外国轴承用钢分析

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

日本在20世纪60年代引进真空脱气设备[3，5]；70年代对引进的LF及CC等技术加以改进；80年代一直致力于开发所谓的长寿命、超长寿命轴承钢，如NSK开发的Z钢就是其最新的成果之一[6]。该钢是在大量的试验基础上通过改进炼钢设备及冶炼条件而开发出的成本不高的优质钢种。其钛含量＜0.004%，氧含量＜9×10-6，硫含量＜0.0008%（为降低轴承噪声）。与一般的真空脱气钢（MGH）相比，其轴承寿命（L10）提高了一倍。在此基础上，对电炉底吹法、LF排渣结构、脱氧方法、LF和RH中的温控和搅拌进行改进，确立了一套山阳新炼钢方法SNRP（SANYO New Refining Process）[7]，使钢的氧含量控制在5×10-6左右，且使用一套全新的夹杂物评定方法（NSK?ISD2法），控制夹杂物的尺寸、形态和分布，使夹杂物分散均匀的同时，消除大型夹杂物，开发了超长寿命高可靠性轴承用钢--EP钢（Extremely Purified Steel）。其L10为Z钢的5倍，为一般真空脱气钢10倍，达到80倍计算寿命（以大气冶炼的轴承钢制轴承的计算寿命L10为1），疲劳极限比Z钢提高700~900MPa，达到1030MPa。特别适用于脂润滑及洁净油润滑条件下工作、要求高可靠性和超长寿命的轴承，如汽车轮毂部位和相关电器、铁路车辆及高速电机轴承等。瑞典1964年开发了ASEA-SKF钢包精炼技术，将双壳电炉与此精炼技术配合使用，称为SKF-MR法，经不断改进提高，一直沿用至今。该工艺除采用SKF-ASEA钢包精炼装置外，还采用一个双联电弧冶炼炉。双联炉具有各带氧燃料燃烧器的两个炉罐和两个炉盖，一个有石墨电极，另一个没有电极。一个炉冶炼，另一个炉子进行装料和预热。在冶炼炉中，碳和硫含量调整到最终最大极限值以下。然后，将该钢包钢水送人具有独立电极炉盖的ASEA钢包精炼炉。这种设备可以提供许多冶金工艺，包括真空脱气、脱硫、脱氧和调整钢水的化学成分。另外，在温度严格控制的条件下，感应搅拌还可以采用铝进行沉淀脱氧，从而使钢的氧含量和非金属夹杂物含量非常低。美国1967年开发了Finkl-AD钢包精炼法也不断攻进提高，沿用至今。其轴承钢质量水平也很好，而且稳定可靠，达到国际公认的ASTM A 295标准的水平。这种方法是钢的冶炼在钢包炉中进行，这种炉子克服了最初电弧熔化炉的通常限制。它装备有独立的控制钢水温度的电极，并装备有使钢水循环的电磁搅拌器。因此，没必要像前面描述的各种标准钢包脱气工艺那样需要使电弧炉中钢水过热，以补偿其后的温度下降。喷枪可以使粉末状合金进入钢包内部。使用氢气作为这些粉末合金的气体载体，生成的气泡有助于合金粉末均匀地分布于钢包。喷枪和添加金属丝结合起来可以控制夹杂物形状、降低硫含量和改善流动性、化学均匀性以及整体的微观清洁度。钢包炉技术能使电弧炉中的废钢料迅速熔化，改善其后钢包炉作业的精炼能力。该装置在提高炼钢经济效益的同时，也改善了钢材的质量。 美国在1986年以后，采用一种高效精炼和相当复杂的浇注系统相结合的特殊空气熔炼法，生产出被称为Parapromium的一种全新钢种[8]。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夹杂物含量发现，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。 德国FAG公司近几年开发一种新的轴承钢精炼方法生产所谓的 “无铝钢”[9]，即变通常用A1脱氧改为用Si脱氧，虽然比用Al脱氧效果略差[钢中氧含量高(2~3)×10-6]，但用Si脱氧能减少钢中脆性的铝酸钙、氧化铝等夹杂物含量，且夹杂物变得细小分散，其有害作用大大降低。