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轴承用钢的冶炼技术

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

轴承用钢的冶炼技术轴承用钢的冶炼技术摘要：含量降低直接影响夹杂影响轴承接触疲劳寿命资料显示含量关系相对寿命1.6含量各种先进冶炼技术采用带来显著效果之一含量降低世纪60年降到今天采用真空脱气真空脱气炉外精炼技术1964年开始应用钢包脱气钢包真空室内通人惰性气体 液体动静压轴承常用轴壳配轴承轴承的密封类型精密轴承工序间防锈新工艺轴承寿命强化试验偏心轴的一种加工详解并联机床的设计理论与关键技术无油轴承带动模具行业革命我国轴承寿命强化试验方兴未艾(一)我国轴承寿命强化试验方兴未艾（二） 钢中氧含量的降低直接影响钢中夹杂物的多少，进而影响轴承钢的接触疲劳寿命。有资料显示，钢中氧含量L10有如下关系： L10（相对寿命）=372[O]-1.6 式中 [O] 为钢中氧含量，10-6。 各种先进的冶炼技术的采用所带来的最显著的效果之一是钢中氧含量的降低，由20世纪60年代初的30×10-6下降到今天的（3~5）×10-6，L10为未采用真空脱气前的30倍以上。 1真空脱气及炉外精炼技术 1964年开始应用钢包脱气法，即把钢包放在真空室内，通人惰性气体进行搅拌，使其压力下降到66.5Pa（0.5托）实现脱气，使钢中氧含量从(25~35)×10-6下降到(15~20)×10-6。这种方法不足之处是使碱性大的炉渣也同样搅拌，钢的纯净度难以最大限度地提高。为解决此问题，1968年开始引进提升脱气法(RH法)在13.3Pa（0.1托）的高真空下，钢中的氢、氧被脱去，降低夹杂物，而炉渣不被卷人。60t高功率电炉的使用加上RH脱气，使钢中氧含量从(15~20)×10-6下降到(8.3~15)×10-6。1974年以后，为了配合超高功率电炉的合理使用，引进了钢包精炼技术（LF法），即钢包带有加热、搅拌和真空脱气装置，在钢包内完成还原期，形成还原性炉渣，并脱氧、脱硫、脱氢，还能控制钢液温度、钢液的成分精度和浇注时间。此阶段UHP炉应用+LF+RH法联合使用，使钢中氧含量降到(5~10)×10-6，这对于与连续浇注相匹配是必不可少的。此外，为进一步改善真空脱气的效果，还开发和采用了雾化真空脱气法、循环真空脱气法(通称DH法)生产真空脱气轴承钢。 2 真空冶炼 在轴承钢冶炼时，施以真空，不但可避免钢水的氧化还可对钢水进行脱氧，获得比真空脱气更高的纯净度。具体方法有以下几种[2]： 2.1真空感应治炼法(VIM法) 在真空感应冶炼时,挑选基本不含杂质、化学成分与冶炼合金钢等级相当的废钢送入小型电感应炉中，这种炉子置于大型真空室内，真空室内包括一个密封料斗以添加所需合金。早在快速熔化和精炼期间就开始钢水的脱气，冶炼完成后，让炉子倾斜并将钢水注入钢铸模。在真空密封室内，钢铸模自动进人和退出浇注位置。这种真空感应冶炼炉工艺是用来制造优质航空轴承钢的最早真空冶炼方法之一。今天，它的主要作用之一是提供用于生产超高纯度真空电弧重熔钢的电极。 2.2真空电弧重熔法(VAR法) 这种工艺是将具有理想化学成分的一个电极置入一个周围用水冷却、内部为真空的铜模中。电弧产生于电极底面和同样合金成分的基板之间。在极高真空度下当电极损耗时，它会自动下降，并且控制电压以维持恒定的冶炼参数。因为对凝固方式进行了控制，所以重熔钢基本上无中心气孔和浇键分凝。重熔钢改善了力学性能,特别是横向方向的力学性能。 2.3其他真空冶炼技术 为了得到更高纯洁度的钢，有时把两种真空冶炼技术联合使用或一种真空冶炼技术多次使用。 