ZWZ15高級(jí)滲碳軸承鋼的研制

尤紹軍

(瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，遼寧 瓦房店 116300)

裝備制造業(yè)的重要發(fā)展方向之一是大型化，隨著諸如軋機(jī)、船舶、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、核電設(shè)備、化工設(shè)備及掘進(jìn)機(jī)等裝備日趨大型化，與之配套的軸承也呈大型化趨勢(shì)。目前我國(guó)現(xiàn)有的滲碳軸承鋼已經(jīng)無(wú)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(fēng)電主軸軸承套圈時(shí)，其表面硬度、有效硬化層深度及心部硬度均無(wú)法滿足軸承零件滲碳熱處理技術(shù)要求。因此，瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司、東北特鋼集團(tuán)和西寧特鋼聯(lián)合研制了一種性能優(yōu)于20Cr2Ni4的ZWZ15高級(jí)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(jìn)行了對(duì)比。

1 20Cr2Ni4滲碳軸承鋼

我國(guó)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(guó)使用范圍最廣，使用量也最大，其冷熱加工性能優(yōu)異，力學(xué)性能良好，經(jīng)過(guò)滲碳淬火熱處理后，具有優(yōu)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(dá)160 mm的滾子和有效厚度達(dá)120 mm的軸承套圈。

20Cr2Ni4鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)及試樣的實(shí)際化學(xué)成分見(jiàn)表1。該鋼力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)及試樣的力學(xué)性能見(jiàn)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(xué)成分 w,%

表2 20Cr2Ni4鋼的力學(xué)性能

20Cr2Ni4鋼試樣的相變溫度見(jiàn)表3，淬透性數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shù)據(jù)(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(guò)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(dá)到軸承零件的技術(shù)要求。為了制造這些大型軸承零件，有必要研制一種性能優(yōu)于20Cr2Ni4的高級(jí)滲碳軸承鋼。

2 ZWZ15鋼的研制

2.1 成分設(shè)計(jì)

國(guó)外軸承鋼新鋼種的研制過(guò)程，基本上是在現(xiàn)有的成熟鋼種基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行成分調(diào)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(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整其化學(xué)成分，設(shè)計(jì)的ZWZ15鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表5。

表5 ZWZ15鋼的化學(xué)成分 w，%

ZWZ15與20Cr2Ni4鋼的主要差別在于：

(1)ZWZ15鋼添加了Mo，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.35%。Mo可提高鋼的淬透性和抗回火穩(wěn)定性，改善滲碳性能，細(xì)化碳化物顆粒，提高疲勞強(qiáng)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(duì)鋼的冷熱加工性能、力學(xué)性能等影響不大。

(2)適當(dāng)降低C含量，提高ZWZ15鋼的斷裂韌性，可一定程度上彌補(bǔ)添加Mo元素導(dǎo)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(dāng)。

(3)目前，在我國(guó)軸承鋼生產(chǎn)中鋼材成分控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，適當(dāng)縮小C，Ni，Si元素的成分范圍，不僅不會(huì)增加軸承鋼的生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本，而且可以提高鋼材的成分、工藝性能等參數(shù)的一致性，減小后續(xù)熱加工和熱處理的質(zhì)量波動(dòng)。

2.2 性能參數(shù)

試驗(yàn)用ZWZ15鋼的化學(xué)成分見(jiàn)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(xué)性能見(jiàn)表6。

表6 ZWZ15鋼的力學(xué)性能

由表2和表6可知，當(dāng)采用相同的熱處理工藝時(shí)，ZWZ15鋼力學(xué)性能與20Cr2Ni4鋼相當(dāng)。ZWZ15鋼試樣的相變溫度見(jiàn)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(shù)據(jù)見(jiàn)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(yuǎn)優(yōu)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(shù)據(jù)(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(kāi)裂。

3.2 鍛造與熱處理

ZWZ15鍛造工藝參數(shù)與20Cr2Ni4鋼基本相同，但鍛后要注意緩冷，并及時(shí)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(shí)間根據(jù)滲碳層深度確定，滲碳后油冷并及時(shí)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(shí)間，降低滲碳成本，應(yīng)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(jí)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(jīng)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(dá)到JB/T 8881—2001《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》的要求。

3.4 使用效果

將ZWZ15高級(jí)滲碳軸承鋼用于制造6 MW風(fēng)電主軸軸承FL-3506/2620內(nèi)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(jié)果表明，該鋼可以很好地滿足大功率風(fēng)電主軸軸承的制造要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

新研制的ZWZ15高級(jí)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(guò)120 mm的套圈，在大型滾動(dòng)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(jiǎn)單成熟，是一種值得大力推廣使用的新鋼種。