轴承钢的工艺资料.docx

1、轴承钢的工艺资料轴承钢是用于制造滚动轴承的滚珠，滚柱和套筒等的钢种，也可用于制作精密量具，冷冲模，机床丝杠及柴油机油泵的精密偶件。轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。近五十年来我国还在轴承钢钢种及其轴承用材料方面，如无铬轴承钢、中碳轴承钢、特殊用途轴承钢及合金、金属陶瓷等取得了很大的进展。高碳铬轴承钢GCr15是世界上生产量最大的轴承钢，含碳Wc为1%左右，含铬量Wcr为15%左右，从1901年诞生至今100多年来

2、，主要成分基本没有改变，随着科学技术的进步，研究工作任在继续，产品质量不断提高，占世界轴承钢生产总量的80%以上。特殊钢一般是指具有特殊性能或特殊用途的钢种。其与普通钢相比具有更高的强度和韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。因其性能特殊，决定了它在国民经济及军事工业中占有极其重要的地位。因此，在生产制造特殊钢时，就需要采用特殊的工艺装备技术来实现特殊的化学成分、特殊的组织和性能。随着科学技术的发展，对特殊钢产量及品种的需要日益扩大，对质量的要求也越来越严格、苛刻。近年来，围绕提高特殊钢性能、质量、品种、效率，降低特殊钢成本、节能降耗、环境友好等方面采用了一系列新技术、新工艺、新装备

3、，使得特殊钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等有了很大提高。特殊钢生产工艺流程主要有3种2：1）电炉流程（即短流程）：电炉二次精炼连铸轧制。2）转炉流程（长流程）：高炉铁水预处理转炉二次精炼连铸轧制。3）特种冶金：特种冶炼（如真空感应熔炼、冷坩埚熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等）锻造或轧制。这里要指出的是有些钢种的生产至今还必须走模铸开坯轧制或锻造的工艺流程。因早期特殊钢主要采用电弧炉工艺冶炼，习惯上形成了特殊钢一定要用电炉冶炼，特殊钢厂就是电炉钢厂。而客观事实上也的确存在电炉只有生产特殊钢才可以有好的经济效益，特殊钢只能由电炉冶炼。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和

4、特殊钢本身的性质所决定的：1）电炉用废钢中有可利用的合金元素；2）电炉炼钢是靠电弧进行加热的，其温度远远超过2 000 ，且钢水温度可长时间地精确控制，这样电炉炼钢在难熔合金冶炼、合金化成分及工艺柔性等方面较转炉炼钢有无比的优越性；3）不足是炼钢周期长，生产效率低，成本高（废钢、电价昂贵），炉容小，易增碳、吸氮等。恰好特殊钢产品有合金含量高、多品种、小批量、附加值高等特点，早期用电弧炉炼特殊钢达到了扬长避短的目的。同时人们也一直认为转炉就主要是用来炼普通钢。但是，1）转炉利用纯铁水冶炼特殊钢更纯净；2）废钢中的残余元素难以去除；3）炉外精炼技术的进步使转炉冶炼特殊钢的能力增强。随着社会废钢资源

5、的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电弧炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）和炉外精炼技术的飞速发展，特别是电炉出钢时间的缩短，能与连铸时间良好的匹配，使多炉连浇得以实现，电炉钢厂越来越多地生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地炼特殊钢。电炉炼钢、转炉炼钢两种方法，无论是炼特殊钢还是炼普通钢，从质量上和经济上越来越接近。由于宇航、导弹、火箭、原子能、海洋电子等工业的发展，对所需要的金属或合金质量、性能、可靠性、稳定性等的要求越来越高，电弧炉，转炉冶炼的钢质量很难满足这些要求，所以必须使用特种冶金技术。特种冶金包括：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等。难熔金属（

6、钨、钼、铌、钽）及活泼金属（钛及钛合金，包括钛、铝金属间化合物等）用真空电弧重熔、电子束熔炼以及冷坩埚感应熔炼等方法来制备；高温合金、精密合金以及某些对质量要求很高的合金钢用真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔等方法来生产。真空冶金（Vacuum Metallurgy）区别于大气下的冶金过程，广义包括：真空脱气、真空熔炼、真空熔铸、真空蒸馏、真空分解、真空烧结、真空热处理、真空焊接和真空镀膜等。在此特指两种类型：一种是将熔炼和成锭的整个过程在真空下进行，如真空感应熔炼（VIM）、真空电弧熔炼（VAR）、电子束重熔（EBR）等等，即特种冶炼方法之一；一种是把大气中钢水进行真空处理，即炉外精炼（二

