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轴承钢的生产现状与发展

首钢技术研究院

2003.10

1 前言
滚动轴承是重要的机械基础件，在宇航、军工、机械制造、铁路运输以及汽车制造等行业中应用十分广泛。它在很大程度上决定了装备的精度、性能、寿命与可靠性。轴承钢是重要的特钢品种，其纯净度和组织均匀性是影响轴承寿命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的GCr15滚珠轴承钢是专用钢中质量要求最为苛刻的钢种，该钢种是19世纪末发明的，100年来，成分基本没变化，而质量提高了很多，它是发达国家中在生产、科研方面投入人力、物力最多的钢种，一向被认为是高质量钢的代表。其冶炼方法，从30~40年代传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，60年代的钢包滴流脱气法和真空循环脱气法(RH)精炼，发展到今天的综合炉外精炼工艺(LF+RH、LF+VD等)，使钢中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲劳寿命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公认的轴承及轴承钢生产“王国”，质量居全球之冠，它们80年代创建的SKF-MR法(MR是熔炼加精炼的意思)，使轴承钢的氧含量达到10×10－6以下，日本山阳特殊钢公司从60年代起经过整整30~40年的努力，到80年代末，最终形成了90tEAF-LF-RH-CC工艺生产轴承钢，氧含量达到5.0×10－6左右。
经过几十年的发展，中国目前不仅已经成为轴承钢生产大国，形成了几条轴承钢生产工艺路线，即EF＋LF＋VD、EF＋VAD、EF＋吹氩或喂丝工艺路线等，年产轴承钢80万吨左右（日本60万吨、瑞典70万吨），基本能满足国内市场的需求，并有少量出口；而且其内部质量也接近或达到国际水平，如氧含量降到了10×10－6左右。但是国产轴承钢与瑞典SKF、日本山阳等先进厂家相比还存在一定差距，主要表现在以下三个方面：一是钢中微量杂质元素含量偏高；二是表面质量差(包括尺寸精度、表面裂纹和脱碳等)；三是内部质量不稳定，波动范围大。
2 轴承的工作环境及对轴承钢的性能要求
2.1工作环境
轴承是由内、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱或滚针）和保持器四部分组成，除保持器外，其余都是由轴承钢组成。当轴承工作时，轴承内、外套圈，轴承滚动体间承受高频、变应力的作用。轴承的工作条件十分复杂。载荷集中作用在滚动体的很小面积上。理论上讲对于滚珠，作用在一点上；而对于滚柱则作用在一条线上，并且滚动体与套圈间接触面积也很小（呈点/线接触），因此轴承零件在工作时，其滚动体和套圈表面的单位面积上要承受很大的压力，一般高达1500－5000N/mm2；轴承旋转时，还要承受离心力的作用，作用力随转速的增加而增大；滚动体和套圈间不仅存在滚动，而且还有滑动，所以在滚动体与套圈之间还存在着摩擦。在以上几种力的综合作用下，在套圈或滚动体的表面上抗疲劳强度低的部位首先产生疲劳裂纹，最后形成疲劳剥落，使轴承破损失效。轴承正常的破损形式是接触疲劳损坏，常见的还有塑性变形、压痕、磨损、裂纹等。
2.2性能要求
轴承的寿命和可靠性虽然与轴承的设计、加工制造、润滑条件、安装、维护保养等因素有关，但轴承材料的高质量和可靠性是关键。基于以上对轴承的工作条件和破损的分析，对轴承钢的性能应有如下要求：
(1)高的纯净度和高均匀性；
(2)足够的抗压强度和抗永久变形能力；
(3)优良的接触疲劳性能；
(4)高的耐磨性；
(5)良好的尺寸稳定性；
(6)良好的工艺性能。
对于在特殊条件下工作的轴承，还有特殊要求，如耐高温性能、耐低温性能、防腐蚀性能和抗磁性能等等。
3 微量元素对轴承钢质量的影响
3.1氧

图1 氧含量与寿命的关系
瑞典SKF公司和日本山阳特殊钢公司对轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系，做过大量的试验研究工作，得出了明确的结论，见图1～2。Lund.T.等认为疲劳寿命与氧含量的关系为L10(相对寿命)=372〔O〕－1.6，即二次精炼钢（氧含量为10×10－6）的疲劳寿命是大气下熔炼钢（氧含量为40×10－6）的10倍。上杉年一认为：精炼钢氧含量降到5×10－6，其疲劳寿命是非精炼钢的30倍，与真空自耗和电渣重熔钢相当。大冶特殊钢股份有限公司近年来对此也做过一系列试验[15]，结果表明，当精炼钢中氧含量降到20×10－6时，疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢（氧含量为30×10－6）的1.5倍，15×10－6是2.0倍，8×10－6是3.0倍，接近电渣重熔钢的水平（见图2）。

