轴承钢连铸技术

低2.5×10-4%；
• 瑞典SKF公司Ovako厂于1991年投入的新车间沿用模铸生 产轴承钢，美国Timken公司没有采用连铸。1991年和
1997年在ASTM举办的轴承钢国际会议，轴承钢连铸仍然
是一个有争议的课题；
• 到目前为止，没有一片文章报道，彻底解决了轴承钢连铸 坯的中心碳偏析问题； • 轴承钢的连铸工艺一般应包括：钢包和中间包烘烤、下渣
在几种力的综合作用下，在套圈或滚动体的表面上抗疲
劳强度低的部位首先产生疲劳裂纹，最后形成疲劳剥落， 使轴承破损失效。轴承钢正常破损的形式是接触疲劳损坏，
其次是摩擦磨损使精度丧失。
非金属夹杂物或粗大碳化物，则可促进裂纹的产生。
轴承钢要求高疲劳寿命
轴承钢性能的要求
• 对化学成分的要求； • 对非金属夹杂物的要求； • 高且均匀的硬度，高的耐磨性；
轴承钢连铸技术
内容：
1 ：轴承钢概述
2 ：影响轴承钢质量的关键成分和夹杂物及其 控制 3：轴承钢的连铸
一、概述
轴承是“工业的心脏”。 轴承钢是重要的冶金产品，它被广泛应用于机械制造、铁路运 输、汽车制造、国防工业等领域。轴承钢是特钢产品中生产难 度较大的钢类之一。 2009年和2010年我国轴承钢产量分别为 350万吨和358万吨，占当年特钢产量的7.8％和7.6％。 轴承钢总产量连续6年列为世界第一，高等级轴承钢仅占1/5； 高质量轴承钢仅占34％；多数为高碳含铬轴承钢、中碳轴承 钢和渗碳表面硬化轴承钢，而不锈耐蚀、高温难溶及防磁类型 的轴承钢比例在3.8％以下（约13～15万吨）。
• 较少或消除铸坯内裂和偏析裂，Mn/S≥30，钢液残铝量 0.01%-0.015%——堵水口，减少Al2O3
3.2 温度控制
• 冷却强度比模铸大，凝固界面的温度梯度高，柱状晶发达， 树枝晶相遇，产生“搭桥”现象。因此，连铸坯心部产生 周期性断续的缩孔与偏析；
• 铸坯凝固时柱状晶发达因素中，过热度、二冷强度等是导
中间包至结晶器使用浸入式水口
•结晶器内钢液面采用适应低过热度和低拉速浇铸的保护渣。
3.6 连铸电磁搅拌
• 电磁搅拌对改善轴承钢的连铸坯质量有重要作用——高温 区和低温区充分混合，加快过热度的导出，并折断树枝晶， 增加结晶核心及等轴晶数量，有效地控制树枝晶“搭桥”
想象，改善铸坯中心碳偏析、中心疏松、缩孔等缺陷。
浇注过程中夹杂物的控制
• 模铸——重点放在避免钢包和锭模之间钢水流的二次氧化； 最大限度地避免钢水和耐材的作用；最大限度地避免钢包 渣、保温剂或浇注保温渣的卷入；
• 连铸——检测钢包中的下渣量；吹氩保护，防二次氧化；
选用优质的耐材。
2.3 轴承钢中残余铝的控制
• 金属铝及AlN溶于酸，用[Al]S表示。终脱氧用Al是获得低 氧含量的钢液和保证钢中有合适[Al]S。[Al]S高——保护条 件不好易二次氧化增加Al 2 O3 夹杂；[Al] S 低——Si的二次
比真空前少1/3；
• SKF研究发现：出钢后15min夹杂主要由Al2O3和 Al2O3· 2· SiO MnO组成，来自电弧炉出钢的预脱氧产物；真空
前——Al2O3· CaO夹杂，是Al2O3和铁合金Ca-Si中的钙的反应
产物；真空后——夹杂中的Al2O3· CaO往往包着一层MgS， Mg来自真空下的耐材，并与Al2O3生成Al2O3· MgO。
高碳轴承钢的特点
• 高碳 • 加铬 • 加入Mo、Mn、Si、V等合金
• 严格控制杂质元素，特别是P、S、Ni、Cu
危害最大的是氧化物夹杂，其次是硅酸盐。氧化物夹 杂的最大粒径和粒子个数是轴承钢疲劳寿命的根本原因— —轴承钢冶炼和浇铸的关键在于控制钢中氧含量到极限值、
提高纯净度和组织的均匀性，即降低钢中氧及非金属夹杂
• 大冶经验：小方坯生产特殊钢，尤其是轴承钢，为质量问
题根源。压缩比小，钢材致密度不够，宏观组织满足不了 要求；压缩比小，碳化物偏析得不到改善。
• 高碳铬轴承钢连铸坯：180mm×180mm、200mm×200mm、 210mm×240mm，轧制成直径≤55mm圆钢，可满足我国现 行轴承钢的要求，压缩比为14-21，压缩比不得小于14。
速，将二冷配水量控制在0.25-0.31 L/kg。
3.5 保护浇铸
• 是防止二次氧化所必备的条件。四个环节：钢包至中间包 的钢流、中间包的内钢液面、中间包至结晶器钢流、结晶 器内钢液面；
钢包至中间包采用长水口，氩气保护
内空部 熔钢流耐磨 性 身体部 耐热冲击性
熔渣,侵入部 长时间耐侵 蚀性
中间包耐火材料多采用碱性涂层（或碱性绝 热板）；中间包的钢液面使用特殊碱性覆盖 剂；
滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。
内圈：与轴颈相配（一般转动） 外圈：与轴承座相配（一般静止） 滚动体：将滑动摩擦转化为滚动摩擦 保持架：防止滚动体直接接触
