山鋼：基于軸承零部件制造的組織缺陷遺傳性關鍵技術研究與產(chǎn)業(yè)化應用
2024-06-27 11:08:16
一、研究的背景與問題
軸承在服役過程中經(jīng)受著反復應力、熱應力及外部環(huán)境的綜合作用，容易出現(xiàn)磨損、疲勞破壞、腐蝕等，導致軸承失效，對軸承鋼生產(chǎn)及軸承加工制造提出了極為嚴苛的要求。
從微觀角度，軸承（鋼）在不同加工階段呈現(xiàn)不同的組織狀態(tài)，并且在整個生產(chǎn)加工鏈條各工藝環(huán)節(jié)具有遺傳性。軸承套圈/滾動體淬火過程過冷奧氏體→馬氏體的生成導致的尺寸變化與熱脹冷縮引起的尺寸變化不協(xié)調(diào)，導致熱處理后尺寸穩(wěn)定性差，給用戶加工過程帶來了不便和難度；同時由于淬火后殘留奧氏體含量較高，回火過程雖然分解了部分殘留奧氏體，但最終仍含有5%以上的殘奧，導致軸承套圈服役過程中發(fā)生殘奧的分解，破壞零件的尺寸穩(wěn)定性，影響服役壽命。
從軸承鋼原材料-軸承零部件加工-軸承裝配和服役過程全生產(chǎn)鏈角度對其微觀組織構成和演變進行系統(tǒng)研究，包括基體組織、殘余奧氏體、夾雜物、碳化物等，揭示組織結構演變的前后遺傳性，對微觀組織構成和演變過程進行精確的定量控制，從而提升軸承尺寸穩(wěn)定性和疲勞壽命，成為軸承行業(yè)亟需解決的關鍵問題。
本項目從軸承鋼原材料-軸承零部件加工-軸承裝配和服役過程全生產(chǎn)鏈角度對其微觀組織構成和演變進行系統(tǒng)研究，揭示組織結構演變的遺傳性規(guī)律，提出流程工藝精確控制關鍵點，對微觀組織構成進行精準控制，從而提升軸承尺寸穩(wěn)定性和疲勞壽命。
二、解決問題的思路與技術方案
基于用戶對軸承（鋼）產(chǎn)品加工過程尺寸穩(wěn)定性、尺寸精度和疲勞性能的綜合要求，從全流程角度對基體組織、殘余奧氏體和碳化物進行精確定量控制，揭示其組織遺傳性規(guī)律，實現(xiàn)殘余奧氏體穩(wěn)定性提升及組織遺傳性的定量控制，明確加工過程微觀相演變（包括球狀碳化物、殘余奧氏體含量與狀態(tài)等）與尺寸穩(wěn)定性和疲勞壽命的關系，提出工藝改進和調(diào)控方向，為工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)和質(zhì)量提升提供精確的工藝參數(shù)指導，實現(xiàn)全生產(chǎn)鏈微觀相構成和演變的定性/定量控制，促進高品質(zhì)、高尺寸穩(wěn)定性、高疲勞壽命軸承產(chǎn)品的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。
圖1 主要研究內(nèi)容和實施技術路線
三、主要創(chuàng)新性成果
1. 高品質(zhì)軸承鋼材質(zhì)控制技術創(chuàng)新。進行了基于用戶應用技術的高品質(zhì)軸承鋼性能-成分設計；開發(fā)了軸承鋼熱加工、球化退火過程的碳化物精細控制技術；構建了連鑄坯-軋材-退火材的組織遺傳性關系，形成了原材料微觀相組織定量精細控制技術。
（1）熱力學平衡相計算及合金元素作用
運用J-Mat pro熱力學軟件，繪制出軸承鋼的相圖。溫度升高至750℃時，基體開始發(fā)生奧氏體化，溶碳能力驟增，碳化物開始溶解（圖2）。
圖 2 不同溫度下軸承鋼的相組成
（2）鑄坯加熱過程微觀相控制
研究解析了不同熱處理溫度時間和不同生產(chǎn)工序下鑄坯微觀組織的變化規(guī)律。研究表明，隨保溫時間延長，越多的碳化物溶于基體，同時也捕捉到微觀組織存在不均勻現(xiàn)象；連鑄坯、軋材、退火材對應的碳化物形貌分別為片層滲碳體（片層間距400nm）、片層滲碳體（片層間距246nm）、球狀碳化物（直徑0.5-2.5μm）（圖3），因此生產(chǎn)工藝參數(shù)精準調(diào)控和合理匹配是軸承鋼微觀相組織定量精細控制的關鍵要素。
圖3 不同生產(chǎn)工序下碳化物形貌對比
2. 高品質(zhì)軸承零部件控制技術創(chuàng)新�；谖⒂^組織定量控制的軸承零部件尺寸穩(wěn)定性控制技術。運用微分數(shù)值分析方法得出軸承鋼/軸承熱處理加熱過程滲碳體和鐵素體的相轉變?nèi)芙鈹?shù)學模型；得出碳化物的體積分數(shù)和直徑隨保溫時間的演變規(guī)律，明確了保溫過程碳化物溶解和擴散的微觀機制。
軸承鋼/軸承熱處理加熱過程中任意一個狀態(tài)都可看成是一個與時間和溫度有關的函數(shù)，應用等溫過程相轉變計算分析的JMAK方程，引入加熱速率對該模型相變動力學參數(shù)的影響，建立實驗鋼加熱過程的相轉變動力學模型；基于界面局部平衡理論，利用DICTRA分析軟件，建立兩相區(qū)保溫過程碳化物溶解模型。
（1）加熱過程相變和相構成的定量計算和表征
研究測定了加熱奧氏體化過程熱膨脹曲線，繪制出時間-溫度的奧氏體化圖（圖4）。研究表明，當加熱速率不同時，各相的轉變開始溫度不同，相轉變溫度區(qū)間有顯著的變化。通過原子層面晶體結構解析模型和數(shù)學模型（圖5）完成加熱相變過程定量解析。