图2 氧含量与疲劳寿命
轴承钢中的氧含量与疲劳寿命之间的关系，国内外的试验结果大体一致。但是应当指出的是，氧含量与疲劳寿命的关系是辩证的关系，不是绝对的，因为钢中氧含量的高低，实际上只能代表钢中氧化物夹杂数量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用说夹杂物的尺寸及分布了。通常，一个轴承件的破坏，往往是由许多夹杂物中的一个大型夹杂物引起。这些夹杂物有硫化物（A类）、氧化物（B、C、D类）和氮化物。从这个意义上说，夹杂物的尺寸与分布对疲劳寿命影响最大。因此，不同的冶炼方法，氧含量即使相同，其疲劳寿命也完全不一样。图3表示各种不同炼钢方法生产的轴承钢弯曲疲劳极限与氧含量的关系，可以看出氧含量大约为20×10－6的钢材（LD＋RH）疲劳极限相当好，而采用硅钙处理的钢材(EF＋RH)尽管氧含量很低，5~10×10－6，由于其形成了危害严重的CaO类夹杂，疲劳极限并不高，冶钢公司的试验也证明了这一点，虽然电渣重熔钢的氧含量(18.6×10－6)和夹杂物含量较高，但它的夹杂尺寸细小，分布均匀，它的疲劳寿命比低氧含量(8.2×10－6)炉外精炼钢高。
据此，只能将氧含量看作是特定工艺范围内疲劳极限的一个相关参数。只有在同一冶炼方法和大量试验条件下，才有可能确定氧含量和疲劳性能之间的关系。
3.2硫

图3 不同炼钢工艺的GCr15钢中总氧含
量与弯曲疲劳极限的关系

图4 硫化物阻止蝶形开裂萌发一例(只有
单翼的蝶裂)
峰公雄认为：，硫对性能没有影响。关于硫对疲劳寿命的影响，目前还存在着意见分歧，归纳起来有以下三种观点[16~20]：一种认为适当提高钢中硫化物含量有利于寿命的提高；另一种观点认为硫化物含量增加会降低寿命；还有一种观点则认为硫化物含量与疲劳寿命关系不大。认为硫化物有益的观点，常用“共生理论”来解释之。这种理论认为钢液在凝固过程中，低熔点的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包围氧化物的共生夹杂，它能够松弛拉应力，并能够进行协调变形，从而减少氧化物的有害作用，但是这种理论是建立在钢中氧化物夹杂较多的前提下。从本世纪70年代初期以来，许多研究结果都指出适当提高钢中MnS类硫化物的含量对滚珠轴承的接触疲劳寿命至少是无害的，甚至是有益的。Tricot认为蝶形裂纹源总是以氧化物夹杂为核心，他报道过一个只有单翼的蝶形裂纹源，另一翼之所以没有形成，是因为该处有硫化物包覆于氧化物上(见图4)。Eneke也持相似的观点。他认为：当氧化物夹杂全部为硫化物包覆时，滚珠轴承的接触疲劳寿命最长。瑞典SKF公司曾经是世界上最高质量滚珠轴承钢的生产者。当时他们的产品主要是在酸性平炉中用硅还原法冶炼的。其氧含量约为25~50×10－6，硫含量在0.018%以上。和碱性电弧炉钢比较，其特点之一是90%的夹杂为硫化物和氧硫化物。按上述研究，这被认为就是其寿命高的原因。但必须看到，这些观点只在有限的条件下才值得重视。一方面，是因为硫化物包覆氧化物并非仅靠控制氧硫比就一定能实现。凝固速率也会影响硫化物在氧化物上析出的过程。在热加工和热处理温度下，已形成的硫化物“膜”有可能部分再次溶于钢的基体。由于硫化物和氧化物变形抗力的差异，热加工时“膜”还可能被挤掉，这些因素对高硫轴承钢寿命测定值分散度大看来是有影响的。另一方面，所谓用硫化物包覆氧化物可提高滚珠轴承的寿命只是相对的。即硫化物的危害性相对于氧化物的较小一些。然而不可否认它也是杂质，同样也会破坏钢基体组织的连续性与均匀性。随着酸性平炉的逐渐淘汰及炉外精炼技术的广泛应用，现在滚珠轴承钢的含氧量水平已可降到5×10－6，氧化物夹杂大大减少。Cogne等指出[18]：在这种条件下硫化物的破坏作用自然也就会显现出来(见图5)。Tardy等发现实际上有两个影响因素：[%O]和[%O]/[%S]。[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接触疲劳寿命高。

