铝对高碳铬轴承钢氧含量和夹杂物的影响_李作贤

铝对高碳铬轴承钢氧含量和夹杂物的影响
李作贤　赖道金
攀钢集团四川长城特殊钢有限责任公司
摘　要:本文通过运用详实的工艺试验研究及大生产的统计数据,对影响高碳铬轴承钢冶金质量的主要因素进行分析讨论,重点阐述了在不同工艺条件下的加Al量、加Al方式、加Al时间对轴承钢氧含量和夹杂物的影响。

关键词:轴承钢　[Al]s　[O]含量　夹杂物
Effect of Aluminum on Oxygen Content and Inclusion of High-carbon Chromium Bearing Steel
Li Zuoxian　Lai Daojin
Sichuan Changcheng Special Steel(Group)Co.Ltd.,Pan gang Group
Abstract:By using detailed experimental stud y on process and statistical data of massive production,main elements that influ-ence metallurgy quality of high-carbon chromium bearing steel was analyzed and discussed.This paper discussed emphatically the effect of Al addin g amount,methods and time under different processes on oxygen content and inclusion bearing steel.
Key Words:Bearin g Steel,[Al]s,O content,Inclus ion.
引言
轴承是机械设备的重要基础件,随着工业技术的发展,对轴承钢的质量要求愈来愈高,衡量轴承钢的质量最重要的参数是轴承寿命,而影响轴承寿命主要的因素是钢中氧含量及夹杂物数量、分布。

我公司从1972年开始冶炼轴承钢,72年～88年采用30t电炉单炼,89年～94年采用`30t电炉+ 40tVOD'工艺,94年以后采用`30t电炉+40tLF+ 40tVOD'工艺冶炼轴承钢。

本文重点讨论了各个时期不同工艺加Al量、加Al方式、加Al时间对轴承钢氧含量和夹杂物的影响。

1　工艺试验研究和数据统计
为了摸索Al在高碳铬轴承钢冶金质量方面的作用和掌握最佳加入量、加入方式和时间,我厂从1980年开始进行一系列工艺试验研究和相关的数据统计。

下面就部分主要工艺试验情况和统计数据,作简单介绍。

1.1　工艺试验研究
1.1.1　1980年进行电炉单炼的“轴承钢不同加Al 量与加入时间”的工艺试验
1.1.1.1　试验方案
试验方案见表1
表1　不同加Al量与加入时间的试验方案
Table1Test plan with different Al adding amount and time 工艺方案方案Ⅰ方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ方案Ⅴ
试验方案
A MS
3kg/t+
0.5kg/t
Al
0.8kg/t
Al
1.3kg/t Al
加完终Al后
15min出钢
1.5kg/t
Al正常工艺试验炉数55555
备　注
1、20t电炉冶炼下注3t锭,除终脱氧外其余均按现行
工艺,即C粉还原、予插Al。

2、A MS的成分:Al6.02%、Mn10.16%、Si5.13%。

1.1.1.2　试验结果
试验结果见表2
从表2中可以看出,方案Ⅲ、Ⅳ效果最好,[Al]s 分别为0.0412%、0.047%,氧化物平均级别只有
0.884级、0.731级。

1.1.2　1998年进行“E F+LF+VD工艺下改变加铝量与时间”的工艺实验
1.1.
2.1　小批量工艺实验
为了探讨在EF+LF+VD工艺下的最佳喂Al 量和[Al]s,以及探讨改变加Al量与时间对轴承钢[O]含量和非金属夹杂物的影响,在1998年2月进行了小批量工艺实验。

试验方案:LF前喂Al线90m或120m,其它按原工艺,其结果见表3(共试验10炉):
·
28
·2006.No.3. 特钢技术 2006年第3期
表2　不同加Al量与加入时间试验的检测结果Table2Test results o n different Al adding amount and time
工艺方案规　格
(mm)
统 计
炉
数
批
数
试
片
试片合
格率(%)
夹杂物一次
合格率(%)
氧化物硫化物点 状
平均
级别
平均
级别
出现
率%
平均
级别
[Al]
S
(%)
Ⅰ45、 5045551001001.1371.4825.461.50.0336Ⅱ45、 50333697.266.71.2361.2788.351.50.0282Ⅲ45、 5046561001000.8841.685000.0412Ⅳ4523261001000.7311.096000.0470Ⅴ45、 5034511001001.2061.430000.0375
表3　改变喂Al量与时间试验检测结果
T able3Test res ults after change of Al adding amount and time
炉　号LF前
喂Al量
(m)
[O]
(ppm)
非　金　属　夹　杂　物　(平均级)
A细A粗B细B粗C细C粗D细D粗
481-V10990140.7500.500000
481-V11090130.50.50.500000
481-V111901210.510.50000
481-V11290910100000
481-V122901010100000
481-V11412010100.500000
481-V1151201010100000
481-V1161201410100000
481-V1171201410.50.670.50000
481-V118120120.50.50.500000平 均11.80.7750.20.670.10000
1.1.
2.2　生产性试验
于1998年7月17日～9月8日进行了“轴承钢改变加Al量与时间”的生产性试验。

