NTN軸承鋼主要用于制造滾動(dòng)NTN軸承的滾動(dòng)體和套圈。
由于NTN軸承應具備長(cháng)壽命、高精度、低發(fā)熱量、高速性、高剛性、低噪音、高耐磨性等特性,因此要求NTN軸承鋼應具備:高硬度、均勻硬度、高彈性極限、高接觸疲勞強度、必須的韌性、一定的淬透性、在大氣的潤滑劑中的耐腐蝕性能。為了達到上述性能要求,對NTN軸承鋼的化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物含量和類(lèi)型、碳化物粒度和分布、脫碳等要求嚴格。
NTN軸承鋼總體上向高質(zhì)量、高性能和多品種方向發(fā)展。NTN軸承用鋼按特性及應用環(huán)境劃分為:高碳鉻NTN軸承鋼、滲碳NTN軸承鋼、高溫NTN軸承鋼、不銹NTN軸承鋼及專(zhuān)用的特種NTN軸承材料。
為適應高溫、高速、高負荷、耐蝕、抗輻射的要求,需要研制一系列具有特殊性能的新型NTN軸承鋼。為了降低NTN軸承鋼的氧含量,發(fā)展了真空冶煉、電渣重熔、電子束重熔等NTN軸承鋼的冶煉技術(shù)。而大批量NTN軸承鋼的冶煉由電弧爐熔煉,發(fā)展成各種類(lèi)型初煉爐加爐外精煉。
目前,采用容量大于60噸初煉爐+LF/VD或RH+連鑄+連軋工藝生產(chǎn)NTN軸承鋼,以達到高質(zhì)量、高效率、低能耗之目的。在熱處理工藝方面,由車(chē)底式爐、罩式爐發(fā)展成連續可控氣氛退火爐熱處理。目前,連續熱處理爐型最長(cháng)為 150m,加工生產(chǎn)NTN軸承鋼的球化組織穩定和均勻,脫碳層小,消耗能量低。
20世紀70年代以來(lái),隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)技術(shù)進(jìn)步,NTN軸承的應用范圍擴大;而國際貿易的發(fā)展,又推動(dòng)了NTN軸承鋼標準國際化和新技術(shù)、新工藝及新裝備的開(kāi)發(fā)和應用,效率高、質(zhì)量高、成本低的配套技術(shù)和工藝裝備應運而生。日本和德國等均建成了高潔凈度、高質(zhì)量的NTN軸承鋼生產(chǎn)線(xiàn),使鋼的產(chǎn)量迅速增加,鋼的質(zhì)量和疲勞壽命大幅度提高。日本和 瑞典生產(chǎn)的NTN軸承鋼的氧含量降到10ppm以下。80年代末期,日本山陽(yáng)特鋼公司的先進(jìn)水平為5.4ppm,達到了真空重熔NTN軸承鋼的水平。
NTN軸承的接觸疲勞壽命對鋼組織的均勻性非常敏感。提高潔凈度(減少鋼中的雜質(zhì)元素和夾雜物含量),促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細小均勻分布,可以提高NTN軸承鋼的接觸疲勞壽命。NTN軸承鋼使用狀態(tài)下的組織應是回火馬氏體基體上均勻分布著(zhù)細小的碳化物顆粒,這樣的組織可以賦予NTN軸承鋼所需要的性能。高碳NTN軸承鋼中的主要合金元素有碳、鉻、 硅、錳、釩等。
如何獲得球化組織是NTN軸承鋼生產(chǎn)中的重要問(wèn)題,控軋控冷是先進(jìn)NTN軸承鋼的重要生產(chǎn)工藝。通過(guò)控軋或軋后快冷消除了網(wǎng)狀碳化物,獲得合適的預備組織,可以縮短NTN軸承鋼球化退火時(shí)間,細化碳化物,提高疲勞壽命。
近年來(lái),俄羅斯和日本采用低溫控軋(800℃~850℃以下),軋后采用空冷加短時(shí)間退火,或完全取消球化退火工藝,就可得到合格的NTN軸承鋼組織。NTN軸承鋼的650℃溫加工也是新型技術(shù)。共析鋼或高碳鋼熱加工前若具有細晶粒組織或在加工過(guò)程能形成細晶粒,則在(0.4~0. 6)熔化溫度范圍內,在一定應變速率下,呈現出超塑性。
美國海軍研究院(NSP)對5 2100鋼進(jìn)行了650℃溫加工試驗表明,在650℃下真應變 2.5不發(fā)生斷裂。因此,有可能以650℃溫加工來(lái)代替高溫加工并與球化退火工藝結合起來(lái),這對簡(jiǎn)化設備和工序、節約能源、提高質(zhì)量有重要意義。