图5 夹杂物类型对轴承钢的有害程度
但值得注意：硫与氧相似，它也只能代表钢中硫化物夹杂的数量，不能代表其尺寸和分布。这是由于钢中硫化物含量较低，绝不意味着大颗粒夹杂物完全消失，因为钢在凝固过程中，夹杂物存在着聚集、长大的条件。特别是硫化物夹杂，由于它容易产生偏析，其尺寸的大小与钢锭的重量、钢液的浇铸温度更为密切。例如日本山阳特殊钢公司已将钢中的硫含量降到了很低的程度(0.002％)，但它的硫化物级别并不很低，平均为1.34级。现在有些特殊用钢，为了有利于切削加工，要求钢中含有一定数量的硫(0.02~0.06％)，同时要求其硫化物细小分散，级别要低。因为要改善钢中硫化物的尺寸和分布，使其变得细小分散，必须注意凝固条件，应尽量将浇铸温度降低，以减少硫化物偏析。
3.3钙
钙在轴承钢中主要是以铝酸钙、硅铝酸钙、硫化钙等形式存在。这种夹杂物与其它夹杂物不同，热加工时既不变形，也不会破碎。在球状夹杂两侧经常可以看到“孔穴”，此处较易造成应力裂纹。在氧含量很低的轴承钢中，钙可部分替代硫化锰中的锰。富钙硫化物的韧性很差，同氧化物相似，起产生裂纹的作用。
含CaO的点状夹杂物经常是轴承钢产生裂纹的源泉，佩特尔森(Peterson)根椐点状夹杂就是裂纹的假设。提出了下列疲劳极限与夹杂尺寸的关系式：
(1)
式中：SN：疲劳极限，MN/m2；
Rm：材料的抗拉强度，MN/m2；
a： 点状夹杂的周长，um；
R：点状夹杂的半径，um。
利用上式所作的预测值和实测结果基本吻合，由此证明点状夹杂的确是轴承疲劳寿命降低的直接原因，夹杂尺寸愈大，疲劳寿命愈短。
对有些钢种而言，为了提高钢材的机械加工性能，并改善非金属夹杂物的形态与分布，在冶炼过程中有意向钢中加钙。但对轴承钢而言，残留钙不是有意添加的，而是来源于与钢水接触的熔渣和炉衬。轴承钢如果采用Ca或Ca－Si脱氧，钢中必将产生危害性极大的D类球状夹杂物，使其疲劳寿命大幅度降低。因此，在很多国家的轴承钢标准中都规定(如瑞典SKF、美国ASTM标准等)，不能用Ca或Ca－Si脱氧。
3.4其它残余元素
关于滚珠轴承钢中的有害元素，除了氧、硫、钙之外，近来钛与氮也备受关注，因为它引入TiN夹杂，其危害甚至比等粒度的刚玉更大(见图5)。Cogne等和坪田等认为Ti含量超过30~50×10－6时疲劳寿命开始下降。关于轴承钢中氮和钛形成氮化钛夹杂的条件以及如何控制氮化钛的尺寸和分布还没有文献报道，有待今后研究。
由于没有可靠的检测方法，对于残余元素如砷、铋、铅、锑和锡等对轴承钢寿命的影响报导很少。对于杂质元素铝、铜、钼、镍、钒与轴承疲劳寿命间的关系研究表明[14]：为了获得高疲劳寿命的轴承钢，其杂质元素的相对量必须符合下述条件。
(2)
滚珠轴承钢有白点敏感性，钢中氢增加会导致疲劳寿命下降。磷会促进加热时晶粒的长大，使钢脆性增加而强度降低，易于在淬火时开裂。镍会降低滚珠轴承淬火层的硬度。铜会引起失效。
由于残余元素的有害作用，为了提高轴承钢质量，国外在标准中对残余元素有明确的规定，如SKF D33“SKF3热轧球化退火钢棒”标准中规定Ti≤30ppm；As≤0.04%；Sn≤0.04%；Sb≤0.03%；Pb≤0.002%；T.O≤0.0015%。在80年代末90年代初，德国FAG轴承公司、日本NTN和NSK等公司的轴承钢交货标准规定Ti≤30ppm、T.O≤15ppm、[S]≤0.008%。

4 夹杂物对轴承钢质量的影响
4.1夹杂物类型和数量对疲劳寿命的影响

图1.6 D型和B型夹杂的弯曲疲劳
强度的失效分布
钢中的非金属夹杂物，破坏了金属的连续性和均匀性。在交变应力的作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低钢的疲劳寿命。但是不同的夹杂物类型、形态、数量、尺寸和分布，对钢的疲劳寿命影响是不相同的。不同类型的夹杂物在轧制时表现为不同的形状。脆性夹杂物(如Al2O3夹杂)一般沿轧制方向排列成串状或点链状；塑性夹杂物(如硫化物)呈连续性分布；点状(或球状)夹杂物在热加工时不变形；即不同类型的夹杂物，具有不同的热应力变形能力。硬脆夹杂物不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。有时在变形时，这些夹杂物还能将钢的基体划伤。显微观察表明，在点状不变形夹杂物的周围，常常发现有喇叭形的空洞和裂纹。这种空洞引起“划伤”往往就是疲劳破坏的“胚芽”，因此点状夹杂物危害极大。大量的试验工作证实了脆硬夹杂物的危害性。图6是含D类(点状)和B类(Al2O3)夹杂物钢的弯曲旋转疲劳性能与失效率的关系。从图中可以看出，D类夹杂物比B类夹杂物的危害大得多。氮化钛夹杂物也是一种具有规则外形的硬而脆的夹杂物，氮化钛夹杂甚至比氧化物更为有害。与脆硬性夹杂物相比，塑性夹杂在热变形时，能够与基体协调一致的变形，不会导致严重的局部应力集中，使疲劳裂纹萌生期延长，因而塑性夹杂物对疲劳寿命的影响远远小于脆硬性夹杂物。
以上说明，非金属夹杂物对轴承钢性能的有害影响因素，归纳起来，可以分为两个方面。首先是夹杂物的种类和数量，其次是它们的几何性因子(粒度、形状、分布等)。

