興澄特鋼超大規(guī)格軸承鋼的發(fā)展和質(zhì)量保障

劉吉?jiǎng)?許曉紅

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400)

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)[1]和大型裝備制造業(yè)迎來(lái)了高速發(fā)展期，對(duì)鋼鐵行業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，裝備的大型化需要大尺寸的原材料，如5 MW級(jí)以上風(fēng)機(jī)核心零部件軸承的外徑達(dá)到4 m以上[2-3]，需采用大規(guī)格鋼坯進(jìn)行加工；另一方面，批量生產(chǎn)要求坯料質(zhì)量穩(wěn)定，成本低廉，加工余量盡量小。由于圓坯連鑄技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步及其自身特性[4]，大規(guī)格圓坯已經(jīng)逐漸替代模鑄坯料，成為加工企業(yè)的首選原料。

興澄特鋼(JYXC)從2006年開(kāi)始生產(chǎn)連鑄圓坯，兩條大圓坯連鑄生產(chǎn)線主要采用鐵水預(yù)處理(KR)-轉(zhuǎn)爐(BOF)-鋼包精煉爐(LF)-真空脫氣爐(RH)-連鑄(CC)流程，生產(chǎn)φ280～φ1 000 mm圓坯和1 350 mm×1000 mm橢圓坯(見(jiàn)圖1)。自2011年以來(lái)圓坯產(chǎn)量持續(xù)超過(guò)60萬(wàn)t/年，用于風(fēng)電等行業(yè)大型零部件。為了滿足越來(lái)越高的材料質(zhì)量要求，興澄特鋼在工藝設(shè)計(jì)方面持續(xù)改革和優(yōu)化，并應(yīng)用多種檢測(cè)方法評(píng)價(jià)連鑄坯產(chǎn)品的純凈度和內(nèi)部缺陷，反饋生產(chǎn)-試驗(yàn)工藝效果和監(jiān)測(cè)-管控產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 興澄特鋼部分圓坯橫截面形狀和尺寸

1 軸承鋼圓坯純凈度控制

需要長(zhǎng)時(shí)間使用、單次核心件更換間隔時(shí)間長(zhǎng)(大于10年)的風(fēng)機(jī)，容易發(fā)生失效的往往是承受周期性重型載荷、長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)工作的零部件，如偏航軸承、齒軸件等，而材料中的夾雜物是引起零件疲勞的重要原因之一[5]。因此，必須在坯料生產(chǎn)階段采取有效措施降低鋼中夾雜物的含量。為了有效檢測(cè)并反饋產(chǎn)品的純凈度，杜絕不合格產(chǎn)品交付，興澄特鋼采用金相顯微鏡夾雜物評(píng)級(jí)、掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)、超聲波探傷、夾雜物萃取、全氧分析等檢測(cè)手段，定性-定量分析夾雜物的數(shù)量、種類(lèi)和尺寸分布，進(jìn)而結(jié)合冶煉工藝特點(diǎn)，追蹤其來(lái)源，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。

圖2為42CrMo4中碳軸承鋼圓坯試樣經(jīng)過(guò)21.2的壓縮比熱鍛后，電解得到的單個(gè)顆粒夾雜物，其主要組成為CaS，伴隨少量Mg-Si質(zhì)氧化物，結(jié)合其三維形貌特征和冶煉過(guò)程追溯，推斷其形成機(jī)制和原因：(1)LF精煉初始鋼水S含量高于普通爐次；(2)LF精煉前期鋼水?dāng)嚢璨怀浞?，脫硫?dòng)力學(xué)條件不良；(3)LF中后期脫硫產(chǎn)物CaS雖然尺寸達(dá)到30 μm以上，但鋼液流動(dòng)條件不良，在鋼包-中間包-結(jié)晶器內(nèi)該夾雜物顆粒未完全上浮去除；(4)LF頂渣對(duì)鋼液中夾雜物的吸附力不足。

