（钢铁冶金专业论文）转炉流程轴承钢连铸坯非金属夹杂物行为研究.pdf

摘要 摘要 轴承钢应具有高的强度、良好的韧性、抗疲劳性能、抗断裂特性和耐腐蚀性 能，同时还要求力学性能的改善不应当恶化钢的焊接性能和加工性能。钢中非金属 夹杂物的类型、数量、尺寸及分布对轴承钢力学性能和使用性能的影响很大。 针对石钢转炉炼钢厂冶炼g c r l 5 轴承钢的铁水预脱硫b o f l f v d c c 现 行工艺与条件，采取示踪剂追踪、系统取样、综合分析等手段对轴承钢生产过程中 非金属夹杂物类型、来源、数量及分布进行了全面研究。研究表明：( 1 ) 石钢转炉 炼钢厂g c r l 5 轴承钢铸坯中t f o j 的平均值为9 3xl 旷，显微夹杂物2 7 2 r a m 2 ，体 积率为0 3 1 ，大型夹杂物数擐为1 5 m g 1 0 k g ，达到较高的洁净度水平；( 2 ) l f 处 理后钢水中显微氧化物夹杂主要为球状的铬钙酸盐、铬硅酸盐、条状的铬锰酸盐， 并成为铸坯中的主要夹杂物；( 3 ) 示踪剂分析表明，铸坯中的显微夹杂物主要来源 于中阃包液面中间包覆盖剂的污染，其次是结晶器液面保护渣和钢包渣的污染；h ) 示踪剂分析表明，铸坯中大型夹杂物主要来源于结晶器液面保护渣的污染，其次是 中间包液面中间包覆盖剂及钢包渣的污染，可以检测到钢包渣的影响，但影响较 小：( 5 ) 非稳态( 开浇、换钢包、浇尾坯) 浇铸对镳水的洁净度影响非常显著，如 何改善非稳态浇注时期铸坯的洁净度也是提高轴承钢整体质量的关键。 利用数学模型系统研究了l f 吹鲺过程中钢液的流动行为，确定了最佳的钢包 吹氩位置以及适宜的吹氩气量，改善了钢包结构，优化了钢液流动状态，为连铸工 序提供具有理想温度和成分的钢水奠定了技术基础。 通过对冶炼工艺、相应渣样和铸坯样进行多项分析，系统地研究了夹杂物在铸 坯中的分布规律、夹杂物的成因和影响因素，为减少夹杂物提出了合理化的建议。 同时，经过优化的钢包流场为夹杂物的充分上浮提供了良好的条件。 图6 l 表2 6 参5 0 关键词：轴承钢；示踪法；非金属夹杂物；数学模型 分类号：t f 7 6 9 2 塑韭堡三杰堂堡主堂垡堡塞 a b s t r a c t b e a r i n g ss t e e lh a v en o to n l yh i g hs t r e n g t ha n dg o o dt o u g h n e s s ，b u ta l s oh a v e r e s i s t a n c e st of a t i g u ea n dc o r r o s i o n a tt h es a m et i m e , t h ew e l da b i l i t ya n dm u c hi n a b i l i t y p e r f o r m a n c eo ft h es t e e lm u s tn o tb ew o r s e n e db yt h ei m p r o v e m e n to ft h em e c h a n i c a l t h e a m o u n t s ，d i m e n s i o n sa n dd i s t r i b u t i o n so fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n sh a v eg r e a ti m p a c to n b e a r i n g ss t e e l b yw a yo ft r a c e ra d d i t i o n ，s y s t e ms a m p l i n g ，s y n t h e t i ca n a l y s i s ，s t u d yo nt h e a m o u n t s ，d i m e n s i o n sa n dd i s t r i b u t i o n so fn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n sd u r i n gt h ep r o d u c t i o n p r o c e s sa n dc o n d i t i o n so fb o f l _ if v d c cb e a r i n gs t e e la tt h eb o fs t e e lm a k i n g w o r k s h o po fs i s c o ， i ti sf o u n dt h a t ：( 1 ) t h ct o t a lo x y g e nc o n t a n to fs l a bi s9 3 x 1 0 - 6 w i t ht h en u m b e ro ft h em i c r oi n c l u s i o n s2 7 2 m m 2 ，t h ec o n c l u s i o nv o l u m e0 3 1 p e r c e n t u ma n dt h em a c r oi n c l u s i o n s1 5 r a g 1 0 k g ti ti sh i g hl e v e li nc l e a n l i n e s s ( 2 ) m i c r o s c o p i co x i d ei n c l u s i o n si nt