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特殊用途超潔凈軸承鋼的發展

2014-12-10 瀏覽量 1707

近來，隨著高速旋轉和小型化的要求越來越高，因此對軸承[軸承:軸承（“Bearing”，日本人稱“軸受”）是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。]性能提出了更高的要求。特別是汽車工業的減小汽車尺寸和降低燃料消耗對此有極高的需求。另一方面，電子工業也要求有非常小的軸承[軸承:軸承（“Bearing”，日本人稱“軸受”）是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。]以利于節約能源和當電子儀器更小時沒有震動。

盡管軸承[軸承:軸承（“Bearing”，日本人稱“軸受”）是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。]的使用要求越來越高，但也要求其使用壽命比以前更長。但是，由于軸承滾珠偶爾發生剝落，因此延長軸承使用壽命非常困難。為了滿足用戶日益嚴格的要求，就必須通過減少鋼中的氧化物和氮化物夾雜來提高鋼的潔凈度。

對于更潔凈的鋼來說，采用傳統的ASTM方法分析疲勞壽命與鋼的潔凈性關系非常困難，因此就需要新的夾雜物測定方法。本文將介紹日本神戶制鋼公司開發的用于軸承的超潔凈鋼生產技術和新的夾雜物測定技術。

一、軸承用超潔凈鋼生產技術

1、超潔凈鋼的生產

神戶制鋼在神戶鋼廠和加古川廠冶煉、連鑄了用于軸承的高碳鉻鋼。這種鋼除了采用更嚴格的精練工藝以使氧化物和氮化物夾雜最小化外，其生產工藝與普通鋼相同。

經鐵水預處理充分脫磷和脫硫的鐵水在轉爐中進行脫碳處理。轉爐渣是一種氧化渣。為了減少氧化物夾雜，爐渣被切斷，因而使氧化物夾雜不會流入鋼包中。在精煉（加熱、脫氣）和連鑄時，鋼水被比平常更嚴的惰性氣體屏蔽以防止與空氣接觸發生二次氧化。在精煉過程中，由于渣的堿度非常高，鋼水經充分攪拌，使氧化物夾雜（主要是三氧化二鋁）上浮進入渣中，因此，鋼變得更潔凈，只有很少量的夾雜。在連鑄時，神戶廠利用中間罐加熱器加速鋼水中的夾雜上升，加古川廠是采用較大的中間罐。

要減少氮化物夾雜，就必須使鋼中的鈦含量最小。鈦主要來源于鐵合金，特別是用于調整鋼化學成分的鉻鐵。通常，鉻鐵在鋼包精煉過程中添加到鋼水中。由于鋼水中的氧含量非常低，因此以氧化鈦的形式（二氧化鈦）去除鈦非常困難。在神戶制鋼公司，鉻鐵是在轉爐吹煉時添加并熔化，而此時氧含量非常高，因此鈦與氧發生反應形成二氧化鈦，然后被吸收進入轉爐渣。

2、超潔凈鋼的性能

在超潔凈鋼52100中，氧含量可以控制到平均4．1ppm，鈦含量平均為6．0ppm。超潔凈鋼52100的疲勞壽命與有關對比試驗的鋼相比，L10更高。此外，還采用了許多檢測方法對超潔凈鋼與普通鋼的潔凈性進行了對比。通過對比發現，超潔凈鋼的潔凈性與普通軸承鋼并沒有很大差異，然而超潔凈鋼的疲勞壽命要遠長于普通鋼。

二、鋼中夾雜物的新測定方法

由于超潔凈鋼有非常低的氧含量，因此采用傳統的ASTM測試方法對氧含量和夾雜物進行測定不能給出與疲勞壽命很好的對應關系。為此，試驗了電子束熔煉以測定潔凈鋼中的夾雜物。在神戶制鋼公司，研究人員試圖找出一種從夾雜物尺寸和數量上來評測潔凈性的新測定方法。因此開發了酸溶解方法以檢測小的夾雜物和檢測夾雜物數量。

酸溶解方法包括溶化被檢測的材料以分離出夾雜物。富含三氧化二鋁的夾雜物可以被分離出來，但是，氧化鈣夾雜物不能檢測出來，原因是其在酸中溶解。

首先，30～100g的樣品在硝酸中溶解并加熱到90℃。在冷卻后對溶液進行過濾，過濾器中的殘留物作為夾雜物被分離。過濾器網格尺寸為10目，尺寸大于10目的夾雜物留在過濾器中。用掃描電鏡對夾雜物進行觀察，用電子探針顯微分析方法對夾雜物進行分析。

通過采用這些方法，可以檢測到大量的夾雜物，而且可以避免碳化物的影響。通過采用酸溶解的方法，研究人員可以檢測氧含量低于9ppm、用于疲勞壽命試驗的試樣。檢測結果表明，超潔凈鋼中的夾雜物數量和夾雜物最大尺寸分別少于和小于普通鋼材。當氧含量均低于9ppm時，酸溶解方法也可以測定超潔凈鋼與普通鋼潔凈性的差異。
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