轴承钢TiN夹杂物析出理论分析
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。
轴承钢球非金属夹杂物失效分析
图 1 外圈滚道表面压痕状凹坑轴承钢球非金属夹杂物失效分析于志敏摘 要：某风力发电机轴承装机使用后短时间内失效，失效形式表现为一粒钢球表面出现疲劳剥落，套圈滚道表面出现压痕状凹坑，钢球表面剥落部位存在线状缺陷等。
采用理化分析方法对缺陷进行了分析，结果表明，该钢球表面存在的非金属夹杂物导致了轴承的失效。
关键词：钢球；疲劳剥落；非金属夹杂物；轴承失效中图分类号：TH133.33+1 文献标识码：B 文章编码：1672-4852（2019）02-0016-03Failure analysis of nonmetallic inclusions in bearing steel balls收稿日期：作者简介：2018- 11-27.于志敏（1962-），男，工程师.Yu Zhimin（ Wafangdian Bearing Group Co.,Ltd., Wafangdian 116300,China )Abstract: The failure of a wind turbine bearing occurred within a short time after it was installed and used,the failure was manifested as fatigue spalling on the surface of a steel ball, indentation pits on the raceway surface of the ring, and linear defects on the spalling part of the steel ball surface, etc.Physical and chemical analysis method was used to analyze the defects, the results showed that the nonmetallic inclusions on the surface of the steel ball caused the failure of the bearing.Key words:steel ball; fatigue spalling; nonmetallic inclusion; bearing failure（瓦房店轴承集团有限责任公司，辽宁 瓦房店 116300）1 前言某公司生产的风力发电机轴承，用户装机使用时发现短时间内出现异音现象，将轴承拆解后，发现一粒钢球表面出现疲劳剥落，套圈滚道表面出现凹坑。
过共析钢中TiN夹杂形成热力学分析
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ Ｔ Ｎ ｉ ｃｕ ｉｎ ｆ ｒ ｔ ｎ ｉ ｔ ｅ ｉ ｔ ｅｍｏ ｙ ａ ｃ ａｃ ｌ ｔｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇｔ ｙ ｅｅ ｔｃ ｏｄ ｓ ｅ ，ｅ ｐ ｃａｌ ｓｒ ｃ ｈ ｉ ｎ ｌ ｓ ｏ ｍａｉ ｓｅ ｌ ｓ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉｓ ｃ ｌｕ ａｅ ｃ ｏ ｄｎ ｏ ｈ ｐ ｒ ｕ ｅ ｔ ｉ ｔ ｌ ｓ ｅ ｉｌ ｏ ｏ ｎ ｅ ｙ ｆｒｓｅ ｌｇ ａ ｅ ｗ ｔ ． ０ ｏ ｔ ｅ ｒ ｄ ｉ ０ ９ ％ ｔ ０ ９ ％ ｃ ｒ ｏ ｏ ｔｎ ．Ｎ ａ ｄ Ｔ ｏｕ ｅｒ ｄ ｓ ｂ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｕ ｎ ｏ ｉｉ ｃ ｔ ｎ ｈ ｏ ．５ ａ ｂ ｎ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｉ ｌ ｔ ｅ ｉｔ ｕ ｉ ｃ ａ ｉｍ ｄ ｒ ｇ ｓ ｌ ｆ ａｉ ．Ｒｅ ｓ ｉ ｒ ｏ ｉ ｄｉ ｏ ． ｓ ｉ ｈ ｗ：ｔ ｅＴｉ ｎ ｏｕ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｔ ｎ ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ ｍｏｔ ｎ ｓｅ ｌｒ ｑ ｉｅ ｒｔ ｅ ｆｒ ｔ ｎ ｏ ｉ ｎ ｌ ｓ ｎ ｄ ｃ ｅ ｓ ｓ ｕｔ ｓｏ ｓ ｈ ｄ Ｎ ｓ ｌｔ ｏ ｃ ｎ ｒ ｉ ｒ ｄ ｃ ｉ ｌ ｔ ｅ ｅ ｕ ｒｄ ｆ ｏ ｍａｉ ｆ Ｎ ｉｃ ｕ ｉ ｅ ｒ ａ ｅ ａ ａｏ ｅ ｏ ｈ ｏ Ｔ ｏ ｗ ｔ ｎ ｒ ａ ｉｇ ｏ ａｂ ｎ ｃ ｎｅ ｔ ｎ ｓｅ ｌ ｎ ｈ ｈ ｒ ｏ ｙ ａ ｃ ｏ ｄｔ ｎ ｏ ｒ ｔ ｎ Ｔ Ｎ ｉ ｃｕ ｉ ｎ ｉ ｆ ｒ ｄ ｉ ｅｌｔ ｉ ｉ ｃ ｅ ｓｎ ｆ ｒ ｏ ｏ ｔｎ ｔ ｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｔｅ ｈ ｃ ｉ ｍ ｄ ｎ ｍｉｓｃ ｎ ｉ ｏ ｆ ｏｍａｉ ｎ ｌ ｓｏ ｏｍｅ ｎ ｔ ａ— ｉ ｆ ｏ ｉ喜 薛 军 ， ， ， ，
（ ． 鞍钢 股份 有 限 公 司 ， 辽 宁 １ 鞍山 １４０ ； ２ １０ １ ．鞍 山钢铁 集 团公 司 ， 辽 宁 鞍山 １４０ ） １０ １
超纯铁素体不锈钢中TiN夹杂析出的热力学分析
