轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨

第5卷第4期材 料 与 冶 金 学 报V ol 15N o 14 收稿日期:2006-05-08.作者简介:徐世铮(1937-),男,黑龙江哈尔滨人,苏联技术科学博士,东北大学教授.2006年12月Jour nal ofM ateria ls andM eta ll u rgyD ec .2006轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨徐世铮,马晓禾,赵卫东(东北大学 材料与冶金学院,沈阳110004)摘 要:轴承钢点状夹杂物严重影响钢的疲劳寿命.半个世纪以来,冶金工作者研究在精炼过程中如何消除轴承钢点状夹杂物.通过研究首次指出,精炼过程由渣中还原进入钢液中的钙是生成点状夹杂物的主要原因;并且从理论上分析用氯去除钢液中钙的工艺原理.关键词:轴承钢;点状夹杂物中图分类号:TF 76214 文献标识码:A 文章编号:1671-6620(2006)04-0250-03For mati on of globul ar incl usions i nbearing steel and their re m oval m echanis mXU Sh-i zheng ,MA X iao -he ,Z HAO W e-i dong(School ofM ateri als and M etall u rgy ,Northeastern Un ivers i ty ,Sh enyang 110004,Ch i n a)Ab stract :The for m ation of g l obu l ar i ncl usions i n bear i ng stee l i nfl uences seriously the fa tigue strength o f t he stee.l In t he pa rt ha lf o f a cen t ury ,m etall urg ists have m ade a l ot of st udies on the re m oval o f the globu l ar i nclusi on i n bear i ng stee l i n the process of refi n i ng .T his paper po i nted out t hat the m ain or i g i nati on o f t he i nclusi on i s fro m the reducti on of ca l c i u m from slag.The re fi ning process f o r the remova l o f [C a]is theo re ti ca lly ill ustra ted .K ey w ords :beari ng stee;l g l obu lar i ncl usion轴承钢是制造金属轴承的原料.检验轴承钢质量的主要项目是接触疲劳强度和冲击韧性,对其影响最大的是钢中[O ]、[H ]以及夹杂物的种类和数量、尺寸、分布,其中氧化物夹杂A l 2O 3和点状夹杂物)))m Ca O #n A l 2O 3对钢的疲劳强度危害最大[1].在轴承钢轧制过程,点状夹杂物沿着轧制轴向,使钢材产生裂纹.在轴承实验过程,这些裂纹导致零件破损.对于钢中点状夹杂物的成因,有许多学说,诸如在出钢过程炉渣混入钢液、炉渣中(Fe O )、[O]、[H ]及炉渣碱度过高等.半个多世纪以来,为消除轴承钢点状夹杂物研究采用合成渣洗,电炉电石渣)))白渣同炉渣洗,出钢前加大插铝量,电炉钢液钢包吹氩,钢包钢液真空吹氩,RH,DH 精炼轴承钢,VAD 精炼轴承钢,ASEA -SKF 精炼轴承钢,LF-VD 精炼轴承钢,钢包喷Ca-S i 粉,钢包喷A l-S i 粉.由于未能对生成点状夹杂物机理有一个理论说法.使得去除点状夹杂物的精炼工艺效果不佳.因此,本文从热力学角度来分析点状夹杂物在精炼过程的成因,并由此制订出相应的合理精炼工艺.1 在精炼轴承钢过程中,[Ca]在生成点状夹杂物的作用多年精炼轴承钢实践得知,在强还原条件下,渣中Ca O 被还原进入钢液[Ca].为从热力学角度计算,给出轴承钢成分及炉渣成分相关数据,列于表1,表2.计算炉渣组元活度是采用全电子系炉渣理论完成计算的[2].