轴承钢技术及市场调研报告

1、轴承钢技术及市场调研报告目 录1 轴承钢简介11.1产品结构11.2主要产品及应用领域分析21.3轴承钢质量要求及工艺路线要求32 轴承钢生产技术调研42.1 冶炼工艺42.1.1 轴承钢传统生产工艺42.1.2 轴承钢转炉生产工艺52.1.3 轴承钢炉外精炼技术72.1.4 冶炼工艺质量控制72.2 连铸工艺102.2.1 连铸轴承钢工艺102.2.2 连铸工艺采用的技术112.2.3 连铸工艺质量控制142.3 轧制工艺152.3.1 加热工序152.3.2 轴承钢热轧的组织变化172.3.3 轧钢工艺质量控制233 国内轴承钢生产概况253.1近年国内轴承钢产量情况253.2近年我国主要

2、轴承钢生产企业的产量情况263.3轴承钢市场需求分析283.3.1下游行业快速发展带动轴承钢的发展283.3.2世界轴承生产重心转向我国将大大拉动国内轴承钢需求293.3.3我国经济持续增长将拉动轴承钢的需求293.3.4高端轴承需求带动轴承钢市场29- II -GCr15轴承钢文献综述 轴承钢技术及市场调研报告1 轴承钢简介轴承钢广泛应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防工业等领域，主要是制造滚动轴承的滚动体和套圈。近年来，我国轴承行业旺盛的需求促进了轴承钢生产的快速发展。2014年我国轴承钢粗钢产量292.71万吨，与2013年同期下降2.95%；2014年我国轴承钢材产量为285.57

3、万t，与2013年同期相比减少2.65%。高碳铬轴承钢为我国轴承行业用量最大的钢种，占轴承行业用钢量的85%以上，其中，GCr15是该类钢中具有代表性的钢种之一，具有广阔的市场前景。1.1产品结构轴承是一个支撑轴的零件，是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支承旋转轴或其它运动体，引导转动或移动运动并承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。尽管轴承只是作为各种主机支承元件，但由于品种繁多、加工精密、尺寸范围大，所以轴承工业是机械工业中一种特殊的独立产业，并已形成了完整的工业体系。到目前为止，全世界已生产轴承品种5万种以上，规格多达15万种以上。按照轴承的结构特点、物理形状、应用领域等标

4、准可做许多种分类，其分类具有多样性。从轴承的组成和工艺加工流程方面来说，轴承行业包括轴承成品制造企业、轴承套圈锻件加工企业、轴承套圈车加工企业、轴承滚动体（钢球、滚子、滚针）加工企业、轴承保持架加工企业、轴承密封件加工企业、轴承座（含紧定套）加工企业、轴承专用设备仪器制造企业以及轴承设计、科研企事业单位等。以ISO国际标准和行业约定俗成为基础，结合轴承的摩擦性质和应用性能，可以将轴承大体分为滚动轴承、滑动轴承、特殊专用轴承和轴承附属件这四大类：（1）滚动轴承系列占到轴承生产和使用的绝大部分，超过轴承总量的80%以上，通常说的轴承在多数情况下指的都是滚动轴承。滚动轴承是指依靠主要元件间的滚动接触

5、来支承转动零件的一大类轴承，具有摩擦力小、易于启动、升速迅速、结构紧凑、“三化”（标准化、系列化、通用化）水平高、适应现代各种机械要求的工作性能和使用寿命以及维护保养简便等特点。包括深沟球轴承、单双向推力球、各种滚子、滚针型轴承等常见产品。按照滚动体的类型，可以将滚动轴承分为球轴承和滚子轴承两类；按照轴承的承载负荷受力方向，又可以将滚动轴承分为向心轴承和推力轴承两类。（2）靠滑动来支承转动零件的一类支承件称之为滑动轴承，包括实体型、冲压外壳型、行程型等直线运动球轴承和一些直线运动滚子、平面轴承。（3）特殊专用轴承指的是根据某些特殊器械所需要的特殊性能而相应设计的一类支承件，主要包括复合轴承、纺

6、织器械用轴承、磁力轴承、小型单向离合器、等速万向节等。（4）轴承支承件对机械转轴的支承作用还需要相关的附属件来配合完成，这主要包括螺母、衬圈、钢球、滚针套和活塞环等。1.2主要产品及应用领域分析轴承是消耗性的机械基础件，广泛应用于一切和转动相关的机械产品新增量生产和保有量折旧当中。滚动轴承种类众多，应用十分广泛。滑动轴承一般应用于高速、高精度或特别重载的情况下，需求行业基本与滚动轴承无异。针对某些特殊的支承要求而设计的一些特殊的轴承设备，如磁力轴承、复合型轴承、防高温、防低温、防水轴承则专门应用与某些特定的领域。作为配合轴承适用的轴承附属件，其需求伴随存在与所有应用轴承的行业领域中。从当前主要

7、应用来看，汽车、摩托车、铁路、机床、风电是比较集中的几个领域：（1）汽车轴承：这里主要包括轿车和商用车两大类。轿车上使用轴承的部位有：发动机、启动器、发电机、水泵、离合器、变速器、差速器、前后轮毂、转向器、空调机等二十几个部位。轴承类型主要是小型深沟球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、角接触球轴承和滚针轴承等。商用车上使用轴承的部位主要有：水泵、变速器、传动轴、发电机、差速器、前后轮毂、转向系统等约三十个部位。轴承类型主要有：圆锥滚子轴承、深沟球轴承、滚针轴承及圆柱滚子轴承。（2）铁路轴承：包括各系列不同结构、精度等级和规格的铁路用机车、客车、货车轴承。铁路机车上使用的轴承主要是圆柱滚子轴承、

