轴承钢的生产现状与发展

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首钢技术研究院

2003.10

1 前言

    滚动轴承是重要的机械基础件，在宇航、军工、机械制造、铁路运输以及汽车制造等行业中应用十分广泛。它在很大程度上决定了装备的精度、性能、寿命与可靠性。轴承钢是重要的特钢品种，其纯净度和组织均匀性是影响轴承寿命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的GCr15滚珠轴承钢是专用钢中质量要求最为苛刻的钢种，该钢种是19世纪末发明的，100年来，成分基本没变化，而质量提高了很多，它是发达国家中在生产、科研方面投入人力、物力最多的钢种，一向被认为是高质量钢的代表。其冶炼方法，从30~40年代传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，60年代的钢包滴流脱气法和真空循环脱气法(RH)精炼，发展到今天的综合炉外精炼工艺(LF+RH、LF+VD等)，使钢中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲劳寿命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公认的轴承及轴承钢生产“王国”，质量居全球之冠，它们80年代创建的SKF-MR法(MR是熔炼加精炼的意思)，使轴承钢的氧含量达到10×10^－6以下，日本山阳特殊钢公司从60年代起经过整整30~40年的努力，到80年代末，最终形成了90tEAF-LF-RH-CC工艺生产轴承钢，氧含量达到5.0×10^－6左右。

    经过几十年的发展，中国目前不仅已经成为轴承钢生产大国，形成了几条轴承钢生产工艺路线，即EF＋LF＋VD、EF＋VAD、EF＋吹氩或喂丝工艺路线等，年产轴承钢80万吨左右（日本60万吨、瑞典70万吨），基本能满足国内市场的需求，并有少量出口；而且其内部质量也接近或达到国际水平，如氧含量降到了10×10^－6左右。但是国产轴承钢与瑞典SKF、日本山阳等先进厂家相比还存在一定差距，主要表现在以下三个方面：一是钢中微量杂质元素含量偏高；二是表面质量差(包括尺寸精度、表面裂纹和脱碳等)；三是内部质量不稳定，波动范围大。

2 轴承的工作环境及对轴承钢的性能要求

2.1工作环境

    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，其余都是由轴承钢组成。当轴承工作时，轴承内、外套圈，轴承滚动体间承受高频、变应力的作用。轴承的工作条件十分复杂。载荷集中作用在滚动体的很小面积上。理论上讲对于滚珠，作用在一点上；而对于滚柱则作用在一条线上，并且滚动体与套圈间接触面积也很小（呈点/线接触），因此轴承零件在工作时，其滚动体和套圈表面的单位面积上要承受很大的压力，一般高达1500－5000N/mm²；轴承旋转时，还要承受离心力的作用，作用力随转速的增加而增大；滚动体和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着摩擦。在以上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。轴承正常的破损形式是接触疲劳损坏，常见的还有塑性变形、压痕、磨损、裂纹等。

2.2性能要求

轴承的寿命和可靠性虽然与轴承的设计、加工制造、润滑条件、安装、维护保养等因素有关，但轴承材料的高质量和可靠性是关键。基于以上对轴承的工作条件和破损的分析，对轴承钢的性能应有如下要求：

(1)高的纯净度和高均匀性；

(2)足够的抗压强度和抗永久变形能力；

(3)优良的接触疲劳性能；

(4)高的耐磨性；

(5)良好的尺寸稳定性；

(6)良好的工艺性能。

对于在特殊条件下工作的轴承，还有特殊要求，如耐高温性能、耐低温性能、防腐蚀性能和抗磁性能等等。

3 微量元素对轴承钢质量的影响

3.1氧

图1  氧含量与寿命的关系

    瑞典SKF公司和日本山阳特殊钢公司对轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系，做过大量的试验研究工作，得出了明确的结论，见图1～2。Lund.T.等认为疲劳寿命与氧含量的关系为L₁₀(相对寿命)=372〔O〕^－1.6，即二次精炼钢（氧含量为10×10^－6）的疲劳寿命是大气下熔炼钢（氧含量为40×10^－6）的10倍。上杉年一认为：精炼钢氧含量降到5×10^－6，其疲劳寿命是非精炼钢的30倍，与真空自耗和电渣重熔钢相当。大冶特殊钢股份有限公司近年来对此也做过一系列试验^[15]，结果表明，当精炼钢中氧含量降到20×10^－6时，疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢（氧含量为30×10^－6）的1.5倍，15×10^－6是2.0倍，8×10^－6是3.0倍，接近电渣重熔钢的水平（见图2）。

图2  氧含量与疲劳寿命

轴承钢中的氧含量与疲劳寿命之间的关系，国内外的试验结果大体一致。但是应当指出的是，氧含量与疲劳寿命的关系是辩证的关系，不是绝对的，因为钢中氧含量的高低，实际上只能代表钢中氧化物夹杂数量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用说夹杂物的尺寸及分布了。通常，一个轴承件的破坏，往往是由许多夹杂物中的一个大型夹杂物引起。这些夹杂物有硫化物（A类）、氧化物（B、C、D类）和氮化物。从这个意义上说，夹杂物的尺寸与分布对疲劳寿命影响最大。因此，不同的冶炼方法，氧含量即使相同，其疲劳寿命也完全不一样。图3表示各种不同炼钢方法生产的轴承钢弯曲疲劳极限与氧含量的关系，可以看出氧含量大约为20×10^－6的钢材（LD＋RH）疲劳极限相当好，而采用硅钙处理的钢材(EF＋RH)尽管氧含量很低，5~10×10^－6，由于其形成了危害严重的CaO类夹杂，疲劳极限并不高，冶钢公司的试验也证明了这一点，虽然电渣重熔钢的氧含量(18.6×10^－6)和夹杂物含量较高，但它的夹杂尺寸细小，分布均匀，它的疲劳寿命比低氧含量(8.2×10^－6)炉外精炼钢高。

据此，只能将氧含量看作是特定工艺范围内疲劳极限的一个相关参数。只有在同一冶炼方法和大量试验条件下，才有可能确定氧含量和疲劳性能之间的关系。

3.2硫

图3 不同炼钢工艺的GCr15钢中总氧含

    量与弯曲疲劳极限的关系

   图4 硫化物阻止蝶形开裂萌发一例(只有

         单翼的蝶裂)

  峰公雄认为：，硫对性能没有影响。关于硫对疲劳寿命的影响，目前还存在着意见分歧，归纳起来有以下三种观点^[16~20]：一种认为适当提高钢中硫化物含量有利于寿命的提高；另一种观点认为硫化物含量增加会降低寿命；还有一种观点则认为硫化物含量与疲劳寿命关系不大。认为硫化物有益的观点，常用“共生理论”来解释之。这种理论认为钢液在凝固过程中，低熔点的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包围氧化物的共生夹杂，它能够松弛拉应力，并能够进行协调变形，从而减少氧化物的有害作用，但是这种理论是建立在钢中氧化物