（钢铁冶金专业论文）转炉流程轴承钢中非金属夹杂物行为的研究.pdf

东北大学博士学位论文摘要 转炉流程轴承钢中非金属夹杂物行为的研究 摘要 轴承钢是重要的冶金产品，它被，、+ 泛应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防 工业等领域。随着科学技术的发展，轴承的使用环境日趋恶劣，同时人们对轴承的寿命 提出了更高更严的要求。由轴承钢研究进展的文献可知，轴承钢的强度级别逐渐提高。 用于衡最其重要冶会质量的“氧含景”7 丁0 1 ，国外水平为5 x1 0 - 6 6 x1 0 ，氧含量极 低的轴承钢( 1 1 0 1 为3x1 0 - 6 4 x1 0 。) 的生产目前尚未见详细报道。并且，以往轴承 钢冶炼大多采用电弧炉工艺流程，由于其氮含量、废钢残余元素高的缺陷不易克服，使 得电炉钢的使用性能受到很大限制。转炉流程冶炼轴承钢，不但生产率高、氮含量低而 且铁水纯净，对进一步提高钢材内在质量有一定优势。同时轴承钢中非金属夹杂物的类 型、特性、数量、尺寸及分布，至今没有人进行系统研究。为此，针对石钢铁水预脱硫 一b o f i fv d c c 轴承钢生产流程，进行了非金属夹杂物行为的系统研究，取得的 研究数据为转炉流程轴承钢生产提供了基础资料和依据。 ( 1 ) 石钢铁水预脱硫一b o f l f v d c c 轴承钢生产流程生产的连铸坯中玎o 】 平均值为9 3x1 0 ，显微夹杂体积率为0 0 3 1 、数量平均值为2 7 2 个m m 2 ，大型夹杂 物数量为1 5 m 1 0 k g ，达到较高的洁净度水平。 ( 2 ) 铸坯中央杂物主要是显微夹杂且粒径较小，o 5 “m 夹杂约r i 亍9 0 ，5 1 0 1 t i n 夹 杂占9 ， 1 0 _ t m 只占1 。 ( 3 ) 不论浇注条件是非稳态还是稳态显微夹杂在铸坯断面上内弧至外弧j 二的分布趋 势是一致的，即铸坯内弧央杂物含量较高，日在距内弧的1 5 3 5 处出现夹杂物聚集区， 这种分布形式主要是0 5 , a m 夹杂积聚所致。可以认为，在现有钢包及中间包流场优化 条件卜，直径大1 二5 u m 的夹杂具有良好的上浮条件，而直径小于5 9 m 的夹杂上浮不充 分。 ( 4 ) 住l f 炉处理6 u 钢水中的央杂物j 三要为a 1 2 0 3 、铬硅酸盐和铬锰酸赫三类夹杂。 其中a 1 2 0 3 夹杂以块状、条状和少量簇状形念存在。l f 处理后钢水中的夹杂物主要为球 形铬钙酸盐、球形铬硅酸盐、条状的铬锰酸盐，条状的a 1 2 0 3 夹杂几乎全部转变为块状 a 1 2 0 3 夹杂，l f 处理后的夹杂物类型成为中间包内钢水和铸坯中的主要夹杂物类型。 ( 5 ) 示踪剂分析表明，低氧条件下( 玎0 1 lo p mi n c l u s i o n so n l ya c c o u n tf o r1 ( 3 ) b o t hu n s t e a d ya n ds t e a d ys t a t em i c r oi n c l u s i o n sa p p e a rt h es a m ed i s t r i b u t e dt e n d e n c y f r o mi n n e ra r c st oe x t e r i o ra r c so fc a s t i n gs l a b t h ei n c l u s i o n sa s s e m b l e di nt h ea r e ao fp a r t 。l v o 东北大学博士学位论文 a b m r a e t f r o mi n n e ra r c s1 5t o3 5t h i sd i s t r i b u t i o ni sm a i n l yd u et od i s p o s a lo fi n c l u s i o n so f0 5 m i c r o n s i ti l l u s t r a t e st h a ti n c l u s i o n sg r e a t e rt h a n5m i c r o n sc a nt o a d w h i l ei n c l u s i o n so f0 - 5m i c r o n sh a v en oe n o u g hf o a tt e n d e n c y ( 4 ) t h ei n c l u s i o n s i nm o l t e ns t e e lb e f o r el ft r e a t m e n tm a i n | yc o n t a i n a 1 2 0 3 ， s i l i c o - c h r o m a t ea n dc h r o m i cm a n g a n o u ss i l i c a t ei n c l u s i o n s 。