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我國高碳鉻軸承鋼的現狀和發展

我國高碳鉻軸承鋼的現狀和發展

中國軸承工業協會高級顧問 何加群

 

我國軸承鋼概況

1.1 我國軸承鋼種類

 目前,我國軸承行業使用的軸承鋼總量在300多萬噸,主要鋼種包括:

  1)5種高碳鉻軸承鋼:GCr15,GCr15SiMn,GCr18Mo,GCr15SiMo,G85Cr15。

  2)6種滲碳軸承鋼:G20CrMo(A),G20CrNiMo(A),G20CrNi2Mo(A),G20Cr2Ni4(A),G10CrNi3Mo(A),G20Cr2Mn2Mo(A)。

  3)3種不銹軸承鋼:G95Cr18,G102Cr18Mo,G65Cr14Mo。

  4)2種高溫軸承鋼:Cr4Mo4V,H10Cr4Mo4Ni4V。H10Cr4Mo4Ni4V是目前性能最好的高溫滲碳鋼材料。

  5)5種中碳軸承鋼:42CrMo,G56Mn,G70Mn,G42GrMo,55SiMo(V)。以上是軸承行業目前所使用的主要鋼種。其中,絕大多數使用的是高碳鉻軸承鋼(95%左右)和滲碳軸承鋼(1%左右)。


1.2 我國現行軸承鋼標準

  GB/T18254-—2016高碳鉻軸承鋼GB/T3203—2016滲碳軸承鋼GB/T33161—2016汽車軸承用滲碳鋼GB/T28417—2012碳素軸承鋼GB/T29913—2013風力發電設備用軸承鋼GB/T18579—2001軸承鋼絲YB/T4146—2006無縫軸承鋼鋼管。


1.3 我國軸承鋼生產情況

 全國有軸承鋼生產能力較大的特鋼企業有20多家,其中主要有:中信特鋼(年產120.09萬噸)、巨能(年產30.29萬噸)、東特(年產26.85萬噸)、濟源鋼鐵(年產15.29萬噸)、蘇鋼(年產14萬噸)、石鋼(年產12.38萬噸)、南鋼(年產10.09萬噸)、承德建龍(年產8.82萬噸)、西寧特鋼(年產7.54萬噸)、齊魯特鋼(年產7.14萬噸)、邢臺鋼鐵(年產5.57萬噸)。

 

2 我國高碳鉻軸承鋼標準演變過程

 自20世紀80年代初期以來,我國高碳鉻軸承鋼標準不斷提升,從YB968《鉻軸承鋼技術條件》(原蘇聯標準體系)標準轉變到以歐、美標準體系為基礎的標準,其演變過程(表1)為:YB968YBT180YJZ84(兩部協議)→GB/T182542000(軸承鋼總體國家標準)→GB/T182542002(軸承鋼總體國家標準)。在GB/T18254總體國家標準的基礎上,又制訂了鋼絲國家標準GB/T185792001和無縫軸承鋼鋼管標準YB/T41462006。



 GB/T18254—2016《高碳鉻軸承鋼》標準2016年8月29日發布,2017年7月1日正式實施。新版標準與GB/T18254—2002的主要不同點:

 

  1)舊標準未分質量等級,新標準按冶金質量將高碳鉻軸承鋼分為優質鋼、高級優質鋼和特級優質鋼3個質量等級,以便于軸承企業根據軸承的使用壽命和可靠性要求,合理選材。優質鋼與舊標準基本相同。與美國ASTMA295:2009《Standardspecification for high-carbon anti-friction Bearing steel》標準相當。用于制造低端軸承。高級優質鋼與瑞典SKFD33-1:2009標準相當,用于制造中端軸承。特級優質鋼達到國外高碳鉻軸承鋼實物質量先進水平,用于制造高端軸承。

