我国轴承钢存在问题、与国外轴承钢质量差距
时间：2022-01-26 阅读：63
3.6.1轴承钢存在问题
轴承生产企业使用国产轴承钢时，发现的主要问题有：（1）钢材表面缺陷：材料裂纹；折叠裂纹；麻点（坑）；夹渣；异金属夹杂；表面脱碳；发纹。（2）钢材低倍缺陷：缩孔（管）残余；翻皮；疏松；气泡；偏析；白点；显微孔隙；内裂。（3）非金属夹杂物：点状夹杂物；塑性硅酸盐夹杂物。（4）碳化物不均匀：碳化物带状；碳化物液析；碳化物网状；退火组织不均匀。 这些缺陷都严重影响轴承的寿命和可靠性。缺陷出现频率的依次是：材料表面裂纹、缩孔、碳化物液析、碳化物网状、内裂、表面脱碳、碳化物带状、退火组织不合格。
3.6.2国产轴承钢与国外轴承钢质量差距
我国轴承钢整体质量水平和质量稳定性与国家的质量水平仍存在较大的差距，具体表现如下：
（1）冶金质量不稳定
国外主要靠控制轴承钢的工艺和生产过程中的工艺参数，有目的地控制轴承钢的冶金质量。我国有关生产企业在这方面虽然也采取了一些措施，但主要还是靠随后的检验来决定所生产的材料质量级别及合格与否，而且不同炉号或批次的产品在质量方面的差异较大。因此应尽快采取有效措施加以解决，以保证生产的轴承钢冶金质量的稳定性得到提高。
（2）冶金质量控制水平差距
1）钢中[O]、[Ti]含量控制
目前我国轴承钢的二次精炼比在95%以上，但由于设备制造、安装、蒸汽供应、工艺等原因，表现为二次精炼钢的氧含量与进企业比有一定差距：模铸材在（9-13）×10-6，连铸材在（6-10）×10-6，而瑞典SKF轴承钢[O]氧含量在（6-8）×10-6，日本山阳轴承钢为（3-6）×10-6，且我国轴承钢氧含量波动范围大，在2×10-6以上；而瑞典SKF公司[O]波动偏差在0.6×10-6。钢中[Ti]含量，上五企标≦50×10-6，实际生产中[Ti]≦30×10-6；兴澄特钢≦20×10-6，东北特钢可控制在≦30×10-6，但大多数国内轴承钢生产企业的[Ti]仍处于不可控状态。
日本山阳特钢公司生产的轴承钢都≦20×10-6；瑞典OVAKO公司生产的轴承钢[Ti]均在（8-12）×10-6。
2）非金属夹杂物的颗粒大小、分布均匀性和稳定性尚不能让客户满意
轴承钢中氧含量多少对钢中非金属夹杂的数量起着决定性的作用，其含量的降低对提高轴承产品的使用寿命起着很大作用，对提高轴承产品的可靠性方面有一定影响，但并不是主要的影响因素。如电渣冶炼的轴承、航空轴承，其钢中氧含量虽然比真空脱气钢要高（15-20）×10-6，但其使用寿命和可靠性要优于真空脱气钢，其主要原因是其非金属夹杂物的颗粒大小分布要优于真空脱气钢。所以非金属夹杂的数量、尺寸和分布才是轴承企业对轴承钢最关注的技术指标。近几年来我国轴承钢生产随着装备和工艺的改进，钢中的非金属夹杂的级别有所降低，硅酸盐夹杂和点状夹杂物出现率甚微，但非金属夹杂的分布均匀性和稳定性方面尚不能让客户满意，进企业生产的轴承钢各类非金属夹杂物颗粒绝大多数都呈细小、弥散和均匀分布的状态，尤其对于严重影响轴承寿命和可靠性的氧化物和点状夹杂更是如此。国内企业生产的轴承钢中非金属夹杂的颗粒大小、分布状态不太均匀：有的视场不出现，有的视场大量出现，有时还出现颗粒比较大的点状夹杂。国内检验手段较齐、水平较高的轴承生产企业，因非金属夹杂复验不合退货的高达10%。近年来许多跨国轴承制造企业也纷纷来华调查取样解剖分析，大多数因非金属夹杂稳定性差而被迫放弃或降低标准接受。我国多数轴承钢生产企业在生产装备上投入不少,使钢中[O]有了大幅度的降低，甚至有些重点企业生产的轴承钢[O]已接近或达到水平，但是对非金属夹杂物的大小、分布如何控制没有深入研究与探讨，必须正视这些问题的存在，并着力解决这些问题。
3）轴承钢的碳化物不均匀性应进一步改善
