摘要：本文分析了轴承钢冶炼过程中夹杂物控制存在的问题；轴承钢中最有害的夹杂物是大尺寸的以脱氧产物Ａl２Ｏ３为核心的复合氧化物或氧硫氮复合物。合理控制初炼炉终点碳含量、选择合适的脱氧剂提高脱氧能力或使夹杂物变性、优化精炼渣成分提高其吸收夹杂物的能力、优化熔炼工艺减少大尺寸夹杂物并改善其在钢中的分布是当前降低轴承钢中氧化物夹杂的措施。
关键词：电渣重熔；精炼渣；曲轴钢
一、轴承钢夹杂物控制存在的问题
在控制好钢中主要合金元素化学成分的情况下，轴承钢的冶炼质量主要受钢液洁净度和铸态钢组织的控制。为此，需要优化轴承钢的精炼工艺以降低钢中杂质元素的含量、减小夹杂物尺寸、控制夹杂物的形状、改善夹杂物在钢中的分布；同时，通过改进铸造工艺制度来提高铸坯质量。目前，国内轴承钢夹杂物及铸坯质量控制存在的主要问题表现在如下。
1、钢液洁净度水平不高。对轴承钢而言，钢中的氧含量一般要求低于10×10－4％（质量分数，下同），最大夹杂物尺寸低于15μｍ［1］。和国际先进水平相比，国内轴承钢中的杂质元素含量及夹杂物级别都存在一定差距，如日本神户钢铁公司轴承钢氧含量控制在4×10－4％，而大冶特钢的高品质轴承钢氧含量在6.5×10－4％～6.7×10－4％。
2、精炼、浇铸工艺有待进一步优化。我国轴承钢生产先进企业在熔炼设备与瑞典、日本等国家先进企业的差距较小，但熔炼及浇铸工艺需要进一步改善。如日本先进企业已采用彻底除去电炉渣、ＬＦ双透气砖底吹搅拌、ＲＨ环流管扩径等措施。高碳铬轴承钢中的碳含量较高，在采用连铸生产时容易产生碳元素偏析。兴澄特钢采用100ｔＥＡＦ初炼＋100ｔＬＦ（钢包炉）精炼＋100ｔＶＤ脱气＋（300ｍｍ×340ｍｍ）ＣＣ（边铸）工艺生产轴承钢，经结晶器电磁搅拌之后，连铸坯碳偏析指数小于1.14；连铸过程中相关的轻压下、分段电磁搅拌技术在国内应用很少，国外则多采用这些辅助装置来改善铸坯的均匀性。
二、降低钢中氧化物夹杂的措施
要控制钢中的夹杂物需要对钢中的含量加以限制，其中关键是钢中氧含量及氧化物的控制。
1、初炼炉出钢终点的碳控制。当出钢终点碳含量过低时，钢中的溶解氧高，导致后续脱氧时消耗大量的铝，且夹杂物总量会增多，给后期精炼带来困难；另外，渣的氧化性也会明显增加，后期精炼调整和控制钢渣的成分困难。而过高的出钢终点碳含量会给初炼炉的工艺控制带来压力。因此，电弧炉冶炼时，终点碳含量一般控制得较低（0.2％左右）；转炉冶炼时，大都采用高拉碳冶炼的方法来达到较高的终点碳含量（0.6％左右），以适应转炉的快节奏。
2、选择合适的脱氧剂。在轴承钢生产过程中，用铝进行终脱氧可使钢中的氧含量降低和获得适量的酸溶铝。酸溶铝含量太高时，钢液保护不好易导致二次氧化从而增加脆性Ａl２Ｏ３夹杂的含量；酸溶铝含量低时，因硅的二次氧化及钢液温度降低导致溶解氧析出，会使富含SiO2的粗大硅酸盐夹杂生成。［2］发现，钢中酸溶铝含量控制在0.02％～0.04％时可使钢的晶粒细化，从而获得较高的强韧性。钡是一种较为理想的脱氧变质剂，钡合金不仅脱氧能力强，而且能使钢中的残余夹杂物得到很好的变性。钡加入钢液后与钢液呈液／液相接触，不易造成喷溅，，脱氧产物易于上浮排出，能显著降低钢中的氧及夹杂物总量。