t h ei n c l u s i o n sa f t e rl ft r e a t m e n t m a i n l yc o n t a i ng l o b u l a rc a l c a r i o u ss i l i c o c h r o m a t e ，g l o b u l a rs i l i c o - c h r o m a t e ，b a n d yc h r o m i c m a n g a n o u ss i l i c a t e ，b a n d ya 1 2 0 3 i n c l u s i o na b o u tn i n et e n t hw i l lc o n v e r ti n t om a s s i v ea t 2 0 3 i n c l u s i o n si m m e d i a t e l y ，a n dt h ei n c l u s i o ns t y l e si nt u n d i s hs t e e la n dc a s t i n gs l a bm a i n l yc o m e f r o mt h ei n c l u s i o n ss t y l e sa f t e rl ft r e a t m e n t ( 5 ) t h et r a c e re x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep o l l u t i o no fs l a ga n dr e f r a c t o r yt ot h el i q u i d s t e e ls h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o nu n d e rl o wo x y g e nc o n d i t i o n ( 丌o 1 7 5 1 0 ，a 1 2 0 3i n c l u s i o ni sg e n e r a t e d t h er e a lc o n t e n to f a l u m i n u mi nt h eb e a r i n g s t e e li s2 0 0 x1 0 - 6 3 0 0 x1 0 一，t h ed e o x i d a t i o nm a i n l yi sa 1 2 0 3 b a s e do nt h eh a r mo f b e a r i n gs t e e lt h a tc a u s e db yt h ea 1 2 0 3i n c l u s i o na n dt h et r a i to f d e o x i d a t i o no fb e a r i n gs t e e l ， h o wt op l a yt h em e t a l l u r g i ce f f e c to fl a d l ef l o wf i e l da n dt u n d i s hf l o wf i e l do nr e m o v i n g i n c l u s i o ns e e m sv e r yi m p o r t a n t r 8 、t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o l t e ns t e e lf l o wa n df l o a t i o no fi n c l u s i o ni si n v e s t i g a t e d w i t hp h o e n i c so fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e ，a n da f t e rs e c o n d a r yd e v e l o p i n g t h i ss o f t w a r e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds o l u t i o na r et a k e n ，a n dt h ef l o wb e h a v i o ro fm o l t e n s t e e li nl a d l ea n dt u n d i s ha r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y b a s e do ns i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n d u n d e rc o n d i t i o no fc o r r e c t e df r o u d ec r i t e r i o n ，w a t e rm o d e le x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo na 1 2 - s c a l em o d e li no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fo p t i m i z e dr e