供稿|劉紅祎，肖洋，李卯華，白剛/ LIU Hong-yi， XIAO Yang， LI Mao-hua， BAI Gang

大負荷軋機用滲碳軸承鋼G20Cr2Ni4A的生產試制

供稿|劉紅祎1，肖洋2，李卯華3，白剛1/ LIU Hong-yi1， XIAO Yang2， LI Mao-hua3， BAI Gang1

內容導讀

軋機、連鑄機、鐵路機車、礦山機械、發(fā)電機等設備的軸承要求材料表面具有高強度和良好的耐磨性、芯部具有一定的韌性和抗沖擊性能，目前多采用滲碳軸承鋼。滲碳軸承鋼的售價高，利潤可觀，市場需求大，具有良好的發(fā)展?jié)摿?。本鋼試生產的G20Cr2Ni4A，通過精確控制化學成分，充分去除夾雜物，并通過電渣重熔提高芯部致密度，高精度軋機保證尺寸公差，大大提高了滲碳軸承鋼的產品質量與附加值，不僅擴大了市場份額，提高了經濟效益，也得到了廣泛認可與好評。

滲碳軸承鋼是各種機械部件的支承，其工作環(huán)境大多是低溫、強真空等惡劣環(huán)境，或者是強沖擊、高磨損和超高轉速等高強度工作環(huán)境。使用特點和工作條件要求軸承零件必須具備高的硬度、耐磨性、接觸疲勞強度、良好的韌性、尺寸穩(wěn)定性、耐蝕和良好的冷熱加工性能。制作軸承的鋼材表面滲碳處理后可以在材料表面形成殘余壓應力，大大提高軸承壽命及耐沖擊性能。正是由于滲碳軸承鋼的多方面優(yōu)點，美國目前滲碳軸承鋼的產量已達到軸承鋼總產量的30%，日本為10%～15%，而我國為3%左右［1］。

G20Cr2Ni4A是常用的滲碳合金結構鋼，滲碳處理后表面具有相當高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強度，同時芯部好保留著有良好的韌性，能耐強烈的沖擊負荷。采用G20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼制造的軸承，內部具有高的韌性，外部具有較好的強度，整體尺寸的穩(wěn)定性非常良好，廣泛應用于制造受沖擊較大的軸承，如軋機、連鑄機、鐵路機車、礦山機械、發(fā)電設備等。滲碳軸承鋼的售價高，利潤可觀，市場需求大，具有良好的發(fā)展?jié)摿?。文章針對G20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼采用“電爐+真空處理+電渣+軋制”生產工藝，為滲碳軸承鋼生產工藝的進一步發(fā)展提供了必要的技術支持。

主要技術要求

化學成分

軸承在交變應力下，受沖擊較大，要求一定的硬度和耐磨性。碳含量是決定滲碳淬火后芯部硬度和淬透性重要元素之一，芯部既要耐沖擊而且還要有足夠的強度，因此碳含量一般控制在0.20%以下。在滲碳軸承鋼中，硅和錳復合作用下，能顯著提高滲碳層的抗回火穩(wěn)定性，同時隨著錳含量的增加，鋼的滲碳性能大幅度提高。鉻在滲碳軸承鋼中，其主要功能是提高淬透性、滲碳層耐磨性，改善鋼的力學性能，同時還能使鋼熱處理工藝穩(wěn)定，獲得良好的滲碳性能。鎳在鋼中能降低表面吸收碳原子的能力，加速碳原子在奧氏體中的擴散，減少滲碳層中碳的濃度，提高鋼的韌性。經過電渣重熔后，渣料會減少鋼中夾雜物，電渣鋼夾雜物控制是特別理想的，因此滲碳軸承鋼國標中對氧沒有具體要求，但為了高質量要求，此次實驗控制［H］≤2×10-6，［O］≤30×10-6，化學成分見表1。