3、优化精炼渣成分。［2］在实验室研究了成分为（47％～64％）ＣａＯ、（13％～23％）SiO2、（15％～25％）Ａl２Ｏ３、（5％～10％）ＭｇＯ、（0～8％）ＣａＦ２的精炼渣对ＧＣｒ15轴承钢中氧含量和夹杂物的影响时发现，渣的二元碱度由2.0增加至4.5时，钢液终点全氧含量由20×10－6降至11×10－6，夹杂物的总数量和总面积都减小。高碱度渣精炼的钢液中典型的夹杂物为Ａl２Ｏ３和铝镁尖晶石等脆性夹杂物，尺寸不大于5μｍ。适当提高Ａl２Ｏ３的含量或添加ＣａＦ２，减少ＭｇＯ的含量，可以显著提高精炼渣吸附夹杂物的速度和能力。以实验用电渣重熔炉为单立柱单相电渣炉，变压器功率为150kVA．结晶器为固定式水冷铜制结晶器，内径为Φ上145mm，Φ下150mm，高为700mm，最大能够重熔70kg的铸锭．根据所定电流以手动方式升降电极．重熔过程中电流为1500～2000A，电压为40～45V，出水温度为50～60℃。重熔实验前，将电极的表面打磨，去掉氧化铁皮．实验采用冷启动法．实验过程保持相同的冶炼制度，使用相同母材，采用不同渣系进行重熔精炼．重熔实验结束后，采用Axios波长色散X射线荧光光谱仪对实验后的渣样组成进行分析，采用火花直读光谱仪对钢样化学成分进行分析，采用光学显微镜，扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对钢中的非金属夹杂物进行统计和分析，借助热力学软件FactSage对钢渣平衡进行计算分析。
4、优化熔炼工艺。通过改进炼钢工艺来降低钢中的总氧化物夹杂含量是提高轴承钢滚动接触疲劳寿命的一种重要方法。为了获得高质量的钢，加大兑入铁液量和选择高质量的废钢进行熔炼是目前常用的方法。在钢包冶金过程中，精确控制加入钢中的铝、硅或钙含量来促进脱氧和脱硫，全程采用保护浇注，夹杂物含量会降低。同位素跟踪试验表明，钢中70％的氧化物夹杂来源于真空脱气和铝脱氧，剩下的来源于耐火材料或保护渣，采用酸性熔炼方法可以降低非金属夹杂物的含量，并使夹杂物具有更好的形状和变形性。真空熔炼也是降低夹杂物含量的重要途径，在较高的真空度下，钢中的氧含量可以降到10×10－6以下［3］。电渣精炼可以获得好于真空熔炼的冶炼效果，由于电渣精炼过程中夹杂物的尺寸较小，在相同的氧浓度下，电渣精炼钢比其它精炼技术生产的钢对疲劳失效的敏感性要弱。采用电渣精炼不只是简单地降低了钢中的氧含量，还降低了钢中夹杂物的尺寸，使夹杂物的分布更均匀，重熔后可为大夹杂物上浮提供机会。分别对真空冶炼与电渣精炼制备的ＧＣｒ15轴承钢进行超高周疲劳试验，结果表明，后者具有较好的疲劳性能。９Ｃｒ18和９Ｃｒ18Ｍｏ等不锈轴承钢可以采用电弧炉冶炼加电渣重熔工艺冶炼。采用电渣重熔方法冶炼的钢中的氧含量达0.28×10－4％～0.4×10－4％，钢中的氧化物夹杂细小，但含量较多，从而影响轴承的使用寿命。采用在钢包中吹氩搅拌、电磁搅拌、真空脱气等可使钢中的氧、钛及硫总含量控制在低于80×10－4％的水平。目前，对重要用途的轴承钢多采用真空感应加真空自耗（双真空）冶炼，此工艺生产的新型不锈轴承钢6Ｃｒ14Ｍｏ的纯净度得到大幅提高，氧含量仅为5×10－4％，且氧化物夹杂数量较少，尺寸较细小，分布较均匀。
总之，轴承钢中的夹杂物直接影响轴承钢的质量，从而影响其使用寿命。在控制好轴承钢主要合金元素化学成分的前提下，其冶炼质量主要靠钢液洁净度和铸态钢组织控制，其关键是钢中氧含量及氧化物夹杂的控制。
参考文献：
［1］阮小江，姜周华．精炼渣对轴承钢中氧含量和夹杂物的影响［J］．特殊钢，2015,（03）
论文作者:肖元生,王亮
论文发表刊物:《建筑科技》2017年9期
论文发表时间:2017/10/12
标签：含量论文; 精炼论文; 轴承钢论文; 氧化物论文; 工艺论文; 终点论文; 真空论文; 《建筑科技》2017年9期论文;