s u l to fm a t h e m a t i c a l o v 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o nt h es t u d ys h o w st h a tt h ec r i t i c a lv a l u eo fa r g o ng a sf l o wr a t ei s1 , 8m mf o r4 0 t l a d l ei ns h i g a a gs t e e l ，b l o w i n gp o s i t i o no fa r g o ni s5 2 0 r a ma s i d et h ec e n t e ro fl a d l eb o t t o m t h e r e f o r et h er e a s o n a b l ef l o wf i e l dc a l lb eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e sag r e a tp r o b a b i l i t yf o r h o m o g e n e o u sm o l t e ns t e e l ，f l o a ta n dr e m o v a lo f i n c l u s i o n s f 9 ) t h em a t h e m a t i c a ls i m u l i z a t i o no ff l o wf i e l di nt u n d i s ha n di n d u s t r y q 讲i r a i z a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n f i g u r a t i o no fts h a p et u n d i s h1 3o n ew e i ra n do n ed a m t kd i s t a n c e r a t i oo fb a f f l ea n dd a m d a ma n dn o z z l ea r ef r o mi 0 6t o l t o 8 ：t h ed i s t a n c er a t i oo fd a m h e i g h ta n dl u n d i s hl e v e li s3 5 ，a n di h eh e i g h tb e t w e e nh o l ec e n t e ra n di m p a c tf a c e i s i5 0 l s o m m b e i n gn oa v a i l a b l et h r o u g h t l o wa n dd e a ds p a c e t h et u n d i s hf l u i dg e t s 的ab e t t e r m o d a l i t yo f f l o wf i e l d ，a n dt h ef l o a tp r o b a b i l i t yo fi n c l u s i o n si si n c r e a s e dg r e a t l y t h ea v e r a g e 玎0 】i no p t i m i z e dt u n d i s hi s1 2 1 1 0 一，w h i c hi s3 4 s m a l l e rt h a nt h a to f1 8 3 1 0 4b e f o r e o p t i m i z a t i o n ，t h eq u a n t i t yo f i a r g e - s i z e di n c l u s i o n si st 0 ，o o m g t o k g , w h i c hi s2 92 s m a e r t h a nt h a to f1 4 1 3 r a g l0 l ( gb e f o r eo p t i m i z a t i o n t h ed i a m e t e ro f m i c r oi n c l u s i o n si ss m a l l e ri n m o l t e ns t e e lo fo p t i m i z e dt u n d i s h ，i nw h i c ht h er a t i oo fi n c l u s i o n si nr a n g eo fo - 5 9 r ns i z ei s m o r et h a n9 5 ，t h e r e f o r el h ew e i ra n dd a mi nt u n d i g hc a ni m p r o v et h ec l e a n l i n e s so fm o l t e n s t e e le f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：b e a r i n gs t e e l ；t r a c e