4.2夹杂物尺寸和分布对疲劳寿命的影响
关于夹杂物的几何性因子对滚珠轴承接触疲劳寿命的影响，历来试验结果和理论分析是一致的。分布越均匀越好。因为每个夹杂物周围都有应力场，两夹杂物过于靠近则两应力场就会叠加起来。形状越尖锐或粒度越大越不利，因为应力集中系数较大。这种观点不错，但再深入一步，还要看到夹杂的几何性因子在某种程度上是由夹杂类型决定的，例如刚玉常呈点链状分布或簇状分布的碎屑。
综上所述，夹杂物对疲劳寿命的影响是一个复杂的课题，它包括夹杂物的数量、成份、形貌、尺寸和分布等的影响。有时甚至后者影响更大，因为通常一个轴承件的破坏，往往是由许多夹杂物中的一个大型夹杂物所引起的；夹杂物的形状多种多样，有圆形和方形，有条状、角状和链状等不规则形状。一般认为细条状塑性夹杂物的危害小，尖棱状硬脆性夹杂危害最大，因为它容易划伤金属基体和引起应力集中。同一个夹杂物，由于离开表面的距离不同，其影响程度也不一样。一般认为，裂纹出现在切应力最大处(离表面约0.35~0.55mm)。夹杂物离开这个位置越远，其危害就越小。夹杂物粒度对轴承寿命的影响，也会随夹杂的位置不同而有所区别。因此为了改善轴承钢的质量，应尽量将钢的各类夹杂物(包括A、B、C、D类和氮化物)含量降低，尺寸变小，分布更均匀，最终达到提高轴承寿命的目的。
5 碳化物对轴承钢质量的影响
碳化物对疲劳寿命的影响是十分明显的。特别是随着冶炼、浇铸等技术的进步，在钢中氧含量及氧化物夹杂含量极低的情况下，碳化物的作用就显得更为重要了。
5.1碳化物颗粒大小及分布的影响
碳化物的颗粒大小、形状、数量及分布状况都影响疲劳寿命。轴承厂要求轴承钢材中碳化物颗粒细小，形状规则，而且分布均匀。当存在粗颗粒碳化物时，钢的淬硬值、压坏值、转动疲劳寿命都要恶化。J.E.梅雷廷恩和J.F.修厄尔在测定疲劳寿命与碳化物颗粒大小与分布的关系的试验中发现，碳化物细小，分布均匀，疲劳寿命较好(见图7)。对于碳化物的不均匀性常用碳化物颗粒平均间距(MSP)来衡量，日本不二越钢厂在研究轴承钢的碳化物时，测定了MSP与疲劳寿命的关系，并建立起碳化物颗粒平均距离(MSP)与疲劳寿命的回归方程：
Y=435.12×106－98.25×106 χ (8)
式中：Y：疲劳寿命；
χ：碳化物颗粒平均距离，um。

