層既具有全淬硬高碳鉻軸承鋼的高硬度、高耐磨性的優(yōu)點(diǎn),其心部又獲得了滲碳軸承鋼心部所具有的高韌性、抗沖擊的特點(diǎn),是一種具有全淬硬高碳鉻軸承鋼和滲碳軸承鋼兩者特性合一的軸承材料。(2)GCr18Mo—新型高淬透性軸承鋼,與GCr15、GCr15SiMn相比,明顯地提高了鉻元素的含量,同時(shí)添加了適量的鉬元素,采用下貝氏體等溫淬火處理工藝,使鋼種具有下貝氏體組織和較低的殘余奧氏體含量。與處理成貝氏體組織的GCr15相比,該鋼種具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性和軸承中值壽命,能更好地保證鐵路軸承使用壽命的可靠性和穩(wěn)定性。(3)碳素軸承鋼—國外新觀點(diǎn)認(rèn)為,軸承鋼中的合金元素主要是提高淬透性,而真空脫氣技術(shù)發(fā)展到今天,碳素鋼的純潔度同樣也可以大大提高。對于壁厚不大的軸承采用真空脫氣的高碳鋼,其壽命完全能滿足要求。例如:美國用含碳量0.7%左右的碳素鋼(1070鋼)制造轎車軸承,日本用含碳量0.53%左右的碳素鋼(S53C鋼)作汽車等速萬向節(jié)軸承等。5.2軸承鋼品種結(jié)構(gòu)不合理至2002年國內(nèi)軸承鋼材已達(dá)97.5萬噸,躍居世界軸承鋼生產(chǎn)大國的前列,但品種結(jié)構(gòu)仍無大的改善,軸承鋼材中棒材占91.29%,線材占8.61%,板帶材占0.10%,結(jié)構(gòu)仍不盡合理,材料利用率很低,因此,調(diào)整品種結(jié)構(gòu),增加線、板帶材的比重,以提高材料利用率是軸承鋼生產(chǎn)制造業(yè)今后應(yīng)不懈