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滚动轴承材料及热处理之“轴承用钢冶金质量的演变”

发布时间:2020年5月27日上午9:32
对轴承疲劳寿命危害最大的氧化物类夹杂物随钢中氧含量的降低而减少，为了提高轴承疲劳寿命，近几十年来，采用各种手段降低氧含量，如真空冶炼、钢包真空脱气、真空自耗重熔等。随着冶炼装备及生产控制水平的进步，国内外著名特殊钢厂所生产轴承钢中的氧含量大幅度降低，逐步趋于稳定的低水平状态。目前，轴承钢中氧含量可降至5×10-6以下，氧含量随年份的变化如图1和图2所示，轴承疲劳寿命较20世纪60年代（电炉冶炼，氧含量约30×10-6）提高了20~30倍（图3）。

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图1 钢的冶炼技术及钢中氧含量的变迁

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图2 世界著名特殊钢厂轴承钢中氧含量的变化

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图3 氧含量与疲劳寿命的关系

在钢中氧含量降低至一定程度后，继续降低氧含量将大大增加钢材生产成本，而且对轴承疲劳寿命的提高效果不再显著。在氧含量较低的水平下，夹杂物的总量较低，但偶尔有个别大尺寸的氧化物碰巧出现在滚道面或次表面最大应力区，会导致轴承疲劳寿命非常短，从而使整批轴承的可靠性大大降低。需要改善夹杂物的分布及尺寸均匀性才能提高轴承的寿命及可靠性。因此，在降低氧含量的同时要严格控制夹杂物的均匀性。

另外，需要严格控制TiN，Ti（C，N）及钙铝尖晶石。Ti在高碳铬轴承钢中被视为有害元素，它与溶解于钢中的氮的亲和力极强，多以氮化钛、碳氮化钛夹杂物形式存在。氮化钛夹杂是具有棱角的硬而脆的夹杂物，在热加工过程中不发生形变，其棱角容易在钢的基体造成应力集中，产生微裂纹成为疲劳裂纹源。

在改进冶炼技术的同时，需建立合适的评价方法。过去的非金属夹杂物评估法中，最常用计点法和最差视场评估法，但随着炼钢技术的显著进步，这些评价方法已无法区别钢材之间的差异。20世纪80年代后半期，人们在反复研究夹杂物数量、大小以及分布状况的基础上，提出了极值统计法、电子束溶解法、超声波和电解溶液检测等方法，对于准确评定夹杂物、推动冶炼技术的进步起到了巨大推进作用。但是这些方法仍无法根据所评价的夹杂物推测出接触疲劳寿命。NTN公司利用图像解析技术开发了可区分夹杂物尺寸和种类的全自动测定装置，可对夹杂物进行定量化。研究人员利用20 kHz超声速疲劳试验机进行试验（10 min的短时疲劳试验），通过观察鱼鳞状破损面测定评估的夹杂物。这种方法比在显微镜下观察到的检测体积要大，意味着其可检测更多的大尺寸夹杂物。

根据新的评价方法，世界各国不断改进冶炼工艺，开发新的冶炼方法。钢铁研究总院的宗男夫对近年来世界各大特钢企业冶炼技术进行了较详细的论述。

日本山阳特殊钢公司开发了SNRP（Sanyo New Refining Process）超纯净轴承钢生产工艺，该工艺生产出的轴承钢被称为超纯净轴承钢（EP钢）。钢中的氧含量控制在5×10-6以下，氧化物夹杂物尺寸在11 μm以下。

大同特钢研发出MRAC-SSS工艺生产高端轴承钢，钢中氧含量不大于5×10-6；钛含量不大于5×10-6；氮含量不大于30×10-6，并且氧化物夹杂、钛系夹杂物极其细小。采用MRAC-SSS工艺生产的超纯净轴承钢的接触疲劳寿命得到延长，比传统精炼工艺生产的长25%以上。

