高品质轴承钢需求及质量控制

,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,*,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,*,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,*,4,、高品质轴承钢需求及质量控制,2011.12,目录,一、轴承钢现状及高品质轴承钢需求,二、轴承钢产品分类及标准,三、轴承钢质量控制关键技术,一、轴承钢现状及高品质轴承钢需求,1,轴承现状：,高端轴承国内不能提供，依赖进口。,轴承,是国家重大技术装备的,关键零部件,，目前轿车、高铁、风电、精密机床、大型机械主轴配套轴承等重型装备用的高端轴承一直是,中国轴承行业的软肋，长期依靠进口。,2010,年,1-9,月,进出口量和价格,相差悬殊，,出口中低端产品为主，进口高端产品。,a.,高铁轴承,我国高速铁路迅猛发展，,2007-2010,年不到四年的功夫，运营里程达到了,8358,公里，占世界高铁总里程超过,30,；高铁时速继,380,公里的高速列车下线之后，又开始研发时速,500,公里的高速列车系统。,时速超过,200,公里的高速列车轴承全部进口，被,国外轴承企业垄断：,瑞典,SKF,、德国,FAG,轴承、,INA,轴承、日本,NTN,、,NSK,等,公司。,一个部件破损要,整个轮对,进口。,2009,年,2,月,6,日，日本,NSK,轴承公司与中国南车集团合作，成功签下武广高铁,30,个编组的轴箱轴承订单；,2010,年,3,月，瑞典,SKF,轴承宣布与中国铁道部在原来,4,年合约的基础上再续约,4,年；,2010,年,10,月，日本,NTN,轴承在中国境内最大的生产基地落户南京，,一期投资,1,亿美元，建设用于高速铁路、地铁及风力发电所用轴承的生产基地。,SKF,中国铁路业务部副总经理黄志竟然坦言：,“轴承在整个车的配置中虽然只占很小一块，但高铁这样的产品项目不容任何闪失。轴承最主要的在于可靠性，安全是第一的。中国高铁轴承市场因国有产品不足，而给外资厂商留下了较大空间，足以,持续到,2020,年。”,严重制约,了国内高速铁路客车产业的正常发展，影响了,高速铁路客车轴承的国产化配套,。,未来五年铁路轴承市场营销,总额就可达近,20,亿元。开发高铁轴承填补空白、顶替进口，刻不容缓。,高铁轴承组织与性能特点,1.,合理的硬度梯度分布：,铁路机车上的使用经验表明，,GCr15SiMn,钢种淬透性好，,表,层和心部的硬度几乎相等，都可在,HRC60,以上,。这样的硬度分布，对承受剧烈冲击负荷的轴箱轴承并不合适，内外套圈和滚子脆性大，,冲击韧性低，容易发生裂损,；,GCr15,钢淬透性差，经适当热处理后，,表层硬度可达,HRC60-63,，而心部较软，,既能保证轴承有,足够的疲劳寿命与磨损寿命，又具有承受冲击负荷,的优良性能。,2.,残留奥氏体量控制：,在相同的回火温度下，,GCr15SiMn,钢的残余奥氏体含量比,GCr15,钢高很多。,GCr15,经淬火和回火后，残余奥氏体一般为百分之十几,，,GCr15SiMn,钢热处理后的残余奥氏体高达百分之二十几。,较高的残余奥氏体含量导致轴承尺寸的不稳定，,轴箱轴承常因此产生内孔直径的胀大，使轴承与轴颈的配合过盈量得不到保证，从而,出现透锈和弛缓现象。,3.,纯净度：,氢的存在，,易在钢中形成白点，这是产生裂纹的潜在根源；,氮会增加钢的回火脆性,；,氧化物,硬度高，而难变形的氧化物等非金属夹杂物氧化铝、氧化铁等则是产生疲劳的起点。,高铁发展,-,运行时速在,200,公里以上的铁路,2007,年,4,月,18,日之前，中国还没有一条可以称为“高速”的铁路,2010,年全国铁路营业里程达到了,9.1,万公里，高铁运营里程达到了,8358,公里，,占世界高铁总里程超过,30,，稳居世界第一；,几年前，中国铁路还以,100,公里左右时速“匍匐前进”,现在，中国高铁最高运营试验时速达到,486.1,公里，堪称“陆地飞行”,“十二五”期间，,2011,年全国铁路计划基建投资,7000,亿元人民币,到,2020,年我国高速铁路里程将达,1.8,万公里,根据,中长期铁路网规划（,2008,年调整）,到,2012,年我国将建成,42,条高铁客运专线,总里程将超过,1.3,万公里,这对动车组将形成,800,列的新增需求；,2010,年,10,月,26,日，拥有自主知识产权的“和谐号”,CRH308A,新一代高速列车动车组最高时速达,416.6,公里，创下当时世界运营铁路运行试验最高速度。但这一,“陆上航班”所用,轴承我国均无法生产,。