濟南銘揚軸承有限公司介紹軸承用鋼的冶煉技術(shù)

軸承鋼冶煉工藝精整棒材檢測標準鋼軋材真空處理鋼

鋼中氧含量的降低直接影響鋼中夾雜物的多少，進而影響軸承鋼的接觸疲勞壽命。有資料顯示，鋼中氧含量L10有如下關(guān)系：

L10（相對壽命）=372[O]-1.6
式中 [O] 為鋼中氧含量，10-6。

各種先進的冶煉技術(shù)的采用所帶來的顯著的效果之一是鋼中氧含量的降低，由20世紀60年代初的30×10-6下降到的（3~5）×10-6，L10為未采用真空脫氣前的30倍以上。

1真空脫氣及爐外精煉技術(shù)

1964年開始應(yīng)用鋼包脫氣法，即把鋼包放在真空室內(nèi)，通人惰性氣體進行攪拌，使其壓力下降到66.5Pa（0.5托）實現(xiàn)脫氣，使鋼中氧含量從(25~35)×10-6下降到(15~20)×10-6。這種方法不足之處是使堿性大的爐渣也同樣攪拌，鋼的純凈度難以大限度地提高。為解決此問題，1968年開始引進提升脫氣法(RH法)在13.3Pa（0.1托）的高真空下，鋼中的氫、氧被脫去，降低夾雜物，而爐渣不被卷人。60t高功率電爐的使用加上RH脫氣，使鋼中氧含量從(15~20)×10-6下降到(8.3~15)×10-6。1974年以后，為了配合超高功率電爐的合理使用，引進了鋼包精煉技術(shù)（LF法），即鋼包帶有加熱、攪拌和真空脫氣裝置，在鋼包內(nèi)完成還原期，形成還原性爐渣，并脫氧、脫硫、脫氫，還能控制鋼液溫度、鋼液的成分精度和澆注時間。此階段UHP爐應(yīng)用+LF+RH法聯(lián)合使用，使鋼中氧含量降到(5~10)×10-6，這對于與連續(xù)澆注相匹配是必不可少的。此外，為進一步改善真空脫氣的效果，還開發(fā)和采用了霧化真空脫氣法、循環(huán)真空脫氣法(通稱DH法)生產(chǎn)真空脫氣軸承鋼。

2 真空冶煉

在軸承鋼冶煉時，施以真空，不但可避免鋼水的氧化還可對鋼水進行脫氧，獲得比真空脫氣更高的純凈度。具體方法有以下幾種[2]：

2.1真空感應(yīng)治煉法(VIM法)

在真空感應(yīng)冶煉時,挑選基本不含雜質(zhì)、化學成分與冶煉合金鋼等級相當?shù)膹U鋼送入小型電感應(yīng)爐中，這種爐子置于大型真空室內(nèi)，真空室內(nèi)包括一個密封料斗以添加所需合金。早在快速熔化和精煉期間就開始鋼水的脫氣，冶煉完成后，讓爐子傾斜并將鋼水注入鋼鑄模。在真空密封室內(nèi)，鋼鑄模自動進人和退出澆注位置。這種真空感應(yīng)冶煉爐工藝是用來制造優(yōu)質(zhì)航空軸承鋼的早真空冶煉方法之一。，它的主要作用之一是提供用于生產(chǎn)超高純度真空電弧重熔鋼的電極。

2.2真空電弧重熔法(VAR法)

這種工藝是將具有理想化學成分的一個電極置入一個周圍用水冷卻、內(nèi)部為真空的銅模中。電弧產(chǎn)生于電極底面和同樣合金成分的基板之間。在極高真空度下當電極損耗時，它會自動下降，并且控制電壓以維持恒定的冶煉參數(shù)。因為對凝固方式進行了控制，所以重熔鋼基本上無中心氣孔和澆鍵分凝。重熔鋼改善了力學性能,特別是橫向方向的力學性能。

2.3其他真空冶煉技術(shù)

為了得到更高純潔度的鋼，有時把兩種真空冶煉技術(shù)聯(lián)合使用或一種真空冶煉技術(shù)多次使用。

VIM+VAR：用VIM法生產(chǎn)的鋼作VAR的電極，該電極自耗重熔后其純凈度又一次提高，同時改善內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)使之更均勻。其氧含量達8×10-6以下，與脫氣鋼比，它的材料致密度高，晶粒細小均勻，大大提高了力學性能。歐美的軍用航空發(fā)動機軸承用鋼即用此法冶煉。

多次VAR：用VAR法生產(chǎn)的軸承鋼棒重新作為自耗電極，進行二次、甚至三次VAR處理。美國波音飛機發(fā)動機軸承規(guī)定用此鋼材。

VIM+ESR： 世界的英國斯貝航空發(fā)動機公司規(guī)定所用的高速鋼MSRR6015必須用VIM+ESR法生產(chǎn)。

3 其他冶煉技術(shù)