圖 4 加熱奧氏體化過程膨脹曲線、TTA曲線
圖5 加熱過程相變過程定量計算模型
（2）兩相區(qū)保溫過程相構成和演變定量表征
基于已有技術成果理論，定量表征保溫過程中相組成的演變規(guī)律。研究表明，同一溫度下，隨保溫時間的延長，碳化物比例逐漸降低，且尺寸小的碳化物出現(xiàn)的頻率越來越高；同一保溫時間下，加熱溫度越高，碳化物體積及粒子尺寸越�。▓D6）。
圖6 860℃保溫不同時間后的碳化物顆粒統(tǒng)計分析
為驗證動力學模型計算結果，深入解析碳化物尺寸和體積分數(shù)的變化規(guī)律，與實際SEM組織統(tǒng)計結果進行比較分析（圖7），計算結果與實際統(tǒng)計結果變化趨勢相一致，具有較高的吻合性。但總體上來講，實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)略低于模型計算結果。840℃、860℃和880℃熱力學平衡狀態(tài)時，滲碳體的體積分數(shù)分別為3.47%、2.59%和1.41%。840℃保溫時，經(jīng)過2h的保溫，仍未達到熱力學平衡狀態(tài)，而860℃和880℃保溫2h后，滲碳體含量均已達到熱力學平衡狀態(tài)值。
圖7 計算值與實測值比較分析
（3）組織構成和精細表征
研究結果表明，GCr15軸承鋼經(jīng)淬火、回火熱處理，基體馬氏體針之間互不平行，呈一定角度，晶粒大小不均；馬氏體針內(nèi)存在大量的孿晶亞結構將成為回火過程中碳原子聚集和析出部位（圖8）。
圖8 淬火組織及內(nèi)部亞結構
馬氏體內(nèi)部存在高的應變能和界面能，回火處理提高了原子活動能力，使馬氏體內(nèi)過飽和的C原子擴散，經(jīng)160℃回火120min，殘留奧氏體含量由6.31%降低至3.84%（圖9）。
圖9 160℃×120min回火后微觀組織
3. 全流程組織遺傳性控制技術。建立了軸承鋼原材料與軸承零部件的組織遺傳關系，通過改善軸承鋼冶煉-連鑄-控軋控冷工藝，優(yōu)化軸承加工工藝，形成了軸承鋼生產(chǎn)-軸承加工過程微觀組織遺傳性控制技術、軸承套圈加工和熱處理過程高尺寸穩(wěn)定性技術。
GCr15鋼經(jīng)穿管、退火后，細粒狀珠光體組織達到4級，帶狀、網(wǎng)狀均≤1.0級，Ds類夾雜物0.5級，內(nèi)、外表面脫碳層均≤0.2mm，硬度88HRB~90HRB；冷拔管內(nèi)、外表面脫碳層均≤0.12mm，硬度92HRB~96HRB；GCr15鋼經(jīng)鍛造套圈、熱處理后，組織為細小馬氏體＋均勻細小殘留碳化物+少量殘余奧氏體，碳化物尺寸＜0.35μm。
圖10 全流程組織演變
項目研究優(yōu)化了軸承鋼生產(chǎn)、軸承加工工藝技術參數(shù)，制定了全流程加工工藝技術規(guī)范，實現(xiàn)了高品質(zhì)、高尺寸穩(wěn)定性、高疲勞壽命的軸承產(chǎn)品的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。
四、應用情況與效果
本項目依托特殊鋼電爐生產(chǎn)線、山東軸承產(chǎn)業(yè)基地，聯(lián)合山東理工大學、北京科技大學等單位，開展軸承鋼-軸承制造的組織缺陷遺傳關鍵控制技術研究，經(jīng)過系列突破性的技術創(chuàng)新，建立了軸承鋼原材料與軸承零部件的組織遺傳關系，形成了軸承鋼生產(chǎn)、軸承加工過程微觀組織遺傳性控制技術、軸承套圈加工和熱處理過程高尺寸穩(wěn)定性技術，實現(xiàn)軸承鋼及軸承產(chǎn)品綜合性能的顯著提升。
通過創(chuàng)新成果的應用，取得了良好效果：（1）軸承鋼原材料實物質(zhì)量明顯改善，GCr15鑄坯中心碳偏析指數(shù)平均值在1.05以下，中心疏松1.0級、一般疏松0.5級、中心偏析0.5級，合格率100%；（2）GCr15鋼材碳化物液析0級、帶狀≤1.0級、網(wǎng)狀≤1.5級，夾雜物級別總和≤3.0級；（3）GCr15套圈退火后獲得4級細粒狀珠光體，帶狀、網(wǎng)狀均≤1.0級，Ds類夾雜物0.5級，軸承滾動體的加工精度、尺寸穩(wěn)定性大大提高；（4）接觸疲勞壽命L10達到107以上，相關軸承單元制品已應用于工程機械、冶金機械、礦石機械等行業(yè)。
2021~2023年，累計新增產(chǎn)值66133.33萬元，新增利稅15704.04萬元，增收（節(jié)支）經(jīng)濟效益1506.96萬元。本項目研究成果及相關技術有效提升了軸承鋼及軸承產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，經(jīng)鑒定項目技術達到“國際先進水平”，具有廣闊的推廣應用前景，有著巨大的社會效益，對推動我國軸承行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展起到了重要的示范作用。
來源：山東鋼鐵股份有限公司
