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技术中心-高碳铬轴承钢的质量要求和轧制生产工艺

高碳铬轴承钢的质量要求和轧制生产工艺

摘要:随着我国现代工业和科学技术的迅速发展,轴承的需用量日益增加,对其质量和性能的要求也越来越高。文章介绍了对高碳铬轴承钢的质量要求及其轧制生产工艺。 
    众所周知,各种运输车辆、机床、传动机械以及其他高速转动的机械中,轴承是不可缺少的零部件,而轴承钢就是用来制造各种滚动轴承的专用钢种。轴承钢按不同的用途可分为若干种类,但目前比较常用的为高碳铬轴承钢,即GCr15等。 随着机械行业的不断发展,对轴承钢的需求量也在不断扩大。   
    轴承钢的产品系列主要有热轧棒材、冷拔材、锻材、管材、盘条以及钢丝等几类,其中用量最大的仍然是热轧棒材。由于各种机械在运行当中是否完全可靠,在很大的程度上要取决于轴承的质量和可靠性,因此,轴承和轴承钢的质量越来越引起世界各国的重视。目前瑞典和日本的轴承钢质量在世界上处于领先地位。
    国内轴承钢的主要生产厂家有大冶特钢、北满特钢、上钢五厂、长城特钢、大连钢厂及本钢等。太钢轴承钢的产量最高时近2t,约占全国总产量的1%2%左右。

1
对轴承钢的质量要求

随着我国现代工业和科学技术的迅速发展,轴承的需用量日益增加,对其质量和性能的要求也越来越高,提出了高精度、高速、高温、低摩擦、低温升、低噪音和耐腐蚀等一系列要求。因此,对轴承钢的要求也越来越严格,使其向着高质量、高性能和多品种的方向发展。

1.1
对轴承的性能要求

滚动轴承的工作条件极为复杂,承受着各种高的交变应力,如拉力、压力、剪力和摩擦力等。基于对轴承工作条件和破坏情况的分析,对轴承的性能要求主要有:

具有高的接触疲劳强度和抗压强度;
  
经热处理后必须具有高而均匀的硬度;
  
具有高的弹性极限,防止在高载荷作用下轴承发生过量的塑性变形;
  
要有一定的韧性,防止轴承在受冲击载荷作用时发生破坏;

要有一定的抗腐蚀性能;
  
要有良好的工艺性能,如冷热成型、切削、磨削等性能,以适应大批量、高效率、高质量生产的需要;
  
具有良好的尺寸稳定性,防止轴承在长期存放或使用中因尺寸变化而降低精度。

根据轴承的特殊使用要求,轴承制造行业对轴承钢的生产也提出了非常严格的质量要求,这些质量要求具体体现在冶金部的部颁批准YB9—68及冶金部和机械部联合制定的轴承钢生产标准YJZ84中,这两个标准是目前轴承钢生产中的两个并行的部颁标准。

1.2
对轴承钢的质量要求

1.2.1
组织和性能的要求

为了保证轴承钢有较高的疲劳强度、抗压强度、表面硬度和较长的使用寿命,钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂、点状夹杂等各种非金属夹杂物要严格地控制在一定的范围之内;钢中的各种碳化物(如碳化物液析、条状碳化物、带状碳化物及网状碳化物等)的不均匀性要控制在一定的级别之内。

经热加工后的轴承钢成品,其表面脱碳层厚度要尽量减小;钢材的宏观低倍组织要良好,即一般疏松、中心疏松、偏析的级别要小,不允许出现皮下气泡、缩孔、夹杂和裂纹。

经退火后的钢材,要求具有均匀、细小的球状珠光体组织。

1.2.2
表面要求

为了保证轴承的各表面无缺陷,轴承钢成品的表面应光滑,不得有裂纹、结疤、折迭、麻点和划伤等缺陷。

1.2.3
尺寸要求

在对轴承钢进行精加工时,为了对原材料准确下料并精确地加工成所要求的零件尺寸,对轴承钢产品的尺寸精度也有严格的要求,同时还要求成品的外形要平直。

2
轴承钢的钢种特性

轴承钢的含碳量较高,其钢种特性主要表现在以下方面:

