摘要：介紹了國內軸承鋼冶煉、連鑄以及軋制方面的新技術，針對目前鞍鋼的軸承鋼生產工藝技術進行述評，并結合鞍鋼軸承鋼的發展計劃對國內發展高端軸承及軸承鋼進行了展望。
關鍵詞：軸承鋼;氧含量;碳化物;控制技術
軸承鋼冶煉主要分為電爐冶煉和轉爐冶煉兩種。電爐冶煉是以廢鋼作為主要原料，加入鐵合金調整化學成分，此類冶煉方式基礎建設投資少，周期短、成本低，在2010年以前是國內生產軸承鋼的主要冶煉方式。但是近年來，國內工業的飛速發展，電能緊張導致工業用電價格飛漲，電爐冶煉生產成本越來越高;加之近年來國內科技日益發展，風力發電、高鐵動車、新能源及航空航天等新興產業領域不斷拓展延伸，對軸承鋼純凈度要求越來越高，而電爐冶煉對控制夾雜物和脫氣方面都有明顯劣勢[1]，轉爐冶煉逐漸成為冶煉軸承鋼的主流方式，推動著國內軸承以及軸承鋼行業在質量方面不斷進步。目前，國內很多企業已經開發出了生產高純凈度、低氧含量的特優級軸承鋼控制技術，產品質量指標可達到國際先進水平。
鋼鐵論文范例： 中國鋼鐵足跡的脫鉤趨勢與演變特征研究
1軸承鋼中氧含量控制技術
軸承鋼全氧含量與其疲勞壽命密切相關，國內生產企業通過控制鋼液中氧來源以減少軸承鋼內氧化物生成數量;煉鋼過程中通過采用先進的脫氧制度，并借助氬氣弱攪拌最大程度去除鋼中的氧化物;采用真空碳脫氧進一步降低鋼中溶解氧，從而獲得低氧軸承鋼。
1.1轉爐冶煉和高拉碳技術
轉爐冶煉采用有害元素含量較低的鐵水作為主要原料，通過鐵水預處理，將鐵水中的硫降至0.005%以下;轉爐過程控制水平較高，并且具有良好的脫磷、脫鈦條件[2];因轉爐吹煉具有原料消耗少、熱效率高、速度快、生產效率高、成本低、易與連鑄相匹配等優點，更適用于高等級軸承鋼的冶煉，特別是轉爐煉鋼趨于大型化、精準化、自動化、綠色化更能夠適應于國內軸承鋼的高質量發展。
國內某大型軸承鋼生產廠家通過技術改造項目，對電爐水冷板上的氧槍進行改造，將原有的電爐改為轉爐，實現零電極消耗，零冶煉電耗，通過加入比例大于85%的鐵水，強化吹氧，依靠碳氧反應產生的熱能進行冶煉[3]。對于轉爐終點碳的控制，德國專注轉爐低拉碳工藝的研究，保證了轉爐脫磷的效果，然后在出鋼時添加增碳劑，提高碳含量。而日本使用“三脫”技術對鐵水進行預處理，少渣冶煉生產低磷低氧高碳軸承鋼[4]。
國內軸承鋼生產企業為了給后續的精煉奠定良好的基礎，需要在轉爐煉鋼時控制高的終點碳，這樣既減少鋼水的氣體含量，降低耗氧量，減少鋼水中氧化物夾雜，又提高了金屬收得率，減少后期的增碳量。因此，高拉碳成為國內軸承鋼轉爐冶煉的方向。由于要求軸承鋼具有較高的硬度，鋼中含碳量需>1.0%，同時要求淬透性良好，并含有細小的碳化物，此外，鋼中需含有1.5%鉻。磷、硫在高碳鉻鋼中非常容易偏析，且對鋼的性能會產生很大影響，而鈦在鋼水中會與氮形成呈明顯幾何棱角，且硬度極高的氮化鈦夾雜物，這種夾雜物是軸承鋼形成內部裂紋的有害物質[5]。
