国内轴承钢的生产控制技术

徐曦，刘祥，秦桂伟，安绘竹，任玉辉，尹一

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司市场营销中心，辽宁 鞍山114021）

轴承钢冶炼主要分为电炉冶炼和转炉冶炼两种。电炉冶炼是以废钢作为主要原料，加入铁合金调整化学成分，此类冶炼方式基础建设投资少，周期短、成本低，在2010年以前是国内生产轴承钢的主要冶炼方式。但是近年来，国内工业的飞速发展，电能紧张导致工业用电价格飞涨，电炉冶炼生产成本越来越高；加之近年来国内科技日益发展，风力发电、高铁动车、新能源及航空航天等新兴产业领域不断拓展延伸，对轴承钢纯净度要求越来越高，而电炉冶炼对控制夹杂物和脱气方面都有明显劣势，转炉冶炼逐渐成为冶炼轴承钢的主流方式，推动着国内轴承以及轴承钢行业在质量方面不断进步。目前，国内很多企业已经开发出了生产高纯净度、低氧含量的特优级轴承钢控制技术，产品质量指标可达到国际先进水平。

1 轴承钢中氧含量控制技术

轴承钢全氧含量与其疲劳寿命密切相关，国内生产企业通过控制钢液中氧来源以减少轴承钢内氧化物生成数量；炼钢过程中通过采用先进的脱氧制度，并借助氩气弱搅拌最大程度去除钢中的氧化物；采用真空碳脱氧进一步降低钢中溶解氧，从而获得低氧轴承钢。

1.1 转炉冶炼和高拉碳技术

转炉冶炼采用有害元素含量较低的铁水作为主要原料，通过铁水预处理，将铁水中的硫降至0.005%以下；转炉过程控制水平较高，并且具有良好的脱磷、脱钛条件；因转炉吹炼具有原料消耗少、热效率高、速度快、生产效率高、成本低、易与连铸相匹配等优点，更适用于高等级轴承钢的冶炼，特别是转炉炼钢趋于大型化、精准化、自动化、绿色化更能够适应于国内轴承钢的高质量发展。国内某大型轴承钢生产厂家通过技术改造项目，对电炉水冷板上的氧枪进行改造，将原有的电炉改为转炉，实现零电极消耗，零冶炼电耗，通过加入比例大于85%的铁水，强化吹氧，依靠碳氧反应产生的热能进行冶炼。

对于转炉终点碳的控制，德国专注转炉低拉碳工艺的研究，保证了转炉脱磷的效果，然后在出钢时添加增碳剂，提高碳含量。而日本使用“三脱”技术对铁水进行预处理，少渣冶炼生产低磷低氧高碳轴承钢。国内轴承钢生产企业为了给后续的精炼奠定良好的基础，需要在转炉炼钢时控制高的终点碳，这样既减少钢水的气体含量，降低耗氧量，减少钢水中氧化物夹杂，又提高了金属收得率，减少后期的增碳量。因此，高拉碳成为国内轴承钢转炉冶炼的方向。

由于要求轴承钢具有较高的硬度，钢中含碳量需>1.0%，同时要求淬透性良好，并含有细小的碳化物，此外，钢中需含有1.5%铬。磷、硫在高碳铬钢中非常容易偏析，且对钢的性能会产生很大影响，而钛在钢水中会与氮形成呈明显几何棱角，且硬度极高的氮化钛夹杂物，这种夹杂物是轴承钢形成内部裂纹的有害物质。在转炉冶炼时，低碳状况下的炉渣才更利于充分脱磷和钛，这显然与高拉碳有些矛盾。为了解决这一矛盾，国内生产高等级轴承钢的企业采用了双渣法冶炼，在吹炼前期熔池温度较低的脱磷期，通过放掉含有高磷、高钛的炉渣，再加新渣料，脱碳升温，避免在高温下磷和钛被碳还原，出现回磷、回钛现象。出钢后，由于炉渣中钛和磷含量较低，留渣进行固化后，开展下一炉冶炼，不仅可以实现较好的脱磷和脱钛效果，还能节约资源，从而节约生产成本。目前，国内生产轴承钢先进企业出钢碳控制在0.5%左右，与国际先进水平0.7%有一些差距。

