李金浩

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪 271105）

試驗研究

轉(zhuǎn)爐高純凈度GCrl5軸承鋼的試制開發(fā)

李金浩

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東萊蕪 271105）

以含C量1.O%、含Cr1.5%的高碳鉻軸承鋼GCr15為研究對象，萊鋼利用現(xiàn)有的長流程生產(chǎn)線（高爐+鐵水預(yù)處理+轉(zhuǎn)爐初煉+爐外精煉+真空脫氣+鋇處理+連鑄+連軋），通過控制有害殘余元素、非金屬夾雜物、氣體含量和碳化物組織試制開發(fā)了高純凈度GCrl5軸承鋼。結(jié)果表明，鋼中O含量低于0.000 8%，Ti含量在0.002 5%以下，S含量平均0.004%；軋材中心疏松、一般疏松和偏析均≤0.5級；各類非金屬夾雜物≤0.5級；碳化物帶狀及網(wǎng)狀≤1.0級，液析≤0.5級。

GCrl5軸承鋼；高純凈度；氧含量；非金屬夾雜物；碳化物不均勻性

1 前言

未來軸承鋼主要是向高純凈度方向發(fā)展，提高軸承鋼的純凈度，特別是降低鋼中的O、Ti含量，促使鋼中的非金屬夾雜物和碳化物細(xì)小均勻分布，可以顯著提高軸承鋼的使用性能和疲勞壽命。在保證成分、組織均勻的前提下，要求［P］≤O.015%，［S］≤O.005%，［0］≤0.000 8%，［N］≤O.006%，［H］≤0.000 15%，［Ti］≤0.002 5%；夾雜物全部＜1.0級，碳化物液析在0.5級以下，帶狀1.0級以下［1］。為滿足上述要求，已有的工藝已不完全適用，純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)和碳化物控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)勢在必行，包括P、S、Ti雜質(zhì)元素的控制，O、N、H氣體含量的控制，夾雜物數(shù)量、形態(tài)與分布的控制，碳化物帶狀、液析的控制。

2 GCr15軸承鋼工藝開發(fā)

2.1 煉鋼工藝

工藝路線：高爐鐵水—鐵水預(yù)處理（脫S、脫Ti）—頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—鋼包精煉爐—真空爐—連鑄（全程保護(hù)澆注、電磁攪拌）。

1）優(yōu)化配料結(jié)構(gòu)，選用優(yōu)質(zhì)礦石，嚴(yán)格控制鐵水成分和鐵水溫度。

2）采用鐵水預(yù)處理技術(shù)，控制有害殘余元素S和Ti含量。鐵水預(yù)脫硫采用向鐵水包中噴吹鎂粒的方法，鎂在鐵水溫度下與硫有極強(qiáng)的親和力，形成MgS化合物進(jìn)入爐渣中，采用多次拔渣方式去除；脫鈦是通過向鐵水包中加入氧化鐵、燒結(jié)礦或鐵精粉，利用其氧化性將鐵水中的鈦氧化去除。

3）轉(zhuǎn)爐采用頂?shù)讖?fù)合吹煉，雙渣法冶煉、擋渣出鋼等工藝?？梢杂行Ы档弯撝蠺i和P含量，提高鋼水純凈度，可以改善轉(zhuǎn)爐冶金條件，減少吹損，提高金屬收得率，提高生產(chǎn)效率。轉(zhuǎn)爐通過強(qiáng)化操作，控制終點(diǎn)成分以及出鋼溫度。

4）轉(zhuǎn)爐出鋼合金依次加入低氮增碳劑、碳化硅、合金、軸承鋼專用精煉渣、石灰。出鋼過程采用大攪拌吹氬強(qiáng)度，保證化渣，均勻成分。出鋼不加鋁脫氧，防止前期產(chǎn)生過多的氧化物夾雜。采用高純度合金：金屬錳、低鈦硅鐵、低鈦鉻鐵、低氮增碳劑、碳化硅，減少合金帶入有害雜質(zhì)。精煉渣選用經(jīng)多次試驗的軸承鋼專用精煉渣（CaO-A12O3-SiO2三元渣系），有利于脫硫、吸附去除夾雜物。

