國(guó)外超純凈軸承鋼的工藝特點(diǎn)

軸承鋼質(zhì)量的優(yōu)劣主要從三個(gè)方面來衡量：一是純凈度，即鋼中夾雜物的含量，主要是氧化物的含量;二是軸承鋼的均勻性，一般指夾雜物的形態(tài)和分布;三是鋼材的表面質(zhì)量，包括尺寸精度和表面裂紋等。

材料的純凈度是指材料中的夾雜物含量。目前國(guó)內(nèi)外軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)都嚴(yán)格控制鋼中的含氧量，因?yàn)殇撝械难趸旧鲜且詩(shī)A雜物的形式存在的。瑞典SKF公司和日本山陽(yáng)特殊鋼公司在軸承鋼氧含量與疲勞壽命關(guān)系方面的大量試驗(yàn)研究明確表明：當(dāng)氧含量從非精煉鋼的40×10-6降到精煉鋼的10×10-6時(shí)，軸承的疲勞壽命可延長(zhǎng)10倍，降到5×10-6時(shí)可延長(zhǎng)30倍，與真空自耗和電渣重熔鋼的疲勞壽命相當(dāng)。軸承鋼的均勻性是指材料的化學(xué)成分、內(nèi)部組織等的均勻程度。

對(duì)于純凈度、均勻性的控制是提高軸承鋼質(zhì)量、延長(zhǎng)其使用壽命的關(guān)鍵，也是國(guó)外企業(yè)軸承鋼生產(chǎn)研究的重點(diǎn)。

日本山陽(yáng)特鋼降氧工藝“延壽”顯著

以降氧為特點(diǎn)的超純凈軸承鋼生產(chǎn)工藝。日本山陽(yáng)特殊鋼公司對(duì)軸承鋼的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量要求精益求精，為獲得更高質(zhì)量的軸承鋼，近幾年來他們開發(fā)出SNRP(SanyoNewRefiningProcess)超純凈軸承鋼的生產(chǎn)工藝，使鋼中的氧含量達(dá)到5×10-6以下，鋼中氧化物夾雜的尺寸達(dá)到11μm以下。SNRP超純凈軸承鋼的生產(chǎn)工藝如下：高功率電爐初煉(90t～150t)→鋼包爐精煉→偏心爐底出鋼→RH精煉→完全垂直連鑄CC/模鑄IC→均熱→初軋開坯→鋼坯清理→行星軋機(jī)、連軋精軋→無(wú)損在線檢測(cè)→連續(xù)爐球化退火→檢驗(yàn)入庫(kù)。

該工藝的要點(diǎn)為：第一，在電弧爐冶煉時(shí)采用較高的出鋼溫度(1670℃)以便延長(zhǎng)真空處理時(shí)間，鋼水在氧化狀態(tài)下由偏心爐底出鋼;第二，在LF爐精煉過程中，采用高堿度操作，鋼液溫度為1520℃~1570℃，LF精煉時(shí)間大于45分鐘，以便脫硫、調(diào)整化學(xué)成分和加熱;第三，采用高堿性渣和高攪拌能量;第四，在RH精煉操作過程中，做到真空室內(nèi)不進(jìn)渣，真空度達(dá)到13.33Pa，RH真空脫氣時(shí)間大于40分鐘;第五，完全保護(hù)澆鑄，采用全封閉連鑄。

軸承鋼疲勞壽命大大延長(zhǎng)。山陽(yáng)特鋼把這種SNRP工藝生產(chǎn)出的軸承鋼稱為超純凈(Super-CleanSteel)軸承鋼，把按傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的氧含量為(4~6)×10-6，氧化物夾雜尺寸在20μm以下的軸承鋼稱為高純凈(High-CleanSteel)軸承鋼。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)SNRP工藝生產(chǎn)的超純凈軸承鋼的接觸疲勞壽命明顯延長(zhǎng)。

