翟正龍 戈文英 李泰 亓顯玲

G55SiMoVA鋼在軸承領(lǐng)域的新應(yīng)用

翟正龍 戈文英 李泰 亓顯玲

通過(guò)對(duì)G55SiMoVA軸承鋼的質(zhì)量特性、工藝控制技術(shù)和用戶應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)研究，顯示中碳G55SiMoVA軸承鋼具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性、高耐磨性能和高疲勞壽命的特點(diǎn)，進(jìn)而證實(shí)采用G55SiMoVA軸承鋼可代替滲碳軸承鋼，用于耐沖擊重載荷的軸承制造領(lǐng)域。目前，G55SiMoVA軸承鋼已在軋機(jī)軸承和石油鉆具軸承領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

G55SiMoVA軸承鋼 高疲勞壽命 軋機(jī)軸承 石油鉆具軸承

1.前言

針對(duì)中碳G55SiMoVA軸承鋼的特點(diǎn)，開(kāi)展了在軋機(jī)軸承、石油鉆具軸承領(lǐng)域鋼的質(zhì)量特性和應(yīng)用技術(shù)研究。通過(guò)鋼的成分和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、鋼的內(nèi)在質(zhì)量控制及熱處理工藝的系統(tǒng)研究，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，在制造耐沖擊重載荷的軋機(jī)軸承和石油鉆井渦輪鉆具軸承方面得到了廣泛應(yīng)用。

2.鋼的質(zhì)量特性研究

2.1 軋機(jī)軸承工作特點(diǎn)及鋼的質(zhì)量特性

目前，軋機(jī)軸承向著大型、高速、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。與一般用途的軸承相比，軋機(jī)軸承有以下特點(diǎn)：（1）工作負(fù)荷大，軋件是在被咬入時(shí)進(jìn)行軋制，沖擊載荷是軸承的受載特點(diǎn)；（2）工作環(huán)境惡劣，軋機(jī)軋制時(shí)，軋輥用水冷卻，且有氧化鐵皮飛濺，軸承很容易受到污染。軋機(jī)軸承在很高的接觸應(yīng)力下工作，承受頻繁多變的大沖擊載荷和磨損，因此除一般軸承要求的高抗壓強(qiáng)度及硬度外，還應(yīng)具有好的耐沖擊性能；（3）軋機(jī)軸承熱處理后硬度應(yīng)在57-60HRC，高硬度是高接觸疲勞壽命和耐磨性的基礎(chǔ)。采用G55SiMoVA軸承鋼制造的軋機(jī)軸承外徑最大Ф670mm，壁厚最大為30mm；熱處理后硬度控制在58-59HRC范圍，硬度均勻。軋機(jī)軸承先后在多家鋼廠使用，軸承壽命達(dá)到滲碳軸承鋼水平，部分替代進(jìn)口產(chǎn)品。

2.2 石油鉆具軸承工作特點(diǎn)及鋼的質(zhì)量特性

石油鉆具軸承工作過(guò)程中，條件惡劣，沖擊載荷較大，并有泥漿和細(xì)砂進(jìn)入，軸承很容易得不到潤(rùn)滑而很快磨損失效；而且，鉆井地質(zhì)條件復(fù)雜多變；石油鉆具軸承熱處理后硬度通常在52-56HRC。因此，G55SiMoVA作為石油鉆具軸承用鋼與軋機(jī)軸承用鋼比較，對(duì)鋼的質(zhì)量和性能要求存在差異。采用G55SiMoVA鋼生產(chǎn)的石油鉆具軸承外徑為Ф50mm-240mm，有效壁厚5mm-15mm，軸承產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于大型石油鉆具制造企業(yè)。

3.主要技術(shù)要求

根據(jù)鋼的質(zhì)量特性，主要技術(shù)要求如下：

3.1化學(xué)成分(見(jiàn)表1)

3.2氧含量不大于12ppm。

3.3低倍組織

鋼材應(yīng)進(jìn)行低倍組織檢查。經(jīng)酸浸的試樣應(yīng)無(wú)縮孔、裂紋、皮下氣泡、白點(diǎn)、過(guò)燒裂紋及有害夾雜物。低倍組織按GB/T18254-2002評(píng)定，合格級(jí)別符合表2規(guī)定。