图7 细小或粗大球化退火组织的疲劳结果
线A－细小球化组织的；线B－粗大球化组织的
文献[40~42]报道用型号6305的滚动轴承的内外套圈作试样[40]，在承受径向交变负荷的寿命试样机上做了试验。结果表明，碳化物颗粒最大和最小两者之间的平均寿命相差大约2.0倍。用碳化物颗粒为0.9~1.4um的各种环形试样作寿命试验，结论是：碳化物颗粒间平均距离的对数的倒数和疲劳寿命呈直线关系，即碳化物颗粒越细小，寿命越高。大泽近藤也做了同样的试验，得出结论：具有细球状碳化物(平均直径0.5~1.0um)材料寿命为粗颗粒碳化物(平均直径2.5~3.5um)材料的1.5倍。也有人用平均碳化物颗粒分别为0.6um和1.4um的细颗粒和粗颗粒碳化物的钢，将马氏体含碳量固定在0.5%，做推力片寿命试验，试验结果表明：细颗粒材料比粗颗粒材料显著要好，平均寿命(L50)大约为2.5∶1，之所以粗颗粒碳化物比细颗粒碳化物寿命差，他们认为：轴承钢在淬火温度下，奥氏体的含碳量不是充分均匀的。在碳化物附近的奥氏体和远离碳化物的奥氏体之间存在着碳的浓度差。碳化物颗粒越大，这种浓度差也越大。而浓度高和浓度低的地方寿命都不好，这样平均寿命自然也低。
5.2带状碳化物的影响
带状碳化物是由枝晶偏析引起的。前苏联学者研究了带状碳化物对轴承钢疲劳寿命的影响。他们将直径为100mm的GCr15SiMn棒料(中心区带状组织评级为3.5级、边缘为2级)在1150℃扩散退火15h，得到带状组织小于0.5级的钢棒；以未经扩散退火的直径为100mm的钢棒改锻为60mm，在790℃进行球化退火；再将两者一同加工成疲劳试样进行试验。结果表明：扩散退火使纵向和横向试样的接触疲劳强度大大提高。如果把带状3.0~3.5级试样的寿命作为100%，则带状为0.5级的纵向寿命为166%，横向为388%。
5.3网状碳化物的影响
网状碳化物是在热加工变形后的冷却过程中形成的，如果在800～900℃之间冷却速度太慢，则溶解在奥氏体中的碳有足够动力和充分的时间扩散到奥氏体晶粒的边界上析出。最终在钢中呈沿晶的网络状分布。关于网状碳化物对性能的影响，研究的不多。A.T.斯别克托尔研究发现，随网状级别的增加，接触疲劳强度下降。冶钢公司一组GCr15钢氧含量为 14×10-6，碳化物网状为1.5级，与SKF一组相同牌号钢氧含量为8×10-6，网状为3.0级的钢材对比。大冶材的接触疲劳寿命L10、L50分别为SKF的1.67和1.74倍。
5.4液析碳化物的影响
液析碳化物与带状碳化物的起因相同，都起源于枝晶偏析。当偏析严重达到共晶成分时，形成共晶碳化物。液析碳化物的影响与带状碳化物大体相当。由于起因相同，减轻和消除的方法也相同。
5.5残余碳化物含量的影响
用轴承钢加工成轴承，必须在淬、回火状态下使用，此时钢具有混合组织，通常含有80%(体积比)的马氏体，5~10%的残余奥氏体和7%左右的未溶/碳化物—残余碳化物。残余碳化物的含量同样影响疲劳寿命。有的研究结果指出，残余碳化物的含量为7~8%时，寿命最长。但这种试验结果是用含碳量一定的钢(1.0%C)，在不同温度淬火条件下进行实验得出的。由于淬火加热温度不同，残余碳化物数量固然有变化，但同时马氏体的含碳量也在变化，而马氏体含碳量对疲劳寿命有显著影响。因此，残余碳化物含量为7~8%时是否寿命最高，这一结论还是一个问题。日本学者用其它成分和GCr15相同，而含碳量在0.70~1.17%之间变化的钢，对其进行适当的热处理，使马氏体中的含碳量保持一定，均为0.45%，在这样的条件下研究残余碳化物含量对疲劳寿命的影响。结果表明，残余碳化物含量由10.5%减少到4.5%，疲劳寿命提高。研究造成疲劳剥落区附近的显微组织时发现，疲劳裂缝都是在碳化物和马氏体的界面上传播的。这是因为碳化物和马氏体交界处碳浓度高，易引起应力集中，从而产生裂纹。残余碳化物一旦增加，碳化物和马氏体的界面增加，于是材料发生破裂的危险也增加。由此可以推断出，增加残余碳化物会造成疲劳寿命降低。但完全不存在残余碳化物也不行，从耐磨性角度考虑，为了防止晶粒粗大引起疲劳寿命降低，存在一定数量的残余碳化物是必要的。
6 国外轴承钢发展概况
6.1工艺及质量水平
发达国家对于轴承钢的生产及其科研极为重视，其中以瑞典、日本、德国等国表现突出。它们的轴承钢生产状况体现了当今世界轴承钢生产质量的水平和方向。由于不断采用新技术，轴承钢的氧含量及其它有害元素含量不断下降，疲劳寿命不断提高。瑞典是世界轴承钢及轴承的生产“王国”，历史悠久，产品质量居世界之冠。日本则大有后来居上之势，经过30~40年的努力，加强科研，引进先进技术及装备，优化工艺，使轴承钢的质量跃居世界先进行列。

通过近100年来的发展，轴承钢的生产工艺经过了几次大的变化。其冶炼方法，从30~40年代传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，60年代的钢包滴流脱气(SLD)和真空循环脱气法(RH)精炼 ，发展到今天的综合冶炼工艺，生产工艺复杂，设备较多，但归纳起来只有三种：一是电炉流程：即电炉－二次精炼－连铸或模铸－轧制；二是转炉流程：高炉－铁水预处理－转炉－二次精炼－连铸－轧制；三是特种冶金：真空感应熔炼(VIM)、电渣重熔(ESR)等－轧制或锻造。一般生产普通用途轴承钢采用电炉流程或转炉流程；对特殊用途轴承钢(如航空轴承等)，则采用特种冶金流程生产。表1~2列出了世界典型轴承钢生产厂的生产工艺及质量。下面以瑞典SKF公司、日本山阳特殊钢公司和德国克虏伯钢公司为例说明轴承钢生产工艺的发展及现状。

