一、研究的背景与问题

本项目依托生产高端汽车轮毂轴承的材料要求，研究控制材料纯净度、组织均匀性的工艺方法，在前期高碳铬轴承钢的工艺基础上进一步研究中碳轴承钢特性的冶炼、连铸、轧制、控冷等工艺方法，同时结合下游锻造加工工艺特点，全流程控制生产工艺，生产出满足高端汽车轮毂轴承用户的产品。

根据汽车轮毂轴承的服役工况，轴承的最主要破坏形式为剥落损坏，大量的失效分析及轮毂轴承疲劳测试显示，材料中非金属夹杂物尤其大尺寸宏观夹杂物易于引起短时间开裂失效或应力集中疲劳破坏，成为疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。另外，材料的组织均匀性不佳也会导致其薄弱部位发生应力集中导致失效。故对轮毂轴承原材料的纯净度及组织均匀性提出更苛刻的质量要求。第4代轮毂轴承锻造过程变形极不均匀、终锻温度高，承受滚动体压力和摩擦的关键位置对应圆钢锭形偏析位置，且此位置锻造变形量较小，处于临界变形量附近。因此极易产生组织粗大和带状组织等问题，经检验奥氏体晶粒度小于4.0级的不合格情况时有发生，在随后局部感应淬火和服役使用时容易出现过早破坏。

二、解决问题的思路与技术方案

汽车轮毂轴承用钢的超纯净、高均质化生产以及下游加工厂使用验证，主要包括：符合中碳轴承钢特性的超纯净钢冶炼工艺技术，基于高晶粒度要求的成分设计，连铸、轧制的全流程全截面细化均质化控制工艺技术等方面。

1、超纯净钢冶炼技术

初炼炉采用专有技术措施高保碳出钢，维持充足的碳氧反应，控制合适的钢水氧化性，确保钢水初始纯净度为后道精炼工序创造良好条件。采用EBT偏心底出钢避免下渣，出钢过程利用热力学动力学条件深度铝沉淀脱氧，同时利用出钢动力热力条件促使精炼初期快速成渣。精炼过程持续渣面扩散脱氧，解析钢中夹杂物组分、调整精炼渣料组分实现精准渣系控制。VD高真空处理钢水脱H及独特设计的狭缝式透气塞形成Ar气泡促进夹杂物上浮吸附。全流程采用Axpex分析各工序不同工艺条件下夹杂物的数量及组分变化，摸索出一套中碳轴承钢的微观夹杂物冶炼控制方法，显著降低轴承钢钢液中氧化物类等夹杂物的数量和尺寸。

2、基于高晶粒度要求的成分设计

针对汽车中碳轮毂轴承锻造毛坯实际晶粒粗大等问题进行梳理总结，主要原因可能有：终锻温度过高、锻造变形量分配不均匀、末道次处于临界变形量范围变形、材料缺少抑制奥氏体晶粒长大的稳定第二相、材料存在偏析等。其中锻造工艺的影响最为明显。从原材料角度考虑，适当提高Al、N含量对细化晶粒有一定帮助。

采用低成本、易控制的合金化技术路径，通过Jmat-pro软件计算和小批量实验，设计添加适量的Al，同时采用氮气搅拌合适的时间以达到钢中含氮量，配合后续热轧工艺的优化，实现了AlN第二相的均匀弥散析出和单颗尺寸控制。在下游用户生产过程中的热锻和感应淬火时起到钉扎奥氏体晶粒，细化组织的效果。最终实现下游用户锻造后免正火工序，大幅降低工序成本，有效控制了加热、锻造及感应淬火过程的晶粒粗化问题。

3、连铸、轧制的全流程全截面细化均质化控制技术

通过数值模拟，确定过热度和拉速对凝固终点的影响以及不同结晶器电磁搅拌参数下流场分布，确定最佳的拉速范围及结晶器电磁搅拌参数。建立两相区变形与溶质偏析宏微观多尺度多场耦合计算模拟，系统研究并开发形成一系列适用于宽大断面连铸坯的凝固末端压下工艺控制技术模型，采用液芯负压补缩工艺和电搅与重压下复合工艺等铸坯致密均质化技术，最终实现连铸坯均质化控制。

通过微合金元素优化以及轧制关键节点的热力耦合控制，实现轧材全截面形性协同调控与显微组织细化均质化。通过揭示碳氮化物溶解和析出的热力学和动力学行为、显微组织的再结晶与相间析出行为，匹配热轧全流程变形温度与变形量控制，实现碳氮化物的分阶段析出与钉扎、奥氏体未再结晶区的低温大变形渗透、铁素体在晶界和晶内的分散诱导析出，获得全截面细化均质化的轮毂轴承钢轧材。

三、主要创新性成果

1、开发了符合中碳轴承钢特性的超纯净钢冶炼关键控制工艺技术。通过冶炼全程控制钢水氧化性，精准造渣深度脱氧，研究夹杂物上浮吸附去除措施，满足了高等级汽车轮毂轴承的交变应力疲劳服役要求，达到国际先进水平。

2、设计了基于高晶粒度要求的中碳轮毂轴承钢成分。通过设计钢中细化晶粒元素Al及N的合适区间及其钉扎作用，有效控制了加热、锻造及感应淬火过程的晶粒粗化问题，结合圆钢组织性能控制，实现了下游用户锻造后免正火工序，大幅降低工序成本，达到国际先进水平。

3、开发了中碳轴承钢连铸、轧制的全流程全截面细化均质化控制工艺新技术。实现轧材全截面C、S含量极差、各类宏观偏析、奥氏体晶粒度、实际晶粒度、极差、圆钢硬度等精确控制，适合下游加工，达到国际先进水平。

围绕本项目申请专利11件，其中授权发明专利2件，参与制订国家标准1项、团标1项；"汽车轮毂轴承用钢"通过了江苏省新产品鉴定，达到国际先进水平。

四、应用情况与效果

近年来南钢一直致力于汽车用钢的开发，形成了成熟的汽车用钢研发及生产体系，在汽车用钢已初步形成底盘系统、动力系统、紧固件、传动系统等全系列供货。近年来，应用本项目技术开发高端汽车轮毂轴承钢的累计供货10万余吨。本项目产品国内一线品牌汽车轮毂轴承市场占有率领先，近五年创销售总额10亿余元，创经济效益逾1.1亿元。

信息来源：南京钢铁股份有限公司

版权与免责声明
【1】本网站凡注明“学会秘书处”的所有作品，版权均属于四川省金属学会所有，未经书面授权，任何媒体、网站或个人不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网站协议授权的媒体或网站，应在授权范围内使用上述作品，并注明“来源：四川省金属学会”。违者本网站将追究其相关法律责任。
【2】本网站凡注明“来源：XXX（非学会秘书处）”的作品，均转载自其它媒体，登载此作品出于传递更多信息之目的，不代表学会观点或证实其描述，不对其真实性负责。作品内容仅供参考，如转载稿件涉及版权等问题，请在两周内来电或来函与四川省金属学会联系。