基于非铝脱氧工艺的高品质轴承钢关键冶金技术研究

基于非铝脱氧工艺的高品质轴承钢关键冶金技术研究

赵孝志

身份证号：371425198803175139  山东齐河 251100

摘要：近年来，随着我国装备制造业的迅猛发展，各类轴承使用量日益攀升，使用场景不断扩展。轴承长期处于复杂交变应力状态，要求其具有高硬度、高耐磨性、高弹性极限和高接触疲劳强度等服役性能。因此，在轴承钢生产中，需要严格控制工艺过程，提高钢材纯净度，保证轴承的高精度、长寿命和高可靠性。20世纪末，自耗重熔、真空冶炼等生产装备和控制手段的使用，促进了轴承钢质量的提升，钢中全氧质量分数从30×10-6降低至5×10-6以下，轴承钢疲劳寿命提高了30倍。冶金工作者一般认为钢中全氧含量与夹杂物数量有着很好的对应关系，全氧含量越低，夹杂物越少。

关键词：轴承钢；硅锰脱氧；真空深脱氧；夹杂物；超声疲劳

引言

国内外轴承钢生产主要采用铝脱氧工艺，控制钢中全氧含量，并造高碱度渣，吸附去除夹杂物。铝脱氧轴承钢中不可避免地存在尖晶石、钙铝酸盐和氮化钛等夹杂物，其中，尖晶石和钙铝酸盐是对轴承钢疲劳寿命影响最大的两类夹杂物，也是导致轴承钢疲劳失效的主要原因之一。在该工艺下，为了进一步提高轴承钢质量，普遍认同的观点是继续降低钢中全氧含量，以减少夹杂物数量。然而这种脱氧方式并不能完全消除尖晶石和钙铝酸盐类夹杂，实际生产中，进一步降低超高纯净级轴承钢的全氧含量，其疲劳寿命提升不再显著，且即使钢中全氧含量极低也存在偶发性大颗粒夹杂物导致轴承疲劳失效的问题。同时，采用铝脱氧工艺，钢液中残留的氧化铝将恶化钢液的流动性，使得钢液连浇炉数大大减少，增加生产成本，钢液中高的[Al]易还原渣中(TiO2)，从而引发Ti(C,N)夹杂物数量波动，进一步影响轴承钢的疲劳寿命。

1、深度终脱氧控制

RH精炼过程中钢液中氧的变化主要发生在3个区域中。在RH真空室中发生碳氧反应，溶解氧以CO的形式被去除。在真空室中不但钢液碳氧反应可直接形成CO气泡，而且上升管吹氩产生的Ar气泡为该反应提供界面，促进CO生成，另外暴露在超低真空中的熔池表面能够使CO逸出钢液。由于真空室内真空度低于67Pa，与之平衡的[O]为10-8，且反应产物能够迅速被移除，因此碳氧反应一直正向进行。但钢包内始终存在不活跃区，钢液流速小，这些区域称为死区。死区钢液氧含量高于由真空室混匀的钢液氧含量，两者间存在浓度差，产生了传质效应。在顶渣中含有(FeO)，也会对脱氧效果产生显著影响，当[O]含量发生变化，钢液中的[Fe]和[O]会与顶渣中的(FeO)建立新的平衡。RH精炼脱氧主要包括钢液中溶解自由氧和夹杂物中结合氧的去除，该过程的动力学条件良好，碳氧反应速度主要取决于钢液中碳和氧的传质。Ling与Zhang指出[C]/[O]是影响传质速率的决定性因素。LF精炼后钢液中[C]质量分数约为1%，而[O]质量分数约为20×10-6~30×10-6，此时[C]/[O]远大于0.52，钢液中氧的传质速率是碳氧反应的限制性环节。在反应初始阶段，钢液中的溶解氧是反应中氧的主要来源，而强烈的搅拌作用大大加速了氧的传质速度。

