新材料G8SiMnMoVRE在重載高沖擊軋輥軸承上的應用

逄曉男，史立新，呂智勇

(1.山東鋼鐵有限公司 萊蕪分公司H型鋼廠，山東 萊蕪 271126；2.北京天馬軸承有限公司，北京 102300)

軋鋼機輥系軸承的工作條件極為惡劣，承受重載荷、高沖擊、高轉速，各種有害污染、變形、熱輻射及自身運轉產生的摩擦熱。 我公司“H”型鋼軋機為1998年日本新日鐵設計制造。歷經15年的使用，關聯部件都存在著不同形式的老化。原機所用軸承為日本進口配套，由于進口成本高、周期長，后經國產化改造，使用效果較好，但與原進口軸承比較性價比方面有待提高。

初步選擇精軋機組主軸承(76FC54360-2CS145)作為研究對象，同時確定在不改變軋機相關部件的前提下，從提高軸承耐用度的角度進行攻關。考慮到以往經驗，結合國外文獻關于長壽命軸承鋼的研究與應用，擬用新研發的材料G8SiMnMoVRE來提高軸承的壽命可靠性，同時也有利于成本的降低。

1 鋼材的選擇

目前我國常用軸承鋼有兩大類。一類是高碳鉻軸承鋼，即GCr15SiMn，GCr18Mo，GCr15SiMo，GCr15，GCr4等，經淬、回火后具有高硬度、高強度及好的耐磨性，缺點是沖擊韌度低，在沖擊載荷較大的場合，如重載軋機上應用時軸承容易脆裂，壽命不穩定。另一類是滲碳軸承鋼，常用的有G20CrNiMo，G20CrNi2Mo和G20Cr2Ni4等，二次淬、回火后不但具有高的強度、硬度、耐磨性和接觸疲勞性能，且沖擊韌度高，很適宜在沖擊載荷很大的冶金、礦山機械上應用，但其最大的缺點是材料價格昂貴，軸承熱處理工藝復雜，成本高。

76FC54360-2CS145軸承原采用滲碳鋼制造，本次選擇的G8SiMnMoVRE為新研發鋼種，材料為軸承制造廠商自行冶煉和軋制，檢驗標準為GB/T 18254—2002。

鋼材的化學成分見表1。退火組織為細粒狀珠光體，如圖1所示。

表1 化學成分(質量分數) %

圖1 試驗鋼材的退火組織(500×)

2 淬(回)火熱處理工藝試驗

2.1 馬氏體淬火工藝試驗

2.1.1 淬火溫度對鋼材硬度和組織的影響

試樣尺寸：30 mm×40 mm×15mm，淬火處理后試樣的硬度見表2。(1)馬氏體淬油工藝：將試樣加熱到不同淬火溫度后，淬入快速淬火油中，冷透，清洗，檢驗硬度；加熱保溫時間40 min；180 ℃回火3 h。(2)馬氏體分級淬火工藝：將試樣加熱到不同淬火溫度保溫后(40 min)，淬入170 ℃硝鹽中冷卻10 min，空冷，清洗，檢驗硬度；180 ℃回火3 h。

表2 不同淬火溫度得到的試樣硬度

G8SiMnMoVRE鋼經馬氏體淬火后的金相組織，與高碳鉻軸承鋼不同，是條狀馬氏體組織。圖2所示為830 ℃加熱，170 ℃硝鹽淬火后的金相組織，組織中也有少量細針狀和隱晶馬氏體。

G8SiMnMoVRE淬火時，形成板條狀馬氏體，其亞組織結構為高密度位錯網絡。板條體自奧氏體晶界向晶內平行排列成群，一個晶粒內包含幾個板條群。形成過程不產生顯微裂紋，所以具有較高的韌度及較低的脆性轉變溫度。

圖2 830 ℃加熱，170 ℃硝鹽淬火板條馬氏體組織(500×)

2.1.2 回火溫度對馬氏體淬、回火后硬度的影響

將830 ℃淬油的試樣經不同溫度回火3 h后其硬度變化列于表3。淬火后的硬度為65～66 HRC。

表3 不同溫度回火的硬度

G8SiMnMoVRE鋼回火馬氏體金相組織與高碳鉻軸承鋼不同，是板條狀的回火馬氏體組織，與滲碳鋼的過渡層的金相組織類似，圖3為此種鋼的回火馬氏體組織。

圖3 820 ℃加熱，170 ℃硝鹽分級淬火，170 ℃回火的金相組織(500×)

2.2 下貝氏體淬火工藝試驗

G8SiMnMoVRE不同加熱溫度下貝氏體等溫淬火后的硬度見表4。從表中可以看出，870 ℃和850 ℃均可進行貝氏體淬火，而850 ℃貝氏體淬火后，硬度還略偏高。(1)貝氏體等溫淬火：將試樣分別加熱到870 ℃和850 ℃，保溫時間40 min，然后淬入230 ℃硝鹽中等溫4 h。(2)貝氏體分級等溫淬火：將試樣分別加熱到870 ℃和850 ℃，保溫后淬入230 ℃硝鹽中等溫1 h，出鹽槽然后吹風，水冷，清洗，再放入空氣爐中230 ℃繼續等溫3 h。