计算渣中各元素原子活度系数U i :U i =Ekj=1X j e-E ij/RT-1(1)式中,k )渣中组元数;E ij )置换能,kJ.计算出:U(A l)=21331;U(Ca)=21410.[A l]+3/4O2y(A l O115)l g K p=37790/T-81457K p1873=51025#1011k A l=X(A l)#U(A l)/A[A l]#p M A l/4O2(2) p3/4O2=X(A l)U(A l)/A[A l]#k A l=11044#10-11p O2=2128#10-10Pa,[O]=0100012%[C a]+1/2O2y(C a O)k(Ca)=X(Ca)#U(C a)/A[C a]#p M(Ca)/4O2(3)l g K p=37197/T-712K1873=4157#1012计算得出:a[Ca]=2#10-6,[Ca]=5#10-6%表1GC r15S M i n钢成分及相关数据Tab le1Composition and re lated data o f GCr15S M i n st ee lC S i M n C r P S Ca A l H O Fe质量分数/%1100015011001150010201010100201030100050100395193相对原子质量122855523132402811656摩尔分数4145@10-2917@10-3917@10-3116@10-2315@10-41166@10-4217@10-5519@10-41134@10-41101@10-40191f[i]113661174113501686112991139911251a[i]113360187113511029010026010420100061p*i /Pa116@10-76102@10-1518@10373131186@1052161@10226p i /Pa212@10-752718@10324418@1021126表2精炼轴承钢炉渣成分及相关数据Tab l e2Co m position o f slag and re la t ed da t aCaO S i O2M gO A l2O3F e O M nO CaF2S O质量分数/%4217817144141812012901760124315013摩尔分数Xi011920106901088010940100301001010210100201552 Mi242322由1873K降至1773K,氧分压由21281# 10-10Pa降至612#10-12Pa.则w[Ca]由5# 10-6%降至211#10-6%.得出钢液降温100e 时,钢中钙由于脱氧能力的提高,58%的[Ca]将与[O]反应生成CaO.其将在钢液内残留的刚玉或外来夹杂物这些现成表面上析出,形成m Ca O #n A l2O3.随钢液温度降低还有反应[H]y1/2 {H2}也将在上述现成表面上析出,而强化了液态点状夹杂物聚集长大.上述分析得出,要降低[C a],一是降低渣中(Ca O)的量,也就是降低炉渣碱度,但不能完全去除点状夹杂;另一种办法就是去除[Ca].2氯化法去除钢液中的钙采用氩气做载体,向钢液内吹入氩氯混合气体.当气泡上升至钢液表面,气泡与钢液相处于平衡状态,此时气泡内的总压力为110@105Pa.气泡内各组分的分压间关系为:E p M eCl+E p M e+p C l2+p A r=110@105Pa(4)因为氩不参与反应,初始气泡中p i C l2=110@105 -p A r,Pa.喷入钢液的氩氯气泡上浮达钢液表面时,气泡内将含有C l2、Ca、CaC l2、A l、A l C l3、C r、Cr C l3、M n、M nC l2、S i、Si C l4、C、CC l4、H2、H C l、Fe、Fe C l2.