山鋼：基于軸承零部件制造的組織缺陷遺傳性關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用
2024-06-27 11:08:16
一、研究的背景與問(wèn)題
軸承在服役過(guò)程中經(jīng)受著反復(fù)應(yīng)力、熱應(yīng)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(dǎo)致軸承失效，對(duì)軸承鋼生產(chǎn)及軸承加工制造提出了極為嚴(yán)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(gè)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(dòng)體淬火過(guò)程過(guò)冷奧氏體→馬氏體的生成導(dǎo)致的尺寸變化與熱脹冷縮引起的尺寸變化不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致熱處理后尺寸穩(wěn)定性差，給用戶加工過(guò)程帶來(lái)了不便和難度；同時(shí)由于淬火后殘留奧氏體含量較高，回火過(guò)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(dǎo)致軸承套圈服役過(guò)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(guò)程全生產(chǎn)鏈角度對(duì)其微觀組織構(gòu)成和演變進(jìn)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(jié)構(gòu)演變的前后遺傳性，對(duì)微觀組織構(gòu)成和演變過(guò)程進(jìn)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(guān)鍵問(wèn)題。
本項(xiàng)目從軸承鋼原材料-軸承零部件加工-軸承裝配和服役過(guò)程全生產(chǎn)鏈角度對(duì)其微觀組織構(gòu)成和演變進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示組織結(jié)構(gòu)演變的遺傳性規(guī)律，提出流程工藝精確控制關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)微觀組織構(gòu)成進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而提升軸承尺寸穩(wěn)定性和疲勞壽命。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
基于用戶對(duì)軸承（鋼）產(chǎn)品加工過(guò)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(duì)基體組織、殘余奧氏體和碳化物進(jìn)行精確定量控制，揭示其組織遺傳性規(guī)律，實(shí)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(guò)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(guān)系，提出工藝改進(jìn)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(dǎo)，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)鏈微觀相構(gòu)成和演變的定性/定量控制，促進(jìn)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?jī)?nèi)容和實(shí)施技術(shù)路線
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1. 高品質(zhì)軸承鋼材質(zhì)控制技術(shù)創(chuàng)新。進(jìn)行了基于用戶應(yīng)用技術(shù)的高品質(zhì)軸承鋼性能-成分設(shè)計(jì)；開(kāi)發(fā)了軸承鋼熱加工、球化退火過(guò)程的碳化物精細(xì)控制技術(shù)；構(gòu)建了連鑄坯-軋材-退火材的組織遺傳性關(guān)系，形成了原材料微觀相組織定量精細(xì)控制技術(shù)。
（1）熱力學(xué)平衡相計(jì)算及合金元素作用
運(yùn)用J-Mat pro熱力學(xué)軟件，繪制出軸承鋼的相圖。溫度升高至750℃時(shí)，基體開(kāi)始發(fā)生奧氏體化，溶碳能力驟增，碳化物開(kāi)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(guò)程微觀相控制
研究解析了不同熱處理溫度時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)，越多的碳化物溶于基體，同時(shí)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(duì)應(yīng)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(zhǔn)調(diào)控和合理匹配是軸承鋼微觀相組織定量精細(xì)控制的關(guān)鍵要素。
圖3 不同生產(chǎn)工序下碳化物形貌對(duì)比
2. 高品質(zhì)軸承零部件控制技術(shù)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(shù)。運(yùn)用微分?jǐn)?shù)值分析方法得出軸承鋼/軸承熱處理加熱過(guò)程滲碳體和鐵素體的相轉(zhuǎn)變?nèi)芙鈹?shù)學(xué)模型；得出碳化物的體積分?jǐn)?shù)和直徑隨保溫時(shí)間的演變規(guī)律，明確了保溫過(guò)程碳化物溶解和擴(kuò)散的微觀機(jī)制。
軸承鋼/軸承熱處理加熱過(guò)程中任意一個(gè)狀態(tài)都可看成是一個(gè)與時(shí)間和溫度有關(guān)的函數(shù)，應(yīng)用等溫過(guò)程相轉(zhuǎn)變計(jì)算分析的JMAK方程，引入加熱速率對(duì)該模型相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，建立實(shí)驗(yàn)鋼加熱過(guò)程的相轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)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(guò)程碳化物溶解模型。
（1）加熱過(guò)程相變和相構(gòu)成的定量計(jì)算和表征