rm e t h o d ；n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n ；l a d l ef l o wf i e l d ；t u n d i s hf l o w f i e l d 4v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文是在导师吕庆教授的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：多乃趸，碉 口期：z 口口厂2 2 护 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：歹叹嚼 导师签名：易j 乃 签字日期：知一，z 、2 o签字日期：一一参- 2 ，砷 东北大学博士学位论文 第一章引言 1 1 轴承钢发展概述 第一章引言 轴承钢是重要的冶金产品，它被广泛应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防 工业等领域，主要是制造滚动轴承的滚动体和套圈，一些大断面的轴承钢也被用来制造 机械加工用的工、模具。在众多的钢铁产品中，轴承钢是检验项目最多、质量要求最严、 生产难度最大的钢种之一。机械、铁路、汽车等行业的装备能否安全正常地运行，很大 程度上取决于转动部件的寿命长短，故轴承钢的质量好坏是至关重要的，它应具有长寿 命、高精度、高刚度、高耐磨性等性能。轴承是机械设备的重要基础件之一。用于制造 各类滚动轴承套圈和滚动体的钢为轴承钢。轴承钢包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高 温轴承钢、不锈轴承钢及无磁超低温等特种轴承钢【1 】。近年来，随着机械制造业，特别 是汽车工业以及航空工业、原子能工业等的迅速发展，轴承的应用领域日益扩大，对轴 承的性能要求不断提高。 轴承钢主要产量在瑞典、日本和中国。欧洲工业化国家每年轴承钢产量约1 5 0 万吨， 其中瑞典s k f 年产约7 0 万吨，日本约6 0 万吨。我国轴承钢年产量6 0 万吨，其中多为 电炉流程生产【“1 。随着我国经济的高速发展，轴承钢需求量日益增加，这就给我国特 钢企业带来机遇与挑战。 1 1 1 国外轴承钢的发展动态和趋势 随着科学技术的发展，轴承的使用环境日趋恶劣，同时人们对轴承的寿命提出了更 高更严的要求。轴承钢的纯净度和组织均匀性是影响轴承寿命的重要因烈5 9 1 ，因此许 多轴承钢生产厂家都在这方面做了大量工作。 表1 1 非金属夹杂物评级 t a b l e1 1r a t i n go fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s 东北大学博士学位论文第一章引言 发达国家对于轴承钢的生产及科研极为重视，其中以瑞典、日本、德国等雷表现突 出。它们的轴承钢生产状况体现了当今世界轴承钢生产质量的水平和方向。国外几家主 要轴承钢生产厂家所采用的工艺方法及有关质量指标见表1 1 、表1 2 【州。 表1 2 世界各主要轴承钢生产厂的生产工艺及钢中微量元素含量( 质量百分比，) t a b l e1 2p r o d u c t i v ep r o c e s sa n dc o n t e n to f m i c r o e l e m e n to f b e a r i n gs t e e li nt h ew o r l d ( m a s s ) 为适应轴承钢的高功能化和低成本，国外各生产厂家纷纷采用先进的技术，推动了 轴承钢的生产工艺、品种和质量的高速发展，这些新技术表现在以下几个方面： ( 1 ) 超高清洁度钢【1 1 也l 的开发是轴承钢重要发展技术之一，影响轴承钢性能的主要 因素是由转动疲劳引起的剥离现象。轴承剥离一般是由于混入异物而使润滑条件恶化及 直接由钢中夹杂物引起的，降低氧化物系夹杂物对轴承的长寿有显著的效果。因此，轴 承钢的高清洁度对提高轴承的寿命至关重要。各轴承钢制造厂通过改善精炼方法，供给 高清洁度轴承钢，而且，这种需求正在扩大。 i 2 。 东北大学博士学位论文第一章 引言 在熔炼方面，电炉向超高功率、大容量发展，采用组合式精炼( 电磁搅拌+ 吹氩 搅拌) ，电耗较低，电极消耗较少。 ( 3 ) 转炉流程轴承钢技术的开发使轴承钢的冶炼时间缩短、生产效率提高，且钢中 氮含量低，残余元素少，为轴承钢进一步提高品质奠定了基础。 ( 4 ) 轴承钢连铸目前已经取得重大进展，广泛应用于轴承钢的生产。连铸不仅提高 了成材率，而且钢坯表面质量、夹杂物分布、碳化物偏析都有明显改善。 ( 5 ) 多采用连续式保护气氛热处理，在提高球化退火质量，获得细小、均匀、球形 的碳化物以及缩短退火时问或取消球化退火工序的研究方面有了重大进展。 ( 6 1 实现了在线检测自动化。国外先进企业依据不同的目的采用不同的探伤设备。 有的在同一条生产线上分别安装有超声波探伤机、涡流探伤机或磁粉探伤机，对钢的缺 陷自动标志、修磨等。 