首钢技术研究院

　　5 碳化物对轴承钢质量的影响
　　碳化物对疲劳寿命的影响是十分明显的。特别是随着冶炼、浇铸等技术的进步，在钢中氧含量及氧化物夹杂含量极低的情况下，碳化物的作用就显得更为重要了。
　　5.1碳化物颗粒大小及分布的影响
　　碳化物的颗粒大小、形状、数量及分布状况都影响疲劳寿命。轴承厂要求轴承钢材中碳化物颗粒细小，形状规则，而且分布均匀。当存在粗颗粒碳化物时，钢的淬硬值、压坏值、转动疲劳寿命都要恶化。J.E.梅雷廷恩和J.F.修厄尔在测定疲劳寿命与碳化物颗粒大小与分布的关系的试验中发现，碳化物细小，分布均匀，疲劳寿命较好(见图7)。对于碳化物的不均匀性常用碳化物颗粒平均间距(MSP)来衡量，日本不二越钢厂在研究轴承钢的碳化物时，测定了MSP与疲劳寿命的关系，并建立起碳化物颗粒平均距离(MSP)与疲劳寿命的回归方程：

　　式中：Y：疲劳寿命；
　　χ：碳化物颗粒平均距离，um。

　　文献[40~42]报道用型号6305的滚动轴承的内外套圈作试样[40]，在承受径向交变负荷的寿命试样机上做了试验。结果表明，碳化物颗粒Z大和Z小两者之间的平均寿命相差大约2.0倍。用碳化物颗粒为0.9~1.4um的各种环形试样作寿命试验，结论是：碳化物颗粒间平均距离的对数的倒数和疲劳寿命呈直线关系，即碳化物颗粒越细小，寿命越高。大泽近藤也做了同样的试验，得出结论：具有细球状碳化物(平均直径0.5~1.0um)材料寿命为粗颗粒碳化物(平均直径2.5~3.5um)材料的1.5倍。也有人用平均碳化物颗粒分别为0.6um和1.4um的细颗粒和粗颗粒碳化物的钢，将马氏体含碳量固定在0.5%，做推力片寿命试验，试验结果表明：细颗粒材料比粗颗粒材料显著要好，平均寿命(L50)大约为2.5∶1，之所以粗颗粒碳化物比细颗粒碳化物寿命差，他们认为：轴承钢在淬火温度下，奥氏体的含碳量不是充分均匀的。在碳化物附近的奥氏体和远离碳化物的奥氏体之间存在着碳的浓度差。碳化物颗粒越大，这种浓度差也越大。而浓度高和浓度低的地方寿命都不好，这样平均寿命自然也低。
　　5.2带状碳化物的影响
　　带状碳化物是由枝晶偏析引起的。前苏联学者研究了带状碳化物对轴承钢疲劳寿命的影响。他们将直径为100mm的GCr15SiMn棒料(中心区带状组织评级为3.5级、边缘为2级)在1150℃扩散退火15h，得到带状组织小于0.5级的钢棒；以未经扩散退火的直径为100mm的钢棒改锻为60mm，在790℃进行球化退火；再将两者一同加工成疲劳试样进行试验。结果表明：扩散退火使纵向和横向试样的接触疲劳强度大大提高。如果把带状3.0~3.5级试样的寿命作为100%，则带状为0.5级的纵向寿命为166%，横向为388%。
　　5.3网状碳化物的影响
　　网状碳化物是在热加工变形后的冷却过程中形成的，如果在800～900℃之间冷却速度太慢，则溶解在奥氏体中的碳有足够动力和充分的时间扩散到奥氏体晶粒的边界上析出。Z终在钢中呈沿晶的网络状分布。关于网状碳化物对性能的影响，研究的不多。A.T.斯别克托尔研究发现，随网状级别的增加，接触疲劳强度下降。冶钢公司一组GCr15钢氧含量为 14×10-6，碳化物网状为1.5级，与SKF一组相同牌号钢氧含量为8×10-6，网状为3.0级的钢材对比。大冶材的接触疲劳寿命L10、L50分别为SKF的1.67和1.74倍。
　　5.4液析碳化物的影响
　　液析碳化物与带状碳化物的起因相同，都起源于枝晶偏析。当偏析严重达到共晶成分时，形成共晶碳化物。液析碳化物的影响与带状碳化物大体相当。由于起因相同，减轻和消除的方法也相同。
