作者：劉東、王建國(guó)、羅遠(yuǎn)
西北工業(yè)大學(xué)
國(guó)防科技工業(yè)精密鍛造與環(huán)軋技術(shù)創(chuàng)新中心
摘 要：本文在簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了西北工業(yè)大學(xué)近年來研發(fā)的強(qiáng)力旋軋（Power Torsional Rolling,簡(jiǎn)稱PTR）改性技術(shù)的原理，及其在軸承鋼碳化物尺寸、分布調(diào)控方面的部分研究結(jié)果。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)成形方法相比，PTR改性技術(shù)由于可以在三個(gè)方向上獲得均勻充分變形，尤其是增大了扭轉(zhuǎn)變形量，可以獲得更加理想的軸承鋼碳化物調(diào)控效果。PTR改性技術(shù)流程短、效率高、材料利用率和產(chǎn)品批次穩(wěn)定性更加優(yōu)越，更適合軸承套圈這類大批量生產(chǎn)的零件成形。
一、前言
軸承鋼的質(zhì)量往往直接決定了軸承產(chǎn)品的最終使用性能，因此，先進(jìn)軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用始終受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。軸承鋼作為特殊鋼中最具代表性的鋼種，是目前生產(chǎn)難度最大，質(zhì)量要求最為苛刻的特殊鋼種之一。軸承鋼穩(wěn)定生產(chǎn)的質(zhì)量水平在很大程度上代表了鋼鐵企業(yè)高品質(zhì)特殊鋼的生產(chǎn)技術(shù)能力和綜合管理水平。我國(guó)軸承鋼產(chǎn)量已連續(xù)十余年位居世界第一。尤其是近年來，隨著綜合國(guó)力和冶金技術(shù)水平的提升，我國(guó)軸承鋼的質(zhì)量更是有了長(zhǎng)足進(jìn)步。國(guó)內(nèi)軸承鋼骨干企業(yè)陸續(xù)引進(jìn)和建設(shè)了具有當(dāng)前先進(jìn)水平的軸承鋼生產(chǎn)線，使用的硬件條件和生產(chǎn)工藝已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)大型軸承鋼企業(yè)已普遍采用EAF-LF-VD-IC/CC等先進(jìn)工藝和裝備。國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)軸承鋼在氧含量、夾雜物和偏析控制等方面已經(jīng)與國(guó)外沒有明顯差距。部分鋼企的軸承鋼產(chǎn)品也已經(jīng)獲得國(guó)際著名軸承企業(yè)如SKF、NSK、FAG等的認(rèn)證，并取得了一定市場(chǎng)份額。
國(guó)內(nèi)外軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，始終圍繞提高純凈度和均質(zhì)化程度兩個(gè)方面。有研究表明：軸承鋼的接觸疲勞壽命L10與單位體積內(nèi)的夾雜物長(zhǎng)度存在負(fù)指數(shù)關(guān)系。而夾雜物的含量又與鋼中的氧含量密切相關(guān)。氧含量越高，夾雜物含量也越高，接觸疲勞壽命就低。因此，軸承鋼的冶金質(zhì)量不僅體現(xiàn)在夾雜物的含量、尺寸和分布控制上，而且體現(xiàn)在O、S、P、Ti等元素含量的控制上。國(guó)外真空脫氣軸承鋼的氧含量已經(jīng)可以穩(wěn)定控制在5ppm水平，夾雜物最大尺寸≤11μm。國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)軸承鋼也達(dá)到了類似指標(biāo)。隨著軸承鋼純凈度的不斷提高，碳化物的含量、尺寸和分布已經(jīng)逐漸成為影響軸承鋼壽命和可靠性繼續(xù)提升的關(guān)鍵因素。