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滾動軸承材料及熱處理之“軸承用鋼冶金質量的演變”
發布日期:[2020-4-27] 瀏覽數:[359]
    對軸承疲勞壽命危害較大的氧化物類夾雜物隨鋼中氧含量的降低而減少,為了提高軸承疲勞壽命,近幾十年來,采用各種手段降低氧含量,如真空冶煉、鋼包真空脫氣、真空自耗重熔等。隨著冶煉裝備及生產控制水平的進步,國內外特殊鋼廠所生產軸承鋼中的氧含量大幅度降低,逐步趨于穩定的低水平狀態。目前,軸承鋼中氧含量可降至5×10-6以下,氧含量隨年份的變化,軸承疲勞壽命較20世紀60年代(電爐冶煉,氧含量約30×10-6)提高了20~30倍
   
     在鋼中氧含量降低至一定程度后,繼續降低氧含量將大大增加鋼材生產成本,而且對軸承疲勞壽命的提高效果不再顯著。在氧含量較低的水平下,夾雜物的總量較低,但偶爾有個別大尺寸的氧化物碰巧出現在滾道面或次表面大應力區,會導致軸承疲勞壽命非常短,從而使整批軸承的可靠性大大降低。需要改善夾雜物的分布及尺寸均勻性才能提高軸承的壽命及可靠性。因此,在降低氧含量的同時要嚴格控制夾雜物的均勻性。
   
     另外,需要嚴格控制TiN,Ti(C,N)及鈣鋁尖晶石。Ti在高碳鉻軸承鋼中被視為有害元素,它與溶解于鋼中的氮的親和力極強,多以氮化鈦、碳氮化鈦夾雜物形式存在。氮化鈦夾雜是具有棱角的硬而脆的夾雜物,在熱加工過程中不發生形變,其棱角容易在鋼的基體造成應力集中,產生微裂紋成為疲勞裂紋源。
   
     在改進冶煉技術的同時,需建立合適的評價方法。過去的非金屬夾雜物評估法中,常用計點法和差視場評估法,但隨著煉鋼技術的顯著進步,這些評價方法已無法區別鋼材之間的差異。20世紀80年代后半期,人們在反復研究夾雜物數量、大小以及分布狀況的基礎上,提出了極值統計法、電子束溶解法、超聲波和電解溶液檢測等方法,對于準確評定夾雜物、推動冶煉技術的進步起到了巨大推進作用。但是這些方法仍無法根據所評價的夾雜物推測出接觸疲勞壽命。NTN公司利用圖像解析技術開發了可區分夾雜物尺寸和種類的全自動測定裝置,可對夾雜物進行定量化。研究人員利用20 kHz超聲速疲勞試驗機進行試驗(10 min的短時疲勞試驗),通過觀察魚鱗狀破損面測定評估的夾雜物。這種方法比在顯微鏡下觀察到的檢測體積要大,意味著其可檢測更多的大尺寸夾雜物。
   
     根據新的評價方法,世界各國不斷改進冶煉工藝,開發新的冶煉方法。鋼鐵研究總院的宗男夫對近年來世界各大特鋼企業冶煉技術進行了較詳細的論述。
   
     日本山陽特殊鋼公司開發了SNRP(Sanyo New Refining Process)超純凈軸承鋼生產工藝,該工藝生產出的軸承鋼被稱為超純凈軸承鋼(EP鋼)。鋼中的氧含量控制在5×10-6以下,氧化物夾雜物尺寸在11 μm以下。
   
     大同特鋼研發出MRAC-SSS工藝生產高端軸承鋼,鋼中氧含量不大于5×10-6;鈦含量不大于5×10-6;氮含量不大于30×10-6,并且氧化物夾雜、鈦系夾雜物極其細小。采用MRAC-SSS工藝生產的超純凈軸承鋼的接觸疲勞壽命得到延長,比傳統精煉工藝生產的長25%以上。
   
     OVAKO鋼鐵廠開發出與SAEA-SKF鋼包精煉相匹配的雙聯工藝,組成SKF-MR(熔煉+精煉)先進煉鋼工藝。在鋼包爐內加熱,同時進行鋁沉淀脫氧,配上強烈的電磁攪拌,獲得足夠的時間使脫氧產物從鋼液中分離,從而降低了鋼中氧含量和夾雜物含量。
   