　　5.5残余碳化物含量的影响
　　用轴承钢加工成轴承，必须在淬、回火状态下使用，此时钢具有混合组织，通常含有80%(体积比)的马氏体，5~10%的残余奥氏体和7%左右的未溶/碳化物—残余碳化物。残余碳化物的含量同样影响疲劳寿命。有的研究结果指出，残余碳化物的含量为7~8%时，寿命Z长。但这种试验结果是用含碳量一定的钢(1.0%C)，在不同温度淬火条件下进行实验得出的。由于淬火加热温度不同，残余碳化物数量固然有变化，但同时马氏体的含碳量也在变化，而马氏体含碳量对疲劳寿命有显著影响。因此，残余碳化物含量为7~8%时是否寿命Z高，这一结论还是一个问题。日本学者用其它成分和GCr15相同，而含碳量在0.70~1.17%之间变化的钢，对其进行适当的热处理，使马氏体中的含碳量保持一定，均为0.45%，在这样的条件下研究残余碳化物含量对疲劳寿命的影响。结果表明，残余碳化物含量由10.5%减少到4.5%，疲劳寿命提高。研究造成疲劳剥落区附近的显微组织时发现，疲劳裂缝都是在碳化物和马氏体的界面上传播的。这是因为碳化物和马氏体交界处碳浓度高，易引起应力集中，从而产生裂纹。残余碳化物一旦增加，碳化物和马氏体的界面增加，于是材料发生破裂的危险也增加。由此可以推断出，增加残余碳化物会造成疲劳寿命降低。但完全不存在残余碳化物也不行，从耐磨性角度考虑，为了防止晶粒粗大引起疲劳寿命降低，存在一定数量的残余碳化物是必要的。
　　6 国外轴承钢发展概况
　　6.1工艺及质量水平
　　发达国家对于轴承钢的生产及其科研极为重视，其中以瑞典、日本、德国等国表现突出。它们的轴承钢生产状况体现了当今世界轴承钢生产质量的水平和方向。由于不断采用新技术，轴承钢的氧含量及其它有害元素含量不断下降，疲劳寿命不断提高。瑞典是世界轴承钢及轴承的生产“王国”，历史悠久，产品质量居世界之冠。日本则大有后来居上之势，经过30~40年的努力，加强科研，引进先进技术及装备，优化工艺，使轴承钢的质量跃居世界先进行列。
　　通过近100年来的发展，轴承钢的生产工艺经过了几次大的变化。其冶炼方法，从30~40年代传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，60年代的钢包滴流脱气(SLD)和真空循环脱气法(RH)精炼，发展到今天的综合冶炼工艺，生产工艺复杂，设备较多，但归纳起来只有三种：一是电炉流程：即电炉－二次精炼－连铸或模铸－轧制；二是转炉流程：高炉－铁水预处理－转炉－二次精炼－连铸－轧制；三是特种冶金：真空感应熔炼(VIM)、电渣重熔(ESR)等－轧制或锻造。一般生产普通用途轴承钢采用电炉流程或转炉流程；对特殊用途轴承钢(如航空轴承等)，则采用特种冶金流程生产。表1~2列出了世界典型轴承钢生产厂的生产工艺及质量。下面以瑞典SKF公司、日本山阳特殊钢公司和德国克虏伯钢公司为例说明轴承钢生产工艺的发展及现状。

　　6.2瑞典轴承钢的生产技术现状
　　SKF公司是世界上著名的跨国集团公司，经营项目很多，主要包括：机械设备、轴承、钢材等。其中SKF轴承公司是世界上Z大的轴承公司，它有Hofors和Hellefors两个炼钢厂，是欧洲轴承钢的主要生产厂家，年生产直接还原铁50000t，钢锭700000t(几乎全是轴承钢)。60年代以前，轴承钢采用酸性平炉生产，完全不存在点状(D型)氧化物夹杂，有着极其一致的纯净度，因而具有良好的耐疲劳性能。但是由于酸性平炉不能去除磷和硫，对原材料要求极为苛刻，生产效率低，在激烈的竞争机制中很难满足需要。

