连铸和模铸轴承钢性能的比较
发布时间：2016-05-24秦添艳
（宝山钢铁股份有限公司特殊钢事业部，上海，200940）
（宝山钢铁股份有限公司特殊钢事业部，上海，200940）
摘 要：检验了连铸和模铸轴承钢棒材的低倍组织，非金属夹杂物级别，碳化物形状和分布及疲劳寿命。结果表明，模铸材的氧化物夹杂的含量、平均尺寸和Z大尺寸均小于连铸材，模铸材的碳化物均匀性和接触疲劳寿命也优于连铸材，但其生产成本高于连铸材。
关键词：轴承钢；连铸；模铸；疲劳寿命
关键词：轴承钢；连铸；模铸；疲劳寿命
我国加入WTO之后，经济逐步与世界经济接轨，机电产品出口量不断上升。轴承钢是生产机电产品不可或缺的材料，目前国内用户往往要求国内轴承钢生产企业的产品能达到标准。另外，轴承的使用环境日趋恶劣，人们对轴承的寿命提出了更高更严的要求。国内外关于轴承钢的研究文献中，大多是关于氧及夹杂物含量的报道。轴承钢生产企业也都严格控制钢中的氧含量，而对于碳化物偏析、钢材纯洁度等方面的关注不够。实际上，液析碳化物尺寸大且具有很高的硬度和脆性，易使轴承零件淬火开裂，其危害性相当于钢中的夹杂物。本文比较了在氧含量基本相同的情况下，采用连铸和模铸工艺生产的轴承钢的性能，如碳化物形态、级别，疲劳性能等。
1 原材料
本文研究用钢为含1.0％C、1.5％Cr的高碳铬轴承钢，一种传统的轴承钢种，经过了100多年的发展，其成分基本没有变化，应用范围Z为广泛。
试验用材料为∮40mm棒材，冶炼时采用铝脱氧，高碱度炉渣，顶渣二元碱度为6.7。样品的制备工艺路线如下。
本文研究用钢为含1.0％C、1.5％Cr的高碳铬轴承钢，一种传统的轴承钢种，经过了100多年的发展，其成分基本没有变化，应用范围Z为广泛。
试验用材料为∮40mm棒材，冶炼时采用铝脱氧，高碱度炉渣，顶渣二元碱度为6.7。样品的制备工艺路线如下。
模铸工艺：30t高功率电炉初炼→钢包炉（LF）→钢包精炼（VD）→IC模铸→钢锭均热→初轧机开坯→120mm方坯→轧机轧成→∮20mm材→取样检验。
连铸工艺：超高功率电炉初炼UHP（100t，偏心炉底出钢（EBT））→钢包炉（LF）→钢包精炼（VD）→CC连铸→钢锭均热→初轧机开坯→连铸（140mm×140mm）→17机架连轧→连续炉球化退火→∮60mm→取样检验。样品的化学成分见表1。
连铸工艺：超高功率电炉初炼UHP（100t，偏心炉底出钢（EBT））→钢包炉（LF）→钢包精炼（VD）→CC连铸→钢锭均热→初轧机开坯→连铸（140mm×140mm）→17机架连轧→连续炉球化退火→∮60mm→取样检验。样品的化学成分见表1。
2 试验方法
为了研究铸造工艺对轴承钢组织和性能的影响，本文分析了连铸材和模铸材各部位即中心、1/4半径处、1/2半径处、3/4半径处以及边缘处的C，S，Si，Mn，Cr，Al，Ti等元素的偏析程度。钢中微量元素的含量见表2。
为了研究铸造工艺对轴承钢组织和性能的影响，本文分析了连铸材和模铸材各部位即中心、1/4半径处、1/2半径处、3/4半径处以及边缘处的C，S，Si，Mn，Cr，Al，Ti等元素的偏析程度。钢中微量元素的含量见表2。
3 试验结果与分析
3.1钢的低倍组织
检验结果表明，∮60mm的连铸棒材一般疏松为0.5级，中心疏松均为1.0级，偏析为0级。∮20mm的模铸棒材一般疏松和中心疏松均为0.5级，偏析为0级。低倍组织见图1。
3.1钢的低倍组织
检验结果表明，∮60mm的连铸棒材一般疏松为0.5级，中心疏松均为1.0级，偏析为0级。∮20mm的模铸棒材一般疏松和中心疏松均为0.5级，偏析为0级。低倍组织见图1。
3.2非金属夹杂物
根据GB/T10561-2005进行非金属夹杂物评定，取6个试样，3个头部3个尾部，结果列于表3。
根据GB/T10561-2005进行非金属夹杂物评定，取6个试样，3个头部3个尾部，结果列于表3。
