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轴承钢认定材料

轴承钢质量认定材料

1、产品研制和生产历史：

莱钢生产轴承钢已经有30多年的历史，一直按照模铸的方法生产，在2001年以前一直按照YB/T9-1968标准生产，2001年底开始按照YJZ84临时供货协议要求对高碳铬轴承钢进行生产，2002年4月份按照GB/T18254-2000标准要求进行生产。

2002年9月特殊钢厂实现全连铸，11月开始开发以连铸工艺生产轴承钢。

2003年5月份，开始按照GB/T18254-2002标准进行生产。

2、产品特点：

生产工艺：

铁水＋废钢――50t电炉（EBT）冶炼――钢包合金化――LF炉精炼――VD炉真空脱气――2#合金钢连铸机连铸（300mm×260mm,220mm×180mm）――轧制成材――检验――精整――入库

使用性能：

滚动轴承由内套圈、外套圈、滚动体、保持器四大件组成，在拉、压应力、剪切应力及摩擦力等交变负荷下工作。

随着科学技术的发展，一些特殊用途的轴承向着高转速、高负荷、高温、低温、特大型、特小型、低噪声发展。

作为一台机械设备基础零件之一的轴承，必须具备下列性能：

高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性，高的耐磨性能，高且均匀的硬度，一定的抗腐蚀能力。

对在特殊介质下工作的轴承，还应该具有相应的特殊性能。

人们长期以来将上述要求归纳为两个与冶金因素有关的问题，即材料的纯洁度和均匀性。

所谓纯洁度是指材料中夹杂物的含量、夹杂物的类型、气体含量及有害元素的种类及其含量。

均匀性是指材料的化学成分、内部组织，包括基体组织，特别是析出相碳化物颗粒度及其间距、夹杂物颗粒和分布等均匀程度。

GCr15是目前国内轴承钢用量最大的一种，该钢种使用量约占齿轮钢总量的60%以上。

近年来，GCr15使用量呈上升状态。

虽然一些新型轴承钢不断出现，但是GCr15钢占有主导地位，具有较强的市场开发潜力。

与这种市场发展形势相适应，莱钢GCr15钢产量、主要技术经济指标均呈稳定增长趋势，在国内市场占有一定份额，产品具有化学成分均匀、气体含量、夹杂物级别及含量低、外观质量好等特点，实物质量稳定可靠，较好地满足了不同层次用户的使用要求，这充分说明莱钢GCr15轴承钢具有较好的生产保证能力。

外观：

热轧圆钢的不圆度GB/T702的规定；热轧圆钢弯曲度不大于4mm/m，总弯曲度不大于0.4％×钢材长度；钢材不得有显著扭转；钢材端头应锯切或剪切整齐，不得有马蹄形、飞边、毛刺及影响使用的切斜和压扁，钢材不允许气割。