,我国轴承行业规定的高铁轴承钢种为,GCr15,钢,和,GCr15SiMn,钢；,对于壁厚大于,12mm,或外径,250mm,的轴承套圈及直径大于,22mm,的滚子，规定必须采用,GCr15SiMn,钢，因为这一钢种淬透性好，表层和心部的硬度几乎相等，都可在,HRC60,以上。,但是铁路机车上的使用经验表明，这样的硬度分布，对承受剧烈冲击负荷的轴箱轴承并不合适，内外套圈和滚子脆性大，冲击韧性低，容易发生裂损。,GCr15,钢淬透性差，经适当热处理后，表层硬度可达,HRC60-63,，而心部较软，这样，既能保证轴承有足够的疲劳寿命与磨损寿命，又具有承受冲击负荷的优良性能。,研究还表明，在相同的回火温度下，,GCr15SiMn,钢的残余奥氏体含量比,GCr15,钢高很多。,GCr15,经淬火和普通回火后，残余奥氏体一般为百分之十几，而,GCr15SiMn,钢热处理后的残余奥氏体高达百分之二十几。,较高的残余奥氏体含量导致轴承尺寸的不稳定,，轴箱轴承常因此产生,内孔直径的胀大,，使轴承与轴颈的配合过盈量得不到保证，从而出现,透锈和弛缓,现象。,采用,G20CrNi2MoA,渗碳轴承钢,制造的轴承，除表面具有高的硬度、耐磨、高的疲劳强度、良好的尺寸稳定性外，轴承内部还具有高的,韧性,，用于制造,承受冲击较大,铁路机车有优势。,b.,风电轴承的现状,在传统能源的相对匮乏、环境压力以及地缘政治的强烈不安全感，使得各国在发展包括,风电,在内的可再生能源方面不遗余力。,1996,年,2010,年全球风电装机容量发展趋势图,全球风力发电装机容量在,2010,年增长约为,40GW,，总装机容量达到,200GW,到,2014,年将再翻一倍达到,400GW,欧洲计划到,2020,年实现可再生能源占总发电量的,20%,，其中风电占到,12%,。而现在全球风电占总发电量的比例仅为,1.19%,。要实现,12%,的目标，还需要增长近,10,倍。每年新增风电装机容量将保持在,2000,万,kW,以上。,欧洲风能协会在,2011,年,3,月,15,日在比利时首都布鲁塞尔发表公报表示，欧盟计划今后,20,年投资,4000,亿欧元，以实施风电工业计划。,2030,年时风能发电将占电力生产的,28.5%,。,来源于全球风能协会,2010,年各国风电装机统计,未来风电有着很大的发展空间。,2010,年，欧洲的风电市场发展创下新纪录：有,308,台海上风力发电机安装，装机容量比,2009,年增加了,51%,。价值,26,亿英镑的五个风电场总装机容量为,883,兆瓦,(MW),，发电量可达,2964MW,。,来源于欧洲风能协会,(EWEA),欧洲风能产业,未来主要发展方向和,2010,风能数据,按照我国能源发展战略，国家将大幅度提高风能、太阳能、生物质能等可再生能源在整个能源消费中的比例。在这一战略的引导下，近年来我国,风电产业发展很快,。,我国,2000,年,2010,年风机装机容量发展趋势,2010,年中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组,12904;,装机容量,18927.99,兆瓦，同比增长,73.3%,，,占全球新增装机容量,46.1%,。,累计装机容量达,44733.29,兆瓦，占全球累计装机容量的,21.8%,超过美国（占全球累计装机容量,20.7%,），,居世界第一位,数据来源于中国风能协会,2010,年中国风电装机容量统计,2010,年全球风电累计装机容量,2010,年全球风电新增装机容量,到,2010,年底，我国风电装机容量为,4473,万千瓦，但不到可开发风能总量的,2,。,预测,2011,年我国风电装机容量有望达,5500,万千瓦。,图片来源于全球风能协会,2010,年各国风电装机统计,按照“十二五”规划纲要，我国将建设陆上和海上大型风电基地，新建装机,7000,万千瓦以上,。这意味着，在“十二五”期间，我国风电新增装机将保持,平均每年不低于,1400,万千瓦,的速度增长。,我国风电开发市场潜力极为可观,。,风电产业的快速增长，为风电设备的发展提供了强有力的支撑。作为风电设备的关键零部件之一的,轴承,，伴随着风电产业的快速增长，必然引来旺盛的市场需求。,风电偏航轴承,风电变浆轴承,装配示意图,风电主轴轴承,风电增速器轴承,目前在全球风电市场占据统治地位，有瑞典,SKF,、德国,FAG,、美国,TIMKEN,和日本,NSK,等。,我国对风电轴承制造方面起步较晚，在研究开发深度和工程应用经验积累方面远不够。,目前国内风电轴承企业的产能主要集中在,技术门槛相对较低的偏航轴承和变浆轴承,上，,3MW,以下风电设备配套轴承均可批量生产，国产替代率已达到,80%,以上，年产能已达,4,万套以上。