2、滚动轴承特点与轴承钢类别介绍

轴承是国民经济的战略资产，也是制造设备的基本部件。它们可以分为两类:滚动轴承和滑动轴承。它们广泛用于各种类型的设备，如航空、运输和工业机械。它们用于确定旋转轴相对于其他零件的相对运动位置，以及用作支承或导向的基础零件。滚动轴承由四个部分组成:内侧、夹克衫、滚动体(滚动、滚动或针)和承载体，统称为滚动轴承的四个主要零件。轴承的工作条件非常复杂，不仅要承受各种高变形应力，还要承受各种瞬时冲击强度的作用，使轴承容易产生疲劳裂纹和磨损，严重的情况下，轴承环会断裂和损坏。轴承销毁有两种主要形式:最常见的接触疲劳销毁和二次磨损销毁。由于工作环境必须承受较高的接触应力(通常最大为1500-5000MPA)、多循环接触疲劳应力和滑动磨损，因此轴承必须具有较高的塑性变形、抗摩擦磨损、较高的旋转精度和尺寸精度、较高的尺寸稳定性、较长的寿命和较大的寿命对于在特殊条件下工作的轴承，还具有诸如冲击强度、较高的dn值(轴承直径乘以旋转速度)、高温和低温强度、耐蚀性和耐磁性等性能。轴承钢是轴承的主要制造材料，必须具有高纯度、严格控制的混合类型、尺寸、数量和分布、高金属质量和硬度、适当的硬度、高抗磨损性和接触疲劳强度，并满足以下寿命要求因此，轴承钢材质量最高，性能要求高，种类繁多，品种繁多，被称为特殊钢之王。根据轴承钢材的化学组成和使用要求，轴承钢材可分为高碳钢、渗碳轴承钢材、中碳钢、高温轴承钢材和非磁性轴承钢材等5种主要类型。其中，办公用碳素钢(文明钢是一种代表性的不锈钢:GCr15、GCr15 simn、GCr15 SIMO、gcrl 8m0等)。这种钢材是轴心钢的主体，占我国轴心钢总量的90 %以上，也是欧洲轧辊用轴心钢的主要材料；浸润型碳素钢(表面经碳渗透性处理后硬度高，耐磨性高，心脏仍有良好的抗冲击能力，主要品种有20 crmo、g 20 crni 2mo、g 20 crni 2ni 4、g 10 crni 3mo、g 20 cr，浸渍碳钢是美国轴承的主要材料；中碳钢(主要用于专门设计用于满足零件多种功能(如轮毂和齿轮)的轴承零件或大型轴承；用于制造重型设备(如挖掘机、起重机械、大型机床等)的大型轴承。5001 ^，420 \ 100e，651 \ 1112.70！\ 1112等。不锈钢(440c系列和7 CRL 4mb系列，主要用于化工、石油、造船、食品工业等行业。)[M6]；高温硬化轴承钢(58 HRC以上)、尺寸稳定性、高温氧化强度、低热膨胀性和高流动强度。

3、不同脱氧方式下轴承钢疲劳断裂机理

通过对比相同加载应力下不同全氧含量铝脱氧和非铝脱氧轴承钢的疲劳周次，非铝脱氧轴承钢的疲劳性能略好于铝脱氧轴承钢，在较高氧含量时可与极低氧铝脱氧轴承钢的疲劳寿命持平。统计发现，在铝脱氧轴承钢中，所有的疲劳裂纹都是由钙铝酸盐夹杂物引发的，而在非铝脱氧轴承钢中，由夹杂物引起的疲劳裂纹只占39%，为氮化物、硅酸盐和尖晶石等，其余61%是非夹杂物造成的。由于铝脱氧和非铝脱氧轴承钢采用相同的轧制及热处理工艺，两种钢的基体基本相同，但疲劳裂纹萌生部位的夹杂物类型完全不同，因此这两种工艺生产的轴承钢疲劳失效机理具有明显的差异性。铝脱氧轴承钢中由钙铝酸盐引起疲劳裂纹时，夹杂物完整地存在于其中一半断口中，与钢基体之间出现明显的空洞。

结束语

与铝脱氧工艺相比，非铝脱氧轴承钢中夹杂物主要为塑性夹杂物，最多的氧化物夹杂为硅酸盐，其次为尖晶石，仅含有少量钙铝酸盐，显著降低了Ds类夹杂物的含量。这些夹杂物多为低熔点夹杂，能够改善钢液流动性，解决小方坯连浇问题。通过借助超高周疲劳试验机对2种脱氧方式的轴承钢疲劳寿命进行测定，结果发现非铝脱氧轴承钢中氧含量较高时，仍具有与极低氧含量的铝脱氧轴承钢相似疲劳寿命，甚至略优于后者。

参考文献：

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