應(yīng)該指出，針對(duì)國(guó)內(nèi)外軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在氧含量、夾雜物和偏析控制等問題得到相對(duì)有效地解決之后，碳化物調(diào)控已成為目前國(guó)內(nèi)外軸承鋼先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)所面臨的關(guān)鍵問題和重要方向。本文在簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了西北工業(yè)大學(xué)近年來研發(fā)的強(qiáng)力旋軋（Power Torsional Rolling,簡(jiǎn)稱PTR）改性技術(shù)的原理，及其在軸承鋼碳化物尺寸、分布調(diào)控方面的部分研究結(jié)果。
二、軸承鋼質(zhì)量提升的關(guān)鍵問題
一般認(rèn)為，軸承鋼冶金質(zhì)量的典型指標(biāo)主要包括5個(gè)方面：①氧含量；②夾雜物含量、尺寸和分布；③碳化物含量、尺寸和分布；④疏松和偏析；⑤各向同性程度和性能穩(wěn)定性。
由于大尺寸氧化物是非金屬夾雜中對(duì)軸承鋼疲勞壽命影響最大的缺陷，同時(shí)，鋼中的氧元素又具有氧致析出效應(yīng)，因此對(duì)于軸承鋼，尤其是高碳鉻軸承鋼，全氧含量是評(píng)價(jià)其純凈度的一個(gè)重要指標(biāo)，由溶解氧含量和氧化物氧含量?jī)刹糠纸M成。降低鋼中的全氧含量能夠大幅度提高軸承鋼的疲勞壽命和可靠性。因此，在軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展中，全氧含量甚至被認(rèn)為是技術(shù)劃代的主要依據(jù)。尤其以瑞典SKF和日本山陽(yáng)特鋼最具代表性。其生產(chǎn)軸承鋼的全氧含量由鋼包脫氣時(shí)代的30-50ppm發(fā)展到目前采用SNRP法的4-6ppm，疲勞壽命L10提高了約30倍，對(duì)整個(gè)世界軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。同時(shí)，當(dāng)全氧含量降低到5ppm水平以后，繼續(xù)降低氧含量所獲得的性能提升的收益已不明顯，但卻會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的明顯增加，所以隨后世界各國(guó)的軸承鋼氧含量一直維持相對(duì)穩(wěn)定的水平，未再發(fā)生明顯變化。
大量研究表明，軸承兩大失效形式之一的疲勞剝落，往往與鋼中的夾雜物密切相關(guān)，其中又以B類、D類、DS類夾雜物的影響最為顯著。因此，夾雜物的含量、尺寸和分布控制水平是衡量軸承鋼質(zhì)量的又一個(gè)重要指標(biāo)。為了理想的獲得夾雜物控制效果，國(guó)外先進(jìn)軸承鋼企業(yè)針對(duì)不同類型的夾雜物，分別從夾雜物來源、成因和控制措施等方面開展了系統(tǒng)化研究，研發(fā)了各具特色的高純和超高純軸承鋼生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)系統(tǒng)。表1給出了國(guó)外知名企業(yè)軸承鋼的雜質(zhì)元素和夾雜物控制水平。表中r為氧化物夾雜的最大直徑。
表1 國(guó)外軸承鋼的雜質(zhì)元素和夾雜物控制
從表1可以看出，以日本山陽(yáng)為首的先進(jìn)軸承鋼企業(yè) 已經(jīng)可以做到夾雜物評(píng)級(jí)0級(jí)，夾雜物最大線性尺寸≤11μm的水平，基本消除了大尺寸夾雜物和夾雜物連續(xù)分布對(duì)軸承鋼塑韌性和疲勞壽命的不利影響。