由于钢的含碳量较高,钢锭浇铸及冷却时容易产生碳和铬的偏析,所以钢锭开
 


坯前应进行高温保温或扩散退火。
  
钢的导热性差,在加热时要防止炸裂。
  
在加热过程中容易产生脱碳、过热和过烧现象。
  
轧后缓慢冷却时有明显的网状碳化物析出;在终轧温度低于800℃时,易产生带状碳化物。
  
热摩擦系数比碳素钢大,故在轧制中的宽度也较大。

3
轴承钢的轧制生产工艺

根据轴承钢的技术要求和钢种特征,轴承钢生产的大致工艺过程如下:

3.1
加热

轴承钢在冶炼后铸成的钢锭有热锭和冷锭之分,热锭可以利用钢锭的余热进行红送,装入初轧工序的均热炉内进行高温扩散加热,而冷锭则应及时退火,并可以对钢锭的表面进行清理。

由于此钢种的导热性较差,在开坯或成材的轧前加热时速度不宜过快,钢坯入炉时的炉尾温度不宜过高,应小于700℃。高碳钢的加热温度区间比较窄,通常在150℃1200℃之间。温度过低时变形抗力较大,而温度过高则会出现过热和过烧缺陷。轴承钢的过烧温度约为1220℃,一般的加热温度在1 100℃1 180℃之间为宜。

轴承钢在加热过程中的脱碳倾向很大。以GCr15为例,在钢的热加工过程中的脱碳层厚度可达0.3mm0.8mm,对轴承制品的表面硬度和强度有很大的影响。为了减少脱碳层厚度,在加热过程中要尽量采用较低的加热温度和较短的加热时间,在高温区应避免长时间的加热,炉内的气氛要控制在还原性气氛中。

为了减轻钢材的脱碳现象,近年来大冶特钢曾在热加工和退火工序进行钢材的表面涂抹防脱碳的保护涂层的试验,效果比较好。

3.2
轧制

在高温时,高碳轴承钢也具有良好的塑性,可以用较大的压下量进行轧制。在轧后冷却时,浓度较高的碳会沿着奥氏体的晶界析出,形成网状碳化物。因此,钢的终轧温度应严格控制在800℃850℃之间,以利于破碎网状碳化物。温度高于850℃时,钢材在冷却过程中会析出网状碳化物;温度低于800℃时碳化物开始析出,富集的碳化物偏析会随着金属的变形,延伸成带状碳化物。

  3.3 控制冷却

对于球化退火状态交货的轴承钢,在轧后和退火前需要降低网状碳化物的级别,得到晶粒细小的奥氏体组织。为了达到这一要求,除了上述控制终轧温度的方法外,另一个最有效的方法是对轧后的钢材进行控制冷却,而且它也是破除网状碳化物和细化晶粒的一个关键环节。

控制轧制和控制冷却是近十几年来发展起来的新技术,在国内外已得到普遍使用。轴承钢控制冷却的工艺主要是:

轧后的钢材要穿水快速冷却至500℃左右,此时钢材内外的表面温差较大,可依靠钢材芯部的热量使钢材表面逐渐返红至660℃,然后缓慢冷却。这时钢材可以在返红过程中完成组织转变。快速冷却的目的是抑制钢中网状碳化物的析出,降低网状碳化物的级别,同时可以使珠光体的转变在较低的温度下进行,得到晶粒细小的奥氏体组织,为随后的球化退火提供良好的预备组织,以提高球化质量、缩短球化时间。

目前国内外轴承钢的控制冷却主要采用双套管冷却器、环形喷嘴冷却器及湍流管冷却器等。

3.4
球化退火

若用户需对轴承钢产品直接进行冷加工时,钢材应进行球化退火,以使钢材获得合适的硬度及细小的珠光体球化组织,以便于加工。由于钢材在退火过程中还会继续发生氧化和脱碳,因此,轴承钢的退火多数是在通有氮气、氢气等的保护气氛的连续退火炉内进行,这样可以减轻钢材的氧化和脱碳。据统计,在通有保护气体的炉内退火,脱碳层的厚度最多只增加0.1mm左右。

1979
9月,太钢建成了国内唯一的一座可控气氛连续式退火炉, 经过一年的工业性试生产后,于198010月通过了冶金部组织的鉴定,1981年正式投入生产。采用此炉处理的轴承钢完全打破了传统的退火工艺,从根本上解决了退火组织和硬度不均匀的问题,一些质量指标接近了以瑞典和日本等国为代表的世界先进水平。
  

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