VIM+VAR：用VIM法生产的钢作VAR的电极，该电极自耗重熔后其纯净度又一次提高，同时改善内部组织结构使之更均匀。其氧含量达8×10-6以下，与脱气钢比，它的材料致密度高，晶粒细小均匀，大大提高了力学性能。欧美的军用航空发动机轴承用钢即用此法冶炼。 多次VAR：用VAR法生产的轴承钢棒重新作为自耗电极，进行二次、甚至三次VAR处理。美国波音飞机发动机轴承规定用此钢材。 VIM+ESR： 世界著名的英国斯贝航空发动机公司规定所用的高速钢MSRR6015必须用VIM+ESR法生产。 3 其他冶炼技术 3.1 熔炼设备的大型化 自1965年后，逐步引入电炉快速冶炼法UHP（Ultra High Power）及超UHP（Super UHP），其最大的特点是通入炉内的电量是传统方法的2~3倍，甚至更高，变压器及炉子的容量也同时大型化，缩短了冶炼时间，提高了生产率。炉子的容量由30t到150 t，生产率由15t/h提高到125t/h。 采用巨型钢包(70~150t)、巨型盛钢桶(70~150t)，大型连铸坯(370mm×470mm×2000mm)，大型钢锭（重7~10t，大头450mm×450mm），大型开坯、轧制设备，大型1300C重油高温扩散炉、正火炉、大型连续式气体保护球化退火炉，从而保证轴承钢的碳化物不均匀性和表面脱碳层得以良好地控制。 3.2 连续浇铸的引进 50年代以前均采用顶铸法，50年代以后采用底铸法，相继采用防氧化覆盖剂，惰性气体保护，提高底板砖材质等措施，使底铸法铸成的钢锭的纯洁度也有较大提高。从1982年开始引进大断面(370mm×470 mm方坯)垂直式连续浇铸技术使轴承钢生产技术又上了一个新台阶。在连续铸坯的过程中采取有效措施隔绝钢水与空气接触，严格控制耐火材料质量，使钢坯的含氧量得以很好地控制，达到(3~8)×10-6范围内。由于凝固阶段采用大功率电磁搅拌装置，还能大大改善结晶组织。 3.3 偏心炉底出钢(EBT) 通常出钢是倾斜炉体,通过出钢槽,把钢水倒人钢包。1986年开始采用偏心炉底出钢，即在电弧炉底的偏心一侧下方开出钢口，这样可以在出钢前放出钢液面上的炉渣再由底部出钢，使钢水与酸性炉渣分开，便于LF钢包精炼，可以更稳定地炼出高纯洁度的钢，同时提高了生产效率。测试表明，采用EBT，其氧含量可以进一步下降(平均降低0.4×10-6)。最突出优点是改善夹杂物形态，使对接触疲劳寿命影响最坏的B类粗系列和D类粗系列夹杂物得到明显改善。 3.4电渣重熔法(ESR) 电渣重熔工艺除了位于电极底部的渣液池形成熔化所需的电阻外,非常类似于自耗电极真空冶炼工艺。既可以将熔化状态的渣池送入炉膛，也可以提供粉末渣，在底板和电极之间触发电弧时粉末渣快速熔化。当钢水滴通过渣池时，钢水实现了精炼。通过控制渣的成分可以脱去硫、氧和其他有害的杂质。最后形成的钢锭凝固方式减少了孔隙，将偏析降至最低限度，并改善了钢键横向和纵向方向的物理性能。作为生产高品质钢的一种方法，还将继续使用或与其他冶炼方法配合使用。 另外，实现钢锭、钢坯的表面质量在线清理,同时有严格的在线无损探伤装置，分别用四种方法(涡流、磁粉、漏泄磁束和超声探伤法)共进行4~7次探伤,充分保证钢材无裂纹出厂。 4 发达国家的冶炼技术 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-VAD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。

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