碳素輪轂軸承用鋼G55的開發(fā)

陳 敏

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 江陰 214429)

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碳素輪轂軸承用鋼G55的開發(fā)

陳 敏

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 江陰 214429)

介紹了碳素輪轂軸承用鋼開發(fā)、生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在冶煉過程中通過采取精煉加強脫氧、連鑄保護澆注、電磁攪拌等技術(shù)，其產(chǎn)品有害元素含量低、非金屬夾雜物少、鋼材偏析狀況好。

軸承鋼； 輪轂鋼； 偏析； 非金屬夾雜物； 有害元素

引 言

江陰興澄特種鋼鐵有限公司(以下簡稱“興澄特鋼”)采用電爐-爐外精煉-VD真空脫氣-連鑄-連軋的生產(chǎn)工藝路線，開發(fā)、生產(chǎn)G55碳素輪轂軸承用鋼。輪轂軸承的主要作用是承重以及為輪轂的轉(zhuǎn)動提供精確引導(dǎo)，它既承受軸向載荷又承受徑向載荷，是一個非常重要的零部件，因此對制作輪轂軸承的原材料——輪轂軸承用鋼也有著嚴(yán)格的要求。

鋼材的純凈度和均勻性是影響軸承使用壽命的主要因素。鋼中非金屬夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性和均勻性。根據(jù)軸承的使用條件，在交變應(yīng)力的作用下，非金屬夾雜物易于引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，降低軸承的疲勞壽命。特別是對于硬脆性夾雜物，由于其不具有塑性，在加工和使用過程中難以變形，構(gòu)成應(yīng)力集中，使疲勞裂紋萌生期縮短，影響了疲勞性能的提高[1]。此外，高端輪轂軸承鋼對組織均勻性、成分偏析是十分敏感的，特別是中心碳的偏析，它會導(dǎo)致軸承組織的不均勻，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能[2]。

針對上述情況，興澄特鋼根據(jù)企業(yè)實際情況，大膽創(chuàng)新，在新工藝和新技術(shù)方面有所突破，提高G55碳素輪轂軸承用鋼的質(zhì)量水平，以滿足客戶高層次的需求。

1 工藝流程及技術(shù)要求

1.1 工藝流程

興澄特鋼采用100 t電爐初煉→100 t LF鋼包爐精煉→VD爐真空脫氣→大方坯連鑄機澆注→連鑄坯熱送→軋鋼分廠加熱、軋制成材→鋸切→棒材堆冷→后續(xù)精整→打件、入庫的生產(chǎn)流程。

1.2 技術(shù)要求

1.2.1 化學(xué)成分設(shè)計

G55鋼對成分要求嚴(yán)格，不僅要求同批次成分均勻、不同批次成分穩(wěn)定，而且要求鋼中有害元素(主要是氧和鈦)含量低。鋼中的氧和鈦會影響成品軸承的使用壽命：鈦對軸承的危害方式是以氮化鈦、碳氮化鈦夾雜物的形式殘留于鋼材中，這種夾雜物堅硬、呈棱角狀，嚴(yán)重影響軸承的疲勞壽命；通過大量試驗證明，氧含量的降低對提高軸承疲勞壽命顯著有利[3]。根據(jù)現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28417-2012，結(jié)合用戶的實際要求，制定了相應(yīng)的化學(xué)成分控制值，具體如表1所示。

1.2.2 鋼材潔凈度控制

鋼材內(nèi)部的宏觀缺陷嚴(yán)重危害材料的性能，極大地降低成品軸承的使用壽命，必須對鋼中的宏觀缺陷做出嚴(yán)格限制。因此，規(guī)定對G55鋼材進行探傷抽檢，采用SEP 1927(鍛軋鋼棒純凈度超聲水浸測定方法)進行檢驗，要求缺陷指數(shù)不允許超過5 mm/dm3。

