軸承鋼連鑄技術專題講座ppt

1、軸承鋼連鑄技術,內容： 1 ：軸承鋼概述：影響軸承鋼質量的關鍵成分和夾雜物及其 控制 3：軸承鋼的連鑄,軸承是“工業(yè)的心臟”。軸承鋼是重要的冶金產品，它被廣泛應用于機械制造、鐵路運輸、汽車制造、國防工業(yè)等領域。軸承鋼是特鋼產品中生產難度較大的鋼類之一。 2009年和2010年我國軸承鋼產量分別為350萬噸和358萬噸，占當年特鋼產量的7.8％和7.6％。軸承鋼總產量連續(xù)6年列為世界第一，高等

2、級軸承鋼僅占1/5；高質量軸承鋼僅占34％；多數(shù)為高碳含鉻軸承鋼、中碳軸承鋼和滲碳表面硬化軸承鋼，而不銹耐蝕、高溫難溶及防磁類型的軸承鋼比例在3.8％以下（約13～15萬噸）。,一、概述,滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架組成。,內圈：與軸頸相配（一般轉動）,外圈：與軸承座相配（一般靜止）,滾動體：將滑動摩擦轉化為滾動摩擦,保持架：防止?jié)L動體直接接觸,除保持架外，其余都是由軸承鋼制成。,常見的滾動體有六種形狀，一種是球形，五種是滾

3、子。,當軸承工作時，軸承內外套圈、滾動體間承受高頻率、變應力作用。在軸承旋轉時，還承受離心力的作用，并隨轉速的增加而增大；滾動體與套圈間不僅存在滾動，而且還有滑動，所以在滾動體與套圈之間還存在摩擦。 在幾種力的綜合作用下，在套圈或滾動體的表面上抗疲勞強度低的部位首先產生疲勞裂紋，最后形成疲勞剝落，使軸承破損失效。軸承鋼正常破損的形式是接觸疲勞損壞，其次是摩擦磨損使精度喪失。 非金屬夾雜物或粗大碳化物

4、，則可促進裂紋的產生。,軸承鋼要求高疲勞壽命,軸承鋼性能的要求,對化學成分的要求；對非金屬夾雜物的要求；高且均勻的硬度，高的耐磨性；高的接觸疲勞強度，保證軸承的正常使用壽命；高的彈性極限和一定的沖擊韌性，承受高的負荷而不變形，承受一定的沖擊負荷；,良好的尺寸穩(wěn)定性，以保證精度，減輕振動和噪聲——精密軸承；一定的耐蝕性；良好的工藝性能，以滿足大規(guī)模生產的需要。,軸承鋼類型,高碳鉻軸承鋼滲碳軸承鋼不銹軸承鋼高溫軸承鋼和中碳

5、軸承鋼 使用最廣、應用最久的是高碳鉻軸承鋼。,高碳軸承鋼的特點,高碳加鉻加入Mo、Mn、Si、V等合金嚴格控制雜質元素，特別是P、S、Ni、Cu,,危害最大的是氧化物夾雜，其次是硅酸鹽。氧化物夾雜的最大粒徑和粒子個數(shù)是軸承鋼疲勞壽命的根本原因——軸承鋼冶煉和澆鑄的關鍵在于控制鋼中氧含量到極限值、提高純凈度和組織的均勻性，即降低鋼中氧及非金屬夾雜物含量，控制好夾雜物形態(tài)和分布。核心——高純凈度鋼的生產。,二、影響軸承鋼質

6、量的關鍵成分和夾雜物及其控制,氧對軸承鋼質量的影響及其控制軸承鋼中的夾雜物及其控制軸承鋼中殘余鋁的控制軸承鋼中殘余鈦的控制硫含量鋼中碳化物缺陷,2.1 氧對軸承鋼質量的影響及其控制,鋼中wT.O=10×10-4%軸承鋼的疲勞壽命比wT.O=40×10-4%提高10倍。wT.O=5×10-4%的疲勞壽命比wT.O=40×10-4%提高30倍。軸承鋼生產的關鍵在于脫氧。,全氧含量與軸承疲勞壽

