轴承钢的生产现状与发展
轴承钢的生产现状与发展
首钢技术研究院
2003.10
1 前言
    滚动轴承是重要的机械基础件，在宇航、军工、机械制造、铁路运输以及汽车制造等行业中应用十分广泛。它在专门大程度上决定了装备的精度、性能、寿命与可靠性。轴承钢是重要的特钢品种，其纯洁度和组织平均性是阻碍轴承寿命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的GCr15滚珠轴承钢是专用钢中质量要求最为苛刻的钢种，该钢种是19世纪末发明的，100年来，成分差不多没变化，而质量提高了专门多，它是发达国家中在生产、科研方面投入人力、物力最多的钢种，一向被认为是高质量钢的代表。其冶炼方法，从30~40年代传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，60年代的钢包滴流脱气法和真空循环脱气法(RH)精炼，进展到今天的综合炉外精炼工艺(LF+RH、LF+VD等)，使钢中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲劳寿命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公认的轴承及轴承钢生产〝王国〞，质量居全球之冠，它
们80年代创建的SKF-MR法(MR是熔炼加精炼的意思)，使轴承钢的氧含量达到10×10－6以下，日本山阳专门钢公司从60年代起通过整整30~40年的努力，到80年代末，最终形成了90tEAF-LF-RH-CC工艺生产轴承钢，氧含量达到5.0×10－6左右。
    通过几十年的进展，中国目前不仅差不多成为轴承钢生产大国，形成了几条轴承钢生产工艺路线，即EF＋LF＋VD、EF＋VAD、EF＋吹氩或喂丝工艺路线等，年产轴承钢80万吨左右〔日本60万吨、瑞典70万吨〕，差不多能满足国内市场的需求，并有少量出口；而且其内部质量也接近或达到国际水平，如氧含量降到了10×10－6左右。然而国产轴承钢与瑞典SKF、日本山阳等先进厂家相比还存在一定差距，要紧表现在以下三个方面：一是钢中微量杂质元素含量偏高；二是表面质量差(包括尺寸精度、表面裂纹和脱碳等)；三是内部质量不稳固，波动范畴大。
2 轴承的工作环境及对轴承钢的性能要求
2.1工作环境
    轴承是由内、外套圈、滚动体〔滚珠、滚柱或滚针〕和保持器四部分组成，除保持器外，
其余差不多上由轴承钢组成。当轴承工作时，轴承内、外套圈，轴承滚动体间承担高频、变应力的作用。轴承的工作条件十分复杂。载荷集中作用在滚动体的专门小面积上。理论上讲关于滚珠，作用在一点上；而关于滚柱那么作用在一条线上，同时滚动体与套圈间接触面积也专门小〔呈点/线接触〕，因此轴承零件在工作时，其滚动体和套圈表面的单位面积上要承担专门大的压力，一样高达1500－5000N/mm2；轴承旋转时，还要承担离心力的作用，作用力随转速的增加而增大；滚动体和套圈间不仅存在滚动，而且还有滑动，因此在滚动体与套圈之间还存在着摩擦。在以上几种力的综合作用下，在套圈或滚动体的表面上抗疲劳强度低的部位第一产生疲劳裂纹，最后形成疲劳剥落，使轴承破旧失效。轴承正常的破旧形式是接触疲劳损坏，常见的还有塑性变形、压痕、磨损、裂纹等。
2.2性能要求
轴承的寿命和可靠性尽管与轴承的设计、加工制造、润滑条件、安装、爱护保养等因素有关，但轴承材料的高质量和可靠性是关键。基于以上对轴承的工作条件和破旧的分析，对轴承钢的性能应有如下要求：
(1)高的纯洁度和高平均性；
(2)足够的抗压强度和抗永久变形能力；
(3)优良的接触疲劳性能；
(4)高的耐磨性；
(5)良好的尺寸稳固性；
(6)良好的工艺性能。
关于在专门条件下工作的轴承，还有专门要求，如耐高温性能、耐低温性能、防腐蚀性能和抗磁性能等等。
