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兴澄特钢GCr15轴承钢冶炼连铸质量控制

2010-07-12
  刘兴洪
  1 前言
  GCr15轴承钢是重要的机械基础件用钢,在大多数机械产品和工程结构中应用十分广泛。江阴兴澄特种钢铁有限公司采用大容量电弧炉初炼→精炼→真空脱气→连铸工艺生产GCr15轴承钢,通过炉外精炼、钢液成分微调技术、气体及夹杂物控制及全程无氧化保护浇注,电磁搅拌(M–EMS+F–EMS)、中间包冶金等技术以确保GCr15轴承钢质量的稳定性。
  2 冶炼装备简介
  主体炼钢设备是从德国曼内斯曼德马克(后改为西马格德马克)公司引进的100t偏心炉底出钢电弧炉、100tLF、100tVD和300×340连铸机,详情如表1。各工位均配有完整的计算机过程控制系统,且相互联网组成三级计算机管理系统,并纳人到整个MIS系统进行管理。
  表1 EAF–LF(VD)–CCM生产线主要设备及技术参数
 
  3 生产工艺流程及化学成分过程控制
  国外衡量高碳铬轴承钢的实物质量水平,通常用三个方面技术质量指标考核。一是钢的纯洁度;二是钢中碳化物的不均匀性;三是钢材的表面质量和尺寸精度。钢的纯洁度是指残余元素、气体含量及非金属夹杂物。在世界各国高碳铬轴承钢标准中,对残余元素的规定,仅有Mo、Cu、Ni、P、Ti五个残余元素,而SKF标准则增加了对As、Sn、Sb、Pb、Ca等规定。瑞典已在其轴承钢标准中明确规定As、Sn、Sb、Pb、Ti、Ca应分别控制在0.04%、0.03%、0.005%、0.002%、0.0030%、0.0010%以下。兴澄公司通过外购优质生铁和废钢并对钢铁料进行分选,GCr15轴承钢各残余元素达到标准要求。兴澄特钢通过数据分析钢中残余元素P对轴承钢的中心偏析影响如图1所示
图1 GCr15轴承钢的〔P〕与连铸坯中心偏析评级级别的关系

  氮化钛是一种硬而脆的夹杂物,在相同尺寸情况下,氮化钛比氧化物更有害。根据对兴澄特钢GCr15轴承钢生产工艺和洁净度的分析,参照国外轴承钢的实物质量,钛含量对GCr15钢的疲劳寿命影响较大,见图2对图中曲线分析可知钛超过30×10-6,钢的疲劳寿命就开始下降。所以,发达国家将钛这一有害元素控制在20×10-6以下。
  图2 钛含量对GCr15疲劳寿命的影响
  3.1 生产工艺流程
  选料及配料十铁水→100tEAF初炼→100tLF精炼→100tVD脱气→(300×340)CCM,如图3。
  3.2 生产流程和各工位合金化方式见图3和表2。
  图3 生产流程图

表2 不同炼钢工位GCr15轴承钢的合金化方式

  
  3.3 工艺及化学成分的过程控制如表3所示
表3 GCr15轴承钢生产工艺及化学成分的过程控制

   以下是随机抽样的一炉GCr15轴承钢的化学成份见表4,与国外的实物质量对比见表5。
  由表5可以看出:残余元素的控制达到了国外同类产品的实物质量水平,主元素(碳、硅、锰、铬)的控制也达到了国外同类实物质量水平。
表4 GCr15轴承钢的化学成份  %
表5 兴澄特钢随机抽样的GCr15轴承钢与国外该钢种的化学成份比较   %

  4 气体及夹杂物控制
  4.1 [H]的控制
  氢为间隙元素,对轴承钢有害无益,钢中的氢在钢材上会产生白点及氢脆,且分布极不均匀。白点破坏钢体的连续性,恶化了钢的物理特性。
  4.1.1 氢的来源
  通过大量试验和数据的统计,认为钢中氢含量主要与以下几个方面有关。
  ①废钢:大量锈蚀的废钢增加电炉钢中氢含量;
  ②潮湿的石灰和大气湿度;
  ③钢包加渣料、铁合金等材料;
  ④新钢包、新中间包;
  ⑤结晶器保护渣的干潮度;
  ⑥江阴所处的地理位置雨季空气潮湿;
  4.1.2 氢的控制措施
  ①在高真空度下适当增大搅拌强度;
  ②提高装备水平,增大真空设备的抽气能力
  ③采用M–EMS,电磁搅拌使钢水旋转,旋转的钢水使气体集聚长大并上浮,钢中氢含量也得到相应减少。
  ④铸坯及轧后缓冷是杜绝由[H]引起的白点的Z佳选择。
  4.2 [O]的控制
  氧化物夹杂是轴承钢中非常具有危害性的,对疲劳破坏有显著的影响。氧化物夹杂尺寸越大,引起的应力集中也越强。在氧化物夹杂中,球状不变形D类夹杂物比B类夹杂物对接触疲劳寿命更为有害。无论D类夹杂物还是B类夹杂物在钢中生成均离不开钢中的[O],[O]含量越高,不仅造成氧化物夹杂数量增多,而且氧化物夹杂尺寸增大,偏析严重,夹杂级别增高,因而对疲劳寿命的危害也就加剧。氧化物夹杂的总量与钢中氧含量基本上成正比关系如图4。同时,日本山阳特殊钢公司和瑞典SKF公司试验研究表明,轴承疲劳寿命也主要取决于钢中氧含量。因此,降低轴承钢氧含量是各钢厂共同追求的目标。
图4 T[O]和夹杂总量的关系

