轴承钢牌号、化学成分及标准对比.doc

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调研报告内容： 1、概述（研究目的与意义） 2、该产品研究国内外研究与发展现状(发展过程、现状及发展前景) 3、技术、市场分析（重点介绍） 3.1 国内生产现状 （包括主要生产厂家、各厂家生产该产品采用的生产工艺流程、生产设备、关键技术、生产规格、执行标准或技术条件、产品产量和质量状况、现有及潜在用户、市场占有情况等）（重点介绍） 3.2市场分析 （包括现有和潜在市场容量、产品规格、售价、利润情况、主要品种、主要目标用户及加工工艺、技术质量要求等） （重点介绍） 4、可行性分析 莱钢开发生产该产品的必要性和可行性分析（主要分析莱钢现有装备和工艺条件是否满足、产品利润预测等） 5、其它： 特殊要求品种需要介绍一下钢种定义、性能特点、主要用途、用户个性化要求等） 1、概述（研究目的与意义） 作为合金钢的一种,轴承钢包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢、不锈轴承钢及特殊工况条件下应用的特殊轴承钢。目前,我国轴承钢总产量已达220万t左右,其中高碳铬轴承钢约占轴承钢总产量的90%以上。轴承钢是所有合金钢中质量要求最严格、检验项目最多、生产难度最大的钢种之一，主要用于制造滚动轴承。世界公认轴承钢的生产水平是一个国家冶金水平的标志。对于一个企业来说，轴承钢的生产水平也是一个企业冶金水平的标志，纵观国际及国内的知名特钢生产企业，无一不将轴承钢特别是高标准轴承钢作为其产品调整、发展战略的一个重要目标。我国的一些知名特钢生产企业如:兴澄特钢、东北特钢、上海宝钢特钢生产的轴承钢具有品质高（通过国际知名轴承公司SKF、FAG、Timken认证），产量大（年产量基本维持在30-50万吨的水平）等特点。 莱钢特钢作为一个老牌特钢生产企业，目前轴承钢生产只能按国内标准生产，档次低、品种单一、产量低（年产量在1万吨左右），与国际、国内的知名特钢生产企业相比差距明显。根据现有装备和生产水平，开发高品质轴承钢，并适当扩大产量不仅对于进一步调整、优化企业产品结构，提高莱钢特钢产品的附加值及经济效益，增强市场竞争能力具有重要意义，而且有利于提升企业的知名度。 2、轴承钢研究国内外研究与发展现状(发展过程、现状及发展前景) 2.1国内外轴承钢钢种系列发展状况 轴承用钢的质量是所有合金钢中要求最严格、检验项目最多的钢种。世界公认轴承钢的水平是一个国家冶金水平的标志。随着科学技术迅猛发展，轴承钢使用条件日益恶劣，对轴承提出了非常苛刻的要求。由于轴承的工作环境、使用条件不同,除了大量生产高碳铬轴承钢外,还发展了渗碳轴承钢、中碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等系列钢种。 高碳铬轴承钢是轴承钢的代表钢种,各国对之都有专用的技术标准。例如, ISO/FDIS683-17中纳标的高碳铬轴承钢钢种有: 100Cr6、100CrMnSi4-1、100CrMnSi6-4、100CrMnSi6-6、100CrMo7、100CrMo7-3、100CrMo7-4、100CrMnMoSi8-4-6。美国的ASTM A295的高碳铬轴承钢包括:52100、5195、UNSK19526、1070M、5160。此外,美国对高淬透性的高碳铬轴承钢,有专用标准 ASTM A485,其包括的钢种有: Grade1~Grade4、100CrMnSi4-4、100CrMnSi6-4、100CrMnSi6-6、100CrMo7、100CrMo7-3、100CrMo7-4、100CrMnMoSi8-4-6。 中国的高碳铬轴承钢(GB/T18254-2002)包括的钢种有: GCr15、GCr15SiMn、GCr4、GCr15SiMo、GCr18Mo。 渗碳轴承钢的表面经渗碳处理后具有高硬度和高耐磨性,而心部仍有良好的韧性,能承担较大的冲击。这类钢的最高使用温度也一般在200℃以下。这类钢在美国的产量约占轴承钢总产量的30%,在中国仅占3%左右。ISO/FDIS683-17中纳标的渗碳轴承钢钢种有20Cr3、20Cr4、20MnCr4-2、17MnCr5、19MnCr5、15CrMo4、20CrMo4、20MnCrMo4-2、20NiCrMo2、20NiCrMo7、18CrNiMo7-6、16NiCrMo16-5。 美国的ASTM A534的渗碳钢标准中,除了覆盖ISO/FDIS683-17的所有钢种外,还包括:4118H、4320H、4620H、4720H、4817H、4820H、5120H、8617H、8620H和9310H。 中国的渗碳轴承钢标准GB/T3203-82中的钢种有: G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo。G20CrMo钢经渗碳、淬回火后,表层具有较高硬度和耐磨性,达到轴承材料基本要求。心部硬度较抵,有较好的韧性,适用于制作受冲击负荷的零部件。另外还具有较高的热强性。它与美国的4118H相近似。G20CrNiMo钢经渗碳或碳氮共渗后具有明显优于GCr15钢的接触疲劳寿命,表面耐磨性与GCr15钢相近。心部有足够的韧性。该钢具有良好的淬透性。