ZWZ15高級滲碳軸承鋼的研制

尤紹軍

(瓦房店軸承集團有限責任公司 技術中心，遼寧 瓦房店 116300)

裝備制造業的重要發展方向之一是大型化，隨著諸如軋機、船舶、風力發電機組、核電設備、化工設備及掘進機等裝備日趨大型化，與之配套的軸承也呈大型化趨勢。目前我國現有的滲碳軸承鋼已經無法滿足制造大型軸承的要求，例如采用20Cr2Ni4滲碳軸承鋼制造6 MW風電主軸軸承套圈時，其表面硬度、有效硬化層深度及心部硬度均無法滿足軸承零件滲碳熱處理技術要求。因此，瓦房店軸承集團有限責任公司、東北特鋼集團和西寧特鋼聯合研制了一種性能優于20Cr2Ni4的ZWZ15高級滲碳軸承鋼。介紹了該鋼的成分、性能和使用情況，并與20Cr2Ni4鋼進行了對比。

1 20Cr2Ni4滲碳軸承鋼

我國目前常用的滲碳軸承鋼有20CrNiMo，20CrNi2Mo，10CrNi3Mo和20Cr2Ni4等，20Cr2Ni4鋼淬透性最好，目前在我國使用范圍最廣，使用量也最大，其冷熱加工性能優異，力學性能良好，經過滲碳淬火熱處理后，具有優異的硬度、耐磨性和良好的疲勞壽命，可以很好地滿足軸承零件的性能要求。適于加工最大直徑達160 mm的滾子和有效厚度達120 mm的軸承套圈。

20Cr2Ni4鋼化學成分標準及試樣的實際化學成分見表1。該鋼力學性能標準及試樣的力學性能見表2，表中試樣的熱處理工藝為：(870±20)℃加熱，油冷；然后(790±20)℃加熱，油冷；150～200 ℃回火 ，空冷。

表1 20Cr2Ni4鋼的化學成分 w,%

表2 20Cr2Ni4鋼的力學性能

20Cr2Ni4鋼試樣的相變溫度見表3，淬透性數據見表4，端淬曲線如圖1所示。

表3 20Cr2Ni4鋼的相變溫度

表4 20Cr2Ni4鋼的淬透性數據(奧氏體化溫度870 ℃)

圖1 20Cr2Ni4和ZWZ15鋼試樣的端淬曲線

有效直徑大于160 mm的滾子和有效厚度超過120 mm的套圈，如采用20Cr2Ni4鋼制造，其表面硬度、有效硬化層深度、心部硬度均難以達到軸承零件的技術要求。為了制造這些大型軸承零件，有必要研制一種性能優于20Cr2Ni4的高級滲碳軸承鋼。

2 ZWZ15鋼的研制

2.1 成分設計

國外軸承鋼新鋼種的研制過程，基本上是在現有的成熟鋼種基礎上，有針對性地進行成分調整，使新鋼種得到期望的性能，并降低新鋼種的研制成本和難度，提高新鋼種的研制成功率。按照該思路，在20Cr2Ni4鋼的基礎上，適當調整其化學成分，設計的ZWZ15鋼的化學成分見表5。

表5 ZWZ15鋼的化學成分 w，%

ZWZ15與20Cr2Ni4鋼的主要差別在于：

(1)ZWZ15鋼添加了Mo，其質量分數為0.25%～0.35%。Mo可提高鋼的淬透性和抗回火穩定性，改善滲碳性能，細化碳化物顆粒，提高疲勞強度和耐磨性。添加微量的Mo就可以大幅度提高鋼的淬透性，但對鋼的冷熱加工性能、力學性能等影響不大。

(2)適當降低C含量，提高ZWZ15鋼的斷裂韌性，可一定程度上彌補添加Mo元素導致的ZWZ15鋼斷裂韌性降低的情況，使ZWZ15鋼斷裂韌性與20Cr2Ni4鋼相當。

(3)目前，在我國軸承鋼生產中鋼材成分控制技術已經非常成熟，適當縮小C，Ni，Si元素的成分范圍，不僅不會增加軸承鋼的生產難度和生產成本，而且可以提高鋼材的成分、工藝性能等參數的一致性，減小后續熱加工和熱處理的質量波動。

2.2 性能參數

試驗用ZWZ15鋼的化學成分見表5。試樣的熱處理工藝為：(870±20)℃加熱，油冷；然后(790±20)℃加熱，油冷；150～200 ℃回火 ，空冷。處理后該鋼的力學性能見表6。

表6 ZWZ15鋼的力學性能

由表2和表6可知，當采用相同的熱處理工藝時，ZWZ15鋼力學性能與20Cr2Ni4鋼相當。ZWZ15鋼試樣的相變溫度見表7。由表3和表7可知，ZWZ15相變溫度與20Cr2Ni4鋼相近。因此，可以采用相同或相近的熱加工工藝。

表7 ZWZ15鋼的相變溫度

ZWZ15鋼試樣的淬透性數據見表8，端淬曲線如圖1所示。由表4和表8可知，ZWZ15鋼的淬透性遠優于20Cr2Ni4鋼，因此，ZWZ15鋼適用于制造更大尺寸的軸承零件。

表8 ZWZ15鋼的淬透性數據(奧氏體化溫度870 ℃)

3 ZWZ15鋼冶煉與加工工藝

3.1 冶煉與軋制

ZWZ15冶煉與軋制工藝與20Cr2Ni4鋼基本相同，但軋制后要注意緩冷，防止開裂。

3.2 鍛造與熱處理

ZWZ15鍛造工藝參數與20Cr2Ni4鋼基本相同，但鍛后要注意緩冷，并及時退火，其退火工藝也與20Cr2Ni4鋼基本相同。

ZWZ15鋼的滲碳溫度為920～980 ℃，滲碳時間根據滲碳層深度確定，滲碳后油冷并及時高溫回火。相同滲碳溫度下ZWZ15鋼的滲碳速度與20Cr2Ni4鋼基本相同，但由于ZWZ15鋼制造的軸承零件更大，要求的滲碳層深度往往更深，為了縮短滲碳時間，降低滲碳成本，應盡可能采用較高的滲碳溫度。

高溫回火：650 ℃×12 h回火+空冷至60 ℃以下+650 ℃×12 h回火。

二次淬火：(790±20)℃，油冷；150～200 ℃回火，空冷。

3.3 適用的零件尺寸范圍

ZWZ15高級滲碳軸承鋼適用于加工直徑150～280 mm的滾子及有效壁厚120～230 mm的套圈，經上述滲碳淬火后，表面硬度、有效硬化層深度和心部硬度均可以達到JB/T 8881—2001《滾動軸承零件滲碳熱處理技術條件》的要求。

3.4 使用效果

將ZWZ15高級滲碳軸承鋼用于制造6 MW風電主軸軸承FL-3506/2620內圈(外徑2 925 mm、 有效壁厚130 mm)和外圈(外徑3 200 mm、有效壁厚200 mm)，結果表明，該鋼可以很好地滿足大功率風電主軸軸承的制造要求。

4 結束語

新研制的ZWZ15高級滲碳軸承鋼，已成功地用于制造有效直徑大于160 mm的滾子和有效厚度超過120 mm的套圈，在大型滾動軸承制造中取得了良好的使用效果。該鋼冶煉、軋制、鍛造和熱處理等加工工藝與20Cr2Ni4鋼相近，工藝簡單成熟，是一種值得大力推廣使用的新鋼種。