超纯铁素体不锈钢中TiN夹杂析出的热力学分析张帆;李光强;李永军;刘赫莉;陈兆平【摘要】In order to control the adverse effect of TiN in ultra-clean ferritic stainless steel, the thermo-dynamic precipitation condition in smelting and solidification process was studied. The results show that, the best contentof [Ti] in the ultra-clean ferritic stainless steel which contains [Cr]16%~23% is 0. 1% to 0.3%; and when [Ti] = 0. 3 mass% , controlling [N] to less than46×10-4 mass% can a-void TiN formation in liquid steel. The segregation degree of Ti is less than that of N, and at the end of solidification, the content of [Ti] and [N] in residual liquid increase to 2. 5 times and 3. 2 times of their initial contents, respectively. Along with gradual solidification of liquid steel, in the solidification frontier the temperature and equilibrium of [%Ti][%N] go down, and the real equilibrium of [%Ti][%N] rises. To reduce [%Ti] and [%N] can limit TiN precipitation at the end of solidification and reduce the size and quantity of TiN inclusion.%为了控制TiN夹杂对材料性能的不利影响,对TiN在超纯铁素体不锈钢冶炼和凝固过程中析出的热力学条件进行分析.结果表明,在Cr含量为16％～23％的条件下,超纯铁素体不锈钢的最佳钛含量为0.1％～0.3％；当w(Ti)＝0.3％时,将w(N)控制在0.004 6％以下才能避免在液相区中生成TiN夹杂；超纯铁素体不锈钢凝固过程中钛的富集程度稍低于氮；凝固末期残余液相中[Ti]和[N]的浓度分别提高到其初始浓度的2.5倍和3.2倍；随着钢液的逐渐凝固,凝固前沿温度和凝固前沿钛氮平衡浓度积下降,凝固前沿钛氮实际浓度积升高；降低钢中氮含量能推迟TiN析出时间,使TiN夹杂在凝固末期形成,可减小TiN夹杂尺寸,减少其析出数量.【期刊名称】《武汉科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(035)005【总页数】5页(P347-351)【关键词】超纯铁素体不锈钢;TiN夹杂;析出;热力学分析【作者】张帆;李光强;李永军;刘赫莉;陈兆平【作者单位】武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081;武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081;武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081;武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081;宝山钢铁股份有限公司研究院,上海,201900【正文语种】中文【中图分类】TF764.1铁素体不锈钢系指Cr含量为11%～30%、在使用状态下组织结构以铁素体为主的Fe－Cr或Fe－Cr－Mo合金，w（C＋N）≤0.015%的铁素体不锈钢即为超纯铁素体不锈钢。
钢中夹杂物浅析
钢中夹杂物浅析1. 钢中夹杂物的分类1.1 根据钢中非金属夹杂物的来源分类（1）内生夹杂物钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液凝固前未浮出，将留在钢中。
溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降温和凝固时，由于溶解度的降低，与其他元素结合以化合物形式从液相或固溶体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在熔炼过程中，各种物理化学变化而形成的夹杂物。
内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但一般来说是不可避免的。
（2）外来夹杂物钢在冶炼和浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和钢包等内壁剥落的耐火材料或其他夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留于钢中。
它是金属在熔炼过程中与外界物质接触发生作用产生的夹杂物。
如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔渣而滞留在金属中，其中也包括加入的熔剂。
这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，又称为粗夹杂。
这类夹杂物通过正确的操作是可以避免的。
1.2 根据夹杂物的形态和分布，标准图谱分为A、B、C、D和DS五大类。
这五大类夹杂物代表最常观察到的夹杂物的类型和形态:（1）A类(硫化物类)：具有高的延展性，有较宽范围形态比(长度/宽度)的单个灰色夹杂物，一般端部呈圆角；（2）B类(氧化铝类)：大多数没有变形，带角的，形态比小(一般<3)，黑色或带蓝色的颗粒，沿轧制方向排成一行(至少有3个颗粒)；（3）C类(硅酸盐类)：具有高的延展性，有较宽范围形态比(一般>3)的单个呈黑色或深灰色夹杂物，一般端部呈锐角；（4）D类(球状氧化物类)：不变形，带角或圆形的，形态比小(一般<3),黑色或带蓝色的，无规则分布的颗粒；（5）DS 类(单颗粒球状类)：圆形或近似圆形，直径>13μm的单颗粒夹杂物。
