軸承鋼的發(fā)展方向
2015-06-20
軸承鋼主要用于制造滾動軸承的滾動體和套圈。由于軸承應(yīng)具備長壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求軸承鋼應(yīng)具備：高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強(qiáng)度、必須的韌性、一定的淬透性、在大氣的潤滑劑中的耐腐蝕性能。為了達(dá)到上述性能要求，對軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴(yán)格。軸承鋼總體上向高質(zhì)量、高性能和多品種方向發(fā)展。軸承用鋼按特性及應(yīng)用環(huán)境劃分為：高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高溫軸承鋼、不銹軸承鋼及專用的特種軸承材料。
為適應(yīng)高溫、高速、高負(fù)荷、耐蝕、抗輻射的要求，需要研制一系列具有特殊性能的新型軸承鋼。為了降低軸承鋼的氧含量，發(fā)展了真空冶煉、電渣重熔、電子束重熔等軸承鋼的冶煉技術(shù)。而大批量軸承鋼的冶煉由電弧爐熔煉，發(fā)展成各種類型初煉爐加爐外精煉。目前，采用容量大于60噸初煉爐＋LF／VD或RH＋連鑄＋連軋工藝生產(chǎn)軸承鋼，以達(dá)到高質(zhì)量、高效率、低能耗之目的。在熱處理工藝方面，由車底式爐、罩式爐發(fā)展成連續(xù)可控氣氛退火爐熱處理。目前，連續(xù)熱處理爐型最長為 150m，加工生產(chǎn)軸承鋼的球化組織穩(wěn)定和均勻，脫碳層小，消耗能量低。
20世紀(jì)70年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，軸承的應(yīng)用范圍擴(kuò)大；而國際貿(mào)易的發(fā)展，又推動了軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)國際化和新技術(shù)、新工藝及新裝備的開發(fā)和應(yīng)用，效率高、質(zhì)量高、成本低的配套技術(shù)和工藝裝備應(yīng)運(yùn)而生。日本和德國等均建成了高潔凈度、高質(zhì)量的軸承鋼生產(chǎn)線，使鋼的產(chǎn)量迅速增加，鋼的質(zhì)量和疲勞壽命大幅度提高。日本和 瑞典生產(chǎn)的軸承鋼的氧含量降到10ppm以下。80年代末期，日本山陽特鋼公司的先進(jìn)水平為5.4ppm，達(dá)到了真空重熔軸承鋼的水平。
軸承的接觸疲勞壽命對鋼組織的均勻性非常敏感。提高潔凈度(減少鋼中的雜質(zhì)元素和夾雜物含量)，促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細(xì)小均勻分布，可以提高軸承鋼的接觸疲勞壽命。軸承鋼使用狀態(tài)下的組織應(yīng)是回火馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小的碳化物顆粒，這樣的組織可以賦予軸承鋼所需要的性能。高碳軸承鋼中的主要合金元素有碳、鉻、 硅、錳、釩等。