在轉爐冶煉時，低碳狀況下的爐渣才更利于充分脫磷和鈦，這顯然與高拉碳有些矛盾。為了解決這一矛盾，國內生產高等級軸承鋼的企業采用了雙渣法冶煉，在吹煉前期熔池溫度較低的脫磷期，通過放掉含有高磷、高鈦的爐渣，再加新渣料，脫碳升溫，避免在高溫下磷和鈦被碳還原，出現回磷、回鈦現象[6]。出鋼后，由于爐渣中鈦和磷含量較低，留渣進行固化后，開展下一爐冶煉，不僅可以實現較好的脫磷和脫鈦效果，還能節約資源，從而節約生產成本。目前，國內生產軸承鋼先進企業出鋼碳控制在0.5%左右，與國際先進水平0.7%有一些差距。
1.2真空脫氣技術
氧是鋼中非金屬夾雜物的主要來源，所以氧含量是衡量軸承鋼質量的重要指標。爐外精煉是國內生產高純凈軸承鋼的不二選擇，通過使用鋁作為精煉過程中重要的脫氧元素，利用還原渣法進行鋼液脫氧，同時在冶煉過程中可以脫硫和細化晶粒。鋼包精煉及真空脫氣法(LF-VD)因其具有功能齊全、設備簡單、操作靈活等優點[7]，選用電弧加熱補償溫度損傷，底吹氬氣攪拌促進鋼水溫度和成分均勻化，還能調整合金成分、脫氣、脫氧、脫碳、脫硫、去除夾雜物[8]，被國內主要軸承鋼廠家應用。隨著爐外精煉的發展，真空循環脫氣精煉法(RH)逐漸普及。
RH精煉是將真空室直接通過插入管插入鋼液，利用真空泵和氬氣上升形成推力，從而使鋼液周而復始地在真空室內循環。RH脫氣處理能夠脫氣、脫氧、調節化學成分等，處理速度快、反應效率高、操作簡單，可以滿足鋼材多樣化和高質量化的嚴格要求。
而真空脫氣法(VD)由于渣層覆蓋鋼液，脫氣主要在“渣眼”處進行，VD的脫氣速度要比RH慢得多[9]。且VD處理過程中，由于渣層依然保留在真空室內，渣中的氧還會被鋼液反吸收，出現回氧現象。所以，國內軸承鋼企業主要采用RH精煉進行脫氣，特別是對軸承鋼質量指標要求極高的企業，RH法是冶煉特優級軸承鋼的關鍵，經過RH處理后，鋼中溶解氧可以控制到2×10-6以下。目前，國內生產軸承鋼企業可以將鋼中全氧控制到5×10-6以下，與國際先進水平接近。
高端軸承鋼生產技術的關鍵主要集中在鋼鐵冶煉工序，經過多年的發展，摒棄了生產成本高、效率低、不環保的電爐冶煉，使用高爐鐵水進行轉爐冶煉，再配合高拉碳和爐外精煉，已經將高端軸承鋼的全氧含量降至5×10-6以下，鈦含量降至10×10-6以下，DS類夾雜物降低到0.5級以下的國際先進水平。但國內軸承鋼對于全氧、鈦含量的控制還極不穩定，非金屬夾雜物的形態控制和最大夾雜物尺寸控制仍然與國際先進水平有著明顯差距。
2連鑄坯組織控制技術
2.1低過熱度控制技術
軸承鋼含碳量比較高，在1.0%左右，屬于過共析鋼。在連鑄結晶過程中，由于柱狀晶的生長，溶質元素碳和鉻在凝固前沿產生嚴重富集，當含富集的碳量達到2.01%以上，進入共晶區域，產生亞穩態萊氏體共晶[15]，生成一次碳化物，即在鋼液中直接形成的碳化物。這種一次碳化物很難通過后續手段消除，軋后會在鋼材中沿軋制方向呈條狀或塊狀分布，它們顆粒大、硬度高、脆性大，暴露在軸承鋼表面易引起剝落，加快軸承磨損;隱藏于軸承鋼內部，就會成為疲勞裂紋的發源地。這種由于偏析產生的一次碳化物叫碳化物液析[16]。
軸承鋼固液線相差近140℃[17]。當固液界面前沿的溫度梯度足夠低時，固液界面前沿的成分過冷度大于形核所要求的過冷度，新的晶核析出、長大并阻止柱狀晶延伸生長[18]。所以低過熱度會縮短柱狀晶區長度，發展等軸晶區，使鑄坯成分均勻，減輕偏析，從而減少一次碳化物的形成，降低碳化物液析的等級。使用ProCAST對國內某鋼廠現行連鑄參數下的鑄坯進行凝固組織的數值模擬，通過計算不同過熱度對應條件下的凝固組織。