2. 钢中夹杂物主要类型及特征2.1 硫化物硫化物是钢液中所含的硫在凝固时以沉淀物析出形成的产物。
高铁车轮钢中TiN夹杂物析出的热力学分析
高铁车轮钢中TiN夹杂物析出的热力学分析1 引言高速铁路在发达国家发展十分迅速，并且取得了极佳的经济和社会效益。
然而高速列车车轮中的杂质一直是威胁列车车轮寿命与安全行驶的一个重要因素，其中具有尖利棱角的方块形夹杂TiN不易变形，经轧制和热处理后也不消失，对车轮钢的疲劳性能和韧性都有很大的危害。
因此，在生产过程中，必须严格控制钢液中Ti和N的含量，消除TiN夹杂的析出条件。
2.TiN析出的热力学分析2.1.车轮钢液相线和固相线温度的确定车轮钢的化学成分见表 1.车轮钢的液相线和固相线温度分别用式(1)和式(2)[1]进行计算：T l=1535-{65[C]+30[P]+25[S]+20[Ti]+8[Si]+7[Cu]+5[Mn]+25[Ni]+27[Al]+15[Cr]+90[N]+80[O]} (1)T s=1538-{175[C]+30[Mn]+20[Si]+280[P]+575[S]+65[Cr]+475[Ni]+75[Al]+40[Ti]+160[O]} (2) 将表1中车轮钢的各元素成分代入式(1)、式(2)得：Tl=1486℃=1759K，Ts =1379℃=1652K。
表1 车轮刚的成分元素表2 1873K时钢水中元素的相互作用系数2.2Ti和N的活度考虑到钢水中各元素的相互作用，Ti和N的活度系数f Ti和f N及活度a Ti和a N可按式(3)和式(4)[2-3]计算：式中，f i为元素i的亨利活度系数，e i j(T)为温度为T的钢液中元素j对i的相互作用系数，[i]为钢液中Ti或N的质量分数，[j]为钢液中溶质元素j的质量分数。
将车轮钢中各元素的质量分数(表1)和1873K时钢水中元素的相互作用系数[4-5](表2)代入式(3)计算得到下式：在本文讨论的车轮钢成分条件下，可得到1873K时钢液中Ti、N的活度如下：2.3车轮钢中TiN夹杂析出分析从文献[6]可查到：根据式(9)-(11)可导出[Ti]+[N]=TiN(s)，△G=-314250+115.02T (12) 实际车轮钢中TiN 的生成反应吉布斯自由能的变化为G=G+RTlnJ，其中，J=aTiN/(aTiaN)。
GCr15轴承钢中TiN复合夹杂物形成机理
GCr15轴承钢中TiN复合夹杂物形成机理田钱仁;马骞;尚德礼;雷洪;王国承【期刊名称】《辽宁科技大学学报》【年(卷),期】2018(041)003【摘要】在GCr15轴承钢扫描电镜观察中发现有两类复合TiN夹杂物,分别为:TiN-MnS和TiN-MgO-MgAl2O4-MnS.热力学计算表明,GCr15轴承钢中TiN 夹杂物在固液两相区析出,MnS在固相区析出,Mg元素部分来源于炉衬中MgO被钢液中溶解的碳侵蚀还原,[Mg]与[O]将已经形核的Al2O3改质为MgAl2O4.TiN-MgO-MgAl2O4-MnS的析出顺序依次为:MgAl2O4、MgO、TiN、MnS.MgO 可作为TiN的形核质点;MgAl2O4若作为MgO、TiN、MnS的形核质点,取决于其周围元素的类型以及析出温度.【总页数】7页(P173-179)【作者】田钱仁;马骞;尚德礼;雷洪;王国承【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;鞍钢海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,辽宁鞍山 114021;东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁沈阳110004;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学辽宁省化学冶金工程重点实验室,辽宁鞍山 114051【正文语种】中文【中图分类】TF769.2【相关文献】1.钢包软吹氩时间对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 [J], 杨锋功;杨华峰;战东平;杨永坤;张慧书2.高碳抗疲劳应力钢TiN夹杂物形成机理及控制研究 [J], 金友林;杨丽珠;3.GCr15轴承钢中MnS-Al2O3复合夹杂物析出行为 [J], 赵洋;王国承;曹磊;田钱仁4.IF钢凝固过程中Al_2O_3-TiN复合夹杂物的形成机理 [J], 李志强;袁磊;刘涛;于景坤5.PMO对GCr15轴承钢连铸坯中MnS夹杂物的影响 [J], 朱雷敏;李莉娟;罗坤坤;李涛;翟启杰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
轴承钢夹杂物控制及成因分析
•搅拌时间与夹杂物数目及粒度分布
0.06
钢中夹杂物控制
夹 杂 物 数 目 （ mm 2 ）
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 2.8-5.6 5.6-11.2 11.222.4 ＞22.4 长搅拌时间 短搅拌时间
夹杂物粒度( μ m)
图12
气体搅拌时间与夹杂物 数量及粒度分布的影响
[Ti]含量控制
出钢过程下渣量中Ti的还原： 出钢过程主要加入Al、C、Si、Mn、Cr。
[Ti]含量控制
在出钢温度下，只有 Al能还原渣中的Ti。 即出钢过程如果用 Al脱氧，则下渣中 的（TiO2） 能被Al 还原进入钢液。
图1 氧化物标准生成自由能随温度的变化
[Ti]含量控制
LF精炼过程（TiO2） 的还原 铝还原（TiO2）的反应： 4[Al]+3（TiO2）=3[Ti]+2（Al2O3） （2） 在1800oC高温下，碳还原TiO2的反应： （TiO2）+[C]=（TiO）+CO （3） （TiO2）+[C]=[TiC]+CO （4） 在＞1850oC高温下，碳还原TiO2的反应： 2[C]+（TiO2）=[Ti]+2CO （5） 上述反应表明：如果在低温下，能先除去初炼炉的下渣 量，再用Al、C进行脱氧还原，就能减少（TiO2） 的 还原。