表1 世界各主要轴承钢生产厂的生产工艺及钢中微量含量元素

国家
厂名
生产工艺
T.O
×10-6
Ti
×10-6
Al
%
S
%
P
%
瑞典
SKF
EAF-除渣-ASEA-SKF-IC(4.2t)
8.1
13.4
0.036
0.020
0.008

日本

山阳
90tEAF-倾动式出钢-LF-RH-IC
90tEAF-倾动式出钢-LF-RH-CC
90tEAF-偏心炉底出钢-LF-RH-IC
8.3
5.8
5.4
14~15
0.011~ 0.022
0.002~ 0.013
—

日本
神户
铁水预处理-转炉吹炼-倒包除渣-ASEA-SKF-CC(立弯式大截面坯)
9.0
15
0.016~
0.024
0.0026
0.0063
日本
爱知
80tEAF-真空除渣-LF-RH-CC
7.0
15
0.03
0.002
0.001
日本
和歌山
转炉-CC
转炉-RH-CC
10.0
6.0
22
12
—
—
0.008
—
—
—
日本
高周波
EF-ASEA-SKF
EF-ASEA-SKF吹Ar
9.0
5.0
20
9
0.015
0.014
0.007
0.014
0.014
0.008
德国
蒂森
高炉-140t转炉TBM-RH-喂丝-IC
高炉-140t转炉TBM-RH-喂丝-IC
12.0
12.0
－
－
－
－
－
－
－
－

6.2瑞典轴承钢的生产技术现状
SKF公司是世界上著名的跨国集团公司，经营项目很多，主要包括：机械设备、轴承、钢材等。其中SKF轴承公司是世界上最大的轴承公司，它有Hofors和Hellefors两个炼钢厂，是欧洲轴承钢的主要生产厂家，年生产直接还原铁50000t，钢锭700000t(几乎全是轴承钢)。60年代以前，轴承钢采用酸性平炉生产，完全不存在点状(D型)氧化物夹杂，有着极其一致的纯净度，因而具有良好的耐疲劳性能。但是由于酸性平炉不能去除磷和硫，对原材料要求极为苛刻，生产效率低，在激烈的竞争机制中很难满足需要。

表2 非金属夹杂物评级
厂名
工艺

非金属夹杂物分类评级

A
B

C

D

细
粗
细
粗
细
粗
细
粗
SKF
100tEAF-ASEA-SKF-IC
1.32
0.79
0.88
0
0
0
0
0
山阳
90tEAF-TST-LF-RH-CC
90tEAF-EPT-LF-RH-CC
1.34
1.35
0.10
0.12
0.72
0.17
0
0
0
0
0
0
0.98
0.90
0.37
0.04
蒂森