它是制作耐冲击负荷轴承的良好钢种,它与美国的8620H相近。G20CrNi2Mo钢具有中等表面硬化性,它比G20CrNiMo钢具有更好的淬透性和高的综合力学性能。适用于制作铁路火车的滚动轴承套圈,还可制作汽车的齿轮。它与美国的4320H相近。G20Cr2Ni4钢渗碳后表面具有相当高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度,同时心部韧性良好,能耐强烈的冲击负荷。但对白点形成敏感,有回火脆性。适合制作耐冲击负荷的大型轴承。G10CrNi3Mo是一种合金含量相对高的、高淬透性的表面渗碳钢。因其含碳量较低,心部硬度不高于32~38HRC。它与美国的9310H相近。 G20Cr2Mn2Mo钢的强度、塑性、韧性及工艺性能与G20Cr2Ni4钢相似,其渗碳速度快,易达饱和,渗碳表面易形成粗大碳化物。用于制造高冲击负荷下工作的特大型和大中型轴承零件。 中碳轴承钢的开发主要为适应轮毂和齿轮等部位具有多种功能的轴承部件或特大型轴承。适用于制作掘进、起重、大型机床等重型设备上用的特大尺寸轴承，一般转速不高，但承受较大的轴向、径向载荷及弯曲应力等。其热加工、冷加工性能较好,与渗碳、碳氮共渗相比较,工艺也较简单,且同样达到表面硬化效果,因此,近年来发展较快。ISO/FDIS683-17中纳标的中碳轴承钢钢种有: C56E2 (相当于S55C或SAE1055)、56Mn4、70Mn4 (相当于SAE1070)、43CrMo4 (相当于SCM440或SAE4142)。美国中碳轴承钢标准ASTM A866 (2001)中,除了C56E2和56Mn4之外,还有: 1030、1040、1050、1541、1552、4130、4140、4150、5140、5150、6150和43CrMo4。这些中碳轴承钢淬回火处理后具有高的屈强比,较高弹性极限和耐磨性能,良好的抗疲劳和抗多次冲击性能。中国没有专用的中碳轴承钢。常借用于中碳轴承的中碳合金钢钢种有: 55、50MnA、70Mn、37CrA、65Mn、50CrVA或50CrNi、55SiMoVA、50SiMo、50CrNiMo或SAE8660。 不锈轴承钢主要为适应化工、石油、造船、食品工业等的需要而发展起来的,用于制造在腐蚀环境下工作的轴承及某些部件,也可用于制造低摩擦、低扭矩仪器、仪表的微型精密轴承。不锈轴承钢主要有:中、高碳马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等。为满足轴承的硬度要求,多采用马氏体不锈钢。 ISO/FDIS683-17中纳标的不锈轴承钢钢种有: X47Cr14、X65Cr14、X108CrMo17 (相当于ASTM440C)、X90CrMoV18-1。美国标准ASTM A756中的不锈轴承钢有:440C和440CMOD。中国不锈轴承钢标准GB3086中的钢种为9Cr18 (相当ASTM440C)和9Cr18Mo。 随着航空、航天工业的发展,喷气发动机、燃汽轮机和宇航飞行器的制造的要求越来越高,轴承的工作温度越来越高,甚至高于300℃。这样,高温轴承钢应运而生。高温轴承钢应具有高的高温硬度(大于50HRC)、尺寸稳定性、耐高温氧化性、低的热膨胀性和高的抗蠕变强度。其中前两项为选择高温轴承钢材料的主要指标。高温轴承钢可分为:高温不锈轴承钢、高温高速工具钢、高温渗碳轴承钢。ISO/FDIS683-17中纳标的高温轴承钢钢种有:80MoCrV42-16、X82WmoCrV6-5-4、X75WCrV18-4-1。美国的高速工具钢标准ASTM A600(1999)中的T1、M2、M50等钢种可作为高温轴承钢使用。中国高温轴承钢的标准GB3086中的钢种为: 8Cr4Mo4V和10Cr14Mo4。8Cr4Mo4V是一种含Mo的高温不锈钢,在ASTMA600标准中相当于M50,也是各国广泛使用的一种高温轴承钢,具有较好的高温硬度和高温尺寸稳定性,并且有高的高温接触疲劳性能。可以制造工作温度在315℃以下使用的轴承。主要用于飞机、舰艇发动机轴承、冶金、化工和原子能工业中高温设备轴承。10Cr14Mo4钢是9Cr18Mo的改进钢种，其增加了Mo量,减少了Cr量,使其高温硬度和耐磨性提高,使用温度可达480℃。中国高温轴承钢系中的高速工具钢的钢种有Cr4Mo4V和W18Cr4V。前者相当于美国的M50,因综合性能好和合金元素含量低而广泛使用,它在耐磨性、高温硬度和抗氧化性等方面与10Cr14Mo4相当,作为中级高温轴承材料可以制造工作温度在315℃以下使用的轴承。后者相当于ASTMA600中的T1,适用于更高温度和更好的高温硬度下工作的轴承。中国高温轴承钢系中还没有合适的渗碳高温钢。 2.2轴承钢钢种的发展动向 对于高碳铬轴承钢来讲,主要是提高钢材的纯洁度和钢中碳化物的充分均匀化。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。在21世纪的今天,冶金材料工作者正在为钢中氧含量接近2-3μg/g这样的极限值的新目标而努力。当前,人们关注的另一个体现轴承钢清洁度的热点是钢中钛含量的水平。SKF公司的试验表明:钛含量从40μg/g降到10μg/g ,能使寿命提高约2倍。日本某公司的试验表明:如果能控制在12μg/g以下,微型轴承可达到静音的运转效果。