钢中夹杂物控制
浇注工艺参数控制 提高浇注系统用耐火材料的质量档次， 提高中包抗侵蚀、抗冲刷的能力，减少 外来夹杂物。 严格按工艺要求砌筑浇注系统，保证浇 注系统清洁、充分烘烤、干燥并保持至 浇注。
钢中夹杂物控制
浇注工艺参数控制 采用氩封保护浇注，防止二次氧化形成 大颗粒族状Al2O3夹杂物。
轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨
［ ］［ ］ Ｏ 、 Ｈ 及炉渣碱度过高等． 半个 多世 纪 以来 ， 消 除轴 承 钢 点状 夹杂 物 为 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 ，Ｈ， Ｈ 精炼 轴 承 钢 ， Ａ Ｒ Ｄ Ｖ Ｄ精 炼 轴 承 钢 ，Ｓ Ａ—Ｓ Ｆ精 炼 轴 承 钢 ，Ｆ—Ｖ ＡＥ Ｋ Ｌ Ｄ精 炼 轴 承钢 ， 钢包 喷 Ｃ ａ—ｓ 粉 ， ｉ 钢包 喷 —ｓ粉 ． ｉ 由于未
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第 ５卷 第 ４期
２Ｏ Ｏ ６年 １ ２月
材
料
与 冶 金
ห้องสมุดไป่ตู้
学
报
Ｖ Ｌ ５ Ｎｏ ４ ｏ ． Ｄｅ ．２ ０ ｃ ０６
Ｊ ｕｎ ｌ ｆＭａｅｉｌ ｎ ｔｌ ｒｙ ｏ ｒａ ｔｒａｓａ ｄ Ｍｅａｌ ｇ ｏ ｕ
轴 承 钢 点 状 夹 杂 物 成 因及 消 除 机 理 的 探 讨
ｉｃ ｓ ｎ ｉ ｆ ｍ ｈ ｅ ｕｔ ｎ ｏ Ｍ ｉ ｆ ｍ ｌ ．Ｔ ｅ ｒ ｎｎ ｒｃｓ ｆｒｔｅｒｍｏ￣ ｏ Ｃ ］ｉ ｎｌ ｉ ｓ ｒ ｔｅ ｒ ｃ ｏ ｆｃ ｃ ｍ ｒ ｓ ｇ ｈ ｅ ｉ ｐｏｅｓ ｏ ｕｏ ｏ ｄ ｉ ｕ ｏ ａ ｉ ｆ ｇ ｈ ｅ ｖ ｆ［ ａ ｓ
能对生 成点 状夹 杂 物 机 理 有 一个 理 论 说 法 ． 得 使 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 ， 由此 制订 出相 应 的合理 精炼 工艺 ． 并
其影响最大的是钢 中［ ］ ［ 以及夹杂物的种 ０ 、 Ｈ］ 类和数量 、 尺寸 、 分布， 中氧化物夹杂 Ａ ， 其 １ 和 ０ 点 状夹 杂物— — ， ａ ・ Ａ ， 钢 的 疲 劳 强 度 ， Ｏ ｎｌ 对 Ｉ Ｃ ０ 危害最大…． 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 ， 许 多学说 ， 有 诸
一种预测焊丝钢中tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺
预测焊丝钢中Tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺一、背景焊丝钢是一种常用的金属材料，广泛应用于建筑、制造、航空等领域。
然而，焊丝钢中的夹杂物会影响其性能和质量，其中Tin夹杂物是最为常见的一种。
因此，预测Tin夹杂物在焊丝钢中的析出是非常重要的。
本文将介绍一种预测Tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺。
二、预测Tin夹杂物析出的方法Tin夹杂物的析出与焊丝钢中的铁素体相变有关。
在焊丝钢的生产过程中，铁素体相变的温度和时间会影响Tin夹杂物的析出。
因此，预测Tin夹杂物析出的方法主要是通过模拟焊丝钢的生产过程，确定铁素体相变的温度和时间，从而预测Tin夹杂物的析出。
具体来说，预测Tin夹杂物析出的方法包括以下步骤：1. 确定焊丝钢的成分和热处理工艺。
2. 利用热力学软件（如Thermo-Calc）计算焊丝钢的相图和相变温度。
3. 利用热传导软件（如COMSOLMultiphysics）模拟焊丝钢的加热和冷却过程，确定铁素体相变的温度和时间。
4. 根据Tin夹杂物的析出机理，预测Tin夹杂物的析出量和分布。
5. 对比实验结果和预测结果，验证预测方法的准确性。
三、焊丝钢生产工艺焊丝钢的生产工艺包括原材料配料、熔炼、铸造、轧制、退火等环节。
其中，熔炼和铸造是影响焊丝钢质量的关键环节。
1. 熔炼熔炼是将原材料熔化并混合的过程。
在熔炼过程中，应注意保持熔体温度稳定，控制熔体中的氧化物含量，避免夹杂物的形成。
2. 铸造铸造是将熔化的金属注入模具中，冷却后得到所需形状的过程。
在铸造过程中，应注意控制铸造温度和速度，避免夹杂物的形成。
3. 轧制轧制是将铸造后的坯料加工成所需形状的过程。
在轧制过程中，应注意保持轧制温度稳定，控制轧制速度和压力，避免夹杂物的形成。
4. 退火退火是将焊丝钢加热到一定温度并保持一定时间，使其内部结构发生变化的过程。
在退火过程中，应注意控制退火温度和时间，避免夹杂物的形成。
四、结论预测Tin夹杂物析出的方法可以有效地预测焊丝钢中Tin夹杂物的析出量和分布，为焊丝钢的生产提供了重要的参考。
一种预测焊丝钢中tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺
一种预测焊丝钢中tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺预测焊丝钢中Tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺主要涉及以下几个方面：夹杂物预测方法、焊丝钢生产工艺流程、熔炼和压延工艺控制等。
一、夹杂物预测方法：1. 理论计算法：根据焊丝钢的成分和工艺参数，通过数学模型计算Tin的溶解度和析出行为，预测可能形成的夹杂物数量和大小。
2. 实验方法：通过焊丝钢试样进行真空传热扩散实验，测定Tin在焊丝钢中的溶解度，并结合焊丝钢的熔炼和制备工艺参数，分析Tin的析出行为，从而预测夹杂物的生成情况。