其工艺方案为:LF前喂Al线90m,其余按原工艺。

共冶炼轴承钢181炉,平均[O]含量18.5ppm,>20ppm的47炉,占总炉数26%;点状>45μm12炉,占总炉数6.6%。

而1997年,>20ppm占总比例仅为0.17%,>45μm 点状全年比例不到1%。

试验结果表明:轴承钢中[Al]s≥0.02%,应采用LF前喂Al线90m,VD后须补喂Al线60m～80m。

1.2　大生产数据统计
1.2.1　轴承钢冶炼时不同工艺的Al加入时间、加入方式及数量
轴承钢冶炼时Al加入时间、方式及数量见表4: 1.2.2　[Al]s与[O]含量的统计数据
我公司轴承钢历年来[Al]s与[O]含量的统计数据见表5:
表4　轴承钢冶炼时Al的加入时间、方式及数量
Ta ble4Al adding tim e,m etho dsand am ount during melt ing of bearing steel
年　度1988年
及以前
1989～19911992～19931994年及以后冶炼工艺流程EF EF+VD EF+VD EF+LF+V D
Al加入期出钢前VD内VD后LF后或VD后
Al的加入
量及方式
1.3kg/t
(插入炉中)
铝粒
0.5kg/t
喂Al线
120m/炉
喂Al线120m/炉
(或90m/炉)
表5　轴承钢[Al]s与[O]的统计数据
Table5Statistical data of bearing steel[Al]s and O
项　目1988年
及以前
1989
年
1990
年
1992
年
1995
年
1996
年
1998
年
1999
年
[Al]s%0.041
(全)0.010.0150.0660.02450.03490.0160.438 [O]ppm>2815.518.3814.8313.0211.8715.213.89冶炼
工艺
EF EF+VD EF+LF+VD
1.2.3　VD后不同喂Al量与[O]含量的统计数据
原长特四厂轴承钢VD后不同喂Al量与[O]含量的统计数据见表6:
表6　VD后不同喂Al量与[O]含量的关系结果Table6Relationship between different Al adding amo unt and O content after VD
喂Al量
(m)
炉　数
平均[O]
含量(ppm)
炉数占百分数(%)
≤10ppm≤13ppm≤15ppm≤20ppm ≤908314.026.0040.9679.5097.60
≥10010813.2913.8960.2082.5698.15
1.2.4　精炼轴承钢[Al]s与非金属夹杂物的统计数据
1989～1990年对105炉精炼轴承钢的[Al]s与非金属夹杂物的统计数据见表7:
·
29
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2006年第3期 李作贤等:铝对高碳铬轴承钢氧含量和夹杂物的影响
表7　长特四厂轴承钢[Al]s与非金属夹杂物的统计数据Table7Statistical data of Bearing Steel[Al]s and
non-metallic inclusion in Changcheng Special
Steel Company,Pangang Group
[Al]s(%)炉数合格率
%
非金属夹杂物点 状
A细A粗B细B粗合格率%出现率%
≤0.015390.60.830.650.540.32945.3
0.01～0.022795.30.930.660.510.251000
≥0.022596.00.710.620.500.221000
从表7可知:当钢中[Al]s≥0.02%时,钢中氧化物、硫化物夹杂的平均级别最低,钢材合格率最高。