如何獲得球化組織是軸承鋼生產(chǎn)中的重要問題，控軋控冷是先進(jìn)軸承鋼的重要生產(chǎn)工藝。通過控軋或軋后快冷消除了網(wǎng)狀碳化物，獲得合適的預(yù)備組織，可以縮短軸承鋼球化退火時間，細(xì)化碳化物，提高疲勞壽命。近年來，俄羅斯和日本采用低溫控軋(800℃～850℃以下)，軋后采用空冷加短時間退火，或完全取消球化退火工藝，就可得到合格的軸承鋼組織。軸承鋼的650℃溫加工也是新型技術(shù)。共析鋼或高碳鋼熱加工前若具有細(xì)晶粒組織或在加工過程能形成細(xì)晶粒，則在(0.4～0. 6)熔化溫度范圍內(nèi)，在一定應(yīng)變速率下，呈現(xiàn)出超塑性。美國海軍研究院(NSP)對5 2100鋼進(jìn)行了650℃溫加工試驗(yàn)表明，在650℃下真應(yīng)變 2.5不發(fā)生斷裂。因此，有可能以650℃溫加工來代替高溫加工并與球化退火工藝結(jié)合起來，這對簡化設(shè)備和工序、節(jié)約能源、提高質(zhì)量有重要意義。
在熱處理方面，在提高球化退火質(zhì)量，獲得細(xì)小、均勻、球形的碳化物以及縮短退火時間或取消球化退火工序的研究方面有了進(jìn)展，即盤條生產(chǎn)采用兩次組織退火，將拉拔后的720℃～730℃再結(jié)晶退火改為760 ℃的組織退火。這樣可以得到硬度低、球化好、無網(wǎng)狀碳化物的組織，關(guān)鍵要保證中間拉拔減面率≥14％。該工藝使熱處理爐的效率提高25％～30％。連續(xù)式球化退火熱處理技術(shù)是軸承鋼熱處理的發(fā)展方向。
各國都在研究和開發(fā)新型軸承鋼，擴(kuò)大應(yīng)用和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸承鋼。如快速滲碳軸承鋼，通過改變化學(xué)成分來提高滲碳速度，其中碳含量由傳統(tǒng)的0.08％～0.20％提高到0.45％左右，滲碳時間由7小時縮短到30 分鐘。開發(fā)了高頻淬火軸承鋼，用普通中碳鋼或中碳錳、鉻鋼，通過高頻加熱淬火來代替普通軸承鋼，既簡化了生產(chǎn)工序又降低了成本，并提高了使用壽命。日本研制的GCr465、SCM465疲勞壽命比SUJ—2高2～4倍。由于在高溫、腐蝕、潤滑條件惡劣的環(huán)境下使用軸承愈來愈多，過去使用的M50(CrMo4V)、440C(9Cr18Mo)等軸承鋼已不能滿足使用要求，急需研制加工性能好、成本低、疲勞壽命長、能適合不同目的和用途的軸承用鋼，如高溫滲碳鋼 M50NiL、易加工不銹軸承鋼50X18M以及陶瓷軸承材料等。
針對GCr15SiMn鋼淬透性低的弱點(diǎn)，我國開發(fā)了高淬透性和淬硬性軸承鋼GCr15SiMo，其淬硬性HRC≥60，淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接觸疲勞壽命L10和L50分別比GCr15Si Mn提高73％和68％，在相同使用條件下，用G015SiMo鋼制造的軸承的使用壽命是GCr15SiMo鋼的兩倍。近年來，我國還開發(fā)了能節(jié)約能源、節(jié)約資源和抗沖擊的GCr4軸承鋼。與GCr15相比，GCr4的沖擊值提高了66％～104％，斷裂韌性提高了67％，接觸疲勞壽命L10提高了12％。GCr4鋼軸承采用高溫加熱—表面淬火熱處理工藝。與全淬透的GCr15鋼軸承相比，GCr4鋼軸承的壽命明顯提高，可用于重載高速列車軸承。