二、焊丝钢生产工艺流程：1. 原料选用：选择高纯度的钢铁原料，并控制其成分，降低Tin的含量。
2. 熔炼工艺：将原料加入熔炉中进行脱氧、脱硫等熔炼处理，降低Tin的含量。
3.铸锭制备：将熔融金属浇铸成锭，通过控制冷却速度和结晶条件，减少夹杂物生成。
4.压延工艺：将铸锭加热至热轧温度，通过轧制和拉伸过程，进一步减少夹杂物数量和尺寸，提高焊丝钢的均匀性和纯净度。
5.控制工艺参数：对于可控工艺参数，如温度、时间、压力等，进行严格控制，确保焊丝钢的质量和纯度。
三、熔炼和压延工艺控制：1. 熔炼工艺控制：合理控制熔炼温度、炉压、熔炼时间等参数，使熔炼过程中的温度和压力达到理想状态，减少Tin的挥发和氧化。
2. 熔炼过程中调整工艺参数的同时，要控制炉渣的成分和性质，以保证对Tin的捕捉和析出。
3. 在压延工艺中，通过选取合适的工艺参数，如温度、压力、轧制速度等，控制Tin的析出行为，减少夹杂物生成。
总结起来，预测焊丝钢中Tin夹杂物析出的方法和焊丝钢生产工艺主要包括夹杂物预测方法、焊丝钢生产工艺流程和熔炼和压延工艺控制等方面。
通过合理的工艺设计和控制，可以降低Tin的含量并控制夹杂物的生成，提高焊丝钢的质量和纯度。
TiN 夹杂物形成机理研究与控制技术
科学研究创新TiN夹杂物形成机理研究与控制技术张方方田芳（河南省济源钢铁（集团）有限公司河南济源459000）摘要：TiN夹杂物是一种表面形状不规则且物理、化学性质相对稳定的化合物。
TiN夹杂物对钢件的疲劳寿命具有重要影响，研究TiN夹杂物，分析该夹杂物特点及其影响该夹杂物形成的因素，对于工业生产意义深远。
本文从TiN夹杂物的特性出发，通过SEM-EDS对单颗粒TiN夹杂物和多颗粒聚合TiN夹杂物的物理性质进行了分析。
为更好地确定TiN夹杂物的形成机理和控制技术，设计了以IF钢为原料的实验，通过对IF 钢的高温煅烧和冷却，利用SEM-EDS对TiN夹杂物进行分析，研究其形成机理，探究溶质元素偏析和冷却速率对TiN夹杂物的影响，力求为工业生产和制造含钢材料提供理论支持。
关键词：TiN夹杂物形成机理控制技术钢材料研究中图分类号：TG142文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)11(a)-0023-03Study on Formation Mechanism and Control Technology of TiNInclusionZHANG Fangfang TIAN Fang(Henan Jiyuan Iron and Steel(Group)Co.,Ltd.,Jiyuan,Henan Province,459000China) Abstract:TiN inclusion is a kind of compound with irregular surface shape and relatively stable physical and chemical properties.TiN inclusion has an important effect on the fatigue life of steel parts.It is of great significance to study TiN inclusion,analyze the characteristics of the inclusion and the factors influencing the formation of the inclusion.In this paper,based on the characteristics of TiN inclusions,the physical properties of single particle TiN inclusions and polyparticle TiN inclusions were analyzed by SEM-EDS.In order to better determine the formation mechanism and control technology of TiN inclusion,an experiment was designed with IF steel as raw material.Through calcination at high temperature and cooling of IF steel,SEM-EDS was used to analyze TiN inclusion to study its formation mechanism and explore the influence of solute element segregation and cooling rate on TiN inclusion.Strive to provide theoretical support for industrial production and manufacture of steel-containing materials.Key Words:TiN inclusion;Formation mechanism;The control technology;Steel-containing materials;ResearchTiN夹杂物的表面形状不规则，坚硬而不易发生形变，在高温处理后该夹杂物仍不容易消失，无法通过轧制改变其形状。
轴承钢中TiN夹杂的形成机理及控制措施
轴承钢经加工尧 热处理等工艺制成套圈及滚 动体袁轴承在使用过程中条件非常苛刻袁这就要求 严格控制钢中夹杂物尧 气体及有害元素的种类及 含量咱1暂遥 随着铸坯凝固前沿钢液温度的降低袁从钢 液中析出的氮形成 AlN 及 TiN 夹杂袁 由于钛与氮 有极强的亲和力袁多形成 TiN尧Ti渊CN冤夹杂遥 在轴 承钢中氧含量逐渐降低的情况下袁 由于 TiN 比较 粗大且坚硬袁呈棱角状袁所以 TiN 对轴承钢疲劳寿 命的影响非常严重遥 Yang 等研究了 TiN 在凝固过 程中的析出行为咱2暂袁Pak 等对 TiN 的生成热力学进 行了分析尧计算和实验研究咱3暂袁但未对轴承钢工艺