7、命的關系,冶煉過程中應注意的問題,初煉鋼液實現(xiàn)低氧化和低溫化；強化初煉鋼水的預脫氧；采用SiC和Al粉進行擴散脫氧；精煉中期，鋼中氧含量降低，Al也隨之降低，采用喂Al線的方法添加Al；,,選擇合適的精煉渣系；防止二次氧化；合理的吹氬制度；控制適當?shù)臍堜X量；確保足夠的真空度和真空時間。,2.2 軸承鋼中的夾雜物及其控制,鋼中非金屬夾雜物數(shù)量和組分的變化鋼中硫化物夾雜對軸承鋼質量的影響工藝參數(shù)對鋼中夾雜物含量的影響澆注

8、過程中夾雜物的控制,夾雜物造成的滾動面疲勞破壞,鋼中非金屬夾雜物數(shù)量和組分的變化,鋼中大于5μm的夾雜物在真空后大部分被去除。夾雜物數(shù)量比真空前少1/3；SKF研究發(fā)現(xiàn)：出鋼后15min夾雜主要由Al2O3和Al2O3·SiO2·MnO組成，來自電弧爐出鋼的預脫氧產物；真空前——Al2O3·CaO夾雜，是Al2O3和鐵合金Ca-Si中的鈣的反應產物；真空后——夾雜中的Al2O3·CaO往往包著一

9、層MgS，Mg來自真空下的耐材，并與Al2O3生成Al2O3·MgO。,鋼中硫化物夾雜對軸承鋼質量的影響,有益有害對鋼的疲勞壽命影響不大,工藝參數(shù)對鋼中夾雜物含量的影響,電爐出鋼溫度攪拌時間鋁脫氧工藝 Ascometal公司認為，對于軸承鋼的精煉，應把重點放在：選擇堿性耐材鋼包內襯；最大限度地去除爐渣；盡早形成非常低氧勢的脫氧精煉渣；控制氣體攪拌，使夾雜物上浮。,澆注過程中夾雜物的控制,模鑄——重點

10、放在避免鋼包和錠模之間鋼水流的二次氧化；最大限度地避免鋼水和耐材的作用；最大限度地避免鋼包渣、保溫劑或澆注保溫渣的卷入；連鑄——檢測鋼包中的下渣量；吹氬保護，防二次氧化；選用優(yōu)質的耐材。,2.3 軸承鋼中殘余鋁的控制,金屬鋁及AlN溶于酸，用[Al]S表示。終脫氧用Al是獲得低氧含量的鋼液和保證鋼中有合適[Al]S。[Al]S高——保護條件不好易二次氧化增加Al2O3夾雜；[Al]S低——Si的二次氧化及鋼液隨溫度降低溶解氧析出，產生

11、含SiO2很高的粗大玻璃質硅酸鹽夾雜。如果要使鋼材晶粒細化，獲得高強韌性，殘余鋁可高些。對滲碳軸承鋼來說，殘余鋁需要控制得高些；對于高碳軸承鋼對此控制要求不太高。,特殊鋼中典型的球狀不變形鈣鋁鎂酸鹽夾雜物形貌,2.4 軸承鋼中殘余鈦的控制,鈦對于高碳鉻軸承鋼有害，在鋼中以Ti(C，N)、TiC、TiN存在呈堅硬的菱角。在相同尺寸下，危害大于Al2O3；實踐證明，wTi超過50×10-4%，軸承疲勞壽命明顯下降。電弧爐生產中，

12、N高——更嚴格控制殘Ti；國外SKF3標準規(guī)定wTi≤0.003%；,,2.5 硫含量,許多人認為硫含量不會影響軸承壽命，甚至能減輕氧化物的有害作用。但隨著純凈鋼的提高，氧化物夾雜含量減少，硫化物的有害作用逐漸表現(xiàn)出來日本一家著名微型軸承企業(yè)要求硫含量不高于0.003%瑞典SKF——0.015%寶鋼——0.008%,2.6 鋼中碳化物缺陷,碳化物缺陷包括液析碳化物、帶狀碳化物和網狀碳化物，其危害相當于夾雜物；碳化物缺陷主要起源

13、于鋼在凝固過程中的偏析，控制和減少凝固偏析是控制和減少碳化物缺陷的關鍵環(huán)節(jié)；采用合理的加熱、軋制和熱處理工藝可進一步改善碳化物結構和形態(tài)，減輕其危害。,三、軸承鋼的連鑄,高碳鉻軸承鋼，對鋼的夾雜物和碳化物要求較為苛刻，鑄坯易產生偏析、縮孔和裂紋等缺陷——連鑄困難，發(fā)展慢。日本山陽特殊鋼廠于1982年建成連鑄機，氧含量比模鑄降低2.5×10-4%；瑞典SKF公司Ovako廠于1991年投入的新車間沿用模鑄生產軸承鋼，美國Ti