据介绍，FAG公司现用的连铸轴承钢均改用此方法脱氧，由于夹杂物形态变得细小分散，用传统的标准图片来检验夹杂物已不适应，从而研制一种大功率的超声波夹杂物测定仪器，可以对钢材进行100%连续检验，同时用此仪器还可检查钢材裂纹。 第二部分 轴承用钢的品种开发1 轴承钢GCr15的改进型钢种1.1 高淬透性钢 以GCr15的化学成分为基础，添加一定量的提高淬透性的合金元素，形成不同系列的高淬透性钢以适合不同尺寸或壁厚的轴承零件的需要。典型高淬透性钢是加0.1%~0.6%Mo，而Cr含量略有提高，或略有降低，或保持不变，由此形成的加Mo系列高淬透性钢。如瑞典的SKF24、SKF25、SKF26、SKF27；美国的52100.3、52100.4；德国的100CrMo7、100CrMo8、775；日本的SUJ3、SUJ4、SUJ5；俄罗斯的ШХ15СМ等。这些钢种不仅适用于马氏体淬火，也适用于大壁厚的轴承零件的贝氏体淬火。另外，德国为扩大贝氏体的应用，在100Cr6的基础上加入1%左右的Mn从而发展了W4?W7一系列高碳铬轴承钢。1.2 KUJ2 KOYO[10]在SUJ2的基础上降低妨碍冷加工性能的C含量及铁素体强化元素Si、Mn含量，调整了Cr、Mo含量以补偿其淬透性、提高淬回火后的韧性。该钢的淬透性与SUJ2相当，寿命、机械性能优于SUJ2突出优点是优越的冷加工性能，在轴承加工中可节省资源和能源；且可利用其冷加工性能提高轴承的性能。KOYO拟用KUJ2代替SUJ2作为标准材料使用。 1.3 GT轴承钢 GT[11]轴承钢同样是在SUJ2化学成分的基础上，添加适量的Si和Ni，提高基体强度、韧性，同时提高抗回火稳定性。GT钢的旋转疲劳强度、抗压强度分别比SUJ2提高20%、30%，相当于HRC60的回火温度提高50℃；滚子试验的L10为SUJ2的20倍，6206轴承洁净润滑的L10比SUJ2轴承提高了约6倍。推荐GT钢用于1)在重载、润滑条件下使用的轴承；2) 小型轻量化条件下使用的轴承。1.4 NSJ2[12] NSK在SUJ2钢的基础上开发的新钢种，其技术思路是认为在润滑剂受污染的情况下，轴承的疲劳萌生于外来磨屑引起的轴承滚道擦伤或压痕处，增加残余奥氏体含量可提高起源于表面疲劳的轴承寿命，通过调整钢的合金成分，来提高淬回火后的残余奥氏体含量并将其保持在相对稳定的状态。该钢的成分为：C 0.8%~0.85%，Cr 0.9%~1.1% ，Mn 0.6%~0.8%，Si 0.5%。NSJ2在清洁润滑条件下的疲劳寿命与SUJ2相当，在污染润滑条件下寿命、尺寸稳定性优于SUJ2, 抗磨损及抗咬合性与SUJ2相近。2 常温渗碳（或碳氮共渗）钢2.1 大型轴承用渗碳钢CH213 KOYO[13]在SNCM815渗碳钢的基础上调整Si、Ni含量，在强化基体的同时，可提高抗回火稳定性，以确保同样的韧性；C、Mo含量确保优良的淬透性。其具体成分与其他钢种的比较如表1。CH213钢的滚动接触疲劳寿命高于SNCM815及SAE9315钢4倍左右，可作为可靠性好的材料付诸使用，如用于转速高、连续运转时间长、承受冲击载荷及使用环境的变化而导致温升的大型轧机轴承。表1 几种渗碳钢的成分（%）钢种 C Si Mn Ni Cr Mo CH13 0.20 0.50 0.60 3.00 0.80 0.30 SNCM815 0.15 0.25 0.45 4.25 0.85 0.25 SAE9315 0.15 0.25 0.55 3.25 1.20 0.25 HTF 0.42 0.39 1.24 -- 1.23 -- STF 0.42 0.39 1.24 -- 1.23 1.00 高浓度渗碳钢 0.18 0.50 0.30 -- 2.24 2.408 2.2高浓度渗碳钢 日本开发的新钢种 [14]，成分见表1。采用高浓度渗碳及碳化物细化工艺，在渗层中析出大量的细小碳化物以获得比污染物高的硬度，其在污染的润滑油中的轴承滚动接触疲劳寿命为普通淬回火GCr15钢的2.5倍。