3 微量元素对轴承钢质量的阻碍
3.1氧
图1  氧含量与寿命的关系
    瑞典SKF公司和日本山阳专门钢公司对轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系，做过大量的试验研究工作，得出了明确的结论，见图1～2。Lund.T.等认为疲劳寿命与氧含量的关系为L10(相对寿命)=372〔O〕－1.6，即二次精炼钢〔氧含量为10×10－6〕的疲劳寿命是大气下熔炼钢〔氧含量为40×10－6〕的10倍。上杉年一认为：精炼钢氧含量降到5×10－6，其疲劳寿命是
非精炼钢的30倍，与真空自耗和电渣重熔钢相当。大冶专门钢股份近年来对此也做过一系列试验[15]滚动轴承的特点，结果说明，当精炼钢中氧含量降到20×10－6时，疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢〔氧含量为30×10－6〕的1.5倍，15×10－6是2.0倍，8×10－6是3.0倍，接近电渣重熔钢的水平〔见图2〕。
图2  氧含量与疲劳寿命
轴承钢中的氧含量与疲劳寿命之间的关系，国内外的试验结果大体一致。然而应当指出的是，氧含量与疲劳寿命的关系是辩证的关系，不是绝对的，因为钢中氧含量的高低，实际上只能代表钢中氧化物夹杂数量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用说夹杂物的尺寸及分布了。通常，一个轴承件的破坏，往往是由许多夹杂物中的一个大型夹杂物引
起。这些夹杂物有硫化物〔A类〕、氧化物〔B、C、D类〕和氮化物。从那个意义上说，夹杂物的尺寸与分布对疲劳寿命阻碍最大。因此，不同的冶炼方法，氧含量即使相同，其疲劳寿命也完全不一样。图3表示各种不同炼钢方法生产的轴承钢弯曲疲劳极限与氧含量的关系，能够看出氧含量大约为20×10－6的钢材〔LD＋RH〕疲劳极限相当好，而采纳硅钙处理的钢材(EF＋RH)尽管氧含量专门低，5~10×10－6，由于其形成了危害严峻的CaO类夹杂，疲劳极限并不高，冶钢公司的试验也证明了这一点，尽管电渣重熔钢的氧含量(18.6×10－6)和夹杂物含量较高，但它的夹杂尺寸细小，分布平均，它的疲劳寿命比低氧含量(8.2×10－6)炉外精炼钢高。
据此，只能将氧含量看作是特定工艺范畴内疲劳极限的一个相关参数。只有在同一冶炼方法和大量试验条件下，才有可能确定氧含量和疲劳性能之间的关系。
3.2硫
图3 不同炼钢工艺的GCr15钢中总氧含
    量与弯曲疲劳极限的关系
  图4 硫化物阻止蝶形开裂萌发一例(只有
        单翼的蝶裂)
  峰公雄认为：，硫对性能没有阻碍。关于硫对疲劳寿命的阻碍，目前还存在着意见分歧，归纳起来有以下三种观点[16~20]：一种认为适当提高钢中硫化物含量有利于寿命的提高；另一种观点认为硫化物含量增加会降低寿命；还有一种观点那么认为硫化物含量与疲劳寿命关系不大。认为硫化物有益的观点，常用〝共生理论〞来说明之。这种理论认为钢液在凝固过程中，低熔点的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包围氧化物的共生夹杂，它能够放松拉应力，并能够进行和谐变形，从而减少氧化物的有害作用，然而这种理论是建立在钢中氧化物夹杂较多的前提下。从本世纪70年代初期以来，许多研究结果都指出适当提高钢中MnS类硫化物的含量对滚珠轴承的接触疲劳寿命至少是无害的，甚至是有益的。Tricot认为蝶形裂纹源总是以氧化物夹杂为核心，他报道过一个只有单翼的蝶形裂纹源，另一翼之因此没有形成，是因为该处有硫化物包覆于氧化物上(见图4)。Eneke也持相似的观点。他认为：当氧化物夹杂全部为硫化物包覆时，滚珠轴承的接触疲劳寿命最长。瑞典SKF公司曾经是世界上最高质量滚珠轴承钢的生产者。当时他们的产品要紧是在酸性平炉中用硅还原法冶炼的。其氧含量约为25~50×10－6，硫含量在0.018%以上。和碱性电弧炉钢比较，其特点之一是90%的夹杂为硫化物和氧硫化物。按上述研究，这被认为确实是其寿命高的缘故。但必须看到，这些观点只在有限的条件下才值得重视。一方