1.2 真空脱气技术

氧是钢中非金属夹杂物的主要来源，所以氧含量是衡量轴承钢质量的重要指标。炉外精炼是国内生产高纯净轴承钢的不二选择，通过使用铝作为精炼过程中重要的脱氧元素，利用还原渣法进行钢液脱氧，同时在冶炼过程中可以脱硫和细化晶粒。钢包精炼及真空脱气法（LF-VD）因其具有功能齐全、设备简单、操作灵活等优点，选用电弧加热补偿温度损伤，底吹氩气搅拌促进钢水温度和成分均匀化，还能调整合金成分、脱气、脱氧、脱碳、脱硫、去除夹杂物，被国内主要轴承钢厂家应用。

随着炉外精炼的发展，真空循环脱气精炼法（RH）逐渐普及。RH精炼是将真空室直接通过插入管插入钢液，利用真空泵和氩气上升形成推力，从而使钢液周而复始地在真空室内循环。RH脱气处理能够脱气、脱氧、调节化学成分等，处理速度快、反应效率高、操作简单，可以满足钢材多样化和高质量化的严格要求。而真空脱气法（VD）由于渣层覆盖钢液，脱气主要在“渣眼”处进行，VD的脱气速度要比RH慢得多。且VD处理过程中，由于渣层依然保留在真空室内，渣中的氧还会被钢液反吸收，出现回氧现象。所以，国内轴承钢企业主要采用RH精炼进行脱气，特别是对轴承钢质量指标要求极高的企业，RH法是冶炼特优级轴承钢的关键，经过RH处理后，钢中溶解氧可以控制到2×10以下。目前，国内生产轴承钢企业可以将钢中全氧控制到5×10以下，与国际先进水平接近。表1列出了近10年国内轴承钢厂家GCr15轴承钢氧含量控制水平。

表1 近10年国内厂家GCr15轴承钢氧含量控制水平Table 1 Control Level on Oxygen Content of GCr15 Bearing Steels Produced by Domestic Manufacturers in Recent 10 Years

高端轴承钢生产技术的关键主要集中在钢铁冶炼工序，经过多年的发展，摒弃了生产成本高、效率低、不环保的电炉冶炼，使用高炉铁水进行转炉冶炼，再配合高拉碳和炉外精炼，已经将高端轴承钢的全氧含量降至5×10以下，钛含量降至10×10以下，DS类夹杂物降低到0.5级以下的国际先进水平。但国内轴承钢对于全氧、钛含量的控制还极不稳定，非金属夹杂物的形态控制和最大夹杂物尺寸控制仍然与国际先进水平有着明显差距。

2 连铸坯组织控制技术

2.1 低过热度控制技术

轴承钢含碳量比较高，在1.0%左右，属于过共析钢。在连铸结晶过程中，由于柱状晶的生长，溶质元素碳和铬在凝固前沿产生严重富集，当含富集的碳量达到2.01%以上，进入共晶区域，产生亚稳态莱氏体共晶，生成一次碳化物，即在钢液中直接形成的碳化物。这种一次碳化物很难通过后续手段消除，轧后会在钢材中沿轧制方向呈条状或块状分布，它们颗粒大、硬度高、脆性大，暴露在轴承钢表面易引起剥落，加快轴承磨损；隐藏于轴承钢内部，就会成为疲劳裂纹的发源地。这种由于偏析产生的一次碳化物叫碳化物液析。轴承钢固液线相差近140℃。当固液界面前沿的温度梯度足够低时，固液界面前沿的成分过冷度大于形核所要求的过冷度，新的晶核析出、长大并阻止柱状晶延伸生长。所以低过热度会缩短柱状晶区长度，发展等轴晶区，使铸坯成分均匀，减轻偏析，从而减少一次碳化物的形成，降低碳化物液析的等级。使用ProCAST对国内某钢厂现行连铸参数下的铸坯进行凝固组织的数值模拟，通过计算不同过热度对应条件下的凝固组织，模拟结果如图1所示。从图中可以看出，浇铸温度低，有利于增加等轴晶率，从而减少碳化物的偏析，降低液析碳化等级。