8、调心滚子轴承、角接触球轴承、深沟球轴承，用于液力传动箱、轮毂及齿轮箱等部位。客、货车辆用轴承主要是轮毂轴承，客车用轴承多为圆柱滚子轴承，货车用轴承多为双列圆锥滚子轴承。（3）摩托车轴承：摩托车上使用轴承的部位有发动机、轮轴、转向轴、齿轮箱、传动系统等十几个部位，轴承类型以小深沟球轴承和滚针轴承为主。（4）机床轴承：数量巨大的各类机床，特别是精密机床需要配套各类高精度、高性能轴承，以保证机床加工精度。通常所说的机床用精密轴承，一般指机床主轴轴承、精密传动副和转台轴承等。（5）风电轴承：主要指的是风力发电机组配套轴承，风电轴承受力的复杂性要求产品具有高承载能力、高寿命和高可靠性，良好的防腐性能和密

9、封性能、耐低温冲击性能、运转灵活性和平稳性等特点。主要包括偏航轴承、变浆轴承、发电机轴承、主轴轴承、变速箱轴承等。1.3轴承钢质量要求及工艺路线要求轴承钢是洁净钢的代表，除需控制以氧化物、硫化物为主的夹杂物和碳的偏析外，对P、Ti、N、H等残余元素含量也有严格要求。GB/T 18254-2002高碳铬轴承钢不仅对化学成分有具体要求，尤其对氧含量有严格限制，同时对低倍组织、非金属夹杂、显微组织、碳化物不均匀性、脱碳层、表面质量等都有具体规定。表1-1 GB/T 18254-2002对GCr15轴承钢的化学成分要求（wt%）牌号CSiMnCrMoPSNiCuNi+CuO模铸连铸不大于GCr150.

10、951.050.150.350.250.451.401.650.100.0250.0250.300.250.501512对轴承钢的质量要求，确定了轴承钢生产的关键：（1）尽最大可能减少钢中夹杂物，提高钢材纯净度；（2）严格控制和消除钢中碳化物缺陷，提高钢材的组织均匀性。图1-1 轴承钢质量控制示意图全氧和夹杂物是轴承钢冶炼中的主要难题之一。轴承钢的全氧含量一般稳定在10ppm以下，目前世界最高水平可稳定在5ppm以下。根据GB/T18254-2002要求，该钢种应采用真空脱气处理。高档的钢种必须走LF+RH组合工艺，RH定位首先是脱气，脱气前要求O、S低，必须经过LF。2 轴承钢生产技术调研2

11、.1 冶炼工艺2.1.1 轴承钢传统生产工艺轴承钢最传统的生产是采用电炉工艺。目前，国际上电炉生产轴承钢，按是否采用连铸技术，可分为两类：其一是以瑞典SKF公司为代表的“UHEAF-LF-IC”工艺；其二是以日本山阳公司为代表的“UHEAF-LF-RH-CC”工艺流程。图2-1给出两种工艺流程的比较。（a）瑞典SKF公司轴承钢生产工艺流程（b）日本山阳公司轴承钢生产工艺流程图2-1 两种工艺流程的比较近几年，SKF流程的技术进步在于其取消了轴承钢真空精炼工艺，采用钢包内铝沉淀脱氧和SKF精炼炉内吹Ar加电磁搅拌工艺，生产出高质量轴承钢。山阳厂轴承钢生产工艺的最大特点是采用高碱度渣精炼，生产超纯

12、净轴承钢，钢中硫含量控制S0.002%。表2-1为两种工艺生产轴承钢纯净度的对比。表2-1 SKF和山阳公司轴承钢生产工艺质量对比厂名SPAlTi×106T.O×106SKF平均值0.020.0080.036138.1波动范围0.0130.0240.0060.0130.0270.0451016512山阳厂平均值0.010.0080.01514.55.8波动范围0.0020.0130.0060.0140.0110.02214155.48.32.1.2 轴承钢转炉生产工艺采用转炉工艺生产轴承钢，出现于20世纪末期。采用转炉生产特殊钢具有明显的技术优势：（1）原料条件好，铁水的纯

13、净度和质量稳定性均优于废钢；（2）采用铁水预处理工艺，进一步提高铁水的纯净度，适宜低成本生产高纯净度的优质特殊钢；（3）转炉终点控制水平高，钢渣反应比电炉更趋近平衡；（4）转炉钢的气体含量低；（5）连铸和炉外精炼装备和工艺水平与电炉基本相当。采用转炉生产轴承钢，日本和德国采用完全不同的生产工艺。二者主要的技术差别在于对炼钢终点碳的控制。日本采用全量铁水“三脱”预处理工艺，转炉采用少渣冶炼高碳出钢技术，生产低磷低氧钢。德国采用转炉低拉碳工艺，保证转炉后期磷效果，依靠出钢时增碳生产轴承钢。2.1.2.1 日本住友公司轴承钢冶炼工艺日本住友公司在世界上首先开发利用杂质少的铁水经转炉吹炼生产轴承钢的生

14、产工艺。生产工艺流程如图2-2所示。图2-2 日本住友公司轴承钢生产工艺流程主要工艺特点：（1）铁水脱硫预处理S0.003%；（2）转炉进行钢水”三脱”预处理，P0.010%；（3）转炉少渣冶炼，Cr矿熔融还原，吹氧脱Ti；（4）转炉高碳出钢，C0.6%；（5）挡渣出钢，加Al深脱氧；（6）RH轻处理脱气；（7）吹Ar弱搅拌上浮夹杂。产品质量达到T.O9.0×10-6，Ti15×10-6。2.1.2.2 德国·蒂森轴承钢生产工艺德国·蒂森轴承钢生产工艺流程如图2-3所示。图2-3 德国蒂森轴承钢生产工艺流程工艺特点：（1）140t转炉低碳出钢，吹炼后期脱