,主轴轴承和增速器轴承,的技术含量较高，还是,依靠进口,，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。,开发主轴轴承和增速器轴承，顶替进口,。,b.,风电轴承的现状,风电轴承的关键技术主要有：,（,1,）设计与破损：,经验类比设计为主，受力分析与载荷谱的研究几近空白。,难点技术是针对主轴轴承的要求,无故障运转达,1310,4,h,以上、具,95%,以上可靠度,；（齿轮箱故障中约,80%,左右是由轴承失效所致,）。,（,2,）防腐蚀与密封：,偏航和变桨轴承部分裸露在外；,（,3,）偏航和变桨轴承的特殊游隙要求：,不定风力冲击载荷等，偏航轴承要求,小游隙,；,变桨轴承,承受的冲击载荷更大，叶片传递的振动也大，要求为,零游隙或者稍负游隙，,以减小滚动工作面的微动磨损。,（,4,）偏航和变桨轴承滚道的磨削加工；,（,5,）主轴轴承和变速器轴承的,高精度加工,：其中最主要是所采用的调心滚子轴承；,（,6,）变速器轴承用保持架的改进设计；,（,7,）检测试验：检测试验包括摩擦力矩测量、模拟试验机和试验规程等。,国内外风电轴承用钢,（,1,）偏航和变浆轴承：,40CrMo,钢；,关键,提高低温冲击功,等力学性能,环境温度,-40,-30,，工作温度在,-20,左右；,热处理工艺：,表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹（尤其是齿根部位）的控制。,（,2,）,增速器轴承和主轴轴承依靠进口：,瑞典,SKF,、德国,FAG,、美国,TIMKEN,和日本,NSK,等。承受扭矩和转速波动大、负载易突变；安装平台柔性变形等，与传统的重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。,部件失效造成风力发电机停机，增速器失效所占,20%,左右。,齿轮磨损产生的微小金属颗粒在轴承工作表面形成压痕，形成高的应力集中，成为疲劳源，导致剥落，缩短轴承使用寿命。,我国机械行业标准规定：增速器轴承的套圈和滚动体,采用电渣重熔冶炼的,高碳铬轴承钢,GCr15SiMn,和,GCr15SiMo,；,按,军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求,的规定进行热处理。,GCr15SiMn,和,GCr15SiMo,钢：,（,1,）提高钢的纯洁度、降低夹杂物含量、改善夹杂物的性质和形态以减轻其对钢的危害,-,由于,Si,、,Mn,等元素含量提高，更容易引起铸坯偏析，因此在冶炼中要采用有效,措施控制偏析。,-,非金属夹杂物成为制约轴承钢性能的关键因素,；,（,2,）应严格控制轴承钢的冶金质量，并优化设计合理的,热处理工艺,，获得合格力学性能和提高其疲劳寿命；,（,3,）,GCr15SiMn,和,GCr15SiMo,相比，后者淬透性更好些；,主轴轴承：,在国产真空脱气钢质量尚存在一定差距的情况下，采用,电渣重熔渗碳钢,ZG20Cr2Ni4A,制造等。,日本,NSK,公司开发的中碳合金钢经,碳氮共渗的,STF,和,HTF,钢，,严格控制碳氮共渗工艺，使零件表面得到较多的,稳定残余奥氏体,（约,30%,35%,）和,大量细小的碳化物,、,碳氮化物,。后者可保证,表面的硬度和耐磨性，,使压痕不易形成；前者可以,降低压痕的边缘效应,，,阻止疲劳源的形成和扩展，,从而大大提高轴承在如增速器这样的污染润滑工况下的使用寿命。,c.,盾构隧道掘进机轴承,盾构机施工：,稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌包括壁后灌浆,三大要素。国外盾构机的占有率,曾,经高达,95%,以上,。国产化,替代进口是未来的目标和主要任务。,到,2015,年以前，需要投入,盾构机,300,台，,5,年内潜在商机可能,超过,200,亿元。,盾构机在既定,施工段不允许失效，,盾构,主轴承的寿命,和可靠性直接影响盾构机械的施工安全，几乎等同于,盾构机的寿命,。,美国,TIMKEN,占有份额较大，钢种,渗碳钢,G20CrNi2Mo,为多。,近年来，北方重工、上海隧道股份、第二重型机械集团公司、大连重工起重集团和首钢集团、武汉重工集团有限公司等企业也进入了盾构机装配制造行列。,主轴承承载能力、寿命和可靠性、一致性与国外同期同类产品相比，存在很大的差距，,并且由于,主轴承的高可靠性要求，导致盾构机国内用户不愿采用国内轴承，完全采用进口轴承。,主轴承的国产化，盾构主轴承的自主研发制造能否跟得上，将成为促进或制约我国盾构技术发展的关键因素。,开发轴承钢满足盾构机主轴承要求，目标代替进口。