h es t e e la p p e a rt ob eg l o b a ls i l i c a t ei n c l u s i o n sa n ds i n g l e c a l c i u mi n c l u s i o n sa f t e rl ff u r n a c e ，t h e r e f o r et h e yb e c o m et h em a i ni n c l u s i o n si nt h e s t e e lo fs l a b ( 3 ) i ti sd e m o n s t r a t e db ya n a l y z i n gt h et r 扯e rt h a tt h em i c r oi n c l u s i o n si ns l a b m a i n l yc o m ef r o mt h et h et u r d i s hc o v e rm a t e r i a l ，s e c o n d l ym o l df l u xa n dm o l t e ns t e e l c o n t a i n e rc i n d e r s ( 4 ) i ti sd e m o n s t r a t e db ya n a l y z i n gt h et r a c e rt h a tt h em a c r oi n c l u s i o n s i ns l a bm a i n l yc o m ef r o mt h em o l df l u x ，s e c o n d l yt h et o r d i s hc o v e rm a t e r i a la n dm o l t e n s t e e lc o n t a i n e rc i n d e r s ( 5 ) u n s t e a d yc a s t i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ec l e a n l i n e s so f t h es t e e l h o wt oi m p r o v et h ec l e a n l i n e s so fs t e e ld u r i n gu n s t e a d ys t a t ec a s t i n gp l a y sa c r u c i a lp a r ti nt h ew h o l e q u a l i t yo fb e a r i n gs t e e l b yw a y o fm a t h e m a t i c sm o d e ls y s t e m i cr e s e a r c ht h ef l o wa c t i o n so fs t e e ll i q u i dt h e b l o w i n ga ra n di nl f ，w h i c hw ec a nf i n do u tt h eb e s tb l o w i n ga rp o s i t i o na n df i r i n g a m o u n to fb l o w i n ga r t h r o u g ht h e s em e a s u r e s ，w h i c hc a ni m p r o v et h ef l a m eo fm o l t e n s t e e lc o n t a i n e ra n do p t i m i z et h ef l o w i n gs t a t eo fs t e e ll i q u i d ，s ow ec a np r o d u c ep e r f e c t t e m p e r a t u r ea n di n g r e d i e n ts t e e ll i q u i df o rc cp r o c e s s w e p u tf o r w a r dl o t so fr a t i o n a l i z a t i o ns u g g e s t i o n sf o rr e d u c i n gt h ei n c l u s i o n st h r o u g h r e s e a r c h i n gt h ei n c l u s i o n sd i s t r i b u t i o nr o l e s ，c a u s i n go ff o r m a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r s i ns l a bb yw a yo fa n a l y s i n gt h es m e l tt e c h n i q u e s ，h o m o l o g l z ec i n d e r sa n dc a s t i n gs l a b a t t h es a m et i m e ，t h e s em e a s u r e sw i l lp r o v i d eag o o dc o n d i t i t o sf o rr e d u c i n gt h ea m o u n to f i n c l u s i o n s f i g u r e6 1t a b l e2 6r e f e r e n c e s5 0 k e y w 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 s ，m a t h e m a t i c sm o d e l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 7 6 9 2 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北理工 大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：呈型、垒1日期：卫驾，年月! 