轴承钢冶炼与连铸技术

轴承钢要求高疲劳寿命
夹杂物造成的滚动面疲劳破坏
全氧含量与轴承疲劳寿命的关系
特殊钢中典型 的球状不变形 钙铝镁酸盐夹 杂物形貌
对轴承钢精炼工艺要求：
(1)极低氧、超高洁净度钢
国际先进水平已经低于4.5ppm。
(2)不变形夹杂物(D类，包括TiN) 国际先进水平已经达到无3微米以上不变形夹杂物。
0
0.005 0.012 0.05
0.1
0.25 0.35
0.45 0.5
0.6
[%Al]
炉衬对钢中Mg含量的影响
理论基础6： 炉渣(FeO)被快速还原的规律
在还原性渣中，通常会存在以下反应：
2(FeO)+(SiO2)=2FeO·SiO2 随着炉渣碱度的提高，以上反应向右进行的可能性 变小，渣中的(FeO)容易被还原。 或者发生：
Al2O3量也是不合适的。
[%O]
ppm 12
10
8
6
4
2
0 0.00
0.01
0.02
0.03 [%Al]
0.04
无渣
B=2 B=3 B=4 B=5
0.05
钢中铝含量及炉渣碱度对平衡氧含量的影响
理论基础4： 炉渣吸收Al2O3夹杂物的能力
用CaO－Al2O3渣吸附 Al2O3夹杂物在不同温 度下速率的比较
适应大批量、高效率、高质量生产的需要；
(7) 具有良好的尺寸稳定性，防止轴承在长期存放或使用中因尺
寸变化而降低精度。
对轴承钢的质量要求
1 化学成分
成分控制
• C：中下限 • Cr: 中限或中下限 • T[O]: 10ppm以内 • S：越好低好，100ppm • P：非常有害，越好低好 • Mn: 不易过高 • Si: 不易过高
我国轴承钢的发展
钢水纯洁度
氧含量是轴承钢纯洁度的最重要标志之一。轴承钢当氧含 量由30ppm下降到20ppm时，其接触疲劳寿命提高1.5 倍;降到15ppm时提高2倍;降到8ppm时提高3倍。因此，各
大厂家都非常重视对氧含量的控制。目前，国际上先进水平，
如日本山阳制钢的轴承钢，氧含量可以达到5～8ppm。
0.35
B=3
B=4
0.30
B=5
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
[%Al]
钢中铝含量及炉渣碱度对平衡钙含量的影响
[%Mg]
0.0045 0.0035 0.0025 0.0015 0.0005
B=6 B=4
B=2 B=0.5
无渣
-0.0005
理论基础3： 铝脱氧钢与炉渣的关系
炉渣对铝脱氧的影响分析
2[Al] + 3[O] = (Al2O3)
K

a Al 2O3
a
2 A
l

aO3
aO
3
a Al 2O3
/(
K

a
2 Al
)
当铝含量一定时，降低渣中的Al2O3活度是一 个重要途径，这也已经被工业生产实践所证
明。所以控制高碱度是必要的，渣中过高的
有利于Al2O3夹杂物的吸附。 (2)从渣中Al2O3含量来看，渣中低的Al2O3有利于所吸
附在界面的Al2O3夹杂物在渣中的溶解和扩散。 (3)从炉渣的化学性质来看，高的炉渣碱度有利于Al2O3
在熔渣中的“消化”，其本质就是容易形成 xCaO·yAl2O3化合物。
(4)从炉渣的流动性来看，低熔点可以加速以上“扩散” 和“消化”环节的进行。
• 多采用连续式保护气氛热处理，在提高球化退火质
量，获得细小、均匀、球形的碳化物以及缩短退火时间或 取消球化退火工序的研究方面有了重大进展。
• 实现了在线检测自动化。国外先进企业依据不同的目
的采用不同的探伤设备。有的在同一条生产线上分别安装 有超声波探伤机、涡流探伤机或磁粉探伤机，对钢的缺陷 自动标志、修磨等。
理论基础2： 脱氧方法的选择：铝含量的控制
铝含量与溶解氧的关系：
1600℃与钢中Al相平衡的溶解氧含量 [Al],% 0.001 0.01 0.02 0.03 0.05 0.10 [O],ppm 36.66 8.09 5.24 4.11 3.08 2.22
要注意：以上数据是与Al2O3相平衡的数据。事实证明，将 [%Al](S)控制在0.015%左右是必要的。
国外轴承钢的发展
轴承钢的纯净度和组织均匀性是影响轴承寿命的重要因素， 因此许多轴承钢生产厂家都在这方面做了大量工作。
轴承钢新技术
超高清洁度钢的开发是轴承钢重要发展技术之一，影响 轴承钢性能的主要因素是由转动疲劳引起的剥离现象。
轴承剥离一般是由于混入异物而使润滑条件恶化及直接由 钢中夹杂物引起的，降低氧化物系夹杂物对轴承的长寿有 显著的效果。因此，轴承钢的高清洁度对提高轴承的寿命 至关重要。各轴承钢制造厂通过改善精炼方法，供给高清 洁度轴承钢，而且，这种需求正在扩大。
2FeO·SiO2+(CaO)=2(FeO)+CaO·SiO2 形式的反应，使得自由(FeO)量增加。 事实证明：炉渣碱度越高，还原炉渣变快，钢中氧 含量较低。
第二部分 ： 轴承钢精炼工艺及控制要点
工艺路线： (1) BOF－LF－VD－CC (2) EAF －LF－VD－CC
工艺关键点： 1 初炼炉出钢: (1)终点碳不要过低； (2)下渣要少; (3)加铝量命中率要高，尽可能精炼期不补铝； (4)出钢精炼渣的成分要严格控制； (5)添加的时机要考虑
滚动体：将滑动摩擦转化为滚动摩擦
保持架：防止滚动体直接接触

