本文講的超純軸承鋼,是指ω(S)、ω(Ti)和ω(O)分別達(dá)到0.003%、0.0012%和0.0007%以下的ω(C)1.0%-ω(Cr)1.5%軸承鋼(以下簡(jiǎn)稱(chēng)SFGCr15)。
為了滿足國(guó)際軸承行業(yè)對(duì)軸承鋼的超純化要求,寶鋼股份有限公司特殊鋼分公司致力于SFGCr15的工藝研究。經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究和探索,SFGCr15工藝流程及其技術(shù)基本成熟,而且SFGCR15的鈦含量和氧含量的控制技術(shù)專(zhuān)利已獲得授權(quán)。
1、SFGCr15的超純性
與常見(jiàn)的軸承鋼的純潔度相比，SFGCr15的超純性主要體現(xiàn)在：①鋼中ω(S)、ω(Ti)分別不大于0.003%、0.0012%；②鋼材中的ω(O)不大于0.0007%；③鋼中非金屬夾雜物級(jí)別以最嚴(yán)重視場(chǎng)為判定準(zhǔn)則,即在1爐鋼的6塊(或6根)具有代表性的鋼坯或鋼材(棒)上所取的金相試樣上,只要有一個(gè)金相試樣上的夾雜物顆粒數(shù)或尺寸超標(biāo),則該爐鋼被判不合格。國(guó)際頂尖軸承廠家之所以對(duì)SFGCr15有如此高的超純要求,其原因如下。(1)對(duì)含0.018%與0.004%的ω(S)的軸承鋼的偏析程度比較表明：低硫含量的柱狀和軸向區(qū)域中的偏析程度明顯較低。鋼中硫化物和碳化物分布的平均尺寸在凝固過(guò)程中隨硫含量的增加而增加,故縱向偏析增加。為了改善軸承鋼的碳化物,必須盡可能降低硫含量。(2)鋼中Ti(C,N)夾雜物具有很高的脆性,并呈棱角幾何形狀,因而在鋼基體中極易造成應(yīng)力集中而誘導(dǎo)疲勞裂紋。隨鈦含量增高,碳氮化鈦顆粒數(shù)不僅大大增多,而且級(jí)別也明顯增高,導(dǎo)致疲勞壽命降低。鋼中ω(Ti)從0.004%降到0.002%,能使軸承壽命提高約2倍。鋼中ω(Ti)在0.0015%以下,可顯著改善軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的噪音。鋼中ω(Ti)控制在0.0012%以下,則軸承可達(dá)到噪音在0.3Hz以下的靜音運(yùn)轉(zhuǎn)效果。(3)鋼中非金屬夾雜物,尤其氧化物夾雜是軸承鋼中最具危害性的,對(duì)疲勞破壞有顯著影響。氧化物夾雜尺寸越大,引起的應(yīng)力集中也越嚴(yán)重。
無(wú)論D類(lèi)氧化夾雜還是B類(lèi)物夾雜,在鋼中的生成均離不開(kāi)鋼中的氧。氧含量越高,不僅造成氧化物夾雜數(shù)量增多,而且使氧化物夾雜尺寸增大、偏析嚴(yán)重、級(jí)別增高,因而加劇疲勞壽命的危害。精煉鋼ω(O)為0.001%的疲勞壽命是精煉鋼ω(O)為0.004%的10倍；精煉鋼ω(O)為0.0005%的疲勞壽命是精煉鋼ω(O)為0.004%的30倍,并且與真空電弧重熔和電渣重熔的精煉鋼的疲勞壽命相當(dāng)；精煉鋼的ω(O)的最終目標(biāo)為0.0003%。
2、SFGCr15的精煉工藝及其質(zhì)量
2.1 SFGCr15的工藝流程開(kāi)發(fā)成功的SFGCr15鋼的精煉工藝流程為：100t直流電爐初煉(EBT出鋼)→100t鋼包爐精煉→100t真空爐脫氣→3.7t鋼錠澆鑄。2.2 直流電爐冶煉工藝因素對(duì)SFGCr15的硫含量、鈦含量的影響2.2.1 供氧強(qiáng)度在直流電爐熔煉過(guò)程中,向鋼液供氧,達(dá)到20～50m3/t,可使鋼中的ω(Ti)降至0.0005%以下,甚至0.0002%～0.0003%。這為精煉鋼液的低鈦化和低鈦鐵合金使用量的減少創(chuàng)造了十分有利的條件。2.2.2 直流電爐出鋼擋渣直流電爐鋼液出鋼時(shí),如果直流電爐內(nèi)的氧化渣進(jìn)入精煉鋼包,那么該爐鋼液的最終ω(Ti)一般不可能控制在0.001%以下,而且造成精煉的脫氧和脫硫任務(wù)繁重。