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：埤聊签名：髯雄慨必上月卫目 引言 引言 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【”。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，需要高温、高速、高负荷、耐蚀、抗辐射等苛刻条件下工作的特种轴承，对 轴承钢的要求是更高功能和降低成本，对冶金行业和轴承制造业的发展提供了机遇 和挑战。 轴承的工作环境和使用条件决定轴承钢应具有高的硬度和耐磨性、高的抗压强 度和接触疲劳强度，此外，还应具有一定的韧性、良好的尺寸稳定性和工艺特性 等t 有些特定场合要求材料具有耐蚀性或耐高温性能。钢中非金属夹杂物的类型、 数量、尺寸及分布对轴承钢性能的影响很大。一方面，为了对其进行系统分析，迸 一步提高轴承钢质量；另一方面，以往，轴承钢冶炼大多采用电弧炉工艺流程，由 于其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，而且铁水纯净，对进一步提高钢材内在质量有一 定优势。 课题来源转炉钢厂品种钢冶炼及连铸技术开发与应用。 河北理 大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 轴承钢发展概述 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t ，其中瑞典s k f 年产约7 0 万t ，日本约6 0 万t 。我国轴承钢年产量6 0 万 t ，其中多为电炉流程生产删。随着我国经济的高速发展，轴承钢需求量目益增 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，冈射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素，因 此许多轴承钢生产厂家都在这方面做了大量工作。 表1 非金夹杂物评级 ! ! ! ! ! ! ! 堡型咝垡竺! 垡丝! ! 翌! 型竺! 罂 非金属夹杂物分类评级 厂名工艺 a 擅a 魍b 绷b 相c 细c 糟d 颦d 船 2 1 文献综述 发达国家对于轴承钢的生产及科研极为重视，其中以瑞典、同本、德国等国表 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 、表2 1 1 “。 表2 世界各主要轴承铜生产厂的生产工艺及钢中微量元素含量 t a b l e2t h ep r o d u c t i v ep r o c e s sa n dc o n t e n to fm i c r o e l e m e n to fb e a r i n gs t e e lp l a n li nw o r l d 厂名生产t 艺 o 】 t i a l s p 1 0 61 0 6 1 高功能化轴承钢的开发 ( 1 ) 超高清洁度钢的开发 轴承寿命中，影响轴承钢性能的是由转动疲劳引起的剥离寿命。轴承剥离一般 是由于混入异物润滑条件恶化及夹杂物引起的，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。 ( 2 ) 异物混入润滑下长寿命钢的开发 由于产业高级化及维修简化，轴承使用环境更加严酷。润滑油中不可避免混入 铁粉等异物，因此强烈要求开发在这种环境下的长寿轴承材料。 0 ) 准高温用轴承钢的开发 伴随产业高级化使用环境变严酷，出现使用温度上丹的情况，对此，出现准高 温用钢的需求。准高温系1 5 0 c 以下温度，要求在使用温度范围内材料的硬度降低 及由于残留奥氏体分解的尺寸变化小，要达到这些特性需提高抗回火软化的性能。 ( 4 1 马氏体系不锈钢的采用 - 3 - 河北理 大学硕士学位论文 a v 、o a 及f a 领域用轴承要求高的耐蚀性和耐候性。 ( 5 ) 高温用轴承钢的丌发 作为高温轴承钢的动向，例如航空用轴承钢的开发。代表钢种是m 5 0 ，以改善 高温硬度、韧性、耐蚀性及寿命等为目标的渗碳钢的研究，是此类钢的主要发展方 向。 2 降低成本关联钢种的开发 ( 1 ) 低成本轴承钢的开发 近几年，取代s u j 2 ( 此为日本牌号，中国牌号为g o l 5 ) 为代表的高碳铬轴承钢 的钢种的开发。主要是减少合金元素，以降低原料费用。 ( 2 ) 高频淬火用钢的开发 用于高频淬火的轴承钢，过去一般用渗碳钢，现出现采用中碳的低s i 、低m n 硼钢。这种钢不仅在功能、加工性能方面具有与渗碳钢持平的优点，而且具有冷锻 性而引起关注。 ( 3 ) 渗碳时间缩短 通过渗碳工序制造轴承，渗碳热处理所需要时间，成为成本提高的直接原因。 对于大型渗碳轴承，特别是渗碳时间缩短能有效降低成本，为此开发钢基体碳含量 为中碳的轴钢。 3 新技术在轴承钢生产上的应用 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 ) 在熔炼方面，电炉朝超离功率、大容量发展，采用组合式糟炼( 电磁搅拌+ 吹 氩搅拌) ，从而使轴承钢的冶炼时间缩短、生产效率提高，而且电耗较低，电极消耗 较少。 ( 2 ) 轴承钢的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。 ( 3 ) 热处理方面，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间或取消球化退火工序的研究方面有了 重大进展。 “) 在检测方面，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。 4 1 文献综述 1 1 2 国内轴承钢的现状及与国外的差距 1 我国轴承钢产量的供需状况 f 1 1 生产状况 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、西宁特钢和抚顺特 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3 【1 2 1 。 表31 9 9 7 年全国6 家轴承钢生产企业产量一览表 厂家上海五钢大冶特钢北满特钢 ( 需求情况 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。 2 我国轴承钢的质量与国际水平的差距 ( 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 。6 下降到 2 0 x 1 0 。6 时，其接触疲劳寿命提高1 5 倍；降到1 5 1 0 击时提高2 倍：降到8 x 1 驴时提 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 日本山阳制钢的氧含量控制在5 1 0 6 8 1 0 6 。国内先进水平氧含量在9 x 1 0 6 1 3 1 0 6 。1 9 9 7 年国内主要轴承生产企业的平均氧含量见表4 1 埘。 表41 9 9 7 年国内主要轴承生产企业的平均氧含量 t a b l e 4 t h ea v e r a g e o f o x y g e n o f p r i m a r y b e a r i n gs t e e l p l a n t s i n1 9 9 7 ( 2 ) 碳化物不均匀性 - 5 河北理工大学硕士学位论文 碳化物的不均匀性对轴承的材质是一种有害的缺陷。一般包括液析、碳化物带 状和碳化物网状。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 ) 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。 “) 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。渗碳轴承钢的热处理的要求较高，国内企业因设备、工艺等因素。不具备生产 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 f i 4 l 。 ( 5 ) 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， 两国内多数企业仍用1 5 3 0 吨的电炉和2 0 4 0 吨的精炼炉。日本轴承钢己采用连 铸生产，国内绝大多数企业都采用模铸。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。 3 国内特钢企业面犄的挑战 经过几十年的发展，中国目前已经成为轴承钢生产大国，年产轴承钢6 0 7 0 万 t ，与日本、瑞典相当，基本能满足国内市场的需求，并有少量出口。但是到8 0 年 代初，我国轴承钢才着手考虑用炉外精炼工艺生产，比国外至少落后了2 0 年，并且 生产设备和工艺落后，生产厂家较多，质量很不稳定。我国轴承钢化学成分如表5 所示。 6 一 1 文献综述 国外轴承钢的高功能、低成本的发展趋势及新技术的应用，对国内的特钢企业 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。 表5 轴承钢化学成分( o ) 1 1 5 】 7 ， 河北理l - 大学硕士学位论文 1 2 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 1 6 1 ： ( 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时发生破坏； 岱) 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； ( 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 3 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【堋，这些质量要求具体体现在冶金部的部颁批准y b 9 6 8 及冶金部和机械部联 合制定的轴承钢生产标准y j z 8 4 中，这两个标准是目前轴承钢生产中的两个并行的 部颁标准。 