　　因此，60－70年代，采用碱性电弧炉配合DH脱气处理，但由于没有加热手段，DH脱气钢质量分散性较大，氧含量波动在25×10－6左右。在此期间(60年代中期)SKF公司与ASEA电气公司共同开发了ASEA－SKF桶炉真空精炼法，又称SKF－MR法。SKF－MR法是SKF熔炼加精炼的意思，是一种两步炼钢法。由一个在氧化条件下快速熔炼的SKF双壳炉体和一个在还原条件下精炼的ASEA－SKF桶炉所组成，双壳炉体是带有两个炉壳的电弧炉，它有两个可以旋转的炉顶，共用一套电极升降装置、一套电源。这种双壳炉体的目的是为了尽可能利用变压器的Z大功率。在一个壳体内熔炼的同时，在另一壳体内进行其它操作，包括出钢、补炉、装料及废钢预热。在出钢至ASEA－SKF钢包之前，在双壳炉体内将磷的含量降至允许值以下。ASEA－SKF桶炉则由一个钢包和钢包车、一个带电极的炉顶和一个真空炉顶组成，并配备电磁搅拌器，可在桶内进行诸如除渣－电磁搅拌－加热－脱氧－合金化－脱硫－脱碳(也可在真空下)－真空脱气－浇铸(模铸，也可以连铸)等不同的冶炼工序。这意味着除了脱磷以外，熔炼以后的所有正常的精炼工序都可以在桶炉内完成。到70年代中期，采用双壳炉与桶炉配合，即电弧炉初炼，真空脱气(包括真空碳脱氧)，电磁搅拌然后再进行钢包电弧加热，氧含量降到20×10－6左右。70年代中到80年代初，SKF公司对工艺再一次进行改革。改革的重点是针对脱氧制度和操作顺序，上个阶段主要是采用真空碳脱氧，它是将初炼钢液放入精炼钢包，不加铝脱氧，在真空下进行电磁搅拌，利用钢液中的碳含量在真空下脱氧，精炼结束前加铝补充脱氧，然后加热将钢液调整到浇铸要求温度。经过研究，SKF公司发现，真空碳脱氧工艺时间长，效率不高。于是他们着手进行将初炼钢液先用铝沉淀脱氧，再在非真空下进行电磁搅拌去除夹杂的试验工作，为了比较真空脱气和非真空精炼的SKF－MR钢的纯净度，他们对SKF3钢(相当于我国GCr15)进行了系统的研究。结果表明，在桶炉内事先用铝沉淀脱氧比真空碳脱氧获得更一致的氧含量和夹杂物含量，因此，SKF公司自80年代以来，SKF3钢一般情况都用非真空精炼，这是SKF工艺的一大显著特点。图8是SKF公司从60年代中期酸性平炉工艺过渡到碱性电弧炉的各个阶段SKF3钢氧含量的变化。从图8中可以看出，由于脱氧制度的改进，即由真空下的碳脱氧制度改为在非真空下事先用铝沉淀脱氧，然后进行强烈的电磁搅拌精炼，氧含量由20×10－6左右降到10×10－6左右。在80年代中后期，SKF公司还进行过电磁搅拌与氩气搅拌对比试验，结果表明电磁搅拌工艺的氧含量保持在7.5~12×10－6，氩气搅拌的氧含量在8.5~15×10－6之间，因此，他们认为电磁搅拌方式优于氩气搅拌方式。
　　到目前为止，SKF公司轴承钢生产工艺采用以下模式：BEA(碱性电弧炉)－除渣－加Al脱氧－合金化－加热－脱硫－真空或非真空下电磁搅拌＋吹氩搅拌－钢锭模铸(下注4.2t锭)。所谓优化工艺，那就是由原来的真空碳脱氧制度改为铝脱氧加电磁搅拌和吹氩搅拌，使脱氧产物(主要是Al2O3及其它夹杂物)充分上浮，80年代中后期以来，SKF公司生产的高碳铬轴承钢氧含量已基本上稳定在10×10－6以下。研究SKF公司轴承钢生产工艺的演变，发现它有一个并非鲜为人知的特点，那就是SKF工艺是由酸性平炉过渡到今天的碱性电弧炉加上炉外精炼。而碱性电弧炉，经炉外精炼与酸性平炉冶炼的轴承钢一样完全不出现含CaO的球状不变形夹杂物，这是SKF工艺的Z大特点(见表2~3)。
　　6.3日本轴承钢生产技术现状