14、mken公司沒有采用連鑄。1991年和1997年在ASTM舉辦的軸承鋼國際會議，軸承鋼連鑄仍然是一個有爭議的課題；,,到目前為止，沒有一片文章報道，徹底解決了軸承鋼連鑄坯的中心碳偏析問題；軸承鋼的連鑄工藝一般應包括：鋼包和中間包烘烤、下渣監(jiān)測、留鋼及中間包鋼水加熱，全程無氧化保護澆注，結晶器頁面自動控制，結晶器小振幅高頻率振動，結晶器二冷末端電磁攪拌，輕壓下技術。,鋼液準備溫度控制連鑄機的選擇拉速和二冷的控制 保護澆鑄連鑄電

15、磁攪拌連鑄軸承鋼的碳化物特性及其均勻化技術鑄坯斷面、壓縮比及輕壓下連鑄坯的質量,3.1 鋼液準備,嚴格控制化學成分較少或消除鑄坯內裂和偏析裂，Mn/S≥30，鋼液殘鋁量0.01%-0.015%——堵水口，減少Al2O3,3.2 溫度控制,冷卻強度比模鑄大，凝固界面的溫度梯度高，柱狀晶發(fā)達，樹枝晶相遇，產生“搭橋”現(xiàn)象。因此，連鑄坯心部產生周期性斷續(xù)的縮孔與偏析；鑄坯凝固時柱狀晶發(fā)達因素中，過熱度、二冷強度等是導致偏析與

16、縮孔主要因素。影響連鑄坯低倍質量的連鑄工藝參數(shù)中，過熱度占主要地位；軸承鋼要求盡可能低的過熱度、較慢的拉速下澆鑄才能得到偏析小、組織均勻而致密的鋼坯。,精煉終點溫度計算,T精煉終點=T液+ΔT鋼包-中間包+ΔT+k（t1+t2） k值與鋼包容量、耐火材料的導熱性和加熱周轉情況密切相關，使鋼包處于熱平衡狀態(tài)取得的值。,3.3 連鑄機的選擇,軸承鋼選擇立式較為理想。它是高質量、高硬度鋼，若采用弧型機，關鍵是

17、弧型半徑——硬度高，鑄坯矯直時，弧型半徑不能保證鑄坯變形的允許限度，則以產生矯直裂紋。軸承鋼的弧型半徑為：R=（25-55）D（一般為50D）。,3.4 拉速和二冷的控制,軸承鋼含碳量高——對裂紋敏感，采用弱冷二冷制度。低拉速有利于縮短液心長度，抑制柱狀晶的長大，減小中心疏松和中心偏析。但過低——給矯直和切割帶來困難，不利于多爐連澆。二冷水量過大——鑄坯表面溫度低，橫斷面上溫度梯度大，利于柱狀晶生長，柱狀晶區(qū)就寬；,,二冷水量過小—

18、—可使柱狀晶區(qū)寬度減少，等軸晶區(qū)擴大，但剛的凝固系數(shù)下降，液相穴增長，對于改善軸心碳偏析不利；使用0.15-0.20 Mpa的壓縮空氣，實現(xiàn)氣-霧冷卻工藝，二冷水量很小，配合低拉速保證鑄坯溫度大于900℃。拉速一般控制在0.3-0.8m/min，并根據鑄坯的斷面尺寸調整拉速，將二冷配水量控制在0.25-0.31 L/kg。,3.5 保護澆鑄,是防止二次氧化所必備的條件。四個環(huán)節(jié)：鋼包至中間包的鋼流、中間包的內鋼液面、中間包至結晶器鋼流

19、、結晶器內鋼液面；,鋼包至中間包采用長水口，氬氣保護,中間包耐火材料多采用堿性涂層（或堿性絕熱板）；中間包的鋼液面使用特殊堿性覆蓋劑；,中間包至結晶器使用浸入式水口,結晶器內鋼液面采用適應低過熱度和低拉速澆鑄的保護渣。,3.6 連鑄電磁攪拌,電磁攪拌對改善軸承鋼的連鑄坯質量有重要作用——高溫區(qū)和低溫區(qū)充分混合，加快過熱度的導出，并折斷樹枝晶，增加結晶核心及等軸晶數(shù)量，有效地控制樹枝晶“搭橋”想象，改善鑄坯中心碳偏析、中心疏松、縮孔等缺陷