表1　滲碳軸承鋼化學成分要求（質量分數）

其他技術指標

為保證鋼材致密度和均勻性要求中心疏松≤1.0級，一般疏松≤1.0級，錠型偏析≤1.5級，不允許有發(fā)紋存在。同時為提高軸承的耐磨性和降低疲勞破壞，按國家標準要求脆性夾雜物、韌性夾雜物和點狀不變形夾雜物均不超過2.0級。鋼材的奧氏體晶粒度要求5～8級，按GB/T6394標準中滲碳法檢驗。鋼材需要經過超聲波探傷檢驗，要求質量等級為A級。按GB/T4162標準進行探傷檢驗。

工藝流程

工藝流程

此次生產的滲碳軸承鋼主要工藝流程為：電爐冶煉→LF精煉→VD精煉→澆鑄電極→電渣重熔→加熱→800棒材連軋機組→保溫或熱處理→檢驗→包裝繳庫→發(fā)貨。主要設備參數見表2。

表2　特鋼廠主要生產設備簡介

煉鋼精煉控制

加強入爐及澆鑄系統(tǒng)各種材料清潔干燥，如造渣材料石灰保證干燥，螢石等烘烤良好，以免帶入氣體等。為了提高產品質量，鐵水加入量要求大于70%，廢鋼要求精品廢鋼。采用氧氣氧化，激烈沸騰、爐料大半熔時向渣中噴碳粉造泡沫渣，氧化前期形成高堿度、大渣量、低溫爐渣以保證脫磷效果，出鋼控制碳及磷元素含量，并進行預脫氧。電爐出鋼時合金化，同時加入精選專用混合渣料。氧化溫度要求≥1580℃。LF爐采用造白渣進行脫氧，要求液渣形成后加入擴散脫氧，閉爐門10 min后加入第二批脫氧劑脫氧。5 min后，渣白、溫度達到要求時取全分析［2］。VD全程吹氬氣攪拌，氬氣壓力控制在0.2～0.4 MPa，以渣面波動鋼水部不裸露為準。真空度100 Pa以下保持足夠時間，軟吹氬時間要求大于15 min。澆鑄3 t模鑄電極，對電極表面進行清理。

電渣重熔控制

電渣重熔要求渣料必須純凈、無泥沙、鐵屑等。使用前必須加熱。渣系采用二元渣系Al2O3和 CaF2，按一定量配比。要求電極表面質量良好，不得有冷接、橫裂等問題。要求電極平直。底墊在水冷底座安放平穩(wěn)，引弧劑四周圍上料，引弧電極卡好，垂直入爐，調正中心，加渣時四周均勻加入，加渣量適中，待熔渣升溫時間達到后，立即換入自耗電極。為提高電渣鋼成材率，消除縮孔加渣，熔煉后期留夠足夠的自耗電極，保證鋼錠頭部豐滿。鋼錠出爐后進行退火，消除鋼錠應力，降低鋼中氣體，降低鋼錠硬度。

軋制工藝控制

電渣重熔后的電極錠進行入保溫坑進行保溫，嚴格執(zhí)行加熱工藝，加熱溫度要求勻速增加，保證持續(xù)加熱，保證高溫在爐時間，保證鋼錠的頭尾、內外溫度均勻，同時不易長時間在均熱段，防止晶粒粗大和浪費能源。初軋采用軋輥直徑為800 mm的二輥可逆式軋機進行初軋開坯，經過多道次往復軋制，軋制成規(guī)定預備方。對預備方進行切頭尾后直接進入連軋機組進行軋制。嚴格控制入連軋入口溫度，采用方—橢圓—圓孔型系統(tǒng)進行軋制，軋制過程保證產品尺寸規(guī)格和表面質量。嚴格控制冷卻速度，經過5機架軋制后迅速保溫坑進行緩冷和熱處理。對生產后的產品進行超聲波探傷儀探傷，同時對表面質量進行修磨，保證產品表面質量。