1 1 2 国内轴承钢的现状及与国外的差距 1 9 9 7 年，国内轴承钢产量为6 2 万吨，生产厂家达2 6 家之多，生产产量较多、质量 较好的企业有：上海五钢、大冶特钢、北满特钢、大连钢厂、西宁特钢和抚顾特钢等6 家，产量为4 3 6 8 万吨，占全部产量的7 0 ，具体见表1 3 1 2 3 1 。我国轴承钢化学成分如 表1 4 【2 4 】所示。从轴承钢供需趋势分析，我国轴承钢的供求基本平衡，完全能自给。但 作为商品，无论在内在质量，还是外观、尺寸精度、表面质量等与国际水平尚有较大的 差距。具体表现在以f 几方面： 表1 31 9 9 7 年全国6 家轴承钢生产企业产量一览表 t a b l e1 3p r o d u c t i o no fs i xh ；a r i n gs t e e lp l a n t si n1 9 9 7 ( 1 1 钢水纯洁度 氧含量是轴承钢纯洁度的最重要标志之一。轴承钢当氧含量由3 0 x1 0 4 下降到2 0 1 0 。6 时，其接触疲劳寿命提高1 5 倍；降到1 5 1 0 4 时提高2 倍；降到8 x 1 0 6 时提高3 倍。因此，各大厂家都非常重视对氧含量的控制。目前，国际上先进水平，如日本山阳 制钢的轴承钢，氧含量可以达到5 1 0 8 1 0 。国内先进水平氧含量玎0 】_ “般波动 在9 l f f 6 1 3 1 0 。6 范围内。1 9 9 7 年国内主要轴承生产企业的平均氧含量见表1 5 【“。 ( 2 ) 碳化物不均匀性 碳化物的不均匀性对轴承的材质是一种危害较大的缺陷。一般包括液析、带状碳化 物和网状碳化物。国外轴承钢的碳化物尺寸细小、分布均匀。而我国轴承钢碳化物的尺 寸和颗粒较大，直接影响了轴承的使用寿命。 3 东北大学博士学位论文第一章引言 g c r 4 g c r l 5 g c r l 5 s j m n g c r l 5 s i m o g c r l 8 m o g 2 0 c r m o g 2 0 c r n i m o g 2 0 c r n i 2 m o g 2 0 c r 2 n i 4 g 1 0 c r n i 3 m o g 2 0 c r 2 m n 2 m o 9 c r l 8 9 c r l 8 m o 8 c r 4 m 0 4 v 1 0 c r l 4 m 0 4 0 9 5 0 1 5 0 1 5 0 3 5 丰牛0 0 2 5 1 5 1 0 50 3 00 3 00 5 00 0 8o 2 50 2 00 0 2 0 0 9 5 0 ，1 5 0 2 5 1 4 0 牛牛丰0 0 2 5 1 5 l 0 5o 3 00 4 51 6 5o - 1 0o 3 00 2 50 5 00 0 2 5 0 9 5 0 4 5 0 9 5 ，1 4 0 牛牛牛0 0 2 5 1 5 1 0 50 7 51 2 5 1 6 50 1 00 3 00 2 50 5 00 0 2 5 0 9 5 0 6 5 ，0 2 0 1 4 0 0 3 0 牛牛0 0 2 7 1 5 1 0 50 ，8 50 4 01 7 00 4 0 0 3 0 0 2 5 0 0 2 0 0 9 5 0 2 0 0 2 5 1 6 5 0 1 5 牛牛0025 1 5 1 0 50 4 00 4 01 9 50 2 50 2 50 2 50 0 2 0 0 1 7 0 2 0 0 6 5 0 3 5 0 0 8 t丰0030高级优 0 2 30 ，3 5o 9 5 0 6 5 0 1 50 2 5 ( o 0 2 0 ) 质钢 0 1 7 o 1 5 0 6 0 0 3 5 0 1 5 0 4 0 高级优 同上 0 2 30 4 00 9 00 6 50 3 00 ，7 0 质钢 0 1 7 0 1 5 0 4 0 o 3 5 0 2 0 1 6 0 高级优 同上 0 2 3 0 4 0 0 7 0 0 6 50 3 02 0 0 质钢 0 1 7 0 1 5 0 3 0 1 2 5 3 2 5 高级优 同上 0 2 30 4 00 4 01 7 5 3 7 5质钢 0 0 8 0 1 5 0 4 0 1 0 0 0 0 8 3 0 0 高级优 】司上 0 1 3 o ，4 0 ，o 7 0 1 4 00 1 53 5 0 质钢 0 1 7 0 1 5 1 3 0 1 7 0 0 2 0 ， 高级优 同上 o 2 3o 4 01 瑚2 m 0 3 00 3 0 质钢 0 9 0 1 7 0 o 0 3 5 1 0 00 ，8 00 8 0l ，9 0 0 0 3 0 0 9 5 1 6 ，o 0 4 0 0 0 3 5 l 1 00 8 00 8 01 8 00 7 0 0 0 3 0 0 7 5 3 7 5 4 叫 v o 9 0o + 0 2 7 0 8 50 8 0o 3 54 2 54 5 0 1 1 00 0 2 0 0 9 5 1 3 0 03 8 0 0 0 2 5 0 2 0 1 1 00 8 00 8 01 6 04 3 00 3 00 2 5 0 5 00 o 加 d 东北大学博士学位论文第一章引言 表1 51 9 9 7 年国内主要轴承生产企业的平均氧含量( 质量百分比，) t a b l e1 5a v e r a g eo fo x y g e nc o n t e n to fb e a i i n gs t e e li ns i xp l a n t si n1 9 9 7 ( m a s s ) ( 3 ) 表面质量和外观尺寸、精度 与国外轴承钢相比，国内钢材的表面普遍存在折叠、细裂纹、凹坑等缺陷，公差尺 寸范围较大，交货不能两头齐尺，经常有短尺搭交，轴承钢棒材的弯曲度按目前标准为 4 m m m ，而国外标准通常要求2 m m m ，对大多数国内特钢企业来说，难度较大。