因此,要努力降低钢中的钛。目前,希望轴承钢钢中钛含量在6μg/g以下。另外，除了控制高纯洁度钢水中的非金属夹杂物的数量之外,还需控制其形态与分布。在钢中碳化物的控制方面,通过控轧或轧后快冷基本消除了高碳铬轴承钢网状碳化物,获得了合适的预备组织。这在缩短球化退火时间、细化碳化物、提高疲劳寿命等方面都取得了适用性 效果。前苏联和日本的研究动向之一是低温控轧(800-850℃以下),轧后不经水冷,采用空冷后短时间退火,或完全取消球化退火工艺,就可得到合格的组织。动向之二是650℃加工。高碳铬轴承钢热加工前若具有细晶粒组织或在加工过程能形成细晶粒,则在一定变形速率下,呈现出超塑性。 在提高球化退火质量并获得细小、均匀、球形的碳化物以及缩短退火时间或取消球化退火工序的研究方面有了进展。轴承钢盘条采用两次组织退火,将拉拔后的720-730℃再结晶退火改为760℃的组织退火。这样可得到硬度低、球化好、无网状碳化物的组织。这在缩短球化退火时间、细化碳化物、提高疲劳寿命等方面都取得了适用性效果。 渗碳轴承钢和中碳轴承钢,除了提高钢材的纯洁度外,为满足用户特殊环境下的长寿命化的需求,要开发特殊工况条件下的新钢种。 不锈轴承钢,主要是致力于耐蚀性和耐热性的多用途化条件下的马氏体不锈钢的开发。对于高温轴承钢来讲,重点是航空、宇航等高温用轴承钢的开发。另一方面,现有的高温轴承钢系中的高碳高温不锈钢、高速钢都因合金元素含量高而价格昂贵,特别是高速钢类高温轴承钢的车削、磨削加工以及热处理都给轴承制造带来一定困难。为此,美国研制出一种性能良好的渗碳高温轴承钢。这种钢的退火硬度HB不大于192,可直接在最佳淬火温度1149℃下渗碳,而获得最快的渗碳效果,也可在较低温度下,如927℃渗碳,表面渗碳量可达0.80%-1.40%。该钢种适用于制造427-482℃下连续运转的轴承零件,还可用于制造538℃下间歇工作的轴承零件。目前,国外发展的几个渗碳高温轴承钢钢种有: CBS600、CBS1000、M315等。我国已开发轴承钢钢种牌号、成分及与国外轴承钢牌号对比分布见表2及表3。 表2 我国已开发主要轴承钢钢种牌号、成分统计 高碳铬轴承钢 GB/T18254-2002 牌号 化学成分/% C Si Mn Cr Mo P S Ni Cu Ni ＋Cu O≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 模铸 连铸 GCr4 0.95 0.15 0.15 0.35 0.08 0.025 0.02 0.25 0.2 0.0015 0.0012 1.05 0.3 0.3 0.5 GCr15 0.95 0.15 0.25 0.35 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 0.0015 0.0012 1.05 0.35 0.45 0.5 GCr15SiMn 0.95 0.45 0.95 1.4 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 0.0015 0.0012 1.05 0.75 1.25 1.65 GCr15SiMo 0.95 0.45 0.95 1.4 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 0.0015 0.0012 1.05 0.75 1.25 1.65 GCr18Mo 0.95 0.45 0.95 1.4 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 0.0015 0.0012 1.05 0.75 1.25 1.65 另:根据需方要求，并在合同中注明，供方应分析Sn、As、Sb、Pb、Al等残余元素，具体指标双方协商。轴承管用钢Cu≤0.20%，盘条用钢S≤0.020%，钢坯及钢材的化学成分允许偏差C±0.03、Si±0.02、Mn±0.03、Cr±0.05、P＋0.005、S＋0.005、Ni±0.03、Cu±0.02、Mo≤0.10%时，±0.01；Mo＞0.10%时，±0.02。需方可按炉批对钢坯及钢材进行成品分析。 渗碳轴承钢 GB/T3203-1982 G20CrMo 0.17 0.2 0.65 0.35 0.08 0.03 0.03 0.25 0.23 0.35 0.95 0.65 0.15 G20CrNiMo 0.17 0.15 0.6 0.35 0.15 0.03 0.03 0.4 0.25 0.23 0.4 0.9 0.65 0.3 0.7 G20CrNi2Mo 0.17 0.15 0.4 0.35 0.2 0.03 0.03 1.6 0.25 0.23 0.4 0.7 0.65 0.3 2 G20Cr2Ni4 0.17 0.15 0.3 1.25 0.03 0.03 3.25 0.25 0.23 0.4 0.6 1.75 3.75 G10CrNi3Mo 0.08 0.15 0.4 1 0.08 0.03 0.03 3 0.25 0.13 0.4 0.7 1.4 0.15 3.5 G20Cr2Mn2Mo 0.17 0.15 1.3 1.7 0.2 0.03 0.03 ≤0.30 0.25 0.23 1.6 2 0.3 另:渗碳轴承钢按高级优质钢生产时，其硫、磷含量应≤0.020%，钢材的化学成分允许偏差C±0.02、Si±0.03、Mn±0.04、Cr±0.05、P＋0.005、S＋0.005、Ni±0.05、Cu±0.05、Mo±0.02。 