GCr15軸承鋼冶煉工藝的選擇與控制

王強(qiáng)

摘要：目前，市場中所廣泛的應(yīng)用的軸承鋼加工材料種類繁多，隨著對軸承鋼質(zhì)量要求的逐步提升，GCr15逐漸成為現(xiàn)代最為主要的軸承鋼冶煉加工材料之一，其對解決軸承鋼斷裂及使用耐久性較低問題均具有—定的效果。文章將以GCr15軸承鋼加工工藝選擇與運(yùn)用為核心，對該鋼種的軸承鋼工優(yōu)勢及其問題進(jìn)行明確闡述，為充分發(fā)揮出GCr15軸承鋼的實(shí)際作用提供理論知識方面的幫助。

關(guān)鍵詞：GCr15；軸承鋼；冶煉；工藝；控制

近年來，機(jī)械設(shè)備運(yùn)用及普及度的提升使鋼材加工速度也隨之加快。軸承最為多種機(jī)械設(shè)備應(yīng)用的核心部件，不僅直接影響到設(shè)備運(yùn)行效益，同時也對設(shè)備使用安全性產(chǎn)生影響，因此高質(zhì)量軸承鋼的生產(chǎn)便凸顯的至關(guān)重要。GCr15軸承鋼的運(yùn)用，充分解決了軸承鋼強(qiáng)度不高的問題，使軸承鋼運(yùn)用廣泛性得到顯著提升，對解決以上問題具有良好的應(yīng)用效果。

1概述

軸承素稱“工業(yè)的心臟”，由于軸承應(yīng)具備長壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪聲及高耐磨性等特性，這對軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類型、碳化物粒度和分布，以及脫碳等要求嚴(yán)格，因此軸承鋼質(zhì)量的好壞也成為一個國家鋼鐵冶煉水平的一個標(biāo)志。

1.1國內(nèi)外軸承鋼行業(yè)發(fā)展概況

我國軸承鋼制造發(fā)展已有50余年歷史，在規(guī)范方面僅2010年初期階段即已達(dá)2200余家。2015年，我國各類軸承配套設(shè)備生產(chǎn)數(shù)量更是達(dá)到83億套，實(shí)現(xiàn)全部收入為912億元。現(xiàn)階段，我國軸承生產(chǎn)行業(yè)實(shí)際產(chǎn)量逐步增加，市場需求量也有所提升，在數(shù)量方面我國實(shí)際軸承生產(chǎn)早已走在世界前列。雖我國數(shù)量方面占有絕對優(yōu)勢，但在軸承質(zhì)量、軸承降噪及軸承精度等方面仍與西方部分發(fā)達(dá)軸承制造企業(yè)存在一定的差距。

目前，在亞洲板塊軸承制造領(lǐng)先企業(yè)以日本山裼公司為主。而西歐則以Svenska Kullargerfabriken，Ascometal等公司技術(shù)工藝最為成熟，是現(xiàn)代軸承生產(chǎn)工藝水平較高的主要企業(yè)。其中瑞典Svenska Kullargerfabriken公司軸承產(chǎn)量占世界全部產(chǎn)量的31%，是當(dāng)前世界軸承產(chǎn)量最高及質(zhì)量最好的軸承生產(chǎn)企業(yè)。

1.2國內(nèi)外軸承鋼冶煉設(shè)備和工藝特點(diǎn)

國外軸承鋼冶煉主要采用大電爐設(shè)備進(jìn)行熔爐，可充分解決殘余元素問題，并提高軸承鋼質(zhì)量，通過二次精煉的方式將其與空氣脫離，從而形成真空，以此降低鋼結(jié)構(gòu)中實(shí)際氣體含量，該方法不僅有效解決了鋼制軸承氧化問題，同時也進(jìn)一步保障了軸承鋼基礎(chǔ)質(zhì)量品質(zhì)穩(wěn)定。

（1）國外軸承鋼冶煉均選用大型冶煉設(shè)備，冶煉數(shù)量固定，冶煉質(zhì)量控制便捷性高，可充分降低鋼鐵冶煉所帶來的高能源消耗，保障軸承鋼生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。大型冶煉設(shè)備軸承鋼煉制不易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)壞損問題，使用年限更長，可為機(jī)械設(shè)備提供可靠結(jié)構(gòu)支持。

（2）鋼鐵殘余元素對軸承鋼質(zhì)量影響嚴(yán)重，為此主要通過對鋼料選用的源頭控制實(shí)現(xiàn)降低殘余元素數(shù)量，避免殘余元素與軸承鋼生產(chǎn)產(chǎn)生直接接觸。高爐鐵液是現(xiàn)代高質(zhì)量軸承鋼生產(chǎn)的主要用料，可有效對殘余元素進(jìn)行控制，從根本上將殘余元素進(jìn)行隔絕。

（3）出鋼技術(shù)控制是解決軸承鋼氧化嚴(yán)重問題的核心關(guān)鍵。國外部分企業(yè)已有效實(shí)現(xiàn)對軸承鋼制作的無渣出鋼處理，通過真空處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鋼材料與渣的零接觸，從而保障軸承鋼生產(chǎn)的實(shí)際質(zhì)量。