图1 不同过热度对应条件下凝固组织模拟结果Fig.1 Simulation Results of Solidification Microstructures under Different Degrees of Superheat

很多轴承钢厂家为了更好的控制中间包钢水温度稳定性，控制较低的过热度，采用中间包加热，以补偿钢水的温降，使钢水温度始终保持在目标值附近，利于稳定操作，提高铸坯质量，一般过热度可控制在10℃左右；而无中间包加热的钢厂过热度一般控制在30℃左右，两者差距明显。国内多家钢厂连铸中间包加热多采用等离子加热和电磁感应加热。等离子加热是通过一个或多个等离子枪对钢水进行加热，它也能够分别给某一流钢水加热，但需要充分混合后将热量均匀辐射给钢水。电磁感应加热可以补偿钢水在浇注初期由于包衬吸热带来的钢水温降，并使钢水温度恢复正常的时间减少一半；电磁感应加热不但可以稳定中包钢水温度，增加结晶器坯壳生长的均匀性，使条纹、起泡等缺陷大幅降低；还可以均匀中包钢水温度，利于夹杂物上浮分离，减少铸坯皮下夹杂 1/12～1/4。

2.2 末端重压下技术

连铸凝固过程中，钢水的体积会发生收缩，而轴承钢较高的碳含量会使钢的总体积收缩率更高。较宽的固液两相区，也造成钢水在凝固过程中不易补缩，因而容易形成中心疏松、中心偏析和缩孔等铸坯内部缺陷，连铸凝固末端压下技术是改善铸坯内部缺陷的一种最有效的方法。国内广泛采用水平段压缩区长度为2～4 m的压缩辊进行轻压下，以补偿最后凝固阶段的收缩，有效减少中心偏析，而且可以使铸坯内部裂纹焊合，提高铸坯的均匀性和致密性。

由于国内企业还没有真正掌握压下技术的核心，往往在生产时由于压下区域和压下参数不合理，导致铸坯内部产生裂纹，即使常规的小压下量也不足以有效减轻大断面轴承钢连铸坯的中心疏松、缩孔和内部裂纹等缺陷。近年来，有国内企业提出连铸重压下技术，利用高温、高压条件对大断面连铸坯的中心疏松、缩孔和内部裂纹进行焊合；利用大辊径凸型辊将大部分作用力集中于铸坯宽面的中心液芯区域，避开已凝固的边部坯壳；利用铸坯未完全凝固区和完全凝固区两段式重压下技术将总压下量加大至25 mm以上，其压下量远大于国内广泛采用的轻压下操作。此技术能够有效改善铸坯的偏析、中心疏松和缩孔等缺陷，起到细化铸坯心部晶粒作用，显著提高铸坯均匀性和致密性，从而提高轧材的探伤合格率。

随着凝固理论的不断进步和连铸设备的不断改造更新，国内轴承钢的铸坯质量已有很大进步。随着连铸设备及操作水平的不断提高，经过合理的合金化设计，钢坯的碳化物液析基本被消除，但是比照国际先进水平，国内轴承钢的低倍组织缺陷，包括中心疏松、中心缩孔以及成分偏析等还有较大差距，组织均匀性也有待进一步提高。