不锈轴承钢 GB/T3806-1982 牌号 化学成分/% C Si Mn Cr Mo P S Ni Cu Ni ＋Cu O≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 模铸 连铸 9Cr18 0.9 ≤0.80 ≤0.80 17 0.035 0.03 0.3 0.25 0.5 1 19 9Cr18Mo 0.95 ≤0.80 ≤0.80 16 0.4 0.7 0.035 0.03 0.3 0.25 0.5 1.1 18 另：钢坯及钢材的化学成分允许偏差Cr±0.15、Mo±0.03。 中碳轴承钢 37CrA 0.34 0.17 0.50 0.80 0.41 0.37 0.80 1.10 65Mn 0.62 0.17 0.90 0.3 0.25 0.70 0.37 1.00 0.25 50CrVA 0.47 0.17 0.50 0.80 V 0.54 0.37 0.80 1.10 0.10-0.20 50CrNi 0.47 0.17 0.50 0.45 1.0 0.54 0.37 0.80 0.75 1.4 55SiMoVA 50CrNiMo 高碳铬轴承钢 YJZ84 GCr6 　 1.05 0.15 0.2 0.4 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 1.15 0.35 0.4 0.7 GCr9 　 1 0.15 0.25 0.9 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 1.1 0.35 0.45 1.2 GCr9SiMn 　 1 0.45 0.95 0.9 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 1.1 0.75 1.25 1.2 GCr15 0.95 0.15 0.25 0.35 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 　 　 1.05 0.35 0.45 0.5 GCr15SiMn 0.95 0.45 0.95 1.4 0.1 0.025 0.025 0.3 0.25 0.5 　 　 1.05 0.75 1.25 1.65 另：钢坯及钢材的化学成分允许偏差C±0.03、Si±0.02、Mn±0.03、Cr±0.05、P＋0.005、S＋0.005、Ni±0.03、Cu±0.02、Mo≤0.10%时，±0.01；Mo＞0.10%时，±0.02。需方可按炉批对钢坯及钢材进行成品分析。 高温轴承钢 8Cr4Mo4V 0.75 ≤ ≤ 3.75 4.0 4.5 0.015 0.008 0.2 0.2 V 0.85 0.35 0.35 4.25 0.90—1.10 G13CrMo4-NiV 0.11 0.10 0.15 4.00 4.0 4.5 0.015 0.01 V 0.15 0.25 0.35 4.25 1.13—1.33 表3 国内外轴承钢牌号对比表 高碳铬轴承钢 中国 美国 德国 日本 法国 国际 瑞典 标准号 牌号 标准号 牌号 标准号 牌号 标准号 牌号 标准号 牌号 标准号 牌号 标准号 牌号 GB/T18254 GCr9 ASTM A295 S1100 DIN17230 JIS G4805 SUJ1 NF A35-565 ISO683-17 SKF D33 SKF13 GCr9SiMn ASTM A485 Cr1 SUJ3 2 SKF1 GCr15 ASTM A295 S2100 100Cr6 SUJ2 100Cr6 1 SKF3 GCr15SiMn ASTM A295 S2100 100CrMn6 SUJ2 100CM6 3 SKF2 不锈轴承钢 GB/T18254 9Cr18 ASTM A756 JIS G4805 SUS440C NF A35-565 ISO683-17 SKF D33 9Cr18Mo SUS440C Z100CD17 21 SKF577 高温轴承钢 YB/T 688 8Cr4Mo4V ASTM A600 M50 ISO683-17 30 10Cr14Mo4 Cr14Mo4 中碳轴承钢 GB/T3203 G20CrMo ASTM A534 4118H JIS G4103 NF A35-565 ISO683-17 SKF D33 G20CrNiMo 8620H SNCM220 20NCD2 12 SKF152 G20CrNi2Mo 4320H SNCM420 20NCD7 14 G20Cr2Ni4 G10CrNi3Mo 9310H G20Cr2Mn2Mo 中碳轴承钢 ASTM A866 C56E2 ISO683-17 C56E2 56Mn4 56Mn4 56Mn4 56Mn4 3.技术、市场分析（重点介绍） 3.1轴承的工作环境及对轴承、轴承钢的性能要求 3.1.1轴承的工作环境及对轴承的性能要求 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。 