5）精煉主要任務(wù)是脫氧、脫硫、去除夾雜物、調(diào)整成分和溫度并使其均勻化。為減輕精煉調(diào)整成分任務(wù)，轉(zhuǎn)爐出鋼合金合理加入，鋼液化學(xué)成分及溫度應(yīng)符合表1要求。精煉前期加入鋁線調(diào)整鋼水鋁含量（0.040%～0.060%），精煉過程不調(diào)鋁，在精煉過程中加入SiC+A1粒強(qiáng)化渣面脫氧，保證白渣時間＞25 min。

表1 轉(zhuǎn)爐出鋼鋼水化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及溫度

6）精煉渣設(shè)計成分，CaO-A12O3-SiO2三元渣系渣洗鋼水脫硫效果較好；渣中氧化鐵含量＜1%，活性低，可以防止鋼水吸氧，降低氧含量；精煉渣與鋼液界面張力較小，有利于氧化鋁夾雜的吸收，降低夾雜物含量，提高鋼質(zhì)純凈度；有很好的發(fā)泡作用，在精煉過程中可以遮敝電弧，減少鋼水吸氣。

7）精煉結(jié)束加入適量硅鋇合金進(jìn)行變性處理，將小顆粒不易上浮的氧化物變性成大顆粒易于上浮去除的夾雜物。

8）真空精煉，控制真空度≤67 Pa，保持時間＞20 min。在真空處理結(jié)束時鋼液化學(xué)成分應(yīng)符合表2要求。真空處理結(jié)束補(bǔ)加碳化稻殼，保證覆蓋良好，軟吹時間＞20 min，促使夾雜物充分上浮去除。

表2 真空精煉后GCr15鋼液化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

9）精煉過程合理控制鋼水溫度，保證連鑄過熱度控制在15～25℃。連鑄采用全程保護(hù)澆注，鋼包到中間包采用長水口，中間包到結(jié)晶器采用浸入式水口，中間包加覆蓋劑防止鋼水二次氧化，結(jié)晶器添加保護(hù)渣，吸附夾雜物，防止鋼水氧化［2］。采用結(jié)晶器電磁攪拌（M-EMS）+末端電磁攪拌（F-EMS），保證鋼質(zhì)純凈度，提高組織均勻性。制定合理的連鑄工藝，連鑄工藝參數(shù)見表3。

表3 GCr15鋼連鑄工藝參數(shù)

2.2 軋鋼工藝

軋制工藝路線：蓄熱式步進(jìn)加熱爐—高壓除鱗機(jī)—連軋機(jī)組—飛剪—定尺機(jī)—冷床—緩冷坑。

轉(zhuǎn)爐GCrl5連鑄坯100%熱送軋制，采用步進(jìn)梁式加熱爐，分段控制加熱溫度（見表4），以保證連鑄坯加熱均勻。為了解決碳化物不均勻性問題，提高鋼質(zhì)純凈度，采用高溫加熱擴(kuò)散工藝。出鋼間隔（140±5）s，總加熱時間≥190 min。

表4 GCrl5連鑄坯熱送加熱溫度℃

出爐鋼坯經(jīng)高壓水除鱗，清除表面氧化鐵皮，提高軋材表面質(zhì)量。軋制采用14道次連軋機(jī)組，微張力、無扭轉(zhuǎn)軋制。產(chǎn)品軋材經(jīng)步進(jìn)式冷床翻轉(zhuǎn)緩慢冷卻，起到一定的矯直作用，保證了鋼材的平直度。下冷床后及時入坑緩冷，保證入坑溫度≥400℃，控制出坑溫度≤150℃，以便消除鋼材應(yīng)力；析出氫，防止產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分分析

GCrl5軸承鋼的純凈度主要體現(xiàn)在有害殘余元素、非金屬夾雜物、氣體含量和組織、均勻性，它們的綜合作用決定了材料的最終使用性能［3］。轉(zhuǎn)爐流程試驗高純凈度GCrt5軸承鋼，共計生產(chǎn)5爐，軋制成Φ60 mm的圓鋼5個批號。每爐鋼各元素含量均達(dá)到設(shè)計要求，且波動范圍很小，見表5。