山陽(yáng)特鋼生產(chǎn)的軸承鋼質(zhì)量水平整體較高，主要表現(xiàn)在：第一，軸承鋼中氧含量很低，為5×10-6，從而必然減少了氧化物夾雜的數(shù)量。第二，連鑄材的鋼中氧含量比模鑄材的鋼中氧含量平均可降低2.6×10-6，達(dá)到真空電弧爐氧含量的水平，并且連鑄軸承鋼的接觸疲勞壽命至少是模鑄鋼的2倍。第三，鋼中夾雜物少，用SAM評(píng)級(jí)法測(cè)定連鑄材和模鑄材的非金屬夾雜物級(jí)別，結(jié)果表明：連鑄鋼的B類夾雜物級(jí)別是0.06，模鑄鋼的B類夾雜物級(jí)別是0.4級(jí)，前者約為后者1/7;連鑄鋼的D類夾雜物為0.06級(jí)，模鑄鋼的D類夾雜物為0.8級(jí)，前者約為后者的1/13。第四，鋼中的化學(xué)成分控制準(zhǔn)確，波動(dòng)范圍小，有害元素含量少。

采用SNRP生產(chǎn)的軸承鋼，其鋼中氧含量和接觸疲勞壽命與采用VAR法(真空自耗電弧熔煉)熔煉的鋼相同。SNRP工藝生產(chǎn)的超純凈軸承鋼與標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)的6206型深溝球軸承鋼的軸承壽命試驗(yàn)表明，由于減少了大量的氧化物夾雜，SNRP工藝軸承鋼的疲勞壽命較傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的軸承鋼延長(zhǎng)了5倍。

日本大同特鋼減少鈦系夾雜減輕“疲勞度”

大同特鋼的知多工廠及其研究所最近開發(fā)出MRAC-SSS工藝(Multi-functionRefining&AdvancedCasting-Special&Soaking)生產(chǎn)軸承鋼，其生產(chǎn)工藝具有如下特點(diǎn)：

第一，使鋼液實(shí)現(xiàn)低氧含量化。電弧爐出鋼時(shí)去除100%氧化渣，LF鋼包精煉爐用CaO·CaF2造渣，并采用鋁終脫氧，因此在LF處理后鋼中氧含量達(dá)到極低的狀態(tài)。然后在RH爐中采用極高的真空度，并且進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的脫氣處理，實(shí)現(xiàn)低氧含量化。同時(shí)嚴(yán)格控制鋼水再氧化，在整個(gè)澆鑄階段實(shí)現(xiàn)保護(hù)，在全封閉的中間包中進(jìn)行連鑄，通過低氧含量化工藝和保護(hù)性澆鑄達(dá)到氧含量≤5×10-6。

第二，促進(jìn)夾雜物上浮，減少鋼中夾雜物含量。在生產(chǎn)過程中的每個(gè)步驟都注意對(duì)夾雜物上浮的控制：精煉時(shí)在RH爐中通過確保循環(huán)時(shí)間促進(jìn)夾雜物的上浮分離;在連鑄過程中通過中間包內(nèi)配備合適的堰壩促進(jìn)夾雜物上浮分離;同時(shí)采用立彎式連鑄機(jī)、圓形結(jié)晶器內(nèi)的電磁攪拌以及適當(dāng)?shù)蔫T造速度，也可以使夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)上浮分離。

第三，減少鈦系夾雜物。嚴(yán)格選用低鈦含量的廢鋼及爐料，電弧爐煉鋼時(shí)在氧化期設(shè)法把Ti以TiO2的形式去除，以降低鋼中的鈦含量，并在LF爐中采用適當(dāng)?shù)臓t渣組成進(jìn)行脫鈦。同時(shí)，降低鋼中氮含量，在LF爐中徹底去除鋼中的硫和氧，有利于去除氮元素，在RH爐中充分保證攪拌時(shí)間和脫氧時(shí)間，有利于脫氮反應(yīng)，確保鋼中氮含量達(dá)到30×10-6以下。由于鋼中鈦和氮的含量降低，保證了鋼中具有低含量的鈦系夾雜物。

大同特鋼生產(chǎn)采用MRAC-SSS工藝生產(chǎn)的高質(zhì)量軸承鋼，其鋼中氧含量≤5×10-6，可以低到3.4×10-6;鈦含量≤5×10-6;氮含量≤30×10-6，并且可以得到極細(xì)小的氧化物夾雜和鈦系夾雜物。采用MARC工藝后，鋼中未發(fā)現(xiàn)≥7.5μm的Al2O3氧化物夾雜，并且鋼中幾乎不存在CaO-Al2O3系夾雜物。鋼中鈦的夾雜物含量少，尺寸細(xì)小。采用MRAC-SSS工藝生產(chǎn)的超純凈軸承鋼的接觸疲勞壽命得到延長(zhǎng)，較傳統(tǒng)精煉工藝生產(chǎn)的軸承鋼長(zhǎng)25%以上。