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。滚动轴承零件要在拉伸、压缩、弯曲、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值之下，高速而长时间地工作。因此，对滚动轴承要求具有：     1）高的抗塑性变形能力，     2）高的抗摩擦、磨损性能，     3）高的旋转精度及尺寸精度，     4）好的尺寸稳定性，     5）长的使用寿命和高的可靠性。 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。 3.1.2轴承钢材料及冶金质量性能要求 为了满足以上对动轴承的性能的要求，对轴承钢材料提出了以下一些基本的性能要求：     1）高的接触疲劳强度，     2）热处理后应具有高的硬度或能满足轴承使用性能要求的硬度，     3）高的耐磨性、低的摩擦系数，     4）高的弹性极限，     5）良好的冲击韧性和断裂韧性，     6）良好的尺寸稳定性，     7）良好的防锈性能，     8）良好的冷、热加工性能。 　　　根据以上对轴承用钢的基本要求，对轴承用钢的冶金质量提出以下的基本要求； 　　①严格的化学成分要求； 　　②较高的尺寸精度要求，对于使用在高速镦锻机上锻造的热轧退火棒料，应该对其尺寸精度有更高的要求； 　　③特别严格的纯洁度要求； 　　④严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求； 　　⑤特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求：表面缺陷包括表面裂纹、表面夹渣、毛刺、折迭、结疤、氧化皮等；内部缺陷包括缩孔、气泡、白点、过烧、严重的疏松和偏析、显微孔隙等； 　　⑥严格的碳化物不均匀性要求； 　　⑦严格的表面脱碳层深度要求； 　　⑧其他要求：例如轴承钢的冶炼方法、氧含量、退火硬度、断口、残余元素、火花检验、交货状态等。 3.2影响轴承钢质量因素分析 钢的冶炼水平是轴承钢内在质量好坏的先决条件。钢中的氧含量、成分偏析，夹杂物数量及分布，大颗粒碳化物的状况是影响轴承钢内在质量的重要冶金因素。 3.2.1氧 图2 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）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2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。 图2 不同炼钢工艺的GCr15钢中总氧含 量与弯曲疲劳极限的关系 3.2.2硫 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：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。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夹杂较多的前提下。但必须看到，这些观点只在有限的条件下才值得重视。一方面，是因为硫化物包覆氧化物并非仅靠控制氧硫比就一定能实现。凝固速率也会影响硫化物在氧化物上析出的过程。在热加工和热处理温度下，已形成的硫化物“膜”有可能部分再次溶于钢的基体。由于硫化物和氧化物变形抗力的差异，热加工时“膜”还可能被挤掉，这些因素对高硫轴承钢寿命测定值分散度大看来是有影响的。另一方面，所谓用硫化物包覆氧化物可提高滚珠轴承的寿命只是相对的。即硫化物的危害性相对于氧化物的较小一些。然而不可否认它也是杂质，同样也会破坏钢基体组织的连续性与均匀性。随着酸性平炉的逐渐淘汰及炉外精炼技术的广泛应用，现在滚珠轴承钢的含氧量水平已可降到5×10－6，氧化物夹杂大大减少。Cogne等指出[18]：在这种条件下硫化物的破坏作用自然也就会显现出来(见图3)。Tardy等发现实际但值得注意：硫与氧相似，它也只能代表钢中硫化物夹杂的数量，不能代表其尺寸和分布。这是由于钢中硫化物含量较低，绝不意味着大颗粒夹杂物完全消失，因为钢在凝固过程中，夹杂物存在着聚集、长大的条件。特别是硫化物夹杂，由于它容易产生偏析，其尺寸的大小与钢锭的重量、钢液的浇铸温度更为密切。例如日本山阳特殊钢公司已将钢中的硫含量降到了很低的程度(0.002％)，但它的硫化物级别并不很低，平均为1.34级。现在有些特殊用钢，为了有利于切削加工，要求钢中含有一定数量的硫(0.02~0.06％)，同时要求其硫化物细小分散，级别要低。因为要改善钢中硫化物的尺寸和分布，使其变得细小分散，必须注意凝固条件，应尽量将浇铸温度降低，以减少硫化物偏析。上有两个影响因素：[%O]和[%O]/[%S]。[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接触疲劳寿命高。 图3 夹杂物类型对轴承钢的有害程度 3.2.3钙 钙在轴承钢中主要是以铝酸钙、硅铝酸钙、硫化钙等形式存在。这种夹杂物与其它夹杂物不同，热加工时既不变形，也不会破碎。在球状夹杂两侧经常可以看到“孔穴”，此处较易造成应力裂纹。在氧含量很低的轴承钢中，钙可部分替代硫化锰中的锰。