1 组织和性能的要求 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1 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澜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。 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。 2 表面要求 8 1 文献综述 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。 3 尺寸要求 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。 1 4 轴承钢对生产技术的要求 为了满足轴承钢长寿命、高精度、高刚度、高耐磨性、耐腐蚀性及抗振等性 能，根据各种轴承钢的具体要求在冶炼过程中采用特殊的冶炼方法，并采用c f 、 m n 、m o 、v 、t i 微合金化的合金成分设计方案，并与冶金技术和控轧控冷相结 合，冶炼出满足要求的轴承钢。 1 4 1 钢中的氧 1 钢中氧对疲劳寿命的影响 = = p t t 曹 l l tx 矿 围1 铜中氧含量对轴承寿命的影响 f i g 1 t h ee l ：f e e t o f c o n t e n t o f o x y g e n o i l l i f e i ns t e e l 瑞典s k f 公司和目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【1 8 嬲，l u n d t 等的试验结果表明：精炼钢氧含量为1 0 1 0 缶，疲 劳寿命是氧含量为4 0 1 0 的非精炼电炉钢的1 0 倍，上杉年一指出：精炼钢氧含量 9 - 河j 理1 ：火学硕j = 学位论文 降到5 1 0 r 6 ，其疲劳寿命是非耩炼钢的3 0 倍，与真空电弧重熔和电渣重熔相当。 图1 示出了氧含量与轴承钢寿命的关系。大冶特殊钢股份有限公司近年来对此也做 过一系列试验【珏】，结果表明：当精炼钢中氧含量为2 0 x 1 0 6 时，疲劳寿命是氧含量 为3 0 1 0 6 菲精练屯炉钢的l 。5 倍，氧含量为1 5 l 矿时，疲劳寿命为1 0 倍。 如下表示出了轴承钢中的氧对疲劳寿命的影响 2 4 1 表6 不同工艺生产轴承钢的氧含量及疲劳寿命 t a b l e6t h ec o n t e n to fo x y g e na n df a t i g u el i f eo fd i f f e r e n tp r o c e s sb e a r i n gs t e e l 工艺 额定寿命x 1 0 6中值寿命1 0 6w e i u b u l l 斜率 总氧量1 矿 一 。v 、_ _ 。一v “一_ 一一1 _ 。 e s r 1 7 t 68 0 3 8】2 2 1 8 ，6 e a f - l f - v d1 2 4 06 2 9 1 1 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，主要应采取以下措旌： 用过量的铝对钢液进行沉淀脱氧，再用氢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) ； ( 1 ) 防止二次氧化； ( 2 ) 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 4 2 钢中氮与钛 1 钢中氮与钛对疲劳寿命的影响 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1 2 5 硐。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。由图2 可见，在相同尺寸条件下，氮化物比氧化物更有害。图3 表明尺寸小的 1 悄与较大的a 1 2 0 3 具有相同的有害指数鲫。 - l o 1 文献综述 置 垂9 0 0 蓁鲫 球7 0 0 断裂循环次数 围2 氧化物与氯化物夹杂局部应力与 疲劳寿龠的影响 t a b l e2t h ee f f e c to fp a r ts l e s so nf a t i g u el i f e b e t w e e no x i d ee n dn i t r i d e 2 钢中氮与钛的控制 图3 夹杂物类型和尺寸对轴承钢有害程度的影响 t a b l e3t h ee f f e c to ft y p e sa n dd i m e n s i o n so f i n c l u s i o n so ni o c , u t o u sd e g r e e 关于降低钢中氮化钛的问题，目前存在着两种意见。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l o x1 0 4 1 2 0 x1 旷之 问。只有通过降低钛含量，才能达到减少氮化钛的目的；另一种观点认为，要将锈 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。 