GCr15SiMn超高純凈軸承鋼冶煉工藝優(yōu)化

梁賢淑 郭亞非 晉帥勇

(1.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000；2.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471000)

軸承鋼被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、鐵路運(yùn)輸、汽車制造、國防工業(yè)等領(lǐng)域，主要是用來制造軸承的滾動(dòng)體、套圈等。軸承鋼的使用條件對(duì)軸承鋼提出了更為嚴(yán)苛的要求，需要提高軸承鋼的冶金質(zhì)量，使其滿足化學(xué)成分均勻、偏析小、超純凈內(nèi)質(zhì)、硬度高、碳化物級(jí)別低等技術(shù)要求。

本文介紹了公司生產(chǎn)GCr15SiMn超純凈軸承鋼的冶煉工藝優(yōu)化情況。

1 GCr15SiMn技術(shù)條件

GCr15SiMn軸承鋼的化學(xué)成分要求見表1，顯微組織要求見表2，非金屬夾雜物的要求見表3。

2 GCr15SiMn軸承鋼的生產(chǎn)工藝

軸承鋼生產(chǎn)過程中的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：(1)鋼中碳含量高，碳化物偏析嚴(yán)重，要得到均勻而彌散分布的碳化物組織比較難；(2)對(duì)鋼水潔凈度水平要求高，一般要求鋼中氧含量低于12×10-6，夾雜物滿足GBT 18254—2016和公司內(nèi)控要求。因此，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：

2.1 精確控制化學(xué)成分

電爐粗煉的主要任務(wù)是熔化鋼鐵料，脫除鋼中有害元素磷等，熔煉過程一般采用吹氧助熔，但吹氧助熔控制不好會(huì)造成粗煉終點(diǎn)碳含量過低。過低的終點(diǎn)碳含量，不僅加重了精煉爐調(diào)整碳含量的任務(wù)，延長精煉時(shí)間，還給鋼液帶來過高的溶解氧，導(dǎo)致后續(xù)消耗大量脫氧劑，致使夾雜物總量增加，導(dǎo)致夾雜物超標(biāo)，達(dá)不到軸承鋼對(duì)鋼水高純凈度的要求。通過優(yōu)化調(diào)整粗煉過程各階段電流電壓、吹氧氧槍壓力流量等措施，最終確定電爐終點(diǎn)碳含量控制在0.05%～0.10%。

精煉過程合金小批量、分批加入，GCr15SiMn中Cr、Mn、Si主合金元素含量高，特別是鉻元素含量最大。由于鉻鐵熔點(diǎn)達(dá)1857℃，若精煉爐一次加入過多合金元素，很難保證合金充分溶解，極易造成后期鍛件出現(xiàn)異金屬夾雜的缺陷，因此，主合金元素特別是鉻元素采用電爐隨鋼流加入+精煉爐分批加入的方式進(jìn)行。精煉過程中，分批加入，每批合金加入量控制在500～1000 kg，每加入一批合金送電30～50 min，配以70～100 Lmin包底吹氬，以保證加入的合金充分溶解及混合均勻。表4為某一爐次的精煉過程中的合金調(diào)整方式。

精煉總時(shí)間135 min，過程以多次小批量合金調(diào)整的方式不僅可以保證合金加入后充分溶解、成分均勻，也可以避免大批量加入合金時(shí)因計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)有誤而帶來的合金元素超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，還可以最大限度地利用鐵合金中的碳含量，減少調(diào)整碳含量造成的原材料消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2.2 夾雜物控制

夾雜物是決定軸承鋼質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一，通過選擇合適脫氧劑、精確計(jì)算脫氧劑加入量、優(yōu)化渣系、嚴(yán)格控制精煉后軟吹時(shí)間等手段，從而將鋼中夾雜物的形態(tài)及尺寸控制在理想范圍之內(nèi)。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Requirements of chemical composition (mass fraction,%)

表2 顯微組織要求Table 2 Requirements of microstructure

表3 非金屬夾雜物要求Table 3 Requirements of nonmetallic inclusions

表4 精煉過程合金調(diào)整Table 4 Alloy adjustment during refining process

表5 隨鋼流加入的鋁量與精煉始末氧含量的對(duì)照關(guān)系Table 5 Comparison between the amount ofaluminum added with steel flow and the oxygen contentat the beginning and end of refining

表6 渣系組分及堿度Table 6 Composition and alkalinity of slag system

2.2.1 采用偏心底電弧爐出鋼

偏心底電弧爐以其特有的結(jié)構(gòu)特性，可以有效避免粗煉過程氧化渣隨鋼流進(jìn)入鋼包，不僅可以防止回磷現(xiàn)象的產(chǎn)生，還可以為爐后提供有利的還原渣調(diào)配環(huán)境，使后期精煉脫氧及氧化物夾雜吸附得以順利進(jìn)行。