電爐初煉是我國軸承鋼生產(chǎn)所選用的主要是設(shè)備，該設(shè)備具備鋼質(zhì)材料出鋼直徑大的基本特點(diǎn)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對大型軸承鋼的一次性生產(chǎn)，提高大型軸承鋼的基本質(zhì)量。在小型企業(yè)的軸承鋼生產(chǎn)中，多采用小電爐及模鑄生產(chǎn)方式。為統(tǒng)一國內(nèi)軸承鋼生產(chǎn)質(zhì)量，保障生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的一致，我國軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)均要求采用LF精煉設(shè)備進(jìn)行軸承鋼精煉，同時VD真空精煉處理設(shè)備應(yīng)用也相對廣泛。就從基礎(chǔ)運(yùn)用的脫氮及脫氫效果而言，RH精煉處理設(shè)備優(yōu)勢相對明顯，并且對成本的控制效果也相對較好。當(dāng)下，我國與國外部分企業(yè)軸承鋼生產(chǎn)的差距在于冶煉容量較低，難以保障冶煉質(zhì)量的恒定，同時精煉工藝尚存在一定的技術(shù)問題。

2 GCr15質(zhì)量要求和常見缺陷

2.1質(zhì)量要求

軸承用途及種類的差異使其質(zhì)量要求及常見缺陷問題也存在一定差別。目前市面所廣泛應(yīng)用的軸承鋼以滲碳軸承鋼、高溫軸承鋼、高碳鉻軸承鋼、銹軸承鋼及特種軸承鋼為主。GCr15軸承鋼是現(xiàn)代軸承鋼生產(chǎn)的主要鋼種，與現(xiàn)代多數(shù)企業(yè)設(shè)備相對應(yīng)，具備良好的可塑性，同時結(jié)構(gòu)硬度較高，通過淬火及回火可使其表面強(qiáng)度及內(nèi)部強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升。該鋼種耐磨性較高，不易產(chǎn)生疲勞問題，同時具備一定的耐腐蝕性，能夠在多種環(huán)境下施工，實(shí)際適應(yīng)性較強(qiáng)，在多種設(shè)備中均能夠發(fā)揮良好應(yīng)用效果。在塑性方面，由于該鋼種結(jié)構(gòu)密度具有一定的可調(diào)控性，因此可按相關(guān)要求對GCr15進(jìn)行深層鑄造及處理。

（1）受其可調(diào)控性影響，該鋼種應(yīng)用可按照生產(chǎn)雙方要求進(jìn)行不同規(guī)格的硬度設(shè)計，通過對軸承鋼用途的分析來執(zhí)行合理設(shè)計規(guī)劃，充分解決傳統(tǒng)鋼種應(yīng)用靈活性差的相關(guān)問題。

（2）非金屬夾雜物規(guī)定。細(xì)系：A類，2.5級，B類，2.0級，c類，0.5級，D類，1.0級；粗系：A類，1.5級，B類，1.0級，C類，0.5級，D類，1.0級。

（3）該鋼種結(jié)構(gòu)密度較高，在對直徑小于60 mm直徑剛才冶煉時，應(yīng)及時對顯微孔隙進(jìn)行控制，并提高結(jié)構(gòu)密集度。對直徑高于60 mm直接鋼材，則需按照鋼材冶煉設(shè)計方案對顯微孔隙進(jìn)行評級，以免顯微孔隙對鋼材使用造成影響。

（4）軋制規(guī)格的不同直接影響軸承鋼質(zhì)量，在對鋼材脫碳層深度處理中，要求將蒸餾度控制0.15～1.2 mm范圍內(nèi)。由于該類鋼材通常通途不定，因此需根據(jù)委托方需求對鋼結(jié)構(gòu)表面按相關(guān)規(guī)格進(jìn)行處理，確保鋼材冶煉符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 GCr15常見缺陷

（1）GCr15結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的首要問題即使表面裂紋問題，該問題的產(chǎn)生于后期軋制及前期冶煉技術(shù)處理有關(guān)。而縮孔及夾渣問題則多來源鋼結(jié)構(gòu)氧化及出鋼控制方面，由于所采取的出鋼擋渣措施有效性較低，導(dǎo)致出鋼控制無法起到預(yù)期效果，繼而產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象。

（2）該鋼種內(nèi)部缺陷問題主要由夾雜物超標(biāo)及氧含量超標(biāo)產(chǎn)生。鋼材冶煉及加工處理夾雜物的產(chǎn)生無可避免，即使選用真空加工環(huán)境也難以保障剛才中無夾雜物。對夾雜物的控制如在相對合理范圍內(nèi)，則無需進(jìn)行技術(shù)處理，而若夾雜物嚴(yán)重超標(biāo)，則易對鋼材使用產(chǎn)生影響，容易造成鋼材斷裂問題。氧含量超過對鋼材影響較為嚴(yán)重，不僅可產(chǎn)生白點(diǎn)及氣孔，同時還易形成偏析及縮松問題，使鋼材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。