影响轴承使用寿命和可靠性除了夹杂物的数量、大小和分布，钢中碳化物的颗粒大小及分布状态同样也是很大的影响因素。近几年来在我国轴承钢在钢中[O]、夹杂物级别有了很大进步的情况下，钢中碳化物颗粒大小、分布对轴承钢质量的影响越来越突出（带、网、液析对热处理的球化均有影响）。我国生产的轴承钢退火材的碳化物颗粒尺寸分散度大，且分布不均匀。根据洛轴所的试验对比国外如日本进口材，其碳化物颗粒尺寸较集中而且分布均匀。采用同样热处理工艺，日本材加工硬度均匀基本在0.5HRC，而国产材的加工均匀性在1HRC，有的还超过。另外用日本材制造的钢球压碎负荷要比国产材制造的钢球高出50%。
4）表面质量、尺寸精度均有差距
随着轴承钢市场的竞争日趋激烈，大部分特殊钢厂开始重视表面质量问题，积极采取了控制钢锭的表面质量，加大对钢锭表面缺陷的修磨，改进轧制工艺，以及增加在线对钢材的探伤检验等措施，使钢材表面的裂纹出现率显著下降。但从总体而言，我国生产的轴承钢表面质量与国外相比仍存在着明显的差距。根据调查轴承生产厂家从国外进口的钢材表面质量来看，无论是棒材，还是线材的表面质量非常好，表面缺陷出现率几乎为零。而我国大多数钢厂没有涡流、超声探伤等设备，有的钢厂即便有这些设备却没有充分利用，所以材料表面质量始终存在较大的差异。
5）轴承钢标准水平的差距
我国国产轴承钢从标准水平上与发达国家有较大差距。如GB/T18254-2002、瑞典SKFD33-1标准对比见下表。
项目 | SKF D33-1 B10001 SKF D33-1 B10101 | GB/T18254-2002 |
代表钢种SKF3 | 代表钢种GCr15、GCr15SiMn等 | |
化学成分 | 对Al、Ti、Ca和五害元素As、Sn、Sb和Pb有限制。（实物Al 0.006-0.0015%、Ti≤0.0016%、［0］≤0.0008%、Ca≤0.0003% | 对Al、Ti、Ca和五害元素As、Sn、Sb和Pb无限制 |
宏观夹杂物 | 必检项目。≤2.5mm/dm2、单个夹杂物长度≤3mm | 用户要求时，才检查。不得出现多于一处1.6mm-3.0mm的夹杂物和一处长度大于3.2mm的夹杂物 |
微观夹杂物级别 | A≤2.0/1.5；B≤1.5/0.5；C≤0/0；D≤1.0/0.5；Ds≤1.5 | A≤2.5/1.5；B≤2.0/1.0；C≤0.5/0.5；D≤1.0/1.0 |
微观夹杂物评级方法 | 氮化钛及碳氮化钛评级 | 氮化钛及碳氮化钛不评级 |
网状 | 热轧材要求检验网状 | 热轧材不要求检验网状 |
脱碳 | ≤0.8%D | ≤1-2%D |
表面缺陷检查 | 无损探伤检查，保证表面缺陷深度≤0.3mm | 目视检查，保证无肉眼可见缺陷 |
直径允许公差 | ≤0.75-1%D | ≤1-2%D |
弯曲度 | ≤0.2%×棒材长度 | ≤0.4%×棒材长度 |
不圆度 | ≤65%直径公差 | ≤（50-75）%直径公差 |
退火材料出厂硬度 | 170-210HBS（实物190-202HBW） | 179-207HBW |
与SKF D33-1标准相比，差距在GB/T18254-2002对有害元素含量未做限制，宏观夹杂物未列为必检项目，微观夹杂物氮化钛及碳氮化钛不评级，热轧钢不要求检查网状，表面缺陷不用无损探伤检查而用目视检查，微观夹杂物、脱碳、尺寸允许公差、弯曲度、不圆度等均控制较松。
高铬轴承钢：
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 低倍组织 | 高倍组织 | 硬度 |
GB/T 18254—2002高铬轴承钢，适用于制作轴承套圈和滚动体 | 采用真空脱气处理 | 热轧钢管外径1700mm，冷拔（轧）钢管外径≤65mm；热轧（锻）钢棒直径≤150mm，盘条直径≤20mm。 交货状态：热轧（锻）不退火、软化退火、球化退火（剥皮）、冷拉（轧）圆钢，热轧钢管、退火（剥皮）、冷拉（轧）钢管 | 1.供镦锻和冲压用热轧（锻）不退火及冷拉钢进行顶锻试验 2．检验低倍组织中心疏松、一般疏松、偏析分别≤1.0级 3.直径不大于30mm热轧球化或软化退火及冷拉钢材检验退火断口组织，按需方要求检验淬火断口 4.