【技術前沿】PTR改性技術在軸承鋼中的應用

  一、軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)的(de)(de)(de)質(zhi)量往(wang)往(wang)直接(jie)決定了軸(zhou)承(cheng)產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)最(zui)終使用(yong)性能，因此，先(xian)進(jin)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)生(sheng)(sheng)產(chan)技術的(de)(de)(de)研發與應用(yong)始終受到世界(jie)各國(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)(de)高(gao)度(du)關注。軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)作(zuo)為(wei)特(te)殊(shu)鋼(gang)中最(zui)具代表(biao)性的(de)(de)(de)鋼(gang)種，是(shi)目(mu)前生(sheng)(sheng)產(chan)難度(du)最(zui)大，質(zhi)量要求(qiu)最(zui)為(wei)苛(ke)刻的(de)(de)(de)特(te)殊(shu)鋼(gang)種之一。軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)穩定生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)(de)(de)質(zhi)量水(shui)平(ping)(ping)在(zai)很大程度(du)上代表(biao)了鋼(gang)鐵企(qi)(qi)業(ye)高(gao)品(pin)質(zhi)特(te)殊(shu)鋼(gang)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)技術能力(li)和(he)(he)綜合管理水(shui)平(ping)(ping)。我國(guo)(guo)(guo)(guo)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)產(chan)量已(yi)(yi)連續十余年(nian)位居世界(jie)第一。尤其是(shi)近年(nian)來，隨著綜合國(guo)(guo)(guo)(guo)力(li)和(he)(he)冶(ye)金技術水(shui)平(ping)(ping)的(de)(de)(de)提升，我國(guo)(guo)(guo)(guo)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)的(de)(de)(de)質(zhi)量更是(shi)有(you)了長足進(jin)步。國(guo)(guo)(guo)(guo)內軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)骨干(gan)企(qi)(qi)業(ye)陸續引進(jin)和(he)(he)建設(she)了具有(you)當前先(xian)進(jin)水(shui)平(ping)(ping)的(de)(de)(de)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)生(sheng)(sheng)產(chan)線，使用(yong)的(de)(de)(de)硬件條件和(he)(he)生(sheng)(sheng)產(chan)工藝已(yi)(yi)接(jie)近或達到國(guo)(guo)(guo)(guo)際(ji)先(xian)進(jin)水(shui)平(ping)(ping)。國(guo)(guo)(guo)(guo)內大型軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)企(qi)(qi)業(ye)已(yi)(yi)普遍采(cai)用(yong)EAF-LF-VD-IC/CC等先(xian)進(jin)工藝和(he)(he)裝備。國(guo)(guo)(guo)(guo)產(chan)優質(zhi)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)在(zai)氧含量、夾雜物和(he)(he)偏析控制等方(fang)面已(yi)(yi)經(jing)與國(guo)(guo)(guo)(guo)外沒有(you)明顯差距。部分鋼(gang)企(qi)(qi)的(de)(de)(de)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)產(chan)品(pin)也已(yi)(yi)經(jing)獲得(de)國(guo)(guo)(guo)(guo)際(ji)著名軸(zhou)承(cheng)企(qi)(qi)業(ye)如SKF、NSK、FAG等的(de)(de)(de)認證，并取得(de)了一定市場份(fen)額(e)。

  國(guo)內(nei)外軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)生(sheng)產(chan)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)，始(shi)終圍繞(rao)提高(gao)純(chun)(chun)凈度和(he)均質化程度兩個方面。有研(yan)究表明(ming)：軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)接觸疲(pi)勞(lao)壽(shou)命L10與單位(wei)體積內(nei)的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)雜物(wu)長度存(cun)在(zai)(zai)(zai)負指數關(guan)(guan)系。而(er)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)又(you)與鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)氧(yang)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)密切相關(guan)(guan)。氧(yang)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)越高(gao)，夾(jia)(jia)雜物(wu)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)也(ye)越高(gao)，接觸疲(pi)勞(lao)壽(shou)命就低。因此，軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)冶(ye)金(jin)質量(liang)(liang)(liang)(liang)不(bu)僅體現在(zai)(zai)(zai)夾(jia)(jia)雜物(wu)的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)、尺(chi)寸(cun)和(he)分(fen)(fen)(fen)布(bu)控(kong)制(zhi)上(shang)，而(er)且體現在(zai)(zai)(zai)O、S、P、Ti等元素(su)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)上(shang)。國(guo)外真空(kong)脫(tuo)氣軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)的(de)(de)(de)氧(yang)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)已經可以穩定控(kong)制(zhi)在(zai)(zai)(zai)5ppm水(shui)平，夾(jia)(jia)雜物(wu)最大(da)尺(chi)寸(cun)≤11μm。國(guo)內(nei)優質軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)也(ye)達到(dao)了類似指標(biao)。隨著軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)純(chun)(chun)凈度的(de)(de)(de)不(bu)斷提高(gao)，碳化物(wu)的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)、尺(chi)寸(cun)和(he)分(fen)(fen)(fen)布(bu)已經逐漸成為影(ying)響軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)壽(shou)命和(he)可靠性(xing)繼續提升的(de)(de)(de)關(guan)(guan)鍵因素(su)。應(ying)該指出，針(zhen)對國(guo)內(nei)外軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)生(sheng)產(chan)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)現狀，在(zai)(zai)(zai)氧(yang)含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)、夾(jia)(jia)雜物(wu)和(he)偏(pian)析(xi)控(kong)制(zhi)等問(wen)題得到(dao)相對有效(xiao)地(di)解決之后，碳化物(wu)調控(kong)已成為目前國(guo)內(nei)外軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)先進生(sheng)產(chan)技(ji)術(shu)研(yan)發(fa)所面臨的(de)(de)(de)關(guan)(guan)鍵問(wen)題和(he)重要(yao)方向。本(ben)文在(zai)(zai)(zai)簡(jian)要(yao)分(fen)(fen)(fen)析(xi)國(guo)內(nei)外軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)生(sheng)產(chan)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)現狀的(de)(de)(de)基礎上(shang)，介紹了西北工業(ye)大(da)學近(jin)年來研(yan)發(fa)的(de)(de)(de)強力旋軋(ya)（Power Torsional Rolling,簡(jian)稱PTR）改性(xing)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)原(yuan)理，及(ji)其在(zai)(zai)(zai)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)碳化物(wu)尺(chi)寸(cun)、分(fen)(fen)(fen)布(bu)調控(kong)方面的(de)(de)(de)部分(fen)(fen)(fen)研(yan)究結果。