低氮轴承钢的冶炼工艺应包括以下要点： ( 1 ) 电炉钢原材料的氮含量，提前造泡沫渣、加生铁等以提高配碳量，强化碳 氧反应脱氮，以降低出钢的氮含量，可采用转炉为初炼炉； ( 2 ) 防止出钢过程及l f 过程增氮采用埋弧渣及气氛控制等) ； ( 3 ) 强化v d 过程脱氮( 高真空下强搅拌) ； ( 4 ) 防止喂线及连铸过程增氮。 1 4 3 钢中硫、 日本学者峰公雄认为( o 2 1o f b g n 0 0 0 3 ) s ( o 2 1 石面+ o 0 7 ) ，硫对钢性能没 有影响。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 河北理工大学顼十学位论文 观点郾删：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，由于钢中氧含量及 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。例如日 本山阳公司已将钢中的硫含量降到了很低的程度( 0 f 0 0 2 ) ，但它的硫化物级别并不 很低，平均为1 3 4 级【3 卜3 2 1 。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。 1 4 4 非金属夹杂物对轴承钢品质的影响 质量良好的金属材料不仅化学成分符合技术标准的要求，材料中的非金属夹杂 物也要尽可能的少。因为即使很少量的菲金属夹杂物，亦足以影响金属的机械性 能，降低材料的质量。非金属夹杂物对金属材料质量的影响，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；不利朐外形分布，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、含量和分布筹通常认为是评定钢材质量的一个重要指标， 并被歹 j 为优质钢及高级优质钢出厂常规检验项目之一。 非金属夹杂物的类型： 存在于钢中的菲金属夹杂物，破坏了金属的连续性，部分地与基体分开或相脱 离，对轴承钢的疲劳强度是非常有害的。 ( 1 ) 内生( 或固有) 夹杂物：金属在冶炼、浇铸等过程中，在金属内部各成分 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。这类夹杂物眈较细小，通常是很难避 免的。 ( 2 ) 外来( 或偶然) 夹杂物：在金属生产过程中，觚设备或容器上莉落下来而 掺入金属内的杂质，如耐火材料等。外来夹杂物均较粗大，且形状不定。 非金属夹杂物的特征： 1 2 - 1 文献综述 各种不同类型的夹杂物都有独特的本性，如形状、大小、分布、光学特性、化 学性质、机械性质等，这些特性都是鉴别夹杂物类型的依据。 ( 1 ) 夹杂物的形状、大小及分布 许多央杂物都具有特定的外形和变形行为，虽然非金属夹杂物的外形种类繁 多，但是仍可以概括为具有代表性的几种特征。钢中常见的夹杂物：主要有氧化 物、硫化物、氮化物及硅酸盐四大类。 ( 2 ) 夹杂物的存在状态 大致有三种：杂质呈游离状态，如石墨。夹杂物是杂质与母体金属结合成 的化合物，如铸铁中的f e j p ，钢中的f e o 、f e s 等。夹杂物在冷凝中互相影响， 形成几种夹杂物的固溶体或机械混合物。 ( 3 ) 夹杂物的透明度与色彩 夹杂物可分为透明的、半透明的和不透明的三种，透明程度应在暗视场照明或 偏光照明下观察，同时能观察到夹杂物的颜色。 轴承钢非金属夹杂物来源： ( 1 ) 脱氧、脱硫产物；( 2 ) 随钢液湿度下降，硫、氧、氮等杂质元素呈非金属化 合物在钢中沉淀；( 3 ) 卷入或侵蚀而进入钢液的炉渣、熔渣或耐火材料；( 4 ) 钢液被 大气氧化而形成的氧化物。通常把前两类称为内生夹杂物，后两类称为外来夹杂 物。 非金属夹杂物通常进行如下两方面研究： ( 1 ) 定性研究：分析夹杂物的类型、形状及分布，帮助冶炼者分析夹杂物存在 的原因，以控制它的形成。 ( 籼定量研究：测定非金属夹杂物在金属中的含量，从而可定量判断金属材料 的质量。 1 4 5 脆性夹杂物 钢中的铝系夹杂物a 1 2 0 3 、尖晶石( m g o ，a 1 2 0 3 ) 、氧化物、氰化物( t i c n 等) 和 各种复杂相成分的点状、球状不变形夹杂郝是有害的，但有害的程度并不一样。对 非金属夹杂物和接触疲劳寿命之间的关系研究表明：氧化物和硅酸盐越多，寿命越 低，特别是氧化铝对寿命更不利m j 。图4 表示了氧化物夹杂的数量与疲劳寿命的关 系。 ，1 3 一 河北理工大学硕士学位论文 【一 2 芝 = 一 电 鞭 = i l r 氍 图4 氯化物夹杂的数量与疲劳寿命的关系 t a b l e4 劝e ”l a f i o nb e t w e e nq u a n t i l ys n df a t i g u el i f eo fo x i d ei n c l u s i o n s 观察金属产生剥落部分附近的组织，可以看出裂纹几乎都以尖形的氧化物为起 点而产生的。匈牙利对几百炉实际生产的轴承钢( 电炉钢、真空脱气钢、电渣钢) 的 电解分离出的夹杂物，也得出a 1 2 0 3 和c a o 含量越高，疲劳寿命越低的结论。 1 4 6 硫化物 硫化物d 4 对轴承寿命并无有害的影响，欧美、日本有入认为提高硫含量反而会 使轴承的疲劳寿命得以提高。