直径小于60钢材检验显微孔隙 | 1.检验非金属夹杂物，A、B、C、D类细系0.5～2.5级，粗系0.5～1.5级 2.球化退火钢材，供切削和压力加工钢检验显微组织 3.检验碳化物不均匀性。供供切削和压力加工钢检验球化退火钢碳化物网状2.5～3级，碳化物带状2.0～3.5级，碳化物液析0.5～2.5级 4.脱碳深度检验，热轧（锻）圆钢≤0.15～1.2mm，冷拉圆钢小于直径1%，冷拉钢管≤0.3mm，热轧钢管≤0.5mm | GCr4：软化或退火钢材，HBW179～207 GCr15：软化或退火钢材，HBW179～207 GCr15SiMn：软化或退火钢材，HBW179～217 GCr15SiMo：软化或退火钢材，HBW179～217 GCr18Mo：软化或退火钢材，HBW179～207 |
渗碳轴承钢：
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 力学、工艺性能 |
GB/T 3203—1982渗碳轴承钢，适用于农业等机械的轴承套圈和滚动体 | 用电炉冶炼，或再经炉外精炼。高级优质钢还应经电渣重熔，经双方协议也可采用其他能满足本标准要求的冶炼方法 | 圆钢直径8～150mm。热轧（锻制）状态或退火状态交货，冷拉退火状态交货 | 1.力学性能 G20CrMo退火钢材HB≤229。G20CrNiMoσb≥1176MPa，δ5≥9%，Ψ≥45%，ΑKU≥78，距淬火端距离9.0mm，HRC23～38。G20CrNi2Moσb≥980MPa，δ5≥13%，Ψ≥45%，ΑKU≥78J，距淬火端距离9.0mm，HRC≥30。G20Cr2Ni4σb≥1176MPa，δ5≥10%，Ψ≥45%，ΑKU≥78J，退火材HB≤241。G10CrNi3Moσb≥1078MPa，δ5≥9%，Ψ≥45%，ΑKU≥78J。G20Cr2Mn2Moσb≥1274MPa，δ5≥9%，Ψ≥40%，ΑKU≥68。 2.低倍组织、一般疏松、中心疏松、偏析各≤2.0 3.直径≥16mm钢材检验塔形发纹，起算长度0.6mm 4.非金属夹杂物≤3.0级 5.晶粒度5～8级 |
不锈轴承钢
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 低倍组织、硬度 | 高倍组织 |
GB/T 3086—1982高碳铬不锈轴承钢，适用于有腐蚀性介质的轴承套圈和滚动体 | 采用电炉冶炼并经电渣重熔，亦可采用非真空感应炉或真空感应炉冶炼并经电渣重熔，经双方协议也可采用其他能满足本标准要求的冶炼方法 | 热轧、锻制圆钢直径8～120mm，冷拉圆钢8～30mm及钢丝直径≤3.0mm。以热轧退火钢材、冷拉退火圆钢和钢丝、冷拉磨光圆钢和钢丝状态交货 | 1.直径＞16mm钢材退火状态硬度HB197～241，直径≤16钢材σb588～784MPa 2.直径≤60mm热轧（锻）圆钢，直径≤30mm冷拉圆钢和钢丝做冷顶锻检验 3.低倍检验，一般疏松、中心疏松、偏析各小于1.0～1.5级 4.断口检验无白点、缩孔、夹杂、过烧 5.直径≥16mm钢材检验发纹，起算长度0.6mm | 1.退火组织为细粒珠光体，不得有孪晶碳化物 2.共晶碳化物不均匀度不大于2.0～6.0级 3.氧化物夹杂1.0～2.5级，硫化物1.0～2.5级，二者之和4.0级以下，点状不变形夹杂物≤2.0级 4. 直径≤60mm检验显微组织 5.脱碳深度0.20～1.25mm。冷拉钢为直接的1% |
SKF3热轧钢棒轴承钢
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 低倍组织、硬度 | 高倍组织 |
