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轴承钢的冶炼
辽宁科技学院冶金系
杜成武
2010.4.10
主要内容
?
概述
?<
/p>
影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其控制
?
轴承钢的冶炼
?
轴承钢的连铸
一、概述
轴承是由内、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱或滚针）和保持器
四部分组成，除
保持器外，其余都是由轴承钢制成。当轴承工作时，轴承内外套圈、滚动
体间承受高频率、
变应力作用。在轴承旋转时，还承受离心力的作用，并随转速的增加而
增大；滚动体与套圈
间不仅存在滚动，而且还有滑动，所以在滚动体与套圈之间还存在摩
擦。
在几种力的综合作用下，在套圈或滚动体的表面上抗疲劳强度
低的部位首先产
生疲劳裂纹，
最后形成疲劳剥落，
使轴承破损失效。
轴承钢正常破损的形式是接触疲劳损坏，
< br>其次是摩擦磨损使精度丧失。
非金属夹杂物或粗大碳化物，则可促进裂纹的产生。
轴承钢的要求
?
对化学成分的要求；
?
对非金属夹杂物的要求；
?
高且均匀的硬度，高的耐磨性；
<
/p>
?
高的接触疲劳强度，保证轴承的正常使用寿命；
?
高的弹性极限和一定的冲击韧性，承受高的负荷而
不变形，承受一定的冲击负荷；
?
良好的尺寸稳定性，以保证精度，减轻振动和噪声
——
精密轴承；
?
一定的耐蚀性；
< br>?
良好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。
轴承钢类型
?
高碳铬轴承钢
?
渗碳轴承钢
?
不锈轴承钢
?
高温轴承钢和中碳轴承钢
使用最广、应用最久的是高碳铬轴承钢。
高碳轴承钢的特点
?
高碳
?
加铬
?<
/p>
加入
Mo
、
Mn
、
Si
、
V<
/p>
等合金
?
严格
控制杂质元素，特别是
P
、
S
、
Ni
、
Cu
危害最
大的是氧化物夹杂，
其次是
硅酸盐
。<
/p>
氧化物夹杂的最大粒径和粒子个数
是
轴承
钢疲劳寿命的根本原因
——
轴承钢冶炼和浇铸的关键在于控制钢
中氧含量到极限值、
提
高纯净度和组
织的均匀性，即降低钢中氧及非金属夹杂物含量，控制好夹杂物形态和分布。
核心
——
高纯净度钢的生产。
二、影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其控制
?
氧对轴承钢质量的影响及其控制
?
轴承钢中的夹杂物及其控制
?
轴承钢中残余铝的控制
?
轴承钢中残余钛的控制
?
硫含量
?
钢中碳化物缺陷
2.1
氧
对轴承钢质量的影响及其控制
钢中<
/p>
w
T.O
=10
×
10
-4
%
轴承钢的疲劳寿命比
w
T.O
=40<
/p>
×
10
-4
%<
/p>
提高
10
倍。
w
T.O
=5
×
10
-4
%
的疲劳寿命比
w
T.O
=40
×
10
-4
%
提高
30
倍。轴承钢生产的关键在于脱氧。
冶炼过程中应注意的问题
?
初炼钢液实现低氧化和低温化；
?
强化初炼钢水的预脱氧；
?
采用
SiC
和
Al
粉进行扩散脱氧；
?
精炼中期，钢中氧含量降低，
Al
也随之降低，采用喂
Al
线的方法添加
Al
；
?
选择合适的精炼渣系；
?
防止二次氧化；
?
合理的吹氩制度；
?
控制适当的残铝量；
?
确保足够的真空度和真空时间。
2.2
轴承钢中的夹
杂物及其控制
?
钢中非金属夹杂物数量和组分的变化
?
钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响
?
工艺参数对钢中夹杂物含量的影响
?
浇注过程中夹杂物的控制
钢中非金属夹杂物数量和组分的变化
?
钢中大于
5
μ
m
的夹杂物在真空后大部分被去除。夹杂物数量比真空前少
1
/3
；
?