15、P，终点碳控制在：C=0.030.04%；（2）转炉无渣出钢至白云石衬钢包内；（3）出钢过程合金化，加少量Al脱O；（4）RH脱气处理。产品质量达到T.O（712）×10-6，H2×10-6。2.1.3 轴承钢炉外精炼技术轴承钢的炉外精炼工艺，根据对硫的不同控制要求，分为“高碱度渣”和“低碱度渣”两种精炼工艺。高碱度渣精炼工艺：控制渣中碱度（CaO+MgO）/（SiO2+ Al2O3）3.0，渣中T.Fe<1.0%。其特点是具有很高的脱硫能力，可生产S20×10-6的超低硫轴承钢。同时，高碱度渣的脱氧能力强，可大量吸附Al2O3夹杂，使钢中基本找不到B类夹杂

16、。但由于渣中CaO含量高，容易被钢中Al还原生成D类球形夹杂，对轴承钢的质量危害甚大。因此，对钢中铝含量要严格控制，尽可能避免D类夹杂的生成。低碱度渣精炼工艺：控制炉渣碱度（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）=1.2，渣中T.Fe<1.0%。该渣系由于碱度低，消除含CaO的D类夹杂，对Al2O3夹杂也有较强的吸附能力和一定的脱硫能力，并有利于改变钢中夹杂物的形态，大幅度提高塑性夹杂的比例，有利于提高钢材质量。轴承钢炉外精炼的处理工艺，可细分为以下三种类型：（1）LF+VD精炼工艺。该工艺是最传统的精炼工艺，适用于电炉生产。其优点是在于进行充分的渣-钢精炼，可以有效地降低钢中氧含量

17、并改变夹杂物形态，实现高效脱硫。（2）RH精炼工艺。多用于转炉轴承钢精炼，其特点是在真空下强化钢中碳氧反应，利用碳脱氧和铝深脱氧。吹Ar弱搅拌上浮夹杂物，并具备一定的脱硫能力。该工艺的优点是铝的利用率提高，Al2O3夹杂可以充分上浮，钢中不存在含Ca的D类夹杂物。（3）SKF精炼炉电磁+吹Ar搅拌工艺。该工艺是非真空冶炼，是SKF近几年开发成功的新工艺，采用出钢时大量加Al深脱氧和强搅拌促进夹杂物上浮的精炼工艺，代替真空冶炼生产轴承钢。其优点是操作成本低，适宜生产超低硫、氧含量的轴承钢。2.1.4 冶炼工艺质量控制2.1.4.1 微量元素控制钢中残余元素Ni，Cu和有害元素P、As、Sn、Sb

18、、Bi、Pb可导致轴承材料加工中的热脆裂纹，同时，也能加强晶界偏聚。P、As、Sn、Sb等在低夹杂物含量的钢中，在晶界的偏析与富集更为明显。钢中P不仅能加剧液析碳化物的生成，而且能加剧奥氏体化时的二次碳化物的析出。对含0.018%和0.004%S的轴承钢连铸坯的偏析程度比较表明：低S含量的柱状和轴向区域中的偏析程度明显较低。凝固过程中随S含量的增加而硫化物、碳化物分布的平均尺寸增加，故纵向偏析增加。为了改善连铸轴承钢的碳化物，必须尽可能降低硫含量。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。氧化物夹杂尺寸越大，引起的应力集中也越强。在氧化物夹杂中，球状不变形D类夹杂物比B类夹杂物

19、对接触疲劳寿命更为有害。无论D类夹杂物还是B类夹杂物在钢中生成均离不开钢中的氧。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，偏析较严重，夹杂级别增高，因而对疲劳寿命的危害也就加剧。因此，要努力降低钢中的O。Ti（C，N）夹杂物具有很高的刚性，并在几何形状上呈棱角状，因而在基体中具有极易造成应力集中诱导疲劳裂纹。随Ti含量增高Ti（C，N）颗粒不仅大大增高，而且Ti（C，N）的级别也明显增高，疲劳寿命降低。因此，要努力降低钢中的Ti。表2-2为国外不同工艺条件下轴承钢微量元素控制情况。从表2.2可见，国外许多厂均能将轴承钢中O、P、S和Ti等元素分别稳定地控制在0.001%、

20、0.010%、0.020%、0.0015%以下，Al含量稳定控制在0.050%以下，通过控制这些元素，轴承钢的使用寿命得到提高。国外轴承钢生产厂一般将P控制在0.010%以下，国内目前对P的控制仍不稳定，多数控制在0.020%以下。2.1.4.2 夹杂物控制轴承钢冶炼中主要通过降低全氧（TO）来控制夹杂物含量，包括我国在内的许多国家轴承钢标准中规定TO15×10-6，实际生产中多数控制在10×10-6以下。日本山阳特殊钢公司RH脱气工艺的真空度可达13 Pa，高碳铬轴承钢TO含量已降低到5×10-6左右，甚至可控制在3×10-6左右；瑞典SKF公司高碳铬

21、轴承钢的TO可控制在8×10-6以下。国内以宝钢集团上钢五厂为代表，轴承钢TO含量模铸为7×10-6，连铸（66.5）×10-6。兴澄特钢轴承钢的TO可控制在6×10-6左右，大冶特钢、抚顺特钢、大连钢厂也能将TO控制在10×10-6以内。二次精炼是控制轴承钢中氧含量的重要手段，影响精炼效果的主要因素有：脱氧剂种类及脱氧时间、精炼渣系、炉渣碱度、真空度和深真空时间、吹氩搅拌强度和时间等。另外，随着连铸技术的发展，尤其是少氧化、无氧化连铸技术的发展，轴承钢连铸坯的氧含量一般比模铸低30%以上，钢中夹杂物更少。表2-2 国外轴承钢生产企业微量元素控