EAF-RH-IC
TBM(转炉)-RH-IC
TBM-RH-CC
TBM-RH+Ca

1.4
1.5
1.3
1

0
0.1
0
0.2

1.0
1.2
0.7
1.0
0
0.2
0.22
0.5

图8 SKF公司轴承钢生产工艺
和钢中氧含量的变化
因此，60－70年代，采用碱性电弧炉配合DH脱气处理，但由于没有加热手段，DH脱气钢质量分散性较大，氧含量波动在25×10－6左右。在此期间(60年代中期)SKF公司与ASEA电气公司共同开发了ASEA－SKF桶炉真空精炼法，又称SKF－MR法。SKF－MR法是SKF熔炼加精炼的意思，是一种两步炼钢法。由一个在氧化条件下快速熔炼的SKF双壳炉体和一个在还原条件下精炼的ASEA－SKF桶炉所组成，双壳炉体是带有两个炉壳的电弧炉，它有两个可以旋转的炉顶，共用一套电极升降装置、一套电源。这种双壳炉体的目的是为了尽可能利用变压器的最大功率。在一个壳体内熔炼的同时，在另一壳体内进行其它操作，包括出钢、补炉、装料及废钢预热。在出钢至ASEA－SKF钢包之前，在双壳炉体内将磷的含量降至允许值以下。ASEA－SKF桶炉则由一个钢包和钢包车、一个带电极的炉顶和一个真空炉顶组成，并配备电磁搅拌器，可在桶内进行诸如除渣－电磁搅拌－加热－脱氧－合金化－脱硫－脱碳(也可在真空下)－真空脱气－浇铸(模铸，也可以连铸)等不同的冶炼工序。这意味着除了脱磷以外， 熔炼以后的所有正常的精炼工序都可以在桶炉内完成。到70年代中期，采用双壳炉与桶炉配合，即电弧炉初炼，真空脱气(包括真空碳脱氧)，电磁搅拌然后再进行钢包电弧加热，氧含量降到20×10－6左右。70年代中到80年代初，SKF公司对工艺再一次进行改革。改革的重点是针对脱氧制度和操作顺序，上个阶段主要是采用真空碳脱氧，它是将初炼钢液放入精炼钢包，不加铝脱氧，在真空下进行电磁搅拌，利用钢液中的碳含量在真空下脱氧，精炼结束前加铝补充脱氧，然后加热将钢液调整到浇铸要求温度。经过研究，SKF公司发现，真空碳脱氧工艺时间长，效率不高。于是他们着手进行将初炼钢液先用铝沉淀脱氧，再在非真空下进行电磁搅拌去除夹杂的试验工作，为了比较真空脱气和非真空精炼的SKF－MR钢的纯净度，他们对SKF3钢(相当于我国GCr15)进行了系统的研究。结果表明，在桶炉内事先用铝沉淀脱氧比真空碳脱氧获得更一致的氧含量和夹杂物含量，因此，SKF公司自80年代以来，SKF3钢一般情况都用非真空精炼，这是SKF工艺的一大显著特点。图8是SKF公司从60年代中期酸性平炉工艺过渡到碱性电弧炉的各个阶段SKF3钢氧含量的变化。从图8中可以看出，由于脱氧制度的改进，即由真空下的碳脱氧制度改为在非真空下事先用铝沉淀脱氧，然后进行强烈的电磁搅拌精炼，氧含量由20×10－6左右降到10×10－6左右。在80年代中后期，SKF公司还进行过电磁搅拌与氩气搅拌对比试验，结果表明电磁搅拌工艺的氧含量保持在7.5~12×10－6，氩气搅拌的氧含量在8.5~15×10－6之间，因此，他们认为电磁搅拌方式优于氩气搅拌方式。
到目前为止，SKF公司轴承钢生产工艺采用以下模式：BEA(碱性电弧炉)－除渣－加Al脱氧－合金化－加热－脱硫－真空或非真空下电磁搅拌＋吹氩搅拌－钢锭模铸(下注4.2t锭)。所谓优化工艺，那就是由原来的真空碳脱氧制度改为铝脱氧加电磁搅拌和吹氩搅拌，使脱氧产物(主要是Al2O3及其它夹杂物)充分上浮，80年代中后期以来，SKF公司生产的高碳铬轴承钢氧含量已基本上稳定在10×10－6以下。研究SKF公司轴承钢生产工艺的演变，发现它有一个并非鲜为人知的特点，那就是SKF工艺是由酸性平炉过渡到今天的碱性电弧炉加上炉外精炼。而碱性电弧炉，经炉外精炼与酸性平炉冶炼的轴承钢一样完全不出现含CaO的球状不变形夹杂物，这是SKF工艺的最大特点(见表2~3)。
6.3日本轴承钢生产技术现状
从60年代以来，特别是近十几年以来，日本各个轴承钢生产厂家广泛采用新工艺、新技术和新装备，轴承钢质量已跻身于世界先进水平。近十年来日本轴承钢的产量一直保持在600,000t左右，成为轴承钢生产大国。山阳轴承钢的质量居日本之首，氧含量达到5.4×10-6，下面就其生产工艺和质量水平作一简介。日本山阳特殊钢公司是世界上著名的特殊钢生产厂家之一，以生产轴承钢钢管著称。1939年日本政府指定山阳为轴承钢专业厂，1959年改称为山阳特殊钢公司。通过几十年的发展，山阳特殊钢公司现在年产粗钢978,000t ，轧材696,000t(月产棒材40,000t，钢管13,000t，线材1,000t)，冶炼设备包括一台90tUHPEAF，两台30tEAF，一台35tRH ，一台90tRH，一台90tLF炉，以及VAR和ESR装置，一台3流370×470mm垂直连铸机(800,000t/y)。随着炉外精炼技术的发展，山阳特殊钢公司从60年代中期开始，对钢的生产进行了几次大的技术改造。第一阶段：1964年采用60吨电弧炉钢包脱气处理，钢包置于真空室内，真空度为67Pa，高碱度渣下吹氩搅拌，这个方法对提高钢的纯洁度不十分明显，氧含量在25×10-6以上，且不稳定。

表3 SKF公司SKF3钢的氧含量及夹杂物评级

n
氧含量
×10-6
夹杂物分类 (ASTM E45D法)
数据来源
A
B
C
D
细
粗
细
粗
细
粗
细
粗

68
12.3
8.3～15.1
—
—
1.11
0～2.0
0.08
0～0.05
0
0
0
0
0
0
0
0
文献[2,4]
39
8.1
5.2～12.7
1.32
1.0～2.0
0.79
0.5～1.0
0.88
0.5～1.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
进口SKF3钢质量检验证书
2
10.5
8.0～13.0
2.13
2.0～2.5
0
0
1.25
1.0～1.5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
实测SKF3钢材