試制結果

此次試制共計生產一爐，鋼材的規(guī)格為φ200 mm，分別對生產出的產品進行了化學成分、力學性能、低倍、夾雜物等進行了檢驗。

化學成分

電渣錠化學成分實際值如表3所示，檢驗結果為電渣錠實際值平均值，每個電渣錠頭、尾均做了成分檢驗。從所有檢查結果看，與電極成分對比，C有0.01%燒損現象，S結果比電極結果低0.025%，有可能是在電極中以硫化物形式存在，在電渣重熔過程中消除了夾雜物，降低了鋼中硫含量。H質量分數為1.2×10-6，降低了白點發(fā)生幾率。O質量分數為19×10-6，雖然經過了VD真空處理，但是由于在電渣重熔過程中，電渣為非密閉保護氣氛電渣爐，增加了空氣中的O，導致O含量上升。

夾雜物

夾雜物破壞了鋼的連續(xù)性。在外加變形力的情況下，在非金屬夾雜物處容易產生應力集中。鋼在壓力加工或熱處理時，由于金屬和夾雜物的熱膨脹系數不同，在夾雜物和金屬界面產生符號相反的微觀應力，形成初始裂紋。電渣重熔去除鋼中非金屬夾雜物主要發(fā)生在電極端頭，而金屬熔滴滴落過程的渣洗以及夾雜物自金屬熔池的浮升，都具有去除夾雜的作用。電渣重熔過程中爐渣吸收鋼中夾雜物可視為自發(fā)過程，而夾雜物由鋼液內部向鋼渣界面轉移構成限制性環(huán)節(jié)。電渣重熔后鋼中殘存夾雜物相當一部分是金屬熔池冷卻及凝固過程二次氧化形成的新生夾雜物，它的析出和分布與結晶條件有關。所以根據檢驗結果脆性夾雜物0.5級，塑性夾雜物1.0級。

表3　電 渣錠化學成分（質量分數）

力學性能

熱處理制度為第一次淬火溫度為870℃，第二次淬火溫度為790℃，采用油冷，回火溫度為180℃，空冷。用熱處理毛坯制造的試樣測定鋼材的縱向力學性能結果，詳見表4。

表4　機械性能檢驗結果

其他檢驗

低倍檢驗。低倍檢驗按GB/T226進行腐蝕，按照GB/T1979進行低倍檢驗。低倍檢驗結果為一般疏松和中心疏松均為0級，錠型偏析為0.5級。晶粒度按照GB/T6394進行檢驗，檢驗結果為奧氏體晶粒度為7級。鋼材超聲波探傷滿足GB/T4162中A級質量水平。

結束語

1） 采用合理的成分控制，合適的冶煉工藝，經過真空處理，采用澆鑄模鑄電極，經過電渣重熔生產的G20Cr2Ni4A純凈度高，晶粒細小等優(yōu)點。

2） 經過電渣重熔軋制大規(guī)格鋼材，中心疏松和一般疏松均為0級，塑性夾雜物小于等于0.5級，脆性夾雜物≤1級，達到了電渣鋼要求。

3） 本鋼采用電渣生產的G20Cr2NiA滲碳軸承鋼質量完全滿足國標要求，能夠形成穩(wěn)定批量生產。

［1］ 鐘順思，王昌生. 軸承鋼. 1版. 北京：冶金工業(yè)出版社，2000：14

［2］ 許汝鐘. 電爐煉鋼500問. 2版. 北京：冶金工業(yè)出版社，1999：96

Trial-production of Carburizing Bearing Steel G20Cr2Ni4A for Heavy Load Rolling Mill

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.15

劉紅祎（1985—）男，工程師，主要從事軸承鋼和工模具鋼等產品的開發(fā)與研制。通信地址：117000遼寧省本溪市平山區(qū)氧氣路6號，E-mail：aslhy@126. com。

肖洋（1983—）女，工程師，主要從事特殊鋼生產研究。通信地址：117000 遼寧省本溪市平山區(qū)鋼鐵路1號，E-mail：117183328@qq.com。

1. 本鋼板材股份有限公司產品研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠，遼寧 本溪 117000； 3. 本鋼板材股份有限公司采購中心，遼寧 本溪 117000