  2)舊標準對Sn,As,Ti,Sb,Pb,Al等有害殘余元素定為協商確定,Ca未列入。新標準增加了Al,Ti,Ca,Sn,As,Sb,Pb的控制指標。

  3)對軸承鋼純凈度有很大影響的O,S,P含量,舊標準只有一種指標控制,新標準實行分級并加嚴控制。

  4)對軸承壽命影響最大的單顆粒球狀DS類(點狀不變形夾雜物)和氮化鈦的評定,舊標準沒有明確規定,新標準規定了明確的控制指標。特別是DS規定按最大值控制,而不是按平均值控制。

  5)此外,新標準對非金屬夾雜物的級別、碳化物帶狀、碳化物液析加嚴了控制。增加了軟化退火、熱軋或鍛制鋼材的碳化物網狀控制。GB/T18254—2016標準的各項指標和總體水平達國際先進水平。

 

3 對現階段我國軸承鋼技術質量水平的基本估計

 3.1 對我國現階段軸承鋼技術質量水平的總體評價

   改革開放以來,特別是進入21世紀以來,我國軸承鋼技術質量水平不斷提升。由于真空脫氣技術的應用,軸承鋼含氧量大幅降低,軸承鋼整體技術質量水平上了一個大臺階。以興澄鋼廠為代表的特鋼優勢企業,通過引進、消化、吸收、再創新,軸承鋼冶煉和軋制的技術和裝備已達到國際先進水平。但是,有了一流的技術和裝備,要生產出一流的產品,還要做很大的努力。特鋼行業生產軸承鋼的企業眾多,良莠不齊,仍有特鋼企業用落后的技術和裝備在生產軸承鋼。興澄鋼廠已能按跨國軸承公司的技術要求生產軸承鋼,并向其大量供貨,跨國軸承公司用來制造什么檔次的軸承,希望能獲得這方面的信息。目前國內大多數特鋼企業尚不具備生產并達到跨國軸承公司技術要求的軸承鋼的水平和能力。制造各種高端軸承的專用軸承鋼種的研發太少,這是影響我國軸承行業高端突破的重要因素之一。個別特鋼企業質量控制不嚴,“小兒科”的質量缺陷時有發生,需大力提高質量保證能力,并形成第一方、第二方、第三方質量監督機制。對我國軸承鋼技術質量水平的分析,要克服輕易肯定或否定的觀點。對認定任何一個特鋼企業生產軸承鋼的技術質量水平,不能根據幾次試驗數據和幾個重要用戶的評價就下結論。要根據隨機抽樣的大量重復試驗、驗證的結果,大批量實際應用的技術和經濟實效進行評價。同時,要防止在試驗、試制和小批量生產時,可達到較高的技術質量水平,一旦進入大批量生產,就會出現穩定性差、一致性差,技術質量波動以至下降的問題。


3.2 我國軸承鋼技術質量進步很大,問題不少 

 我國軸承鋼取得了長足的進步,但還存在不少問題。


3.2.1 貫徹軸承鋼先進標準任重道遠

   與國外先進標準相比,直到2017年6月還在執行的GB/T18254—2002標準,差距是對有些有害元素含量未作限制,微觀夾雜物氮化鈦和碳氮化鈦不評級,熱軋鋼材不要求檢查網狀,表面缺陷不用無損探傷檢查而用目視檢查,微觀夾雜物、脫碳、尺寸允許偏差、彎曲度、不圓度等的控制上與國外先進水平有較大差距。達到國際先進水平的GB/T18254—2016標準雖已頒布實施,但是從思想觀念、技術和裝備水平、質量控制能力等方面,尚未完全完成舊標準向新標準的過渡。


3.2.2 技術和裝備良莠不齊

   興澄特鋼等優勢特鋼企業已引進國際上先進的特鋼冶煉和軋制裝備和技術。但是,還有一些鋼廠的冶煉和軋制的裝備和技術落后:冶煉裝備容量小,無RH/VD真空脫氣爐,無高精度連軋線,無長時間高溫擴散退火裝置,無末端電磁攪拌裝置,連鑄坯斷面小于200mm,鋼錠小于3t,軋制比達不到要求。


