轴承钢的冶炼常识

轴承钢的冶炼

辽宁科技学院冶金系杜成武

2010.4.10

主要内容

⏹概述

⏹影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其控制

⏹轴承钢的冶炼

⏹轴承钢的连铸

一、概述

轴承是由内、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱或滚针）和保持器四部分组成，除保持器外，其余都是由轴承钢制成。当轴承工作时，轴承内外套圈、滚动体间承受高频率、变应力作用。在轴承旋转时，还承受离心力的作用，并随转速的增加而增大；滚动体与套圈间不仅存在滚动，而且还有滑动，所以在滚动体与套圈之间还存在摩擦。

在几种力的综合作用下，在套圈或滚动体的表面上抗疲劳强度低的部位首先产生疲劳裂纹，最后形成疲劳剥落，使轴承破损失效。轴承钢正常破损的形式是接触疲劳损坏，其次是摩擦磨损使精度丧失。

非金属夹杂物或粗大碳化物，则可促进裂纹的产生。

轴承钢的要求

⏹对化学成分的要求；

⏹对非金属夹杂物的要求；

⏹高且均匀的硬度，高的耐磨性；

⏹高的接触疲劳强度，保证轴承的正常使用寿命；

⏹高的弹性极限和一定的冲击韧性，承受高的负荷而不变形，承受一定的冲击负荷；

⏹良好的尺寸稳定性，以保证精度，减轻振动和噪声——精密轴承；

⏹一定的耐蚀性；

⏹良好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。

轴承钢类型

⏹高碳铬轴承钢

⏹渗碳轴承钢

⏹不锈轴承钢

⏹高温轴承钢和中碳轴承钢

使用最广、应用最久的是高碳铬轴承钢。

高碳轴承钢的特点

⏹高碳

⏹加铬

⏹加入Mo、Mn、Si、V等合金

⏹严格控制杂质元素，特别是P、S、Ni、Cu

危害最大的是氧化物夹杂，其次是硅酸盐。氧化物夹杂的最大粒径和粒子个数是轴承钢疲劳寿命的根本原因——轴承钢冶炼和浇铸的关键在于控制钢中氧含量到极限值、提

高纯净度和组织的均匀性，即降低钢中氧及非金属夹杂物含量，控制好夹杂物形态和分布。核心——高纯净度钢的生产。

二、影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其控制

⏹氧对轴承钢质量的影响及其控制

⏹轴承钢中的夹杂物及其控制

⏹轴承钢中残余铝的控制

⏹轴承钢中残余钛的控制

⏹硫含量

⏹钢中碳化物缺陷

2.1 氧对轴承钢质量的影响及其控制

钢中w T.O=10×10-4%轴承钢的疲劳寿命比w T.O=40×10-4%提高10倍。w T.O=5×10-4%的疲劳寿命比w T.O=40×10-4%提高30倍。轴承钢生产的关键在于脱氧。

冶炼过程中应注意的问题

⏹初炼钢液实现低氧化和低温化；

⏹强化初炼钢水的预脱氧；

⏹采用SiC和Al粉进行扩散脱氧；

⏹精炼中期，钢中氧含量降低，Al也随之降低，采用喂Al线的方法添加Al；

⏹选择合适的精炼渣系；

⏹防止二次氧化；

⏹合理的吹氩制度；

⏹控制适当的残铝量；

⏹确保足够的真空度和真空时间。

2.2 轴承钢中的夹杂物及其控制

⏹钢中非金属夹杂物数量和组分的变化

⏹钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响

⏹工艺参数对钢中夹杂物含量的影响

⏹浇注过程中夹杂物的控制

钢中非金属夹杂物数量和组分的变化

⏹钢中大于5μm的夹杂物在真空后大部分被去除。夹杂物数量比真空前少1/3；

⏹SKF研究发现：出钢后15min夹杂主要由Al2O3和Al2O3·SiO2·MnO组成，来自电弧炉出钢的预脱氧产物；真空前——Al2O3·CaO夹杂，是Al2O3和铁合金Ca-Si中的钙的反应产物；真空后——夹杂中的Al2O3·CaO往往包着一层MgS，Mg来自真空下的耐材，并与Al2O3生成Al2O3·MgO。

钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响

⏹有益

⏹有害

⏹对钢的疲劳寿命影响不大

工艺参数对钢中夹杂物含量的影响

⏹电炉出钢温度

⏹搅拌时间

⏹铝脱氧工艺

Ascometal公司认为，对于轴承钢的精炼，应把重点放在：选择碱性耐材钢包内衬；最大限度地去除炉渣；尽早形成非常低氧势的脱氧精炼渣；控制气体搅拌，使夹杂物上浮。

浇注过程中夹杂物的控制

⏹模铸——重点放在避免钢包和锭模之间钢水流的二次氧化；最大限度地避免钢水和耐材的作用；最大限度地避免钢包渣、保温剂或浇注保温渣的卷入；

⏹连铸——检测钢包中的下渣量；吹氩保护，防二次氧化；选用优质的耐材。

2.3 轴承钢中残余铝的控制

⏹金属铝及AlN溶于酸，用[Al]S表示。终脱氧用Al是获得低氧含量的钢液和保证钢中有合适[Al]S。[Al]S高——保护条件不好易二次氧化增加Al2O3夹杂；[Al]S低——Si的二次氧化及钢液随温度降低溶解氧析出，产生含SiO2很高的粗大玻璃质硅酸盐夹杂。如果要使钢材晶粒细化，获得高强韧性，残余铝可高些。对渗碳轴承钢来说，残余铝需要控制得高些；对于高碳轴承钢对此控制要求不太高。

2.4 轴承钢中残余钛的控制

⏹钛对于高碳铬轴承钢有害，在钢中以Ti(C，N)、TiC、TiN存在呈坚硬的菱角。在相同尺寸下，危害大于Al2O3；

⏹实践证明，w Ti超过50×10-4%，轴承疲劳寿命明显下降。电弧炉生产中，N高——更严格控制残Ti；

⏹国外SKF3标准规定w Ti≤0.003%；

⏹大生产轴承钢钛含量不高于50×10-4%，对疲劳寿命几乎无影响，高于此值，TiN与氧化物作用，或簇状TiN本身之间的作用，导致显微裂纹发生率增加，恶化疲劳强度；

⏹日本高周波公司开发低钛为特色的SUJ2KRF钢w Ti≤18×10-4%，寿命比普通轴承钢提高2倍；

⏹日本住友公司对不同钛和氧含量的钢管试验证明，低氧和低钛有利于轴承使用寿命的提高。

2.5 硫含量

⏹许多人认为硫含量不会影响轴承寿命，甚至能减轻氧化物的有害作用。但随着纯净钢的提高，氧化物夹杂含量减少，硫化物的有害作用逐渐表现出来

⏹日本一家著名微型轴承企业要求硫含量不高于0.003%

⏹瑞典SKF——0.015%

⏹宝钢——0.008%

2.6 钢中碳化物缺陷

⏹碳化物缺陷包括液析碳化物、带状碳化物和网状碳化物，其危害相当于夹杂物；

⏹碳化物缺陷主要起源于钢在凝固过程中的偏析，控制和减少凝固偏析是控制和减少碳化物缺陷的关键环节；

⏹采用合理的加热、轧制和热处理工艺可进一步改善碳化物结构和形态，减轻其危害。三、轴承钢的冶炼

⏹电炉流程，即电炉——炉外精炼——连铸或模铸——轧制；

⏹转炉流程，即高炉——铁水预处理——转炉炉外精炼——连铸——轧制；

⏹特种冶炼方法，即真空感应炉（VIM）——电渣重熔（ESR）——轧制或锻造。

典型的轴承钢生产流程