　　从60年代以来，特别是近十几年以来，日本各个轴承钢生产厂家广泛采用新工艺、新技术和新装备，轴承钢质量已跻身于世界先进水平。近十年来日本轴承钢的产量一直保持在600,000t左右，成为轴承钢生产大国。山阳轴承钢的质量居日本之首，氧含量达到5.4×10-6，下面就其生产工艺和质量水平作一简介。日本山阳特殊钢公司是世界上著名的特殊钢生产厂家之一，以生产轴承钢钢管著称。1939年日本政府指定山阳为轴承钢专业厂，1959年改称为山阳特殊钢公司。通过几十年的发展，山阳特殊钢公司现在年产粗钢978,000t ，轧材696,000t(月产棒材40,000t，钢管13,000t，线材1,000t)，冶炼设备包括一台90tUHPEAF，两台30tEAF，一台35tRH ，一台90tRH，一台90tLF炉，以及VAR和ESR装置，一台3流370×470mm垂直连铸机(800,000t/y)。随着炉外精炼技术的发展，山阳特殊钢公司从60年代中期开始，对钢的生产进行了几次大的技术改造。阶段：1964年采用60吨电弧炉钢包脱气处理，钢包置于真空室内，真空度为67Pa，高碱度渣下吹氩搅拌，这个方法对提高钢的纯洁度不十分明显，氧含量在25×10-6以上，且不稳定。

　　第二阶段：1968年从联邦德国引进RH装置与60tEAF配合，真空度13Pa，轴承钢氧含量比钢包坑脱气处理大大降低，达到15×10-6左右。
　　第三阶段：1982年电弧炉容量扩大到90t，LF炉与RH配合，使得目标温度、浇铸时间有可能进行控制，大大提高了轴承钢的纯净度，在模铸条件下氧含量达到8.3×10-6，加上大截面垂直连铸机的采用，可使夹杂物充分上浮，以及全程保护浇铸措施(见图9)，使轴承钢的氧含量进一步降低，达到5.8×10-6(连铸与模铸相比氧含量降低2.5×10-6)。

　　第四阶段：1986年将电弧炉倾动式出钢改造成偏心炉底出钢，轴承钢氧含量由5.8×10-6进一步降低到5.4×10-6(偏心底出钢与倾动式出钢相比，氧含量降低了0.4×10-6)。图10显示了日本山阳轴承钢生产工艺和钢中氧含量的变化。近期从日本访问归来的人讲，山阳特殊钢公司的电弧炉已扩大到150t，该公司炉外精炼工艺模式可以描绘成：90tUHP(150tUHP)-EBT出钢-LF-RH-CC(三流370×470mm坯)，表4是该公司轴承钢的质量水平。
　　6.4德国轴承钢生产技术现状
　　德国是欧洲主要轴承钢生产国之一，紧次于瑞典，克虏伯和蒂森是德国两家典型的轴承钢生产厂，下面以克虏伯为例说明德国轴承钢生产工艺的演变过程。
　　克虏伯钢公司 Sirgen厂有100tUHP电弧炉三座，全部钢液经连铸机铸成265mm×135mm坯，年产特殊钢800,000t ,其中可热处理钢35%，表面硬化钢30%，弹簧钢15%，冷、热锻造钢8%，轴承钢7%，其它如工具钢5%，克虏伯钢公司对炼钢和精炼工艺作过三次改造。
　　次改造(1978年)，为100tUHP电弧炉配备VD钢包脱气站，炉子无渣出钢后，在包中进行脱气和成分调整，由连铸机拉坯，这个阶段没有钢包加热装置，为了补偿脱气过程中的温度损失，要求出钢温度高于1750℃，其工艺为：100tUHPEAF-无渣出钢-VD-CC。
　　第二次改造(1983年)，主要增加了钢包加热装置-LF炉，降低了出钢温度(加热装置的建设利用了退役电弧炉的炉盖、电极和变压器，投资费用不大)。同时还添置了喂线设备，操作顺序为：100tUHPEAF-无渣出钢-VD-LF加热-喂线-CC。