有人根据试验的结果认为，钢中硫含量从0 0 0 8 0 0 1 0 提高到0 0 1 3 0 0 1 8 是有好处的，可使疲劳寿命l 1 0 提高2 0 0 。另外也 有入得到相似的结果，认为一般轴承钢中的硫含量应达到0 0 4 3 0 1 0 2 。但是， 瑞典霍伏斯( o f o x s ) 钢厂根据对酸性平炉轴承钢的试验结果认为，即使很高的硫含 量( 最高达0 1 4 2 ) ，硫含量也与钢的疲劳寿命无关。图5 说明，当硫含量提高到 0 0 4 5 时，对于疲劳寿命没有什么有害的影响。 f 二三一一! 垂一 l 1 嚣 。 略p 咿一一百，- - “6 ”- 一 l l j 上_ 图5 不同硫含量的轴承钢的疲劳寿命 t a b l e5 t h ef a t i g u ej i f eo f d f f f e r e n ic o n e n to f p h o s p b o r u sb e m 6 n gs t e e l 1 4 趵 m 0 o_j萱素瓤蟹 l 文献综述 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，一方面要尽量改善兴杂的污染程度，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 ，4 7 夹杂物的形态 钢中夹杂物存在的形态是多种多样的。对种性质的夹杂来说，有可能表现出 许多形式，如脚2 0 3 ，可能以点状刚玉存在，也可能与硫化物共生，夹在硫化物中 间，或者呈点链状氧化物，以及与m 9 0 结合为尖晶石球状夹杂。 日本研究结果认为，夹杂物越大，越容易在较深处造成疲劳损坏的发生。图4 也表明在浅处有大的夹杂物时，对疲劳强度的影响也就越大，图6 的下限线看来是 影响疲劳强度的夹杂物大小的近似下限值。在试样表面上，此值约为8 u r n ，也就是 说，平均直径小于8 u m 的夹杂物对疲劳强度可能没有影响。也有人指出平均直径在 6 u m 以下的夹杂物不影响疲劳强度，这些结论都是相近的。 夹杂物的形状、分布也是影响疲劳寿命的因素之一。从夹杂物的数量来看，日 本的s u j 最小，瑞典s k f 、英国h o f f m a n 次之美国h o o v e r 最多。但是，s k i ：轴 承钢中的夹杂物颗粒小，平均直径为1 0 4 0 u m ( 日本为3 0 7 0 u 响，分布均匀分 散，多呈细条状，而且氧化物往往被硫化物所包围。 所以，夹杂物的数量对疲劳寿命的影响不是绝对的，还与夹杂物的性质、种 类、大小和分布情况等因素有关，也就是说。不一定夹杂物多，疲劳寿命就一定 低，这必须联系其它影响因素加以综合考虑。 图6 破坏起点夹杂物的大小与位置 t a b l e 6 n 幢d i m e n s i o na n d l o c a t i o no f w r e c ks t a r o f i n c l u s i o n s ，1 5 河北理工大学硕士学管论文 1 5 小节 综上分析，我国与国外轴承钢的冶炼水平，总的差距逐渐在缩小，在某些领域 已经赶上或者超过了国外先进水平。对比国内宝钢、武钢、石钢和国外的瑞典 s k f 、英国h o f f m a n 、日本特钢g c r l 5 轴承钢各项指标时发现，与国外相比，我国 轴承钢其化学成分( 除氧外) 控制相近，力学性能水平( o 。、0b ) 相当，冲击韧性却 略显不足，这可能与轴承钢洁净度水平及轧制工艺等因素有关，因此，如何提高轴 承韧性是进一步努力的方向。 由于机械工程的水平只取决于性能最低的一炉钢、一个卷、一副轴承，如何提 高轴承钢质量的稳定性和整体质量水平是我国轴承钢生产亟待解决的问题。 1 6 - 2 研究内容与研究方案 2 研究内容和研究方案 2 1 研究背景 石钢转炉炼钢厂g 0 1 5 轴承钢生产工艺流程为：铁水预脱硫4 5 t 顶底复合吹 炼转炉一l f 精炼一v d c c ，已能生产高附加值、高技术含量的轴承钢、工具钢等 特殊钢种，产品具有较强的市场竞争力。 与国外( 如日本) 生产的轴承钢相比，石钢同级别轴承钢的化学成分与之相 近，强度水平与之相当，但韧性水平仍有不足。由于钢中的夹杂物对轴承钢的延 性、冲击韧性性能影响较大，所以，提高轴承钢中的洁净度水平是提高轴承钢品质 的重要因素。 石钢转炉炼钢厂为了摸清现有工艺条件下轴承钢的生产水平，分析轴承钢中非 金属夹杂物的类型、来源，为进一步提高轴承钢，尤其是高强度、高韧性、抗腐蚀 性要求的轴承钢的质量，提高产品竞争力，与河北理工大学合作开展了转炉钢厂品 种钢冶炼及连铸技术开发与应用的科技攻关。 2 2 研究目的 ( 1 ) 为转炉流程轴承钢生产技术的开发提供基础资料。 ( 2 ) 通过本课题的研究，深刻的了解夹杂物的成因和影响因素以及在铸坯中的 分布规律，并针对不同类型的夹杂物提出合理化的预防和减少措施，为冶炼出更高 质量的轴承钢现场生产提供必要的理论指导。 ( 3 ) 通过对钢包中流场的模拟，得出钢包内流场分布以及速度场的分布，通过 调整底部透气砖位置、气体流量和压力，达到最佳的流场状况，对进一步探索夹杂 物的去除、快速提温和提高包龄等一系列问题，为现场生产提供理论基础，使钢包 ( l f 炉) 成为一个能为钢液均匀、夹杂物上浮和去除提供最大可能的反应器。 2 ，3 研究内容 ( 1 ) 针对石钢转炉炼钢厂现行生产工艺( 铁水预