富钙硫化物的韧性很差，同氧化物相似，起产生裂纹的作用。 含CaO的点状夹杂物经常是轴承钢产生裂纹的源泉，佩特尔森(Peterson)根椐点状夹杂就是裂纹的假设。提出了下列疲劳极限与夹杂尺寸的关系式： (1)式中：SN：疲劳极限，MN/m2 Rm：材料的抗拉强度，MN/m2； a： 点状夹杂的周长，um； R：点状夹杂的半径，um。利用上式所作的预测值和实测结果基本吻合，由此证明点状夹杂的确是轴承疲劳寿命降低的直接原因，夹杂尺寸愈大，疲劳寿命愈短。对有些钢种而言，为了提高钢材的机械加工性能，并改善非金属夹杂物的形态与分布，在冶炼过程中有意向钢中加钙。但对轴承钢而言，残留钙不是有意添加的，而是来源于与钢水接触的熔渣和炉衬。轴承钢如果采用Ca或Ca－Si脱氧，钢中必将产生危害性极大的D类球状夹杂物，使其疲劳寿命大幅度降低。因此，在很多国家的轴承钢标准中都规定(如瑞典SKF、美国ASTM标准等)，不能用Ca或Ca－Si脱氧。 3.2.4其它残余元素 关于滚珠轴承钢中的有害元素，除了氧、硫、钙之外，近来钛与氮也备受关注，因为它引入TiN夹杂，其危害甚至比等粒度的刚玉更大(见图5)。Cogne等和坪田等认为Ti含量超过30~50×10－6时疲劳寿命开始下降。关于轴承钢中氮和钛形成氮化钛夹杂的条件以及如何控制氮化钛的尺寸和分布还没有文献报道，有待今后研究。 由于没有可靠的检测方法，对于残余元素如砷、铋、铅、锑和锡等对轴承钢寿命的影响报导很少。对于杂质元素铝、铜、钼、镍、钒与轴承疲劳寿命间的关系研究表明[14]：为了获得高疲劳寿命的轴承钢，其杂质元素的相对量必须符合下述条件。 滚珠轴承钢有白点敏感性，钢中氢增加会导致疲劳寿命下降。磷会促进加热时晶粒的长大，使钢脆性增加而强度降低，易于在淬火时开裂。镍会降低滚珠轴承淬火层的硬度。铜会引起失效。 由于残余元素的有害作用，为了提高轴承钢质量，国外在标准中对残余元素有明确的规定，如SKF D33“SKF3热轧球化退火钢棒”标准中规定Ti≤30ppm；As≤0.04%；Sn≤0.04%；Sb≤0.03%；Pb≤0.002%；T.O≤0.0015%。在80年代末90年代初，德国FAG轴承公司、日本NTN和NSK等公司的轴承钢交货标准规定Ti≤30ppm、T.O≤15ppm、[S]≤0.008%。 3.2.5夹杂物 1）夹杂物类型和数量对疲劳寿命的影响 钢中的非金属夹杂物，破坏了金属的连续性和均匀性。在交变应力的作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低钢的疲劳寿命。但是不同的夹杂物类型、形态、数量、尺寸和分布，对钢的疲劳寿命影响是不相同的。不同类型的夹杂物在轧制时表现为不同的形状。脆性夹杂物(如Al2O3夹杂)一般沿轧制方向排列成串状或点链状；塑性夹杂物(如硫化物)呈连续性分布；点状(或球状)夹杂物在热加工时不变形；即不同类型的夹杂物，具有不同的热应力变形能力。硬脆夹杂物不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。有时在变形时，这些夹杂物还能将钢的基体划伤。显微观察表明，在点状不变形夹杂物的周围，常常发现有喇叭形的空洞和裂纹。这种空洞引起“划伤”往往就是疲劳破坏的“胚芽”，因此点状夹杂物危害极大。大量的试验工作证实了脆硬夹杂物的危害性。图4是含D类(点状)和B类(Al2O3)夹杂物钢的弯曲旋转疲劳性能与失效率的关系。从图中可以看出，D类夹杂物比B类夹杂物的危害大得多。氮化钛夹杂物也是一种具有规则外形的硬而脆的夹杂物，氮化钛夹杂甚至比氧化物更为有害。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。 以上说明，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，其次是它们的几何性因子(粒度、形状、分布等)。 图4 D型和B型夹杂的弯曲疲劳 强度的失效分布 2）夹杂物尺寸和分布对疲劳寿命的影响 关于夹杂物的几何性因子对滚珠轴承接触疲劳寿命的影响，历来试验结果和理论分析是一致的。分布越均匀越好。因为每个夹杂物周围都有应力场，两夹杂物过于靠近则两应力场就会叠加起来。形状越尖锐或粒度越大越不利，因为应力集中系数较大。这种观点不错，但再深入一步，还要看到夹杂的几何性因子在某种程度上是由夹杂类型决定的，例如刚玉常呈点链状分布或簇状分布的碎屑。 综上所述，夹杂物对疲劳寿命的影响是一个复杂的课题，它包括夹杂物的数量、成份、形貌、尺寸和分布等的影响。有时甚至后者影响更大，因为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所引起的；夹杂物的形状多种多样，有圆形和方形，有条状、角状和链状等不规则形状。一般认为细条状塑性夹杂物的危害小，尖棱状硬脆性夹杂危害最大，因为它容易划伤金属基体和引起应力集中。同一个夹杂物，由于离开表面的距离不同，其影响程度也不一样。一般认为，裂纹出现在切应力最大处(离表面约0.35~0.55mm)。夹杂物离开这个位置越远，其危害就越小。夹杂物粒度对轴承寿命的影响，也会随夹杂的位置不同而有所区别。因此为了改善轴承钢的质量，应尽量将钢的各类夹杂物(包括A、B、C、D类和氮化物)含量降低，尺寸变小，分布更均匀，最终达到提高轴承寿命的目的。 