3.1 熔煉設(shè)備的大型化

自1965年后，逐步引入電爐快速冶煉法UHP（Ultra High Power）及超UHP（Super UHP），其大的特點是通入爐內(nèi)的電量是傳統(tǒng)方法的2~3倍，甚至更高，變壓器及爐子的容量也同時大型化，縮短了冶煉時間，提高了生產(chǎn)率。爐子的容量由30t到150 t，生產(chǎn)率由15t/h提高到125t/h。

采用巨型鋼包(70~150t)、巨型盛鋼桶(70~150t)，大型連鑄坯(370mm×470mm×2000mm)，大型鋼錠（重7~10t，大頭450mm×450mm），大型開坯、軋制設(shè)備，大型1300C重油高溫擴散爐、正火爐、大型連續(xù)式氣體保護球化退火爐，從而保證軸承鋼的碳化物不均勻性和表面脫碳層得以良好地控制。

3.2 連續(xù)澆鑄的引進

50年代以前均采用頂鑄法，50年代以后采用底鑄法，相繼采用防氧化覆蓋劑，惰性氣體保護，提高底板磚材質(zhì)等措施，使底鑄法鑄成的鋼錠的純潔度也有較大提高。從1982年開始引進大斷面(370mm×470 mm方坯)垂直式連續(xù)澆鑄技術(shù)使軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)又上了一個新臺階。在連續(xù)鑄坯的過程中采取有效措施隔絕鋼水與空氣接觸，嚴格控制耐火材料質(zhì)量，使鋼坯的含氧量得以很好地控制，達到(3~8)×10-6范圍內(nèi)。由于凝固階段采用大功率電磁攪拌裝置，還能大大改善結(jié)晶組織。

3.3 偏心爐底出鋼(EBT)

通常出鋼是傾斜爐體,通過出鋼槽,把鋼水倒人鋼包。1986年開始采用偏心爐底出鋼，即在電弧爐底的偏心一側(cè)下方開出鋼口，這樣可以在出鋼前放出鋼液面上的爐渣再由底部出鋼，使鋼水與酸性爐渣分開，便于LF鋼包精煉，可以更穩(wěn)定地煉出高純潔度的鋼，同時提高了生產(chǎn)效率。測試表明，采用EBT，其氧含量可以進一步下降(平均降低0.4×10-6)。突出優(yōu)點是改善夾雜物形態(tài)，使對接觸疲勞壽命影響壞的B類粗系列和D類粗系列夾雜物得到明顯改善。

3.4電渣重熔法(ESR)

電渣重熔工藝除了位于電極底部的渣液池形成熔化所需的電阻外,類似于自耗電極真空冶煉工藝。既可以將熔化狀態(tài)的渣池送入爐膛，也可以提供粉末渣，在底板和電極之間觸發(fā)電弧時粉末渣快速熔化。當鋼水滴通過渣池時，鋼水實現(xiàn)了精煉。通過控制渣的成分可以脫去硫、氧和其他有害的雜質(zhì)。后形成的鋼錠凝固方式減少了孔隙，將偏析降至限度，并改善了鋼鍵橫向和縱向方向的物理性能。作為生產(chǎn)高品質(zhì)鋼的一種方法，還將繼續(xù)使用或與其他冶煉方法配合使用。

另外，實現(xiàn)鋼錠、鋼坯的表面質(zhì)量在線清理,同時有嚴格的在線無損探傷裝置，分別用四種方法(渦流、磁粉、漏泄磁束和超聲探傷法)共進行4~7次探傷,充分保證鋼材無裂紋出廠。

4 發(fā)達國家的冶煉技術(shù)

日本在20世紀60年代引進真空脫氣設(shè)備[3，5]；70年代對引進的LF及CC等技術(shù)加以改進；80年代一直致力于開發(fā)所謂的長壽命、超長壽命軸承鋼，如NSK開發(fā)的Z鋼就是其的成果之一[6]。該鋼是在大量的試驗基礎(chǔ)上通過改進煉鋼設(shè)備及冶煉條件而開發(fā)出的成本不高的優(yōu)質(zhì)鋼種。其鈦含量＜0.004％，氧含量＜9×10-6，硫含量＜0.0008％（為降低軸承噪聲）。與一般的真空脫氣鋼（MGH）相比，其軸承壽命（L10）提高了一倍。在此基礎(chǔ)上，對電爐底吹法、LF排渣結(jié)構(gòu)、脫氧方法、LF和RH中的溫控和攪拌進行改進，確立了一套山陽新煉鋼方法SNRP（SANYO New Refining Process）[7]，使鋼的氧含量控制在5×10-6左右，且使用一套全新的夾雜物評定方法（NSK—ISD2法），控制夾雜物的尺寸、形態(tài)和分布，使夾雜物分散均勻的同時，消除大型夾雜物，開發(fā)了超長壽命高可靠性軸承用鋼--EP鋼（Extremely Purified Steel）。其L10為Z鋼的5倍，為一般真空脫氣鋼10倍，達到80倍計算壽命（以大氣冶煉的軸承鋼制軸承的計算壽命L10為1），疲勞極限比Z鋼提高700~900MPa，達到1030MPa。特別適用于脂潤滑及潔凈油潤滑條件下工作、要求高可靠性和超長壽命的軸承，如汽車輪轂部位和相關(guān)電器、鐵路車輛及高速電機軸承等。