第二阶段：1968年从联邦德国引进RH装置与60tEAF配合，真空度13Pa，轴承钢氧含量比钢包坑脱气处理大大降低，达到15×10-6左右。
第三阶段：1982年电弧炉容量扩大到90t，LF炉与RH配合，使得目标温度、浇铸时间有可能进行控制，大大提高了轴承钢的纯净度，在模铸条件下氧含量达到8.3×10-6，加上大截面垂直连铸机的采用，可使夹杂物充分上浮，以及全程保护浇铸措施(见图9)，使轴承钢的氧含量进一步降低，达到5.8×10-6(连铸与模铸相比氧含量降低2.5×10-6)。
表4 山阳公司SUJ2钢的氧含量及夹杂物评级
n
氧含量
×10-6
夹杂物分类(ASTME45D法)

数据来源

A
B
C
D
细
粗
细
粗
细
粗
细
粗
55
5.8
1.34
0.1
0.72
0.
0
0
0.98
0.37
倾动式出钢[6,21]
70
5.4
1.35
0.12
0.17
0
0
0
0.90
0.04
偏心炉低出钢[6,21]
34
5.1
4.0~6.0
1.09
0.5～2.0
0.28
0～1.5
0.66
0～1.5
0.13
0～1.0
0
0
0
0
0.88
0~1.0
0
0~0.5
进口山阳SUJ2钢材质量检验证书
8
7.1
5.6～8.0
1.47
0.5～2.5
0
0
1.14
0.5～2.5
0
0
0
0
0
0
0
0
实测SUJ2钢材

图10 山阳轴承钢氧含量的变化

图9 日本山阳全程保护浇注示意图

第四阶段：1986年将电弧炉倾动式出钢改造成偏心炉底出钢，轴承钢氧含量由5.8×10-6进一步降低到5.4×10-6(偏心底出钢与倾动式出钢相比，氧含量降低了0.4×10-6)。图10显示了日本山阳轴承钢生产工艺和钢中氧含量的变化。近期从日本访问归来的人讲，山阳特殊钢公司的电弧炉已扩大到150t，该公司炉外精炼工艺模式可以描绘成：90tUHP(150tUHP)-EBT出钢-LF-RH-CC(三流370×470mm坯)，表4是该公司轴承钢的质量水平。

6.4德国轴承钢生产技术现状
德国是欧洲主要轴承钢生产国之一，紧次于瑞典，克虏伯和蒂森是德国两家典型的轴承钢生产厂，下面以克虏伯为例说明德国轴承钢生产工艺的演变过程。
克虏伯钢公司 Sirgen厂有100tUHP电弧炉三座，全部钢液经连铸机铸成265mm×135mm坯，年产特殊钢800,000t ,其中可热处理钢35%，表面硬化钢30%，弹簧钢15%，冷、热锻造钢8%，轴承钢7%，其它如工具钢5%，克虏伯钢公司对炼钢和精炼工艺作过三次改造。
第一次改造(1978年)，为100tUHP电弧炉配备VD钢包脱气站，炉子无渣出钢后，在包中进行脱气和成分调整，由连铸机拉坯，这个阶段没有钢包加热装置，为了补偿脱气过程中的温度损失，要求出钢温度高于1750℃，其工艺为：100tUHPEAF-无渣出钢-VD-CC。
第二次改造(1983年)，主要增加了钢包加热装置-LF炉，降低了出钢温度(加热装置的建设利用了退役电弧炉的炉盖、电极和变压器，投资费用不大)。同时还添置了喂线设备，操作顺序为：100tUHPEAF-无渣出钢-VD-LF加热-喂线-CC。
第三次改造(1986年)，第三次改造的特点是设备的现代化，工序合理化。1986年新设计一台LF炉，同时用RH脱气装置取代VD。VD、RH都与电炉合金加料系统相连，合金可以在控制的加料速度下无阻断地连续加入钢包。出钢时随钢流加铝脱氧，然后在RH脱气过程中进行微调，最后喂线处理，再用氩气弱搅拌改善清洁度，精炼操作顺序与第二阶段相比也有所改变：135tUHPEAF-无渣出钢-LF炉加热-RH脱气-FT(喂线终处理)-CC。
6.5国外轴承钢生产工艺特点
(1)炉子大型化
由电炉或转炉提供粗钢水，炉子容量大，减少了与耐火材料之间的接触，大大提高了生产率，降低了生产成本。
(2)除渣
为了冶炼出氧含量很低的钢，必须把带有氧化反应的熔炼过程与精炼过程分开进行，国外普遍采用无渣出钢(如EBT)、真空吸渣和换钢包除渣等技术将氧化渣彻底排除。山阳特殊公司采用无渣出钢后，氧含量降低0