尺寸：

热轧圆钢的尺寸及允许偏差应符合GB/T702-1986规定。

包装、标志：

每捆或每根钢材应于端面或距端部100～150mm处用油漆涂上蓝色一条或挂带标牌或标签。

3、主要用途：

主要用户为各轴承加工企业，加工轴承套圈和滚动体。

4、今后五年每年产量计划

今后五年计划年产轴承钢15万吨

5、工艺技术路线

莱钢轴承钢生产工艺流程：

50t电弧炉→60tLF精炼炉→VD→260×300大方坯连铸机→Φ650轧机→退火炉→精整

5.1超高功率电炉（UHP-EBT）

电炉公称容量50t，采用一系列比较先进的工艺技术：

炉壁、炉盖管式水冷；SVC功率无功补偿技术；泡沫渣埋弧操作；油氧助熔；炉底吹氩搅拌；EBT偏心炉底出钢，留钢、留渣操作；出钢过程脱氧，合金化。

主要技术：

入炉料配加铁水；控制终点[C]：

0.4～0.8％，[P]≤0.015％，降低钢水氧化，保证粗炼钢水质量；出钢过程按顺序脱氧合金化。

5.2LF精炼工艺

公称容量60t，处理温度1500～1590℃，炉底吹氩促进夹杂物上浮，控制炉渣碱度与成分，精炼中期喂铝线脱氧，弱吹氩搅拌。

主要技术：

精炼合成渣；低碱度精炼渣操作；控制钢中Als含量。

5.3VD精炼工艺

进真空工位前扒除包内精炼渣，加调渣剂改性，控制吹氩强度0.2～0.4Mpa，抽气能力：

250kg/h（67Pa）、2300kg/h（8Pa）。

工艺流程：

预抽真空→吊包入罐→吹氩→测温取样→落下真空罐盖→打开真空截至阀→真空脱气→关闭真空截至阀→破真空→开启真空罐盖→测温取样→停止吹氩→吊包浇铸。

主要技术：

调整包内渣碱度；控制吹氩强度；控制真空保持时间；控制破真空后软吹时间。

5.4连铸

四机四流方坯连铸机，断面260mm×300mm。

主要工艺技术：

全程无氧化保护浇注，在钢包和中间罐之间，采用耐材保护套管，中间罐长水口；结晶器液面自动控制；结晶器小振幅高频率；气雾冷却技术；结晶器和二冷末段电磁搅拌技术。

6、主要原料

主要原料名称

6.1电炉入炉原料配比结构：

重型废钢

中型废钢

铁水+生铁

40%

35~25%

≥30%

6.2铁合金及技术条件

编号

铁合金名称

执行技术条件

高碳锰铁

GB/T3795-1996

中碳锰铁

GB/T3795-1996

硅锰合金

GB/T4008-1996

硅铁

GB/T2272-1987

高碳铬铁

GB/T5683-1987

中碳铬铁

GB/T5683-1987

铝线（铝块）

YB/T053-1993

钛线

YB/T053-1993

7、质量控制

质量控制数据统计分析（2002标准，54炉）

7.1主要成分控制情况

成分（%）

O（ppm）

MAX

1.01

0.38

0.27

0.024

0.022

1.56

MIN

0.95

0.29

0.17

0.012

0.003

1.41

AVE

0.97

0.32

0.21

0.017

0.014

1.49

10.8

标准要求

0.95~1.05

0.25~0.45

0.15~0.35

≤0.025

1.40~1.65

≤12

7.2低倍组织控制情况

项目

一般疏松

中心疏松

偏析

最大

0.5

1.5

0.5

最小

0.5

平均

0.5

0.96

0.5

标准要求（不大于）

1.0

1.5

1.0

7.3高倍组织、夹杂物控制情况

项目

A细

A粗

B细

B粗

C细

C粗

D细

D粗

液析

最大

1.5

2.5

0.5

最小

0.5

平均

1.2

0.6

0.8

0.6

0.5

0.1

标准要求≤

2.5

1.5

2.0

1.0

0.5

1.0

2.0或2.5

7.4钢材的脱碳层、显微孔隙，热顶锻以及表面质量、包装标志等求均满足标准要求。

7.5分析：

由以上数据可以看出，莱钢轴承钢的化学成分、低倍组织、碳化物不均匀性、脱碳层、热顶锻性能等完全能够满足GB/T18254-2002标准要求；但个别炉次非金属夹杂物存在超标现象，约占1~2%。

同时钢材的碳化物液析、中心疏松级别和氧含量虽然能够满足标准要求，但与国内国际先进水平相比，还有差距。

钢材的表面质量有待进一步提高，减少表面裂纹缺陷。

8、国际先进工艺路线

国外部分高质量轴承钢生产工艺的主要特点为：

（1）为降低消耗、提高产品质量和质量稳定性及便于进行二次精炼，冶炼设备大型化，既有电炉又有转炉提供高质量的粗钢。

（2）为降低钢中残余元素，对钢铁料进行精选或采用高炉铁水为原料。

（3）为减少氧化渣的带入，国外普遍采用无渣出钢（如EBT）技术、真空吸渣和换钢包除渣等技术。

（4）二次精炼设备以LF为主，真空精炼以RH为主，进一步降低钢中氧含量和氢、氮含量（国内采用VD炉较多，VD效果远不如RH）。

（5）真空或非真空条件下长时间搅拌。

（6）高碱度精炼渣。

以日本为代表的轴承钢生产厂家采用高碱度精炼渣，一般将精炼渣碱度（CaO/SiO2）控制在4～6之间。

（7）连铸。

轴承钢铸坯容易产生偏析、缩孔和裂纹等缺陷，目前为止还没有厂家彻底解决轴承钢连铸坯的中心碳偏析问题，国外许多权威轴承钢生产厂家仍然采用模铸方式生产轴承钢坯（如瑞典SKF、法国Ascometal和美国Timken）。

