作者：劉東、王建國、羅遠(yuǎn)

西北工業(yè)大學(xué)

國防科技工業(yè)精密鍛造與環(huán)軋技術(shù)創(chuàng)新中心 

摘  要：本文在簡要分析國內(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，隨著綜合國力和冶金技術(shù)水平的提升，我國軸承鋼的質(zhì)量更是有了長足進(jìn)步。國內(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)到國際先進(jìn)水平。國內(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，并取得了一定市場份額。

國內(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，針對國內(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有效地解決之后，碳化物調(diào)控已成為目前國內(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。本文在簡要分析國內(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)，因此對于軸承鋼，尤其是高碳鉻軸承鋼，全氧含量是評價(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兩部分組成。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，但卻會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的明顯增加，所以隨后世界各國的軸承鋼氧含量一直維持相對穩(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，國外先進(jìn)軸承鋼企業(yè)針對不同類型的夾雜物，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，以日本山陽為首的先進(jìn)軸承鋼企業(yè) 已經(jīng)可以做到夾雜物評級0級，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?。而共析碳化物則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，無論是國外還是國內(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。國內(nèi)外許多學(xué)者針對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°，說明對于軸對稱的工件，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：中國軸協(xié)會刊《軸承工業(yè)》2021年第4期）