钢中夹杂物一般分为A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)、D类(球状氧化物类)和DS类(单颗粒球状类),其中A类夹杂物(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;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);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;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,其中Dsulf表示球状S化物,Dcas表示球状CaS,DRES表示球状稀土S化物,Ddup表示球状复相夹杂物,如CaS包裹着Al2O3;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。对于TiN夹杂物,轴承钢标准GB/T18254-2016规定G8Cr15、GCr15按形貌并入B类、D类、DS类评级,其他牌号供需双方协商。
1、轴承钢中大尺寸夹杂物的形成及控制
各类夹杂物对轴承寿命的危害性按大小可以排成D>DS>B>C>A的次序,D类和DS类夹杂大致可分为以下几种:独立钙铝酸盐夹杂物;独立MgO·Al2O3夹杂物;(Ca,Mg,Al)×Oy复合态夹杂物;外面包有硫化物的复合夹杂物。
夹杂物的尺寸对轴承疲劳极限的影响极为明显,尺寸愈大,疲劳寿命愈短。在夹杂物中,大尺寸的钙铝酸盐夹杂物夹杂有害指数最高。
钙铝酸盐夹杂物的生成自由焓变化(ΔG)在炼钢温度下都是负值,在高碱度精炼渣生产的轴承钢中,总能找到钙铝酸盐和镁铝尖晶石夹杂,所以控制钢中的[Ca]、[O]含量,对控制钙铝酸盐夹杂物的形成和成分转变有重要意义。
Al的加入量对夹杂物有很大的影响,控制着夹杂物性质的变化:当钢中Al比较低时(质量分数为0.01%左右),能找到许多Al2O3夹杂;当Al比较高时(0.02%~ 0.08%),Al能够和MgO炉衬反应,置换出其中的Mg进入钢液,钢液凝固后就形成MgO·Al2O3和MgO夹杂;同时钢中过高的Mg含量可抑制xCaO·yAl2O3的生成。
在渣中各成分中,CaF2对夹杂物的形成作用也比较大。无论在铝含量高或者低的时候,加入CaF2都生成了许多MgO·Al2O3夹杂。这有可能是CaF2能侵蚀炉衬,使MgO入钢液中,利于MgO·Al2O3夹杂的生成。CaF2炼钢过程会产生有毒物质,所以现在很多良心企业在渣中已不再加入CaF2,但中间包连浇炉数过多,炉衬同样会被侵蚀,使MgO入钢液中,同样有利于MgO·Al2O3夹杂的生成。
但渣中MgO成分对钢中MgO·Al2O3夹杂的生成影响比较小。在渣系中MgO含量高的钢中,酸溶Al不高,没有发现MgO·Al2O3和MgO夹杂;但在渣中MgO含量并不高的钢中,由于酸溶Al比较高,能发现很多的MgO·Al2O3和MgO夹杂生成,这是由于Al能够和MgO炉衬反应,置换出其中的Mg进入钢液,钢液凝固后就形成MgO·Al2O3和MgO夹杂。
在未经钙处理的钢中,Al的质量分数为0.01%左右,Mg的质量分数在0.0005%左右,Ca的质量分数为0.0005%以下,钢中发现了许多Al2O3夹杂物单独存在;进行微量钙处理后,钢样Al的质量分数在0.02%~0.08%左右,Mg的质量分数在0.0005%以下,Ca的质量分数在0.0018%~0.0037%,钢中只存在大量规则的球形xCaO·yAl2O3夹杂。
钙对夹杂物变性作用非常明显。高Ca含量的轴承钢,其夹杂物都变性为球形钙铝酸盐夹杂,没有生成MgO·Al2O3,这说明Mg、Ca有一定的牵制作用;当Mg占优势的时候,能大量生成MgO·Al2O3,反之则大量生成钙铝酸盐夹杂。