22、制水平厂名生产工艺TO×106Ti×106Al/%S/%P/%SKF100tEAF-除渣-ASEA-SKF-IC8.113.40.0360.0200.00890tEAF-倾动式出钢-LF-RH-IC8.314150.0110.0220.0020.003山阳90tEAF-倾动式出钢-LF-RH-CC5.814150.0110.0220.0020.01390tEAF-偏心底出钢-LF-RH-CC5.414150.0110.0220.0020.013神户预处理-转炉-LF-RH-CC9.0150.0160.0240.0260.006爱知80 t EAF-真空除渣-LF-RH-CC

23、7.0150.0300.0020.001和歌山转炉-CC10.0220.008转炉-RH-CC6.012高周波EAF-ASEA-SKF-CC9.0200.0150.0070.014EAF-ASEA-SKF-吹氩-CC5.090.0140.0140.008轴承钢中夹杂物存在的形态很多，由CaO和Al2O3生成的不变形铝酸钙（CaO·Al2O3）点状夹杂、脆性氧化物夹杂（主要是Al2O3）对轴承钢的危害极大。向钢包喷吹CaSi、Ca基粉剂（或喂线等），与Al2O3夹杂和铝酸钙结合生成大颗粒球状铝酸钙夹杂（12CaO·7Al2O3），该夹杂物熔点低，尺寸大，密度小，容易在上浮过程

24、中相互碰撞长大，从而极易从钢液排除。由于轴承钢对点状夹杂物特别敏感，国外轴承钢用户一般不允许采用Ca处理技术，而是通过加精炼渣使Al2O3形成细小易上浮的Al2O3·SiO2。2.2 连铸工艺2.2.1 连铸轴承钢工艺近几年，轴承钢连铸工艺迅速地发展，特别是日本山阳厂采用立式大圆坯连铸机生产轴承钢，不仅可用于生产轴套，也可以生产滚动体，标志着轴承钢连铸技术已经完全成熟。日本和德国是世界上采用连铸工艺生产轴承钢较早且数量较多的国家，瑞典SKF公司到目前仍坚持模铸工艺。表2-3列出了三家具有代表性的SKF、蒂森和三阳特殊钢公司采用模铸、连铸公司生产轴承钢的质量水平。从表2-3可以看出，采

25、用连铸工艺生产轴承钢，氧及夹杂物的含量比模铸有不同程度的降低。表2-3 SKF、蒂森和三阳公司不同工艺下的轴承钢质量厂家工艺TO×106夹杂物ABCD细粗细粗细粗细粗SKFMR-BQ+模铸132.01.51.50.2000.50MR-PBQ+模铸101.00.51.00000.50蒂森EF+模铸121.401.00TBM+模铸121.50.11.20.2TBM+连铸121.300.70.22TBM+Ca+连铸1.00.21.00.5山阳TST+连铸5.81.340.10.720000.980.37EBT+连铸5.41.350.120.170000.900.04表2-4给出国内某轴承钢

26、生产企业连铸与模铸工艺生产3555mm轴承钢棒材时的质量对比。从表2-4中可以看出，不论钢中夹杂物还是碳化物评级，连铸钢的质量已达到或接近模铸钢。表2-4 连铸与模铸轴承钢的产品质量工艺氧化物硫化物点状带状试样范围平均试样范围平均连铸101.02.01.5091.03.01.890.5×11.0×5101.02.01.6791.52.01.780.5×11.0×5101.02.01.30101.52.51.65模铸51.62.01.9051.01.51.4041.02.01.6351.02.51.6051.53.01.4051.52.51.5051.52

27、.01.7051.52.51.9051.52.52.1051.01.51.20注：（1）检验试样规格均为48mm；（2）连铸坯：210×270mm；中包温度：14801500；拉速：0.70.8m/min；（2）开成坯：105×105mm；低倍：中心一般疏松均为0.5级。2.2.2 连铸工艺采用的技术2.2.2.1 实施钢流保护轴承钢钢液的保护浇铸涉及：（1）钢包滑动水口的自动引流和钢包内钢液量的合理控制；（2）大包到中间包的铸流的保护套管和吹氢保护；（3）中间包内钢流的稳定流态和中间包内钢液量的合理控制；（4）浸人式水口的选型；（5）结晶器保护渣的选型；（6）结晶器液位的

28、合理控制。从改善连铸轴承钢碳化物的角度出发，最重要的是，钢流尽可能不受污染和尽可能处于稳定状态。同时，过热度尽可能低。2.2.2.2 降低和稳定过热度进入结晶器的钢水温度低，钢液结壳后，铸坯中心未凝固的钢水的温度接近于固相线温度，从而扩大中心的等轴区域，良好的大面积等轴晶组织抑制了铸坯的中心偏析。连铸高碳铬轴承钢的浇注温度从1520下降到1470，连铸坯中的枝状晶区长度可从40mm下降到10mm。浇注过程中的过热度的相对稳定对改善中心偏析和纵向偏析也很重要。为此，有厂家通过对钢包和中间包的内衬进行有效的天然气烘烤，使钢包和中间包的内衬温度达到1200以上，使中间包内的钢液温度波动范围在70mi

29、n的浇注时间内仅为5。使中间包钢水的过热度有效地控制在1015的最好办法是在中间包上采用等离子或感应加热措施。例如日本大同特钢的知多厂为了改善连铸轴承钢的中心偏析，于1992年在新建的2号连铸机上安装了中间包等离子加热装置。目前，中间包等离子加热技术已在日、美、意、德、法等国家的16家钢厂得到工业大规模应用。2.2.2.3 选用合适的电磁搅拌采用电磁搅拌技术可降低连铸坯的中心偏析程度，碳化物的尺寸也有细化的倾向。表2-5 不同电磁搅拌工艺对铸坯质量的作用质量因素 装置位置结晶器内M-EMS结晶器下M-EMS二冷段S-EMS凝固末端F-EMS改善表面质量改善温度梯度改善气泡，上浮夹杂均匀坯壳凝固

