轴承钢连铸技术专题讲座PPT.ppt

轴承钢连铸技术 内容 1 轴承钢概述 影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其控制3 轴承钢的连铸 轴承是 工业的心脏 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 轴承钢是特钢产品中生产难度较大的钢类之一 2009年和2010年我国轴承钢产量分别为350万吨和358万吨 占当年特钢产量的7 8 和7 6 轴承钢总产量连续6年列为世界第一 高等级轴承钢仅占1 5 高质量轴承钢仅占34 多数为高碳含铬轴承钢 中碳轴承钢和渗碳表面硬化轴承钢 而不锈耐蚀 高温难溶及防磁类型的轴承钢比例在3 8 以下 约13 15万吨 一 概述 滚动轴承一般由内圈 外圈 滚动体和保持架组成 内圈 与轴颈相配 一般转动 外圈 与轴承座相配 一般静止 滚动体 将滑动摩擦转化为滚动摩擦 保持架 防止滚动体直接接触 除保持架外 其余都是由轴承钢制成 常见的滚动体有六种形状 一种是球形 五种是滚子 当轴承工作时 轴承内外套圈 滚动体间承受高频率 变应力作用 在轴承旋转时 还承受离心力的作用 并随转速的增加而增大 滚动体与套圈间不仅存在滚动 而且还有滑动 所以在滚动体与套圈之间还存在摩擦 在几种力的综合作用下 在套圈或滚动体的表面上抗疲劳强度低的部位首先产生疲劳裂纹 最后形成疲劳剥落 使轴承破损失效 轴承钢正常破损的形式是接触疲劳损坏 其次是摩擦磨损使精度丧失 非金属夹杂物或粗大碳化物 则可促进裂纹的产生 轴承钢要求高疲劳寿命 轴承钢性能的要求 对化学成分的要求 对非金属夹杂物的要求 高且均匀的硬度 高的耐磨性 高的接触疲劳强度 保证轴承的正常使用寿命 高的弹性极限和一定的冲击韧性 承受高的负荷而不变形 承受一定的冲击负荷 良好的尺寸稳定性 以保证精度 减轻振动和噪声 精密轴承 一定的耐蚀性 良好的工艺性能 以满足大规模生产的需要 轴承钢类型 高碳铬轴承钢渗碳轴承钢不锈轴承钢高温轴承钢和中碳轴承钢使用最广 应用最久的是高碳铬轴承钢 高碳轴承钢的特点 高碳加铬加入mo mn si v等合金严格控制杂质元素 特别是p s ni cu 危害最大的是氧化物夹杂 其次是硅酸盐 氧化物夹杂的最大粒径和粒子个数是轴承钢疲劳寿命的根本原因 轴承钢冶炼和浇铸的关键在于控制钢中氧含量到极限值 提高纯净度和组织的均匀性 即降低钢中氧及非金属夹杂物含量 控制好夹杂物形态和分布 核心 高纯净度钢的生产 二 影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其控制 氧对轴承钢质量的影响及其控制轴承钢中的夹杂物及其控制轴承钢中残余铝的控制轴承钢中残余钛的控制硫含量钢中碳化物缺陷 2 1氧对轴承钢质量的影响及其控制 钢中wt o 10 10 4 轴承钢的疲劳寿命比wt o 40 10 4 提高10倍 wt o 5 10 4 的疲劳寿命比wt o 40 10 4 提高30倍 轴承钢生产的关键在于脱氧 全氧含量与轴承疲劳寿命的关系 冶炼过程中应注意的问题 初炼钢液实现低氧化和低温化 强化初炼钢水的预脱氧 采用sic和al粉进行扩散脱氧 精炼中期 钢中氧含量降低 al也随之降低 采用喂al线的方法添加al 选择合适的精炼渣系 防止二次氧化 合理的吹氩制度 控制适当的残铝量 确保足够的真空度和真空时间 2 2轴承钢中的夹杂物及其控制 钢中非金属夹杂物数量和组分的变化钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响工艺参数对钢中夹杂物含量的影响浇注过程中夹杂物的控制 夹杂物造成的滚动面疲劳破坏 钢中非金属夹杂物数量和组分的变化 钢中大于5 m的夹杂物在真空后大部分被去除 夹杂物数量比真空前少1 3 skf研究发现 出钢后15min夹杂主要由al2o3和al2o3 sio2 mno组成 来自电弧炉出钢的预脱氧产物 真空前 al2o3 cao夹杂 是al2o3和铁合金ca