為了獲得較高的硬度和強(qiáng)度，軸承鋼中一般含有較多Cr、Mn、Mo等合金碳化物形成元素，容易引起碳化物分布不均勻，從而降低軸承的使用性能。由研究結(jié)果表明碳化物數(shù)量過多，尺寸越大、分布越不均勻，軸承鋼疲勞壽命越低。所以碳化物的含量、尺寸和分布控制同樣是評(píng)價(jià)軸承鋼質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。從來源和析出順序看，軸承鋼中的碳化物主要有一次液析碳化物、二次網(wǎng)狀碳化物和三次共析碳化物。理論上講，碳化物液析會(huì)隨著高純冶煉技術(shù)的應(yīng)用得到明顯緩解。碳化物網(wǎng)狀主要存在于過共析鋼，可以通過控軋控冷或適當(dāng)?shù)恼鹛幚淼靡跃徑饣蛳６参鎏蓟飫t需要合理的球化退火和嚴(yán)格的過程管理加以控制。實(shí)際上，由于軸承鋼的成分約束，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，碳化物含量、尺寸和分布的有效調(diào)控都是目前軸承鋼生產(chǎn)所面臨的一個(gè)重要課題。
三、PTR改性技術(shù)簡(jiǎn)介
前已述及，在基本解決了純凈度和夾雜物控制等關(guān)鍵問題后，碳化物調(diào)控是目前軸承鋼先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的重要方向之一。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)這一問題開展了相關(guān)研究工作。從目前的研究現(xiàn)狀看，主要包括成分優(yōu)化、控軋控冷和熱處理過程優(yōu)化等幾個(gè)方面。雖然取得了一定進(jìn)展，但距合理的碳化物含量、更小的尺寸和更均勻分布這一理想調(diào)控目標(biāo)尚有不少差距。
我們注意到，由于碳化物相的硬脆特性，其對(duì)扭轉(zhuǎn)和剪切變形更加敏感。如果能夠在軸承鋼熱加工過程中，通過明顯增加扭轉(zhuǎn)變形分量，并與適當(dāng)?shù)臒崽幚磉^程配合，將獲得更好的碳化物破碎和均勻分布的改性效果。目前的碳化物調(diào)控技術(shù)研究大多是基于傳統(tǒng)軋制方法開展的。應(yīng)該指出，目前的軋制方法，縱軋從本質(zhì)上講屬于二維變形過程，基本不發(fā)生扭轉(zhuǎn)或剪切變形。斜軋雖然有扭轉(zhuǎn)，但扭轉(zhuǎn)變形量明顯不足，不能達(dá)到理想的碳化物破碎效果。因此，西工大劉東團(tuán)隊(duì)基于壓扭復(fù)合變形的基本原理，提出了PTR改性技術(shù)的基本思路，分別研發(fā)了棒材、管材和盤件PTR改性技術(shù)的工藝和裝備。其中，管材PTR改性的技術(shù)原理示于圖1。
圖1 管材PTR改性技術(shù)原理
從圖1可以看出，與常規(guī)穿管技術(shù)類似，管材PTR改性技術(shù)也是利用曼內(nèi)斯曼效應(yīng)，通過一道次變形完成從實(shí)心棒材到空心管材的成形過程。其主要區(qū)別是在徑向軋制的同時(shí)，施加強(qiáng)力扭轉(zhuǎn)變形，顯著增大了扭轉(zhuǎn)變形量，從而在變形區(qū)內(nèi)獲得連續(xù)局部壓扭復(fù)合變形，實(shí)現(xiàn)碳化物細(xì)小彌散分布的改性效果。
圖2為軸承套圈的輾擴(kuò)工藝、傳統(tǒng)穿孔工藝和PTR改性工藝過程中工件橫截面流線分布情況的FEM模擬結(jié)果。
從圖2看出，采用鐓粗-沖孔-輾擴(kuò)技術(shù)生產(chǎn)軸承套圈，工件的徑向流線仍基本保持直線狀態(tài)，周向扭轉(zhuǎn)角＜5°，說明對(duì)于軸對(duì)稱的工件，采用這種方法施加變形，應(yīng)變主要發(fā)生在R-Z平面，而在周向變形很小，基本屬于二維變形。采用常規(guī)穿孔工藝時(shí)，工件周向扭轉(zhuǎn)變形量比輾擴(kuò)明顯增加，扭轉(zhuǎn)角可以達(dá)到25°，但對(duì)于破碎碳化物，這樣的扭轉(zhuǎn)變形量仍然不足。當(dāng)采用PTR改性技術(shù)時(shí)，扭轉(zhuǎn)角可以達(dá)到60°以上，此時(shí)工件的徑向流線呈現(xiàn)明顯的螺線形狀，橫截面扭轉(zhuǎn)變形量比常規(guī)穿管大了若干倍，從而獲得良好的三維變形效果。尤其應(yīng)該指出，從流線分布的密度看，PTR改性過程中，約靠近工件內(nèi)壁，流線約致密。這對(duì)于工作面主要為內(nèi)表面的軸承套圈而言，是非常符合服役條件的流線分布形式。