表5 GCr15成品圓鋼化學(xué)成分%

由表5可以看出，鋼中O含量全低于0.000 8%，平均O含量O.000 674%；Ti含量在0.002 5%以下，最低Ti含量達(dá)到0.001 3%，平均Ti含量0.001 7%；S含量平均0.004%，達(dá)到了超低硫鋼的標(biāo)準(zhǔn)。僅從雜質(zhì)元素含量來說萊鋼生產(chǎn)的GCrl5軸承鋼純凈度達(dá)到了較好的水平。

3.2 低倍組織

試驗鋼軋材中心疏松、一般疏松和偏析均小于標(biāo)準(zhǔn)要求，組織均勻、致密。低倍組織評級見表6。

表6 GCr15試驗鋼軋材低倍組織評級級

3.3 非金屬夾雜物

每批軸承鋼從不同的6支鋼材上切取20 mm× 10 mm通過鋼材軸心的縱截面，經(jīng)過拋光，在電子顯微鏡下尋找夾雜物最惡劣的視場，以此視場參照GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評級。試驗GCrl5軸承鋼非金屬夾雜物檢驗結(jié)果見表7。

表7 Φ60 mm GCr15圓鋼非金屬夾雜物級別級

經(jīng)過鋇合金變性處理去除夾雜物，試驗的5爐GCrl5鋼氧化物夾雜級別較低；氮化鈦夾雜含量極低，對GCrl5軸承鋼疲勞壽命影響較?。?］。鋼中夾雜經(jīng)變性，鏈狀氧化物的長度明顯縮短，最終材上僅有少量的短鏈狀和不規(guī)則夾雜。

3.4 碳化物不均勻性

碳化物網(wǎng)狀在淬火后的橫向試樣上評定，試樣拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕放大500倍評級；碳化物帶狀在淬火后的縱向試樣上評定，試樣拋光后深腐蝕，放大100倍或500倍評定碳化物聚集程度、大小和形狀；碳化物液析在淬火后的縱向試樣上評定，試樣用4%硝酸酒精溶液侵蝕后放大100倍評級。試驗GCrl5軸承鋼軋材重點(diǎn)對帶狀、液析進(jìn)行了檢驗，結(jié)果見表8。碳化物帶狀平均1.0級，液析0.5級，均達(dá)到了設(shè)計要求，提高了鋼質(zhì)純凈度。

表8 Φ60 mm GCr15圓鋼碳化物不均勻性

試樣經(jīng)淬火、回火、研磨拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，利用Zeiss顯微鏡觀察碳化物組織，液析0.5級，帶狀1.0級，網(wǎng)狀0.5級，滿足工藝要求，達(dá)到設(shè)計要求?？梢娺B鑄低過熱度（15～25℃）澆注可以減少碳化物偏析，再通過高溫加熱擴(kuò)散，將連鑄坯加熱至1 200～1 230℃，保證足夠的加熱時間，使碳化物偏析充分溶解擴(kuò)散，達(dá)到了降低液析級別的目的［5］。

如果加熱溫度過高，高溫擴(kuò)散時間過長，低熔點(diǎn)組元或夾雜物、共晶碳化物熔化成液態(tài)，在外力的作用下形成晶間裂紋或沿晶界撕裂，在軋制過程中不能焊合，就會形成顯微孔隙。顯微孔隙破壞了鋼基體的連續(xù)性，對疲勞壽命有嚴(yán)重的危害。為此，調(diào)整GCrl5軸承鋼加熱工藝，保證既能夠使碳化物充分?jǐn)U散，降低液析級別，不至于導(dǎo)致顯微孔隙缺陷的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

經(jīng)過5爐高純凈度GCrl5軸承鋼的試驗，在原有工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的GCrl5鋼生產(chǎn)工藝，并批量生產(chǎn)25爐，經(jīng)檢驗分析，其化學(xué)成分控制合理穩(wěn)定，鋼材的組織均勻致密，非金屬夾雜含量低，碳化物帶狀≤1.0級，網(wǎng)狀≤0.5級，液析≤0.5級，主要性能指標(biāo)均符合要求。

