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GB/T 18254-2016《高碳铬轴承钢》标准解析
信息来源:世界金属导报2018-12-04A12      时间:2018-12-10 19:57:37


为了更好地宣传和贯彻GB/T 18254-2016标准,本文对新版GB/T 18254-2016《高碳铬轴承钢》国家标准的修订原则、解决的关键问题及解决方案进行全面解析,供大家参考。

1 修订标准的背景

GB/T 18254-2002《高碳铬轴承钢》标准自颁布与实施以来,大大地推进了我国轴承钢生产装备和工艺技术改进的步伐,完成了真空脱气轴承钢取代了电炉钢的冶炼工艺,连铸比逐年提升,从而保证了我国轴承钢的品种和质量得到稳步地提高。2012年我国轴承钢产量达到367万吨,产量居世界第一,是名副其实的轴承钢生产大国。我国轴承钢生产持证企业已达138家,其中具备冶炼能力51家,国家质量检验检疫局已连续5年对轴承钢进行免抽,从另一个侧面说明我国轴承钢的实物质量基本稳定。许多国内企业生产的轴承钢已得到了世界著名轴承生产企业认可,并开始向世界顶级的跨国轴承公司(如SKF、TIMKEN、NSK等)提供钢材。但是,我国仍不是轴承钢强国,存在轴承钢质量稳定性较低,轿车、高铁、风电、精密机床、燃气轮机、大型机械主轴配套轴承仍然依靠进口。“十二五”期间,国家组织实施一批重大工程和重点项目,提出突出要解决的高标准轴承钢的生产技术有:针对高速(变速)、重载、腐蚀等不同应用环境,开发高性能、低成本、高可靠性的轴承钢及其生产工艺;关键技术指标为:氧含量稳定在6ppm以下,碳元素的偏析在同一截面控制在0.01%-0.02%,几乎没有宏观夹杂物,微观夹杂物细小均匀。

GB/T18254-2002标 准水平基本达到国外同类标准ASTM A295-09、ISO 683-17:1999、EN ISO 683-17:1999和JIS G 4805-2008等的水平,但与瑞典SKF D33-1标准相比仍存在着明显的差距,主要体现在:1)对五害元素(Ti、Pb、Sn、Ca、Al)未作明确限制指标;2)对DS(单颗球形夹杂物)类及氮化钛不评级;

3)热轧钢材不要求检查网状;4)脱碳、尺寸及外形允许偏差等指标均控制较松。另外,GB/T 18254-2002标准涉及面广,大到汽车、铁路、核电等,小到玩具、家电、仪表等,对轴承的使用寿命和可靠性、经济性要求各有不同,而GB/ T 18254-2002标准指标单一,无法满足不同用户质量档次的需求,特别是长寿命和高可靠性轴承的要求。为此,2010年国标委综合[2010]87号文批复了GB/T 18254-2002标准的修订计划(项目编号:20101753-T-605)。经过编制组五年的共同努力,于2015年完成了GB/T 18254-2002修订工作。

2 修订标准的原则

本次修订遵循科学性、先进性、可操作性的原则,进一步提高标准水平,充分体现目前国内轴承钢的实际生产水平和用户的使用要求。在确定主要技术指标时,按质量分为优质钢、高级优质钢和特级优质钢三个等级,既要提升标准水平,又要合理利用资源,以利于轴承行业根据产品的使用寿命和可靠性的具体要求,合理选材。

3 解决的关键技术问题及解决方案说明

3.1 解决了标准内容重复,理顺了标准体系

GB/T 18254-2002《 高碳铬轴承钢》和YB/T 4146-2006《高碳铬轴承钢无缝钢管》两个标准中均含有“钢管”,但两个标准对钢管规格组距的划分、冶炼制造方法、成分、残余元素和气体含量、非金属夹杂物、碳化物不均匀度、外形尺寸公差等方面均存在差异,给轴承钢管的生产、管理与应用都带来诸多不便。本次将YB/T 4146-2006与GB/T 18254标准进行同步修订,保持技术上的一致性,故取消了GB/T 18254中“钢管”品种及相关要求,从而理顺了标准体系,便于标准执行。

3.2 解决了技术指标单一,以利于用户根据产品的使用寿命和可靠性的具体要求合理选材

打破单一指标体系,按质量等级分级,满足不同用户需求是本次修订需要解决的关键问题。轴承钢材的纯洁度和组织均匀性是影响轴承钢材质量两大关键因素。因此,在确定主要技术指标时,GB/T 18254-2016标准重点在纯洁度和组织均匀性两个方面按优质钢、高级优质钢和特级优质钢分为三个质量等级,以利于用户根据产品的使用寿命和可靠性的具体要求合理选材。

1)纯洁度

轴承钢材的纯洁度是指非金属夹杂物对钢的沾污程度。先进的冶炼方法是提高轴承钢纯洁度的重要手段之一。因此,从上世纪七、八十年代开始,各国标准中都明确规定轴承钢必须经真空脱气处理。但进入二十一世纪,美国、瑞典SKF标准都不再硬性规定冶炼方法,而是在钢的纯洁度指标上加以明确规定。代表轴承钢材的纯洁度的主要指标有:

——钢中O、Ti、P、S及 其As、Sn、Sb、Pb、Ca、Al等残余元素的含量;

——非金属夹杂物的种类及合格级别;

——宏观夹杂物评定方法及合格级别。

①钢中P、S、O、Ti及其As、Sn、Sb、Pb、Ca、Al

等残余元素含量的确定

钢中残余的P、S含量等对轴承钢的冷热加工性能有不利的影响,因此必须加以限制,越低越好。

氧含量是衡量轴承钢非金属夹杂物高低的重要标志,因为高碳铬轴承钢中的溶解氧甚少,钢中的氧大部分是以氧化物夹杂的形式存在。钢中的氧化物夹杂总量与钢中氧含量基本上是呈正比关系。GB/T 18254-2002标准明确规定氧含量:模铸钢不大于0.0015%,连铸钢不大于0.0012%,是当时首个提出对氧含量明确限制的国家标准。但氧含量评价钢中非金属夹杂物含量是一个有用的但不完善的评价指标,因为钢中氧含量的高低,实际上只能代表钢中氧化物夹杂的数量大小。现研究表明,当钢中氧含量(质量分数)控制在6ppm以下时,Ti(C,N)开始导致疲劳断裂。在高碳铬轴承钢中Ti为有害元素,其与溶解于钢中的氮的亲和力极强,多以TiN,Ti(C,N)夹杂物形式存在。TiN夹杂物是具有棱角的硬而脆的夹杂物,在热加工过程中不发生形变,其棱角易划伤钢的基体成为疲劳裂纹源。因此,相同尺寸的TiN夹杂物比氧化物夹杂物的危害性更大。GB/T 18254-2016标准在充分考虑先进性与经济性的前提下,经过反复、讨论与协商,确定了钢中O、Ti、P、S三个质量等级的技术指标(见表1)。

As、Sn、Sb、Pb为低熔点金属,可降低钢的热加工性能,容易产生裂纹等缺陷,因此在2002版标准修订时,是否限制As、Sn、Sb、Pb的含量就引起了热烈讨论。但由于当时国内对钢性能的影响程度尚未有成熟资料,再加之对这些元素尚缺乏有效的控制措施和快速分析方法,故在GB/ T 18254-2002标准未作明确限制指标,只有当需方要求时方才检验。GB/T 18254-2016标准结合国内十多年探索与试验,确定了钢中Sn、As、Sb、Pb等有害元素的考核指标,其指标达到了SKF D33-1:2009标准的要求。

研究表明,高碳铬轴承钢中DS 类夹杂物(直径>13μm)主要为镁铝尖晶石和钙铝酸盐复合态夹杂物。大颗粒的Al2O3-CaO点状夹杂物对轴承疲劳寿命最为有害。为了降低铝酸钙类夹杂对轴承钢疲劳寿命的影响,国外轴承钢厂一般不采用Ca-Si处理技术。因此,GB/T 18254-2016标准6.1.2规定:“除非得到用户同意,生产厂不得有意加入钙及其合金脱氧或控制非金属夹杂物形态”,并在规定中钙不大于0.0010%、铝不大于0.050%。

②非金属夹杂物的种类及合格级别的确定

非金属夹杂物破坏了钢基体的连续性,是造成轴承早期疲劳、剥落的主要原因之一。一个轴承零件的破坏,往往是由许多夹杂物中的一颗大型夹杂物引起。从这个意义上说,夹杂物的形态、尺寸与分布对疲劳寿命影响更大。如何评定钢中非金属夹杂物的种类及含量也一直是历次轴承钢标准修订的热点。目前各国标准中主要对A(硫化物类)、B(氧化物类)、C(硅酸盐类)、D(球状氧化物类)等四类非金属夹杂物进行评定。现研究已表明,当尺寸相同时氮化钛夹杂的危害性超过了氧化物夹杂。TiN及Ti(C,N)对轴承钢滚动接触疲劳造成的损害最为严重,其次为大型球状钙铝尖晶石。因此,除了上述四类非金夹杂物,国外的一些知名企业标准(如瑞典SKF D33-1标准)均将对DS类(单颗球形)夹杂物和氮化钛列为考核指标,而且新修订的ISO 683-17-2014标准也增加了对DS类(单颗球形)夹杂物的评级要求。

本次修订,GB/T 18254-2016标准主要解决了以下三个方面的问题:

◆将非金属夹杂物的评定方法及图片修改为直接采用GB/T 10561-2005标准,提高了标准评定方法的通用化、国际化,从而使材料之间的指标具有了可比性。

◆将A(硫化物类)、B(氧化物类)、C(硅酸盐类)、D(球状氧化物类)四类非金属夹杂物的合格级别分为三个质量等级(见GB/T 18254-2016表10),其指标确定主要是依据上述3.2.1.1中钢中P、S、O、Ti及其As、Sn、Sb、Pb、Ca、Al等残余元素含量确定,其中优质钢是保留了GB/T 18254-2002标准的指标;高级优质钢在ISO 683-17:2014、美国ASTM A295-14标准的基础上,将C类(粗系和细系)和D类(粗系)各加严了半级;特级优质钢与瑞典SKF D33-1:2009标准水平相当。 (未完待续)

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