日本神戶和JFE鐵水預(yù)處理“提純”

神戶制鋼是日本五大鋼鐵公司中生產(chǎn)規(guī)模最小的鋼鐵企業(yè)，但它的特殊鋼比例最高，也是世界上特殊鋼的主要生產(chǎn)廠之一。

該公司生產(chǎn)軸承鋼的工藝流程是：高爐→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉→除渣→LF精煉→RH處理→連鑄→軋制。此工藝所煉軸承鋼中，氧含量約為9×10-6，鈦含量約為15×10-6。

該工藝首先通過爐外鐵水預(yù)處理進(jìn)行除硫、除磷，鐵水中的硫和磷含量被預(yù)先降低到0.010%以下。隨后在頂吹轉(zhuǎn)爐中脫碳和除鈦，減少鋼中的總氧量和鈦含量。脫碳后，將鋼水倒入鋼包，盡可能地從鋼包中除掉含有較多FeO-MnO-Al2O3的爐渣，然后在LF爐中進(jìn)行精煉和脫氣。連鑄機(jī)的中間包處安裝了一臺(tái)感應(yīng)加熱器，以保證合適的澆注溫度，進(jìn)一步減少氧含量和降低偏析。在連鑄機(jī)出口處鋼水完全凝固之前，采用在線輕壓下的方法進(jìn)一步降低中心偏析。

該工藝的特點(diǎn)之一是，盡量降低氧化物夾雜和鈦系夾雜物。該公司采用鐵水預(yù)處理工藝，經(jīng)充分脫磷、脫硫后的鐵水，在轉(zhuǎn)爐中脫碳。轉(zhuǎn)爐的爐渣屬于氧化性爐渣，為降低氧化物夾雜，須進(jìn)行爐渣分離(排渣)，盡可能做到不使氧化物夾雜流入鋼包。在隨后的鋼包精煉(加熱、脫氣)以及連鑄工序中，為防止大氣引起的再氧化，要用惰性氣體進(jìn)行密封，其管理也比普通鋼材更加嚴(yán)格。在調(diào)包精煉時(shí)，采用適當(dāng)?shù)臓t渣，并進(jìn)行充分的攪拌而使氧化物夾雜(主要為含有Al2O3的物質(zhì))從鋼液中上浮分離。在連鑄工序中采用串聯(lián)碟形加熱器，促使鋼液中的夾雜物上浮分離。降低鈦系夾雜物最主要的解決方法就是使鋼中的含鈦量盡可能少。鐵合金中常常會(huì)帶入鈦元素，因此在冶煉時(shí)必須設(shè)法去除。通常情況下，鉻鐵是在鋼包精煉工序中添加到鋼液中的，但在這一階段，由于鋼液中的氧濃度低，因此把鈦?zhàn)鳛檠趸锶コ抢щy的。神戶鋼鐵公司采取在氧濃度較高的轉(zhuǎn)爐中，在脫碳精煉時(shí)向鋼液中加人鉻鐵，使鉻鐵中的鈦?zhàn)鳛檠趸?TiO2)被吸收到轉(zhuǎn)爐渣中從而被去除，使鋼液中的鈦含量降低到7×10-6左右。

采用連鑄工藝，減少連鑄坯的中心偏析。為改善軸承鋼連鑄坯的中心偏析，該公司采用的是彎曲型大方坯連鑄機(jī)，同時(shí)在結(jié)晶器內(nèi)和凝固末期安裝了電磁攪拌裝置。對(duì)于SUJ2之類的鋼種來說，由于固液共存區(qū)較廣，凝固末期可以移動(dòng)的黏稠鋼區(qū)也較廣，容易產(chǎn)生明顯的中心偏析，僅在結(jié)晶器內(nèi)或結(jié)晶器下方攪拌所增加的等軸晶對(duì)中心偏析的改善效果不大。在軸承鋼鋼水平均固相率占0.1%~0.2%時(shí)，凝固末期是攪拌的最佳時(shí)間。由于阻礙了黏稠鋼水的等軸晶區(qū)移動(dòng)，改善中心偏析的效果非常好。

