摘 要：以含C量1.0%、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0.0008%，Ti含量在0.0025%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。
關(guān)鍵詞：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］≤0.0008%，［N］≤O.006%，［H］≤0.00015%，［Ti］≤0.0025%；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)爐通過強化操作，控制終點成分以及出鋼溫度。
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粒強化渣面脫氧，保證白渣時間＞25min。
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≤67Pa，保持時間＞20min。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)束補加碳化稻殼，保證覆蓋良好，軟吹時間＞20min，促使夾雜物充分上浮去除。
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。
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—連軋機組—飛剪—定尺機—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≥190min。
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Φ60mm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。
由表5可以看出，鋼中O含量全低于0.0008%，平均O含量O.000674%；Ti含量在0.0025%以下，最低Ti含量達(dá)到0.0013%，平均Ti含量0.0017%；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。
3.3非金屬夾雜物
每批軸承鋼從不同的6支鋼材上切取20mm×10mm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/T10561—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。
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小［4］。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。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1200～1230℃，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。
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來源：《山東冶金》2017年2月