7、次精炼），如RH法、VOD法等。真空冶金使在普通熔炼操作中进行的物理化学反应条件发生了变化，体现在气相压力的降低上。只要冶金反应有气相参加，当反应生成物中气体摩尔数大于反应物中气体摩尔数时，只要减少系统的压力，则可使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，这就是真空冶金物理化学反应的基本特点。在普通的熔炼操作中，金属从大气中吸收氧气、氮气和从水分来的氢气。在真空熔炼中，就可以避免这些气体的来源。这些气体对于钢和金属的性能都有相当严重的危害。不仅如此，在真空感应熔炼过程中，原来存在于原料中的或者已经进入钢水中的气体，还可以被去除，产生脱气作用，从而提高合金钢的加工使用性能。另外，在高真空下熔炼，液态

8、金属中某些易挥发性元素，也和气体一样可以不同程度地被排除。这些元素中有许多是有害的，如铅（Pb）、锡（Sn）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）；有些则有时有害，有时却是有用的成分，如镁（Mg）、锰（Mn）、铜（Cu）等。有害元素的挥发能提高合金的性能，有用元素的挥发则应采取相应措施加以防止。其次，在真空条件下，碳具有很强的脱氧能力，其脱氧产物CO不断被排除至熔炼系统之外，克服了采用金属脱氧剂的脱氧产物污染金属的倾向。电渣冶金经过了60余年的不断发展（1940年问世），包括电渣重熔、电渣熔铸、电渣浇铸、电渣转铸、电渣热风顶、电渣自熔模、电渣离心浇铸、电渣直接还原、电渣焊等。重熔精炼成熟工艺有4

9、种：电渣重熔、真空电弧重熔、电子束重熔和等离子重熔。就目前生产应用而言，电渣重熔金属材料产量居首位，年产量超过其它三种重熔方法产量的总和（2003年世界电渣钢生产能力超过120万t/a）。等离子弧熔炼是利用等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型冶炼方法。等离子弧也是一种电弧，不过电离度更高，其特点是能量更集中，温度高，流速快，弧的电压和电流又相当稳定。等离子弧熔炼经过40余年的发展（1962年创始），在炉型结构，冶金特点等方面，大致可分为四大类：等离子电弧炉（PAF）；等离子感应炉（PIF）；等离子电弧重熔（PAR）；等离子电子束重熔（PEB）。总之特种冶金之真空冶金、电渣冶金、等离

10、子熔炼技术，在难熔金属、活泼金属、高温合金、特殊钢锻件生产方面占据重要的地位。但是，近年来随着二次冶炼技术的发展，用二次精炼方法生产的特殊钢，在纯洁度方面已可达到甚至超过特种冶炼的产品，使得过去要靠特种冶炼方法才能生产的品种现在改用二次精炼方法来生产，例如，过去用真空电弧重熔或电渣重熔的轴承钢，现在可用LF+RH或LF+VD来生产。试验结果表明，用二次精炼方法获得的超纯轴承钢与真空电弧重熔的相比，二者具有相同的寿命。二次精炼技术的发展，使得特种冶金产品失去一部分市场。3）提高钢的洁净度近年来，JFE制钢为了提高钢的洁净度，采用了PERM（加减压精炼）、LF（炉外精炼炉）对钢的生产工艺进行了改进

11、。PERM法是在转炉冶炼时，使氮、氢等气体溶解在钢中，然后，用RH炉（真空脱气）迅速减压，使钢中产生气体，利用这种气体捕捉并排除钢液中的夹杂物。JFE制钢还在2008年新建LF炉，大大提高了夹杂物的去除能力。采用上述工艺和设备的效果是：与原有工艺相比，夹杂物个数预测指数减少34%、夹杂物最大直径指数减少29%、夹杂物最大直径指数分布的标准偏差减少了73%。由于采用了具有上述特点的制造技术，JFE制钢今后将继续向用户提供满足质量要求的高质量轴承钢。轴承作为一个重要的机械传动部件，其内、外套圈及滚动体一般均由轴承钢制成。由于轴承的工作条件十分复杂，故对轴承钢的要求愈来愈严格，对原始组织的要求主要有

12、两方面：一是高的纯净度，二是组织均匀。在冶炼过程，特别是在炉外精炼过程中，减少夹杂物的数量，改善夹杂物的形貌、性质，对冶炼高纯净轴承钢就显得特别重要。对于不同用途的轴承钢，可以采取不同的冶炼工艺，以使质量达到要求。国内目前生产普通用途轴承钢，采用炉外精炼工艺，在含氧量和夹杂物数量方面控制较好。生产特殊用途轴承钢，则采用电渣重熔工艺，氧含量偏高，但在控制夹杂物形态、尺寸和分布方面优于精炼，国内外冶炼轴承钢的技术特点比较如下：国内轴承钢冶炼大多数只采用电炉偏心底出钢技术;国外电炉采用无渣出钢技术，转炉初炼，在钢包中进行真空除渣或炉后扒渣。国内大多数只采用LF+VD精炼;国外采用LF精炼基础上，进行

