【技術前沿】PTR改性技術在軸承鋼中的應用

  一、軸承(cheng)鋼的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)往(wang)往(wang)直接決(jue)定了軸承(cheng)產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)(de)最(zui)終(zhong)使(shi)用性(xing)(xing)能(neng)(neng)，因此，先(xian)(xian)進軸承(cheng)鋼生(sheng)產(chan)(chan)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)研發與應用始終(zhong)受到世(shi)界各國(guo)的(de)(de)(de)(de)高度關注(zhu)。軸承(cheng)鋼作(zuo)為特殊鋼中最(zui)具代(dai)(dai)表(biao)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)鋼種，是(shi)目前生(sheng)產(chan)(chan)難度最(zui)大，質(zhi)量(liang)要求(qiu)最(zui)為苛刻的(de)(de)(de)(de)特殊鋼種之(zhi)一。軸承(cheng)鋼穩(wen)定生(sheng)產(chan)(chan)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)水平(ping)在很大程度上代(dai)(dai)表(biao)了鋼鐵(tie)企(qi)業(ye)(ye)(ye)高品質(zhi)特殊鋼的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)(chan)技(ji)術(shu)(shu)能(neng)(neng)力和(he)(he)綜合管理水平(ping)。我國(guo)軸承(cheng)鋼產(chan)(chan)量(liang)已(yi)連(lian)續(xu)十余年位(wei)居世(shi)界第(di)一。尤其是(shi)近年來，隨著(zhu)綜合國(guo)力和(he)(he)冶(ye)金(jin)技(ji)術(shu)(shu)水平(ping)的(de)(de)(de)(de)提升，我國(guo)軸承(cheng)鋼的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)更是(shi)有(you)(you)了長足進步。國(guo)內軸承(cheng)鋼骨干(gan)企(qi)業(ye)(ye)(ye)陸續(xu)引進和(he)(he)建(jian)設了具有(you)(you)當(dang)前先(xian)(xian)進水平(ping)的(de)(de)(de)(de)軸承(cheng)鋼生(sheng)產(chan)(chan)線，使(shi)用的(de)(de)(de)(de)硬件(jian)條件(jian)和(he)(he)生(sheng)產(chan)(chan)工藝已(yi)接近或達(da)到國(guo)際先(xian)(xian)進水平(ping)。國(guo)內大型軸承(cheng)鋼企(qi)業(ye)(ye)(ye)已(yi)普遍采用EAF-LF-VD-IC/CC等先(xian)(xian)進工藝和(he)(he)裝(zhuang)備。國(guo)產(chan)(chan)優質(zhi)軸承(cheng)鋼在氧(yang)含量(liang)、夾雜物和(he)(he)偏析控制等方面已(yi)經(jing)(jing)與國(guo)外沒有(you)(you)明顯差距。部分鋼企(qi)的(de)(de)(de)(de)軸承(cheng)鋼產(chan)(chan)品也(ye)已(yi)經(jing)(jing)獲(huo)得(de)國(guo)際著(zhu)名軸承(cheng)企(qi)業(ye)(ye)(ye)如(ru)SKF、NSK、FAG等的(de)(de)(de)(de)認證，并取(qu)得(de)了一定市場份額。

  國(guo)(guo)內(nei)外(wai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)生產(chan)技術的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)，始(shi)終圍繞提(ti)高(gao)純凈(jing)度和(he)均質化(hua)(hua)程(cheng)度兩個方面(mian)。有研(yan)究表明：軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)接觸(chu)疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)(ming)L10與單位體(ti)(ti)積內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)夾(jia)雜(za)物(wu)長(chang)度存在負指(zhi)數(shu)關系(xi)。而(er)夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)含(han)量又與鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)含(han)量密切相關。氧(yang)含(han)量越(yue)高(gao)，夾(jia)雜(za)物(wu)含(han)量也越(yue)高(gao)，接觸(chu)疲(pi)勞(lao)(lao)壽(shou)命(ming)(ming)就低。因此(ci)，軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)冶金質量不(bu)僅(jin)體(ti)(ti)現(xian)在夾(jia)雜(za)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)含(han)量、尺寸(cun)和(he)分布(bu)控(kong)(kong)制(zhi)上，而(er)且體(ti)(ti)現(xian)在O、S、P、Ti等元(yuan)素含(han)量的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)上。國(guo)(guo)外(wai)真空脫氣軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)含(han)量已(yi)經可以穩(wen)定控(kong)(kong)制(zhi)在5ppm水平，夾(jia)雜(za)物(wu)最大尺寸(cun)≤11μm。國(guo)(guo)內(nei)優質軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)也達到(dao)了類似(si)指(zhi)標。隨著軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)純凈(jing)度的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)斷提(ti)高(gao)，碳化(hua)(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)含(han)量、尺寸(cun)和(he)分布(bu)已(yi)經逐(zhu)漸成(cheng)為(wei)(wei)影響軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)壽(shou)命(ming)(ming)和(he)可靠性繼續提(ti)升的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵因素。應該指(zhi)出，針對國(guo)(guo)內(nei)外(wai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)生產(chan)技術的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展(zhan)現(xian)狀，在氧(yang)含(han)量、夾(jia)雜(za)物(wu)和(he)偏析控(kong)(kong)制(zhi)等問題得到(dao)相對有效地解決之后，碳化(hua)(hua)物(wu)調(diao)控(kong)(kong)已(yi)成(cheng)為(wei)(wei)目前(qian)國(guo)(guo)內(nei)外(wai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)先進生產(chan)技術研(yan)發(fa)(fa)所面(mian)臨(lin)的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵問題和(he)重要方向。本文在簡要分析國(guo)(guo)內(nei)外(wai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)生產(chan)技術發(fa)(fa)展(zhan)現(xian)狀的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上，介紹了西北工業大學近(jin)年來(lai)研(yan)發(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)力旋(xuan)軋(ya)（Power Torsional Rolling,簡稱(cheng)PTR）改性技術的(de)(de)(de)(de)(de)原理，及其在軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)碳化(hua)(hua)物(wu)尺寸(cun)、分布(bu)調(diao)控(kong)(kong)方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)部分研(yan)究結果(guo)。