S
KF
研究发现：
出钢后
15min
夹杂主要由
Al
2
O
3
和
Al
2
O
3
·
SiO
2
·
MnO
组
成，来自电弧炉出
钢的预脱氧产物；
真空前
——
Al
2
O
3
·
CaO
夹杂，
是
Al
2
O
< br>3
和铁合金
Ca-Si
中的钙的
反应产物；
真空后
——
夹杂中的
Al
2
O
3
·
CaO
往往包着一层
MgS
，
Mg
来自真空下的耐材，并与
Al
2
O
3<
/p>
生
成
Al
2
O
3
·
MgO
。
钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响
?
有益
?
有害
?
对钢的疲劳寿命影响不大
工艺参数对钢中夹杂物含量的影响
?
电炉出钢温度
?
搅拌时间
?
铝脱氧工艺
Ascometal
公司认为，对于轴承钢的精炼，应把重点放在：选择碱性耐材钢包内
衬；最大
限度地去除炉渣；尽早形成非常低氧势的脱氧精炼渣；控制气体搅拌，使夹杂物上
浮。<
/p>
浇注过程中夹杂物的控制
?
模铸
——
重点放在避免钢包和锭模之间钢水流的二次氧化；
最大限度地避
免钢水和耐材的
作用；最大限度地避免钢包渣、保温剂或浇注保温渣的卷入；
?
连铸
——
检测钢包中的下渣量；吹氩保护，防二次氧化；选用优质的耐材。
2.3
轴承钢中
残余铝
的控制
?
金属铝及
AlN
溶于酸，
用
[
Al]
S
表示。
终脱氧用
Al
是获得低氧含量的钢液和保证钢中有合
适
[Al]
S
。
[Al
]
S
高
——
保
护条件不好易二次氧化增加
Al
2
O<
/p>
3
夹杂；
[Al]
S
低
——
Si
的二次氧化
及钢液随温度降低溶解氧析出，产生含
SiO
2
很高的粗大玻璃质硅酸盐夹杂。如果要使钢材
晶粒细化，获得高强韧性，残余铝可高些。对渗碳轴承钢来说，残余铝需要控制得高些；对
< br>于高碳轴承钢对此控制要求不太高。
2.4
轴承钢中
残余钛
的控制
?
钛对于高碳铬轴承钢有害，在钢中以
Ti(C
，
N)
、
TiC
、
TiN
存在呈坚硬的菱角
。在相同尺
寸下，危害大于
Al
2
O
3
；
?
实践证明，
w
Ti<
/p>
超过
50
×
10
-4
%
，轴承疲劳寿命明显下降。电弧
炉生产中，
N
高
——
< br>更严格
控制残
Ti
；
?
国外
SKF3
标准规定
w
Ti
≤<
/p>
0.003%
；
?
大生产轴承钢钛含量不高于
50
×
10
-4
%
，对疲劳寿命几乎无影响，高于此值，
T
iN
与氧化
物作用，或簇状
TiN
本身之间的作用，导致显微裂纹发生率增加，恶化疲劳强度；
?
日本高周波公司开发低钛为特色的
SUJ
2KRF
钢
w
Ti
≤
18
×
10
-4
%
，寿命比普通轴承钢提高
2
倍；
?
日本
住友公司对不同钛和氧含量的钢管试验证明，低氧和低钛有利于轴承使用寿命的提
高。<
/p>
2.5
硫含量
?
许
多人认为硫含量不会影响轴承寿命，
甚至能减轻氧化物的有害作用。
但随着纯净钢的提
高，氧化物夹杂含量减少，硫化物的有害作用逐渐表现出来
?
日本一家著名微型轴承企业要求硫含量不
高于
0.003%
?
瑞典
SKF
——
0.015%
?
宝钢
——
0.008%
2.6
钢中
碳化物缺陷
?
碳化物缺陷包括液析碳化物、带状碳化物和网状碳化物，其危害相当于夹杂物；<
/p>
?
碳化物缺陷主要起源于钢在凝固过程
中的偏析，
控制和减少凝固偏析是控制和减少碳化物
缺陷的关键
环节；
?
采用合理的加热、轧制和热
处理工艺可进一步改善碳化物结构和形态，减轻其危害。
三、轴承钢的冶炼
?
电炉流程，即电炉
——
炉外精炼
——
连铸或模铸
——
轧制；
?
