軸承用鋼技術發展

軸承鋼主要用于制造滾動軸承的滾動體和套圈。由于軸承應具備長壽命、高精度、低發熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求軸承鋼應具備：高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強度、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。為了達到上述性能要求，對軸承鋼的化學成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴格。軸承鋼總體上向高質量、高性能和多品種方向發展。軸承用鋼按特性及應用環境劃分為：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。 為適應高溫、高速、高負荷、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，發展了真空冶煉、電渣重熔、電子束重熔等軸承鋼的冶煉技術。而大批量軸承鋼的冶煉由電弧爐熔煉，發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＋連軋工藝生產軸承鋼，以達到高質量、高效率、低能耗之目的。在熱處理工藝方面，由車底式爐、罩式爐發展成連續可控氣氛退火爐熱處理。目前，連續熱處理爐型最長為150m，加工生產軸承鋼的球化組織穩定和均勻，脫碳層小，消耗能量低。 20世紀70年代以來，隨著經濟發展和工業技術進步，軸承的應用范圍擴大；而國際貿易的發展，又推動了軸承鋼標準國際化和新技術、新工藝及新裝備的開發和應用，效率高、質量高、成本低的配套技術和工藝裝備應運而生。日本和德國等均建成了高潔凈度、高質量的軸承鋼生產線，使鋼的產量迅速增加，鋼的質量和疲勞壽命大度提高。日本和瑞典生產的軸承鋼的含量降到10ppm以下。80年代末期，日本山陽特鋼公司的先進水平為5.4ppm，達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(減少鋼中的雜質元素和夾雜物含量)，促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細小均勻分布，可以提高軸承鋼的接觸疲勞壽命。軸承鋼使用狀態下的組織應是回火馬氏體基體上均勻分布著細小的碳化物顆粒，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中的重要問題，控軋控冷是先進軸承鋼的重要生產工藝。通過控軋或軋后快冷消除了網狀碳化物，獲得合適的預備組織，可以縮短軸承鋼球化退火時間，細化碳化物，提高疲勞壽命。據軸承交易網專家調查，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。共析鋼或高碳鋼熱加工前若具有細晶粒組織或在加工過程能形成細晶粒，則在(0.4～0.6)熔化溫度范圍內，在一定應變速率下，呈現出超塑性。美國海軍研究院(NSP)對52100鋼進行了650℃溫加工試驗表明，在650℃下真應變2.5不發生斷裂。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合起來，這對簡化設備和工序、節約能源、提高質量有重要意義。 在熱處理方面，在提高球化退火質量，獲得細小、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展，即盤條生產采用兩次組織退火，將拉拔后的720℃～730℃再結晶退火改為760℃的組織退火。這樣可以得到硬度低、球化好、無網狀碳化物組織，關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%。連續式球化退火熱處理技術是軸承鋼熱處理的發展方向。 各國都在研究和開發新型軸承鋼，擴大應用和代替傳統的軸承鋼。如快速滲碳軸承鋼，通過改變化學成分來提高滲碳速度，其中碳含量由傳統的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，我國開發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GCr15SiMn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，我國還開發了能節約能源、節約資源和抗沖擊的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，勞壽命可以延長1個數量級。為了延長軸承的壽命，人們多年來一直致力于開發應用精煉技術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。軸承使用環境的變化要求軸承鋼必須具備性能的多樣化。如設備轉速的提高，需要準高溫用(200℃以下)軸承鋼(通常采用在SUJ2鋼的基礎上提高Si含量、添加V和Nb的方法來達到抗軟化和穩定尺寸的目的)；腐蝕應用場合，需要開發不銹軸承鋼；為了簡化工藝，應該開發高頻淬火軸承鋼和短時滲碳軸承鋼；為了滿足航空航天的需要，應開發高溫軸承鋼。