国外 轴承钢棒材的端部无毛刺，并4 5 。机器倒角，国内钢材的两端粗糙，不利于轴承企业的 自动化加工。总之，轴承钢表面质量的缺陷及外形上的偏差，最终将降低轴承加工企业 的材料利用率。 ( 钔品种结构上的差距 国内轴承钢的钢种以高碳铬轴承钢为主，占9 0 ，欧美等西方工业化国家的高碳铬 轴承钢只占7 0 ，其它渗碳轴承钢等约占3 0 ，这主要是热处理上的差距所致。渗碳轴 承钢对热处理工艺要求较高，国内企业因设备、工艺等因素，不具各生产大量的渗碳轴 承钢的条件。在轴承钢的品种上，1 9 9 7 年我国的轧材占8 7 4 4 ，而日本、瑞典s k f 等 轴承钢生产企业轧材只占5 0 ，而轴承制造中材料利用率比较高的管材、带材和线材所 占比例也达5 0 ，我国却还不足1 5 ( 2 6 j 。 ( 5 1 技术装备的差距 我国轴承钢与国外相比最主要的差距是在技术装备。国外在轴承钢熔炼上，初炼炉 和精炼炉朝高功率、大容量发展。瑞典、日本等国多选用7 0 1 0 0 吨的炉型，而国内多 数企业仍用1 5 3 0 吨的电炉和2 0 4 0 吨的精炼炉。日本轴承钢已采用连铸生产，国内 绝大多数企业仍采用模铸。热处理方面，国外都使用连续式保护气氛退火炉，国内多数 企业还是较落后的辊底炉、罩式炉等。检测方面，国内多数企业不具备在线探伤，对钢 材的内在、外表缺陷不能及时发现、修磨。 国外轴承钢的高功能、低成本的发展趋势及新技术的应用，对国内的特铡企业形成 了巨大的竞争压力，国内企业面临挑战。尽管目前国内供求总量基本平衡，进口所占的 比例很小，但是国内轴承钢的质量与国外相比存在多方面的差距，如不设法缩小差距， 不仅不可能扩大市场份额，连现有的市场份额也有可能被进口所替代。另一方面，对国 内特钢企业是一次机遇，如掌握了关键技术，适应趋势要求，不仅能巩固已有的国内市 场，还能开拓国际市场，争夺国外的市场份额。国内特钢企业要弥补技术装备上的不足， 必须扬长避短，采取相应有效的策略。 5 东北大学博士学位论文第一章引言 1 1 3 轴承钢的性能要求 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，对轴承钢的性能要求主要有【2 1 ： f 1 ) 具有高的接触疲劳强度和抗压强度； ( 2 ) 经热处理后必须具有高而均匀的硬度； ( 3 ) 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； ( 4 ) 要有一定的韧性，防止轴承在受冲击载荷作用利发生破坏； ( 5 ) 要有一定的抗腐蚀性能； ( 6 ) 要有趣好的工艺性能，如冷热成型、切削、磨削等性能，以适应大批量、商效 率、商质量生产的需要； f 7 ) 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。 1 1 4 对轴承钢的质量要求 根据轴承特殊使用要求，轴承制造行业对轴承钢的生产提出了非常严格的质量要求 ( 捌。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圈 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走。 经热加工后的轴承钢成品，其表面脱碳层厚度要尽量减小i 钢材的宏观低倍组织要良 好，即一般疏松、- f l , b 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。 为了保证轴承的各表面无缺陷，轴承钢成品的表面应光滑，小得有裂纹、结疤、折 迭、麻点和划伤等缺陷。 在对轴承钢进行精加工时，为了对原材料准确f 料井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。 1 14 1 钢中的氧 r 1 ) 钢中氧对疲劳寿命的影响 瑞典s k f 公司和日本山阳特殊钢公司对轴趣钢氧含量与疲劳寿命的关系做过大量 的试验研究工作1 2 0 - 3 3 l ，l u r i d t 等的试验结果表明：精炼钢氧含量为1 0 x 1 0 一，疲劳寿命 是氧含量为4 0 x 如4 的非精炼电炉钢的1 0 倍，上杉年一指出：精炼钢氧含量降到5 1 0 4 ， 其疲劳寿命是非精炼钢的3 0 倍，与真空电弧重熔和电渣重熔相当。人冶特殊钢股份有 限公司近年来对此也做过一系列试验俐，结果表明：当精炼钢中氧含量为2 0 xl f f 6 时， 疲劳寿命是氧含量为3 0 xl a r 6 非精炼电炉钢的1 5 倍，氧含量为1 5 x1 0 。