轴承钢和齿轮钢炼钢和轧钢注意事项

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1、轴承钢和齿轮钢炼钢和轧钢注意事项1、以 GCr15 为代表的轴承钢 高碳铬轴承钢标准GB/T18254-2002 是我国对轴承钢交货的最低技术要求。 根据国家标准及有关技术文献， 发现影响轴承寿命的主要因素是轴承钢的纯净度 和组织均匀性，因此对于高碳铬轴承钢GCr15 来讲，提高最终产品轴承的寿命， 关键是提高钢材的纯净度和均匀性。所谓纯洁度就是指钢中夹杂物的含量、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、 内部结构，包括基体组织，特别是析出相碳化物粒度、间距、夹杂物颗粒和分布 等均匀程度。因此炼钢和轧钢注意事项主要是围绕提高钢材的纯净度和均匀性展 开的。 1

2、.1 炼钢注意事项 （1）根据标准要求，轴承钢中残氧 O含量必须不大于12ppm，同时标准还明 确规定轴承钢必须采用真空脱气处理，其目的就是要降低钢中的残氧含量和其它 有害气体含量。 研究发现氧化物夹杂是轴承钢中最具危害性的，对疲劳破坏有显 著的影响。 氧含量越高， 不仅造成氧化物夹杂数量增多，而且氧化物夹杂尺寸增 大，偏析严重，夹杂级别增高，对疲劳寿命的危害也就加剧。因此要生产满足使 用要求的轴承钢，首先要降低钢中的残氧O含量。降低钢中 O含量除了采用真 空脱气外，另外采用Al 粒或颗粒 Mg 对钢水进行深脱氧也是降低钢水中残氧含 量的一种有效方法。因此轴承钢炼钢过程一方面要注意采用Al 粒

3、或颗粒 Mg 对 钢水进行脱氧，另一方面要注意为了进一步减少钢中的残氧含量和其它有害气体 含量，要进行真空脱气处理， 使得钢中的残氧含量不大于12ppm，并且同时使其 它有害气体含量降至最低，以符合标准要求，满足生产使用要求。 （2）同时标准规定轴承钢应进行低倍组织检查。经酸浸的试样应无缩孔、 裂 纹、皮下气泡、过烧、白点及有害夹杂物。同时连铸轴承钢低倍组织中的中心疏 松、一般疏松和偏析要符合表1 要求。 表 1 低倍组织类型合格级别不大于 中心疏松1.5 一般疏松1.0 偏析1.0 从标准规定发现，轴承钢对低倍组织要求非常严格，甚至可用苛刻两字来 形容，要满足低倍对疏松和偏析的要求，炼钢过程

4、要注意以下几点： 1)中间包钢水的过热度控制在15以下 ; 2)要在在连铸结晶器、二冷段和凝固终端区安装电磁搅拌装置，对钢水 连铸过程进行电磁搅拌 ; 3)二冷段采用强化冷却技术; 4)凝固终端采用液芯轻压下技术。 通过以上手段来满足轴承钢对低倍组织的要求。 （3）标准要求轴承钢应具有高的纯洁度，即非金属夹杂含量应尽量少。夹 杂物级别必须满足表2 要求。 表 2 夹杂物类型合格级别不大于 细系粗系 A 2.5 1.5 B 2.0 1.0 C 0.5 0.5 D 1.0 1.0 非金属夹杂物对轴承钢性能的有害影响因素，归纳起来，可以分为两个方 面，首先是夹杂物的种类和数量， 其次是它们的粒度、

5、形状、分布等几何性因子。 A 类夹杂是硫化物夹杂， B 类夹杂是氧化铝类夹杂，C 类夹杂是硅酸盐类夹杂， D 类夹杂属于球形氧化物夹杂，A 类和 C 类夹杂属于塑形夹杂， B 类和 D 类属 于夹杂属于脆硬性夹杂。 与脆硬性夹杂物相比， 塑性夹杂在热变形时， 能够与基 体协调一致的变形， 不会导致严重的局部应力集中，使疲劳裂纹萌生期延长， 因 而塑性夹杂物对疲劳寿命的影响远远小于脆硬性夹杂物。对脆硬性夹杂物而言， B 类夹杂物比 D 类夹杂物的危害要小。因此生产轴承钢，要尽量去除B 类和 D 类夹杂。轴承钢钢水用铝或颗粒镁+钙钡复合脱氧剂深脱氧去除钢水的氧含量， 铝或颗粒镁脱氧容易生成大量的A