  4.2.1 氧的来源
  [O]是由于钢水还原不彻底,或者某些氧化夹杂物滞留在钢水中引起的。
  4.2.2 钢中Als与夹杂物的关系
  钢中[Al」与量[O]的关系是复杂的,常压下,铝的脱氧能力可用下式进行计算:
  2[Al]+3[O]=(Al2O3

  
 
  根据式(1)可知,随着钢中Als的增加,溶解氧将明显降低,也就是说,钢中Als对夹杂有显著的影响,Als控制过低或过高,都会引起夹杂总量的增加,控制好Als是降低夹杂的一个关键。Als控制过低时,会增加溶解氧的含量,不但会造成钢中氧化物的增加,还会影响钢的组织性能;随着Als的提高,一方面可以使溶解氧迅速地降低到较低水平,细化钢的晶粒,另一方面,浇注时较高的Als会增加钢液的二次氧化,产生滞留在钢中的Al2O3夹杂。
  兴澄特钢同时对GCr15轴承钢B类夹杂平均级别与酸溶铝进行了分析,利用6σ核心统计工具MINTAB进行统计分析,在生产稳定的状态下,对每个酸溶铝含量各取10个样本计算B类夹杂平均级别,利用MINT–AB工具分析结果如图5。
  图5 酸溶铝含量与B类夹杂平均级别关系
  4.2.3 氧含量的过程控制措施
  ①控制钢水原始氧含量
  为了降低轴承钢氧含量,要求粗炼钢液实现低氧化和低温化。如果钢水过氧化,钢液中的氧将成倍增加,需要加人更多的脱氧剂才能使钢液达到平衡,这必然导致预脱氧夹杂的增加。同样,电炉出钢前与钢中碳和炉渣形成平衡的氧含量随着钢液温度的上升而增加,当钢液温度从1550℃上升到1660℃时,出钢后15min每平方毫米夹杂数量相应地由0.1增加到0.32。在实际操作中一般要求电炉终点碳控制>0.20%,出钢温度<1650℃出钢时尽可能避免氧化渣流人钢包中。
  ②建立合理的脱氧制度
  出钢时采用铝、碳、硅、锰联合预脱氧,精炼过程中采用碳化硅、铝粉进行扩散脱氧;精炼中期喂人铝线进行终脱氧,保证钢中铝含量。
  ③选择合适的精炼渣系:
  国外普遍采用碱度大于4的高碱度渣系并且使用合成渣以便尽快成渣,来达到降低钢中氧和硫含量的目的,表6是日本山阳高碱度渣的一个实例。兴橙特钢选择的精炼渣系成分见表7。在冶炼过程中注意渣的颜色变化,渣的颜色可能是黑色、褐色、灰色、绿色、黄色或白色,它们之间有许多细微差别。渣颜色的变化随着渣子的还原程度从黑色到白色。黑色:w(FeO+MnO)>2%渣的氧化性很强,不具备还原功能,需要进行强烈的还原脱氧。灰色到褐色:w(FeO+MnO)=1%~2%,渣的氧化性较弱,但还需要进一步地还原。白色到黄色:这种渣子还原得较好,黄色表明发生了脱硫,这种渣冷却下来后会碎裂成粉状。
  表6 日本山阳轴承铜高碱度渣实例
 