圖2 電解萃取CaS夾雜物形貌和能譜分析

為了提高鋼的純凈度，減少上述類(lèi)型夾雜物的產(chǎn)生，冶煉部門(mén)進(jìn)行了兩組因素試驗(yàn)，考察爐渣成分對(duì)LF終點(diǎn)鋼液中夾雜物的影響。方案2為原有爐渣組成，方案1、3為微調(diào)后兩組爐渣組成。在LF冶煉終點(diǎn)用取樣器在鋼水中取餅狀試樣，分別編號(hào)1-4、2-4和3-4(4代表LF冶煉終點(diǎn)時(shí)刻)。自動(dòng)制樣后采用掃描電鏡面掃描技術(shù)(50 mm2)對(duì)試樣中夾雜物的成分(圖3(a))、數(shù)量和尺寸(圖3(b))及元素組成(圖3(c))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖3 夾雜物面掃結(jié)果

圖4 圓坯的月平均全氧含量

2 軸承鋼圓坯的澆注質(zhì)量

受鋼的凝固屬性和連鑄過(guò)程熱傳導(dǎo)規(guī)律影響，澆注鑄坯尺寸越大，鑄坯表面和內(nèi)部的溫度、成分、凝固組織均勻性偏差越大，由不均勻?qū)е碌谋砻婧蛢?nèi)部缺陷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)也增加。通常這些缺陷包括表面裂紋、中心裂紋、中心縮孔、疏松、偏析和應(yīng)力集中[6]。部分缺陷可在后道工序采取相應(yīng)措施彌補(bǔ)，而大量嚴(yán)重缺陷如表面裂紋、中心裂紋、偏析等無(wú)法在后道工序消除，嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的使用性能，導(dǎo)致坯料報(bào)廢，給生產(chǎn)部門(mén)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。

2.1 澆注工藝設(shè)計(jì)

從工藝設(shè)計(jì)角度和工藝執(zhí)行方面分析缺陷形成原因并采取措施。與小規(guī)格鑄坯澆注相比，大圓坯澆注難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)圓坯尺寸增大，鑄坯澆注過(guò)程的橫向-縱向熱傳遞由于距離大、溫度梯度小，凝固速度小，不利于澆注缺陷的控制[7-8]。

(2)澆注二冷區(qū)由于區(qū)間長(zhǎng)，環(huán)向噴嘴多，在長(zhǎng)時(shí)間澆注過(guò)程中冷卻的均勻性難以保證。

(3)大斷面圓坯的澆注速度相對(duì)較小，鋼水流動(dòng)小，冶金長(zhǎng)度長(zhǎng)，尤其是合金含量高的高碳鉻軸承鋼(如GCr15SiMn)，長(zhǎng)達(dá)30～40 m；鑄坯內(nèi)部未凝固鋼水，尤其是末端鋼液的流動(dòng)和補(bǔ)縮變?nèi)鹾?，形成裂紋、疏松、縮孔等缺陷的概率大幅度提升。

(4)大斷面鑄坯自重增加，對(duì)鑄機(jī)的支撐能力、矯直能力、精度控制的要求更高。

澆注新鋼種前，對(duì)澆注特點(diǎn)和鋼種特性進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究[9]，可以縮短澆注工藝摸索的流程，提高澆注的成功率。

(1)澆注過(guò)程的物質(zhì)流和能量流分布及變化趨勢(shì)。應(yīng)用模擬軟件可在多種邊界條件下分析鋼液在沖擊[7]、重力、電磁攪拌[10]、溫度梯度驅(qū)動(dòng)下、凝固相變的流動(dòng)[11]，和鑄坯縱向-長(zhǎng)度方向的溫度分布[12-13](如圖5(a)所示)。