13、RH真空脱气处理。国内轻压下技术仅处于试验阶段;国外采用轻压下、强压下等液相高压下技术。目前，国内通常采用的电路冶炼工艺在控制全氧含量和夹杂物数量等方面有一定优势，通过控制电炉终点碳以降低初始氧含量，采用LF全程脱氧、改变精炼渣和扩散脱氧，VD真空脱气及弱搅拌等措施，对轴承钢的生产工艺进行优化，能实现低氧高纯净轴承钢的冶炼，但在夹杂物形状和分布上效果不够，易生成大的点状不变形夹杂等。而对一些有特殊要求的轴承钢，一般精炼方法无法满足对其质量的要求，可以采用电渣重熔精炼技术对铸坯或钢锭进行重熔。电渣重熔的氧含量虽然会偏高一些，但在控制夹杂物形态、尺寸和分布方面效果较好，夹杂物大多尺寸细小分布均匀。

14、1钢中夹杂物对轴承钢质量的影响 1.1钢中氧化物夹杂（全氧含量、精炼法EAF-LF-VD）1.2硫化物夹杂1.3Ti控制2轴承钢生产工艺的发展要求工作条件冶炼方法GCr15钢是一种合金含量较少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。实际就是Cr15。GCr15是一种最常用的高铬轴承钢，具有高的淬透性，热处理后可获得高而均匀的硬度。耐磨性优于GCr9，接触疲劳强度高，有良好的尺寸稳定性和抗蚀性，冷变形塑性中等，切削性一般，焊接性差，对白点形

15、成敏感，有第一类回火脆性。 在滚珠轴承制造中，用以杂质壁厚12mm.外径250mm的H级至C级的轴承套，直径25.4-50.8mm的钢球；直径22mm的滚子，此外也可用作承受大负荷.要求高耐磨性.高弹性极限.高接触疲劳强度的其他机械零件及各种精密量具冷冲模等。如机床的滚珠丝杆，涡轮喷气发动机喷嘴的喷口.柱塞.活门.衬套等。编辑本段执行标准:中国GB/T18254-2002日本JIS G4805:1991美国ASTM A295:1998统一数字代号:B00150编辑本段化学成分/元素含量（%）C：0.95-1.05 Mn：0.25-0.45 Si：0.15-0.35 S：0.025 P:0.02

16、5 Cr:1.40-1.65 Mo:0.10 Ni:0.30 Cu:0.25 Ni+Cu0.50生产制造方法对轴承钢的冶炼质量要求很高，需要严格控制硫、磷和非金属夹杂物的含量和分布，因为非金属夹杂物的含量和分布对轴承钢的寿命影响很大。夹杂物量愈高，寿命就越短。为了改善冶炼质量，近来已采用电炉冶炼并经电渣重熔，亦可采用真空冶炼，真空自耗精炼等新工艺来提高轴承钢的质量。用途用于制作各种轴承套圈和滚动体.例如:制作内燃机、电动机车、汽车、拖拉机、机床、轧钢机、钻探机、矿山机械、通用机械,以及高速旋转的个高载荷机械传动轴承的钢球、滚子和套圈. 除做滚珠、轴承套圈等外，有时也用来制造工具，如冲模、量具。

17、6.化学成分 国标、冶标、日本标准中主要钢号的化学成分见表6724。表6-7-24 有关标准中主要钢号的化学成分指标标准号 钢号 化 学 成 分 % C Si Mn P S Cr Mo NiGB/T3086 -82 9Cr18 0.90- 1.00 0.80 0.80 0.035 0.030 17.00- 19.00GB/T3203 -82 G20 CrMo 0.17- 0.23 0.20- 0.35 0.65- 0.95 0.030 0.030 0.35- 0.65 0.08- 0.15YB(T)1 -91 GCr15 0.95- 1.05 0.15- 0.35 0.25- 0.45 0.0

18、25 0.025 1.40- 1.65 0.30JISG4805 -90(96) SVJI 0.95- 1.10 0.15- 0.35 0.50 0.025 0.025 0.90- 1.20 0.25品名 中国 美国 日本德国英国法国前苏联国际标准化组织GB AST JIS DIN， DINEN BS，BSEN NP，NPEN TOCL ISO630牌号 牌号 牌号 牌号 牌号 牌号 牌号 牌号 轴承钢GCr9 51100 SUJ1 GCr15 52100 SUJ2 100Cr6 100Cr6 wx15 1 9Cr18Mo 440C SUS440C Z100CD17编辑本段特性综合性能良好.球