066.2 T
+4.773
1 TiN 析出热力学分析
在轴承钢冶炼过程中袁钢中的钛尧氮反应热力
学方程咱4暂如下院
咱Ti暂+1/2N2渊g冤=TiN渊s冤
渊1冤
驻G0=-307.62+0.113 4T
渊2冤
2019 年第 4 期
鞍钢技术
ANGANG TECHNOLOGY
总第 418 期
式 中 袁驻G0 为 标 准 自 由 能 袁kJ/mol曰 T 为 标 准 温
表 1 钢液中不同元素的相互作用系数渊1 873 K冤
元素 i C
元素 j
Si
Mn
P
S
Cr
Ti
-0.11 0.055
N
0.13 0.047 -0.02 0.045 0.007 -0.047
根据轴承钢的化学成分袁可以得到院
lg fTi =0.082袁lg fN=0.065,整理得院
GCr15轴承钢夹杂物缺陷分析及改进
４ 改 进 措 施
（ １ ） 加强 Ｌ Ｆ精炼过 程渣 控制 ， 优 化精 炼后 期 配
在 工艺 优化前 后 分 别选 取 了多炉 钢 ， 检 测 钢 材 中 的 Ｔ［ Ｏ］ 。工艺优 化后 ， 钢 材 中的平均 Ｔ［ ０］ 下 降 了８ ． ４ ５ ％， 由７ ． ７ ０×１ ０ 下降至 ６ ． ５×１ ０～， 效 果
氩气 搅拌 和碳化 硅 加 入制 度 ， 适 当 延 长 精 炼 终 点 小
（ ４ ） 使用碱性低钛覆盖剂， 加 强 保 护 浇 铸 。及
电流时 间 ， Ｇ Ｃ ｒ ｌ ５钢 材 的平 均 Ｔ ［ ０］ 下降了 ８ ． ４ ５ ％，
表 １ 全 外矿 烧 结 的烧 结 矿 成 分 及 强 度 对 比
Ｔ ａ ｂ ．１ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｓ ｔ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ￣ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ
由表 １ 可 以看 出 ： 石钢 ２ ８ ０ ｍ 烧 结 机 全 外 矿 烧 结 生产过 程 中 ， 通 过采 取 多 项 措 施 ， 烧结矿 中 Ｆ ｅ Ｏ
显著 。
５ ． ２ 钢 材 的缺 陷 率 比较
电、 氩气搅 拌 和碳化 硅加入制 度 ， 避免 Ｖ Ｄ 炉顶 渣 返
干； 适 当延 长精 炼终 点小 电流时 间 ， 氩气 流量 中等 偏
低 控制 ， 要 求精 炼终 点渣为玻 璃渣 且无 分层现 象 。 （ ２ ） 适 当控 制 钢 液 中的 铝 含 量 ， 建议座包钢 中
Ａ ｌ ｓ ｏ ｌ ＜ ５ ０ ０×１ ０ ～。加强 钢液 中的钙含 量控 制 ， 禁 止 钙 处理 ， 中包钙 含量 小于 １ ０×１ ０ ～。使用 含 （ Ｍｇ Ｏ） 较高（ ６ ％ ～ ８ ％） 的精炼 渣 系和高 质量 的耐火材 料 。
高级别轴承钢精炼过程中夹杂物的控制与研究
高级别轴承钢精炼过程中夹杂物的控制与研究摘要：为提升高级别轴承钢的精炼质量，延长轴承使用寿命，对钢精炼过程中的夹杂物进行控制与研究十分必要。
本文从高级别轴承钢和夹杂物的概念着手，全面分析了当前轴承钢精炼过程中夹杂物存在的情况，并对高级别轴承钢精炼过程中夹杂物的控制措施展开了详细阐述，以期为我国钢铁产业的发展做出一定贡献。
关键词：高级别轴承钢；精炼过程；夹杂物；控制与研究炉渣对钢水洁净度的影响很大，它的主要功能是：加强脱氧元素的吸附能力，避免钢水二次氧化。
在钢液的精炼过程中，熔渣内的多种物质对钢中的夹杂物具有很大的吸附和清除作用，因此有关部门利用轨钢LF精炼的废渣，对夹杂物的形态和分布的影响因素进行分析，并制定出一套完整的、高质量的钢精炼技术体系。
1.高级轴承钢及其夹杂物概述高级轴承钢在我国的工业生产和船舶制造等领域中得到了广泛应用。
由于其工作环境的特殊性和复杂性，相关行业对其质量的要求越来越高。
目前，国内常用的轴承钢包括高碳铬轴承钢、高温轴承钢、不锈轴承钢、渗碳轴承钢等，其应用范围因组织结构、成分、结构性能等性质而异[1]。
其中，高碳轴承钢是目前国内应用最广泛的一种。
1.轴承钢冶炼过程中的夹杂物控制问题2.1 钢液洁净度不足一般情况下，钢的含氧量不应超过10×10-4％，夹杂物的粒径也应小于15微米。
对于高品质产品，对氧含量和夹杂物的尺寸也有着更高的要求。
但实际生产中，这些要求难以满足钢铁冶炼的需要，导致钢液的清洁程度不足。
由于钢液中含有大量杂质，夹杂物的尺寸变大，从而降低了钢的整体质量。
2.2 精炼工艺有待改进国内轴承钢的质量问题主要是由于冶炼过程中存在大量的铝氧化物，如三氧化二铝和其他氧化物。
这些铝氧化物在精炼过程中没有及时上浮，导致轴承钢的组织均匀度下降，影响钢的整体质量。
在钢铁冶炼工艺和设备方面，受技术限制，国内轴承钢冶炼工艺与世界先进水平存在较大差距。
2.3 钢坯质量在线检测手段滞后钢坯的质量是制造优质钢材的重要前提。
轴承钢中TiN夹杂的形成机理及控制措施
轴承钢中TiN夹杂的形成机理及控制措施李广帮;魏崇一;贾吉祥;郭庆涛【摘要】针对鞍钢股份有限公司炼钢总厂轴承钢中存在大颗粒TiN夹杂物的问题,分析了TiN夹杂析出的热力学条件.通过优化转炉及精炼操作、加强连铸保护浇铸、控制钢铁料及合金料中的钛含量、优化钢中酸溶铝及精炼渣中氧化钛的含量,最终将轴承钢中的氮含量由0.0050％降至0.0038％,钛含量由0.0045％降至0.0013％.【期刊名称】《鞍钢技术》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】4页(P24-27)【关键词】转炉;轴承钢;TiN夹杂【作者】李广帮;魏崇一;贾吉祥;郭庆涛【作者单位】鞍钢集团钢铁研究院,辽宁鞍山 114009;鞍钢集团钢铁研究院,辽宁鞍山 114009;鞍钢集团钢铁研究院,辽宁鞍山 114009;鞍钢集团钢铁研究院,辽宁鞍山 114009【正文语种】中文【中图分类】TF701轴承钢经加工、热处理等工艺制成套圈及滚动体，轴承在使用过程中条件非常苛刻，这就要求严格控制钢中夹杂物、气体及有害元素的种类及含量［1］。