人類(lèi)掌握知識(shí)需要實(shí)踐和內(nèi)化的過(guò)程，新生入學(xué)教育也無(wú)法脫離這個(gè)規(guī)律。研究生新生入學(xué)教育不能追求一蹴而就，而應(yīng)該是一個(gè)緩慢推進(jìn)的過(guò)程。特別是當(dāng)其有了一定體驗(yàn)和經(jīng)歷后，碰到后續(xù)研究與生活過(guò)程中的問(wèn)題和困惑時(shí)，往往也是我們鞏固前期入學(xué)教育的好時(shí)機(jī)。研究生新生入學(xué)教育工作也是一項(xiàng)長(zhǎng)期系統(tǒng)工程，研究生入學(xué)教育不應(yīng)只停留在開(kāi)學(xué)后的幾天或者幾周。也可以衍生到開(kāi)學(xué)后的一段時(shí)間甚至是一個(gè)學(xué)期嚴(yán)格組織實(shí)施，并對(duì)實(shí)施情況根據(jù)評(píng)估，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成更加系統(tǒng)性、規(guī)范化的研究生迎新入學(xué)文化。

(2)通過(guò)模擬計(jì)算獲得澆注-凝固過(guò)程元素在鑄坯內(nèi)的分布情況(如圖5(b)所示)。

圖5 澆注過(guò)程溫度和成分的數(shù)值模擬

(3)澆注過(guò)程鋼種對(duì)應(yīng)凝固坯殼隨溫度變化的力學(xué)分析[14-15]，據(jù)此調(diào)整澆注工藝在滿足矯直要求的前提下，精準(zhǔn)控制凝固冷卻過(guò)程，確保矯直溫度處于材料塑性區(qū)，減少鑄坯由于矯直等產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)(如圖6所示)。并應(yīng)用此試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置和控制坯料下線溫度、緩冷工藝，減少坯料內(nèi)部裂紋產(chǎn)生。

圖6 42CrMo4鋼的面縮率和變形抗力隨溫度的變化

(4)澆注試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析

采用特定鑄機(jī)澆注特定鋼種時(shí)，針對(duì)連鑄生產(chǎn)可控的因素按照參數(shù)全排列或正交組合等方法設(shè)置澆注試驗(yàn)，并取樣評(píng)價(jià)每種條件下鑄坯的性能。在樣本數(shù)達(dá)到統(tǒng)計(jì)要求的情況下，對(duì)每種工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行矩陣回歸分析(如圖7所示)，可以擇優(yōu)確定鋼種的澆注工藝。

圖7 連鑄參數(shù)響應(yīng)矩陣圖

2.2 鑄坯表面裂紋

為了預(yù)防澆注過(guò)程產(chǎn)生的圓坯裂紋，結(jié)合裂紋特征(裂紋形貌、裂紋角度、內(nèi)部晶粒指向和裂紋尺寸等)分析其形成原因[16]。圓坯橫向表面裂紋(圖8(a))產(chǎn)生的主要原因是結(jié)晶器內(nèi)的保護(hù)渣潤(rùn)滑不良和不合適的矯直溫度-矯直力；縱向表面裂紋(圖8(b))的產(chǎn)生與圓周方向保護(hù)渣的不均勻熔化、鑄坯不均勻冷卻以及鋼種的凝固組織特性密切相關(guān)。鑄坯出輥道后可用視覺(jué)檢出大部分裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋后快速查找工裝輔料-工藝執(zhí)行原因，從而減少表面裂紋的不利影響；針對(duì)矯直工藝可以參考鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整優(yōu)化，最終得到良好的鑄坯表面質(zhì)量(圖8(c))。

圖8 圓坯表面裂紋的改善

2.3 鑄坯中心裂紋

軸承鋼連鑄圓坯的中心裂紋通常伴隨夾雜物的聚集，即使裂紋能經(jīng)過(guò)鍛造彌合，鋼中殘留的夾雜物仍然會(huì)給軸承的使用帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。中心裂紋往往在鑄坯的凝固末端形成，澆注實(shí)踐中可以采取以下措施來(lái)改善。