,序号,公司名称,工厂数,年销售额,出口比重,国际市场占有率,个,亿元,%,%,1,瑞典,SKF,90,50,96,20,2,日本,NSK,28,44,43,13,3,日本,KOYO,17,32,43,7,4,日本,NTN,27,29,45,9,5,日本,NMB,22,27,62,/,6,美国,TIMKEN,24,24,21,10,7,德国,FAG,62,20,72,10,8,德国,INA,16,15,/,/,9,日本,NACHI,14,14,30,/,10,美国,TORRINGTON,28,10,/,/,世界十大著名轴承公司基本情况,近,10,年国外轴承知名公司近,85%,以上国际市场占有率,。几家公司在我国投资建厂，从轴承设计技术水平的提高，生产工艺和生产管理的规范、生产装备水平的现代化、产品的质量和使用性能的提高等方面都起到了很大的,推动性作用。,能够达到为这些厂提供轴承钢材料供货标准的我国特钢企业只有几个，,我国轴承钢产品大多数是处于中低档水平；,而我国,重型装备用轴承市场,更是有这些知名企业的产品所占有，如高速铁路列车轴承、高速高精密机床轴承、航空航天轴承及新能源轴承等目前都要,依靠进口,。,轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。,对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格。,根据轴承使用的环境不同，相对于其服役状态有不同的质量控制要点和要求。,2.,轴承钢现状,轴承质量除了轴承结构设计、制造精度外，,轴承用钢是关键，,其对轴承产品的加工质量、使用寿命和可靠性能具有至关重要的作用。,我国特殊钢生产企业有,近,100,家,，市场供大于求；产品档次不高，能耗高，名牌产品缺，市场竞争力差。,轴承钢：,几个企业的轴承钢得到了,SKF,、,FAG,、,NSK,、,NTN,等著名轴承公司准入；有相当数量的特殊钢生产企业没有掌握关键技术，生产的多为低附加值轴承钢产品；,技术含量较低的产品市场：,供过于求，竟相压价，亏损累累，却是消耗了大量的能源和资源，又破坏了环境；,技术含量较高的产品市场：,国内高质量轴承钢的供应仅为需求的十分之一，又主要依赖进口。,轴承钢质量严重影响我国下游行业的发展。,特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料，是钢铁材料中的,高技术含量产品,，其生产和应用代表了一个,国家的工业化发展水平,。,世界约,1500,万吨的特钢贸易中，日本占到世界特钢出口量的,1/3,强,，我国尚不到世界特钢出口市场的,2%,，,都是中低档特钢产品。,“十二五”期间，国家把高品质特殊钢作为战略性新兴产业，,我国特钢行业将迎来新一轮发展，这是从根本上改变我国特钢落后面貌，整体提升我国,特钢产业技术水平和战略产品研发水平的重要机遇期。,国内轴承钢生产企业近年通过大规模的技术改造、设备更新已获得了可喜的成绩。国内轴承钢产量增长非常迅速。,2000,年产量仅为,71,万吨,2005,年则迅速增长到,192,万吨，平均年增,22%,截止至,2010,年，国内,32,家特钢企业生产轴承钢,293.98,万吨，同比增长,37%,现在轴承钢产量排名世界第一,轴承产量排名世界第四,名副其实的轴承钢和轴承生产大国,我国是轴承钢,大,国,但不是轴承钢,强,国,在时速,160,公里以上动车机组中，很难见到我国的轴承钢材,在飞机等航空领域，轴承钢材也全被发达国家所占领,中国轴承钢材的,寿命一般只有日本轴承钢材的二分之一，有的甚至只有,1/4,我国轴承钢发展现状,轴承,工业的,心脏,轴承工业,国民经济的,装备部,轴承渗透到国民经济各个部门，每个国家轴承的需求量与国民生产总值保持一定的关系,轴承的产量和质量制约着国民经济、国防建设及科学技术现代化的速度和进程,小尺寸轴承,大尺寸轴承,风电变浆轴承,盾构机,刀盘轴承,二,.,轴承钢产品分类及标准,轴承,：具备长寿命、高精度、低发热量、高速性、高刚性、低噪音、高耐磨性等,轴承钢,：具备高硬度、均匀硬度、高弹性极限、高接触疲劳强度、必须的韧性、一定的淬透性、在大气的润滑剂中的耐腐蚀性能。