【技術前沿】PTR改性技術在軸承鋼中的應用

   一、軸承鋼的質量往往直接決定了軸承產品的最終使用性能，因此，先進軸承鋼生產技術的研發與應用始終受到世界各國的高度關注。軸承鋼作為特殊鋼中最具代表性的鋼種，是目前生產難度最大，質量要求最為苛刻的特殊鋼種之一。軸承鋼穩定生產的質量水平在很大程度上代表了鋼鐵企業高品質特殊鋼的生產技術能力和綜合管理水平。我國軸承鋼產量已連續十余年位居世界第一。尤其是近年來，隨著綜合國力和冶金技術水平的提升，我國軸承鋼的質量更是有了長足進步。國內軸承鋼骨干企業陸續引進和建設了具有當前先進水平的軸承鋼生產線，使用的硬件條件和生產工藝已接近或達到國際先進水平。國內大型軸承鋼企業已普遍采用EAF-LF-VD-IC/CC等先進工藝和裝備。國產優質軸承鋼在氧含量、夾雜物和偏析控制等方面已經與國外沒有明顯差距。部分鋼企的軸承鋼產品也已經獲得國際著名軸承企業如SKF、NSK、FAG等的認證，并取得了一定市場份額。

   國內外軸承鋼生產技術的發展，始終圍繞提高純凈度和均質化程度兩個方面。有研究表明：軸承鋼的接觸疲勞壽命L10與單位體積內的夾雜物長度存在負指數關系。而夾雜物的含量又與鋼中的氧含量密切相關。氧含量越高，夾雜物含量也越高，接觸疲勞壽命就低。因此，軸承鋼的冶金質量不僅體現在夾雜物的含量、尺寸和分布控制上，而且體現在O、S、P、Ti等元素含量的控制上。國外真空脫氣軸承鋼的氧含量已經可以穩定控制在5ppm水平，夾雜物最大尺寸≤11μm。國內優質軸承鋼也達到了類似指標。隨著軸承鋼純凈度的不斷提高，碳化物的含量、尺寸和分布已經逐漸成為影響軸承鋼壽命和可靠性繼續提升的關鍵因素。應該指出，針對國內外軸承鋼生產技術的發展現狀，在氧含量、夾雜物和偏析控制等問題得到相對有效地解決之后，碳化物調控已成為目前國內外軸承鋼先進生產技術研發所面臨的關鍵問題和重要方向。本文在簡要分析國內外軸承鋼生產技術發展現狀的基礎上，介紹了西北工業大學近年來研發的強力旋軋（Power Torsional Rolling,簡稱PTR）改性技術的原理，及其在軸承鋼碳化物尺寸、分布調控方面的部分研究結果。

  二、軸承鋼質量提升的關鍵問題

一般認為，軸承鋼冶金質量的典型指標主要包括5個方面：①氧含量；②夾雜物含量、尺寸和分布；③碳化物含量、尺寸和分布；④疏松和偏析；⑤各向同性程度和性能穩定性。

由于大尺寸氧化物是非金屬夾雜中對軸承鋼疲勞壽命影響最大的缺陷，同時，鋼中的氧元素又具有氧致析出效應，因此對于軸承鋼，尤其是高碳鉻軸承鋼，全氧含量是評價其純凈度的一個重要指標，由溶解氧含量和氧化物氧含量兩部分組成。降低鋼中的全氧含量能夠大幅度提高軸承鋼的疲勞壽命和可靠性。因此，在軸承鋼生產技術的發展中，全氧含量甚至被認為是技術劃代的主要依據。尤其以瑞典SKF和日本山陽特鋼最具代表性。其生產軸承鋼的全氧含量由鋼包脫氣時代的30-50ppm發展到目前采用SNRP法的4-6ppm，疲勞壽命L10提高了約30倍，對整個世界軸承鋼生產技術的發展產生了重要影響。同時，當全氧含量降低到5ppm水平以后，繼續降低氧含量所獲得的性能提升的收益已不明顯，但卻會導致生產成本的明顯增加，所以隨后世界各國的軸承鋼氧含量一直維持相對穩定的水平，未再發生明顯變化。

大量研究表明，軸承兩大失效形式之一的疲勞剝落，往往與鋼中的夾雜物密切相關，其中又以B類、D類、DS類夾雜物的影響最為顯著。因此，夾雜物的含量、尺寸和分布控制水平是衡量軸承鋼質量的又一個重要指標。為了理想的獲得夾雜物控制效果，國外先進軸承鋼企業針對不同類型的夾雜物，分別從夾雜物來源、成因和控制措施等方面開展了系統化研究，研發了各具特色的高純和超高純軸承鋼生產工藝和生產系統。表1給出了國外知名企業軸承鋼的雜質元素和夾雜物控制水平。表中r為氧化物夾雜的最大直徑。