表4 貝氏體淬火后的硬度

G8SiMnMoVRE下貝氏體淬火金相組織形態與高碳鉻軸承鋼相似。經硝酸酒精侵蝕后為黑色針狀組織，也有一部分馬氏體。這種黑色針狀貝氏體只能在230 ℃硝鹽中等溫較短的時間(約0.5～1.5 h)才能清晰可見。若等溫時間太長，由于貝氏體本身的分解，與回火馬氏體混在一起，有時難以區分。因為回火馬氏體在組織形態和結構上與下貝氏體沒有本質的區別。圖4為850 ℃加熱后，在230 ℃硝鹽中等溫1 h和4 h后的下貝氏體(完全轉變≥3 h)金相組織。

圖4 850 ℃加熱，在230 ℃硝鹽中等溫淬火的下貝氏體組織(500×)

3 淬透性試驗

頂端淬火試驗是評價鋼材淬透性能常用方法之一。采用通用頂端淬火試驗機對GCr15，GCr18Mo和G8SiMnMoVRE鋼在相同條件下進行端淬試驗。

將Φ150 mm×50 mm的試樣從中間剖開，檢測淬硬層的深度。經貝氏體等溫淬火的試樣，表面硬度為59 HRC，心部硬度為58 HRC，整個試塊已全部淬透。而經馬氏體分級淬火的試樣， 58 HRC以上的淬硬層深度為10 mm，心部硬度為55 HRC。

4 沖擊韌度試驗

滲碳鋼最大的優點就是沖擊韌度好。G8SiMnMoVRE鋼能否取代滲碳鋼，沖擊韌度是最關鍵的指標，因此，重點對此鋼種的沖擊韌度進行了多方面的試驗研究。

試驗用的試樣有兩種，分別為標準的U形缺口沖擊試樣和無缺口試樣(10 mm×10 mm×55 mm)。表5、表6分別為馬氏體淬火和貝氏體淬火后的沖擊韌度。由表5看出，790～830 ℃之間沖擊韌度較好，所以此鋼種馬氏體淬火最佳溫度范圍應是790～830 ℃。

表5 馬氏體淬火后的沖擊韌度(U型缺口)

表6 不同貝氏體淬火加熱溫度的沖擊韌度(U型缺口)

研制G8SiMnMoVRE鋼的主要目的，是想用此鋼種取代或部分取代滲碳鋼來制作76FC54360-2CS145軸承。滲碳鋼由于心部硬度低，所以沖擊韌度很好。因而，將此鋼種的沖擊韌度與滲碳鋼等幾種鋼的沖擊韌度進行對比，結果見表7。

表7 幾種鋼材沖擊韌度(無缺口)

從以上沖擊韌度的比較可以看出，就沖擊韌度而言，用G8SiMnMoVRE取代滲碳鋼制作承受沖擊載荷較大的冶金軸承是非常理想的鋼材。

5 抗拉強度比較

為了對比幾種鋼材的抗拉強度，高碳鉻軸承鋼(GCr15，GCr18Mo)和G8SiMnMoVRE均采用最佳熱處理工藝獲得的數值。滲碳鋼G20Cr2Ni4采用正常滲碳淬火，高溫回火，二次淬火及180 ℃回火工藝處理試樣，滲碳深度為1 mm。拉伸試樣為Φ10 mm。試驗結果見表8。

表8 幾種鋼材的抗拉強度

從表8看出，G8SiMnMoVRE的抗拉強度均高于高碳鉻軸承鋼和滲碳鋼。

6 實用效果

根據以上試驗結果，按原軸承設計結構，在不改變任何設計參數的情況下，只對材料進行變更，將原用材料G20Cr2Ni4用新材料G8SiMnMoVRE替代進行了軸承在機試驗。共投入4套軸承在線跟蹤，按實際在線軋制時間與原用軸承作對比，結果見表9。

表9 試驗軸承與原軸承使用壽命對比 h

從實際使用結果上看，除3號軸承低于原軸承使用壽命外，其余軸承使用壽命都超過原軸承，其壽命可提高30%～50%。3號軸承失效后，經分析存在熱加工缺陷。

試驗證明新材料無論是在各項理化指標、綜合力學性能及壽命可靠性上都優于原用材料，且降低了制造成本(材料成本、加工成本能降低15%～20%)，延長了使用壽命。由此可見，用新材料G8SiMnMoVRE替代滲碳鋼材料是可行的。

7 結論

(1)G8SiMnMoVRE的沖擊韌度比滲碳鋼G20Cr2Ni4高，比高碳鉻軸承鋼高3倍多。

(2)G8SiMnMoVRE的強度略高于滲碳鋼和高碳鉻軸承鋼。

(3)G8SiMnMoVRE的淬透性好，有效淬透厚度大于70 mm。

(4)G8SiMnMoVRE的熱處理工藝可與高碳鉻軸承鋼基本相同。只是馬氏體淬火溫度低一些，淬火加熱溫度范圍為780～830 ℃。貝氏體淬火溫度也低一些，應為850 ℃。

(5)G8SiMnMoVRE取代滲碳鋼制作承受沖擊載荷較大的冶金類軸承是比較理想的鋼材。