2.2.2 鋁脫氧控制

鋁是強(qiáng)而有效的脫氧劑，但鋁脫氧產(chǎn)物Al2O3輕而細(xì)小，煉鋼過程很難使其完全上浮除去。并且對(duì)軸承鋼而言，致命的大顆粒夾雜(≥13 μm)中，80%是以MgO·Al2O3為形核中心，周圍生長鋁酸鈣及硫化物，所以降低鋼中Al2O3含量或在其與MgO結(jié)合以前使其充分脫除，是有效抑制大顆粒DS類夾雜物生成的手段。由于電爐粗煉時(shí)采用吹氧助熔的手段，精煉之前的粗煉鋼水處于富氧少硅的環(huán)境。鋁脫氧時(shí)鋁塊加入時(shí)機(jī)不同，不僅脫氧效果截然不同，對(duì)鋼中夾雜物的種類影響也甚大。電爐出鋼時(shí)在硅鐵加入前隨鋼流加入計(jì)算好用量的鋁塊(見表5)，用以沉淀和預(yù)脫氧，不僅可以起到良好的脫氧效果，還可以減少硅鐵的燒損，避免復(fù)雜硅鋁酸鹽的形成。由于此時(shí)鋼液中硅元素含量極少，脫氧反應(yīng)可以近似為單純的Al-O反應(yīng)。其反應(yīng)式如下：

2[A1]+3[O]=(Al2O3)

2.2.3 配以Al2O3含量大于等于85%的造渣材料的新型渣系

常見的軸承鋼精煉渣系為CaO-Al2O3-MgO-SiO2四元渣系，但渣系中各組分含量的不同對(duì)脫氧脫硫以及鋼中夾渣物的吸附效果卻差別甚大。通過采用配以Al2O3含量大于等于85%的造渣材料的新型渣系(見表6)，主要成分為Al2O3能夠調(diào)整熔渣的熔點(diǎn)和流動(dòng)性，有利于冶金過程的順行，精煉過程可大部分甚至全部替代螢石，減少了螢石大量運(yùn)用帶來的爐襯侵蝕，減少冶金過程中CaF2與鋼液中的Si作用生成SiF4，不僅可以起到良好的吸附鋼中夾雜物的效果，還具有理想的脫氧效果。

普通四元渣系與添加新型造渣材料所造的四元渣系對(duì)軸承鋼鋼液中氧含量的影響效果對(duì)比如圖1所示。鋼中氧含量的高低是軸承鋼鋼液是否純凈的一個(gè)表征，新型渣系對(duì)鋼中氧的脫除效果非常好，這也反映出采用新型渣系可以達(dá)到較好的凈化鋼液的目的。

2.2.4 軟吹

精煉后期，軟吹時(shí)間大于15 min，可使鋼中氧含量降至較低水平，大部分大顆粒夾雜可充分上浮。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，軟吹時(shí)氬氣流量30～50 Lmin，軟吹時(shí)間控制在25～30 min，可以有效去除鋼中細(xì)小而彌散的Al2O3夾雜。

表7 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 7 Chemical composition(mass fraction,%)

圖1 傳統(tǒng)渣系與添加新型造渣材料的渣系對(duì)鋼中氧含量影響的效果對(duì)比圖Figure 1 Comparison of the effect of traditional slag series and slag series added with new slag-making materials on oxygen content in steel

表8 非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果Table 8 Test results of nonmetallic inclusions

(a)表面(b)心部

表9 顯微組織Table 9 Microstructures

2.2.5 真空澆注

中間包座好后開始抽真空，中間包開澆真空度≤67 Pa。開澆前開通水口氬氣，吹氬壓力原則上控制為0.02～0.50 MPa，澆注過程根據(jù)鋼流擴(kuò)散情況調(diào)整水口吹氬壓力。初始水口壓力控制在0.1～0.4 MPa。

3 生產(chǎn)結(jié)果

隨機(jī)抽取3爐次檢測(cè)其化學(xué)成分，如表7所示。

硬度呈梯度：球坑底部硬度為外圓表面54.7HRC、心部34.0HRC、內(nèi)圓表面53.5HRC；球坑頂部硬度為外圓表面57.0～59.0HRC、心部32.8HRC、內(nèi)圓表面53.5HRC，外圓表面硬度整體高于內(nèi)圓表面，這是由于工件在淬火過程中外圓冷卻循環(huán)好于內(nèi)圓冷卻循環(huán)所致。

顯微組織檢測(cè)結(jié)果如表9所示。

4 結(jié)論

(1)精煉過程，每加入一批合金送電30～50 min，配以70～100 Lmin鋼包底吹氬，且每批合金在500～1000 kg，可以起到良好地均勻成分，防止碳元素嚴(yán)重偏析的效果。

(2)粗煉爐爐后精確計(jì)算脫氧劑鋁塊加入量，在電爐爐后一次性加入，并輔以精煉過程碳粉硅鋁鈣鋇粉，以及新型添加鋁礬土的渣系并適當(dāng)延長軟吹時(shí)間，不僅可以使鋼液氧含量降到很低水平，還可以有效吸附鋼中氧化物夾雜，達(dá)到凈化鋼液的目的。

(3)VC真空澆注，采用VC真空澆注手段，可以有效防止鋼液的再次氧化，更有利于鋼液的純凈。