,轴承性能要求,轴承应具有的特性,对轴承材料的要求,耐高荷重,抗变形强度高,硬度高,能进行高速回转,磨擦和磨损小,耐磨强度高,回转性能好,回转精度高，尺寸精度高,纯净度、无效度高,具有互换性,尺寸稳定性好,尺寸精度高,能够长期使用,具有耐久性,疲劳强度高,包括：,高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、,高温轴承钢、不锈轴承钢及特殊工况条件下应用的特殊轴承钢,轴承钢分类,高碳铬轴承钢,高碳铬轴承钢牌号和化学成分,GCr15,、,GCr15SiMn,、,GCr18Mo,、,GCr15SiMo,全淬透性,GCr4,限制淬透性,轴承钢 心部具有良好韧性、表面高强度,GCr4,轴承钢,C,Si,Mn,Cr,Mo,Ni,Cu,0.951.05,0.150.30,0.150.30,0.350.50,0.08,0.25,0.20,GCr4,轴承钢化学成分（,wt,，,%,）,限制淬透性轴承钢,用体积感,尖,加热，表面淬火回火后具有全淬透性,GCr15,轴承钢和低碳合金渗碳钢的性能,淬火后表面硬度高，耐磨性好，抗疲劳性能好,心部硬度只有,3540HRC,，韧性好，抗冲击,心部具有良好韧性、表面高强度,主要用于制作各种,尺寸、受载荷不大,的滚动轴承套圈及滚子,GCr15,轴承钢,C,Si,Mn,Cr,Mo,Ni,Cu,Ni+Cu,0.951.05,0.150.35,0.250.45,1.41.65,0.10,0.30,0.25,0.5,性能,硬度,：,热轧退火态：,179,207HBW,热轧不退火态：不小于,302HBW,力学性能,：,热处理后为抗拉强度,1617MPa,冲击功,Akv,28J,硬度,61,64HRC,显微组织,球化退火：应为细小、均匀、完全球化的珠光体组织。直径,60mm,的球化退火圆钢的显微组织合格级别为,2,4,级,热处理后：回火马氏体,脱碳层,热轧盘条直径,每边总脱碳层深度不大于,5.09.5,0.15,1015,0.20,1630,0.40,3150,0.60,5175,0.80,76100,1.10,101150,1.20,热轧圆钢表面每边总脱碳层深度,GCr15,轴承钢化学成分（,wt,，,%,）,高碳铬轴承钢典型钢种,自上世纪初问世，至今已有近,100,年的历史,从它诞生至今，化学元素的含量几乎没有变化，但其疲劳寿命却有成倍甚至成几十倍的提高,制作壁厚小于,12mm,、外径小于,250mm,的轴承套圈,圆锥、圆柱及球面滚子直径大于,22mm,的轴承零件,GCr15SiMn,轴承钢,石钢,GCr15SiMn,轴承钢化学成分（,wt,，,%,）,在,GCr15,钢基础上适当增加,Si,、,Mn,含量的改型钢种,改善其淬透性和弹性极限,耐磨性也比,GCr15,钢好,切削加工性能较,GCr15,钢稍差，有回火脆性倾向,主要用于制造：,壁厚大于,12mm,、外径大于,250mm,的轴承套圈,钢球直径大于,50mm,圆锥、圆柱及球面滚子直径大于,22mm,的轴承零件,性能,硬度：,热轧退火态：,179,217HBW,热轧不退火态：不小于,302HBW,力学性能：,热处理后为抗拉强度,1831MPa,冲击功,Akv,23J,硬度,65HRC,显微组织,球化退火：应为细小、均匀、完全球化的珠光体组织。直径,60mm,球化退火圆钢的显微组织合格级别为,2,4,级,热处理后：回火马氏体,脱碳层,热轧盘条直径,每边总脱碳层深度不大于,5.09.5,0.15,1015,0.20,1630,0.40,3150,0.60,5175,0.80,76100,1.10,101150,1.20,热轧圆钢表面每边总脱碳层深度,GCr15SiMo,轴承钢,C,Si,Mn,Cr,Mo,S,P,1.01,0.78,0.33,1.59,0.34,0.008,0.012,对大型轴承品种、规格和数量需求越来越多，轴承尺寸增加,要求轴承内外套圈有效壁厚和滚动体直径也随之加大,GCr15SiMn,钢淬透性、淬硬性及轴承寿命满足不了实际需要,GCr15,钢基础上增加,Si,和,Mo,元素含量，,高淬透性轴承钢,开发基本思路：,Si,对,Cr-Mo,系,SKF25,Mo,对,Cr-Si-Mn,系,GCr15SiMn,钢性能影响,淬透性,J60,25mm,性能,硬度：,热轧退火态：,179,217HBW,热轧不退火态：不小于,302HBW,力学性能：,热处理后为抗拉强度,1831MPa,冲击功,Akv,23J,硬度,65HRC,淬透性：,J6025mm,显微组织,球化退火：应为细小、均匀、完全球化的珠光体组织。直径,60mm,的球化退火圆钢的显微组织合格级别为,2,4,级,热处理后：回火马氏体,脱碳层,洛阳轴研科技股份有限公司,GCr15SiMo,钢化学成分（,wt,，,%,）,热轧盘条直径,每边总脱碳层深度不大于,5.09.5,0.15,1015,0.20,1630,0.40,3150,0.60,5175,0.80,76100,1.10,101150,1.20,热轧圆钢表面每边总脱碳层深度,GCr18Mo,轴承钢,洛阳轴研科技股份有限公司,GCr18Mo,钢化学成分（,wt,，,%,）,C,Si,Mn,Cr,Mo,S,P,0.98,0.27,0.30,1.73,0.2,0.008,0.008,以德国钢号,100CrMo7,为基础,相当于,SKF24,适宜于贝氏体等温淬火,淬透性为,880,端淬,J60,值为,18mm,使用等温贝氏体淬火,淬火加热温度多采用,860,880,仍采用,200,以下低温回火,其原因主要是该钢在,贝氏体组织,下的,接触疲劳寿命、冲击韧度和断裂韧性,明显优于其,马氏体组织,的性能。