神戶制鋼開發(fā)出的超純凈鋼，其鋼中氧含量為4×10-6，鈦含量為7×10-6。超純凈軸承鋼的夾雜物個(gè)數(shù)少，最大夾雜物粒徑也小。對(duì)非金屬夾雜物采用酸溶解法進(jìn)行評(píng)價(jià)，超純凈軸承鋼的非金屬夾雜物最大粒徑為23μm~27μm，按傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的軸承鋼的非金屬夾雜物最大粒徑為50μm~52μm，兩者相差在1倍左右，超純凈軸承鋼的非金屬夾雜物的晶粒尺寸更為細(xì)小。超純凈軸承鋼不僅Al2O3夾雜物的粒徑更小，而且鈦系夾雜物的含量也較少，顆粒也較細(xì)小。接觸疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果表明，超純凈軸承鋼的接觸疲勞壽命是傳統(tǒng)鋼的2.6倍。

JFE鋼鐵公司川崎制鐵廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)軸承鋼的工藝流程為：高爐→鐵水預(yù)處理(脫硫、脫磷)→轉(zhuǎn)爐吹煉(頂?shù)讖?fù)吹每次裝載180t)→除渣→鋼包精煉→真空處理(RH)→連鑄(4流連鑄機(jī)，400mm×560mm)→均熱→開坯(150mm方坯)→鋼坯修磨(研磨修理)→棒材軋制。

該公司在鐵水預(yù)處理階段分別將磷含量和硫含量降至≤0.015%和0.005%的超低水平，故在隨后的轉(zhuǎn)爐吹煉中可確保最終碳含量達(dá)到0.90%左右的高水平，從而盡可能減少鋼中的氧和氧化物夾雜含量，確保鋼的高純凈度。此外采用擋渣出鋼技術(shù)，盡量使渣不流入鋼包中。在鋼包精煉中，加入CaO-SiO2-Al2O3精煉渣實(shí)現(xiàn)堿度、黏度和熔點(diǎn)的最佳化，隨后吹入氬氣進(jìn)行強(qiáng)攪拌，再在RH爐中進(jìn)行大循環(huán)量的脫氣，使鋼液中非金屬夾雜物上浮，提高鋼的潔凈度。連鑄工序中實(shí)施密封連鑄，鑄出400mm×560mm的大斷面連鑄坯。

瑞典OVAKO熔煉+精煉工藝減少夾雜物

瑞典OVAKO鋼鐵公司冶煉軸承鋼有著悠久的歷史。OVAKO公司生產(chǎn)的軸承鋼以高的純凈度、化學(xué)成分的穩(wěn)定性、鋼材的疲勞強(qiáng)度及均勻一致的淬透性和良好的切削加工性聞名于世。其SKF公司鋼廠開發(fā)出雙殼型電弧爐(有2個(gè)爐體)熔煉工藝與裝備，并且與SAEA-SKF鋼包精煉二者相匹配的雙聯(lián)工藝，形成舉世聞名的SKF-MR(熔煉+精煉)煉鋼工藝。該工藝的流程是：雙殼爐熔煉(碳，磷含量調(diào)整到允許值)→除渣→加鋁脫氧→合金化→加熱→脫硫→真空或非真空電磁攪拌加吹氫攪拌→鋼錠模鑄錠→鋼錠均熱→初軋機(jī)開坯→行星軋機(jī)、精軋機(jī)→在線無(wú)損檢測(cè)→連續(xù)爐球化退火→檢驗(yàn)入庫(kù)。

在該工藝中，除了脫磷外，熔煉后所有的工序均可在鋼包爐內(nèi)完成。在鋼包爐內(nèi)加熱，利用鋁沉淀脫氧，配以強(qiáng)烈的電磁攪拌，使脫氧產(chǎn)物有充分的時(shí)間分離，可以使氧含量和夾雜物含量達(dá)到極低的程度。

OVAKO公司生產(chǎn)的超純凈軸承鋼的質(zhì)量有以下特點(diǎn)：第一，鋼中氧含量很低。OVAKO公司的軸承鋼中氧含量逐年下降，并且其標(biāo)準(zhǔn)偏差值也在逐年下降，說明含氧量在不斷下降的同時(shí)其氧含量的穩(wěn)定性也在不斷增強(qiáng)。分析得出，OVAKO公司的軸承鋼氧含量波動(dòng)范圍均在(3.5~6)×10-6。第二，鋼中鈦含量很低。OVAKO公司生產(chǎn)的軸承鋼中鈦含量波動(dòng)在(8~12)×10-6的范圍內(nèi)。第三，鋼中氫含量很低。氫為間隙元素，對(duì)軸承鋼有害無(wú)益。溶解于鋼水中的一定量氫經(jīng)凝固后，在壓力加工應(yīng)力條件下，會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷，且分布極不均勻，常規(guī)檢驗(yàn)不易發(fā)現(xiàn)。氫一般應(yīng)在鋼液條件下進(jìn)行測(cè)定，在鋼材中測(cè)定無(wú)意義，這是因?yàn)闅鋾?huì)在鋼坯、材加熱或退火時(shí)以極快速度逸出，而所形成的白點(diǎn)卻依然存在。OVAKO公司鋼液中的氫含量均≤1×10-6。