2　分析讨论
2.1　影响轴承钢冶炼质量主要因素
高碳铬轴承钢是专用钢中质量要求最为苛刻的钢种,通常被认为是高质量钢的代表。

其性能主要取决于钢的化学成分、纯洁度和组织均匀性三个方面,影响轴承钢冶炼质量主要因素是气体含量、非金属夹杂物。

2.2　Al在高碳铬轴承钢中的作用
Al是常用的强脱氧剂。

在高碳铬轴承钢中,Al 是作为脱氧元素加入,为达到比较完全脱氧的目的,常用Al进行最终脱氧。

Al有较强的固溶强化作用,能提高钢的抗回火稳定性和高温硬度。

当Al含量在0.5%～1.00%时,能提高钢的淬透性,降低过热敏感性,但当Al含量>1.00%,加热时反而使晶粒剧烈长大[3]。

因而,钢中加入适量的Al除了作为脱氧剂外,其作用还在于:可降低钢的时效倾向、细化钢的晶粒;Al可与FeS、MnS作用生成硫化铝,降低硫化物在钢中的偏析,从而提高钢在高温下的塑性。

2.3　Al对轴承钢脱氧的作用
轴承钢中氧含量多少是衡量纯洁度的一个重要指标。

溶解在钢中的氧,随着温度的降低,在凝固结晶过程中析出并与Al、Ca、Si、Mn等元素形成氧化物,这是钢中非金属夹杂物的主要来源。

脱氧的目的在于降低钢液中的溶解氧,并排出其脱氧产物,以保证获得细晶粒结构的正常的钢锭表面及钢的各项性能[3]。

因此,降低轴承钢中[O]含量是提高其纯净度的重要一环。

Al是一种强的脱氧元素,生成云团状脱氧产物,其整体尺寸可达500μm,上浮速度很快,可使钢液总氧量迅速下降,即使是一部分残存的Al2O3夹杂,也能在紧接着的扩散脱氧过程中上浮排出[3]。

Al的脱氧反应为:
2[Al]+3[O]=Al2O3(固)
■G0=-296900+94.40T
lgK Al=lg[Al%]2·[O%]3=
(-64900/T)+20.63
当温度为1600℃时,K Al=[Al%]2[O%]3=
8.5×10-15。

由此计算出钢中含氧量和含Al量关系见表8。

表8　钢中含氧量与含Al量的关系
T able8Relation between oxygen content an d aluminum content i n steel [Al%]0.10.050.010.0050.0030.0020.001 [O%]0.00010.000160.000440.00070.000980.00130.002
由表8可以看出,当钢液含Al量仅为0.001%时,钢液中氧量已降到远远低于一般终点钢液含氧量,说明Al的脱氧能力很强[1]。

从二者的密切关系中不难看出,在冶炼轴承钢时合理地加入Al,可达到钢中最低[O]含量的效果。

但表8的钢中氧含量与铝含量的关系是从热力学角度出发,铝与氧含量平衡的条件下计算出来的,实际生产中,钢中的铝与氧含量远未达到平衡,因此,钢中的实际氧含量远远高于在相同铝含量条件下计算出来的氧含量。

2.4　Al对轴承钢[O]含量的影响
我厂曾采用过许多不同冶炼工艺方式冶炼轴承钢,主要目的是降低钢中[O]含量和减少非金属夹杂物。

从表5中可明显看出,在采用电炉+VD或电炉+LF+VD工艺后,轴承钢[O]含量逐年下降。

同时,也发现一个有规律性的现象:在电炉+真空精炼状况下,轴承钢中[Al]s与[O]含量有一定的关系:即[Al]s>0.02%,[O]含量较低;[Al]s<0.02%,[O]含量较高。

从表5中我们还可看出,1989～1990年采用EF +VD工艺,[Al]s为0.001%～0.015%时,平均[O]含量为15.5ppm～18.38ppm;同样采用EF+VD工艺,当1992～1993年[Al]s为0.066%时,平均[O]含量为14.83ppm～12.95ppm。

采用EF+LF+VD工艺,当[Al]s≥0.02%时,平均[O]含量在11.71ppm～13.02ppm;当1998年[Al]s为0.016%时,平均[O]含量为15.2ppm。

同时,表6中还说明,在冶炼轴承钢时,如喂Al 量≥100m,各项指标均较好,平均[O]含量比喂Al量≤90ppm时低0.73ppm。

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·李作贤等:铝对高碳铬轴承钢氧含量和夹杂物的影响 2006年第3期
另外,据大冶特钢文献介绍该厂采用EF +LF +VD 工艺冶炼轴承钢,其钢中[Al ]s 为0.010%～0.030%。

该厂1983年～1994年钢中平均[O ]含量
为11.1ppm ～16.5ppm ;北满特钢采用E AF +LFV 工艺冶炼轴承钢,钢中[Al ]s 为0.028%～0.035%,该厂1992年6月冶炼轴承钢45炉,平均[O ]含量为11.17ppm ;大连特钢采用电炉+LFV 工艺,[Al ]s 为0.02%～0.04%。