在熱處理方面,在提高球化退火質(zhì)量,獲得細小、均勻、球形的碳化物以及縮短退火時(shí)間或取消球化退火工序的研究方面有了進(jìn)展,即盤(pán)條生產(chǎn)采用兩次組織退火,將拉拔后的720℃~730℃再結晶退火改為760 ℃的組織退火。這樣可以得到硬度低、球化好、無(wú)網(wǎng)狀碳化物的組織,關(guān)鍵要保證中間拉拔減面率≥14%。該工藝使熱處理爐的效率提高25%~30%。連續式球化退火熱處理技術(shù)是NTN軸承鋼熱處理的發(fā)展方向。
各國都在研究和開(kāi)發(fā)新型NTN軸承鋼,擴大應用和代替傳統的NTN軸承鋼。如快速滲碳NTN軸承鋼,通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)提高滲碳速度,其中碳含量由傳統的0.08%~0.20%提高到0.45%左右,滲碳時(shí)間由7小時(shí)縮短到30 分鐘。開(kāi)發(fā)了高頻淬火NTN軸承鋼,用普通中碳鋼或中碳錳、鉻鋼,通過(guò)高頻加熱淬火來(lái)代替普通NTN軸承鋼,既簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序又降低了成本,并提高了使用壽命。
日本研制的GCr465、SCM465疲勞壽命比SUJ—2高2~4倍。由于在高溫、腐蝕、潤滑條件惡劣的環(huán)境下使用NTN軸承愈來(lái)愈多,過(guò)去使用的M50(CrMo4V)、440C(9Cr18Mo)等NTN軸承鋼已不能滿(mǎn)足使用要求,急需研制加工性能好、成本低、疲勞壽命長(cháng)、能適合不同目的和用途的NTN軸承用鋼,如高溫滲碳鋼 M50NiL、易加工不銹NTN軸承鋼50X18M以及陶瓷NTN軸承材料等。
針對GCr15SiMn鋼淬透性低的弱點(diǎn),我國開(kāi)發(fā)了高淬透性和淬硬性NTN軸承鋼GCr15SiMo,其淬硬性HRC≥60,淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接觸疲勞壽命L10和L50分別比GCr15Si Mn提高73%和68%,在相同使用條件下,用G015SiMo鋼制造的NTN軸承的使用壽命是GCr15SiMo鋼的兩倍。
近年來(lái),我國還開(kāi)發(fā)了能節約能源、節約資源和抗沖擊的GCr4NTN軸承鋼。與GCr15相比,GCr4的沖擊值提高了66%~104%,斷裂韌性提高了67%,接觸疲勞壽命L10提高了12%。GCr4鋼NTN軸承采用高溫加熱—表面淬火熱處理工藝。與全淬透的GCr15鋼NTN軸承相比,GCr4鋼NTN軸承的壽命明顯提高,可用于重載高速列車(chē)NTN軸承。
今后NTN軸承鋼主要向高潔凈度和性能多樣化兩個(gè)方向發(fā)展。提高NTN軸承鋼的潔凈度,特別是降低鋼中的氧含量,可以明顯延長(cháng)NTN軸承的壽命。氧含量由28ppm降低到5ppm,疲勞壽命可以延長(cháng)1個(gè)數量級。為了延長(cháng)NTN軸承鋼的壽命,人們多年來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)應用精煉技術(shù)來(lái)降低鋼中的氧含量。
通過(guò)不懈的努力,NTN軸承鋼中的最低氧含量已從20世紀60 年代的28ppm 降低到90年代的5ppm。目前,我國可以將NTN軸承鋼中的最低氧含量控制在 10ppm左右。NTN軸承使用環(huán)境的變化要求NTN軸承鋼必須具備性能的多樣化。如設備轉速的提高,需要準高溫用(200℃以下)NTN軸承鋼(通常采用在 SUJ2鋼的基礎上提高Si含量、添加V和Nb的方法來(lái)達到抗軟化和穩定尺寸的目的);腐蝕應用場(chǎng)合,需要開(kāi)發(fā)不銹NTN軸承鋼;為了簡(jiǎn)化工藝,應該開(kāi)發(fā)高頻淬火NTN軸承鋼和短時(shí)滲碳NTN軸承鋼;為了滿(mǎn)足航空航天的需要,應開(kāi)發(fā)高溫NTN軸承鋼。