表1 G55鋼化學(xué)成分控制值/%

對于鋼材中的微觀非金屬夾雜物，特別是硬脆性夾雜物，比如沿軋制方向排列成串狀或點鏈狀的Al2O3夾雜(B類)，不變形的點狀或球狀夾雜(D類)以及大顆粒點狀或球狀夾雜(DS類)，因其不具有塑性，在軸承使用中容易萌生裂紋。因此也必須對G55鋼材的微觀非金屬夾雜物的含量及形態(tài)進行嚴(yán)格控制，具體級別值如表2所示，按GB/T 10561-2005 中的A法進行檢測。

表2 G55鋼非金屬夾雜物級別

1.2.3 鋼材均勻性控制

鋼材原材料若偏析嚴(yán)重，會導(dǎo)致成品軸承的組織不均勻，嚴(yán)重降低軸承的使用壽命。因此，對G55產(chǎn)品的低倍組織也提出嚴(yán)格要求，按ASTM E381-01(2012)(鋼棒、方鋼坯、大鋼坯和鋼鍛件宏觀浸蝕測試方法)判定，C, R, S值均要求≤1.5級。

1.3 主要工序的工藝特點

1.3.1 電爐

對電爐冶煉的要求是控制出鋼終點碳、磷含量及溫度至規(guī)定范圍，并防止出鋼過程下氧化渣。具體操作時通過穩(wěn)定鐵水量來控制配碳量和殘余元素成分，同時優(yōu)化燒嘴參數(shù)、控制電爐吹氧量，最終形成良好的出鋼條件，在電爐出鋼過程中加入脫氧劑，利用鋼水中的良好的動力學(xué)條件，進行集中提前脫氧。1.3.2 精煉及真空脫氣

鋼包到精煉工位后，接通氬氣，采用擴散脫氧造白渣，并進行鋼水脫氧、脫硫，同時調(diào)整合金含量、化學(xué)成分達到判鋼標(biāo)準(zhǔn)。該過程應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)合金、原輔料，減少外來夾雜，同時通過全過程氬氣流量控制和脫氧爐渣發(fā)泡技術(shù)，實現(xiàn)爐渣對非金屬夾雜物的較好吸附和隔絕空氣，減少鋼水的二次氧化。待成分及溫度等滿足工藝規(guī)定要求后，將鋼包運送至VD爐進行真空脫氣。

VD真空處理過程中，根據(jù)真空度，對應(yīng)調(diào)節(jié)鋼渣攪拌參數(shù)，在實現(xiàn)快速脫氫的同時，減緩鋼渣對鋼包耐火材料的沖刷和侵蝕，避免鋼水被耐火材料污染而形成難以去除的非金屬夾雜物。VD破空后，進行軟吹氬、弱攪拌，保證鋼包中非金屬夾雜物快速上浮的同時，均勻鋼水溫度。待鋼包溫度合適后吊包連鑄。

1.3.3 連鑄

連鑄澆注過程中，從大包到中間包再到結(jié)晶器，均嚴(yán)格采用密封保護澆注，杜絕鋼水與空氣接觸，控制鋼水二次氧化；中間包采用經(jīng)過多次數(shù)模和水模優(yōu)化后的內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，減少中間包死區(qū)面積，縮小中間包內(nèi)鋼水紊流區(qū)域，充分發(fā)揮中間包的冶金作用，提高鋼水潔凈度。

澆注時采用低過熱度澆注，采用連續(xù)測溫并根據(jù)溫度進行拉速調(diào)整，結(jié)晶器液面自動控制，使用結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌；二次冷卻采用強冷。同時，為摸索最佳的連鑄工藝參數(shù)，生產(chǎn)技術(shù)室按期以爐號為主線，對重要的連鑄參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(如拉速、過熱度、比水量、連鑄流速、電磁攪拌)，同時根據(jù)相關(guān)爐號的實際檢測結(jié)果，結(jié)合實際生產(chǎn)工藝參數(shù)，不斷優(yōu)化、摸索出質(zhì)量最優(yōu)的連鑄工藝參數(shù)。

1.3.4 軋鋼

軋鋼采用高溫擴散加熱，進一步降低鋼材的中心偏析。此外，由于客戶對材料的表面質(zhì)量等提出較高要求，為保證產(chǎn)品的出廠質(zhì)量，軋鋼分廠對鋼材100%進行超聲波探傷和渦流、漏磁或紅外探傷，以保證出廠鋼材零缺陷。