转炉流程，即高炉
——
铁水预处理
——
转炉炉外精炼
——
连铸
——
轧制
；
?
特种冶炼方法，即真空感应炉（
VIM
）
——
电渣重熔（
ESR
）
——
轧制或锻造。
典型的轴承钢生产流程
?
瑞典<
/p>
SKF
：
100t
EF
—
ASEA-SKF
—
IC
，生产
?12-32
mm
棒线材、外径
90-200mm
及
外径
55-110mm
钢管；
?
日本山阳：
废钢预热
——
90 t EF
（偏心底出钢）
——
LF
——
RH
——
CC
（立式
3
流，
370mm
×
470mm
）或
IC
——
热轧（材）和冷轧。生产
?102-600mm
棒材等，外径<
/p>
50-180mm
热轧
钢管，外径
22-95mm
冷轧钢管；
?
日本大同：废钢预热
——
90tEAF
——
LF
——
RH
——
CC
（
370mm
×
< br>480mm
）
；
?
日本神户：高炉
——
铁水
预处理
——
80tLD-OTB
顶底复
吹转炉
——
除渣
——
< br>ASEA-SKF
钢包精炼
——
连铸（
2
流立弯型，
300mm
×
430mm
）
，生
产
?18-105mm
棒线材；
?
日本川崎：高炉
——
铁水预处理
——
转炉
——
钢包精炼
——
真空
——
连铸（
4
流
4
00mm
×
560mm
）
；
?
< br>日本住友：高炉
——
转炉
——<
/p>
V
AD/RH
——
连铸
/
模铸（
410mm
×
560mm
）
，棒线材
；
?
日本新日铁：高炉
——
转炉
——
LD
转炉
——
LF
钢包精炼
——
RH
——
连铸，生产
?19-120mm
棒线材；
?
日本爱知制钢：
EAF
——
钢包精炼
——
RH
——
连铸，生产
?16-100mm<
/p>
棒线材；
?
德国克虏伯：
110t
UHP-
EAF
——
钢包冶金
——
连铸（
6
流
260mm
×
33
0mm
）
，生产
?28-80mm
棒线材。
国外轴承钢的生产工艺特点
?
炉子大型化；无渣出钢；
Al
脱氧；真空或非真空条件下长时间搅拌；高碱度渣精炼；连
铸。
?
相关技术体现
在：钢包耐火材料的碱性化及钢包和中间薄的高温预热。
?
具体精炼技术体现在：初炼钢液的
低氧化和低温化；初炼炉出钢的钢渣分离；精炼渣的合
成化和液相化以及在线分析化；<
/p>
钢液精炼的模型化
（包括吹氩搅拌的流量、
时间以及吹氩位
置）
；钢包浇钢的出渣；温度和成分以及铝脱
氧工艺的过程控制。
?
连铸技术体现在：钢包和中间包的留钢；
钢流浇
注气氛的惰性化和防堵；中间包钢水的大
容量化；中间包钢水流动的最优化；
结晶器钢液面的稳定；连铸坯的大型化；二冷喷雾的均
匀；电磁搅拌的多极
化；轻压下技术。
轴承钢生产的基本条件
?
大容量初炼炉，保证钢水低磷，成
份温度合格，实现无渣出钢；
?
具备
加热、真空、合金微调的精炼装置，最大限度脱除氧、氢等气体。保护浇铸防二次氧
化；
?
采用多极组合电磁搅拌和轻压下技
术，保证钢坯的中心质量，减少中心偏析；
?
轧机均为无扭无张力高速轧机轧制，保证轧材尺寸精度和表面质量。
?
国产轴承钢精炼比已经达到
100%
，平均氧含量已达到
8
×
10
-4
%
，好的达到
4
×
10
-4
%
，但
是与
瑞典
SKF
、
日本
山阳等先进的厂家相比，在钢中微量杂质元素含量、表面质量及内部
质量稳定性方面仍有
差距。如钛含量偏高，普遍在
0.003%
以上。
?
我国棒材比重很大，占
80%
以上，管材几乎为零，线材、带材比重也较低。
3.1
电弧炉流程冶炼轴承钢
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