SKF D33 B10001：1995 | 热轧钢棒直径≤75mm | 1.表面脱碳深度≤0.008X直径。表面裂纹，直径≥37.5mm的，深度≤0.3mm；＜37.5mm的，≤0.008X直径 2.用发蓝断口检验低倍夹杂物≤2.5mm/dm2，按SKFD30评定。单个夹杂物≤3mm。在淬硬断口上用2倍放大镜检查无裂纹、白点、缩孔、疏松 | 1.按SKFD30评定夹杂物： 夹杂物类型 细系 粗系 A 2.0 1.5 B 1.5 0.5 C 0 0 D 0.5 0.5 钢由层状珠光体组成； 碳化物网状≤CN 5.33； 碳化物带状在整个截面上≤CZ 6.33，在表面层2/3半径内≤CZ 7.43（按SEP1520评级） | |
SKF 3 热轧球化退火剥片钢棒轴承钢SKF D33 B15101：1995 | 热轧球化退火剥皮直径≤100mm | 1.无脱碳层。表面裂纹深度≤0.10mm。除距涂色端50mm外，表面不得有硬度超过400HV区域，由于剥皮和装运引起的局部缺陷径向深度≤0.1mm 2. 进行发蓝断口检验时，低倍夹杂物≤2.5mm/dm2，（按SKFD30评定）单个夹杂物≤3mm。在淬硬断口上用2倍放大镜检查无裂纹、白点、缩孔、疏松 3.硬度：HB170～210 | 1.按SKFD30评定夹杂物： 夹杂物类型 细系 粗系 A 2.0 1.5 B 1.5 0.5 C 0 0 D 0.5 0.5 2.钢棒由在铁素体上均匀分布的球状渗碳体组成。 珠光体量：PA≤3.0。 碳化物尺寸：CG2.1～2.3. 碳化物偏析带之外的单个碳化物尺寸：直径≤12um或2um×35um（细长碳化物）。 碳化物网状：各不大于CN4.23或5.23。 碳化物带状：整个截面内不大于CZ 6.33。在表面层2/3半径内不大于CZ7.43。（按SEP1520评级） |
国际高碳铬轴承钢
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 高、低倍组织、硬度 |
ISO 683-17:1999 | 由生产厂决定，如需方有要求时，应将炼钢工艺通知生产厂 | 产品有：钢坯、棒材、线材、丝材、钢管、环和盘。按两种方式交货：一种是化学成分、交货状态硬度；另一种是有淬透性能要求的钢，按化学成分、淬透性能（H带）和交货状态硬度。轴承钢交货状态：不处理—U，适用于冷剪切处理—S，退火—A，消除应力—SR，退火得到球化碳化物和冷加工—AC+C，等温处理至铁素体—珠光体组织规定的硬度范围—FP，铁素体—珠光体组成，贝氏体≤10% | 1.交货状态硬度 100Cr6：S—协议；AC—HB≤207；AC+C—HB≤241；HB≤331；钢管HB≤321；100CrMo7 S—协议；AC—HB≤ 217；AC+C—HB≤251；钢管HB≤321 2.碳化物为球化的，其分布协议 3.显微和宏观非金属夹杂物含量协议 |
美国高碳耐磨轴承钢
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 高、低倍组织、硬度 |
A 295/A295M—05 | 应采用可冶炼出符合本标准要求的高品质产品的方法冶炼 | 热轧退火盘条、棒及管；退火冷拉盘条、棒及管；退火，冷轧管。钢材的几何形状和尺寸规格由供需双方协议确定。 | 1.夹杂物合格级别 细系≤ 粗系≤ A—2.5 A—1.5 B—2 B—1 C—0.5 C—0.5 D—1 D—1 2.在温度不超过843℃的常规奥氏体化处理、淬火后，断口应具有细晶粒度 3.硬度：热轧退火棒及管≤HB207；退火冷拉盘条、棒及管≤HB248；退火冷轧≤HB331 4.碳化物尺寸、网状碳化物合格级别、带状碳化物含量（52100的带状组织不得超过LC1）应由供需双方商定 |
日本高碳铬轴承钢
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 高、低倍组织、硬度 |