3 控轧控冷技术

3.1 碳化物控制技术

在连铸坯的凝固过程中，在最后的凝固区富集了大量的碳、铬等合金元素和磷、硫等有害元素，在枝晶间隙形成了树枝状偏析，经轧制形成合金元素浓度各不相同的偏析带，并通过冷却过程析出碳化物，形成碳化物带状组织。碳化物带状组织会加剧热处理裂纹敏感度，还会因合金元素浓度不同使组织内部硬度不均匀。此外，颗粒大、硬度高、脆性大的一次碳化物——液析碳化物也会大大降低轴承钢的接触疲劳寿命。由于铬的扩散对温度最为敏感，为了使含铬的大颗粒碳化物溶解，必须采用高温扩散退火工艺，但又要防止温度过高产生局部过热或过烧，高温扩散温度一般不能超过1 250℃，并且进行一定时间的保温。

国内研究人员通过大量实验发现，当加热温度超过碳化物固相线温度时，碳化物熔化，扩散效果显著提高。轴承钢中含有较高的碳和铬，碳、铬富集区域固相线温度要高于单纯碳化物，通过采用分段高温扩散理论，先将温度升至稍低的温度（1 100℃左右），对铸坯进行加热预处理，让碳化物先熔化，使碳元素首先发生快速扩散，连铸坯中心区域固相线上升，之后在高温区域（1 250℃左右）进行扩散处理，使铬元素跟随碳元素更好的扩散。这种做法与将温度直接加热至高温进行扩散的方法相比，处理时间明显缩短，效果良好，并且提高了高温扩散的处理效率。

连铸大方坯经扩散退火连轧成小方坯后进行高端轴承钢棒线材的生产时，会将钢坯内部裂纹、缩孔缺陷在外力作用下缩小，甚至完全压合，连铸坯压下裂纹缺陷可有效消除，同时疏松、偏析缺陷等低倍组织也得到改善。

3.2 组织控制技术

轴承钢中较高的碳在轧后的奥氏体状态下能够很容易沿晶界析出二次碳化物，形成网状碳化物组织，影响轴承使用寿命。为了抑制网状碳化物的析出，研究人员把工作重点放在了低温变形上。在热轧生产过程中，利用稍低的钢坯加热温度进行轧制，可以防止原始奥氏体晶粒粗大，通过轧制过程中的强化冷却，将轧件冷却至奥氏体与碳化物两相区后进行终轧，使先析出的网状碳化物形成细小、分散的颗粒状碳化物，为后续的球化退火做准备。

但事实证明，低温轧制的变形组织不易发生回复再结晶，偏析组织在变形过程中更趋于严重，形成带状组织，影响轴承的疲劳寿命。低温轧制对轧机的负荷和设备条件要求都极高。近年来，为了放松设备条件限制，提高生产效率，国内轴承钢生产厂家不再坚持“低温轧制”原则，提出高温变形后超快冷技术，对大断面钢材进行多段、分次超快速冷却，以控制网状碳化物析出并得到细小片状珠光体组织。通过高温大变形量动态再结晶轧制，可以细化奥氏体晶粒，轧后经多个冷却水箱以及内部多组平行和串联的新型冷却管组成的设备进行急速快冷，并在轧件温度到达动态相变点后，立即停止快速冷却，能够细化珠光体球团直径，细化珠光体片层间距，抑制网状碳化物析出，从而改善钢材的综合力学性能。

国内钢厂生产高端轴承钢的主流控制手段是利用高温扩散和采用较大的压缩比，通过控制轧制和控制冷却调整轴承钢的晶粒度，使晶粒尺寸进一步细化，并对碳化物颗粒的均匀性进行控制，抑制网状碳化物的生成。除此之外，还要大幅度提高轴承钢材的韧性，使钢材更加易于加工，特别是后续的软化退火等热处理工艺还有待进一步研究。