表2 低倍組織

表1 化學(xué)成分 %

3.4非金屬夾雜物

鋼應(yīng)具有高的純凈度。非金屬夾雜物按GB/T18254-2002評(píng)定，合格級(jí)別符合表3規(guī)定。

表3 非金屬夾雜物

4.G55SiMoVA軸承鋼生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制

4.1生產(chǎn)工藝流程

50噸電爐冶煉－LF精煉－VD真空處理－連鑄(電磁攪拌) －緩冷－軋制成材

4.2關(guān)鍵工藝控制技術(shù)

為保證軸承長(zhǎng)使用壽命，必須控制鋼的純凈度。由50tEAF－LF(VD)流程冶煉，配料采用低P、S優(yōu)質(zhì)廢鋼，配加一定比例的優(yōu)質(zhì)鐵水，控制As、Sn、Pb、Sb等有害元素含量；電爐冶煉防止鋼水過(guò)氧化，加強(qiáng)脫P(yáng)去除操作，出鋼嚴(yán)禁氧化渣流入鋼包，為精煉創(chuàng)造好的鋼水條件。LF精煉要求脫氧良好和夾雜物充分上浮，鋼水到精煉位后快速造高堿度白渣，精煉渣成分見(jiàn)表4；迅速提升鋼水溫度和爐渣溫度，加強(qiáng)脫氧脫硫反應(yīng)和夾雜物的去除；白渣保持時(shí)間大于15min。

表4 精煉渣樣成分

VD真空脫氣確保足夠的真空度和真空保持時(shí)間?？焖俪檎婵眨拐婵斩龋?7Pa保持20min以上；同時(shí)采用鋼包吹氬的精煉工藝，前期和后期采取小氬氣流量控制措施，鋼水的氫含量≤2.0ppm；VD處理后軟吹氬時(shí)間控制大于12分鐘。

連鑄采用全程保護(hù)澆注，大包保護(hù)采用長(zhǎng)水口，中間包采用浸入式水口、使用覆蓋劑、選用性能優(yōu)良的專用結(jié)晶器保護(hù)渣，以防止鋼水二次氧化；采用低過(guò)熱度澆注，中包鋼水過(guò)熱度控制在20～30℃，防止柱狀晶過(guò)快生長(zhǎng)，以增加鑄坯中的等軸晶，減輕中心疏松和偏析；在結(jié)晶器和凝固末端采用電磁攪拌；注意過(guò)熱度和二冷配水量，保證鑄坯冷卻均勻；鋼坯入坑緩冷。

軋制工藝保證加熱均勻和軋制比，加熱溫度1150℃-1250℃，加熱時(shí)間和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間保證在5-10h，保證鋼坯加熱均勻；軋材壓縮比不小于15，保證鋼的內(nèi)在質(zhì)量；軋后鋼材緩冷。鋼材軋制規(guī)格φ30mm-φ60mm（采用180mm×220mm鑄坯）；軋制規(guī)格φ65mm-φ80mm（采用260mm×300mm鑄坯）。

4.3產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量

抽取30爐，進(jìn)行了質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。主要元素含量均穩(wěn)定控制在內(nèi)控要求范圍內(nèi)，P、S含量分別穩(wěn)定控制在0.009%、0.003%以下，氧含量穩(wěn)定控制在10ppm以下；鋼材低倍檢驗(yàn)為一般疏松0-0.5級(jí)，中心疏松0.5-1.0級(jí)，偏析為0-0.5級(jí)，低倍組織致密、均勻，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的縮孔、裂紋、氣泡、夾雜、折疊、白點(diǎn)及有害夾雜物；非金屬夾雜物均勻、細(xì)小，鋼質(zhì)純凈。

4.4鋼的力學(xué)性能和接觸疲勞壽命

采用G55SiMoVA鋼馬氏體熱處理后，試樣測(cè)定力學(xué)性能和接觸疲勞壽命，結(jié)果見(jiàn)表5、表6，接觸疲勞壽命P-N曲線見(jiàn)圖1。G55SiMoVA鋼接觸疲勞壽命和滲碳軸承鋼基本相當(dāng)。

