軸承鋼大尺寸夾雜物的來源分析及其應(yīng)對策略

田 超，王向東，李長新

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南271104）

疲勞性能直接衡量軸承鋼的質(zhì)量，因此提高軸承鋼質(zhì)量最主要的做法是提高軸承鋼的接觸疲勞壽命［1］。軸承滾動過程中，輥道下表面所受切應(yīng)力及由此產(chǎn)生的軸承材料塑性變形是引起軸承滾動接觸疲勞裂紋的重要條件，材料內(nèi)部組織變化及組織缺陷則是導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因［2］。進(jìn)一步追根溯源，應(yīng)力集中點的存在是使軸承鋼微觀組織發(fā)生局部塑性變形的必要條件［3］，應(yīng)力集中點本質(zhì)上是鋼中存在的基體不連續(xù)點，而造成鋼基體不連續(xù)性的原因即為鋼中不可避免的存在非金屬夾雜物、空洞等缺陷［4］。對于軸承鋼來說，控制大尺寸夾雜物已成為提升冶金質(zhì)量的重點。電子顯微鏡與成分分析等微觀表征手段相結(jié)合，可以驗證存在的夾雜物的具體類型，從而有針對性的分析其來源及危害。

軸承鋼中典型夾雜物的來源與分布已被深入研究［5］。本文選擇了鋼廠具有代表性的兩種傳統(tǒng)工藝流程（轉(zhuǎn)爐連鑄流程和電爐連鑄流程）生產(chǎn)的軸承鋼，對其成材檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的3種非典型的大尺寸夾雜物進(jìn)行了定性分析，包括夾雜物特征及來源，并根據(jù)分析結(jié)果有針對性的給出了夾雜物應(yīng)對策略。

1 試驗材料與方法

試驗材料選擇了BOF→LF→RH→CC流程軸承鋼棒材、EAF→LF→VD→CC流程軸承鋼棒材，其主要成分如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)爐和電爐試驗鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

根據(jù)需要在棒料上隨機(jī)位置切取若干金相試樣進(jìn)行觀察分析，觀察分析所用的主要手段為光學(xué)顯微鏡觀察、SEM-EDS成分分析，具體做法為在配備顯微硬度儀的光學(xué)顯微鏡下觀察尋找鋼中的夾雜物相，通過顯微硬度儀在夾雜物旁打硬度凹坑以標(biāo)記夾雜物位置后，將金相試樣置于配備EDS能譜分析的掃描電鏡下做進(jìn)一步分析。金相試樣觀察面為圓棒縱截面，為方便試樣制備及觀察，試樣切取后首先經(jīng)過淬回火處理。工藝為830℃保溫0.5 h油淬→150℃回火2 h空冷，目的是使材料達(dá)到軸承實際工作時的狀態(tài)，同時提高材料的硬度以方便制樣時獲得平整、無劃痕、無凹坑的拋光面。由于試驗對象軸承鋼為鋁脫氧鋼，其夾雜物中會含有Al元素，為制樣過程中為避免磨拋沾染的異物對夾雜物定性分析產(chǎn)生影響，本文所采用拋光劑一律為金剛石拋光劑，以避免使用氧化鋁拋光劑可能會造成的Al元素殘留。

2 大尺寸夾雜物分析

2.1 合金鉻鐵夾雜物

在轉(zhuǎn)爐試驗鋼棒材中發(fā)現(xiàn)了顆粒直徑超過50 μm的夾雜物（后確定為合金鉻鐵），如圖1所示。圖中水平方向為棒材軋制方向，該夾雜物在光學(xué)顯微鏡下的形貌與硫化物類似，但顏色較淺。

圖1 轉(zhuǎn)爐流程試驗鋼中合金鉻鐵夾雜物的形態(tài)

對比SEM照片，可見在光鏡觀察照片中，夾雜物范圍內(nèi)的深色區(qū)域?qū)嶋H為剝落形成的凹坑，分別對該夾雜物范圍內(nèi)的小凹坑、夾雜物主體的中心、邊部剝落凹坑進(jìn)行了EDS能譜分析，選樣位置如圖2中1、2、3箭頭所指，由分析結(jié)果可見：該夾雜物能譜成分顯示Cr、O含量較高，尤其在主體部分，凹坑處由于夾雜物剝落，故EDS能譜中基體Fe的能量更高。含Cr夾雜物的可能來源有合金劑鉻鐵及耐火材料，高碳鉻軸承鋼高Cr高C，鋼液在LF精煉過程進(jìn)行成分調(diào)整需加入合金劑鉻鐵；LF爐襯耐火材料多采用高鋁磚，渣線位置采用鎂碳磚或鎂鉻磚，鎂鉻磚主要成分含MgO約60%～70%、Cr2O3約10%～20%。含MgO的耐火材料可以與鋼渣反應(yīng)形成鎂鋁尖晶石夾雜物，其夾雜物演變已被很多文獻(xiàn)研究報道［6-8］，但該夾雜物尺寸較大且成分單一，未發(fā)現(xiàn)伴生的含Mg相，且目前鎂鉻磚已較少采用，故判斷其來源為精煉階段補(bǔ)加的合金劑鉻鐵未完全熔融而產(chǎn)生的殘留物。