工艺流程主要包括：

电炉或转炉熔炼（预热，粗炼30～70min）→EBT出钢倒入钢包（同时预脱氧、加合成渣和合金）→钢包到LF精炼（时间30～50min，温度1560℃左右）→添加合成渣→加热和吹Ar强搅拌→加入脱氧剂和合金→钢包到RH或VD吹Ar强搅拌脱气（20—30min）→净搅拌→浇注（钢包下渣检测、中间罐加热、液面控制、中间罐水口防堵、结晶器和二冷末端电磁搅拌、轻压下等的综合应用）。

8.1瑞典SKF：

工艺流程：

100t电弧炉（100%废钢）→SKF+MR精炼→VD精炼→模铸→钢锭均热→初轧机开坯→行星轧机、连扎精轧→无损在线检测→连续炉球化退火→检验入库

该工艺主要分两个阶段：

首先在SKF双壳炉中在氧化条件下快速熔化；然后在SEA—SKF炉中还原条件下进行精炼。

精炼过程为：

先用Fe—Si进行预脱氧，然后扒渣，再加铝进一步脱氧，以后是脱硫和真空脱气，整个过程伴随着感应搅拌。

8.2日本山阳公司：

工艺流程：

90～150t电弧炉→EBT出钢→LF精炼炉→RH精炼→连铸→均热→初轧机开坯→钢坯清理→→行星轧机、连扎精轧→无损在线检测→连续炉球化退火→检验入库

主要操作要点为：

钢水氧化状态下偏心底出钢；在LF炉精炼过程中，采用高碱度操作，钢液温度为1520～1570℃，处理时间30～35min；在RH操作过程中，做到真空室内不进渣，真空度达到13.33Pa；采用全封闭连铸。

8.3日本神户公司

工艺流程：

高炉→铁水预处理→转炉复合吹炼→RH→连铸

对精炼渣的要求是：

（FeO+MnO）<1.0%；CaO/SiO2>3；精炼炉耐火材料除了渣线用镁碳砖外，其余均为高铝砖。

搅拌功率为12ω/t；VAD和EMS处理时间>15min；铝含量控制在0.016～0.024%。

8.4日本爱知公司

工艺流程：

80tEF→VSC（真空除渣）→LF→RH→CC。

在LF炉中，炉渣碱度（CaO+MgO）/SiO2>2.85，搅拌功率100～200ω/t，要求（TFe+MnO）<0.8%。

8.5德国GMH公司

工艺流程：

125t电炉（100%废钢）→EBT出钢（同时加渣料、预脱氧、合金化）→钢包到加热工位→添加合成渣→加热和吹氩搅拌并加入脱氧剂和合金→钢包到真空工位脱气（VD）→连铸（六流，200mm×240mm）。

8.6法国Ascomeral公司

工艺流程：

电炉（100%废钢）→EBT出钢（同时加渣料、预脱氧、合金化）→钢包到加热工位→添加合成渣→加热和吹氩搅拌并加入脱氧剂和合金→钢包到真空工位（RH）脱气→模铸（氩气保护）或连铸（四流旋转式）

9、该产品在国际上的发展方向

今后轴承钢主要向高洁净度和性能多样化两个方向发展。

提高轴承钢的洁净度，特别是降低钢中的氧含量，可以明显延长轴承的寿命。

为了延长轴承钢的寿命，人们多年来一直致力于开发应用精炼技术来降低钢中的氧含量。

此外，研究和开发新型轴承钢，扩大应用和代替传统的轴承钢，如下：

1）超高纯净化高碳铬轴承钢的开发，如大同特钢生产的轴承钢，[0]≤5ppm，可以低到3.4ppm，Ti≤5ppm，[N]≤30PPM，并可得到极细化的氧化物夹杂和Ti夹杂物；

2）用精密冷輾轴承套圈的中碳轴承钢的开发，如含碳0.8%左右的G8Cr15冷变形能力明显优于GCr15，不仅可以避免套圈裂纹的产生，还可以提高接触疲劳寿命和8%左右的生产率。