德國(guó)蒂森克虜伯無(wú)預(yù)處理真空脫氣

德國(guó)蒂森克虜伯公司是歐洲的主要軸承鋼生產(chǎn)廠家之一，該公司在生產(chǎn)過程中未采納鐵水預(yù)處理過程，其主要軸承鋼生產(chǎn)工藝路線有兩種：一是EAF(110t，EPT)熔池?cái)嚢?、中心底出鋼→鋼包精煉LF→VD→連鑄CC(2流連鑄機(jī)，265mm×385mm);二是BOF(140t)→TBM→RH脫氣和鋼包精煉LF→連鑄CC(6流連鑄機(jī)，265mm×385mm)。

在第一種工藝中，鋼桶處理采用真空碳脫氧，在處理結(jié)束時(shí)，在真空下鋁脫氧，最后用平穩(wěn)的氫氣清洗以去除脫氧產(chǎn)物。對(duì)于第二種工藝，采用無(wú)渣出鋼，在出鋼過程中，進(jìn)行合金化，并一次性加足脫氧劑。出鋼后，鋼液分成二步：RH真空脫氣，使氫小于2×10-6;同時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)合金化，在白云石襯鋼桶中在規(guī)定渣下弱攪拌處理。兩種工藝都配有喂線裝置，可以加鈣、鋁等。

總結(jié)其工藝特點(diǎn)為：第一，由于沒有鐵水預(yù)處理，為降低鋼水中磷的含量，140噸轉(zhuǎn)爐采用低碳出鋼，吹煉后期脫磷，終點(diǎn)碳控制在0.03%～0.04%。第二，轉(zhuǎn)爐無(wú)渣出鋼至白云石襯鋼包內(nèi)。第三，出鋼過程合金化，加少量鋁脫氧;第四，RH脫氣處理。采用這二種工藝生產(chǎn)的軸承鋼氧含量都在(6~10)×10-6，氫含量≤2×10-6。由于氧含量和氫含量的大幅降低，其形成的氧化物夾雜的量減少，使軸承鋼的疲勞壽命得到了延長(zhǎng)。

編后

總結(jié)上述國(guó)外企業(yè)軸承鋼生產(chǎn)工藝，最主要的工藝路線有兩種：以日本山陽(yáng)特鋼為代表的大型超高功率電弧爐→LF→RH→完全垂直連鑄的生產(chǎn)工藝路線;以O(shè)VAKO公司為代表的SKF雙殼型電弧爐→ASEA-SKF鋼包精煉爐→模鑄的生產(chǎn)工藝路線。這兩種工藝路線都可以生產(chǎn)出超純凈軸承鋼，其關(guān)鍵點(diǎn)就是要控制軸承鋼中氧化物夾雜和鈦系夾雜的數(shù)量、形狀和分布，其主要手段就是控制鋼中的氧含量和鈦含量。瑞典和日本的軸承鋼代表當(dāng)代世界軸承鋼生產(chǎn)質(zhì)量的最高水平。從夾雜物的角度而言，日本主要側(cè)重從降低氧含量著手，通過氧含量降低來達(dá)到減少夾雜物的目的。而瑞典重在控制夾雜物的形狀和分布。

這些企業(yè)的生產(chǎn)工藝實(shí)踐給予我們一定的啟示：我國(guó)的軸承鋼生產(chǎn)應(yīng)進(jìn)一步降低鋼中氧含量，縮小其波動(dòng)范圍，還應(yīng)在降低夾雜物的含量，使鋼中夾雜物特別是氧化物夾雜的顆粒比較細(xì)小，分布比較均勻等方面進(jìn)行深入的研究，從而提高鋼材的均勻性和穩(wěn)定性，生產(chǎn)出高質(zhì)耐用的超純凈軸承鋼。