30、增加等轴晶，改善致密度分散夹杂分布改善轴心偏析注：主要作用；：次要作用。单一的结晶器电磁搅拌技术当然能大大改善铸坯中心的碳化物，但对高碳铬轴承钢而言，其中心区的偏析仍然较大。为了获得大而十分均匀的中心等轴晶区，往往要采用两种电磁搅拌装置，从而获得结构均匀，无中心疏松的结晶组织。采用M-EMS，可使坯壳生成比较均匀，而且，表面层中渣量的减少有利于坯壳生长。因为渣有绝热作用，会阻碍坯壳的生长。采用SEMS，最大的碳偏析值可从1.68减至1.38。采用FEMS，能够打断中心部位架桥，较好地补给由于凝固收缩所需的钢液。值得一提的是，组合搅拌技术的搅拌强度的控制是十分重要的，见表2-5。搅拌强度过大，会

31、形成严重的白亮带现象或V型偏析。搅拌强度过小，则达不到减轻偏析的目的。2.2.2.4 二冷强度和拉速相同冷却条件下，适当降低拉速有利于缩短固液区间长度，从而抑制枝状晶的长大，有利于减小中心偏析。而适当提高二次冷却强度除了能细化组织晶粒外，还能缩短液相深度，增加坯壳厚度。2.2.2.5 采用液相穴区的压下技术对于像轴承钢这样的组织要求较高的特殊钢来讲，对易产生偏析的液相穴区进行压下处理。这是因为在连铸坯凝固过程中，由于导辊之间铸坯产生鼓肚引起的坯壳内的容积变化和补偿凝固收缩，导致因残留钢液的宏观流动引起的中心偏析。（1）轻压下技术根据中心偏析发生的机理，控制铸坯凝固末端的凝固过程，可以有效地控制

32、中心偏析发生的程度。轻压下技术就是根据这个原理在连铸过程中控制中心偏析的自然发生。铸坯坯壳在完全凝固前受到外部均匀压力作用，防止了铸坯冷凝收缩产生的负压，阻止了铸坯因冷凝收缩或鼓肚产生的钢液横向流动，促使铸坯中心区域富含杂质元素的钢液回流并可能重新在固液两相区间分配，从而使凝固末端凝固更均匀致密。这就大大地减轻了中心偏析和中心疏松的程度。轻压下技术对解决高碳铬轴承钢的中心偏析与疏松有着最显著的效果，己被公认为是控制高碳铬轴承钢中心偏析最有效的工艺方法。但由于该技术的准确应用难度较大，要想取得理想的效果，必须精确地控制浇注工艺参数、凝固条件、压下区间铸坯中心的固相率，匹配好拉坯速度与压下速度。任

33、何一方面控制不合适，不但不能起到改善中心偏析的作用，而且极易造成铸坯中心裂纹。因此在采用轻压下技术的同时，往往还配备中间包等离子加热技术，电磁搅拌技术，从而确保最佳工艺条件下的最佳压下位置。（2）大直径辊压下技术与普通辊的轻压下技术相比，大直径辊压下技术可充分保证铸坯内部变形量，而且凝固界面的畸变也较小。当采用大直径辊压下时，以较小的压下量就能改善中心偏析。另外，由于在等轴晶区内压下，有助于减轻铸坯的内裂纹。（3）连续锻压技术连续锻压技术是利用装有异形锻头的锻压装置对液相穴端进行连续锻压，使凝固末端的固熔共存层压合在一起，可有效地使浓缩的钢液和破碎的晶粒向上移动，同时，大压下变形还可以防止铸坯

34、内裂。2.2.3 连铸工艺质量控制连铸轴承钢生产中必须控制碳化物的分布、中心偏析和中心疏松，使生产的轴承具有均匀的显微组织，从而提高轴承的使用寿命。中心偏析和中心疏松是轴承钢连铸坯容易产生的质量问题。一般认为，采用电磁搅拌、轻压下技术，以及控制浇铸过程工艺参数，如实行低过热度浇铸、保护浇铸、铸坯二冷强冷和采用中间包冶金技术，可以有效控制偏析和疏松。此外，研究还认为，轴承钢连铸时，一般要求采用大断面方坯连铸，使用截面至少为800mm2的大方坯，应尽可能做到面缩比不低于80：1，这样才有利于消除中心偏析和中心疏松。虽然国内外对碳化物没有像控制夹杂物那样提出严格要求，但碳化物不均匀分布，同样对轴承的

35、接触疲劳寿命产生不利影响。改善轴承钢碳化物分布不均匀性主要从两方面着手，一是减少钢锭或铸坯的碳偏析，严格控制浇铸温度和浇注速度，将过热度控制在1015；二是加强钢锭或铸坯的高温均热扩散。轴承钢连铸工艺技术一般有以下几个方面：（1）钢水准备。通常要求钢中T.O10×10-6，N80×10-6，H3×10-6，Ti20×10-6，Mn/S30。（2）温度控制。为了避免连铸坯中碳的严重偏析，要求采用低过热度浇注工艺。钢水过热度应控制在1520范围内。（3）全程保护浇注。应采用长水口接缝吹Ar工艺，控制浇注过程中钢水增N量<5×10-6。（4）低