2
4 3
1
2
4 13
常见的滚动体有六种形状，一种是球形，四种是滚子。
由于轴承的工作条件十分复杂，承受着各类高的交变应力，在工作时， 滚动体与内、外套圈呈点接触，同时受到很大的冲击负荷和振动， 并还受到水分、杂质及润滑抽的侵蚀，故对轴承钢的要求愈来愈严格， 成为检验项目最多、质量要求最严、生产难度最大的钢种之一。
总的来说对炉渣的要求可以简单概况为：“一高(高碱 度)三低(低界面张力，低Al2O3含量，低熔点)”
理论基础5： 钢液中微量元素(Ca,Mg)的控制规律
(CaO) + [Al] = [Ca] + (Al2O3) (CaO) + [C] = [Ca] + (CO)
以下条件加强了上述反应向右进行的可能性： (1) 过高的炉渣碱度；(2) 钢液中铝含量过高；(3)高 的温度；(4) 渣中过低的Al2O3含量；(5)真空下。
在熔炼方面，电炉向超高功率、大容量发展，采用
组合式精炼（电磁搅拌+吹氩搅拌），电耗较低，电极消 耗较少。
转炉流程轴承钢技术的开发使轴承钢的冶炼时间缩短、
生产效率提高，且钢中氮含量低，残余元素少，为轴承钢 进一步提高品质奠定了基础。
• 轴承钢连铸目前已经取得重大进展，广泛应用于轴承钢
的生产。连铸不仅提高了成材率，而且钢坯表面质量、夹 杂物分布、碳化物偏析都有明显改善。
轴承钢精炼理论基础
滚动轴承的内外圈和滚动体应具有较高的硬度和接触 疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性，一般用
铬锰高碳钢（抗点蚀）制造，常用材料有GCr15、 GCr15SiMn、GCr6、GCr9等 滚动轴承的工作表面必须经磨削抛光，以提高其接触疲劳 强度。 保持架选用较软材料制造，常用低碳钢板冲压后铆接或焊 接而成。实体保持架则选用铜合金、铝合金、酚醛层压布 板或工程塑料等材料（减摩）。 为适应某些特殊要求，有些滚动轴承还要附加其他特殊元 件或采用特殊结构，如轴承无内圈或外圈、带有防尘密封 结构或在外圈上加止动环等。
钢等约占30%，这主要是热处理上的差距所致。渗碳轴
承钢对热处理工艺要求较高，国内企业因设备、工艺等因 素，不具备生产大量的渗碳轴承钢的条件。
• 技术装备的差距
• 我国轴承钢与国外相比最主要的差距是在技术装备。国外 在轴承钢熔炼上，初炼炉和精炼炉朝高功率、大容量发展。
瑞典、日本等国多选用70～100吨的炉型，百度文库国内多数 企业仍用15～30吨的电炉和20～40吨的精炼炉。日本 轴承钢已采用连铸生产，国内绝大多数企业仍采用模铸。 热处理方面，国外都使用连续式保护气氛退火炉，国内
的最低吹氩量； (4)合理炉渣成分的摸索； (5)元素烧损(Al)和增加规律(Ca,Mg,C)的摸索； (5)温降的摸索。
工艺关键点： 4 软搅拌: (1)时间控制； (2)气体量要小; (3)钢包覆盖剂的稳定。 5 连铸: (1)稳定性控制； (2)中间包覆盖剂的稳定。
工艺关键点： 2 LF炉精炼 (1)铝含量的命中； (2)炉渣的设计; (3)搅拌能力，吹氩量； (4)造渣材料，要考虑到对炉渣成分的影响； (5)渣量(影响到后期VD炉) LF炉的炉渣控制一定要与后期的VD炉工艺相连接统一考虑。
工艺关键点： 3 VD炉: (1)快速真空； (2)真空前期、末期小气量; (3)真空中期吹气量要严格控制，控制原则是：完成脱气任务时
多数企业还是较落后的辊底炉、罩式炉等。检测方面，国 内多数企业不具备在线探伤，对钢材的内在、外表缺陷不 能及时发现、修磨。
轴承钢的性能要求：