6、l2O3 和 MgO 氧化物类夹杂，如果不去除该两 类夹杂，将对轴承钢的疲劳性能造成恶劣影响。同时C 类夹杂即硅酸盐类夹杂 在炼钢过程容易上浮，比较容易去除，而Al2O3 和 MgO 氧化物类夹杂比较不容 易去除，用钙钡复合脱氧剂一方面可对钢水进行脱氧，另一方面可对上述两类氧 化物夹杂进行变性处理形成容易去除的钙铝酸盐、镁铝酸盐及硅酸盐类夹杂。 因 此对夹杂物控制而言， 炼钢过程要注意对钢水加钙钡复合脱氧剂对生成的氧化物 夹杂进行变性处理， 同时要加大软吹氩时间， 尽量使形成的夹杂物上浮， 满足标 准对轴承钢夹杂物含量尽量少的要求。 （4）轴承钢中碳化物不均匀性。 轴承钢中碳化物的不均匀性主要

7、表现为碳 化物液析、碳化物带状和轧后冷却过程中沿晶界析出的网状碳化物。标准明确规 定热轧轴承钢中的碳化物带状和碳化物液析要满足表3 和表 4 要求。 对网状碳化 物而言，轴承钢一般要经过退火后才能使用，因此碳化物网状仅对球化退火后钢 材有明确要求，对热轧轴承钢检验没有具体检验要求。 表 3 碳化物带状合格级别 规格合格级别不大于 80 热轧不退火材3.0 80-150 热轧不退火材3.5 表 4 碳化物液析合格级别 规格合格级别不大于 60 热轧不退火材2.0 60 热轧不退火材2.5 轴承钢的碳化物不均匀性是由于钢锭结晶偏析所造成的，目前国内国外主 要从两方面着手改善轴承钢的碳化物不均匀性，

8、一是减小钢锭或钢坯的偏析， 严 格控制浇铸温度，将过热度控制在10-15;二是加强钢锭或铸坏的高温均热扩 散，对钢锭或钢坯进行高温均热扩散，以消除碳化物液析，改善碳化物带状;降 低终轧温度和加快轧后冷却速度或对钢材正火处理改善网状碳化物，以消除大块 碳化物等。减少钢锭或铸坯的偏析属于炼钢范畴，也是减少碳化物不均匀性炼钢需要注意的事项。对钢锭或钢坯进行高温均热扩散，、降低终轧温度和加快轧后 冷却速度改善轴承钢碳化物不均匀性则是轧钢范畴。 1.2 轧钢注意事项 （1）加热温度控制。实际生产中，轴承钢钢坯偏析是不可避免的，因此在轧 钢生产过程， 轴承钢在加热炉中要进行高温均热扩散，以消除轴承钢的碳化

9、物不 均匀性。但同时轴承钢对圆钢直径不大于150mm 的钢材有具体的脱碳层深度要 求，因此选择一个合理的高温加热温度是轴承钢轧钢生产一个需要注意事项。 （2）网状碳化物对热轧圆钢虽然没有具体的检验要求，但热轧圆钢的碳化物 网状级别对退火后的网状碳化物级别有明显影响。除了炼钢需要注意严格控制 碳、铬的含量，在钢锭的凝固过程中，降低钢中树枝状偏析，降低碳化物的级别 外，轧钢过程要注意控制较低的终轧温度，并加快轧后的冷却速度， 来降低轴承 钢的碳化物级别。实践证明，终轧温度低于850时，奥氏体晶粒细小，同时轧 后快冷，可防止了在奥氏体晶界上网状碳化物的析出，整个组织为细片状的珠光 体，对于消除网状碳

10、化物效果较好。 但轧后快冷的方法在小规格的钢材生产中较 容易实现， 对于大规格的钢材， 控制较低的终轧温度是很困难的，因为轧件的温 度过低会增大轧机的负荷， 并且使轧件难以咬入， 产生断辊等事故， 所以对大规 格棒材一般采用轧后穿水冷却， 将钢材的温度控制在600左右，可以避免网状 碳化物的析出或降低网状碳化物级别。对不同规格轴承钢圆钢， 终轧温度和轧后 冷却速度控制多少合适将是轧钢一个注意事项。 （3）表面质量的控制。标准要求钢材应加工良好，表面不得有裂纹、折叠、 拉裂、结疤和夹杂及其他对使用有害的缺陷。因此轧钢过程要加强过程控制，防 止出现对使用有害的表面质量缺陷。 2、以 20CrMnT

11、i 、42CrMo 为代表的齿轮汽车用钢 齿轮钢标准 GB/T5216-2004 是我国对齿轮钢交货的最低技术要求。对齿轮 钢而言， 最基本的四项质量指标是特定的淬透性及窄的淬透性带宽，高的纯净度、 细的晶粒度和良好的表面质量。因此炼钢和轧钢主要是围绕上述四项指标展开 的。 2.1 炼钢注意事项 （1）化学成分的控制。 齿轮钢淬透性及淬透性带宽的控制主要决定于化学成 分的精确控制和化学成分的均匀性。选择一个特定的齿轮钢钢种以后，基本上就 确定了所使用材料的淬透性。 淬透性确定后， 淬透性带宽的大小很大程度上影响 热处理变形， 淬透性带宽愈窄， 离散度愈小， 愈有利于齿轮的加工及提高其啮合 精度