36、拉速弱冷工艺。轴承钢拉速一般控制在0.60.8m/min间，视铸坯断面尺寸，适当调整拉速，二冷配水量通常为0.250.3L/kg钢。2.3 轧制工艺高碳铬轴承钢的含碳量较高，其钢种特性在轧制工序中有以下方面需要关注：（1）由于钢的含碳量较高，钢锭浇注或钢坯连铸及冷却时容易产生碳和铬的偏析，所以开轧前应进行高温保温或扩散退火；（2）钢的导热性差，在加热时要防止炸裂；（3）在加热过程中容易产生脱碳、过热和过烧现象；（4）轧后缓慢冷却时有明显的网状碳化物析出，在终轧温度低于800时，易产生带状碳化物；（5）热摩擦系数比碳素钢大，故在轧制中的宽度也较大。2.3.1 加热工序轴承钢钢坯在轧制成棒材之前再

37、加热的目的，不仅仅在于提高塑性、降低变形抗力为轧制创造条件，而且要在再加热过程中进一步降低钢中树枝状偏析的程度，从而进一步改善碳化物不均匀性。因此钢坯加热也是一道关键的工序。钢坯加热时要防止过热、过烧和表面脱碳。2.3.1.1 钢坯加热速度和加热温度由于此钢种的导热性较差，在开坯或成材的轧前加热时速度不宜过快，钢坯入炉时的炉尾温度不宜过高，应小于700。高碳钢的加热温度区间比较窄，通常在11501200之间。温度过低时变形抗力较大，而温度过高则会出现过热和过烧缺陷。轴承钢的过烧温度约为1220，一般的加热温度在11001180之间为宜。轴承钢钢锭经过开坯之后塑性提高，导热性改善，初轧坯或小方坯

38、再加热时不会因组织应力、热应力导致内裂。在锻（轧）加热炉中，装炉温度和升温速度都可以不受限制。连铸坯是铸态组织，加热要谨慎。冷却不当或加热时装炉温度太高、升温太快都会像加热冷钢锭一样产生内裂或穿孔。连铸坯最好是热装加热。钢锭经过加热-扩散退火之后轧成的钢坯，钢中树枝状偏析程度有所降低，钢坯产生轴心过烧的危险性要比钢锭小得多，所以钢坯的允许加热温度可以高一些。2.3.1.2 钢坯加热过程中的扩散退火作用钢坯加热过程中不仅和钢锭加热一样有扩散退火的作用，而且由于钢锭轧成钢坯之后偏析带之间的距离被压拢，扩散距离缩短，扩散作用会更迅速、有效。大冶特钢厂曾经用同一熔炼炉号的钢锭经同一工艺制度生产出来的1

39、80mm方坯在500mm中型轧机上作对比试验。钢坯分两批，用不同的加热制度加热后轧制成110mm圆钢，钢材球化退火后在同一部位（即同“段号”）取试样检验碳化物带状组织。试验结果表明：3t钢锭经高温长时间保温的扩散退火之后，在钢坯加热过程中，采用高温长时间加热工艺制度生产的钢材，比低温加热制度生产的钢材，碳化物带状平均级别降低了0.3级别，见表2-6。表2-6 轴承钢加热制度带状碳化物级别的影响180mm钢坯均热制度110退火材带状组织工艺特点总加热时间/h:min均热时间/ h:min出钢温度/试样片数平均级别低温加热3:321:02114082.80高温长时间加热6:463:03122082

40、.502.3.1.3 加热过程中的表面脱碳轴承钢在加热过程中的脱碳倾向很大。GCr15在热加工过程中的脱碳层厚度可达0.30.8mm，对轴承制品的表面硬度和强度有很大的影响。首先脱碳层的含碳量低于正常基体的含碳量，制造轴承零件时要把它去除，既浪费金属又增加机械加工费。其次，由于加热及轧制变形的不均匀性，钢材表面的脱碳层总是不均匀的，会引起表面层组织、硬度、加工性能不均匀，给现代轴承行业中广泛采用的自动、半自动机床加工带来很多麻烦。还有，如果钢材表面的脱碳层没有清除干净而带到轴承元件上，会降低元件的工作性能。因此在技术标准中对高碳轴承钢钢材表面的脱碳层深度有严格的限制。加热工序中对脱碳的影响因素

41、有很多，包括燃料条件、加热设备、炉气成分以及钢的化学成分等，但是影响最大的还是加热温度和加热时间两个因素。图2-4为不同保温温度和保温时间对钢材脱碳层的影响。（a）保温温度对钢材脱碳层的影响 （b）保温时间对钢材脱碳层的影响图2-4 保温温度和时间对钢材脱碳层的影响2.3.1.4 钢坯的加热制度高碳铬轴承钢钢坯加热制度要满足下列要求：（1）加热温度的上限要保证钢坯不过烧，通常不得超过1240；下限要保证轧制顺畅，通常要高于900 。在出钢时，沿钢坯的长度和断面的温度差要尽量小，力求均匀。（2）为减少表面脱碳，要求钢坯加热温度尽量低，加热时间尽量短；但是为了降低碳化物偏析程度却要求钢坯加热温度要

42、高一点，在高温的停留时间长一点。减少脱碳与消除偏析对钢坯的加热制度提出了互相矛盾的要求。为了克服这个矛盾，通常是在钢锭加热时进行充分的扩散退火，减少碳化物偏析；而在钢坯加热过程中侧重于防止脱碳。钢锭在高温下长时间保温同样也会产生脱碳层，但由钢锭到钢材的延伸系数一般都很大，钢锭表面的脱碳层轧成钢材之后会被辗轧得很薄，对钢材表面脱碳层厚度影响甚微。而由钢坯到钢材的延伸系数小，钢坯表面的脱碳层厚度对钢材的影响比较大，所以钢坯的加热要谨慎，要注意防止脱碳。为了减少脱碳层厚度，在加热过程中要尽量采用较低的加热温度和较短的加热时间，在高温区应避免长时间的加热，炉内的气氛要控制在还原性气氛中。降低钢坯的加热