,GCr15,基础上加入质量分数,0.150.25%,的,Mo,，并提高,Cr,含量,淬透性、耐磨性均提高,可制作壁厚达,20mm,的滚动轴承套圈，滚动轴承件的尺寸范围也扩大,渗碳轴承钢,渗碳及高温渗碳轴承钢牌号和化学成分,G20CrNi2Mo,渗碳轴承钢使用较广泛,G13Cr4Mo4Ni4V,高温渗碳轴承钢经渗碳、淬火、回火，在高温下使用,用于制作航空发动机的高温轴承或其他行业使用的,耐高温、耐冲击轴承,牌号,元素,C,Si,Mn,P,S,Cr,G20CrNi2Mo,下限,0.17,0.15,0.40,-,-,0.40,上限,0.23,0.40,0.70,0.020,0.020,0.60,元素,Cu,Ni,Mo,Al,Ti,Ca,下限,-,1.60,0.20,0.010,-,-,上限,0.20,2.00,0.30,0.050,0.005,0.001,G20CrNi2Mo,轴承钢化学成分要求（,wt,，,%,）,G20CrNi2Mo,渗碳轴承钢,优质低碳合金钢,切削、冷加工性能良好，耐冲击，渗碳后耐磨，接触疲劳寿命高,美国渗碳轴承钢产量达到轴承钢总产量的,30%,日本为,10%15%,而我国还不到,5%,渗碳轴承钢在我国存在着巨大的潜在市场及发展前景,所制造轴承,表面具有高的硬度、耐磨、高的疲劳强度、良好的尺寸稳定性,轴承内部具有高的韧性,广泛用于制造承受冲击较大的轴承，如轧机、重型车辆、铁路机车等,每年需求量约为,130,万套铁路轴承，用钢,15,万,t,左右,性能,硬度：,热轧退火态：不大于,229HBS,力学性能：,热处理后为抗拉强度,980MPa,冲击功,Akv,63J,伸长率,5,：,13%,断面收缩率,：,45,显微组织,渗碳热处理后：,渗碳层为高碳马氏体,心部为低碳马氏体,G20CrNi2Mo,轴承钢,高温轴承钢,高温轴承钢牌号和化学成分,工作温度在,150,以上使用的轴承称为高温轴承,高温轴承钢除应具有一般轴承钢的性能外,还应具有一定的,高温硬度和高温耐磨性、高温接触疲劳强度、抗氧化性能、高温耐冲击性能和高温尺寸稳定性,钼系钢：,Cr4Mo4V,、,Cr14Mo4,钨系钢：,W18Cr4V,、,W9Cr4V2Mo,、,GCrSiWV,高温轴承钢其中以,Cr4Mo4V,和,W18Cr4V,最为常用,不锈轴承钢,不锈轴承钢牌号和化学成分,9Cr18,是高碳高铬马氏体不锈钢，淬火后有高硬度和高耐蚀性,9Cr18Mo,是,9Cr18,钢中添加,Mo,元素，淬火后硬度和稳定性更好,这两种不锈钢可用于制作在,腐蚀环境及无润滑的强氧化气氛,中工作的轴承，如船舶、化工、石油机械中的轴承等，也可作为,耐蚀高温轴承材料,，但使用温度不能超过,250,。,特殊轴承钢,70Mn15Cr2Al3WMoV2,无磁轴承钢,70Mn15Cr2Al3WMoV2,无磁轴承钢的化学成分,沉淀硬化型奥氏体钢,低磁导率，高强度，高硬度，高耐磨性等,退火后加工性较好，是无磁轴承和无磁模具的优良材料,也可用于制作要求强度高、耐磨和无磁的电子零件,国内外轴承钢牌号对应表,GB标准,欧洲,EN标准,日本,JIS标准,用户协议及双方协议,GCr15,100Cr6,SUJ2、SUJ3,SKF3、SKF3S,日本,JIS,轴承钢牌号及化学成分,日本,JIS,轴承钢,a.,性能,钢棒以热轧或退火状态交货，退火硬度指标：,牌号,HB，,HRB，,SUJ1、SUJ2、SUJ3,201,94,SUJ5、SUJ6,207,95,SUJ2,热处理后力学性能：抗拉强度为,1617MPa,；冲击功,Akv,为,28J,；硬度：,61,64HRC,。,b.,显微组织,经球化退火后显微组织：,碳化物应充分球化、分布大致均匀；不存在有害的网状偏析或大块碳化物等缺陷。,热处理后金相组织：回火马氏体。,c.,脱碳层,热轧盘条直径,每边总脱碳层深度不大于,25,0.40,2535,0.50,3550,0.60,5080,0.80,80100,1.00,100125,1.20,125160,1.40,热轧圆钢表面每边总脱碳层深度（,mm,）,瑞典（,SKF D33,）重要标准主要技术要求,SKF,轴承钢典型化学成分,牌号,C,Si,Mn,Cr,Mo,Ni,Cu,备注,SKF3,0.951.1,0.150.35,0.250.45,1.361.65,0.1,0.25,0.3,GCr15,a.,性能,热轧球化退火材硬度要求：,HBS 180220,。,SKF3,轴承钢热处理后力学性能为：抗拉强度为,1617MPa,；冲击功,Akv,为,28J,；硬度：,61,64HRC,。