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除保持架外，其余都是由轴承钢制成。
常见的滚动体有六种形状，一种是球形，五种是滚子。
当轴承工作时，轴承内外套圈、滚动体间承受高频率、 变应力作用。在轴承旋转时，还承受离心力的作用，并随 转速的增加而增大；滚动体与套圈间不仅存在滚动，而且 还有滑动，所以在滚动体与套圈之间还存在摩擦。
监测、留钢及中间包钢水加热，全程无氧化保护浇注，结
晶器页面自动控制，结晶器小振幅高频率振动，结晶器二 冷末端电磁搅拌，轻压下技术。
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钢液准备 温度控制 连铸机的选择 拉速和二冷的控制 保护浇铸 连铸电磁搅拌 连铸轴承钢的碳化物特性及其均匀化技 术 • 铸坯断面、压缩比及轻压下 • 连铸坯的质量
物含量，控制好夹杂物形态和分布。核心——高纯净度钢 的生产。
二、影响轴承钢质量的关键成分和 夹杂物及其控制
• 氧对轴承钢质量的影响及其控制 • 轴承钢中的夹杂物及其控制 • 轴承钢中残余铝的控制 • 轴承钢中残余钛的控制 • 硫含量 • 钢中碳化物缺陷
2.1 氧对轴承钢质量的影响及其控制
钢中wT.O=10×10-4%轴承钢的疲劳寿命比wT.O=40×104%提高10倍。w =5×10-4%的疲劳寿命比wT.O=40×10-4% T.O
利于多炉连浇。
• 二冷水量过大——铸坯表面温度低，横断面上温度梯度大， 利于柱状晶生长，柱状晶区就宽；
• 二冷水量过小——可使柱状晶区宽度减少，等轴晶区扩 大，但刚的凝固系数下降，液相穴增长，对于改善轴心 碳偏析不利；
• 使用0.15-0.20 Mpa的压缩空气，实现气-雾冷却工艺，二
冷水量很小，配合低拉速保证铸坯温度大于900℃。拉速 一般控制在0.3-0.8m/min，并根据铸坯的断面尺寸调整拉
3.7 连铸轴承钢的碳化物特性及其均匀 化技术
• 为改善碳化物，一般在连铸浇铸和铸坯的加热过程中，采 用净化钢水、中间包钢水低过热度浇铸、低拉速和合适的 二冷强度、合理的结晶器和二冷末端的电磁搅拌组合使用、
轻压下技术和合理的连铸坯加热技术。
3.8 铸坯断面、压缩比及轻压下
• 压缩比与某些质量指标发生关系，如低倍组织、碳化物不 均匀性； • 连铸坯钢材的压缩比小于钢锭成材——连铸轴承钢碳化物
提高30倍。轴承钢生产的关键在于脱氧。
全氧含量与轴承疲劳寿命的关系
冶炼过程中应注意的问题
• 初炼钢液实现低氧化和低温化； • 强化初炼钢水的预脱氧； • 采用SiC和Al粉进行扩散脱氧；
• 精炼中期，钢中氧含量降低，Al也随之降低，采用喂
Al线的方法添加Al；
• 选择合适的精炼渣系； • 防止二次氧化； • 合理的吹氩制度；
钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响
• 有益 • 有害 • 对钢的疲劳寿命影响不大
工艺参数对钢中夹杂物含量的影响
• 电炉出钢温度 • 搅拌时间 • 铝脱氧工艺
Ascometal公司认为，对于轴承钢的精炼，应把重点
放在：选择碱性耐材钢包内衬；最大限度地去除炉渣； 尽早形成非常低氧势的脱氧精炼渣；控制气体搅拌，使 夹杂物上浮。
氧化及钢液随温度降低溶解氧析出，产生含SiO2很高的粗
大玻璃质硅酸盐夹杂。如果要使钢材晶粒细化，获得高强 韧性，残余铝可高些。对渗碳轴承钢来说，残余铝需要控
制得高些；对于高碳轴承钢对此控制要求不太高。
特殊钢中典型 的球状不变形 钙铝镁酸盐夹 杂物形貌
2.4 轴承钢中残余钛的控制
• 钛对于高碳铬轴承钢有害，在钢中以Ti(C，N)、TiC、TiN 存在呈坚硬的菱角。在相同尺寸下，危害大于Al2O3； • 实践证明，wTi超过50×10-4%，轴承疲劳寿命明显下降。
致偏析与缩孔主要因素。影响连铸坯低倍质量的连铸工艺 参数中，过热度占主要地位；
• 轴承钢要求尽可能低的过热度、较慢的拉速下浇铸才能得
到偏析小、组织均匀而致密的钢坯。
精炼终点温度计算
• T精炼终点=T液+ΔT钢包-中间包+ΔT+k（t1+t2）
k值与钢包容量、耐火材料的导热性和加热周转情况密
切相关，使钢包处于热平衡状态取得的值。
• 控制适当的残铝量；
• 确保足够的真空度和真空时间。
2.2 轴承钢中的夹杂物及其控制
• 钢中非金属夹杂物数量和组分的变化 • 钢中硫化物夹杂对轴承钢质量的影响 • 工艺参数对钢中夹杂物含量的影响 • 浇注过程中夹杂物的控制
夹杂物造成的滚动面疲劳破坏
钢中非金属夹杂物数量和组分的变化
• 钢中大于5μm的夹杂物在真空后大部分被去除。夹杂物数量
2.6 钢中碳化物缺陷
• 碳化物缺陷包括液析碳化物、带状碳化物和网状碳化物， 其危害相当于夹杂物； • 碳化物缺陷主要起源于钢在凝固过程中的偏析，控制和减
少凝固偏析是控制和减少碳化物缺陷的关键环节；