　　第三次改造(1986年)，第三次改造的特点是设备的现代化，工序合理化。1986年新设计一台LF炉，同时用RH脱气装置取代VD。VD、RH都与电炉合金加料系统相连，合金可以在控制的加料速度下无阻断地连续加入钢包。出钢时随钢流加铝脱氧，然后在RH脱气过程中进行微调，Z后喂线处理，再用氩气弱搅拌改善清洁度，精炼操作顺序与第二阶段相比也有所改变：135tUHPEAF-无渣出钢-LF炉加热-RH脱气-FT(喂线终处理)-CC。
　　6.5国外轴承钢生产工艺特点
　　(1)炉子大型化
　　由电炉或转炉提供粗钢水，炉子容量大，减少了与耐火材料之间的接触，大大提高了生产率，降低了生产成本。
　　(2)除渣
　　为了冶炼出氧含量很低的钢，必须把带有氧化反应的熔炼过程与精炼过程分开进行，国外普遍采用无渣出钢(如EBT)、真空吸渣和换钢包除渣等技术将氧化渣彻底排除。山阳特殊公司采用无渣出钢后，氧含量降低0.4×10－6。
　　(3)Al脱氧
　　由于动力学的原因，在精炼过程中，真空下碳脱氧速度很慢，并且效果差，如果只采用真空碳脱氧工艺生产，钢中氧含量高达20×10－6以上。因此，为了提高钢的纯净度，必须在精炼前预先采用铝沉淀脱氧。
　　(4)高碱度渣精炼
　　国外轴承钢普遍采用高碱度渣精炼，一般将碱度(CaO/SiO2)控制在4~6之间(见表5)。

　　(5)搅拌钢液、钢包加热
　　为了改善精炼过程中物理化学反应的动力学条件，对钢液进行搅拌必不可少，在各种炉外精炼装置中，为了加强脱氧和去除夹杂，广泛使用吹氩搅拌和电磁感应搅拌(当然也包括RH的循环搅拌)方法。电磁感应搅拌比吹氩搅拌所消耗的能量高，能较快地使钢液均匀化，特别是包壁附近得到了很好搅拌，铝脱氧产物的绝大部分被吸收到耐火材料上，少部分进入渣中。感应搅拌除了设备昂贵外，对于促进钢渣反应也不那么有效。钢包吹氩搅拌设备简单，能够达到有效的搅拌并能促进钢渣反应及真空下的金属精炼，但在包底，特别是在包壁附近没有搅拌，这是吹氩搅拌的不足之处。总之为了保证长时间充分搅拌，补偿其温降，精炼炉必须具备加热功能。
　　(6)连铸
　　连铸工艺始于50年代，但是对高碳铬轴承钢来说，由于碳含量较高以及对钢的夹杂物和碳化物要求较为苛刻，生产的铸坯容易产生偏析、缩孔和裂纹等缺陷，所以在特殊钢连铸中轴承钢较为困难，发展也较慢。Z近十几年来，随着钢水二次精炼、保护浇注、电磁搅拌和二次冷却技术的发展。连铸轴承钢技术也相应得到了发展。日本和德国的一些特殊钢公司在70年代末，80年代初期开始采用连铸机生产轴承钢。如山阳特殊钢公司于1982年建成连铸机，并用于轴承钢生产，由于采用了全密封浇注，氧含量比模铸低2.5×10－6。但也有人认为连铸轴承钢材不适用于制造滚动体。例如，瑞典SKF公司Ovako 厂1991年投产的新车间仍沿用模铸生产轴承钢，美国Timken公司1985年投产的新车间，就没有采用连铸，估计轴承钢的生产以后会越来越多地采用连铸。1986和1991年在ASTM举办的轴承钢会议上，很多厂家就主张连铸。总之，轴承钢连铸仍然是一个有争议的课题。到目前为止，还没有一篇文章报道，彻底解决了轴承钢连铸坯的中心碳偏析问题。
　　7. 国内轴承钢的生产技术现状
　　中国的轴承钢生产从50年代开始起步，通过40余年的发展，近几年来在产量上均达到年产600,000t以上，基本上满足了国内轴承行业的需求。特别是通过近十几年来积极采用标准，不断更新工艺装备及工艺技术，在质量上有了新的飞跃，品种结构上也有一定的改善，尤其是在提高钢的纯洁度和改善钢的碳化物均匀性方面取得了不少进步，目前我国炉外精炼轴承钢已占轴承钢总产量的60%以上，大冶特殊钢股份有限公司与上钢五厂80年代末已经实现了100%炉外精炼。