OVAKO钢铁厂开发出与SAEA-SKF钢包精炼相匹配的双联工艺，组成SKF-MR（熔炼+精炼）先进炼钢工艺。在钢包炉内加热，同时进行铝沉淀脱氧，配上强烈的电磁搅拌，获得足够的时间使脱氧产物从钢液中分离，从而降低了钢中氧含量和夹杂物含量。

日本神户和JFE进行铁水预处理“提纯”。神户制钢开发出的超纯净钢中的氧含量为4×10-6，钛含量为7×10-6。超纯净轴承钢中基本消除大颗粒夹杂物，夹杂物尺寸细小且弥散分布在轴承钢基体中。

美国采用一种将高效精炼与复杂浇注系统相结合的特殊空气熔炼法，生产出被称为Parapromium的全新钢种。该钢的磁性颗粒限度符合AMS2300标准（1986以前，该标准只适用于真空重熔钢），其氧含量与真空重熔钢相近。采用超声波检查法检查发现，其夹杂物总长度小于沉淀脱氧+保护性射流浇注生产的E.F.Q.B2型轴承钢。该钢有可能代替真空重熔钢或E.F.Q.B2钢,使用于对钢的质量要求较高的场合。

但就材料技术的发展而言, 氧含量达到某种程度以下后，人们对通过降低钢中氧含量来获得更长寿命的期望值并不高，而是更期待通过研究夹杂物和母体材之间的结合力，改善夹杂物的组成结构，使其无害化从而达到更长的预期寿命。日本学者佐田隆提出通过对棒材进行热等静压加工，弥合非金属夹杂物与基体的脱开，以提高二者的结合力，从而提高由夹杂物处起源的疲劳剥落寿命。与未进行热等静压的材料相比，L10寿命提高了5倍，由此可知，即使使用纯净度不太高的钢材，也有可能得到与高纯净度钢材相当的寿命。

在控制钢中有害夹杂物及有害元素的同时，改善碳化物及成分均匀性也至关重要。轴承钢中碳浓度分布不均匀，碳化物尺寸大且分布不均匀（出现大颗粒、带状碳化物等），破坏了基体的连续性和变形协调能力，降低了碳化物的有益作用，影响加工质量及疲劳寿命。采用大断面垂直连铸及凝固末端电磁搅拌、轻压下、两段重压下等装备和工艺，降低碳化物液析，有效改善铸坯偏析缺陷及铸坯中心缩孔，提高铸坯均质性和致密度，焊合内部缩孔，获得合适的预组织，可以缩短轴承钢球化退火时间，细化碳化物，提高疲劳寿命。

国内以兴澄钢铁为代表的特钢企业，在积极引进国外先进设备和冶炼技术的同时不断创新，使国产轴承钢质量不断提高，在某些指标方面接近或达到世界先进水平。浙江天马与沈阳金属所合作，进行了稀土轴承钢冶炼轧制工业性试验和用稀土轴承钢，已生产出稀土轴承钢并用于制造轴承。根据试验检测，在轴承钢中添加稀土Ce或La，可减少夹杂物60%，细化夹杂物，软化夹杂物，减小点状不变形夹杂物DS，同时使夹杂物分布均匀，减少各向异性。

为更好地控制和提高高碳铬轴承钢的质量，我国于2016年修订了GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》，并于2017年7月1日正式实施。其规定的各项指标和总体水平达到国际先进水平。新标准按冶金质量将高碳铬轴承钢分为优质钢、高级优质钢和特级优质钢3个质量等级，以便于轴承企业根据轴承的使用寿命和可靠性要求合理选材；且增加了Al，Ti，Ca，Sn，As，Sb，Pb的控制指标；对轴承寿命影响最大的单颗粒球状DS类（点状不变形夹杂物）和氮化钛的评定规定了明确的控制指标。特别是DS规定按最大值控制，而不是按平均值控制；对非金属夹杂物的级别、碳化物带状、碳化物液析加严了控制。增加了软化退火、热轧或锻制钢材的碳化物网状控制。