3.2.6碳化物 碳化物对疲劳寿命的影响是十分明显的。特别是随着冶炼、浇铸等技术的进步，在钢中氧含量及氧化物夹杂含量极低的情况下，碳化物的作用就显得更为重要了。 1）碳化物颗粒大小及分布的影响 碳化物的颗粒大小、形状、数量及分布状况都影响疲劳寿命。轴承厂要求轴承钢材中碳化物颗粒细小，形状规则，而且分布均匀。当存在粗颗粒碳化物时，钢的淬硬值、压坏值、转动疲劳寿命都要恶化。J.E.梅雷廷恩和J.F.修厄尔在测定疲劳寿命与碳化物颗粒大小与分布的关系的试验中发现，碳化物细小，分布均匀，疲劳寿命较好(见图7)。对于碳化物的不均匀性常用碳化物颗粒平均间距(MSP)来衡量，日本不二越钢厂在研究轴承钢的碳化物时，测定了MSP与疲劳寿命的关系，并建立起碳化物颗粒平均距离(MSP)与疲劳寿命的回归方程： Y=435.12×106－98.25×106 χ (8) 式中：Y：疲劳寿命； χ：碳化物颗粒平均距离，um。 图7 细小或粗大球化退火组织的疲劳结果 线A－细小球化组织的；线B－粗大球化组织的 文献[40~42]报道用型号6305的滚动轴承的内外套圈作试样[40]，在承受径向交变负荷的寿命试样机上做了试验。结果表明，碳化物颗粒最大和最小两者之间的平均寿命相差大约2.0倍。用碳化物颗粒为0.9~1.4um的各种环形试样作寿命试验，结论是：碳化物颗粒间平均距离对数的倒数和疲劳寿命呈直线关系，即碳化物颗粒越细小，寿命越高。大泽近藤也做了同样的试验，得出结论：具有细球状碳化物(平均直径0.5~1.0um)材料寿命为粗颗粒碳化物(平均直径2.5~3.5um)材料的1.5倍。也有人用平均碳化物颗粒分别为0.6um和1.4um的细颗粒和粗颗粒碳化物的钢，将马氏体含碳量固定在0.5%，做推力片寿命试验，试验结果表明：细颗粒材料比粗颗粒材料显著要好，平均寿命(L50)大约为2.5∶1，之所以粗颗粒碳化物比细颗粒碳化物寿命差，他们认为：轴承钢在淬火温度下，奥氏体的含碳量不是充分均匀的。在碳化物附近的奥氏体和远离碳化物的奥氏体之间存在着碳的浓度差。碳化物颗粒越大，这种浓度差也越大。而浓度高和浓度低的地方寿命都不好，这样平均寿命自然也低。 2）带状碳化物的影响 碳化物带状是钢液在凝固过程中形成的结晶偏析（晶间偏析），造成碳高低浓度不同的偏析带，轧制延伸后，冷却过程中高浓度区域析出大量过剩的二次碳化物，从而形成黑白（高低碳）相间的碳化物条带状组织。钢锭或铸坯的最后凝固区、富集着大量的合金元素及硫磷等杂质，是非金属夹杂物和碳化物最为聚集的区域。冷却过程中碳化物析出的总量和分布状态，主要取决于原始偏析程度。随着碳化物带状偏析的加剧，热处理的裂纹敏感性增强，高低碳带之间的显微硬度差增大，影响接触疲劳寿命。 前苏联学者研究了带状碳化物对轴承钢疲劳寿命的影响。他们将直径为100mm的GCr15SiMn棒料(中心区带状组织评级为3.5级、边缘为2级)在1150℃扩散退火15h，得到带状组织小于0.5级的钢棒；以未经扩散退火的直径为100mm的钢棒改锻为60mm，在790℃进行球化退火；再将两者一同加工成疲劳试样进行试验。结果表明：扩散退火使纵向和横向试样的接触疲劳强度大大提高。如果把带状3.0-3.5级试样的寿命作为100%，则带状为0.5级的纵向寿命为166%，横向为388%。 3）网状碳化物的影响 碳化物网状是在过共析钢中沿奥氏体晶粒边界析出呈网络状分布的过剩二次碳化物，它与钢的化学成分和偏析程度有关，和碳化物液析、碳化物带状不均匀性一样是影响轴承寿命的因素。 网状碳化物是在热加工变形后的冷却过程中形成的，如果在800～900℃之间冷却速度太慢，则溶解在奥氏体中的碳有足够动力和充分的时间扩散到奥氏体晶粒的边界上析出。最终在钢中呈沿晶的网络状分布。关于网状碳化物对性能的影响，研究的不多。A.T.斯别克托尔研究发现，随网状级别的增加，接触疲劳强度下降。冶钢公司一组GCr15钢氧含量为 14×10-6，碳化物网状为1.5级，与SKF一组相同牌号钢氧含量为8×10-6，网状为3.0级的钢材对比。大冶材的接触疲劳寿命L10、L50分别为SKF的1.67和1.74倍。 4）液析碳化物的影响 碳化物液析是液相中碳及合金元素富集而产生的亚稳共晶莱氏体，热加工时，被破碎成不规则碎块，沿压延方向呈链状或条状分布。它是不合理的浇铸、冷却条件所引起的严重枝晶偏析，以及铬元素降低碳在奥氏体中最大固溶度的综合结果。一般认为碳化物液析属于三角晶系碳化物，硬度极高，它的存在会使轴承零件在热处理过程中产生淬火裂纹；在使用过程中因处于表皮的碳化物的剥落而降低耐磨性，处于内部的液析碳化物会导致疲劳裂纹的产生而降低疲劳寿命。 5）残余碳化物含量的影响 用轴承钢加工成轴承，必须在淬、回火状态下使用，此时钢具有混合组织，通常含有80%(体积比)的马氏体，5-10%的残余奥氏体和7%左右的未溶/碳化物—残余碳化物。残余碳化物的含量同样影响疲劳寿命。有的研究结果指出，残余碳化物的含量为7-8%时，寿命最长。但这种试验结果是用含碳量一定的钢(1.0%C)，在不同温度淬火条件下进行实验得出的。由于淬火加热温度不同，残余碳化物数量固然有变化，但同时马氏体的含碳量也在变化，而马氏体含碳量对疲劳寿命有显著影响。因此，残余碳化物含量为7-8%时是否寿命最高，这一结论还是一个问题。