2 開發(fā)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

從已有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)看，G55鋼材的各元素指標(biāo)均滿足用戶技術(shù)要求。通過制定嚴(yán)格的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的操作要點，將主要元素的波動進行了有目的的控制：如C波動控制在0.03%以內(nèi)，Mn波動控制在0.04%以內(nèi)，保持了批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，減少了對鋼材加工性能的影響；同時將有害元素氧和鈦控制在較低范圍內(nèi)，圖1為生產(chǎn)100爐G55鋼的氧、鈦含量分布直方圖。

2.2 鋼材潔凈度

按照GB/T 10561-2005 的A法對G55鋼材的非金屬夾雜物評級，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。采用ASPEX的電子掃描顯微鏡對6支試樣進行非金屬夾雜物面掃，重點檢驗、分析了對軸承使用壽命影響較大的Al-Mg夾雜和氧化物夾雜的直徑分布情況，檢測結(jié)果如表3所示，均未出現(xiàn)直徑超過20 μm的大顆粒夾雜。

此外，按SEP 1927法對生產(chǎn)的G55鋼材進行水浸高頻超聲波探傷檢測，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 鋼材均勻性

按ASTM E381-01(2012)標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)的G55鋼材進行低倍組織檢驗，結(jié)果完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中C，R，S值均≤1.0級的比例在90%以上，部分低倍實物照片如圖2所示。

為更加直觀地反映G55鋼材的偏析狀況，抽取部分G55成品鋼材進行實驗室原位分析檢驗，主要分析C, Cr元素的偏析狀況，具體結(jié)果如圖3所示。從原位分析結(jié)果看，G55材料的偏析良好，組織均勻。

圖1 G55鋼中氧、鈦含量分布的統(tǒng)計直方圖

編號夾雜物類型總數(shù)/個平均直徑/μm不同直徑夾雜物的分布數(shù)量/μm0～55～1010～1515～2020～30>301#Al-Mg212.88103000Oxides94.61440002#Al-Mg222.51282000Oxides84.23311003#Al-Mg102.7541000Oxides123.72730004#Al-Mg123.1560100Oxides205.331043005#Al-Mg54.8212000Oxides103.80820006#Al-Mg134.1283000Oxides68.1104100

圖2 G55鋼材低倍實物照片

圖3 C，Cr元素的原位分析分布圖

3 用戶使用情況

通過分析，當(dāng)前研制的G55碳素輪轂軸承用鋼成分、性能穩(wěn)定，組織均勻性好，非金屬夾雜物的數(shù)量與形態(tài)能得到有效控制，隨著市場的逐步開發(fā)，目前已有多家用戶使用該工藝所生產(chǎn)的G55碳素輪轂軸承用鋼，用戶對鋼材實物質(zhì)量反映良好。

4 結(jié)束語

興澄特鋼研發(fā)試制的G55碳素輪轂軸承用鋼化學(xué)成分與工藝路線的選擇可行；鋼中的氧、鈦含量控制達到先進水平，鋼材中大顆粒夾雜物及材料偏析的控制同樣達到先進水平；實踐證明，當(dāng)前該生產(chǎn)工藝穩(wěn)定可行，生產(chǎn)的產(chǎn)品實物質(zhì)量得到下游用戶的認(rèn)可。

[1] 龔偉，姜周華，王博，等. 精煉渣對軸承鋼氧含量和夾雜物的影響[C].全國軸承鋼第七屆學(xué)術(shù)會議. 昆明，1996:257—262.

[2] 鐘順?biāo)?王昌生. 軸承鋼[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2000.

[3] 王昌生，謝亞慶，周德光. 我國軸承鋼生產(chǎn)的發(fā)展[J].特殊鋼，1996,17(1):9—14.

2016-06-25

陳 敏(1985—)，男，碩士，工程師，電話：18651500871；E-mail：ttchenmin@126.com

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