综上所述,钢中Al、Ca和Mg含量对D类和DS类夹杂物的影响比较重要,因此控制D类和DS类夹杂,要从控制钢中Al、Ca和Mg含量入手。随着钢中Al含量的增加,Mg含量也增加,并且在高碱度渣(CaO/SiO2≥3)条件下,钢中Mg含量增加的趋势更加明显,从而导致轴承钢中MgO·Al2O3形成的可能性提高。同样,随着钢中酸溶Al的增加,Ca含量也增加,尤其是在高碱度条件下影响更加显著,在钢中低Mg的情况下,就会生成球状的xCaO·yAl2O3夹杂物。
在高碱度条件下,钙铝酸盐与MgO·Al2O3很容易相互转换。当Ca较高时,就会生成钙铝酸盐,当Mg较高时就会生成MgO·Al2O3,因此,在实际生产中要充分优化控制钢中Ca、Mg和Al含量,达到D类和DS类夹杂物的最低化。
研究表明,当轴承钢氧含量为10×10-6,疲劳寿命是氧含量为40×10-6的轴承钢的10倍,氧含量降到5×10-6,其疲劳寿命是氧含量为40×10-6的轴承钢的30倍,与真空电弧重熔和电渣重熔相当。
因此轴承钢氧含量一定要低,GB/T18254-2016标准中优质钢要求O≤0.0012%,高级优质钢要求O≤0.0009%,特级优质钢要求O≤0.0006%,钢中氧含量低不但意味着Al2O3夹杂少,也意味着钙铝酸盐夹杂物少。降低氧含量主要通过电炉或转炉加Al粒沉淀脱氧和LF精炼过程加入SiC扩散脱氧以及RH过程真空脱气来完成。
轴承钢中Al含量要求≤0.05%,如果钢水中Al含量过高的话,不加Ca,结晶器水口容易结瘤,影响浇铸和钢水质量,加Ca的话则容易形成钙铝酸盐夹杂物,对轴承钢疲劳寿命有害。轴承钢高级和特级优质钢Ca含量要求控制在≤0.0010%,如果高Al的话,只有控制钢中较低的总O含量,才可少生成Al2O3夹杂物来减轻或避免结晶器水口结瘤,同时高Al的话,钢中的酸溶Al一方面会与MgO炉衬及渣中CaO置换反应,致使钢中钙镁铝酸盐和MgO夹杂数量增加,另一方面,浇铸过程中又可能增加钢液的二次氧化,产生滞留在钢液中的A1203夹杂,两方面综合反而导致钢中全氧含量增加。
因此为了避免以上问题,轴承钢中应少Al,Al含量一般控制在0.010-0.020%范围之内,这时钢中一般形成Al2O3夹杂物。尽管优质钢对Ca含量则没有要求,但一般Al含量还是要控制在0.010-0.020%范围之内,因为如果Ca含量控制在≤0.0010%,同高级和特级优质钢,但如果Ca的质量分数在0.0018%~0.0037%,钢中会存在大量规则的球形xCaO·yAl2O3夹杂,同样对轴承钢疲劳寿命有害。
对有些钢种而言,为了提高钢材的机械加工性能,并改善非金属夹杂物的形态与分布,在冶炼过程中有意向钢中加钙。但对轴承钢而言,残留钙不是有意添加的,而是来源于钢渣和与钢水接触的炉衬,轴承钢如果采用Ca或Ca-Si脱氧,钢中势必将产生危害性极大的D类和DS类球状夹杂物,使其疲劳寿命大幅度降低。因此,在很多国家的轴承钢标准中都规定(如瑞典SKF、美国ASTM标准等)不能用Ca或Ca-Si脱氧,或为改善钢水的可浇性向钢水中喂Ca线。
另外值得一提的是,炼钢过程炉渣成分要少CaF2或无CaF2,中间包连浇炉数也不能太多,防止MgO炉衬侵蚀,生成MgO·Al2O3和MgO夹杂物。
2、氮与钛夹杂物的形成及控制措施
钢中的氮化物以氮化钛(TiN)为主,是一种硬度很高的不变形夹杂物,在交变应力的作用下会造成应力集中损坏轴承,进而对轴承设备造成损坏。
钢中钛、氮含量与氮化钛夹杂有一定的关系,即随着钛、氮含量的提高,钢中氮化钛夹杂增加。氮化钛是一种硬而脆的夹杂物,它对钢的疲劳寿命特别有害。
相同尺寸条件下,氮化物比氧化物更有害。尺寸小的TiN与尺寸较大的Al2O3具有相同的有害指数。
所以要想提高轴承钢的疲劳寿命就应当尽量减少钢中钛和氮的含量,减少其形成氮化钛的可能性。
用LD+RH生产的轴承钢中总氧量为20×10-6左右,其疲劳极限与用EAF+RH生产的轴承钢总氧量<10×10-6时的疲劳极限相当。用转炉流程生产轴承钢疲劳性能较高可以用转炉钢中氮含量较低来解释。通常情况下转炉钢氮含量低于30×10-6,而电炉钢氮含量高于60×10-6。