研究測(cè)定了加熱奧氏體化過(guò)程熱膨脹曲線，繪制出時(shí)間-溫度的奧氏體化圖（圖4）。研究表明，當(dāng)加熱速率不同時(shí)，各相的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度不同，相轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間有顯著的變化。通過(guò)原子層面晶體結(jié)構(gòu)解析模型和數(shù)學(xué)模型（圖5）完成加熱相變過(guò)程定量解析。
圖 4 加熱奧氏體化過(guò)程膨脹曲線、TTA曲線
圖5 加熱過(guò)程相變過(guò)程定量計(jì)算模型
（2）兩相區(qū)保溫過(guò)程相構(gòu)成和演變定量表征
基于已有技術(shù)成果理論，定量表征保溫過(guò)程中相組成的演變規(guī)律。研究表明，同一溫度下，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，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(lái)越高；同一保溫時(shí)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(shí)間后的碳化物顆粒統(tǒng)計(jì)分析
為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，深入解析碳化物尺寸和體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，與實(shí)際SEM組織統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較分析（圖7），計(jì)算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果變化趨勢(shì)相一致，具有較高的吻合性。但總體上來(lái)講，實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)略低于模型計(jì)算結(jié)果。840℃、860℃和880℃熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，滲碳體的體積分?jǐn)?shù)分別為3.47%、2.59%和1.41%。840℃保溫時(shí)，經(jīng)過(guò)2h的保溫，仍未達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而860℃和880℃保溫2h后，滲碳體含量均已達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)值。
圖7 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較分析
（3）組織構(gòu)成和精細(xì)表征
研究結(jié)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(jié)構(gòu)將成為回火過(guò)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(jié)構(gòu)
馬氏體內(nèi)部存在高的應(yīng)變能和界面能，回火處理提高了原子活動(dòng)能力，使馬氏體內(nèi)過(guò)飽和的C原子擴(kuò)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(shù)。建立了軸承鋼原材料與軸承零部件的組織遺傳關(guān)系，通過(guò)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(guò)程微觀組織遺傳性控制技術(shù)、軸承套圈加工和熱處理過(guò)程高尺寸穩(wěn)定性技術(shù)。
GCr15鋼經(jīng)穿管、退火后，細(xì)粒狀珠光體組織達(dá)到4級(jí)，帶狀、網(wǎng)狀均≤1.0級(jí)，Ds類夾雜物0.5級(jí)，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(xì)小馬氏體＋均勻細(xì)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(xiàng)目研究?jī)?yōu)化了軸承鋼生產(chǎn)、軸承加工工藝技術(shù)參數(shù)，制定了全流程加工工藝技術(shù)規(guī)范，實(shí)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(yīng)用情況與效果
本項(xiàng)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(xué)、北京科技大學(xué)等單位，開(kāi)展軸承鋼-軸承制造的組織缺陷遺傳關(guān)鍵控制技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)系列突破性的技術(shù)創(chuàng)新，建立了軸承鋼原材料與軸承零部件的組織遺傳關(guān)系，形成了軸承鋼生產(chǎn)、軸承加工過(guò)程微觀組織遺傳性控制技術(shù)、軸承套圈加工和熱處理過(guò)程高尺寸穩(wěn)定性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸承鋼及軸承產(chǎn)品綜合性能的顯著提升。
通過(guò)創(chuàng)新成果的應(yīng)用，取得了良好效果：（1）軸承鋼原材料實(shí)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(jí)、一般疏松0.5級(jí)、中心偏析0.5級(jí)，合格率100%；（2）GCr15鋼材碳化物液析0級(jí)、帶狀≤1.0級(jí)、網(wǎng)狀≤1.5級(jí)，夾雜物級(jí)別總和≤3.0級(jí)；（3）GCr15套圈退火后獲得4級(jí)細(xì)粒狀珠光體，帶狀、網(wǎng)狀均≤1.0級(jí)，Ds類夾雜物0.5級(jí)，軸承滾動(dòng)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(dá)到107以上，相關(guān)軸承單元制品已應(yīng)用于工程機(jī)械、冶金機(jī)械、礦石機(jī)械等行業(yè)。
2021~2023年，累計(jì)新增產(chǎn)值66133.33萬(wàn)元，新增利稅15704.04萬(wàn)元，增收（節(jié)支）經(jīng)濟(jì)效益1506.96萬(wàn)元。本項(xiàng)目研究成果及相關(guān)技術(shù)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(xiàng)目技術(shù)達(dá)到“國(guó)際先進(jìn)水平”，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，有著巨大的社會(huì)效益，對(duì)推動(dòng)我國(guó)軸承行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展起到了重要的示范作用。
來(lái)源：山東鋼鐵股份有限公司