因此,在直流電爐出鋼過(guò)程中,必須十分強(qiáng)調(diào)直流電爐的100%擋渣出鋼。2.2.3 爐渣渣系在直流電爐的熔化期和氧化期,采用高氧化性的渣系(ω(FeO)≥15%)可將鋼液中的ω(P)降至0.008%以下,同時(shí)使鋼液中的硫含量有一定下降。2.2.4 直流電爐出鋼鋼液的氧活度直流電爐出鋼鋼液的氧活度高,意味著在鋼包精煉過(guò)程中,必須加入相對(duì)多的脫氧劑。而過(guò)多的脫氧劑(尤其是軸承鋼的主要脫氧劑鋁)則在使鋼液中的氧活度迅速下降的同時(shí),形成大量的脫氧產(chǎn)物,導(dǎo)致鋼包精煉時(shí)間延長(zhǎng),鋼中鈦含量極易超出控制范圍。直流電爐出鋼鋼液氧活度低,容易造成直流電爐的工藝操作被動(dòng)。因此,把直流電爐出鋼鋼液氧活度控制在0.05%～0.10%。2.2.5 直流電爐熔煉過(guò)程中SFGCr15的硫含量和鈦含量的變化實(shí)例
經(jīng)過(guò)直流電爐的熔煉,SFGCr15鋼液的ω(S)和ω(Ti)在直流電爐出鋼前可分別達(dá)到0.0025%和0.0003%。
2.3工藝因素對(duì)SFGCr15的硫含量、鈦含量、氧含量和鋼中非金屬夾雜物的影響
2.3.1 精煉渣系和脫氧劑
在鋼包爐精煉過(guò)程中,采用高堿度渣系進(jìn)行脫硫,其主要組分為CaO、Al2O3、SiO2和MgO,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%～60%、15%～30%、8%、5%～15%。
采用鋁和硅進(jìn)行鋼液脫氧和爐渣脫氧。如果精煉前期將鋼中的w(Al)控制在0.03%～0.05%,則可使鋼中氧活度降到0.0003%以下。這對(duì)于控制鋼中鈦含量也十分有利。
對(duì)流動(dòng)性良好的高堿度渣進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑婷撗?可將爐渣中的ω(FeO)保持在1%以下,從而保證爐渣始終有較強(qiáng)的脫氧和吸附鋼中非金屬夾雜物的能力。這對(duì)于保證SFGCr15的ω(O)控制在0.0006%以下具有關(guān)鍵作用。
2.3.2 鋼液溫度和精煉時(shí)間
熱力學(xué)計(jì)算可得：①隨著溫度的上升,軸承鋼中的錳、碳、硅、鈦、鋁、鉻元素,除了碳之外,均趨于不穩(wěn)定；②在一定的溫度條件下,鋼中的鋁有可能還原爐渣或耐火材料或鐵合金中的二氧化鈦。因此,鋼液溫度控制不當(dāng),十分不利于鋼中鈦含量和氧含量的控制。
鋼液溫度在1560～1600℃,可使鋼液和爐渣均勻化和相互之間充分反應(yīng)。同時(shí),隨著鋼包底部的氬氣氣泡的不斷沸騰上升,鋼中的脫氧反應(yīng)產(chǎn)物不斷吸附上浮,從而不斷降低鋼中氧含量。
精煉時(shí)間一般應(yīng)控制在40min之內(nèi)。如果時(shí)間大于40min,鋼包耐火材料的表層被鋼液長(zhǎng)期沖刷而剝落進(jìn)入鋼液,導(dǎo)致進(jìn)入鋼液的耐火表層中的氧化物和鈦化物被鋼中的鋁還原,使鋼中ω(Ti)超過(guò)0.0015%。
2.3.3 底吹氬壓力
底吹氬壓力控制在0.2～0.3MPa。底吹氬壓力過(guò)大,造成鋼渣反應(yīng)過(guò)分強(qiáng)烈和鋼液對(duì)鋼包耐火材料沖刷嚴(yán)重,導(dǎo)致?tīng)t渣或耐火材料中的氧化物和鈦化物進(jìn)入鋼液而使鋼中鈦含量和氧活度增加。底吹氬壓力過(guò)小,使鋼液溫度和成分以及鋼渣反應(yīng)都不均勻和充分,鋼液的脫氧及其產(chǎn)物也不能充分上浮。合適的底吹氬壓力制度是：精煉前期以較大的氬氣壓力；精煉后期以較小的氬氣壓力。這一方面可使SFGCr15的鈦含量在精煉過(guò)程中基本穩(wěn)定,同時(shí)可使SFGCr15的硫含量和氧活度不斷下降。
2.3.4 精煉鋼包耐火材料及其狀態(tài)