si中的钙的反应产物 真空后 夹杂中的al2o3 cao往往包着一层mgs mg来自真空下的耐材 并与al2o3生成al2o3 mgo 钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响 有益有害对钢的疲劳寿命影响不大 工艺参数对钢中夹杂物含量的影响 电炉出钢温度搅拌时间铝脱氧工艺ascometal公司认为 对于轴承钢的精炼 应把重点放在 选择碱性耐材钢包内衬 最大限度地去除炉渣 尽早形成非常低氧势的脱氧精炼渣 控制气体搅拌 使夹杂物上浮 浇注过程中夹杂物的控制 模铸 重点放在避免钢包和锭模之间钢水流的二次氧化 最大限度地避免钢水和耐材的作用 最大限度地避免钢包渣 保温剂或浇注保温渣的卷入 连铸 检测钢包中的下渣量 吹氩保护 防二次氧化 选用优质的耐材 2 3轴承钢中残余铝的控制 金属铝及aln溶于酸 用 al s表示 终脱氧用al是获得低氧含量的钢液和保证钢中有合适 al s al s高 保护条件不好易二次氧化增加al2o3夹杂 al s低 si的二次氧化及钢液随温度降低溶解氧析出 产生含sio2很高的粗大玻璃质硅酸盐夹杂 如果要使钢材晶粒细化 获得高强韧性 残余铝可高些 对渗碳轴承钢来说 残余铝需要控制得高些 对于高碳轴承钢对此控制要求不太高 特殊钢中典型的球状不变形钙铝镁酸盐夹杂物形貌 2 4轴承钢中残余钛的控制 钛对于高碳铬轴承钢有害 在钢中以ti c n tic tin存在呈坚硬的菱角 在相同尺寸下 危害大于al2o3 实践证明 wti超过50 10 4 轴承疲劳寿命明显下降 电弧炉生产中 n高 更严格控制残ti 国外skf3标准规定wti 0 003 2 5硫含量 许多人认为硫含量不会影响轴承寿命 甚至能减轻氧化物的有害作用 但随着纯净钢的提高 氧化物夹杂含量减少 硫化物的有害作用逐渐表现出来日本一家著名微型轴承企业要求硫含量不高于0 003 瑞典skf 0 015 宝钢 0 008 2 6钢中碳化物缺陷 碳化物缺陷包括液析碳化物 带状碳化物和网状碳化物 其危害相当于夹杂物 碳化物缺陷主要起源于钢在凝固过程中的偏析 控制和减少凝固偏析是控制和减少碳化物缺陷的关键环节 采用合理的加热 轧制和热处理工艺可进一步改善碳化物结构和形态 减轻其危害 三 轴承钢的连铸 高碳铬轴承钢 对钢的夹杂物和碳化物要求较为苛刻 铸坯易产生偏析 缩孔和裂纹等缺陷 连铸困难 发展慢 日本山阳特殊钢厂于1982年建成连铸机 氧含量比模铸降低2 5 10 4 瑞典skf公司ovako厂于1991年投入的新车间沿用模铸生产轴承钢 美国timken公司没有采用连铸 1991年和1997年在astm举办的轴承钢国际会议 轴承钢连铸仍然是一个有争议的课题 到目前为止 没有一片文章报道 彻底解决了轴承钢连铸坯的中心碳偏析问题 轴承钢的连铸工艺一般应包括 钢包和中间包烘烤 下渣监测 留钢及中间包钢水加热 全程无氧化保护浇注 结晶器页面自动控制 结晶器小振幅高频率振动 结晶器二冷末端电磁搅拌 轻压下技术 钢液准备温度控制连铸机的选择拉速和二冷的控制保护浇铸连铸电磁搅拌连铸轴承钢的碳化物特性及其均匀化技术铸坯断面 压缩比及轻压下连铸坯的质量 3 1钢液准备 严格控制化学成分较少或消除铸坯内裂和偏析裂 mn s 30 钢液残铝量0 01 0 015 堵水口 减少al2o3 3 2温度控制 冷却强度比模铸大 凝固界面的温度梯度高 柱状晶发达 树枝晶相遇 产生 搭桥 现象 因此 连铸坯心部产生周期性断续的缩孔与偏析 铸坯凝固时柱状晶发达因素中 过热度 二冷强度等是导致偏析与缩孔主要因素 影响连铸坯低倍质量的连铸工艺参数中 过热度占主要地位 轴承钢要求尽可能低的过热度 较慢的拉速下浇铸才能得到偏析小 组织均匀而致密的钢坯 精炼终点温度计算 t精炼终点 t液 t钢包 中间包 t k t1 t2 k值与钢包容量 耐火材料的导热性和加热周转情况密切相关 使钢包处于热平衡状态取得的值 3 3连铸机的选择 轴承钢选择立式较为理想 它是高质量 高硬度钢 若采用弧型机 