3）无铝轴承钢的生产，德国萨尔公司采用不用铝进行脱氧的冶炼工艺，生产出具有良好微观洁净度和宏观洁净度的轴承钢。

4）快速渗碳轴承钢的开发，通过改变化学成分来提高渗碳速度。

如爱知制钢发明AUJ35（C～0.30-0.37）和AUJ40（C～0.38-0.45）,使渗碳时间缩短20-40%，最高可缩短75%。

5）开发高频淬火轴承钢，用普通中碳钢或中碳锰、铬钢，通过高频加热淬火来代替普通轴承钢，既简化了生产工序又降低成本，并提高了使用寿命。

6）由于在高温、腐蚀、润滑条件恶劣的环境下使用轴承愈来愈多，急需研制加工性能好、成本低、疲劳寿命长、能适合不同目的和用途的轴承用钢，如高温渗碳钢M50NiL、易加工不锈轴承钢50X18M以及陶瓷轴承材料等。

7）日本研制的GCr465、SCM465疲劳寿命比SUJ—2高2～4倍。

9.1轴承钢的冶炼技术发展

轴承钢的冶炼设备逐渐大型化，国外许多厂家采用转炉提供高质量的粗钢；电炉或转炉出钢及精炼过程脱氧方式优化。

韩国浦项在转炉出钢脱氧过程中，首先加入A1，然后投放FeMn和FeSi，首先生成Al2O3氧化物，随后仅有一小部分氧化物改变为SiO2和MnO，氧化物的主要成分顺其自然地为Al2O3。

此外，为防止点状夹杂物的生成，不少厂家采用钡合金或钡线进行脱氧。

9.2轴承钢精炼技术发展

炉外精炼过程中应最大限度地去除电炉EBT出钢的炉渣；尽早形成非常低氧化程度的脱氧精炼渣，渣的液相比例要>90％；采用受控制的气体搅拌，使钢中夹杂物上浮；钢包内衬选择碱性耐材及优化吹Ar作用。

日本山阳公司通过采用高碱度渣系和受控的吹Ar搅拌，严格控制钢中O、S、A1和Ti含量；在RH真空脱气装置的连通管上采用了炉渣保护盖，这种钢质锥型的炉渣保护盖在炉渣中不融化，但溶于钢水，其目的是进行炉渣控制，防止过多地吸入炉渣，采用新工艺生产高碳铬轴承钢可使钢中氧含量控制在5.5ppm，钢中非金属夹杂物的直径＜10um。

德国GMH公司在钢包底设了两个点吹Ar，一个在中心，一个在离包中心2／3R处。

法国Ascometal公司在二次精炼中，采用X射线萤光光谱仪在线分析炉渣成分，以避免由Ca和Mg引起生成铝酸钙夹杂物。

9.3浇注轴承钢工艺技术

在世界范围内多采用连铸浇注方式，轴承钢的连铸工艺技术一般应包括：

1）以控制钢液较低过热度为主要目的的中间罐加热技术，使连铸轴承钢浇注的过热度有可能控制在5～10℃的范围内，目前中间罐等离子加热技术已在日、美、意德、法等国的钢厂得到工业大规模应用。

2）下渣检测、留钢操作。

德国GMH、法国Ascomeral钢包、中间罐内都有一定的留钢，在钢包底部安装AMEPA装置，检测钢包的下渣量。

3）全程无氧化保护浇注。

德国GMH厂对保护浇注的吹N流量实行了控制，并采用中间罐水口吹N技术，防止水口堵塞；法国Ascomeral在钢包和中间罐之间，采用耐材保护套管，中间罐和结晶器间惰性气氛中的O2≤0.2%。