日本学者用其它成分和GCr15相同，而含碳量在0.70-1.17%之间变化的钢，对其进行适当的热处理，使马氏体中的含碳量保持一定，均为0.45%，在这样的条件下研究残余碳化物含量对疲劳寿命的影响。结果表明，残余碳化物含量由10.5%减少到4.5%，疲劳寿命提高。研究造成疲劳剥落区附近的显微组织时发现，疲劳裂缝都是在碳化物和马氏体的界面上传播的。这是因为碳化物和马氏体交界处碳浓度高，易引起应力集中，从而产生裂纹。残余碳化物一旦增加，碳化物和马氏体的界面增加，于是材料发生破裂的危险也增加。由此可以推断出，增加残余碳化物会造成疲劳寿命降低。但完全不存在残余碳化物也不行，从耐磨性角度考虑，为了防止晶粒粗大引起疲劳寿命降低，存在一定数量的残余碳化物是必要的。 3.3 国外轴承钢生产概况 发达国家对于轴承钢的生产及其科研极为重视，其中以瑞典、日本、德国、美国等国表现突出。瑞典和日本的产量和质量都处于领先地位。瑞典年产轴承钢70万吨，欧洲其它国家年产约150万吨，日本大体上稳定在60万吨上下。他们的共同特点是设备先进、工艺技术成熟、质量稳定。从夹杂物的角度而言，日本主要从降低氧含量着手，通过氧含量极低化来达到减少夹渣物的目的。而瑞典重在控制夹杂物的形状和分布。这两个国家的轴承钢生产状况代表当代世界轴承钢生产质量的水平和方向。世界上生产轴承钢最著名的厂家有日本的山阳特殊钢厂、瑞典SKF公司、美国Timken公司等。 3.3.1日本山阳特钢 （1）生产工艺流程及工艺特点 主要工艺流程为：90tUHP电炉－LF精炼炉－RH精炼炉－连铸（立式3流，380mm×490mm）或模铸－初轧－三辊行星轧机或大型轧机－无损探伤－修磨－连轧机组－无损检验－连续炉球化退火－无损检测－检验入库。该工艺特点：电炉采用较高温度（1670℃）出钢，以便延长真空处理时间。LF炉精炼时间≥45分钟，以便加热、脱硫、调整成分。采用高碱度炉渣（CaO/SiO2=7.2）和高搅拌能量(ε=125W/t)。RH真空脱气时间≥40分钟。完全保护浇铸、立式大断面连铸。 （2）质量控制水平 轴承钢中[O]含量普遍控制在5×10-6以下，有的甚至达到2-3PPm；最大夹杂物尺寸为 11μm；硫含量达到0.002%-0.003%、Ti达14-15PPm。连铸材钢中[O]平均比模铸材低2.0×10-6，达到真空自耗炉（VAR）水平。钢中非金属夹杂用SAM法测定连铸材比模铸材B类夹杂分别为0.06级和0.4级，前者为后者的1/7；而D类夹杂分别为0.06级和0.8级，前者为后者的1/13。氧化物颗粒在11μm，而传统工艺夹杂在20μm以下。 化学成分波动范围小，有害元素含量小。接触疲劳寿命接近（VAR）方法冶炼的水平。 3.3.2瑞典SKF公司 （1）SKF公司OVaK0钢厂生产工艺流程及工艺特点 工艺流程: 100t电炉－LFV精炼炉－模铸－均热炉－初轧－火焰清理－150×150坯料－检验、喷丸、修磨－加热－除鳞－轧制－冷却－剪切－打包－发货。生产工艺特点为：采用SKF—MR炼钢工艺MR（双炉壳）熔炼，这种工艺分两个阶段:首先在SKF双壳炉中氧化条件下快速熔化;然后在ASEA-SKF炉中在还原的条件下进行精炼，精炼工艺为:首先用Fe-Si进行预脱氧，然后扒渣，再加铝进一步脱氧，以后是脱硫和真空脱气，整个过程伴随感应搅拌，利用铝沉淀脱氧配以强烈的电磁搅拌，促使夹杂物碰撞长大，脱氧产物有充分时间分离，可以使氧含量和夹杂含量达到极低的程度，模铸3.4t锭型(双锥度)。 （2）质量控制水平 钢中[O]含量在（5-8）×10-6，且偏差值低(0.5×10-6)；[Ti]含量波动在（8-12）×10-6。钢中[H]≤1×10-6（在精炼结束时的钢水中测定）。由于H是间隙元素，溶解于钢水中的一定H经凝固后，在压力加工应力条件下会产生白点缺陷且分布极不均匀；H在钢坯、材加热或退火时以极快速度逸出，但形成的白点依然存在。生产的轴承钢具有高纯洁度、化学成分稳定、淬透性均匀一致、切削加工性能好、钢材接触疲劳寿命高等特点。 3.3.3美国Timken公司 生产工艺流程见下图： 除上述三家知名的轴承钢生产企业外世界上还有许多先进的厂家，他们也都取得很大成就。其主要生产工艺流程及钢中微量元素控制水平见下表; 国外轴承钢连铸的典型的工艺流程 生产厂家 工艺流程 日本山阳 90tEAF－LF－RH－CC（立式3流，370mm×470mm） 日本大同 70tEAF EAF－LF－RH－CC（弧型2流，370mm×480mm；立式4流，φ350／177mm） 爱知 80tEAF－VSC－LF－RH－CC（弧型2流，370mm×480mm；立式4流） 神户 BF－TBM－LD－LF－CC（弧型2流，300mm×430mm） 川崎 BF－TBM－LD－LF－RH－CC（4流，400×560mm） 蒂森杜伊斯堡 BOF（140t）－TBM－LD－CC（6流，265mm×385mm） 蒂森维膝厂 EAF（110t，EBT）－LF－LD－CC（2流，350mm×460mm） 韩国Kia Steel EAF－LF－CC（2流，370mm×480mm） 德国GMH公司 EAF（120t）－LF－VD－CC（6流，200mm×240mm） 意达利ABS EAF（80t）－LF－VD－CC（方坯：280mm×280mm，圆坯：φ220～325mm） 3.3.4 国外轴承钢生产工艺分析 (1)炉子大型化 由电炉或