澆鑄溫度低，有利于增加等軸晶率，從而減少碳化物的偏析，降低液析碳化等級。很多軸承鋼廠家為了更好的控制中間包鋼水溫度穩定性，控制較低的過熱度，采用中間包加熱，以補償鋼水的溫降，使鋼水溫度始終保持在目標值附近，利于穩定操作，提高鑄坯質量，一般過熱度可控制在10℃左右;而無中間包加熱的鋼廠過熱度一般控制在30℃左右，兩者差距明顯。
國內多家鋼廠連鑄中間包加熱多采用等離子加熱和電磁感應加熱。等離子加熱是通過一個或多個等離子槍對鋼水進行加熱，它也能夠分別給某一流鋼水加熱，但需要充分混合后將熱量均勻輻射給鋼水[19]。電磁感應加熱可以補償鋼水在澆注初期由于包襯吸熱帶來的鋼水溫降，并使鋼水溫度恢復正常的時間減少一半;電磁感應加熱不但可以穩定中包鋼水溫度，增加結晶器坯殼生長的均勻性，使條紋、起泡等缺陷大幅降低;還可以均勻中包鋼水溫度，利于夾雜物上浮分離，減少鑄坯皮下夾雜1/12~1/4[20]。
2.2末端重壓下技術
連鑄凝固過程中，鋼水的體積會發生收縮，而軸承鋼較高的碳含量會使鋼的總體積收縮率更高。較寬的固液兩相區，也造成鋼水在凝固過程中不易補縮，因而容易形成中心疏松、中心偏析和縮孔等鑄坯內部缺陷，連鑄凝固末端壓下技術是改善鑄坯內部缺陷的一種最有效的方法。
國內廣泛采用水平段壓縮區長度為2~4m的壓縮輥進行輕壓下，以補償最后凝固階段的收縮，有效減少中心偏析[21]，而且可以使鑄坯內部裂紋焊合，提高鑄坯的均勻性和致密性。由于國內企業還沒有真正掌握壓下技術的核心，往往在生產時由于壓下區域和壓下參數不合理，導致鑄坯內部產生裂紋，即使常規的小壓下量也不足以有效減輕大斷面軸承鋼連鑄坯的中心疏松、縮孔和內部裂紋等缺陷。
近年來，有國內企業提出連鑄重壓下技術，利用高溫、高壓條件對大斷面連鑄坯的中心疏松、縮孔和內部裂紋進行焊合;利用大輥徑凸型輥將大部分作用力集中于鑄坯寬面的中心液芯區域，避開已凝固的邊部坯殼;利用鑄坯未完全凝固區和完全凝固區兩段式重壓下技術將總壓下量加大至25mm以上，其壓下量遠大于國內廣泛采用的輕壓下操作。
此技術能夠有效改善鑄坯的偏析、中心疏松和縮孔等缺陷，起到細化鑄坯心部晶粒作用，顯著提高鑄坯均勻性和致密性，從而提高軋材的探傷合格率[22]。隨著凝固理論的不斷進步和連鑄設備的不斷改造更新，國內軸承鋼的鑄坯質量已有很大進步。隨著連鑄設備及操作水平的不斷提高，經過合理的合金化設計，鋼坯的碳化物液析基本被消除，但是比照國際先進水平，國內軸承鋼的低倍組織缺陷，包括中心疏松、中心縮孔以及成分偏析等還有較大差距，組織均勻性也有待進一步提高。
3控軋控冷技術
3.1碳化物控制技術
在連鑄坯的凝固過程中，在最后的凝固區富集了大量的碳、鉻等合金元素和磷、硫等有害元素，在枝晶間隙形成了樹枝狀偏析，經軋制形成合金元素濃度各不相同的偏析帶，并通過冷卻過程析出碳化物，形成碳化物帶狀組織。碳化物帶狀組織會加劇熱處理裂紋敏感度，還會因合金元素濃度不同使組織內部硬度不均勻。此外，顆粒大、硬度高、脆性大的一次碳化物———液析碳化物也會大大降低軸承鋼的接觸疲勞壽命[23]。由于鉻的擴散對溫度最為敏感，為了使含鉻的大顆粒碳化物溶解，必須采用高溫擴散退火工藝，但又要防止溫度過高產生局部過熱或過燒，高溫擴散溫度一般不能超過1250℃，并且進行一定時間的保溫[24]。