  二(er)、軸承鋼質量提升的關鍵(jian)問題

一般(ban)認為，軸承鋼(gang)冶金質量的典(dian)型指標主要包括5個方面：①氧含(han)量；②夾雜物含(han)量、尺寸和分布；③碳化(hua)物含(han)量、尺寸和分布；④疏松和偏析(xi)；⑤各向同性程(cheng)度和性能穩定性。

由于(yu)大(da)(da)尺寸氧(yang)(yang)化(hua)物是非金屬夾(jia)雜中對(dui)(dui)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)疲(pi)勞壽命影(ying)響(xiang)最(zui)大(da)(da)的(de)缺(que)陷，同時，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中的(de)氧(yang)(yang)元素又(you)具有氧(yang)(yang)致(zhi)析出效應，因此(ci)對(dui)(dui)于(yu)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)，尤其是高(gao)碳(tan)鉻軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)，全(quan)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)是評價其純凈度的(de)一(yi)個重(zhong)要指(zhi)標，由溶解氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)和氧(yang)(yang)化(hua)物氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)兩部分組成。降(jiang)(jiang)低(di)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)中的(de)全(quan)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)能(neng)(neng)夠(gou)大(da)(da)幅度提(ti)高(gao)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)疲(pi)勞壽命和可靠性。因此(ci)，在軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)生(sheng)(sheng)產(chan)技(ji)術的(de)發(fa)(fa)展中，全(quan)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)甚至(zhi)被(bei)認為是技(ji)術劃代(dai)(dai)的(de)主要依據。尤其以(yi)瑞典SKF和日本(ben)(ben)山陽特鋼(gang)(gang)(gang)(gang)最(zui)具代(dai)(dai)表性。其生(sheng)(sheng)產(chan)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)的(de)全(quan)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)由鋼(gang)(gang)(gang)(gang)包脫氣時代(dai)(dai)的(de)30-50ppm發(fa)(fa)展到(dao)目前采用(yong)SNRP法的(de)4-6ppm，疲(pi)勞壽命L10提(ti)高(gao)了約30倍，對(dui)(dui)整個世(shi)界軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)生(sheng)(sheng)產(chan)技(ji)術的(de)發(fa)(fa)展產(chan)生(sheng)(sheng)了重(zhong)要影(ying)響(xiang)。同時，當全(quan)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)降(jiang)(jiang)低(di)到(dao)5ppm水平以(yi)后，繼(ji)續(xu)降(jiang)(jiang)低(di)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)所(suo)獲得(de)的(de)性能(neng)(neng)提(ti)升(sheng)的(de)收益(yi)已(yi)不明(ming)顯，但卻會導致(zhi)生(sheng)(sheng)產(chan)成本(ben)(ben)的(de)明(ming)顯增加，所(suo)以(yi)隨后世(shi)界各國的(de)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang)一(yi)直維持相(xiang)對(dui)(dui)穩(wen)定(ding)的(de)水平，未再發(fa)(fa)生(sheng)(sheng)明(ming)顯變化(hua)。

大量(liang)(liang)研究表明，軸(zhou)承(cheng)兩大失效形(xing)式(shi)之一的(de)(de)(de)疲(pi)勞剝落，往往與鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)密切相關，其中(zhong)又(you)以B類(lei)、D類(lei)、DS類(lei)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)影響最為(wei)顯著。因(yin)(yin)此，夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)的(de)(de)(de)含量(liang)(liang)、尺寸(cun)和分布控制水(shui)平(ping)是衡量(liang)(liang)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)又(you)一個(ge)重(zhong)要指(zhi)標(biao)。為(wei)了(le)理(li)想的(de)(de)(de)獲得夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)控制效果(guo)，國(guo)(guo)外(wai)(wai)先進軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)企業針對(dui)不(bu)同類(lei)型的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)，分別從夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)來源(yuan)、成因(yin)(yin)和控制措施等方(fang)面開(kai)展了(le)系(xi)統化(hua)研究，研發了(le)各具特色(se)的(de)(de)(de)高純(chun)和超高純(chun)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)生產工藝和生產系(xi)統。表1給出了(le)國(guo)(guo)外(wai)(wai)知名(ming)企業軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)元(yuan)素和夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)物(wu)控制水(shui)平(ping)。表中(zhong)r為(wei)氧(yang)化(hua)物(wu)夾(jia)(jia)雜(za)(za)(za)(za)的(de)(de)(de)最大直徑(jing)。