軸承鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術
隨著我國國民經濟的不斷發展,對軸承鋼性能提出了更高的要求。超純凈軸承鋼被廣泛地應用于高速鐵路、風電裝備、航空發動機、高檔轎車變速箱、高速精密機床和長壽命冶金軋機等對使用壽命、可靠性、承載能力嚴格要求的領域。超純凈軸承鋼煉鋼冶煉難度極高,主要是由于其鋼中非金屬夾雜物控制存在以下兩個難題:(1)超高潔凈度,總氧含量低于 5 ppm;(2)大顆粒夾雜物數量要求少,尺寸小于 15 μm。近 30 年來,通過引進、消化和吸收,實現了大部分高端裝備的國產化,但對高端裝備用高可靠長壽命軸承的國產化一直沒有解決。因此,開發超純凈軸承鋼中非金屬夾雜物控制關鍵技術,為打破此領域國外產品及技術壟斷、實現國內自主生產有重要意義。
(1)超純凈軸承鋼精煉渣成分設計技術. 鋁脫氧軸承鋼都是通過高堿度精煉渣提升鋼材的潔凈度,減少鋼中夾雜物數量。高堿度精煉渣具有很高的脫氧脫硫能力,效率高,可生產超低硫軸承鋼。由于高堿度精煉渣中 CaO 含量高,易被鋼中[Al]還原而進入鋼液,從而生成 Ds 類夾雜,對軸承鋼性能產生不利影響。另外,高堿度使精煉渣熔點變高,成渣慢,爐渣流動性變差,會影響脫氧脫硫效果,有可能引起卷渣。低堿度精煉渣由于堿度低,降低了 CaO-Al 2 O 3 類夾雜的影響,但脫氧能力下降使得氧化物夾雜上升。本項目研究應用 FactSage 熱力學計算軟件,研究了不同精煉渣成分對鋼液成分、夾雜物成分的影響,通過對不同精煉渣系進行設計優化,確定精煉渣成分;同時,本項目在堿度 7-12 范圍內進行工業試驗,考慮了不同堿度精煉渣對軸承鋼潔凈度和夾雜物成分的影響,從而更系統準確地確定了有利于超純凈軸承鋼夾雜物控制的最優精煉渣成分。
(2)超純凈軸承鋼 VD 精煉控制技術.在真空狀態下吹氬攪拌鋼液,促使夾雜物從鋼液內排除,使鋼的潔凈度提高。VD 精煉過程渣鋼劇烈反應,渣中 CaO、MgO 被還原為[Ca]和[Mg]進入鋼液,與鋼中 Al 2 O 3 夾雜物反應生成鎂鋁尖晶石和鈣鋁酸鹽,導致鋼中 Ds 類夾雜數量增加,可能導致水口結瘤和最終軋材中出現Ds 類夾雜缺陷,影響軸承鋼的質量水平,VD 精煉真空度的控制對于夾雜物的上浮去除和夾雜物成分非常重要。本項目對 VD 真空度進行了優化,使得最終產品夾雜物中的 CaO 含量由 30%左右降低至 5%以下,顯著減少了 CaO-Al 2 O 3 和CaO-Al 2 O 3 -MgO 復合夾雜物的生成,使鋼中夾雜物由 CaO-Al 2 O 3 類轉變為鎂鋁尖晶石類,減輕了 Ds 類夾雜的危害。
(3)熱處理過程夾雜物成分控制技術。對于軸承鋼鋼液中的夾雜物已經形成了一系列脫氧、精煉渣改性、真空精煉等成熟的夾雜物控制方法,可以較好實現冶煉過程從精煉到連鑄過程夾雜物的有效控制。軸承鋼軋制熱處理過程不僅能夠改變鋼的組織結構和性能,也會使得氧化物夾雜與鋼基體發生高溫反應,造成鋼基體成分偏析、原有氧化物夾雜的改變和新氧化物夾雜的析出。同時,熱處理過程鋼基體中氧化物夾雜的種類、性質、尺寸及形貌特征變化直接影響著最終軸承鋼產品的組織和性能。本項目研究了在不同熱處理溫度(1225o C、1300 o C 和1375o )和熱處理時間條件下,GCr15 軸承鋼中非金屬夾雜物的演變規律,并且發現熱處理過程軸承鋼中的 MgO-Al 2 O 3 -CaO 會逐漸轉變為 MgO-Al 2 O 3 -CaS 夾雜物,小尺寸夾雜物完成轉變所需時間較短,而大尺寸夾雜物完成轉變所需時間較長。在不同熱處理溫度下,鋼中夾雜物尺寸基本不變,但夾雜物轉變速率不同。通過熱力學計算和動力學模型,對軸承鋼熱處理過程中夾雜物的轉變機理進行揭示。
北京科技大學
2021-04-13