4 鞍钢轴承钢的生产

4.1 生产情况

鞍钢股份有限公司（以下简称“鞍钢”）拥有生产轴承钢及轴承滚动体用盘条的全套设备，已经对轴承钢进行了研究开发，并实现了批量供货，主要钢种为GCr15和GCr15SiMn的线材和棒材。已积累了大量生产轴承钢的实践经验，但是受炼钢工艺水平和工装设备等各方面因素的影响，对钢中夹杂物、碳化物液析、轧制、中心偏析和中心缩孔，以及产品质量的稳定性、一致性方面较比先进水平厂家均有一定差距。

鞍钢开发轴承钢等特殊钢起步较晚，由于主要产品为普通钢材，没有专人进行轴承钢冶炼及轧制的研究与开发，所以在轴承钢生产方面，经验略显不足，特别是高等级轴承钢的冶炼，落后于国内很多特殊钢生产企业。

近几年，鞍钢通过与国内一流院校合作，将轴承钢的冶炼、精炼、连铸、扩散退火、钢材轧制与控制冷却等一系列工序进行了技术优化，再通过改进连铸、连轧等工序的设备，适应特殊钢的生产要求，从而打造高端轴承钢产品生产基地。鞍钢现已成功生产出高级优质级轴承钢盘条产品，并且各项技术指标还有较大的上升空间，高端轴承钢产品批量生产指日可待。

4.2 发展计划

2019年以来，鞍钢在轴承钢产品研发方面开展产品质量攻关，在氧含量、非金属夹杂和组织均匀性等方面提出了更高要求，使鞍钢的轴承钢产品由低端制造向高端制造转型，产品控制技术要求方面将呈现以下特点：

（1）成分设计可定制

根据轴承钢用户提出的轴承使用性能、使用寿命及可靠性等具体条件，利用计算机软件对轴承钢的化学成分进行最佳的成分设计，对合金的添加量进行精确的计算，既能保证各项性能指标均能达到用户的需求，又能控制成本。

（2）内在质量高纯净

轴承用钢中的氧含量稳定在9×10以下，点状不变形夹杂物的尺寸稳定控制在Ds≤0级，使鞍钢制造的轴承钢产品使用寿命成倍提高。

（3）生产过程自动化

预计到2025年，鞍钢轴承钢将实现整个生产全流程的自动化，由此保证整个生产流程的工艺、操作等方面固化，消除人为因素对产品质量影响。

（4）产品质量一致化

依靠资源调控和设备投入，打通高等级轴承滚动体用盘条的生产工艺路线，解决洁净度控制、铸坯质量控制、轧制过程组织和表面质量控制等关键问题，实现高端产品批量生产。

5 总结与展望

近年来，为了追求轴承钢的高质量和低成本，国内轴承钢厂家开始强调更加纯净的原辅材料和更大容量的冶炼炉。在连铸方面，各大厂家越来越重视中间包钢水大容量化和中间包温度场分布与流场控制，追求钢水液面的稳定以及更低的过热度浇注；连铸过程中为了更好控制轴承钢钢坯的组织均匀性，二冷区采取更均匀的雾化冷却方式。有的先进企业采用真空感应炉加电渣重熔技术来提高轴承钢的金属纯净性，使其组织致密、成分均匀、表面光洁，生产的轴承疲劳寿命大幅提高。

随着科技的进步，轴承使用领域逐渐拓宽，服役环境日趋严峻，对其疲劳寿命和耐特殊环境的要求也日益增高，低端轴承必将被工业发展的历史所淘汰。国内高端轴承和大型轴承方面与国外相比存在较大差距，主要表现在：夹杂物的形态、数量、组成、尺寸以及分布等方面控制极不稳定；在钢种数量、产品表面质量、内部质量以及热处理设备和加工工艺等方面还有很多不足；国内轴承棒材比重很大，而管材、线材、带材比重偏低。仍需大量进口高端轴承和有特殊性能的轴承。高端轴承生产已经成为了国内发展的“卡脖子”难题，这使国内高端制造业缺少了有力保障。中国工业正在向高端迈进，继续提升国产轴承及轴承钢档次势在必行。