12、。因此，淬透性带宽是评价齿轮钢质量的重要指标。研究表明，化学成分在 标准允许的范围内波动， 及各元素间的相对含量的变化，都会明显地影响钢材的 淬透性带宽，其中尤以碳含量及C 和 Ti 的相对含量十分明显。因此为了获得特 定钢种的窄的淬透性带，齿轮钢在炼钢过程化学成分在国标范围要求的基础上， 炼钢要进行化学成分窄带控制，其中为了获得良好的淬透性， C 及合金元素含量 要控制在标准要求的中上限， 或者根据客户不同要求进行定制，在获得良好淬透 性的基础上， 再进行成分窄带控制， 保证化学成分的均匀性， 以此获得特定钢种 窄的淬透性带，满足齿轮加工和使用要求。 （2）齿轮钢纯净度控制。 齿轮钢的纯净度

13、要求， 主要指氧化物夹杂含量的降 低以及除 S 以外其它有害元素的降低(齿轮钢有时需要保持一定的硫含量以改善 切削性，因为这个因素， 有时有些齿轮钢还要经过再硫化处理，这也是炼钢需要 注意的地方 )。大量研究也表明， 随着 O 含量的降低， 齿轮的疲劳寿命将大幅度提高。目前， 我国齿轮钢O 含量标准要求小于20 ppm， 而国外一般要求小于15 ppm，日本采用双真空工艺可以达到小于10 ppm 水平。降低钢中的氧含量，有 两种途径，一是采用真空脱气，另一种是铝粉或颗粒镁+钙钡复合脱氧剂对钢水 进行深脱氧，或者两者的结合。采用铝粉或颗粒镁进行脱氧，容易产生Al2O3 和 MgO 氧化物，不去除

14、的话，对疲劳性能影响很大，而硅酸盐类夹杂物在钢水 冶炼过程容易上浮去除， 使用钙钡复合脱氧剂一方面可起到脱氧的效果，另一方 面可对上述氧化物夹杂进行变性处理，形成比较容易去除的钙铝酸盐、 镁铝酸盐 及其他硅酸盐类夹杂， 然后再通过对钢水进行一定时间的软吹氩去除变性处理后 的夹杂物或没有能够通过变性处理仍保持原特性的氧化物夹杂，从而提高钢水的 纯净度。如果在以上基础上，再经过真空脱气处理，钢质将更加纯净。 （3）晶粒度控制。 目前国内齿轮钢的奥氏体晶粒度级别一般要求细于或等于 5 级。晶粒细化主要通过添加一定量的细化晶粒元素如Al、Ti、Nb 等来达到。 但在要求疲劳性能较高的钢中，是不宜用Ti

15、 来细化晶粒的。因此，晶粒细化 主要靠适量的Al 来保证，用 Al 细化晶粒的话，是需要在钢中保持一定的酸溶 铝含量 (0.010%0.040%)来达到这一目的。如何保持钢中保持一定的酸溶铝含量 也是炼钢需要注意的地方。 （4）带状组织控制。 带状组织虽然不是齿轮钢的四大质量指标之一，但带状 组织造成了低合金齿轮钢的各向异性，降低了力学性能、 切削性能和淬透性， 而 且带状组织还增加了热处理过程中产品的变形率，甚至可引起开裂。 因此带状组 织的影响必须考虑。 由于带状组织的影响， 尤其对淬火变形的影响， 要求在实际 生产中必须对其级别进行控制， 一般要求在 3 级以下。带状组织包括一次带状组

16、织和二次带状组织， 一次带状组织是由枝晶偏析形成的原始带状，二次带状组织 是固态相变所产生的显微组织带状，即通常所说的带状组织。 二者关系是只有在 一次带状的基础上形成二次带状组织，但有一次带状组织的钢材不一定出现二次 带状组织， 通常认为， 元素枝晶偏析是产生带状组织的最根本原因。因此要避免 带状组织的产生或减轻带状组织产生的级别，在炼钢过程必须避免或减轻枝晶偏 析。要减轻枝晶偏析，和轴承钢一样，炼钢过程要注意以下几点： 1)中间包钢水的过热度控制在15以下 ; 2)要在在连铸结晶器、二冷段和凝固终端区安装电磁搅拌装置，对钢水 连铸过程进行电磁搅拌 ; 3)二冷段采用强化冷却技术; 4)凝固终端采用液芯轻压下技术。 2.2 轧钢注意事项 （1）加热温度控制。 由于炼钢过程很难消除齿轮钢钢坯枝晶偏析，因此在轧 钢生产过程，钢坯在加热炉中可进行高温均热扩散，使碳和合金元素尽量扩散， 以减轻或消除齿轮钢的枝晶偏析， 避免后续带状组织的产生或达到降低其带状组 织的目的。同时齿轮钢在后续齿轮加工过程需要进行表面渗碳或碳氮共渗，增加