19、化退火后有良好的切削加工性能.淬火和回火后硬度高而且均匀,耐磨性能和接触疲劳强度高.热加工性能好.含有较多的合金元素,价格比较便宜.GCr15钢是高碳铬轴承钢中使用和生产量最多的牌号,被世界广泛采用.但是白点敏感性强,焊接性能较差.具有高而均匀的硬度,良好的耐磨性.用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件.具有了轴承的耐磨性,也加强了顶也钢性.GCr15锻造工艺喷射成形作为一项新颖的快速凝固技术,在材料制造与加工方面显示出巨大的优势.采用该技术制备了GCr15钢、2.98wtsi超高碳钢,以及Cu- 20wtFe原位复合材料,对它们的组织与性能进行了研究.喷射成形GCr15钢

20、的铸态组织为等轴细层状珠光体,平均片间距为85nm ;油淬处理获得的马氏体片平均宽度为0.35m.x射线衍射分析及TEM观察表明,硬度随回火温度升高而下降与回火中碳化物析出及长大有关.由CCT曲线测试获得喷射成形GCrl5钢的Ms(150)比母合金的Ms(250)低100,其主要原因是因为前者基体中固溶的碳含量高于后者.喷射成形 GCr15钢铸态试样的超塑延伸率优于常规工艺制备的同种材料.首次利用喷射成形工艺制备了Cu-2OwtFe合金(SF).编辑本段注意1 轴承钢管用钢的残余铜含量（熔炼分析）应不大于0.20%。2 氧含量在钢坯或钢材上测定。3 盘条用钢的硫含量（熔炼分析）应不大于0.02

21、0%。GCr15表示方法 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr、25Cr2MoVA合金管钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字1，例如钢号12CrMoV和12Cr1MoV，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4等。例如18Cr2Ni4WA。钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均

22、属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。高级优质钢应在钢号最后加A，以区别于一般优质钢。专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。VD型钢包精炼炉可对钢水进行真空脱气处理及真空下合金成分微调及氩气搅拌。VOD型钢包精炼炉是在真空下吹氧、脱碳、真空除气、真空下合金成分微调，主要用于精炼超低碳不锈钢和电工纯铁等。前言轴承钢是特殊钢中最具代表性的钢种之一，其质量很大程度上决定了机械产品的精度、性能、寿命与运行的可靠性。轴承在国际上素

23、有“工业的心脏”的说法，轴承钢的质量水平也成为一个国家钢铁冶炼水平的标志之一。轴承用钢按特性及应用环境划分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢、不锈轴承钢及专用的特种轴承材料。轴承钢质量的基本要求是纯净和组织均匀，据统计，由非金属夹杂物和碳化物不均匀性造成的冶金质量缺陷所引起的失效占总失效65。钢中非金属夹杂物主要来源是在冶炼过程中产生的脱氧产物，在钢液凝固时析出氧化物和硫化物，另外，钢渣混冲出钢时残留在钢中的渣、连铸过程中钢液对耐火材料的侵蚀以及钢液的二次氧化等，也是夹杂物的来源。二、GCr15质量要求和常见缺陷1质量要求GCrl5是高碳铬轴承钢的代表钢种，其综合性能良好，淬火和回火后具有

24、高而均匀的硬度，以及良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，其热加工变形性能好，球化退火后有良好的可切削性能，是各国广泛应用的钢种之一，也是高碳铬轴承钢中产量最大的钢种。主要质量要求如下：(1)化学成分为wc=095 105，wMn=025 045 ， wsi= 015035 ，wP0025 ， ws0025 ， wMo010 ， wNi60mm的钢材显微孔隙需进行评级。2GCr15(钢坯)常见缺陷(1)表面缺陷：裂纹、缩孔和夹渣等。(2)内置缺陷：夹杂物超标、氧含量超标、白点、气孔、偏析、缩松及碳化物不均匀等。三、GCr15冶炼工艺的选择与控制我们根据对GCrl5轴承钢质量要求及常见缺陷，经过认真分