2.5　Al 对轴承钢非金属夹杂物的影响
金属铝及AlN 溶于酸,称为酸溶铝。

用电子显微镜观察,细晶粒钢中存在着弥散的细小氮化铝夹杂,这种夹杂析出于奥氏体温度区。

当全铝超过0.08%时,晶粒度反而粗大化,这时弥散的氮化铝夹杂聚集成棒状的粗大颗粒,颗粒数目减少了。

终脱氧用Al ,一是获得低氧含量的钢液,二是保证钢中有合适的[Al ]s ,抑制氧化物夹杂粗化趋势。

钢中[Al ]s 过低,在出钢、浇铸及冷凝过程中,因Si 的二次氧化及钢液随温度降低溶解氧析出,产生含SiO 2很高的粗大玻璃质硅酸盐夹杂;残余Al 过高,在没有保护装置的条件下出钢、浇铸,显然会由于二次氧化增加Al 2O 3夹杂物的含量
[3]。

从表2和表7可知:1980年电炉单炼轴承钢加
Al 试验和1998年EF +LF +VD 工艺下加Al 试验,其结果说明:无论电炉单炼或者电炉+炉外精炼状况下,当Al 加入量减少或加入过早时,轴承钢中[Al ]s 减少,轴承钢中大颗粒点状夹杂出现率大为增加,不合格率大幅增加,合理控制Al 加入量和时间,可大幅度减少大颗粒夹杂物的出现,且钢中[Al ]s 控制在0.02%～0.04%,钢中的夹杂物级别最低。

2.6　Al 的加入时间对钢中[Al ]s 的影响
有资料[2]介绍:有科学家用感应炉冶炼并浇小钢锭,其实验证明:在Al 加入钢液和浇铸小钢锭以前所经过的45s 期间,被氧化的Al 已有10%～80%从钢液中除去了。

实际上大部分氧化铝以铁的铝酸
盐形式发生渣化,这种铝酸盐能够形成大的颗粒并且很快上浮至钢液的表面即渣中。

理论和实践表明:在冶炼轴承钢时,Al 的加入量、加入方式、加入时间均影响钢中[Al ]s 的多少。

从表4和表5中可看出,我厂1989、1990年在VD 内加Al 粒0.5kg /t ,[Al ]s 较低(只有0.01%～0.015%);1992年在VD 后喂Al 线120m /炉,距浇注时间短,其[Al ]s 达0.066%;1994、1995年采用EF +LF +VD 工艺时,在LF 后喂Al 线90m /炉～130m /炉,[Al ]s 较高(达>0.02%);而1998年改为LF 前喂Al 线80m /炉～120m /炉,[Al ]s 则只有0.016%。

3　结论
3.1　在电炉+真空精炼状况下,轴承钢中[Al ]s ≥0.02%,[O ]含量较低,夹杂物级别低;[Al ]s <0.02%,[O ]含量较高,大颗粒夹杂物出现的机率大为增加。

因此,[Al ]s 最佳控制在0.02%～0.04%。

3.2　在冶炼轴承钢时,控制好Al 的加入量、加入方式、加入时间:应采用LF 前喂Al 线90m ,VD 后必须补喂Al 线60m ～80m ,才能将[Al ]s 控制台在最佳范围。

参考文献
[1]　韩至成.炼钢学.冶金工业出版社,1980年
[2]　钢铁中的铝.天津大学金属学及热处理教研译.中国工业出版
社
[3]　钟顺思,王昌生.轴承钢.北京:冶金工业出版社,2002
(收件日期2005-11-17)
作者简介:李作贤,高级工程师,1975年毕业于重庆大学钢铁冶金专业,主要从事轴承钢、工模具钢、弹簧钢产品开发课题研究工作,现已退休。

本　刊　启　示
为更好地进行学术交流,《特钢技术》从本期起对栏目进行了调整,现开设有以下六个栏目,敬请广大作者在投稿时标明文稿所属栏目。

一、综述; 二、产品开发与性能研究;三、工艺研究与生产实践; 四、理化检测与计控;五、冶金设备与技术改造; 六、管理及其他。

《特钢技术》编辑部2006年8月30日
·31·第12卷总第48期 SPECI AL STEEL TEC HNOL OGY
Vol .12.Sum .48.。