3.2.3 質量控制不嚴

   由于質量管理和控制不嚴,有的特鋼企業生產的軸承鋼還達不到GB/T18254—2002的要求,一些嚴重缺陷反復出現,1)鋼材表面缺陷:材料裂紋、折疊裂紋、麻點(坑)、夾渣、非金屬夾雜、表面脫碳、發紋等。2)鋼材低倍缺陷:縮孔(管)殘余、翻皮、疏松、氣泡、偏析、白點、宏觀夾雜、內裂等。3)鋼材高倍缺陷:點狀夾雜物、塑性硅酸鹽夾雜物、顯微孔隙等。4)碳化物不均勻:碳化物帶狀、碳化物液析、碳化物網狀、退火組織不均勻等。這些缺陷都嚴重影響軸承的壽命和可靠性。


3.2.4 未形成質量監督機制

   長期的賣方市場,使軸承鋼的質量缺乏第二方、第三方監督。國家監督檢查形同虛設。絕大多數軸承生產企業采購軸承鋼材沒有對供貨廠家進行質量保證能力調查和認可。絕大多數中小軸承企業沒有軸承鋼進廠檢驗的能力,僅以特鋼企業質量保證書為依據。多數特鋼企業的質量保證書真實可信,但也有少數特鋼企業的質量保證書存在造假的情況。一些大型軸承企業進廠檢驗不合格而退貨的鋼材,最后都流到沒有鋼材進廠檢驗手段的中小軸承生產企業。一家特鋼企業的負責人披露:“大型軸承行業退貨的不合格軸承鋼材,特鋼企業沒有回爐重煉過1t,全都降價賣給其他軸承生產企業?!?/span>


3.2.5 應用研發新鋼種力度弱

   國際跨國軸承公司多年來在軸承鋼的研發上投入大,成果多。如SKF公司把高碳鉻軸承鋼下貝氏體等溫淬火工藝應用于鐵路軸承、冶金軋機軸承及其他在特殊工況下使用的軸承,開發了適合于下貝氏體淬火的鋼種。日本NSK公司、KOYO公司為提高軸承在污染潤滑條件下工作的疲勞壽命,開發了NSJ2鋼和TF系列鋼(HTF,STF,NTF),這些鋼種配合特殊熱處理,使軸承在污染潤滑條件下的壽命提高了幾倍甚至十倍。為解決高碳鉻不銹鋼9Cr18(AISI440),9Cr18Mo(440C)中易出現粗大共晶碳化物,導致影響軸承的韌性、耐蝕性和疲勞壽命的問題,德國FAG公司、日本NMB公司、KOYO公司開發了0.7C-13Cr馬氏體不銹鋼。為解決準高溫條件下工作的軸承使用高溫軸承鋼的成本高問題,日本NTN公司、KOYO公司分別開發了適合在150~180℃準高溫條件下工作的NTJ2,KUJ7鋼等。我國使用的軸承鋼種類幾十年一貫制,僅開發了幾種新鋼種:GCr15SiMo,GCr18Mo,G85Cr15,G65Cr14Mo。這種狀況嚴重影響了軸承行業對不同使用要求的重大裝備的配套能力。

 

4 我國軸承鋼技術質量水平提升的路徑

4.1 全面貫徹高碳鉻軸承鋼新標準

   GB/T18254—2016標準的發布和實施,對于軸承行業的產品升級具有里程碑的意義。我們要大張旗鼓地宣傳貫徹新標準,要力促特鋼企業按新標準生產和供貨。軸承企業要按新標準采購和進行進廠驗收,并自覺地選用特級優質鋼生產長壽命、高可靠性軸承。為此進行以下工作:

1)建議由中國軸承工業協會會同中國鋼鐵工業協會對GB/T182542016標準的貫徹執行情況進行調研,調研情況向全社會發布。

2)繼續組織召開貫徹GB/T182542016標準技術交流會,推動特鋼行業和軸承行業的企業認真貫徹執行GB/T182542016標準。

3)建議中國軸承工業協會組織編制《高碳鉻軸承鋼應用指南》,指導軸承企業根據不同類型軸承對精度、性能、壽命和可靠性的不同要求,選用GB/T182542016標準規定的相應質量等級的軸承鋼(特級優質鋼、高級優質鋼和優質鋼)。

4)興澄鋼廠等特鋼行業排頭兵企業應在貫徹GB/T182542016標準上發揮全行業的標桿和引領作用。在繼續與跨國軸承公司進行合作的同時,與國內優勢軸承企業建立貫徹GB/T182542016標準,生產和應用高等級軸承鋼(特級優質鋼、高級優質鋼)的戰略合作關系。特別要對特級優質鋼的生產工藝技術開展深入、系統的研究,以特級優質鋼的生產工藝技術突破,帶動高級優質鋼、優質鋼整體質量進一步提升。

 

 4.2  組織稀土軸承鋼等新型軸承鋼產業化應用攻關

    20世紀80年代,我國曾一度出現過研發和應用稀土鋼的熱潮,但應加什么稀土,加多少,怎么加等技術瓶頸未突破,效果時好時壞,還時有出現堵塞冒口的故障。一度出現的稀土鋼熱,由熱變冷。

李依依院士率領的中科院金屬材料加工模擬研究團隊,經過十年的努力,在鋼中雜質形成機理的研究上取得突破,開發了商用稀土合金純凈化制備技術和鋼中加入稀土的特殊加入技術,有望突破應用稀土冶煉高品質軸承鋼的技術瓶頸。


李依依院士領導的團隊介紹其研發稀土軸承鋼的情況:

1)在軸承鋼中加稀土鈰Ce、鑭La,每噸鋼加100~200克,費用為10~20元。

效果為減少夾雜物60%,細化和軟化夾雜物,減小點狀不變形夾雜物DS;使夾雜物分布均勻,各向同性。

2)天馬軸承集團公司和中科院金屬所合作,進行了稀土軸承鋼冶煉軋制工業性試驗和用稀土軸承鋼制造軸承的冷加工、熱加工工藝試驗。由中科院金屬所提供稀土并作技術指導,天馬軸承集團公司已生產20000多噸稀土軸承鋼并用于制造軸承。目前,稀土軸承鋼尚未具備產業化推廣應用的條件。


為實現稀土軸承鋼研發→工程化→產業化,應進行以下細致、系統的工作:

1)進行稀土軸承鋼冶煉和軋制工業性試驗驗證,完善制備技術。

2)進行稀土軸承鋼制造軸承的冷加工、熱加工工藝試驗驗證,對軸承進行全項檢測,進行材料接觸疲勞性能、軸承各項性能臺架對比試驗及實用考核。

3)有資質的第三方檢測認證機構對稀土軸承鋼進行大樣本、隨機抽樣的、多次重復的全項檢測、試驗,對其各項技術指標進行綜合評價。

根據以上研究結果,確定是否制訂稀土軸承鋼團體標準,進而制訂稀土軸承鋼國家標準,實現產業化,并向全軸承行業推廣應用。

除稀土軸承鋼外,還應開展高氮鋼、耐污染軸承鋼、納米貝氏體鋼、大型軸承零件用高淬透性鋼的開發、應用及推廣工作。


4.3  強化軸承鋼質量第二方(用戶)監督

對于軸承生產企業來說,要形成杜絕使用劣質鋼材的機制,在軸承鋼質量問題上要“自律”和“他律”雙管齊下?!白月伞本褪亲晕壹s束,堅決不使用劣質鋼材;“他律”就是要加強對生產軸承鋼的特鋼企業的第二方(用戶)質量監督。