國內研究人員通過大量實驗發現，當加熱溫度超過碳化物固相線溫度時，碳化物熔化，擴散效果顯著提高。軸承鋼中含有較高的碳和鉻，碳、鉻富集區域固相線溫度要高于單純碳化物，通過采用分段高溫擴散理論，先將溫度升至稍低的溫度(1100℃左右)，對鑄坯進行加熱預處理，讓碳化物先熔化，使碳元素首先發生快速擴散，連鑄坯中心區域固相線上升，之后在高溫區域(1250℃左右)進行擴散處理，使鉻元素跟隨碳元素更好的擴散。
這種做法與將溫度直接加熱至高溫進行擴散 的方法相比，處理時間明顯縮短，效果良好，并且提高了高溫擴散的處理效率[25]。連鑄大方坯經擴散退火連軋成小方坯后進行高端軸承鋼棒線材的生產時，會將鋼坯內部裂紋、縮孔缺陷在外力作用下縮小，甚至完全壓合，連鑄坯壓下裂紋缺陷可有效消除，同時疏松、偏析缺陷等低倍組織也得到改善[26]。
3.2組織控制技術
軸承鋼中較高的碳在軋后的奧氏體狀態下能夠很容易沿晶界析出二次碳化物，形成網狀碳化物組織，影響軸承使用壽命[27]。為了抑制網狀碳化物的析出，研究人員把工作重點放在了低溫變形上。
在熱軋生產過程中，利用稍低的鋼坯加熱溫度進行軋制，可以防止原始奧氏體晶粒粗大，通過軋制過程中的強化冷卻，將軋件冷卻至奧氏體與碳化物兩相區后進行終軋，使先析出的網狀碳化物形成細小、分散的顆粒狀碳化物，為后續的球化退火做準備。但事實證明，低溫軋制的變形組織不易發生回復再結晶，偏析組織在變形過程中更趨于嚴重，形成帶狀組織，影響軸承的疲勞壽命。低溫軋制對軋機的負荷和設備條件要求都極高。近年來，為了放松設備條件限制，提高生產效率，國內軸承鋼生產廠家不再堅持“低溫軋制”原則，提出高溫變形后超快冷技術，對大斷面鋼材進行多段、分次超快速冷卻，以控制網狀碳化物析出并得到細小片狀珠光體組織[28]。
通過高溫大變形量動態再結晶軋制，可以細化奧氏體晶粒，軋后經多個冷卻水箱以及內部多組平行和串聯的新型冷卻管組成的設備進行急速快冷，并在軋件溫度到達動態相變點后，立即停止快速冷卻，能夠細化珠光體球團直徑，細化珠光體片層間距，抑制網狀碳化物析出，從而改善鋼材的綜合力學性能[29]。國內鋼廠生產高端軸承鋼的主流控制手段是利用高溫擴散和采用較大的壓縮比，通過控制軋制和控制冷卻調整軸承鋼的晶粒度，使晶粒尺寸進一步細化，并對碳化物顆粒的均勻性進行控制，抑制網狀碳化物的生成。除此之外，還要大幅度提高軸承鋼材的韌性，使鋼材更加易于加工，特別是后續的軟化退火等熱處理工藝還有待進一步研究。
4鞍鋼軸承鋼的生產
4.1生產情況
鞍鋼股份有限公司(以下簡稱“鞍鋼”)擁有生產軸承鋼及軸承滾動體用盤條的全套設備，已經對軸承鋼進行了研究開發，并實現了批量供貨，主要鋼種為GCr15和GCr15SiMn的線材和棒材。已積累了大量生產軸承鋼的實踐經驗，但是受煉鋼工藝水平和工裝設備等各方面因素的影響，對鋼中夾雜物、碳化物液析、軋制、中心偏析和中心縮孔，以及產品質量的穩定性、一致性方面較比先進水平廠家均有一定差距。鞍鋼開發軸承鋼等特殊鋼起步較晚，由于主要產品為普通鋼材，沒有專人進行軸承鋼冶煉及軋制的研究與開發，所以在軸承鋼生產方面，經驗略顯不足，特別是高等級軸承鋼的冶煉，落后于國內很多特殊鋼生產企業。