(1) 具有高的接触疲劳强度和抗压强度； (2) 经热处理后必须具有高而均匀的硬度； (3) 具有高的弹性极限，防止在高载荷作用下轴承发生过量的塑
性变形；
(4) 要有一定的韧性，防止轴承在受冲击载荷作用时发生破坏； (5) 要有一定的抗腐蚀性能； (6) 要有良好的工艺性能，如冷热成型、切削、磨削等性能，以
(MgO) + [Al] = [Mg] + (Al2O3) (MgO) + [C] = [Mg] + (CO)
影响因素: (1) 过高的渣中(MgO)含量；(2) 钢液中铝 含量过高；(3)高的温度；(4) 渣中过低的Al2O3含 量；(5)真空下；(6) 钢包衬寿命。
[%Ca]
ppm
0.40 B=2
(3)高的稳定性和均匀性。 不允许有大颗粒夹杂物。
以上三方面相互影响。
总体思路：
T.[O](总)=[O](溶)＋T.[O](夹)
要将成品总氧含量降到最低，要同时从降低钢 液中溶解氧和降低各种成分的氧化物夹杂物着手， 这也是国际上一贯的思路。
理论基础1：
初炼炉出钢终点碳控制
过低的碳带来的影响: (1)钢中溶解氧高会导致铝消耗量 大和夹杂物总量增加，给后期精炼带来负担；(2)渣的氧 化性明显增加，给后期精炼变渣和控渣带来困难。但过高 的碳出钢也是没有必要的，也给初炼炉带来压力。一般在 0.10-0.15%也就可以了。
经常有短尺搭交，轴承钢棒材的弯曲度按目前标准为 4mm/m，而国外标准通常要求2mm/m。国外轴承钢棒材 的端部无毛刺，并45º机器倒角，国内钢材的两端粗糙， 不利于轴承企业的自动化加工。总之，轴承钢表面质量的 缺陷及外形上的偏差，最终将降低轴承加工企业的材料利 用率。
品种结构上的差距
国内轴承钢的钢种以高碳铬轴承钢为主，占90%，欧美等 西方工业化国家的高碳铬轴承钢只占70%，其它渗碳轴承
国内先进水平氧含量T[O]一般波动在9～13ppm范围内。
碳化物不均匀性
碳化物的不均匀性对轴承的材质是一种危害较大的缺陷。一
般包括液析、带状碳化物和网状碳化物。国外轴承钢的
碳化物尺寸细小、分布均匀。而我国轴承钢碳化物的尺寸和 颗粒较大，直接影响了轴承的使用寿命。
表面质量和外观尺寸、精度
与国外相比，国内钢材的表面普遍存在折叠、细裂纹、 凹坑等缺陷，公差尺寸范围较大，交货不能两头齐尺，
轴承钢冶炼与连铸技术
2008年8月
内容：
1 ：轴承钢发展概况 2 ：轴承钢性能要求 3 ：钢液精炼渣的设计
轴承钢发展概况
轴承钢是重要的冶金产品，它被广泛应用于机械制造、 铁路运输、汽车制造、国防工业等领域。
滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。
内圈：与轴颈相配（一般转动）

外圈：与轴承座相配（一般静止）
用CaO－Al2O3－SiO2 渣吸附Al2O3夹杂物在 不同温度下速率的比 较
用CaO－Al2O3－SiO2－MgO(少量)渣吸附 Al2O3夹杂物在不同温度下速率的比较
熔渣
消化 溶解 吸附
钢液
上浮
Al2O3夹杂物
Al2O3夹杂物吸收示意图
目前对炉渣吸附Al2O3夹杂物初步的观点为： (1)从炉渣和Al2O3夹杂物的界面能来看，低的界面张力
高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢、不锈轴承钢和 中碳轴承钢，其中尤以高碳铬轴承钢生产量为最多。国外轴承钢生产 厂家主要集中在瑞典SKF 公司和日本山阳公司，该两家每年轴承
钢生产鼠基本占西方工业化国家轴承钢产最的70 ％以上，由于轴承钢 生产的高度集中，国外轴承钢生产工艺及实物质量达到了一个很高的水 平。