為了進(jìn)一步分析輾擴(kuò)過程和PTR過程中工件的等效應(yīng)變分布，圖3給出了外徑Ф150mm套圈等效應(yīng)變的對(duì)比結(jié)果。上下分別為輾擴(kuò)和PTR改性過程。
圖3 不同成形方式套圈的等效應(yīng)變
從圖3看出，采用輾擴(kuò)技術(shù)生產(chǎn)軸承套圈，成形結(jié)束時(shí)工件的平均等效應(yīng)變約為2。工件內(nèi)等效應(yīng)變的分布并不均勻，工件端面與心部的應(yīng)變存在明顯差異。而采用PTR改性技術(shù)生產(chǎn)套圈，工件的平均等效應(yīng)變≥7，是輾擴(kuò)方法的3倍以上，并且工件的徑向和軸向應(yīng)變分布均勻性明顯優(yōu)于輾擴(kuò)方法。因此更適于獲得均勻細(xì)小的碳化物尺寸和更加彌散均勻的分布。
圖4給出了套圈輾擴(kuò)與PTR改性技術(shù)生產(chǎn)效率的對(duì)比。上下分別為輾擴(kuò)和PTR改性過程。從圖看出，采用PTR改性技術(shù)，可以用一道 次PTR過程取代傳統(tǒng)輾擴(kuò)3-4道次成形過程，生產(chǎn)流程縮短2/3，并且沒有沖孔芯料的浪費(fèi)，材料利用率更高。另外，由于PTR改性過程屬于連續(xù)局部加載的穩(wěn)態(tài)成形過程，變形區(qū)形狀尺寸不隨時(shí)間變化，因此批量生產(chǎn)時(shí)適于獲得更好的批次穩(wěn)定性。非常適合套圈這類大批量生產(chǎn)的零件。
圖4 套圈不同工藝的生產(chǎn)效率
四、應(yīng)用實(shí)例與分析
圖5和圖6分別為采用輾擴(kuò)和PTR改性技術(shù)生產(chǎn)的Ф60mm套圈的高倍組織和碳化物形貌。原材料為國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的GCr15棒材。
從圖5和圖6可以看出，采用輾擴(kuò)傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的套圈，晶粒尺寸約為80μm，碳化物分布不均勻現(xiàn)象較為明顯，平均碳化物尺寸約為1-3μm。而采用PTR改性工藝生產(chǎn)的套圈，晶粒尺寸細(xì)化到11μm，碳化物破碎情況較為理想，碳化物平均尺寸約為0.2-0.4μm，分布較為均勻。說明采用PTR改性工藝，由于獲得了三個(gè)方向均勻充分的變形，尤其是明顯增加了扭轉(zhuǎn)變形量，碳化物改性效果較為理想。圖7為采用PTR改性技術(shù)試制的M50和M50NiL軸承管。
圖7 采用PTR技術(shù)生產(chǎn)的航空軸承管
五、小結(jié)
在基本解決了純凈度和夾雜物控制問題后，碳化物調(diào)控已經(jīng)成為軸承鋼先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的重要方向之一。
與傳統(tǒng)成形方法相比，PTR改性技術(shù)由于可以在三個(gè)方向上獲得均勻充分變形，尤其是增大了扭轉(zhuǎn)變形量，可以獲得更加理想的軸承鋼碳化物調(diào)控效果。
PTR改性技術(shù)流程短、效率高、材料利用率和產(chǎn)品批次穩(wěn)定性更加優(yōu)越，更適合軸承套圈這類大批量生產(chǎn)的零件成形。
（來源：中國(guó)軸協(xié)會(huì)刊《軸承工業(yè)》2021年第4期）
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