,b.,显微组织,热轧球化退火后组织为完全球化的珠光体，铁素体基体上均匀分布的球状渗碳体组织。,c.,脱碳层,按,SKF D30,测定脱碳深度,0.008,直径。,法国（,NF,）轴承钢重要标准主要技术要求,100Cr6,轴承钢典型化学成分,牌号,C,Si,Mn,Cr,Mo,Ni,Cu,100Cr6,0.951.10,0.150.35,0.250.45,1.351.60,0.10,0.30,0.25,a.,性能,淬透性能：,试样加热,825875,，,15min,后油淬，,HRC,62,。,热处理硬度：试样加热,860870,，,30min,后油淬，,100Cr6,轴承钢,HRC,62,。,c.,脱碳层,脱碳、表面缺陷深度,尺寸,脱碳和表面缺陷深度，,成品,D,6.5,0.08,6.5D,12,0.10,12D,15,0.12,15D,40,0.18,40D,0.08+4%d，最大为0.40,轧制状态的棒和钢坯,40D,100,0.50,100D,200,0.5%d,200D,1%d,b.,显微组织,热轧球化退火后组织为球状珠光体，无片状和网状。,三、轴承钢质量控制关键技术,滚动轴承零件以点接触或线接触的形式,在高的交应接触应力下长期工作。其工作部位多处于主机的心脏或关节等要害处。,主机的精度、寿命和可靠性很大程度上决定于轴承。,轴承钢：制造滚珠、滚柱和轴承套圈，是特钢产品中要求最为严格的产品。轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求,轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性、高的弹性极限。,对轴承钢的,化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格。,根据轴承,使用的环境,不同，相对于其,服役状态,有不同的质量控制要点和要求。,近几十年来，工业发达国家在轴承用钢的开发及生产应用方面可大致分为两个方面：,一方面：,采用新的冶炼技术和装备，或对传统的冶炼工艺和装备进行改进，降低钢中氧含量及夹杂物的数量，改善夹杂物的分布、尺寸和形态，改善结晶状态等，,以提高原有钢种的冶金质量，生产长寿命、纯净或超高洁净钢；,另一方面：,对,原有的钢种的化学成分进行改进或开发全新轴承用钢，,以满足不同使用场合对轴承越来越高的性能要求，或在具有同样性能的前提下降低材料费用和整个轴承的生产成本。,三、轴承钢质量控制关键技术,大型机械设备的滚动轴承，对于,轴承钢性能要求的共同点是,：,（,1,）高的接触疲劳强度：,承受周期性交变载荷，每分钟可达数十万次，周期性交变应力的反复作用下，接触表面出现疲劳剥落。,（,2,）高的耐磨性：,耐磨性差，滚动轴承便会因磨损过早地丧失精度或因旋转精度下降而使轴承振动增加、寿命降低。,（,3,）高的弹性极限：,为防止在高接触应力下发生过大的塑性变形，使轴承精度丧失或发生表面裂纹，,（,4,）适宜的硬度：,硬度是重要指标之一。滚动轴承用钢的硬度要适宜，硬度在,62HRC,左右可得到高的接触疲劳寿命。,（,5,）一定的冲击韧性,：,耐蚀性问题：,腐蚀,磨蚀交互作用下高品质轴承钢的服役行为；,高品质轴承钢的大气腐蚀行为；,环境带来的腐蚀问题：,高铁、海洋风电，还是石化用轴承材料，都面临着共同问题。例如,在接触水或水蒸气的水力机械中，在接触酸和碱的化工机械中，在接触海水的舰艇船舶中等，对轴承钢的要求也越来越高，,一般轴承钢往往已经不能满足实际的需要；,研发耐腐蚀新型轴承钢,:,为解决以下问题,普通的,GCr15,和低合金轴承钢系列,-,不耐大气腐蚀,;,热加工过程中，表面会形成大量的氧化皮而造成轴承钢表面的极度高低不平和金属损失严重,;,堆放和运输中也会大量的产生锈蚀,;,与空气、水和腐蚀性介质接触的环境条件下，普通的轴承钢耐蚀性能差，非常容易生锈,;,轴承钢在使用过程中，轴承接触到侵入的介质，像水,盐雾,酸性化学制品及清洁剂，也受到疲劳和磨损等作用。,在环境、介质、磨损的共同作用下，常会产生腐蚀磨损和腐蚀疲劳，严重影响轴承的使用寿命。,研发普通的耐腐蚀新型轴承钢,重要性,：,目前国内外在一些使用要求比较高的场合，使用高碳铬不锈轴承钢如,9Cr18,、,Cr18Mo,等；,由于,不锈轴承钢中含有较高的碳、铬，,在冶炼凝固过程中不可避免地,形成粗大的共晶碳化物，,这些粗大的分布不均匀的共晶碳化物,在热处理时无法消除，,并且,易造成热处理后硬度达不到技术要求，或硬度分布不均，在生产过程中易产生废品；,由于,使用成本的大量上升，,在一般的场合下，用户不会大量的使用不锈轴承钢。