43、温度不仅可以减少脱碳层厚度，而且由于加热温度降低的结果，钢材的终轧温度也会相应地降低，这对于降低碳化物网状的级别也是有益的。2.3.2 轴承钢热轧的组织变化2.3.2.1不同轧制条件下GCr15变形奥氏体的再结晶规律将GCr15轴承钢加热到11001250在奥氏体单相区热轧时其变形奥氏体的再结晶数量、奥氏体晶粒的平均弦长与轧制工艺参数的关系如图2-5所示。（a）变形奥氏体再结晶数量与形变量的关系（b）奥氏体平均尺寸与形变量的关系图2-5 GCr15变形奥氏体再结晶数量和平均尺寸与形变量的关系从图2-5中看出，当轧制温度一定时，随着道次变形量的增大，轧后奥氏体的再结晶百分数增多，而奥氏体晶粒平均

44、弦长减小。由于变形量加大，使变形奥氏体晶粒拉长，奥氏体晶界面积增多，畸变能加大，奥氏体再结晶形核部位增多，形核速度加快，促使变形奥氏体再结晶数量增多，晶粒尺寸减小。特别是在轧制温度提高时，奥氏体再结晶速度加快，再结晶数量增多，晶粒细化。奥氏体晶粒细化有利于碳化物析出地点增多，分散，对改善网状碳化物是有利的。根据这一原理，在较高温度下加大变形量对细化奥氏体晶粒、均匀组织是有利的。轧后停留时间加长，或在高温轧后采用空冷，则奥氏体晶粒开始长大，网状碳化物析出聚集，网状碳化物级别提高，这是不利的。因而轧后应当采取快速冷却到某一温度，以防止奥氏体晶粒长大和碳化物析出。GCr15轴承钢热轧后奥氏体发生再结

45、晶的临界变形量受加热温度、轧制温度和轧后停留时间等因素的影响。当加热温度一定时，轧后的变形奥氏体再结晶区域图如图2-6所示。图2-6 形变温度和临界形变量对再结晶的影响图2-6中分成GCr15轴承钢的变形奥氏体再结晶区，部分再结晶区和未再结晶区3个区域。这一特点与低碳钢、低合金钢及中碳钢的变形奥氏体再结晶区域图在本质上是一致的，仅在曲线位置有所差别。随着轧制温度的降低，变形奥氏体发生再结晶临界变形量增大。变形温度不小于950时，开始再结晶的临界变形量为10左右，完成再结晶的临界变形量达到30。当变形温度小于850时，变形量为20也不发生再结晶。在图2-6中两条曲线之间，即开始发生再结晶和完成再

46、结晶区间为变形奥氏体的部分再结晶区。在这一区间变形其奥氏体将由两部分组成，即一部分发生再结晶，一部分变形奥氏体不发生再结晶，形成奥氏体晶粒大小不均组织状态。这种混晶组织对其相变及相变后组织都有不利影响，在轧制工艺中应当避免。2.3.2.2 变形制度对轴承钢碳化物析出温度的影响由于变形诱导析出的作用，促使碳化物在高于平衡条件下析出温度Arcm之上提前析出，也就是二次碳化物在高温析出。析出速度加快，造成网状碳化物严重。轧制温度和变形量对GCr15轴承钢二次碳化物的析出温度Arcm的影响如图2-7所示。图2-7 形变温度和形变量对GCr15的Arcm温度的影响当钢的成分一定时，随轧制温度提高，变形量

47、加大Arcm温度提高。变形量越大则Arcm温度提高越多，在这种条件下轧后采用空冷则将形成严重的网状碳化物。为了消除或减轻这种影响，轧后则应采取快冷。2.3.2.3 轴承钢控制轧制的类型和机理上世纪90年代，我国一些合金钢厂由于设备条件的影响仍采用奥氏体单相区轧制轴承钢、终轧温度偏高，在精轧出口处钢温达9001000，终轧后，钢材在冷床上进行空冷，得到比较严重的网状碳化物和粗片层间距的珠光体组织。这是由于热轧变形，促使二次碳化物在高温提前析出，在空冷条件下，碳化物有较长时间析出，碳原子可进行长距离扩散的结果。具有这种组织的轴承钢，在球化退火前要进行正火处理，这就使工艺复杂化，并且增加了能耗，延长

48、球化退火时间，脱碳层加厚，影响了轴承钢的质量。现在许多轴承钢生产企业都采用控制轧制工艺生产轴承钢轧材，控制轧制工艺有不同的类型，其机理也各不相同。按其工艺特点可分为如下几种工艺。（1）奥氏体区和两相区控制轧制在热轧生产中为了降低终轧温度，减轻网状碳化物，形成了由高温开始连续轧制，低温终轧，即两相区终轧的控制轧制工艺。工艺特点是：钢坯加热温度比普通热轧的加热温度稍低，防止原始奥氏体晶粒粗大，一般加热到10301200，保温后，出炉轧制，直到精轧机列之前或终轧前13道，通过强化冷却或采用热轧钢料待温的办法将轧件冷到（奥氏体与碳化物）两相区温度范围再轧制。其目的是经过两相（奥氏体与碳化物）区变形使先

49、共析碳化物与未再结晶的奥氏体同时受到塑性加工。未再结晶的奥氏体经变形，晶粒进一步被拉长，并且在晶粒内增加变形带和位错密度，为细化珠光体球团尺寸、分散碳化物析出创造了条件。在奥氏体变形的同时，先析出的碳化物同样受到塑性加工，在碳化物中形成大量位错，为碳化物溶解、溶断、扩散和沉积创造了有利条件，使先析出的碳化物网形成细小、分散小条状的碳化物颗粒。这一碳化物网的细化过程，在一些教科书中或文献中被叫做网状碳化物的“破碎”。经过理论分析和试验证明，在奥氏体和碳化物两相区的塑性变形对先析网状碳化物的细化并不是简单的“机械破碎”。其网状碳化物的细化原因正如前面所说，是由于塑性变形使先析碳化物在其本身变形的同