今后軸承鋼主要向高潔凈度和性能多樣化兩個方向發(fā)展。提高軸承鋼的潔凈度，特別是降低鋼中的氧含量，可以明顯延長軸承的壽命。氧含量由28ppm降低到5ppm，疲勞壽命可以延長1個數(shù)量級。為了延長軸承鋼的壽命，人們多年來一直致力于開發(fā)應(yīng)用精煉技術(shù)來降低鋼中的氧含量。通過不懈的努力，軸承鋼中的最低氧含量已從20世紀(jì)60 年代的28ppm 降低到90年代的5ppm。目前，我國可以將軸承鋼中的最低氧含量控制在 10ppm左右。軸承使用環(huán)境的變化要求軸承鋼必須具備性能的多樣化。如設(shè)備轉(zhuǎn)速的提高，需要準(zhǔn)高溫用(200℃以下)軸承鋼(通常采用在 SUJ2鋼的基礎(chǔ)上提高Si含量、添加V和Nb的方法來達(dá)到抗軟化和穩(wěn)定尺寸的目的)；腐蝕應(yīng)用場合，需要開發(fā)不銹軸承鋼；為了簡化工藝，應(yīng)該開發(fā)高頻淬火軸承鋼和短時滲碳軸承鋼。
為適應(yīng)高溫、高速、高負(fù)荷、耐蝕、抗輻射的要求，需要研制一系列具有特殊性能的新型軸承鋼。為了降低軸承鋼的氧含量，發(fā)展了真空冶煉、電渣重熔、電子束重熔等軸承鋼的冶煉技術(shù)。而大批量軸承鋼的冶煉由電弧爐熔煉，發(fā)展成各種類型初煉爐加爐外精煉。目前，采用容量大于60噸初煉爐＋LF／VD或RH＋連鑄＋連軋工藝生產(chǎn)軸承鋼，以達(dá)到高質(zhì)量、高效率、低能耗之目的。在熱處理工藝方面，由車底式爐、罩式爐發(fā)展成連續(xù)可控氣氛退火爐熱處理。目前，連續(xù)熱處理爐型最長為 150m，加工生產(chǎn)軸承鋼的球化組織穩(wěn)定和均勻，脫碳層小，消耗能量低。
20世紀(jì)70年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，軸承的應(yīng)用范圍擴(kuò)大；而國際貿(mào)易的發(fā)展，又推動了軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)國際化和新技術(shù)、新工藝及新裝備的開發(fā)和應(yīng)用，效率高、質(zhì)量高、成本低的配套技術(shù)和工藝裝備應(yīng)運(yùn)而生。日本和德國等均建成了高潔凈度、高質(zhì)量的軸承鋼生產(chǎn)線，使鋼的產(chǎn)量迅速增加，鋼的質(zhì)量和疲勞壽命大幅度提高。日本和 瑞典生產(chǎn)的軸承鋼的氧含量降到10ppm以下。80年代末期，日本山陽特鋼公司的先進(jìn)水平為5.4ppm，達(dá)到了真空重熔軸承鋼的水平。
軸承的接觸疲勞壽命對鋼組織的均勻性非常敏感。提高潔凈度(減少鋼中的雜質(zhì)元素和夾雜物含量)，促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細(xì)小均勻分布，可以提高軸承鋼的接觸疲勞壽命。軸承鋼使用狀態(tài)下的組織應(yīng)是回火馬氏體基體上均勻分布著細(xì)小的碳化物顆粒，這樣的組織可以賦予軸承鋼所需要的性能。高碳軸承鋼中的主要合金元素有碳、鉻、 硅、錳、釩等。
如何獲得球化組織是軸承鋼生產(chǎn)中的重要問題，控軋控冷是先進(jìn)軸承鋼的重要生產(chǎn)工藝。通過控軋或軋后快冷消除了網(wǎng)狀碳化物，獲得合適的預(yù)備組織，可以縮短軸承鋼球化退火時間，細(xì)化碳化物，提高疲勞壽命。近年來，俄羅斯和日本采用低溫控軋(800℃～850℃以下)，軋后采用空冷加短時間退火，或完全取消球化退火工藝，就可得到合格的軸承鋼組織。軸承鋼的650℃溫加工也是新型技術(shù)。共析鋼或高碳鋼熱加工前若具有細(xì)晶粒組織或在加工過程能形成細(xì)晶粒，則在(0.4～0. 6)熔化溫度范圍內(nèi)，在一定應(yīng)變速率下，呈現(xiàn)出超塑性。美國海軍研究院(NSP)對5 2100鋼進(jìn)行了650℃溫加工試驗(yàn)表明，在650℃下真應(yīng)變 2.5不發(fā)生斷裂。因此，有可能以650℃溫加工來代替高溫加工并與球化退火工藝結(jié)合起來，這對簡化設(shè)備和工序、節(jié)約能源、提高質(zhì)量有重要意義。