,我们应关注：,高品质轴承钢的摩擦磨损特性；,高品质轴承钢的大气腐蚀行为；,腐蚀,磨蚀交互作用下高品质轴承钢的服役行为；,影响高品质轴承钢寿命的关键因素研究；,提高轴承钢可靠性与使用寿命的关键技术研究。,含,C1.0%,、,Cr1.5%,的高碳铬轴承钢自本世纪初问世，至今已有,近,100,年,的历史。在本世纪里，科学技术迅猛发展，对轴承提出了非常苛刻的要求。,在提,高转动速度、提高工作温度,的同时，还要求,更高的可靠性和寿命,；,轴承尺寸的不断增大，要求更高的淬透性；,办公自动化机器的出现，要求对小型轴承噪声的抑制等。,高碳铬轴承钢,产量约为轴承钢总产量的,80%,以上，在数量上仍占据着绝对优势。,重型装备轴承钢钢种主要,2,大类：,高碳铬轴承钢和中碳渗碳钢。,轴承钢领域的核心技术主要掌握在国外公司手中，国务院提出的,16,个重大技术装备关键领域，,15,个都与轴承相关。,高碳铬轴承钢仍为重要的主流产品,瑞典、德国、美国和日本等都是当今世界上的轴承工业强国，应用最广泛的是,高碳铬轴承钢，,各国轴承钢按各自标准的牌号，如我国的,GCr15,，瑞典的,SKF24,、,SKF25,、,SKF26,、,SKF27,，美国的,52100.3,、,52100.4,，德国的,100CrMo,、,100CrMo7,、,100CrMo8,，日本的,SUJ3,、,SUJ4,、,SUJ5,等。,我们解剖的德国,FAG,高铁轴承看滚动体和套圈均为,GCr15,钢，其淬火组织很均匀、尤其是碳化物颗粒细小、分布弥散。,G20CrNi2Mo,渗碳轴承钢：,优质低碳合金钢，具有切削、冷加工性能良好、耐冲击、渗碳后耐磨、接触疲劳寿命高等优点。此钢制造的轴承，除表面具有高的硬度、耐磨、高的疲劳强度、良好的尺寸稳定性外，轴承内部还具有高的韧性，用于制造承受冲击较大铁路机车有优势。,美国渗碳轴承钢产量达到轴承钢总产量的,30%,，日本为,10%15%,，而我国还不到,5%,，用,G20CrNi2Mo,钢制造的铁路轴承，每年的需求量约为,130,万套，用钢,15,万,t,左右，渗碳轴承钢在我国巨大潜在市场及发展前景。,我国轴承行业规定的钢种为,GCr15,钢和,GCr15SiMn,钢。经全淬火，但后者残余奥氏体含量高，不利于轴承工作中尺寸稳定性,国内外铁路轴承用钢品种：,高品质轴承钢生产与质量控制,系统工程,-,技术集成,轴承质量：轴承钢质量是基础；轴承制造技术和热处理技术是关键；,轴承质量控制的关键技术,体现在,：,（,1,）高品质轴承钢生产与质量控制系统工程,技术集成；,（,2,）洁净钢生产成套工艺技术；,（,3,）凝固组织控制技术（包括连铸坯、铸锭、电渣锭区别化控制）；,（,4,）轴承钢组织均质化、性能稳定性控制技术；,（,5,）,满足,不同服役条件,下轴承钢,强韧化机制控制技术,；,（,6,）,轴承钢钢,表面质量控制技术,；,（,1,）纯净钢冶炼工艺技术,窄成分冶炼控制技术；,超低氧、低硫、低磷钢冶炼工艺；,夹杂物种类、形态与分布、细小颗粒控制；,轴承钢夹杂物变性处理；,钢材内部及表面质量控制技术；,高品质轴承钢冶金指标,全氧含量,电,渣钢,15,18,ppm,以下、电炉钢,8,5ppm,；,Ti,：,电渣钢,15PPm,、电炉钢,25PPm,以内,；,P,0.007%,，,S,0.005%,；,钢液浇注前氢含量、氮含量控制；,主要元素,C,；,si,；,Cr,；,Mn,进行窄成分控制；,氧化物类夹杂物和,TiN,夹杂物极细化。小于,5,3,微米。,凝固宏观偏析指数,(C,S),小于,1.2,1.08%,。,疏松、缩孔级别均低于,0.5,级。,无微细裂纹,.,（,2,）无缺陷均质连铸坯,(,模铸锭、电渣锭,),控制技术,连铸坯（铸锭、电渣锭）中心偏析和内部缺陷控制；,凝固组织均匀性控制,等轴晶比例控制,连铸坯裂纹与缺陷控制。,（,3,）控轧控冷（锻造）变形工艺,轧材均质化控制,新型热轧形变热处理,TMCP,工艺；,碳化物均匀细化控制轧制与控制冷却；,轧制过程组织演变规律研究及轧材组织均匀性控制技术；,轧材表面质量、尺寸精度控制；,轧材脱碳层控制；,热轧退火态组织控制技术。,（,4,）热处理工艺优化,对淬火组织精确控制技术；,渗碳层均匀度控制；,表面质量控制和尺寸稳定性控制,轴承强韧化机制控制技术。,热处理组织精确控制：,轴承钢构件使用组织为回火马氏体均匀分布细粒碳化物少量残余奥氏体。研究表明，,马氏体含碳量为,0.45,0.50,时即由高强度，又有高的疲劳寿命；碳化物相对量为,3,6,左右时，粒度,0.5,0.6m,轴承部件寿命长。,轴承钢轧材就要为其后续热处理和轴承件生产提供组织基础。,Lab of Materials Forming Theory and Quality Control,MSE, USTB,谢谢！,