从表3可以看出，对于A类夹杂物和C类夹杂物，连铸和模铸工艺得到的指标相近。A类夹杂物细系模铸和连铸均为1.0级，粗系均为0.5级。对于C类夹杂物，无论模铸还是连铸，粗系、细系均为0级。对B类夹杂物和D类夹杂物而言，模铸工艺比连铸工艺指标好，模铸工艺的B类夹杂物均匀性好，6个试样的结果均为细系0.5级，粗系0级。而连铸工艺的B类夹杂物均匀性较差，细系既有0.5级又有2级的。对于D类夹杂物，模铸和连铸工艺的指标也比较接近。
3.3碳化物
有带状碳化物、碳化物液析和显微孔隙的试样按下列规程热处理：淬火加热温度820～840℃，淬火加热时间按试样直径或厚度1.5min/mm计，油淬；回火温度150℃左右，回火时间1～2h。试样抛光后深腐蚀，在100倍和500倍下评定。检验结果列于表4。从表4的碳化物检验结果可以看出，模铸工艺的碳化物均匀性比连铸工艺好。
3.3碳化物
有带状碳化物、碳化物液析和显微孔隙的试样按下列规程热处理：淬火加热温度820～840℃，淬火加热时间按试样直径或厚度1.5min/mm计，油淬；回火温度150℃左右，回火时间1～2h。试样抛光后深腐蚀，在100倍和500倍下评定。检验结果列于表4。从表4的碳化物检验结果可以看出，模铸工艺的碳化物均匀性比连铸工艺好。
由于钢液在凝固时的树枝状结晶，先凝固的枝状部分将熔点较低的残余钢液分割在枝晶间，这部分钢液含碳量较高，在Z后凝固过程中形成碳化物析出。因此，无论采用模铸、连铸，无论锭（坯）型大小，都会产生碳化物偏析，只是偏析的部位和程度不同而已。液析碳化物粗大且具有很高的硬度和脆性，易使轴承零件产生淬火裂纹，其危害性相当于钢中的夹杂物，明显降低轴承零件的疲劳寿命。钢中的树枝状偏析在热压力加工过程中被拉伸成高低浓度相间的偏析带，高浓度部分在冷却过程中会析出较多的二次碳化物，形成带状碳化物组织。带状碳化物将对轴承零件的使用性能造成不良影响。试验结果证明，随着碳化物带状偏析程度的加剧，钢淬火加热时的过热敏感性增大，高、低碳带之间的显微硬度差加大。当带状碳化物达到3～4级时，将导致钢材疲劳寿命降低30％。
3.4疲劳寿命
接触疲劳寿命试验在TLP接触疲劳试验机上进行。试验条件为：20号机油润滑，转头转速为2040r/min，接触应力为4508MPa，试验温度为20。测试结果如表5所示。
3.4疲劳寿命
接触疲劳寿命试验在TLP接触疲劳试验机上进行。试验条件为：20号机油润滑，转头转速为2040r/min，接触应力为4508MPa，试验温度为20。测试结果如表5所示。
由表5可知，模铸材的接触疲劳寿命比连铸材的高：模铸材的额定疲劳寿命L10是连铸材的1.33倍，模铸材的中值疲劳寿命L50是连铸材1.22倍。
接触疲劳寿命试验结果与文献报道的结果一致，碳化物平均粒度越小，则疲劳寿命越高，具体数值见表6。有的研究结果表明，碳化物为0.56m的钢的疲劳寿命比碳化物为1μm的钢高2.5倍。
接触疲劳寿命试验结果与文献报道的结果一致，碳化物平均粒度越小，则疲劳寿命越高，具体数值见表6。有的研究结果表明，碳化物为0.56m的钢的疲劳寿命比碳化物为1μm的钢高2.5倍。
4 结论
（1）高碳铬轴承钢模铸材的氧化物夹杂的含量、平均颗粒尺寸和Z大颗粒尺寸均小于连铸材。模铸材B类夹杂物均匀性好，而连铸材B类夹杂物均匀性较差。
（2）模铸材的碳化物均匀性比连铸材好，带状碳化物为1.0级，而连铸材为2.5级。当带状碳化物评级达到3～4级时，将使钢的疲劳寿命降低30％。
（3）模铸材的接触疲劳寿命比连铸材的高，具体为模铸材的额定疲劳寿命L10是连铸材的1.33倍，模铸材的中值疲劳寿命L50是连铸材1.22倍。
（4）传统的模铸工艺虽然成本比连铸工艺的高，但模铸材在内在质量和力学性能方面有优势。
（1）高碳铬轴承钢模铸材的氧化物夹杂的含量、平均颗粒尺寸和Z大颗粒尺寸均小于连铸材。模铸材B类夹杂物均匀性好，而连铸材B类夹杂物均匀性较差。
（2）模铸材的碳化物均匀性比连铸材好，带状碳化物为1.0级，而连铸材为2.5级。当带状碳化物评级达到3～4级时，将使钢的疲劳寿命降低30％。
（3）模铸材的接触疲劳寿命比连铸材的高，具体为模铸材的额定疲劳寿命L10是连铸材的1.33倍，模铸材的中值疲劳寿命L50是连铸材1.22倍。
（4）传统的模铸工艺虽然成本比连铸工艺的高，但模铸材在内在质量和力学性能方面有优势。