面，是因为硫化物包覆氧化物并非仅靠操纵氧硫比就一定能实现。凝固速率也会阻碍硫化物在氧化物上析出的过程。在热加工和热处理温度下，已形成的硫化物〝膜〞有可能部分再次溶于钢的基体。由于硫化物和氧化物变形抗力的差异，热加工时〝膜〞还可能被挤掉，这些因素对高硫轴承钢寿命测定值分散度大看来是有阻碍的。另一方面，所谓用硫化物包覆氧化物可提高滚珠轴承的寿命只是相对的。即硫化物的危害性相关于氧化物的较小一些。然而不可否认它也是杂质，同样也会破坏钢基体组织的连续性与平均性。随着酸性平炉的逐步剔除及炉外精炼技术的广泛应用，现在滚珠轴承钢的含氧量水平已可降到5×10－6，氧化物夹杂大大减少。Cogne等指出[18]：在这种条件下硫化物的破坏作用自然也就会显现出来(见图5)。Tardy等发觉实际上有两个阻碍因素：[%O]和[%O]/[%S]。[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接触疲劳寿命高。
  图5 夹杂物类型对轴承钢的有害程度
    但值得注意：硫与氧相似，它也只能代表钢中硫化物夹杂的数量，不能代表其尺寸和分布。这是由于钢中硫化物含量较低，绝不意味着大颗粒夹杂物完全消逝，因为钢在凝固过程中，夹杂物存在着集合、长大的条件。专门是硫化物夹杂，由于它容易产生偏析，其尺寸的大小与钢锭的重量、钢液的浇铸温度更为紧密。例如日本山阳专门钢公司已将钢中的硫含量降到了专门低的程度(0.002％)，但它的硫化物级别并不专门低，平均为1.34级。现在有些专门用钢，为了有利于切削加工，要求钢中含有一定数量的硫(0.02~0.06％)，同时要求其硫化物细小分散，级别要低。因为要改善钢中硫化物的尺寸和分布，使其变得细小分散，必须注意凝固条件，应尽量将浇铸温度降低，以减少硫化物偏析。
3.3钙
钙在轴承钢中要紧是以铝酸钙、硅铝酸钙、硫化钙等形式存在。这种夹杂物与其它夹杂物不同，热加工时既不变形，也可不能破裂。在球状夹杂两侧经常能够看到〝孔穴〞，此处较易造成应力裂纹。在氧含量专门低的轴承钢中，钙可部分替代硫化锰中的锰。富钙硫化物的韧性专门差，同氧化物相似，起产生裂纹的作用。
含CaO的点状夹杂物经常是轴承钢产生裂纹的源泉，佩特尔森(Peterson)根椐点状夹杂确实是裂纹的假设。提出了以下疲劳极限与夹杂尺寸的关系式：
                                                (1)
式中：SN：疲劳极限，MN/m2；
      Rm：材料的抗拉强度，MN/m2；
      a： 点状夹杂的周长，um；
      R：点状夹杂的半径，um。
利用上式所作的推测值和实测结果差不多吻合，由此证明点状夹杂的确是轴承疲劳寿命降低的直截了当缘故，夹杂尺寸愈大，疲劳寿命愈短。
对有些钢种而言，为了提高钢材的机械加工性能，并改善非金属夹杂物的形状与分布，在冶炼过程中有意向钢中加钙。但对轴承钢而言，残留钙不是有意添加的，而是来源于与钢水接
触的熔渣和炉衬。轴承钢假如采纳Ca或Ca－Si脱氧，钢中必将产生危害性极大的D类球状夹杂物，使其疲劳寿命大幅度降低。因此，在专门多国家的轴承钢标准中都规定(如瑞典SKF、美国ASTM标准等)，不能用Ca或Ca－Si脱氧。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。