4）结晶器液面自动控制，法国Ascomeral浇注时对结晶器液位严密监控，并在浇注后检验水口和塞捧的侵蚀程度。

5）结晶器小振幅高频率。

6）结晶器和二冷末段电磁搅拌，为了获得大而十分均匀的中心等轴晶区，几乎所有连铸轴承钢生产厂家均采用两种电磁搅拌装置，从而获得结构均匀、无中心疏松的结晶组织。

7）以控制连铸坯凝固末端的凝固过程为主要目的的轻压下技术，使连铸轴承钢坯的中心偏析程度得到在线控制，从而为解决连铸轴承钢的中心碳偏析提供了有效途径。

连铸轴承钢生产的典型装备水平如表1所示，

表1连铸轴承钢生产典型厂家的装备特点

10、近年来进口和质量情况

2002年出口特钢7.5万吨，占全国同类型产品出口量的57%。

轴承钢出口量少，多是轴承出口。

11、用户潜在需求

用户需要内在质量稳定、表面质量良好、材质纯净、外形尺寸控制严格的钢材。

12、质量差距，改进目标、措施和落实情况

现在我公司的轴承钢平均氧含量仍然在10ppm以上，同先进水平相比存在一定的差距；非金属夹杂存在级别高、尺寸大的问题，钢材的碳化物液析、中心疏松以及表面质量、尺寸精度、包装等还应进一步改善。