25、析和探讨，确定了GCrl5轴承钢的冶炼工艺。1工艺路线65t Consteel EAF一65t LF一65tVD R9mCC连铸机。65t Consteel EAF出钢采用挡渣出钢，钢包中采用精炼渣、石灰、石等造渣。采用LF精炼脱氧、脱硫、去夹杂及微合金化，调节酸溶铝Als的含量，再经过vD进行脱气、渣洗钢液处理。连铸采用全程保护浇注，中问包等温控制，稳定拉坯速度，以及液面自动控制等，并采用(M+F)EMS组合式电磁搅拌。生产工艺流程2Consteel EAF冶炼工艺要点(1)初炼炉主要任务为脱碳和脱磷。增加热装铁液量是解决泡沫渣降磷和保碳矛盾的有效手段，该公司冶炼的入炉钢铁料为铁液60、国标

26、铁10 、废钢30。(2)冶炼过程为全程泡沫渣埋弧操作。(3)初炼炉的另一个重点任务是无渣出钢。EAF采用偏心炉底出钢技术(EBT)挡渣出钢，出钢温度控制在16301650oC。(4)为保证良好的成渣性，出钢时造渣材料分批加入；同时为了提高脱硫效率，采用优质活性石灰。3，LF精炼工艺要点轴承钢精炼炉渣主要有3项任务：一是减少夹杂物数量，特别是减少氧化物夹杂的数量；二是改善夹杂物的性质和形态，使塑性夹杂物所占比例增加，减少或消除CaO型的球状夹杂物；三是降低钢中硫含量。(1)精炼渣碱度控制在20 23， 目的是为了尽可能减少点状夹杂物。(2)精炼前期大电流埋弧操作，迅速提升渣温和钢液温度，促进脱

27、氧、脱硫反应和夹杂物吸附；后期保温操作或适度提升温度。(3)采用SiC辅以硅钙钡扩散脱氧，送电过程中氩气低流量搅拌，适时喂人铝线，然后稍微加大氩气流量，促进渣一钢反应和Al2O3生成物上浮，同时保证钢液不裸露，控制一次样铝含量。(4)取样后保持白渣操作，以使精炼渣在具有强吸附夹杂物能力的同时又能保证脱氧、脱硫效果。(5)LF吊包温度控制在15851595oC。4VD工艺要点(1)LF出钢后，进入VD工位前扒掉部分精炼渣，加入调渣剂，调整渣组成，增强真空脱气和吸附钢中夹杂物的效果，保持时问2530min。(2)真空处理后连铸开浇前，软吹过程加覆盖剂和炭化稻壳双层保温，软吹时间20min，平均温降

28、0507oCmin，控制钢包钢液浇注温度15151520。5连铸结论(1)增加热装钢液量是解决泡沫渣降磷和保碳矛盾的有效手段。(2)无渣出钢可有效减少炉渣对钢液的污染。(3)精炼渣碱度控制在2023，可有效地去除石英(SiO2)、铝硅酸盐(3A1203、2SiO2)和钙硅酸盐等点状夹杂物。(4)较低的过热度是减少中心偏析、疏松和缩孔的首要条件，与此匹配的拉速和冷却制度是保证连铸坯质量合格的核心。(5)(M+F)一EMS结晶器与末端组合式电磁搅拌是解决中心缩松的重要手段。11原料制度低熔点有色金属元素如As、Sn、Te、Bi、Pb元素的带入，会使轴承面出现软点、硬度不均等，国内外的相关标准和技术

29、协议对此都有严格的规定。因而，为了降低钢水中的杂质含量，应严格控制入炉废钢的质量，采用精料原则，减少含有色金属元素的废钢人炉量。具体方案为适当多配S、P含量低的生铁，每炉配加量为20一-30 t，同时减少进口废钢配加量，控制每炉配加量15 t以下，其余为国产废钢。12 电炉冶炼工艺的优化初炼炉为Consteel电弧炉，主要任务是快速提供低磷、温度合适和化学成分控制准确的钢水，减少精炼炉的负担。在原有的工艺下，Consteel电炉采用大供氧量操作以及操作上的不协同，造成出钢终点碳含量偏低，不仅影响金属物料与合金料的收得率，而且使氧化终点钢水中氧的含量偏高，增加了炉后脱氧的负担，导致成本上升。对终点碳的准确控制。可参考图1碳氧平衡曲线所示。优化结论（1）采用精料原则，减少含有色金属元素的废钢入炉量，严格控制吹氧的工艺参数，从源头保证钢的洁净度；(2)在轴承钢冶炼中，选用铝与硅钡合金进行脱氧处理，特别是以硅钡合金进行终脱氧，不仅使钢中的氧含量进一步降低，而且消除了钢中点状夹杂物，同时，使钢中的脆性夹杂有所减少，(3)在精炼过程中，低碱度精炼渣和硅钡合金终脱氧工艺的有机结合，不仅能有效去除钢中的点状夹杂物，改变夹杂物的形态，而且能有效地控制硫含量。