关键是弧型半径 硬度高 铸坯矫直时 弧型半径不能保证铸坯变形的允许限度 则以产生矫直裂纹 轴承钢的弧型半径为 r 25 55 d 一般为50d 3 4拉速和二冷的控制 轴承钢含碳量高 对裂纹敏感 采用弱冷二冷制度 低拉速有利于缩短液心长度 抑制柱状晶的长大 减小中心疏松和中心偏析 但过低 给矫直和切割带来困难 不利于多炉连浇 二冷水量过大 铸坯表面温度低 横断面上温度梯度大 利于柱状晶生长 柱状晶区就宽 二冷水量过小 可使柱状晶区宽度减少 等轴晶区扩大 但刚的凝固系数下降 液相穴增长 对于改善轴心碳偏析不利 使用0 15 0 20mpa的压缩空气 实现气 雾冷却工艺 二冷水量很小 配合低拉速保证铸坯温度大于900 拉速一般控制在0 3 0 8m min 并根据铸坯的断面尺寸调整拉速 将二冷配水量控制在0 25 0 31l kg 3 5保护浇铸 是防止二次氧化所必备的条件 四个环节 钢包至中间包的钢流 中间包的内钢液面 中间包至结晶器钢流 结晶器内钢液面 钢包至中间包采用长水口 氩气保护 中间包耐火材料多采用碱性涂层 或碱性绝热板 中间包的钢液面使用特殊碱性覆盖剂 中间包至结晶器使用浸入式水口 结晶器内钢液面采用适应低过热度和低拉速浇铸的保护渣 3 6连铸电磁搅拌 电磁搅拌对改善轴承钢的连铸坯质量有重要作用 高温区和低温区充分混合 加快过热度的导出 并折断树枝晶 增加结晶核心及等轴晶数量 有效地控制树枝晶 搭桥 想象 改善铸坯中心碳偏析 中心疏松 缩孔等缺陷 3 7连铸轴承钢的碳化物特性及其均匀化技术 为改善碳化物 一般在连铸浇铸和铸坯的加热过程中 采用净化钢水 中间包钢水低过热度浇铸 低拉速和合适的二冷强度 合理的结晶器和二冷末端的电磁搅拌组合使用 轻压下技术和合理的连铸坯加热技术 3 8铸坯断面 压缩比及轻压下 压缩比与某些质量指标发生关系 如低倍组织 碳化物不均匀性 连铸坯钢材的压缩比小于钢锭成材 连铸轴承钢碳化物不均匀没有达到模铸材原因之一 另外钢锭一般需经均热炉高温扩散退火处理 碳化物偏析得到不同程度的均匀扩散 钢锭 二火成材 钢锭均热炉 初轧机开坯后钢坯连续加热炉加热 碳化物不均匀性再次改善 连铸坯 一次成材 碳化物扩散极其有限 连铸坯断面尺寸的选择两种思想 日本 大截面铸坯 甚至选用垂直型铸机欧美 小方坯连铸机 省去开坯 一次成材大冶经验 小方坯生产特殊钢 尤其是轴承钢 为质量问题根源 压缩比小 钢材致密度不够 宏观组织满足不了要求 压缩比小 碳化物偏析得不到改善 高碳铬轴承钢连铸坯 180mm 180mm 200mm 200mm 210mm 240mm 轧制成直径 55mm圆钢 可满足我国现行轴承钢的要求 压缩比为14 21 压缩比不得小于14 对于滚动体轴承钢 有人认为最小压缩比应为 35 50 轴承钢的铸坯断面尺寸一般不应小于200mm 200mm 较大断面的铸坯 可借助大的压缩比来达到改善中心偏析和中心疏松的目的 此外 矩形坯的中心偏析程度比方形坯轻 大断面铸坯需经二次成材 生产周期长 费用高 小断面一次成材 费用低 但是高碳铬轴承钢的轴心碳偏析是一个突出的质量问题特别是用于制作滚珠或滚针要特别慎重 在铸坯凝固末端采用 轻压下 装置 即在液相穴位部适当的位置 用压辊对铸坯施加一定的压力使其适度轻微变形 可以改善中心疏松和偏析 轻压下主要是对液相浓缩金属有向上的挤移作用和碎散分布作用 改善连铸坯的轴心偏析和致密度 动态轻压下示意图 液芯位置变化 铸机上液芯位置的变化 动态轻压下的应用现状 国际上掌握并广泛应用动态轻压下技术的公司主要有 奥钢联vai 德国smsdemag 意大利danieli 日本住友重机 vai连铸机在中国板坯连铸机份额达到60 3 9连铸坯的质量 氧及夹杂物含量碳化物不均匀性连铸轴承钢的接触疲劳寿命 氧及夹杂物含量 炉外精炼 提高了轴承钢的质量 连铸轴承钢的氧含量进一步提高 因为模铸水口钢流与大气接触 中注管 汤道系统的耐火材料污染了钢液 日本和德国是世界上采用连铸工艺生产轴承钢较早且数量较大的国家 瑞典skf公司到目前为止仍坚持模铸工艺 不同轴承钢