近幾年，鞍鋼通過與國內一流院校合作，將軸承鋼的冶煉、精煉、連鑄、擴散退火、鋼材軋制與控制冷卻等一系列工序進行了技術優化，再通過改進連鑄、連軋等工序的設備，適應特殊鋼的生產要求，從而打造高端軸承鋼產品生產基地。鞍鋼現已成功生產出高級優質級軸承鋼盤條產品，并且各項技術指標還有較大的上升空間，高端軸承鋼產品批量生產指日可待。
4.2發展計劃
2019年以來，鞍鋼在軸承鋼產品研發方面開展產品質量攻關，在氧含量、非金屬夾雜和組織均勻性等方面提出了更高要求，使鞍鋼的軸承鋼產品由低端制造向高端制造轉型，產品控制技術要求方面將呈現以下特點：
(1)成分設計可定制根據軸承鋼用戶提出的軸承使用性能、使用壽命及可靠性等具體條件，利用計算機軟件對軸承鋼的化學成分進行最佳的成分設計，對合金的添加量進行精確的計算，既能保證各項性能指標均能達到用戶的需求，又能控制成本。(2)內在質量高純凈軸承用鋼中的氧含量穩定在9×10-6以下，點狀不變形夾雜物的尺寸穩定控制在Ds≤0級，使鞍鋼制造的軸承鋼產品使用壽命成倍提高。(3)生產過程自動化預計到2025年，鞍鋼軸承鋼將實現整個生產全流程的自動化，由此保證整個生產流程的工藝、操作等方面固化，消除人為因素對產品質量影響。(4)產品質量一致化依靠資源調控和設備投入，打通高等級軸承滾動體用盤條的生產工藝路線，解決潔凈度控制、鑄坯質量控制、軋制過程組織和表面質量控制等關鍵問題，實現高端產品批量生產。
5總結與展望
近年來，為了追求軸承鋼的高質量和低成本，國內軸承鋼廠家開始強調更加純凈的原輔材料和更大容量的冶煉爐。在連鑄方面，各大廠家越來越重視中間包鋼水大容量化和中間包溫度場分布與流場控制，追求鋼水液面的穩定以及更低的過熱度澆注;連鑄過程中為了更好控制軸承鋼鋼坯的組織均勻性，二冷區采取更均勻的霧化冷卻方式。
有的先進企業采用真空感應爐加電渣重熔技術來提高軸承鋼的金屬純凈性，使其組織致密、成分均勻、表面光潔，生產的軸承疲勞壽命大幅提高。隨著科技的進步，軸承使用領域逐漸拓寬，服役環境日趨嚴峻，對其疲勞壽命和耐特殊環境的要求也日益增高，低端軸承必將被工業發展的歷史所淘汰。
國內高端軸承和大型軸承方面與國外相比存在較大差距，主要表現在：夾雜物的形態、數量、組成、尺寸以及分布等方面控制極不穩定;在鋼種數量、產品表面質量、內部質量以及熱處理設備和加工工藝等方面還有很多不足;國內軸承棒材比重很大，而管材、線材、帶材比重偏低。仍需大量進口高端軸承和有特殊性能的軸承。高端軸承生產已經成為了國內發展的“卡脖子”難題，這使國內高端制造業缺少了有力保障。中國工業正在向高端邁進，繼續提升國產軸承及軸承鋼檔次勢在必行。
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作者：徐曦1，劉祥1，秦桂偉2，安繪竹1，任玉輝1，尹一1
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