1）萊鋼長流程生產(chǎn)線采用鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐初煉—爐外精煉（LF+VD）—鋇處理—連鑄—連軋的生產(chǎn)工藝，能夠滿足高純凈度軸承鋼生產(chǎn)要求；2）采用CaO-A12O3-SiO2三元精煉渣系具有良好的吸附夾雜物的性能，鋼中非金屬夾雜物含量相對較少；3）從鐵水預(yù)脫鈦到合金控鈦，對鋼中鈦含量嚴(yán)格控制，可以將成品鈦控制在20×10-6以下，減少鋼中TiN夾雜的產(chǎn)生，減輕鈦殘余對疲勞壽命的影響；4）采用出鋼不加鋁，精煉前期一次喂鋁線調(diào)鋁到位，后不再調(diào)鋁的脫氧工藝，配合A1粒+SiC渣面脫氧，可以有效地降低鋼中氧含量；5）采用鋇處理變性，可使鋼液中小顆粒不易上浮的A12O3夾雜物聚集長大成為易于上浮去除的大顆粒夾雜；6）通過連鑄低過熱度澆注和軋鋼高溫擴(kuò)散，可降低碳化物帶狀、液析級別，提高鋼質(zhì)純凈度。

［1］楊虎林，何平，翟玉春.高品質(zhì)軸承鋼超低氧含量和非金屬夾雜物控制的進(jìn)展［J］.特殊鋼，2013，34（2）：16-17．

［2］F Hengere,J Beswick,A Kerrigan.Evaluation of the Continuous Casting Method for Beating Steel Production—SKF Experience［J］.Creative Use of Bearing Steels，ASTM STP 1195，11C．Hoo，Ed．，Philadelphia，1993：239-251.

［3］Lund.T,Akesson J.Oxygen Content，Oxidic Microinclusion，and Fatigue Properties of Roiling Beating Steels［J］.Effect of Steel，Manufacturing Processes on the Quality of Beating Steels，ASTM STP 987，J.J.C.Hoo，Ed，Philadelphia，1988：308-330.

［4］王杰君，葉健熠.軸承鋼材質(zhì)和接觸疲勞壽命的研究［C］//中國金屬學(xué)會軸承鋼學(xué)委會.軸承鋼第六屆學(xué)術(shù)報告會論文集，1993：92-96．

［5］Akesson J,Lund T.SKF Rolling Bearing Steels-Properties and Processes［J］.Ball Beating Joumal，1983，217（10）：32-44．

Development of High Purity GCr15 Bearing Steel by Converter Flow

LI Jinhao
（The Special Steel Division of Laiwu Branch of Shandong Iron and SteeI Co.,Ltd.,Laiwu 271105,China）

The bearing steel GCrl5 with higher carbon and chromium which carbon content is 1.0%and chromium content is 1.5%is regarded as the research object in this thesis.The research was made on high purity GCrl5 bearing steel by taking advantage of existing long process production line（blast furnace+hot metal pretreatment+converter+secondary refining+vacuum degassing+barium treatment+continuous casting and rolling）of Laiwu Steel,high purity GCr15 bearing steel was developed through the control of harmful residual elements,non-metallic inclusions,gas content and the carbide structure.The results show that the O content in the steel is less than 0.000 8%,Ti content is blew 0.002 5%,the average content of S was 0.004%.The rolling material center porosity, general porosity and segregation were less than the grade 0.5.All kinds of non-metallic inclusions is less than or equal to the grade 0.5. The carbide ribbon and mesh is less than or equal the grade 1.0;carbide eliquation is less than or equal to the grade 0.5.

GCrl5 bearing steel;high purity;oxygen content;non-metallic inclusion;carbide inhomogeneity

TG335.6；TG142.1

A

1004-4620（2017）01-0041-03

2016-08-05

李金浩，男，1987年生，2010年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)。現(xiàn)為山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部工程師，從事優(yōu)特鋼新產(chǎn)品研究與開發(fā)工作。