6 时，疲劳寿命 疲劳寿命是氧含量为3 0 x 1 矿非精炼电炉钢的1 5 倍，氧含量为1 5 x 1 0 4 时，疲劳寿命 6 东北大学博士学位论文 第一章引言 1 1 3 轴承钢的性能要求 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，对轴承钢的性能要求主要有1 2 7 】： ( 1 1 具有高的接触疲劳强度和抗压强度； 佗1 经热处理后必须具有高而均匀的硬度； r 3 ) 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； r 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； ( 6 ) 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； f n 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。 1 1 _ 4 对轴承钢的质量要求 根据轴承特殊使用要求，轴承制造行业对轴承钢的生产提出了非常严格的质量要求 【2 8 j 。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。 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。 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。 l 1 4 1 钢中的氧 ( 1 1 钢中氧对疲劳寿命的影响 瑞典s k f 公司和日本山阳特殊钢公司对轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系做过大量 的试验研究工作【2 9 。3 3 】，l u n d t 等的试验结果表明：精炼钢氧含量为1 0 x1 0 - 6 ，疲劳寿命 是氧含量为4 0 1 0 4 的非精炼电炉钢的1 0 倍，上杉年一指出：精炼钢氧含量降到5 1 0 一， 其疲劳寿命是非精炼钢的3 0 倍，与真空电弧重熔和电渣重熔相当。大冶特殊钢股份有 限公司近年来对此也做过一系列试验【州，结果表明：当精炼钢中氧含量为2 0 l f f 6 时， 疲劳寿命是氧含量为3 0 1 0 。6 非精炼电炉钢的1 5 倍，氧含量为1 5 1 0 。6 时，疲劳寿命 6 东北大学博士学位论文第一章引言 为】o 倍。轴承钢中的氧对疲劳寿命的影响【3 5 】如表1 6 所示。 表1 6 不同丁艺生产轴承钢的氧含量及疲劳寿命 t a b l e1 6c o n t e n to fo x y g e nc o n t e n ta n df a t i g u el i f eo fb e a r i n gs t e e lm a d ei nd i f f e r e n tp r o c e s s r 艺 额定寿命，1 0 6中值寿命，1 0 6w e i l l b u l l 斜率 r i o ，l 矿 e s r1 7 1 68 0 3 81 2 21 8 6 e a f - l f - v d1 2 4 06 2 9 l1 1 68 2 ( 2 ) 钢中氧的控制 轴承钢可以用转炉流程或电炉流程来生产。为降低钢中的总氧量及大颗粒夹杂物含 量，主要应采取以下措施： 用过量的铝对钢液进行沉淀脱氧，再用氩气搅拌使夹杂物上浮至渣钢界面被熔渣吸 收。 当采用v d 处理时，也可采用部分真空碳脱氧操作：v d 处理过程中，为保证脱气 一般采用强搅拌将渣面吹开，使钢液直接暴露在真空下，并将部分熔渣卷入钢液以增加 渣钢接触界面。如果这部分渣不能从金属液中排出则会增加钢液总氧量，为此，v d 后 期应有一定的弱搅拌时间( 也可在钢包吊出v d 工位后镇静) 。 防止二次氧化，提高耐火材料质量及操作水平，尽量减少因耐火材料带入的外来夹 杂及中间包覆盖渣和连铸保护渣卷入钢液。 1 1 4 2 钢中氮与钛 钢中钛、氮含量与氮化钛夹杂有一定的关系，即随着钛、氮含量的提高，钢中氮化 钛夹杂增加【3 6 琊 。氮化钛是一种硬而脆的夹杂物，它对钢的疲劳寿命特别有害。在相同 尺寸条件下，氮化物比氧化物更有害。尺寸小的t i n 与较大的舢z 0 3 具有相同的有害指 数【3 5 】。 关于降低钢中氮化钛的问题，目前存在着话种意见。大多数认为由于现在普遍采用 超高功率电弧炉生产轴承钢，钢中氮含量较高，一般在1 0 1 0 - 6 1 2 0 ) ( 1 0 4 之间。只有 通过降低钛含量，_ 才能达到减少氮化钛的日的；另一种观点认为，要将钢中钛含量降到 较低水平，付出的代价太大，因为在目前的操作情况下，在精炼炉内，只能选用含钛低 的昂贵铬铁加入，降低钢中氮含量可能比降低钛含量容易些，经济一些。 低氮轴承钢冶炼工艺可采取的措施： ( 1 、采用转炉为初炼炉。 ( 2 1 防止出钢过程及l f 过程增氮。 ( 3 1 防止连铸过程增氮。 