  表7 兴澄特钢轴承钢精炼渣成分

     ④制订合理的吹氢制度
  确保合理的吹氢制度及足够的真空度和真空保持时间:真空度低时,钢水中碳脱氧占主导地位,从而减少了钢中氧化铝夹杂。
  ⑤控制适当的残铝含量:过高的铝含量增加了钢中氧化铝夹杂和浇注时二次氧化机率,一般将残铝控制在0.010%~0.020%。由于采用铝脱氧导致钢水可浇性变差,对于其它钢种,一般采用钙化变性处理,但由于钢中钙含量增加易造成点状夹杂物的产生,由于点状夹杂物对轴承钢疲劳寿命影响Z大,故对钢中钙含量一般规定须不大于10×10-6。有关研究表明,采用钡代替钙进行变性处理,不会与氧化铝形成高熔点铝尖晶石,其脱氧产物可与铝、硅脱氧产物生成低熔点夹杂,该夹杂易上浮排出。有研究表明钢液中一定数量的钙是球状夹杂物生成的必备条件。溶解于钢中的[C]、[Si]、[Al]在出钢和精炼过程中,还原碱性渣中的CaO,而使Ca进人钢液。所以在冶炼GCr15钢时不允许向钢中用硅钙作为粉剂喷射冶金或用硅钙脱氧。
  5. 连铸过程质量控制
  我国轴承钢连铸起步较晚,始于上世纪80年代,从重庆、兴澄、陕钢、大冶和长城引进合金钢小方坯连铸机开始的,但当时由于电炉容量小、精炼设备差、钢水洁净度低、铸坯断面小等原因,并未取得迅速发展,到了90年代末,各主要特钢厂先后从国外引进或自建大电炉和合金钢连铸机,推动了轴承钢连铸技术的迅速发展。
  由于连铸生产高碳钢,尤其是轴承钢,易产生偏析和疏松,因此,对连铸轴承钢的认识并不统一。日本全力推广连铸轴承钢,认为连铸轴承钢不但可以用于制造套圈,而且可以用来制造滚动体;美国仅用连铸轴承钢生产套圈;而瑞典的SKF则仍坚持不用连铸生产轴承钢。迄今为止,采用连铸工艺生产轴承钢的国家已有日本、前苏联、德国、法国、英国、美国、匈牙利、意大利和韩国等。
  GCr15轴承钢属于过共析钢,必然有一定的碳化物,这些碳化物颗粒大小及分布状态,对疲劳寿命和耐磨性都有重要影响。轴承钢连铸主要须保证坯的组织均匀度,并保证其在浇注过程中减少或避免二次污染。
  连铸保证轴承钢的组织均匀度主要是减轻其碳化物的不均匀性,一般须防止带状碳化物及碳化物液析的产生,带状碳化物为枝晶偏析引起的显微区偏聚的共析碳化物,碳化物液析是钢水在液态碳偏析造成,碳化物不均匀性如同氧化物夹杂一样,在与基体接触的界面上引起应力集中而导致疲劳破坏,并影响着钢的机械性能以及退火材料的硬度。
  国外对于改善轴承钢的碳化物不均匀性从两方面着手,一是减小钢锭或钢坯的偏析,严格控制浇铸温度,将过热度控制在10~15℃,二是加强钢锭或铸坯的高温均热扩散。我国早在60年代就已经掌握了对钢锭或钢坯进行高温均热扩散,以消除碳化物液析,改善碳化物带状;低终轧温度或钢材正火处理改善网状碳化物,以消除大块碳化物等工艺技术。
  轴承钢欲获得良好质量,应用较大压缩比,有研究表明须至少大于13:1,才能而有效降低了轴承钢碳化物的不均匀性和中心疏松。Gr15轴承钢碳含量较高,钢水流动性较好,其连铸与模注相比冷却速度快,柱状晶发达,偏析和中心疏松较为严重。从而电磁搅拌成为轴承钢连铸生产的一个必要设备。
  轴承钢连铸Z大的间题是连铸坯中心部份的质量,铸坯断面越大,中心部份的质量越突出,特别是碳偏析。图6给出了结晶器电磁搅拌和组合电磁搅拌的中心偏析比较。从图中可以看到,碳偏析的问题是连铸洁净钢生产中的重要问题之一。兴澄特钢确定的连铸坯中心偏析,采用结晶器电磁搅拌之后,连铸坯碳偏析指数小于1.14。图7为有结晶器电磁搅拌和无结晶器电磁搅拌的等轴晶区宽度变化情况。日本通过M+F(M代表结晶器内电磁搅拌,F代表凝固末端电磁搅拌)。电磁搅拌和无电磁搅拌相比,其中心的偏析水平得到了很大的提催见图8。
  图6 结晶器搅拌和组合搅拌的中心偏析比较
  图7 结晶器电磁搅拌的质量改善

  图8 电磁搅拌对中心偏析水平的影响

  与模铸相比,兴澄特钢轴承钢连铸采用全程无氧化保护浇注,(M–EMS+F–EMS)电磁搅拌工艺技术,中间包冶金技术,同时减少了钢液与耐火材料的接触机会,所以对钢材的纯洁度、性能均有益。通过采用低过热度、控制拉坯速度浇注,扩大中心等轴晶,使中心部分钢水同时凝固,中心区成份尽量均匀,从而改善中心偏析及缩孔。冷却强度对中心偏析的影响也存在不同的分歧,从目前的生产来看,既有大水量的强冷,又有小水量的弱冷,均收到很好的效果。
  6 结束语
  兴澄特钢加强了炼钢连铸GCr15轴承钢各过程质量控制,从而有效保证了轴承钢质量。
  (l)使得同一浇次每炉轴承钢各主要元素成分波动小于0.02%~0.03%,达到先进水平。
  (2)通过各过程控制,杜绝了轴承钢出现白点的情况。
  (3)通过实践分析轴承钢酸溶铝含量为0.10~0.20%时B类夹杂平均级别Z小。
  (4)通过采用低过热度、控制拉坯速度浇注及组合电磁搅拌,从而改善连铸轴承钢中心偏析及缩孔。
  (5)通过各过程控制,使得轴承钢[O]<7×10-6,并且获得了国家名牌产品称号,以及瑞典SKF绿色通道证书。
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