3 GCr15冶煉工藝的選擇與控制

3.1工藝路線

65t Consteel EAF->65t LF->65tVD->R9mCC連鑄機(jī)。65tConsteel EAF出鋼采用擋渣出鋼，鋼包中采用精煉渣、石灰、氟石等造渣。采用LF精煉脫氧、脫硫、去夾雜及微合金化，調(diào)節(jié)酸溶鋁A1的含量，再經(jīng)過VD進(jìn)行脫氣、渣洗鋼液處理。連鑄采用全程保護(hù)澆注，中間包等溫控制，穩(wěn)定拉坯速度以及液面自動控制等。

3.2 Consteel EAF冶煉工藝要點(diǎn)

（1）初煉爐冶煉要求首先對冶煉材料進(jìn)行脫碳及脫磷處理，通過增加熱裝鐵液量的方式來對磷含量進(jìn)行控制，并確保碳的含量能夠保持在相對合理范圍內(nèi)。現(xiàn)階段較為標(biāo)準(zhǔn)的鐵液用量為鋼鐵料入爐冶煉鐵液60%、國標(biāo)鐵為10%、廢鋼30%。

（2）為提高冶煉對磷元素的有效提出，冶煉全稱將采用泡渣引弧操作。在初煉爐的無渣出鋼方面，應(yīng)選用偏心爐底出鋼技術(shù)，并輔以擋渣技術(shù)降低渣物質(zhì)產(chǎn)生概率。出鋼溫度要求控制在1630℃以上，最高溫不應(yīng)超過1 650℃，以提高鋼材冶煉溫度適應(yīng)性。

（3）為避免其余雜質(zhì)混入鋼材，并提高基礎(chǔ)成渣性，將在出鋼階段加入適量造渣材料，以便在提高其脫硫效率的同時保障成渣效果。如冶煉成渣速度響度較慢，可適量加入固定數(shù)量的優(yōu)勢活性石灰，以便對渣進(jìn)行有效處理。

3.3精煉工藝要點(diǎn)

軸承鋼精煉爐渣主要有3項任務(wù)：（1）減少夾雜物數(shù)量，特別是減少氧化物夾雜的數(shù)量；（2）改善夾雜物的性質(zhì)和形態(tài)，使塑性夾雜物所占比例增加，減少或消除C_aO型的球狀夾雜物；（3）降低鋼中硫含量。

（1）精煉渣堿度控制不得低于2，最高應(yīng)控制在2.5以下。其目的在于降低夾雜物數(shù)量，提高鋼材整體強(qiáng)度。渣精煉前期結(jié)構(gòu)應(yīng)逐步提升電流埋弧操作，從而提高熔爐溫度，通過高溫環(huán)境進(jìn)行脫氧劑脫硫反應(yīng)，以此將部分雜質(zhì)進(jìn)行吸附，降低鋼材內(nèi)雜質(zhì)比重。

（2）精煉要求采用Sic工藝進(jìn)行處理，并加入適量硅鈣鋇成分，使其與氬氣底流攪拌過程中能夠產(chǎn)生生物上浮反應(yīng)。如實(shí)際操作反應(yīng)狀態(tài)不佳，可喂入固定數(shù)量的鋁線，同時提升氫氣流量，以此提高精煉反應(yīng)效果。該項技術(shù)能夠在保障鋼液不裸露的基礎(chǔ)上提高對樣鋁含量的控制。

（3）精煉取樣后應(yīng)保持白渣狀態(tài)操作，提高精煉渣實(shí)際吸附能力，繼而在區(qū)域夾雜物的同時提高脫氧及脫硫效果。

3.4連鑄

（1）連鑄機(jī)基本參數(shù)流數(shù)：4流；鑄機(jī)半徑：89 000/17 500 mm；流間距：1250 mm，結(jié)晶器長度：850 mm；澆鑄斷面：150 mm×150 mm；最大拉速：2.8 m/min電磁攪拌方式：（4VI+F）-EMS：二次冷卻方式：足輥水冷0段+氣霧冷卻1，2，3段。創(chuàng)澆鑄過程中鋼包加包蓋保溫，以減少鋼液面下降時高溫包襯裸露向外界的散熱，實(shí)現(xiàn)全保護(hù)澆注。嚴(yán)格套管操作，大包、中間包水口套管上部全部采用耐火纖維氈隔氣。中間包加蓋，以減少散熱，保證過程溫度平穩(wěn)，溫差波動控制在2℃以內(nèi)。

4結(jié)語

GCr15軸承鋼冶煉對解決軸承鋼質(zhì)量及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要意義，是現(xiàn)代軸承制作所需的主要鋼種之一。對GCr15軸承鋼冶煉技術(shù)的運(yùn)用其基礎(chǔ)掌握難度相對較大，要求其不僅能夠按照不同軸承鋼規(guī)格對鋼材冶煉加以優(yōu)化，同時需及時做好GCr15軸承鋼質(zhì)量控制，通過提高該類軸承鋼實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來保障生產(chǎn)加工效益，從而為GCr15軸承鋼在機(jī)械設(shè)備方面的有效運(yùn)用奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。