随着铸坯凝固前沿钢液温度的降低，从钢液中析出的氮形成AlN及TiN夹杂，由于钛与氮有极强的亲和力，多形成TiN、Ti（CN）夹杂。
在轴承钢中氧含量逐渐降低的情况下，由于TiN比较粗大且坚硬，呈棱角状，所以TiN对轴承钢疲劳寿命的影响非常严重。
Yang等研究了TiN在凝固过程中的析出行为［2］，Pak等对TiN的生成热力学进行了分析、计算和实验研究［3］，但未对轴承钢工艺流程中各个工序的钛、氮控制进行研究。
鞍钢股份有限公司炼钢总厂在生产轴承钢时，发现在轧制后成品钢材中存在大颗粒的TiN夹杂物，这种硬而脆的夹杂物对钢材后续加工和使用时均产生不良影响。
本文通过热力学计算研究了轴承钢凝固过程中TiN的析出行为，并提出相应的氮、钛控制措施，以降低钢中的氮、钛含量，抑制TiN夹杂的生成，提高轴承钢的质量。
1 TiN析出热力学分析在轴承钢冶炼过程中，钢中的钛、氮反应热力学方程［4］如下：式中，ΔG0为标准自由能，kJ/mol；T为标准温度，K。
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轴承钢TiN夹杂物析出控制研究曾新光（东北特殊钢集团有限责任公司技术中心，中国，大连 116031）摘要：通过对轴承钢中TiN夹杂析出的理论分析，得到不同凝固率下TiN夹杂析出溶解度饱和线，据此提出防止TiN夹杂析出的[Ti]、[N]控制范围，同时提出了生产过程[Ti]、[N]的控制措施。
关键词：轴承钢；TiN；凝固偏析比；凝固率；保护浇注Control and study on TiN inclusion precipitationin bearing steelZeng Xin-guang( Technology Center, Dongbei Special Steel Group Co.,Ltd，dalian 116031，china)Abstract:Basing on theoretical analysis of TiN inclusion precipitation in bearing steel, the solubility saturation curve has been obtained to TiN inclusionprecipitation under different solidification rate, in view of this, thecontrol range for [Ti]、[N] is proposed to TiN inclusion precipitationand the control measures for [Ti]、[N] is also raised in the productionprocess.Key words: Bearing steel；TiN；solidification segregation; solidification rate;protective casting前言轴承材料性能要求具有高疲劳寿命，轴承的疲劳寿命与钢的纯净度密切相关，特别是钢中脆性氧化物夹杂和点状不变形夹杂对轴承材料的疲劳寿命影响极大，随着纯净钢冶炼技术的发展，钢的纯净度大大提高，使得这类夹杂物的影响程度逐渐减弱，而硬度更高、脆性更高的TiN夹杂对进一步提高轴承材料的疲劳寿命的影响表现的更为突出，同尺寸的TiN夹杂对轴承材料疲劳寿命的影响远大于氧化物夹杂，6μm的氮化物夹杂对疲劳性能的危害作用与平均尺寸为25μm的氧化物相当[1]。
本文通过对GCr15钢TiN夹杂析出的理论分析，提出生产过程的控制措施。
1 、热力学分析1.1 GCr15钢液相线和固相线温度的计算GCr15钢主要成分见表1，理论液相线、固相线温度按式（1）计算,其中相关数据见表2[2], 按控制目标成分计算结果见表3。
t=1536－∑△t·W[i] （1）表1 GC15钢成分控制要求表2 Δt 值表/℃表3 GCr15钢理论液相线、固相线温度/℃Table 3 GCr15 theoretical meniscus, liquidus temperature /℃1.2 TiN 夹杂的析出TiN 生成的热力学条件[3]：[Ti]+[N]=TiN （S ） △G 0=-69547+25.79 （cal · mol -1· k -1） (2) 即：lgK=15198/T-5.64 (3)由元素的相互作用系数计算可知，Ti 和N 的活度系数对反应平衡式的影响很小，所以： Lg[Ti%][N%]=- 15198/T+5.64 （4） 当钢液在成分均匀、温度均匀的理想状态下，由式（4）得到GCr15钢液相线温度下TiN 夹杂物析出的稳定性图，如图1所示。
由图1可见，由于GCr15钢实际控制[N]≤80ppm （图1中黑线以下区域），因此在液相线温度以上都不会析出TiN 夹杂。
6810121416182022242628303250010001500200025003000350040004500500055006000650070007500800085009000目标成分液相线[N ]/p p m[Ti]/ppm图1 GCr15钢目标成分液相线TiN 析出物的稳定性图Fig.5 the stable chart of TiN precipitate for GCr15 target compositionliquidus2 、凝固过程分析实际上钢液凝固过程中，溶质元素在固、液两相间因溶解度不同将发生再分配，产生成分偏析，其结果导致凝固前沿的液相线、固相线发生移动。