(1)根據(jù)鑄坯的溫降收縮和相變收縮合理設(shè)置鑄機(jī)輥縫，防止鼓肚導(dǎo)致的裂紋。

(2)優(yōu)化冷卻，確保凝固末端鋼液的補(bǔ)縮。

(3)工藝設(shè)計(jì)避免全固態(tài)鑄坯矯直。

(4)矯直輥數(shù)量和矯直力設(shè)計(jì)對(duì)中心裂紋有重要影響。

圖9為φ800 mm連鑄圓坯中心裂紋的改善情況。試驗(yàn)調(diào)整前，圓坯內(nèi)中心裂紋長(zhǎng)度可達(dá)100 mm以上，試驗(yàn)推進(jìn)后，裂紋長(zhǎng)度逐漸減小直至完全消除。2015年至今，興澄特鋼大圓坯由于中心裂紋導(dǎo)致坯料降級(jí)、報(bào)廢的質(zhì)量基本控制在1%以下，降低了澆注損失。

圖9 φ800 mm圓坯中心裂紋的改善情況

2.4 中心疏松和縮孔

解決中心疏松和縮孔的關(guān)鍵在于控制鑄坯宏觀凝固組織、柱狀晶尺寸和比例(圖10)，并保持合理的V型鋼液流動(dòng)通道。在工藝方面，鋼水過(guò)熱度、與拉速相關(guān)的冷卻速率、結(jié)晶器電磁攪拌(MEMS)+末端電磁攪拌(FEMS)、全長(zhǎng)度輥縫控制等條件和參數(shù)的匹配，與鑄坯內(nèi)部質(zhì)量密切相關(guān)。

圖10 φ800 mm圓坯低倍腐蝕組織

2.5 鑄坯的成分偏析

鑄坯的成分偏析會(huì)遺傳到軋材或鍛件，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的局部宏觀/微觀組織-性能不均勻，對(duì)零件尤其是需要最終熱處理的零件的加工精度和使用帶來(lái)影響。鑄坯偏析通?？梢圆捎玫捅陡g形貌評(píng)級(jí)(圖11)、鉆點(diǎn)取樣紅外碳硫分析[17-18](圖12～13)和原位分析法(圖14)來(lái)評(píng)價(jià)。

圖11 大圓坯縱向低倍形貌

圖12 圓坯橫截面鉆點(diǎn)示意圖

圖13 φ800 mm圓坯42CrMo4鋼的碳偏析指數(shù)分布

圖14 宏觀偏析原位分析(C元素)

通常連鑄大圓坯鋼液凝固由于溶質(zhì)選分結(jié)晶，靠近中心部分C含量低于鋼液成分(負(fù)偏析)，1/4～1/2半徑區(qū)間C含量高于鋼液成分(正偏析，圖12～13)，鑄坯斷面越大，偏析越嚴(yán)重。通過(guò)優(yōu)化澆注速度、過(guò)熱度、冷卻和電磁攪拌等參數(shù)，對(duì)鑄坯偏析改善有利。

圖13為φ800 mm的42CrMo4鋼圓坯澆注工藝調(diào)整前后的碳偏析指數(shù)變化。增加二冷水量5%、末端電磁攪拌向結(jié)晶器方向移動(dòng)1.7 m后，鑄坯內(nèi)正負(fù)偏析度均有所下降，碳偏析指數(shù)基本穩(wěn)定在(1±0.07)。

3 結(jié)論

(1)借助于現(xiàn)代分析手段綜合評(píng)價(jià)鋼的純凈度和追蹤夾雜物來(lái)源，為冶煉部門(mén)制定冶煉純凈度優(yōu)化方案和圓坯交貨質(zhì)量保證提供可靠的依據(jù)，大圓坯軸承鋼的全氧含量可穩(wěn)定在7 μg/g以下。

(2)應(yīng)用流動(dòng)-凝固分析軟件、材料熱性能分析等手段進(jìn)行鋼種澆注前風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、工藝模擬和澆注后的因素回歸分析，解決和改善了大圓坯表面、中心裂紋、疏松縮孔和偏析等缺陷，從而在保證質(zhì)量的前提下成功開(kāi)發(fā)了連鑄澆注大圓坯(最大φ1 000 mm圓坯和1 350 mm×1 000 mm橢圓坯)。