　　7.1工艺
　　我国轴承钢的生产，长期采用10～30t小容量电弧炉单炼，氧含量多在30×10－6左右，Al2O3夹杂及点状夹杂物含量很高；1967年引进RH装置对100t碱性平炉钢液进行脱气处理，氧含量降到20×10－6左右；80年代初开始大力推进炉外精炼技术，相继建立了EAF＋LFV、EAF＋VAD、EAF＋吹氩或喂丝等，85年又投产两座50t高功率电弧炉和一台60tVAD钢包精炼炉，标志着我国轴承钢生产进入炉外精炼时代，特别是近几年来主要特钢厂都进行了大规模技术改造，如冶钢建成了60t超高功率电弧炉(ABB)－60tLF＋VD精炼炉(Danieli)－连铸(Krupp)－650mm连轧(Pomini)。上五建成了100tEAF－100tLF＋VD－CC－连轧等现代化生产工艺路线，其中主体设备达到了90年代水平，预计不久的将来我国轴承钢的生产，将要跃上一个新的台阶，主要质量指标将达到先进水平。
　　7.2产量、质量和品种结构
　　表6~8示出了我国近几年来主要轴承钢生产厂家的产量、产品结构和氧含量的变化。从量方面看，我国轴承钢产量已达60万吨左右，实际上2000年轴承钢产量已达80万吨，跃居世界轴承钢生产大国行列，日本大体稳定在60万吨，瑞典SKF公司70万吨。
　　我国高碳铬轴承钢的产量已经不少，关键的问题是提高材料利用率。在这方面与先进的工业国家相比差距较大，日本、瑞典、德国在70年代末的利用率已经达到60~62％，而我国到目前为止还不到40％。近年来，日本的轴承产量已达24~25亿套/年，而轴承钢的产量并未增加。我国轴承钢产量与之相近，但轴承产量只有8~9亿套/年。造成我国轴承钢材利用率低的原因。除了轴承生产工艺落后以外，轴承钢材品种结构不合理也是原因。从表中可以看出，我国的棒材比重很大(占80％以上)，管材几乎为零，瑞典、日本的管材都在20％以上；我国的线材、带材比重仍然较低。目前我国轴承钢管生产能力已有6～8万吨/年。但市场不景气，希望轴承行业多使用管材以提高材料利用率。从表7中可以看出，我国轴承钢的氧含量水平很不平衡，采用炉外精炼工艺氧含量都达到20×10-6以下。近年来，抚钢、大冶和上钢五厂等厂的轴承钢氧含量已经达到了相当不错的水平。但是国产轴承钢与瑞典SKF、日本山阳等先进厂家相比还存在一定的差距，主要表现在以下三个方面：一是钢中微量杂质元素含量偏高，例如Ti含量偏高，普遍在30×10－6以上，不能满足先进的轴承钢标准要求，限制了轴承钢大量出口；二是表面质量差(包括尺寸精度、表面裂纹和脱碳等)；三是内部质量不稳定，波动范围大。因此，有必要对我国轴承钢的生产工艺及冶金质量进行更为细致的研究工作。

　　8. 结束语
　　轴承钢是纯净钢代表钢种之一，为了提高轴承接触疲劳寿命，要降低钢中氧和钛含量及其它有害元素含量，并要求钢中的非金属夹杂物和碳化物细小弥散分布，同时要求钢材尺寸精度高和优良的表面质量，轴承钢质量不仅与炼钢、精炼、连铸有关，还和轧钢、热处理工艺密切相关。
　　首钢试制轴承钢，可提高知名度，而且适合首钢的发展趋势，其产品技术含量大，难度高，同时附加值高，试制将促使冶炼、轧钢、热处理和理化性能检验水平全面提高，并能够严格操作和严格管理。
　　目前三炼钢已具有生产轴承钢的硬件设备，而且2003年矩形坯铸机将应用末端电磁搅拌以及新上铸坯缓冷坑等技术，有可能生产[O]小于15PPM和[Ti]小于20PPM的高碳铬轴承钢矩形坯，另外研究人员有博士、硕士和经验丰富的工程技术人员，能够满足轴承钢试制的需要。