軸承生產企業要根據不同類型軸承精度、性能、壽命和可靠性對鋼材的要求,選用相應質量等級的鋼材,堅決不因成本壓力而使用劣質鋼材,在全行業形成“使用優質鋼材為榮,使用劣質鋼材為恥”的風尚。

組織軸承生產企業加強對軸承鋼材技術質量的第二方(用戶)監督:

1)中國軸協制訂對軸承鋼材供貨廠家第二方評審的主要質量指標的控制水平和控制手段的評審標準,指導軸承生產企業在選擇軸承鋼材供貨廠家時,對軸承鋼材供貨廠家的冶煉軋制工藝、工藝裝備、檢測檢驗和質量控制等進行調查評審,選擇在軸承鋼的純凈度控制、成分控制、碳化物控制、表面質量控制等方面達標的軸承鋼材生產廠家作為供貨方。

2)中國軸協每年要對上一年度軸承生產廠家在軸承鋼材進廠檢驗和使用過程中發現的質量問題進行調查研究,并授權其技術委員會代表用戶對軸承鋼質量進行監督檢驗,將調研和檢驗結果通過媒體向社會發布,公布軸承鋼質量優良的特鋼企業“紅名單”,推薦軸承生產企業使用其產品;推動、支持并協助執法部門公布軸承鋼質量低劣的特鋼企業“黑名單”,建議軸承生產企業不使用其生產的軸承鋼。從而形成社會輿論,凈化軸承鋼市場。

3)鼓勵和支持瓦房店、洛陽、浙東、蘇錫常、聊城等軸承產業集聚地區建立的軸承質量檢驗中心開展本地區中小企業軸承鋼進廠檢驗委托業務。

通過建立軸承鋼第二方(用戶)監督評價體系,促進特鋼企業著力技術改造,推進技術進步,加強質量控制,努力提高軸承鋼質量;促進軸承鋼材市場優勝劣汰機制的形成,使優勢軸承鋼材生產企業通過有序的市場競爭擴大市場份額,做強做大,使不具備生產軸承鋼材這種高品質鋼材的企業淘汰出局。


4.4   加大研發力度

推動特鋼企業進行,軸承企業積極參與以下關鍵技術和重點產品研發。


4.4.1關鍵技術

1)開展冶金質量一致性的系統研究,解決我國軸承鋼質量一致性差的頑疾。

2)對特級優質鋼的生產工藝技術開展深入、系統的研究,以特級優質鋼的生產工藝技術突破,帶動高級優質鋼、優質鋼整體質量提升。

3)開展B,D類脆性非金屬夾雜物與軸承疲勞壽命的關系的研究,為軸承壽命預測提供理論依據。

4)推廣應用潔凈鋼冶金技術,連鑄保護渣技術,惰性氣體保護氣氛電渣冶金技術,大規格電渣錠冶煉技術,連鑄坯重壓下控制技術,微合金化技術,大規格軸承鋼鍛造技術等。


4.4.2重點產品

 1)研發應用制造風電增速器軸承、汽車變速箱軸承等在污染潤滑條件下使用的軸承鋼,如同日本NSK公司開發的TF系列(HTF,STF,NTF)軸承鋼。

  2)研發應用適宜于150~180℃的準高溫區工作的準高溫軸承鋼,用于制造汽車發動機主軸軸承。

  3)研發應用高淬透性、高強度的高碳鉻軸承鋼新鋼種,滿足制造大壁厚、特大壁厚軸承的需要。

  4)研發應用適宜于制造2.0兆瓦以上風電主軸軸承、偏航變槳軸承的新鋼種。

  5)研發應用高氮軸承鋼AMS5925,用于制造航空發動機軸承。

  6)研發應用制造高速動車組軸箱軸承的專用鋼材。

  7)研發應用更適合于下貝氏體淬火的新鋼種,如同SKF的SKF25,775V等。

 

(來源:中國軸承工業協會)



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