瑞典1964年開發(fā)了ASEA-SKF鋼包精煉技術(shù)，將雙殼電爐與此精煉技術(shù)配合使用，稱為SKF-MR法，經(jīng)不斷改進提高，一直沿用至今。該工藝除采用SKF-ASEA鋼包精煉裝置外，還采用一個雙聯(lián)電弧冶煉爐。雙聯(lián)爐具有各帶氧燃料燃燒器的兩個爐罐和兩個爐蓋，一個有石墨電極，另一個沒有電極。一個爐冶煉，另一個爐子進行裝料和預(yù)熱。在冶煉爐中，碳和硫含量調(diào)整到終大極限值以下。然后，將該鋼包鋼水送人具有獨立電極爐蓋的ASEA鋼包精煉爐。這種設(shè)備可以提供許多冶金工藝，包括真空脫氣、脫硫、脫氧和調(diào)整鋼水的化學成分。另外，在溫度嚴格控制的條件下，感應(yīng)攪拌還可以采用鋁進行沉淀脫氧，從而使鋼的氧含量和非金屬夾雜物含量低。

美國1967年開發(fā)了Finkl-VAD鋼包精煉法也不斷攻進提高，沿用至今。其軸承鋼質(zhì)量水平也很好，而且穩(wěn)定可靠，達到國際公認的ASTM A 295標準的水平。這種方法是鋼的冶煉在鋼包爐中進行，這種爐子克服了初電弧熔化爐的通常限制。它裝備有獨立的控制鋼水溫度的電極，并裝備有使鋼水循環(huán)的電磁攪拌器。因此，沒必要像前面描述的各種標準鋼包脫氣工藝那樣需要使電弧爐中鋼水過熱，以補償其后的溫度下降。噴槍可以使粉末狀合金進入鋼包內(nèi)部。使用氫氣作為這些粉末合金的氣體載體，生成的氣泡有助于合金粉末均勻地分布于鋼包。噴槍和添加金屬絲結(jié)合起來可以控制夾雜物形狀、降低硫含量和改善流動性、化學均勻性以及整體的微觀清潔度。鋼包爐技術(shù)能使電弧爐中的廢鋼料迅速熔化，改善其后鋼包爐作業(yè)的精煉能力。該裝置在提高煉鋼經(jīng)濟效益的同時，也改善了鋼材的質(zhì)量。

美國在1986年以后，采用一種高效精煉和相當復(fù)雜的澆注系統(tǒng)相結(jié)合的特殊空氣熔煉法，生產(chǎn)出被稱為Parapromium的一種全新鋼種[8]。該鋼的磁性顆粒限度符合AMS2300標準（1986以前，該標準只適用于真空重熔鋼），其氧含量與真空重熔鋼相近。采用超聲波檢查法檢查夾雜物含量發(fā)現(xiàn)，其夾雜物總長度小于沉淀脫氧+保護性射流澆注生產(chǎn)的E.F.Q.B2型軸承鋼。該鋼有可能代替真空重熔鋼或E.F.Q.B2鋼使用于對鋼的質(zhì)量要求較高的場合。

德國FAG公司近幾年開發(fā)一種新的軸承鋼精煉方法生產(chǎn)所謂的 “無鋁鋼”[9]，即變通常用A1脫氧改為用Si脫氧，雖然比用Al脫氧效果略差[鋼中氧含量高(2~3)×10-6]，但用Si脫氧能減少鋼中脆性的鋁酸鈣、氧化鋁等夾雜物含量，且夾雜物變得細小分散，其有害作用大大降低。據(jù)介紹，FAG公司現(xiàn)用的連鑄軸承鋼均改用此方法脫氧，由于夾雜物形態(tài)變得細小分散，用傳統(tǒng)的標準圖片來檢驗夾雜物已不適應(yīng)，從而研制一種大功率的超聲波夾雜物測定儀器，可以對鋼材進行100％連續(xù)檢驗，同時用此儀器還可檢查鋼材裂紋。

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