  二、軸承鋼質量提升的關鍵問題(ti)

一(yi)般認為，軸承鋼冶金質量(liang)的典型指標主要包括5個方面：①氧含(han)量(liang)；②夾雜物(wu)含(han)量(liang)、尺寸和(he)分(fen)布(bu)；③碳化物(wu)含(han)量(liang)、尺寸和(he)分(fen)布(bu)；④疏松和(he)偏(pian)析(xi)；⑤各向(xiang)同(tong)性(xing)(xing)程度和(he)性(xing)(xing)能穩定(ding)性(xing)(xing)。

由于大(da)尺寸氧(yang)(yang)(yang)化物(wu)(wu)是(shi)非(fei)金(jin)屬夾(jia)雜(za)中(zhong)(zhong)對軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)疲勞(lao)壽命(ming)影響最大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)陷，同(tong)時(shi)(shi)，鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)元素又具(ju)有氧(yang)(yang)(yang)致(zhi)(zhi)析出效應，因(yin)此(ci)對于軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)，尤其是(shi)高碳鉻軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)，全氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量是(shi)評價其純凈度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)一個重要指標，由溶解氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量和(he)(he)氧(yang)(yang)(yang)化物(wu)(wu)氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量兩部分組成。降(jiang)低(di)鋼(gang)(gang)(gang)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)全氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量能(neng)夠大(da)幅度(du)提高軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞(lao)壽命(ming)和(he)(he)可靠性(xing)。因(yin)此(ci)，在軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)生產(chan)技術的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展中(zhong)(zhong)，全氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量甚(shen)至被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)技術劃(hua)代(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)主要依據。尤其以(yi)瑞典SKF和(he)(he)日本山陽特鋼(gang)(gang)(gang)最具(ju)代(dai)表(biao)性(xing)。其生產(chan)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)全氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量由鋼(gang)(gang)(gang)包脫氣(qi)時(shi)(shi)代(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)30-50ppm發(fa)展到目前采用(yong)SNRP法的(de)(de)(de)(de)(de)4-6ppm，疲勞(lao)壽命(ming)L10提高了約30倍，對整個世界軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)生產(chan)技術的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展產(chan)生了重要影響。同(tong)時(shi)(shi)，當全氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量降(jiang)低(di)到5ppm水平以(yi)后，繼(ji)續降(jiang)低(di)氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量所獲得的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)提升(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)收益已(yi)不(bu)明(ming)顯(xian)，但卻會導致(zhi)(zhi)生產(chan)成本的(de)(de)(de)(de)(de)明(ming)顯(xian)增加，所以(yi)隨(sui)后世界各(ge)國的(de)(de)(de)(de)(de)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)(gang)(gang)氧(yang)(yang)(yang)含(han)(han)量一直維(wei)持相對穩定的(de)(de)(de)(de)(de)水平，未再發(fa)生明(ming)顯(xian)變(bian)化。

大量(liang)研(yan)究表明，軸承(cheng)兩大失效形式之(zhi)一的(de)疲勞剝落，往往與鋼中的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物密(mi)切相關，其(qi)中又(you)以B類、D類、DS類夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)影響最為顯著。因此，夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物的(de)含(han)量(liang)、尺寸(cun)和分布控(kong)(kong)制(zhi)水(shui)平(ping)是衡量(liang)軸承(cheng)鋼質量(liang)的(de)又(you)一個重(zhong)要指標。為了理想的(de)獲(huo)得夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物控(kong)(kong)制(zhi)效果，國(guo)外先進軸承(cheng)鋼企業(ye)針對不同類型的(de)夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物，分別從夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物來(lai)源、成因和控(kong)(kong)制(zhi)措施等方(fang)面(mian)開(kai)展了系統化(hua)研(yan)究，研(yan)發了各具特色(se)的(de)高純和超(chao)高純軸承(cheng)鋼生(sheng)產工藝(yi)和生(sheng)產系統。表1給出了國(guo)外知名企業(ye)軸承(cheng)鋼的(de)雜(za)(za)(za)質元(yuan)素(su)和夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)物控(kong)(kong)制(zhi)水(shui)平(ping)。表中r為氧化(hua)物夾(jia)(jia)(jia)雜(za)(za)(za)的(de)最大直徑(jing)。