在熱處理方面，在提高球化退火質(zhì)量，獲得細(xì)小、均勻、球形的碳化物以及縮短退火時間或取消球化退火工序的研究方面有了進(jìn)展，即盤條生產(chǎn)采用兩次組織退火，將拉拔后的720℃～730℃再結(jié)晶退火改為760 ℃的組織退火。這樣可以得到硬度低、球化好、無網(wǎng)狀碳化物的組織，關(guān)鍵要保證中間拉拔減面率≥14％。該工藝使熱處理爐的效率提高25％～30％。連續(xù)式球化退火熱處理技術(shù)是軸承鋼熱處理的發(fā)展方向。
各國都在研究和開發(fā)新型軸承鋼，擴(kuò)大應(yīng)用和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸承鋼。如快速滲碳軸承鋼，通過改變化學(xué)成分來提高滲碳速度，其中碳含量由傳統(tǒng)的0.08％～0.20％提高到0.45％左右，滲碳時間由7小時縮短到30 分鐘。開發(fā)了高頻淬火軸承鋼，用普通中碳鋼或中碳錳、鉻鋼，通過高頻加熱淬火來代替普通軸承鋼，既簡化了生產(chǎn)工序又降低了成本，并提高了使用壽命。日本研制的GCr465、SCM465疲勞壽命比SUJ—2高2～4倍。由于在高溫、腐蝕、潤滑條件惡劣的環(huán)境下使用軸承愈來愈多，過去使用的M50(CrMo4V)、440C(9Cr18Mo)等軸承鋼已不能滿足使用要求，急需研制加工性能好、成本低、疲勞壽命長、能適合不同目的和用途的軸承用鋼，如高溫滲碳鋼 M50NiL、易加工不銹軸承鋼50X18M以及陶瓷軸承材料等。
針對GCr15SiMn鋼淬透性低的弱點(diǎn)，我國開發(fā)了高淬透性和淬硬性軸承鋼GCr15SiMo，其淬硬性HRC≥60，淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接觸疲勞壽命L10和L50分別比GCr15Si Mn提高73％和68％，在相同使用條件下，用G015SiMo鋼制造的軸承的使用壽命是GCr15SiMo鋼的兩倍。近年來，我國還開發(fā)了能節(jié)約能源、節(jié)約資源和抗沖擊的GCr4軸承鋼。與GCr15相比，GCr4的沖擊值提高了66％～104％，斷裂韌性提高了67％，接觸疲勞壽命L10提高了12％。GCr4鋼軸承采用高溫加熱—表面淬火熱處理工藝。與全淬透的GCr15鋼軸承相比，GCr4鋼軸承的壽命明顯提高，可用于重載高速列車軸承。
今后軸承鋼主要向高潔凈度和性能多樣化兩個方向發(fā)展。提高軸承鋼的潔凈度，特別是降低鋼中的氧含量，可以明顯延長軸承的壽命。氧含量由28ppm降低到5ppm，疲勞壽命可以延長1個數(shù)量級。為了延長軸承鋼的壽命，人們多年來一直致力于開發(fā)應(yīng)用精煉技術(shù)來降低鋼中的氧含量。通過不懈的努力，軸承鋼中的最低氧含量已從20世紀(jì)60 年代的28ppm 降低到90年代的5ppm。目前，我國可以將軸承鋼中的最低氧含量控制在 10ppm左右。軸承使用環(huán)境的變化要求軸承鋼必須具備性能的多樣化。如設(shè)備轉(zhuǎn)速的提高，需要準(zhǔn)高溫用(200℃以下)軸承鋼(通常采用在 SUJ2鋼的基礎(chǔ)上提高Si含量、添加V和Nb的方法來達(dá)到抗軟化和穩(wěn)定尺寸的目的)；腐蝕應(yīng)用場合，需要開發(fā)不銹軸承鋼；為了簡化工藝，應(yīng)該開發(fā)高頻淬火軸承鋼和短時滲碳軸承鋼。