圖2 轉(zhuǎn)爐流程試驗鋼中合金鉻鐵夾雜物的EDS成分分析結(jié)果

從SEM照片上可以看出，合金鉻鐵夾雜物與基體界面不存在尖角或孔隙，但由于其容易剝落，推斷其與基體結(jié)合的界面強(qiáng)度較弱，同時由于該夾雜物尺寸達(dá)到約50μm，屬于危害較高的大尺寸夾雜物，應(yīng)在精煉階段中予以避免。

2.2 SiC夾雜物

在轉(zhuǎn)爐試驗鋼棒材中發(fā)現(xiàn)如圖3所示夾雜物（后確定為SiC），形貌與Al2O3等脫氧產(chǎn)物類似，但從圖3b的SEM形貌來看其比一般氧化物更為致密。

圖3 轉(zhuǎn)爐流程試驗鋼中SiC夾雜物的形態(tài)

分別對該夾雜物主體的中部、邊部區(qū)域進(jìn)行了EDS能譜分析，如圖4所示，結(jié)果顯示夾雜物主體為單一SiC，但在其邊部區(qū)域除C、Si外還檢出少量Ca、O元素，說明有少量CaO伴隨SiC存在。

圖4 轉(zhuǎn)爐流程試驗鋼中SiC夾雜物的EDS成分分析結(jié)果

判斷SiC夾雜物來源于精煉爐渣。軸承鋼需要長時間的還原精煉過程，即在LF精煉過程造高堿度還原渣，進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，同時降低鋼中的硫含量，這一還原過程的爐渣是影響鋼液精煉效果的重要因素，它應(yīng)具有好的物理、化學(xué)性質(zhì)，如堿度較高、黏度不大、流動性良好、較少玷污鋼液。在軸承鋼精煉過程中SiC是LF脫氧劑，其脫氧產(chǎn)物使熔渣前期發(fā)泡，SiC和CaO均用于精煉過程造渣，SiC的作用是降低渣的堿度提高流動性，CaO的作用為調(diào)節(jié)渣的堿度并提高堿性渣的黏度［9］，這解釋了CaO伴隨SiC存在的現(xiàn)象。現(xiàn)場臨時加入SiC調(diào)整，但受限于連鑄過程，需要配合生產(chǎn)節(jié)奏，故未來得及調(diào)整完畢即進(jìn)行了澆注，導(dǎo)致SiC卷入鋼液。

2.3 聚集態(tài)稀土氧硫化物夾雜物

在電爐試驗鋼棒材中發(fā)現(xiàn)如圖5所示超大尺寸點鏈狀夾雜物（后確定為聚集態(tài)稀土氧硫化物），點鏈延軋制方向延展，形貌與常見的B類夾雜物相似，但組成長鏈的夾雜物顆粒尺寸較Al2O3點鏈中的顆粒更小。經(jīng)光鏡下測量，鏈長已接近900μm。

圖5 電爐流程試驗鋼中聚集態(tài)稀土氧硫化物夾雜物的形態(tài)（光學(xué)顯微鏡觀察）

為進(jìn)一步降低軸承鋼中氧含量，本文電爐鋼在精煉過程中試驗了用高純La/Ce稀土進(jìn)行深脫氧的操作工藝。稀土元素活性極強(qiáng)，在鋼中加入適量La、Ce稀土后，稀土與鋼水中的氧、硫反應(yīng)形成稀土氧硫化物［10］，顆粒尺寸小，最大尺寸不超過6 μm［11］。SEM檢測結(jié)果也印證了這一點：聚集態(tài)稀土氧硫化物夾雜物局部的背散射電子相觀察和O、S、Al、Ca、La、Ce元素面掃描結(jié)果如圖6所示，由圖6可見，長串狀稀土夾雜物是由顆粒尺寸＜10μm的、成分以La、Ce氧硫化物為主顆粒組成，部分顆粒還含有Al、Ca元素。