50、时，在其内部形成大量位错，并且在位错密度高的位错线处产生碳的溶解、扩散和在曲率半径大的碳化物表面沉积，直到高位错线处溶断，最后形成分断的条状或半球化的碳化物颗粒。这种预组织对以后的球化退火有加速作用，有利于球化。先析出碳化物的形状改变程度取决于在奥氏体区和奥氏体与碳化物两相区的变形制度。该工艺由于轧制温度低，变形抗力大，某些老式轧机承受不了。如果采用小变形量则又降低了碳化物颗粒的细化效果。另外，由于待温，则恶化了劳动条件，降低了轧机的生产能力。（2）轴承钢的等温轧制工艺轴承钢的等温轧制工艺特点是将坯料加热到奥氏体区温度，一般为9001100，在这一温度范围进行多道次轧制，使奥氏体晶粒细化，为等

51、温轧制创造有利的组织条件。高温变形后冷却到800720，进行等温轧制，每道轧完后，由于钢温下降而应立即返回炉中等温加热。等温轧制的总变形量为5060%，随后在780保温0.5h，使析出的碳化物球化。之后，以4060/h的冷却速度冷却至650，然后进行空冷，可以得到符合要求的轴承钢球化组织和硬度。前苏联某轧钢厂400轧机上采用上述控轧工艺已经轧制出842mm的GCr15轴承钢棒材。经过等温轧制工艺生产的轴承钢具有细小的球状碳化物，弥散地分布在细小铁素体基体上，是比较理想的球化组织。另一种等温轧制工艺是将轴承钢钢坯加热到奥氏体和渗碳体两相区温度进行等温轧制，其作用也是使渗碳体塑性变形，提高位错密度

52、，加快碳化物溶断、扩散和球化，同样可以获得较为理想的球化组织。但是，要进行等温轧制，必须保持轧件温度一定，多次等温加热，这在大生产中是比较困难的，难以在连续轧制中实现。为了实现这一工艺，只有增加等温设备，改造生产线才能适应等温轧制轴承钢工艺的要求。2.3.2.4 轴承钢的控制轧制和控制冷却工艺轴承钢的控制轧制工艺在实际生产中细化奥氏体晶粒和阻止二次碳化物析出仍然存在着一定困难。如果轧后采用空冷，由于形变诱导作用，变形促使奥氏体在较高温度提前析出二次渗碳体，即Arcm温度升高，碳化物粗大而量多。控制轧制之后采用快冷工艺则变形奥氏体晶粒来不及长大，快冷使Arcm温度降低，碳化物在低温下析出，分散而

53、细小。因此，轴承钢控制轧制与快冷相结合，才能达到进一步细化奥氏体晶粒和阻止二次渗碳体沿奥氏体晶粒间界析出的目的。轴承钢有不同类型的控轧工艺，而轧后与控制冷却相结合，可以形成下列组合工艺：（1）高温再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺；（2）高温再结晶型和未再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺；（3）高温再结晶型，未再结晶型和两相区控制轧制与轧后快冷结合工艺。下面分别叙述：（1）轴承钢的高温再结晶型控制轧制与轧后控冷工艺这一工艺特点是将轴承钢的钢坯加热到10301200，保温使其钢坯断面温度均匀，出炉后经过粗轧和精轧，终轧温度控制在9801020左右，奥氏体塑性变形都处在完全再结晶区的温度范围。为了阻止晶粒

54、长大和碳化物析出，终轧后进行快速冷却，达到一定温度后必须停止快冷，以免在表面形成马氏体组织或形成裂纹。快冷后进行空冷到室温。这一轴承钢轧制和控冷组合工艺所获得的钢材组织为细片状珠光体或索氏体与轻微网状碳化物。大量试验结果表明，GCr15轴承钢的网状碳化物析出温度范围一般在900700，大量析出碳化物的温度在850700。为了防止网状碳化物析出，应加快这一区间的钢材冷却速度。（2）高温再结晶型和未再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺这一工艺的特点是在高温再结晶区轧制一定道次后，在部分再结晶区进行待温或者进行快冷，当钢温达到未再结晶区温度再进行轧制，直到所要求的尺寸。终轧温度仍处在未再结晶区温度，以致不

55、在晶粒间界析出二次碳化物，具体的终轧温度取决于道次变形量的大小。在轴承钢未再结晶区轧制，应有较大的道次变形量，以增加变形奥氏体晶粒内的变形带。这样，碳化物不仅在奥氏体晶界上，同时也在奥氏体晶粒内的变形带部位析出，碳化物析出变得弥散，形成细化珠光体或退化珠光体（也称变态珠光体），组织得到进一步改善。当轧后进行快速冷却时，可以阻止碳化物析出，降低碳化物析出温度，将会降低网状碳化物级别，甚至消除网状碳化物。（3）高温再结晶型，未再结晶型和两相区控制轧制同轧后快冷结合工艺这一工艺特点是在上一工艺基础上，将终轧温度降低到奥氏体与碳化物两相区范围，即在两相区轧制一定道次，使已经析出的一部分网状碳化物塑性变形，碳化物沿位错密度高的位错线溶解、扩散，直至溶断，形成小条状或半球化碳化物，最终碳化物得到细化。轧后快冷，能降低奥氏体的相变温度，改善珠光体形态，细化珠光体尺寸。采用哪一种组合工艺取决于轧钢工序的工艺过程和设备条件，以及对轴承钢轧态组织的要求。2.3.3 轧钢工艺质量控制高碳铬轴承钢碳化物不均匀性的表现形式有：碳化物液析、碳化物带状和碳