20、。,,3.7 連鑄軸承鋼的碳化物特性及其均勻化技術,為改善碳化物，一般在連鑄澆鑄和鑄坯的加熱過程中，采用凈化鋼水、中間包鋼水低過熱度澆鑄、低拉速和合適的二冷強度、合理的結晶器和二冷末端的電磁攪拌組合使用、輕壓下技術和合理的連鑄坯加熱技術。,3.8 鑄坯斷面、壓縮比及輕壓下,壓縮比與某些質量指標發(fā)生關系，如低倍組織、碳化物不均勻性；連鑄坯鋼材的壓縮比小于鋼錠成材——連鑄軸承鋼碳化物不均勻沒有達到模鑄材原因之一。另外鋼錠一般需經均熱爐高溫

21、擴散退火處理，碳化物偏析得到不同程度的均勻擴散；,,鋼錠——二火成材（鋼錠均熱爐、初軋機開坯后鋼坯連續(xù)加熱爐加熱），碳化物不均勻性再次改善；連鑄坯——一次成材，碳化物擴散極其有限。,,連鑄坯斷面尺寸的選擇兩種思想：日本——大截面鑄坯，甚至選用垂直型鑄機歐美——小方坯連鑄機，省去開坯，一次成材大冶經驗：小方坯生產特殊鋼，尤其是軸承鋼，為質量問題根源。壓縮比小，鋼材致密度不夠，宏觀組織滿足不了要求；壓縮比小，碳化物偏析得不到改善。,

22、,高碳鉻軸承鋼連鑄坯：180mm×180mm、200mm×200mm、210mm×240mm，軋制成直徑≤55mm圓鋼，可滿足我國現(xiàn)行軸承鋼的要求，壓縮比為14-21，壓縮比不得小于14。對于滾動體軸承鋼，有人認為最小壓縮比應為：35-50。,,軸承鋼的鑄坯斷面尺寸一般不應小于200mm×200mm，較大斷面的鑄坯，可借助大的壓縮比來達到改善中心偏析和中心疏松的目的。此外，矩形坯的中心偏析程度比方

23、形坯輕。大斷面鑄坯需經二次成材，生產周期長，費用高；小斷面一次成材，費用低。但是高碳鉻軸承鋼的軸心碳偏析是一個突出的質量問題特別是用于制作滾珠或滾針要特別慎重。,,在鑄坯凝固末端采用“輕壓下”裝置，即在液相穴位部適當?shù)奈恢茫脡狠亴﹁T坯施加一定的壓力使其適度輕微變形，可以改善中心疏松和偏析。輕壓下主要是對液相濃縮金屬有向上的擠移作用和碎散分布作用——改善連鑄坯的軸心偏析和致密度。,動態(tài)輕壓下示意圖,液芯位置變化,鑄機上液芯位置的變化,

24、動態(tài)輕壓下的應用現(xiàn)狀,國際上掌握并廣泛應用動態(tài)輕壓下技術的公司主要有：奧鋼聯(lián)VAI;德國SMS Demag;意大利Danieli;日本住友重機; VAI連鑄機在中國板坯連鑄機份額達到60%,3.9 連鑄坯的質量,氧及夾雜物含量碳化物不均勻性連鑄軸承鋼的接觸疲勞壽命,氧及夾雜物含量,爐外精煉——提高了軸承鋼的質量，連鑄軸承鋼的氧含量進一步提高，因為模鑄水口鋼流與大氣接觸，中注管、湯道系統(tǒng)的耐火材料污染了鋼液。日本和德國是

25、世界上采用連鑄工藝生產軸承鋼較早且數(shù)量較大的國家，瑞典SKF公司到目前為止仍堅持模鑄工藝。,不同軸承鋼生產廠軸承鋼的氧及夾雜物含量,,碳化物不均勻性,長期以來，連鑄軸承鋼用于制作套圈，并無多大異議，而制作滾動體（球、柱、針）則疑慮甚多。根本問題是連鑄坯中心存在碳化物偏析。其實高碳鉻軸承鋼不管模鑄或連鑄，都存在碳化物偏析。,,采取措施：模鑄——選擇合理的錠型、鑄溫、鑄速、鋼錠的高溫擴散處理、增大錠重加大壓縮比等；連鑄——降低鋼液過熱度