圖6 電爐流程試驗鋼中聚集態(tài)稀土氧硫化物夾雜物主要元素分布

分析長串狀聚集的原因，稀土氧硫化物作為深脫氧（脫硫）產(chǎn)物，因比重大以及在鋼液中上浮所需時間受連鑄生產(chǎn)節(jié)奏限制等原因，不易被鋼渣吸附，在連鑄過程中常吸附于耐材表面如水口內(nèi)壁等位置。當(dāng)水口內(nèi)壁逐漸形成嚴(yán)重結(jié)瘤且影響鋼液澆注時，現(xiàn)場會采用沖棒等非常規(guī)操作導(dǎo)致結(jié)瘤物隨鋼液進(jìn)入鑄坯，結(jié)瘤物隨鑄坯軋制后呈現(xiàn)長串狀分布形態(tài)。

3 大尺寸夾雜物應(yīng)對策略

通過分析可以看出，所發(fā)現(xiàn)三種非典型夾雜物，均屬于流程控制失當(dāng)或疊加非常規(guī)操作產(chǎn)生的，提高現(xiàn)場管理水平控制特殊種類的大尺寸夾雜物，無疑是提高成材質(zhì)量的必須手段。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)管理情況，現(xiàn)場操作者會依據(jù)鋼液狀況、原材料狀況、爐渣狀況等現(xiàn)場數(shù)據(jù)及個人經(jīng)驗判斷來調(diào)整冶煉過程出現(xiàn)的不穩(wěn)定情況，綜合判斷LF精煉過程存在改進(jìn)空間，同時還需考慮LF精煉及連鑄過程的生產(chǎn)節(jié)奏合理匹配。

成分調(diào)整不到位、渣系調(diào)整不及時，疊加精煉與連鑄的生產(chǎn)節(jié)奏配合不當(dāng)導(dǎo)致成材中出現(xiàn)了合金鉻鐵、SiC大尺寸夾雜物。據(jù)此，對LF精煉過程提出的應(yīng)對策略，為針對關(guān)鍵鋼種研究開發(fā)LF關(guān)鍵控制模型，建立以溫度、成分、渣系三者統(tǒng)一的智能控制，實現(xiàn)自生產(chǎn)計劃到鋼種操作要點的縱向集成，達(dá)到不同工藝操作與鋼種需求的精確匹配，將操作人員的經(jīng)驗知識規(guī)則化、工藝過程控制精準(zhǔn)化，弱化直至消除人因影響，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

對于稀土脫氧鋼，則應(yīng)重點關(guān)注中間包水口結(jié)瘤問題，避免結(jié)瘤情況惡化后再采取的沖棒等非常規(guī)操作影響鋼水質(zhì)量。應(yīng)對策略為適當(dāng)提高LF出鋼溫度，增加鋼水流動性，增強(qiáng)VD工序鋼水中稀土夾雜物被鋼渣界面捕獲的幾率，同時使中間包過熱度適當(dāng)提升，有利于減輕水口結(jié)瘤。

4 結(jié)論

4.1 轉(zhuǎn)爐鋼中發(fā)現(xiàn)直徑超過50μm的合金鉻鐵夾雜物，其為精煉階段補(bǔ)加的合金劑鉻鐵未來得及完全熔融而形成的殘留物。

4.2 轉(zhuǎn)爐鋼中發(fā)現(xiàn)帶尖角的大尺寸SiC夾雜物，其為精煉階段臨時調(diào)整渣系時未來得及熔融而卷入鋼液中的SiC造渣料。

4.3 電爐鋼在精煉過程中試驗了高純La/Ce稀土深脫氧操作工藝后，于其中發(fā)現(xiàn)超大尺寸點鏈狀聚集態(tài)稀土氧硫化物，其來源為中間包水口結(jié)瘤物。

4.4 應(yīng)對合金鉻鐵、SiC等人為因素導(dǎo)致的非典型夾雜物，應(yīng)研究建立以溫度、成分、渣系三者統(tǒng)一的智能控制，實現(xiàn)自生產(chǎn)計劃到鋼種操作要點的縱向集成，將工人經(jīng)驗知識規(guī)則化從而弱化直至消除人因影響。

4.5 應(yīng)對聚集態(tài)稀土氧硫化物夾雜物，可以適當(dāng)提高LF出鋼溫度減輕中間包水口結(jié)瘤，同時避免結(jié)瘤情況惡化后再采取沖棒等非常規(guī)操作。