1 1 4 3 钢中硫 n 本学者峰公雄认为，在硫含量符合( o 2 1 d 一o 0 0 3 ) s ( o 2 14 0 + o 0 7 ) 条 7 东北大学博士学位论文 第一章引言 件时，硫对钢性能没有影响。也有学者认为，硫化物【”】对轴承寿命并无有害的影响。关 于硫对疲劳寿命的影响，目前还存在着意见分歧，归纳起来有以下三种观点1 3 9 - 4 1 l ：一种 认为适当提高钢中硫化物含量有利于寿命的提高；另一种观点认为硫化物含量增加会降 低寿命；还有一种观点则认为硫化物含量与疲劳寿命关系不大。认为硫化物有益的观点， 常用“共生理论”来解释之。这种理论认为钢液在凝固过程中，低熔点的硫化物粘附在 氧化物表面上，形成硫化物包围氧化物的共生夹杂，它能够松驰拉应力，并能够进行协 调变形，从而减少氧化物的有害作用，但是这种理论是建立在钢中氧化物夹杂较多的前 提下。最近几年来，出于钢中氧含量及氧化物夹杂含量的大幅度降低，硫化物的有害作 用逐渐表现出来。但值得注意：硫与氧相似，它也只能代表钢中硫化物夹杂的数量，不 能代表其尺寸和分布。例如f i 本山阳公司已将钢中的硫含量降到了很低的程度( o 0 0 2 ) ， 但它的硫化物级别并不很低，平均为1 3 4 级m 杞4 3 l 。现在有些特殊用钢( 如轿车用齿 轮钢) ，为了有利于切削加工，要求钢中含有一定数量的硫，同时要求其硫化物要细小 分散，级别要低。 对于硫化物能不能最终导致有益或无害于疲劳寿命，尚无定论。但是，长期以来把 一切夹杂物都认为是有害的，从而严格限制钢中硫的含量，认为越低越好，对这种概念 应该有新的认识。在生产中，一方面要尽量改善夹杂的污染程度，另一方面考虑到在氧 化物存在的情况下，如何减少其坏的影响，硫化物的上述作用不能不引起注意。 1 1 4 4 钢中非金属夹杂物 影响轴承铡质量的主要因素有夹杂物、碳化物等，这些因素最终都会影响轴承钢疲 劳寿命。钢中即使很少量的非金属夹杂物，亦足以影响金属的机械性能，降低材料的质 量。金属材料的加工、疲劳性能、延滞断裂性能和抗冲击性能等主要决定于金属材料中 的非金属夹杂物的性质、尺寸和数量。非金属夹杂物对金属材料质量的影响h 4 - ”1 ，不仅 决定于其数量的多寡，并与夹杂物的组成、外形及分布状态有关；不利的外形分布，如 沿晶界分布的、链状的、被轧成条状的夹杂物，对机械性能的影响尤其大。在外力作用 下，往往在非金属夹杂物存在的地方引起应力集中，当应力足够大时，则导致材料破裂。 因此，夹杂物类型、数量、尺寸、形状和分布等通常被认为是评定钢材质量的一个 重要指标，并被列为优质钢及高级优质钢出厂常规检验项e l 之一。另一方面，受钢基体 组织和性质制约，与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形的夹杂物的危害 最大。 根据a m i t c h e l l 等1 5 l 】的观点只有当非金属夹杂物尺寸 1 叽m 时，它们才不会对材料的宏观性能产生影响。 n ) 夹杂物的分类 按夹杂物的来源分类，分为：内生夹杂物，即金属在冶炼、浇注等过程中，在金属 8 内部各成分之间或金属与炉气、容器等接触发生化学反应而形成的产物以及金属在冷凝 或温度降低时因溶解度减小等原因而析出的颗粒，这类夹杂物比较细小，通常是很难避 免的：外来夹杂物，即在金属生产过程中，从设备或容器上剥落下来而掺入金属内的杂 质，如耐火材料【5 2 瑚】等，外来夹杂物均较粗大，且形状不定。 按夹杂物尺寸分类，至今对夹杂物尺寸大小的划分还没有统一的规定，t e m i 把央 杂物按大小大致分为三类：亚显微夹杂物( 1 0 0 m ) 。最近随着钢的品质提高，许多冶金工作者把 5 0 * m 的夹杂物归为 大型夹杂( 本文按这种分类方法) 。在洁净钢中的亚显微夹杂物包括氮化物、硫化物和 氧化物，总数约为1 0 “个c m 3 ，其中氧化物夹杂约占1 0 8 个c m 3 。一般认为这种微小的 氧化物夹杂对钢质多半无害( 除硅钢片外) ，至少它们在钢中的作用目前研究的还不够 ( 本文也不做探讨) 。显微夹杂物主要是脱氧产物，这类夹杂物对高强度钢的疲劳性能 和断裂韧性影响极大，它的含量与钢中的溶解氧含量有很好的对应关系，大型夹杂在洁 净钢中数量很少，但对钢的质量影响较大。 按夹杂物化学成分分类，分为氧化物系夹杂、硫化物系夹杂和氮化物系夹杂。氧化 系夹杂包含简单氧化物( 铁锰氧化物固溶体、硅的氧化物和趾2 0 3 等单体夹杂物) 、各 种类型硅酸盐、尖晶石( m o r 2 0 3 ) 和各种钙铝酸盐。硫化物系夹杂主要是f e s 、m n s 、 f m n 、f e ) s 和g a s 等。氮化物系夹杂包括a i n 、t i n 、v n 、z r n 、b n 和s i 3 n 4 等。此外， 还有磷化物、碳氮化物、硫氮化物、碳氢硫化物等。 ( 2 ) 夹杂物对轴承钢寿命的影响 a 氧化物夹杂 氧化物央杂主要是指舢z 0 3 、s i 0 2 、t i 0 2 、m g o 以及它们的复杂氧化物，其中，又 以a 1 2 0 3 最为常见，危害最大，常常成为钢中应力集中的源泉。随着钢中a 1 2 0 3 夹杂数 量的增加，轴承钢寿命会