JIS G 4805:2008 | 采用钢液经真空脱气处理的镇静钢，或由供需双方协商规定其他方法生产 | 热轧圆钢、冷拉钢材，圆钢直径:15mm—160mm，线材直径：5.5mm—40mm，钢材表面状况良好，无对使用有害的缺陷。但对于以盘卷状态供货的，一般由于通长检查缺陷困难，以及没有去除不正常部分的机会，因此，对于不正常部分的处理，由供需双方协商确定。 | 1. 球化退火硬度（切削用热轧钢材）：SUJ2，SUJ4≤HB201； SUJ3，SUJ5≤HB207 2.钢材的宏观组织不应有缩孔、发纹、微裂纹、气泡等缺陷，也不应有严重的偏析、枝晶、凹痕和控孔隙。其组织的判定标准由供需双方协商规定 3.纯净度： 非金属夹杂物种类 纯净度 A系 ≤0.15% B系+C系 ≤0.05% A系+B系+C系 ≤0.18% 4.发纹数： 发纹长度/mm 平均发纹数(每一阶梯)/个 ＞0.5～1.0 ≤5.0 ＞1.0～2.0 ≤1.0 ＞2.0～4.0 ≤0.5 |
铁道车辆滚动轴承高碳铬轴承钢：
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 高、低倍组织、硬度 |
TB/T 3010—2001 | 应采用电炉冶炼并经电渣重熔，不允许采用Ca-Si合金脱氧 | 交货状态可分为热轧状态、热轧软化退火状态和热轧球化退火状态，具体的交货状态应在合同中注明 | 1.热轧球化退火材硬度： GCr15 179～207HBS GCr18 179～217HBS 热轧软化退火材硬度： 不大于241HBS 2.钢材应进行低倍组织检验。经酸浸的试样应无缩孔、裂纹、皮下气泡、过烧、白点及有害夹杂物。低倍组织中的疏松和偏析按GB/18254第1、2和3级别图评定 3.球化退火钢材应为细小、均匀、完化的珠光体组织 4.非金属夹杂物合格级别： 合格级别 不大于 细系 粗系 A 2.0 1.5 B 1.5 0.5 C 0 0 D 0.5 0.5 |
航空发动机用高温轴承钢
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 高、低倍组织、硬度 |
YB 4105—2000 | 应采用真空感应加真空自耗（双真空）方法冶炼 | 应以退火状态交货 | 1.退火钢材的布氏硬度为197～241HBW10/3000(压痕直径为3.9～4.3mm)，小于10mm的钢材，其硬度测定法由供需双方协议 2.钢材的横向低倍酸浸试片上不允许有缩孔、皮下气泡、白点、翻皮及内裂。 3.直径大于10mm钢材的氧化物、硫化物夹杂物级别大于0.5～1.0级之间时，供需双方协商解决 |
TIMKEN公司企业标准：
表1 化学成分
元素 | 含量 | 元素 | 含量 |
C | 0.98～0.10 | Cr | 1.3～1.60 |
Mn | 0.25～0.45 | Ni | ≤0.25 |
P | ≤0.02 | Cu | ≤0.35 |
S | ≤0.025 | Al | 0.025～0.060 |
Si | 0.15～0.35 | Mo | ≤0.10 |
表2 残余元素
残余元素 | 含量 | 残余元素 | 含量 |
Sn | ≤0.025 | Ti | ≤30PPm |
As | ≤0.030 | H | ≤2PPm |
Sb | ≤0.015 |
标准 | 冶炼方法 | 形状、交货状态 | 高、低倍组织 |
BSP 52100 | 本钢种采用轴承钢的冶炼工艺进行生产，尤其是钢包精炼工艺。钢采用底部浇铸方式浇铸成钢锭。未经用户许可，不得添加钙或钙合金用于脱氧或改变控制夹杂形状。允许使用生石灰或钙造渣。 | 方坯、无缝钢管坯、锻造及冷轧线材用棒材和管材钢，适用于加工密封圈、锥型体和轧辊轴承，交货时钢材表面应保持清洁，并做好防护处理，表面无生锈 | 1奥氏体化淬火温度不超过843℃的情况下所得的晶粒尺寸至少应大于8级 2.夹杂物含量： 细系 粗系 A 3.0 2.0 B 1.5 0.5 C 0 0 D 1.0 0.5 3.碳化物尺寸与材料的用途有关，碳化物网状组织受截面尺寸的影响，此变化范围由制造商和TIMKEN公司协商确定 4.在公司人员的指导下进行宏观夹杂的超声波检验，以此判断在此工艺下能否生产出内部质量好的钢坯 5.棒材和管材其脱碳和表面缺陷应不大于ASTM A 295的规定 |