TiN 析出物在钢液中溶解度随温度变化的函数表达式如下[4]：Lg[Ti%][N%]=- 13850/T+4.01 （5）根据质量守衡定律，当微区域凝固率为g 时，钢液中C 、P 、S 、N 、Ti 的凝固偏析比为[5]：[i]l /[i]0=[1-（1-K i ）g]-1（6） Si 、Mn 、Cr 的凝固偏析比为：[i]l /[i]0=[1-g]Ki-1（7）式中[i]0、[i]l ——分别为元素的原始浓度和凝固交界面液体中元素浓度，％； g ——微区域凝固率，%；K i ——元素i 在γ-Fe 铁与钢液之间的分配系数，如表4所示。
表4 元素在 γ-Fe 与钢液之间的分配系数Table 4 the distribution coefficient of element between γ-Fe and liquid steel元素 C Si Mn Cr P S N Ti Al Ki0.300.500.750.850.060.050.480.3——按 (6)、(7)式计算GCr15钢目标成分中各元素在γ-Fe 和液相之间的偏析比与微区凝固率的关系如图2所示。
可见，随着凝固率增加，成分偏析加重，同时结合表2，可以看出，S 、P 、C 对凝固偏析和降低固相线温度的影响最大，因此，应尽量降低其含量。
按公式（6）、（7）计算出目标成分下不同凝固率时固液界面液态钢液的各元素成分，椐此按公式（1）计算出不同凝固率时固液界面液态钢液的固相线温度，再按式（5）计算出不同凝固率时TiN 析出稳定性如图3所示。
由图可见，按目前生产实际控制水平，TiN 夹杂在凝固率20%以下就能稳定析出，而按目标控制水平，凝固率达到60%时TiN 夹杂才会析出，如[Ti]、[N]含量都控制在10ppm 以下，则凝固率在80%以上才会析出TiN 夹杂，此时，由于析出时间晚，其尺寸也小，聚集长大的倾向也就小，因此，应尽可能降低[Ti]、[N]含量。
图2 各元素在两相区的偏析比与微区域凝固率的关系Fig.2 Dependence of each element between segregation ratio of two phasezones and solidification rate of micro zone元素偏析比，[i ]l /[i ]0固相率，g图3 GC15钢不同凝固率g 下TiN 析出物稳定性图Fig.3 the stable chart of TiN precipitate for GCr15 under different solidification rate g3、[Ti]含量的控制3.1初炼炉终点[Ti]的控制冶炼的不同阶段钢液成分见表5所示。
在初炼炉中钢液中的Ti 主要是通过氧化去除，在氧化后期，钢液中的氧主要是由[C]所控制，因此，[C]氧化的程度决定了[Ti]的氧化程度。
钢液中有关反应平衡式如下[5][6]：[C]+[O]=CO △G 0=-5308-9.17T （cal ·mol -1·k -1） （8）[Ti]+2[O]=TiO 2(S) △G 0=-161493+53.68T （cal ·mol -1·k -1） （9） 合并（8）、（9）式得：[Ti]+2CO=2[C]+TiO 2(S) △G 0=-150877+72.01T （cal ·mol -1· k -1） （10） 当反应达到平衡时，取a TiO2=1、P CO =1：Lg （f 2C [C%]2/ f Ti [Ti%]）=32979/T-15.74 (11) 当钢液成分为初炼炉终点成分和温度时：取a TiO2=1、由表5及表6计算得f C =1.11、f Ti =0.67，带入式（11）得：[C%]2/ [Ti%]=97 （12）表5 不同阶段钢液成分和温度50100150200[N ]/p p m[Ti]/ppm表6 1873K 时钢液中个元素相互作用系数e i J[3][6-14]i J[3][6-14]式（12）的关系如图4所示。
0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.501234567891011121314151617[T i ]/p p m[C]/%图4 1560 OC 时初炼炉熔毕钢液[C]-[Ti]关系Fig.4 dependence of [C]-[Ti] for liquid steel after melting of initial heat under 1560 O C图4表明，当[Ti]、[C]含量在曲线下方时，[Ti]不会氧化，因此要使[Ti]降到较低值，必须将[C]将到很低。
3.2LF 炉初期[Ti]的控制铝的脱氧能力大于钛，虽然初炼炉出钢过程只采用低Ti 、低Al 合金进行合金化，不用铝脱氧，但是，由于合金质量的影响，其中仍含有一定的铝，因此，在LF 炉初期钢液中将发生Al 和Ti 的竞争氧化反应，此时，钢液中的Ti 能否被氧化，取决于钢液中Al 的行为。
铝和氧反应平衡式如下[6]：2[Al]+3[O]=Al 2O 3（S ） △G 0=-287288+92.32T （cal ·mol -1·k -1） （13） 合并（9）、（13）式得：4[Al]+3 TiO 2(S)=3[Ti]+2 Al 2O 3（S ） △G 0=-90097+23.6T （cal ·mol -1· k -1） （14） 当反应达到平衡时，取a TiO2=1、a Al2O3=1：Lg （f 3Ti [Ti%]3/ f 4Al [Al%]4）=19693/T-5.16 (15) 当钢液成分为LF 炉初期成分和温度时：由表5及表6计算得f Ti =0.3、f Al =1.35，带入式（15）得：[Ti%]/ [Al%]4/3=113 （16） 式（16）的关系如图5所示。
12345651015202530354045[T i ]/p p m[Al]/ppm图5 1580 OC 时LF 炉初期钢液[Al]-[Ti]关系Fig.5 dependence of [Al]-[Ti] for preliminary liquid steel of LF under 1580 OC 图5表明，当[Ti]、[Al]含量在曲线下方时，[Ti]不会氧化，由表5可知，LF 炉初期铁合金带入钢液中的钛不会发生氧化。