表6 接觸疲勞壽命

5.G55SiMoVA軸承鋼應(yīng)用技術(shù)研究

G55SiMoVA與典型高鉻軸承鋼GCr15等相比，G55SiMoVA無(wú)鉻，碳含量相對(duì)較低，故碳化物含量少且彌散分布，淬回火后組織均勻，具有較高的綜合力學(xué)性能，耐沖擊性能好。Mo和V的加入可以細(xì)化晶粒，替代C、Cr對(duì)硬度和疲勞強(qiáng)度的作用。與滲碳軸承鋼相比則具有熱處理工藝簡(jiǎn)單、組織均勻性好、制造成本低的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)G55SiMoVA鋼用戶應(yīng)用技術(shù)和熱處理工藝的系統(tǒng)研究，充分挖掘發(fā)揮其性能，擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。

表5 G55SiMoVA鋼室溫力學(xué)性能

表7 熱加工工藝參數(shù)

表8 熱處理工藝參數(shù)

5.1軸承生產(chǎn)工藝

5.1.1生產(chǎn)工藝流程

鍛造套圈－正火－退火－機(jī)加工－熱處理（淬火+回火）－粗磨－附加回火－細(xì)磨－精磨－檢驗(yàn)－裝配－成品檢驗(yàn)。

5.1.2熱加工工藝參數(shù)

熱加工工藝參數(shù)見(jiàn)表7。

5.2 熱處理工藝

G55SiMoVA軸承鋼應(yīng)用于軋機(jī)軸承、石油鉆具軸承領(lǐng)域，規(guī)格大小差異和硬度差異要求需要對(duì)馬氏體淬火工藝進(jìn)行優(yōu)化，熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表8。熱處理結(jié)果表明工件具有變形小、尺寸穩(wěn)定性好、表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)、不易產(chǎn)生磨削裂紋、沖擊韌性與斷裂韌性高等優(yōu)點(diǎn)。

熱處理金相組織見(jiàn)圖2，組織為回火馬氏體和殘余奧氏體及少量碳化物，形態(tài)以細(xì)小片狀和隱晶馬氏體為主。試驗(yàn)表明，用最優(yōu)化的馬氏體淬火工藝可處理G55SiMoVA制造的軋機(jī)軸承有效壁厚最大尺寸30mm，硬度≥57～60 HRC。在調(diào)質(zhì)處理后淬回火狀態(tài)下使用，完全可以替代傳統(tǒng)滲碳軸承鋼，加工后的軸承零件整體性能優(yōu)異，為軋機(jī)軸承生產(chǎn)廠及鋼廠降低了生產(chǎn)成本和使用成本。采用優(yōu)化后的馬氏體淬火工藝，石油鉆具軸承使用壽命也有顯著提高。

6.結(jié)論

6.1采用EAF-LF-VD-CC流程工藝，通過(guò)降低粗煉鋼液的含氧量，LF精煉采用合適的精煉渣系和實(shí)施合理的脫氧制度，出鋼時(shí)加入足夠的強(qiáng)脫氧劑鋁，并利用VD真空脫氣和吹氬對(duì)鋼液進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁B鑄采用全保護(hù)澆注一系列措施，可以生產(chǎn)出氧含量小于10ppm，潔凈度高的G55SiMoVA軸承鋼。

6.2中碳G55SiMoVA軸承鋼具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性、高耐磨性能，適用于耐沖擊重載荷軸承制造領(lǐng)域，可以替代傳統(tǒng)滲碳軸承鋼。

6.3通過(guò)鋼的質(zhì)量特性改進(jìn)和熱處理工藝優(yōu)化，G55SiMoVA軸承鋼既可以應(yīng)用于大規(guī)格的軋機(jī)軸承領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于小規(guī)格的鉆具軸承領(lǐng)域

[1] 鐘順?biāo)?軸承鋼.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

萊蕪鋼鐵股份有限公司特鋼事業(yè)部）