研究表明Ti超过30×10-6时疲劳寿命即开始下降,当Ti含量从40×10-6降到10×10-6以下,能使寿命提高约2倍。当钢中O≤0.0010%时,这时影响轴承疲劳寿命的就是氮化钛夹杂。
采用电炉生产轴承钢,由于电弧易吸氮,钢中氮含量较高,一般在60×10-6-120×10-6之间。这种情况,只有通过降低钛含量,才能达到减少氮化钛夹杂的目的,但是要将钢中钛含量降到较低水平,付出的代价太大,因为在目前的操作情况下,在电炉内,只能选用昂贵的低钛铬铁加人(因为含铬轴承钢钛的主要来源是铬铁合金),而降低钢中氮含量则比降低钛含量容易些,经济一些。
用转炉生产轴承钢氮含量比电炉生产轴承钢N含量低,因此对于转炉炼钢来说,减少氮化钛夹杂,比电炉炼钢相对容易一些。
国外已将钛列入[O]+[Ti]对轴承性能的影响进行了研究,研究表明当[O]+[Ti]≤18×10-6,寿命比普通轴承钢材提高约2倍,说明低O和低Ti有利于轴承寿命的提高,国外将钛列入[O]+[Ti]对性能的影响进行研究也足以表明降钛含量的重要性。
有关文献认为钢中氮含量为 60ppm,则应控制钛含量≤ 27ppm;当钢中氮含量增加到 80ppm,则应控制钛含量≤ 20ppm。
轴承钢GB/T18254-2016标准要求优质钢Ti含量控制在≤0.0050%,高级优质钢Ti含量控制在≤0.0030%,特级优质钢Ti含量控制在≤0.0015%。
减少轴承钢中TiN夹杂,有三种途径:1、减少钢中N含量;2、减少钢中Ti含量;3、同时减少钢中N和Ti含量。显然第3种途径最佳。第1种途径最经济,第2种途径经济性位于第1种和第3种之间。
轴承钢冶炼中的钛含量60%来自铁合金,优选的钛铬铁是当前各钢厂降低轴承钢钛含量的主要方法。
钛是一种较强的脱氧剂,根据钢中氧含量的不同程度可以氧化成 TiO、 TiO2、Ti2O3、Ti3O5。因此可以通过控制电炉或转炉钢中氧含量,来降低钢中的钛含量。
研究表明随着钢中酸溶铝含量的增加,钢中的钛含量明显增加,同时资料也表明随着炉渣中SiO2含量增加,钢液中与其平衡的钛含量是下降的。
采用电炉或转炉氧位≥500ppm 以上控制,减少精炼过程含铝脱氧剂使用量,提高精炼炉渣中SiO2含量,即降低精炼炉渣碱度,有利于对钢液中钛含量控制。
但是从轴承钢脱氧角度认为,电炉或转炉高氧含量出钢、降低钢液中酸溶铝含量、降低精炼炉渣碱度均不利于控制钢液中氧含量。
为了满足以上要求,可采取优选钛铬铁,电炉或转炉高氧位控制,精炼过程减少脱氧剂 Al使用量,保持成品钢中低Al含量(Al含量:0.010~0.020%),降低钢中Ti含量;为了降低钢中的O含量,精炼前期使用高碱度(CaO/SiO2≥5)精炼渣,SiC脱氧,精炼后期加入石英砂或硅灰石,降低精炼渣碱度(碱度=1~3),进一步降低钢水中的Ti含量,同时RH真空脱气和中间包、浇铸过程做到保护浇注,防止吸气,从而降低钢中N含量,减少钢中的TiN夹杂物。
3、结语
1)控制钢中大颗粒夹杂物,在电炉或转炉加Al粒沉淀脱氧和LF精炼过程加入SiC扩散脱氧以及RH过程真空脱气来降低O含量,轴承钢中少Al控制,Al含量控制在0.010-0.020%范围之内,Ca含量控制在≤0.0010%,炼钢过程炉渣成分要少CaF2或无CaF2,同时中间包连浇炉数也不能太多,从而减少钢中的大颗粒夹杂物。
2)控制钢中TiN夹杂物,可采取优选钛铬铁,电炉或转炉高氧位控制,精炼过程减少脱氧剂 Al使用量,成品钢中低Al控制(Al含量:0.010~0.020%),精炼前期使用高碱度(CaO/SiO2≥5)精炼渣,SiC脱氧,精炼后期加入石英砂或硅灰石,降低精炼渣碱度(碱度=1~3),RH真空脱气和中间包、浇铸过程保护浇注,降低钢中的Ti含量和N含量,从而减少钢中的TiN夹杂物。