改进目标：

力争控制平均氧含量在10ppm以下，杜绝非金属夹杂物超标现象，降低碳化物液析、中心疏松级别，提高表面质量，减少裂纹缺陷。

改进措施：

对炼钢用原材料要严格要求，要选用优质废钢和含S、P较低的生铁，确保铁水百分比不少于30%。

钢包和入炉合金要严格烘烤，散料要充分干燥。

电炉冶炼氧化期脱碳量大于0.3%,终点要求C≥0.3%,P≤0.015%,出钢过程要严禁下渣。

提高LF精炼控制水平，减小化学成分和温度波动范围，保证白渣保持时间，保证钢包喂Al量,控制酸溶铝含量在0.040-0.050%范围内。

VD精炼要保证真空度和真空保持时间，以达到去气效果。

同时吹Ar时间要保证，以促进钢中非金属夹杂物充分上浮，有效地均匀钢水成分和温度。

连铸工艺在以下几个方面加以重点控制。

●保护浇注，大包至中间包，中间包至结晶器，结晶器和中间包液面都要采取保护措施，以减少钢液的氧化。

●电磁搅拌，能有效地改善铸坯的表面质量和内部质量，增加等轴晶比例，减少铸坯中心疏松、中心偏析和缩孔。

该项措施一定要采用，最好同时采用结晶器内和二冷末段（M+F）组合搅拌方式。

调整好电磁搅拌电流强度和频率。

●降低并稳定过热度，控制拉速。

要控制钢水过热度不高于30℃（中包温度1490℃以下），中间包要烘烤，确保烘烤温度≥1000℃。

根据钢水温度适当调整拉钢速度。

●优化铸坯冷却系统

强化结晶器冷却系统，提高结晶器冷却水流速度，避免局部沸腾。

在二冷区采用多段雾化冷却方式，并注意喷嘴对中，提高冷却的均匀性。

●减小结晶器液面波动，选用轴承钢专用结晶器保护渣。

轧制之前要对连铸坯认真检查，要求连铸坯质量要有保证，表面无结疤、夹渣、气泡、表面横裂、表面纵裂，外形无脱方、鼓肚、凹陷、重接等缺陷。

内部组织致密，中心增碳、中心疏松和缩孔轻微。

对有表面缺陷的连铸坯要落地冷检，并进行必要酸洗修磨。

制定合理的加热制度，既要防止脱碳，又能保证降低碳化物偏析程度。

导卫，辊道要及时修磨，防止划伤。

严格钢材精整，如有裂纹、折叠、拉裂、结疤和夹杂等影响使用的缺陷，必须清除。

端部不能切斜，毛刺要打磨干净。

钢材定尺包装，打捆要牢固。

对比材料：

国外实物质量数据对比

世界上最有名的轴承钢生产厂家为日本山阳特殊钢厂和瑞典SKF公司，此外一些日本其他厂家以及德国、英国、美国等国家轴承钢质量水平也令世界瞩目。

SKF轴承钢氧含量控制在5～8ppm，波动偏差为0.6ppm。

世界各主要轴承钢生产国的生产工艺及钢中微量元素含量以及非金属夹杂物评级见表2、表3。

表2世界各主要轴承钢生产国的生产工艺及钢中微量元素含量

厂名

生产工艺

T.Oppm

Tippm

Al%

SKF

100tEF-除渣-ASEA-SKF-IC

8.1

13.4

0.036

0.020

0.008

山阳

90tEF-倾动式出钢-LF-RH-IC

8.3

14-15

0.011-0.022

0.002-0.013

山阳

90tEF-倾动式出钢-LF-RH-CC

5.8

14-15

0.011-0.022

0.002-0.013

山阳

90tEF-EBT出钢-LF-RH-CC

5.4

14-15

0.011-0.022

0.002-0.013

神户

铁水预处理-转炉-除渣-LF-RH-CC

6.2

8.4

0.016-0.024

0.002

0.0063

爱知

80tEF-AR精炼-LVD-RH-CC

7.0

0.030

0.002

0.001

和歌山

转炉-CC

10.0

0.008

EF-ASEA-SKF

6.0

高周波

EF-ASEA-SKF

9.0

0.015

0.007

0.014

EF-ASEA-SKF吹氩

5.0

0.014

0.008

蒂森

140t转炉（TBM）-RH-喂丝-IC

伊斯堡

140t转炉（TBM）-RH-喂丝-CC

表3非金属夹杂物评级

厂名

工艺

非金属夹杂物分类级别

A细

A粗

B细

B粗

C细

C粗

D细

D粗

SKF

100tEF-ASEA-SKF-IC

1.32

0.79

0.88

山阳

90tEF-TST-LF-RH-CC

.34

0.10

0.72

0.98

0.37

90tEF-EBT-LF-RH-CC

1.35

0.12

0.17

0.9

0.04

蒂森

EF-RH-IC

1.4

1.0

蒂森

TBM（转炉）-RH-IC

1.5

0.1

1.2

0.2

蒂森

TBM-RH-CC

1.3

0.7

0.22

蒂森

TBM-CC+Ca

0.2

1.0

0.5

国外轴承钢氧化物颗粒数对比见表4：

表4国外轴承钢氧化物颗粒数对比

制造商

不同尺寸的氧化物颗粒（检验面积320mm2）

氧含量ppm

≥3μm

≥5μm

≥10μm

上海五钢

642

286

欧洲

278

104

日本

220

法国Ascomeral公司进行了模铸材和连铸材的碳化物分布测定，结果如表5：

表5按SEPl250标准管材中碳化物分布评定结果

表6小仓钢厂对连铸轴承钢的残余元素和有害元素的控制

表7GMH厂轴承钢精炼过程中的成分控制%

国内实物质量数据对比

国内上钢五厂和大冶钢厂生产的轴承钢质量水平较高。

上海五钢公司轴承钢氧含量控制在6～12ppm，波动偏差为2ppm，实物质量处于国内领先水平。

并已开发出控制轴承钢钢中钛含量的最新技术，对特殊用途钢材可使钢中钛含量稳定在15ppm以下。

轴承钢的接触疲劳寿命与SKF钢材的对比分析见表8：

表8疲劳寿命的特征参数

厂家/参数

特征寿命

斜率

L40寿命

L50寿命

上海五钢

1.78×107

1.40

0.37×107

1.38×107

SKF

1.44×107

1.16

0.21×107

1.05×107

主要技术质量差距：

1）显微夹杂物颗粒较大。

在同等氧含量水平下，SKF轴承钢氧化物夹杂颗粒细小、十分弥散，而上海五钢公司轴承钢的显微氧化物夹杂颗粒集中、粗大，大颗粒夹杂物的数量是欧洲及日本的几倍，见表4。

2）宏观夹杂物出现率高。

3）碳化物质量差距集中表现在带状碳化物和网状碳化物。

近年来通过控制注温、注速及锭坯最高加热时间改善了碳化物质量。

4）表面质量及尺寸外观主要表现在表面脱碳和裂纹时有发生，大生产过程中受控较难。

其次，公差尺寸及外观也较差于国外先进材料。

国内几家特钢企业主要工艺流程及200l年高碳铬轴承钢产量及质量见表9：

表92国内几家特钢企业主要工艺流程及200l年高碳铬轴承钢产量及质量

生产厂

工艺流程

连铸坯尺寸/mm

轴承钢总量/t

连铸坯量/t

T.O/×10-6

上五三炼

100tEAF—120tLF—VD—IC/CC

220×220

117342

43934

8.6

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