     日本神戶和JFE進行鐵水預處理“提純”。神戶制鋼開發出的超純凈鋼中的氧含量為4×10-6,鈦含量為7×10-6。超純凈軸承鋼中基本消除大顆粒夾雜物,夾雜物尺寸細小且彌散分布在軸承鋼基體中。
   
   美國采用一種將高效精煉與復雜澆注系統相結合的特殊空氣熔煉法,生產出被稱為Parapromium的全新鋼種。該鋼的磁性顆粒限度符合AMS2300標準(1986以前,該標準只適用于真空重熔鋼),其氧含量與真空重熔鋼相近。采用超聲波檢查法檢查發現,其夾雜物總長度小于沉淀脫氧+保護性射流澆注生產的E.F.Q.B2型軸承鋼。該鋼有可能代替真空重熔鋼或E.F.Q.B2鋼,使用于對鋼的質量要求較高的場合。
   
     但就材料技術的發展而言, 氧含量達到某種程度以下后,人們對通過降低鋼中氧含量來獲得更長壽命的期望值并不高,而是更期待通過研究夾雜物和母體材之間的結合力,改善夾雜物的組成結構,使其無害化從而達到更長的預期壽命。日本學者佐田隆提出通過對棒材進行熱等靜壓加工,彌合非金屬夾雜物與基體的脫開,以提高二者的結合力,從而提高由夾雜物處起源的疲勞剝落壽命。與未進行熱等靜壓的材料相比,L10壽命提高了5倍,由此可知,即使使用純凈度不太高的鋼材,也有可能得到與高純凈度鋼材相當的壽命。
   
     在控制鋼中有害夾雜物及有害元素的同時,改善碳化物及成分均勻性也至關重要。軸承鋼中碳濃度分布不均勻,碳化物尺寸大且分布不均勻(出現大顆粒、帶狀碳化物等),破壞了基體的連續性和變形協調能力,降低了碳化物的有益作用,影響加工質量及疲勞壽命。采用大斷面垂直連鑄及凝固末端電磁攪拌、輕壓下、兩段重壓下等裝備和工藝,降低碳化物液析,有效改善鑄坯偏析缺陷及鑄坯中心縮孔,提高鑄坯均質性和致密度,焊合內部縮孔,獲得合適的預組織,可以縮短軸承鋼球化退火時間,細化碳化物,提高疲勞壽命。
   
     國內以興澄鋼鐵為代表的特鋼企業,在積極引進國外先進設備和冶煉技術的同時不斷創新,使國產軸承鋼質量不斷提高,在某些指標方面接近或達到世界先進水平。浙江天馬與沈陽金屬所合作,進行了稀土軸承鋼冶煉軋制工業性試驗和用稀土軸承鋼,已生產出稀土軸承鋼并用于制造軸承。根據試驗檢測,在軸承鋼中添加稀土Ce或La,可減少夾雜物60%,細化夾雜物,軟化夾雜物,減小點狀不變形夾雜物DS,同時使夾雜物分布均勻,減少各向異性。
   
     為更好地控制和提高高碳鉻軸承鋼的質量,我國于2016年修訂了GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》,并于2017年7月1日正式實施。其規定的各項指標和總體水平達到國際先進水平。新標準按冶金質量將高碳鉻軸承鋼分為優質鋼、優質鋼和特級優質鋼3個質量等級,以便于軸承企業根據軸承的使用壽命和可靠性要求合理選材;且增加了Al,Ti,Ca,Sn,As,Sb,Pb的控制指標;對軸承壽命影響的單顆粒球狀DS類(點狀不變形夾雜物)和氮化鈦的評定規定了明確的控制指標。特別是DS規定按大值控制,而不是按平均值控制;對非金屬夾雜物的級別、碳化物帶狀、碳化物液析加嚴了控制。增加了軟化退火、熱軋或鍛制鋼材的碳化物網狀控制。
   
     節選自2020年1期《軸承》“滾動軸承材料及熱處理進展與展望”
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