可采用二氧化鈦含量比較低的國(guó)產(chǎn)精煉鋼包耐火材料。如果使用其它鋼包耐火材料,則可因其耐火材料中的二氧化鈦的含量高,導(dǎo)致鋼液中鈦含量增高。鋼包使用前應(yīng)完全清理。精煉鋼包內(nèi)表面有任何冷鋼或殘?jiān)?都導(dǎo)致鋼液中鈦含量增高。
2.3.5 鐵合金種類(lèi)
要使SFGCr15的鈦含量較低,選用較純潔的鐵合金是比較有效的途徑之一。對(duì)SFGCr15的鉻、錳、硅成分所涉及的鐵合金,應(yīng)控制其鈦含量。
2.3.6 真空脫氣
真空度一般應(yīng)在140Pa以下。如果真空度達(dá)不到140Pa,鋼中的ω(H)不能降至0.0001%以下。真空時(shí)間一般應(yīng)在20～35min。如果真空時(shí)間小于20min,鋼液脫氧產(chǎn)物無(wú)法充分上浮到爐渣中去,鋼中氧活度不可能達(dá)到0.0002%以下；如果真空時(shí)間大于35min,鋼包耐火材料的表層被鋼液長(zhǎng)期沖刷而剝落進(jìn)入鋼液,十分不利于鋼中鈦含量的控制。
在真空前期,精煉鋼包底吹氬壓力一般不大于0.2MPa；在真空后期,底吹氬壓力在0.1MPa以下。這種制度可使鋼液和爐渣充分均勻化和反應(yīng),鋼中的脫氧產(chǎn)物充分上浮。
真空脫氣之后合適的軟吹氬攪拌時(shí)間及其流量對(duì)于SFGCr15的鋼中非金屬夾雜物含量控制是十分重要的,其確定原則是：在保證鋼液不被暴露在空氣中和確保鋼液有合適的澆鑄溫度的前提下,底吹氬時(shí)間應(yīng)盡可能延長(zhǎng),氬氣流量應(yīng)盡量大。
2.3.7 鋼液澆鑄
鋼液澆鑄速度一般控制為3.5～4.5t/min。澆鑄速度過(guò)快,使鋼液對(duì)澆鑄系統(tǒng)的耐火材料的沖刷嚴(yán)重而污染鋼液,導(dǎo)致鋼中氧含量和鈦含量增加。澆鑄速度太慢,使?jié)茶T時(shí)間延長(zhǎng),導(dǎo)致鋼液二次氧化程度增加,不利于控制鋼中氧含量。
為了不使鋼液在澆鑄過(guò)程中與空氣接觸,開(kāi)發(fā)了模鑄氬氣保護(hù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)IAPS)。IAPS可使軸承鋼平均氧含量進(jìn)一步下降,如圖1所示。
2.3.8 控制實(shí)例
10爐SFGCr15在鋼包精煉-真空脫氣-鋼液澆鑄過(guò)程中的硫含量控制實(shí)例如圖2所示。10爐SFGCr15在鋼包精煉-真空脫氣-鋼液澆鑄過(guò)程中的鈦含量控制實(shí)例如圖3所示。
2.4 SFGCr15的殘余元素和有害元素含量以及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)水平
典型的SFGCr15鋼材中殘余元素和有害元素含量水平如表1所示。典型的SFGCr15鋼中氧含量和非金屬夾雜物評(píng)級(jí)水平如表2所示。
由表1和表2可知,SFGCr15的ω(S)、ω(Ti)和ω(O)分別達(dá)到0.003%、0.0012%和0.0007%以下,鋼中非金屬夾雜物含量也處于比較理想的水平。
3、結(jié)論(1)國(guó)際頂尖軸承廠家對(duì)軸承鋼的超純要求是ω(S)、ω(Ti)和ω(O)分別達(dá)到0.003%、0.0012%和0.0007%以下；鋼中非金屬夾雜物級(jí)別以最嚴(yán)重視場(chǎng)為判定準(zhǔn)則。(2)影響超純軸承鋼的硫含量、鈦含量、氧含量和鋼中非金屬夾雜物的工藝因素主要有：供氧強(qiáng)度、氧化爐渣中的氧化鐵含量、出鋼擋渣、出鋼鋼液的氧活度、精煉渣系和脫氧劑、鋼液溫度和精煉時(shí)間、底吹氬壓力、精煉鋼包耐火材料及其狀態(tài)、鐵合金、真空吹氬制度、軟吹氬攪拌制度、鋼液澆鑄速度及其保護(hù)系統(tǒng)。(3)超純軸承鋼的專(zhuān)用工藝流程及其技術(shù)已基本成熟,并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