钢液中各元素与氯反应为:[Ca]+C l2y C a C l2(g)K1873=3184#1016[A l]+3/2C l2y A l C l3(g)K1873=6139#109[S i]+2C l4y S i C l4(g)K1873=3133@105[M n]+C l2y M nC l2(g)K1873=1105#106[C]+2C l2y CC l4(g)K1873=1146#106[H]+1/2C l2y H C l(g)K1873=3170#105[Fe]+C l2y FeC l2(g)K1873=6171#103将初始氯分压p i Cl定为310@104Pa情况下,平衡各分压计算值如表3:251第4期徐世铮等:轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨表3氯化产物平衡分压值Tab l e3Equ ili b rium pa rtia l p ressures of ch lo ride products Pap C l2pC a C l2pHC lpM nC l2pFeC l2pAlC l3pC r C l2pSiC l4219#10-10219#1041124#10-4119#10-6411#10-9110#10-9217#10-19由上表可见,钢液中各元素氯化次序为:Ca y H y M n y Fe y A l y C r y Si钙是优先氯化的元素,采用氯化去除是可行的.3精炼工艺参数的确定311加氯方式的选择氯化脱除钢液中钙的工艺,可在RH、DH、VAD、LF-VD精炼轴承钢过程中实施.为考虑首次工业性实验简便可行而选用SL钢包喷粉.312氯进入钢液的方式采用卤化物-氧化物合成粉剂[3](其成分见表4),用氩气做载体,经SL喷粉罐-喷枪,喷入钢包.表4合成粉剂成分Tab l e4Co m position o f compound powde r%CaO S i O2A l2O3M gO质量分数38~5812~157~127~11CaF2F eO CC l4质量分数5~7<0155~515粉剂粒度平均直径为01165mm.313卤化物配入量及卤化物合成粉剂用量计算按钢液中w[C a]=01002%计算[Ca]+C l2y C a C l2401m o l20015m o l每吨钢去除20g钙需015m o lC l2.采用CC l4分解生成C l2去除[Ca].炼钢温度下CC l4分解完全.每吨钢需用0125 m o lCC l4,即3815g,考虑到钢中其他元素氯化耗氯,配入50~60g CC l4/t为考虑,初始p i C l2为3#10-4Pa计,氩气用量为350~420L/.t在氧化物粉剂[3]中配入515%CC l4时,卤化物合成粉剂用量为1~111kg/.t若配入量为3%CC l4时,粉剂用量为117~2kg/.t供氩速度v A r=50~70L/m i n.钢液开喷温度为1600e时,吹毕温度为1520~1510e,可喷吹6~7m i n;喷吹时间依据出钢温度相应调整.314喷粉喉口临界速度从动力学角度出发,研究在炼钢温度条件下,为保证喷入钢液的气粉流中,粉剂不侵入钢液而导出粉剂在喷嘴喉口的临界速度v c.v c=8g(Q s/Q p-1)+12R/r Q p3(k Q s/Q p-1)1/2#(e R(Q s/Q p-1)-1)1/2(5)式中:Q s,Q p为钢液、粉剂密度,kg/m3;r为粉剂中平均粉粒半径,m;R为粉剂与钢液间界面张力, N/m;k为粉粒在钢液中阻力系数.将下列数据代入(5)式Q s=6800kg/m3,Q p=3410kg/m3,R=1152 N/m,k=113,得出临界速度:v c=(163138+01479r+1112#10-2/r)1/2,m/s(6) 4结语从热力学角度分析,在炼钢温度下当p O2[ 213#10-10Pa的条件下,促使渣中Ca O被还原成钙进入钢液中.精炼后随钢液温度降低,钢液中钙的脱氧能力提高,在w[C a]有01002%时,有58%的[Ca]参加脱氧反应生成初生C a O,又有反应2[H]y{H2},同时在钢液中现存夹杂物表面同时析出并长大,形成了m Ca O#n A l2O3点状夹杂物.热力学分析得出,用氯去除钢液中钙的可能性和合理性.对采用氯去除钢中钙的精炼工艺及相应的工艺参数进行了必要的理论分析和研究,为精炼工艺的制定提供依据.参考文献:[1] . . Å»¼À, . . Å»¼À. ¶ÀºѺĶǿÀ½À´ºÑϽ¶¼ÄÂÀ½½±³¼ºÃı½Î[M]. ºË±Ê¼À½±.1983.179-192. [2] . . º´ÀÂÑ¿. . . ¶½Ñ¿Éº¼À³. .¡. ÄÀ¾±Çº¿ . .À¿À¾±Â¶¿¼À. ¶Àºĺɶüº ÿÀ³Í½¶¼ÄÂÀÃı½¶Á½±³º½Î¿ÍÇ ÂÀȶÃÃÀ³[M]. ¶Ä±½½ÅÂĺÑ,Àü³±.1987.8-89.[3]徐世铮,刘沛环,刑玉录,等.喷射冶金用合成粉剂及其制造工艺:中国,8510031.1[P].1988.252材料与冶金学报第5卷。