本文讲的超纯轴承钢,是指ω(S)、ω(Ti)和ω(O)分别达到0.003%、0.0012%和0.0007%以下的ω(C)1.0%-ω(Cr)1.5%轴承钢(以下简称SFGCr15)。

为了满足国际轴承行业对轴承钢的超纯化要求,宝钢股份有限公司特殊钢分公司致力于SFGCr15的工艺研究。经过数年的研究和探索,SFGCr15工艺流程及其技术基本成熟,而且SFGCR15的钛含量和氧含量的控制技术专利已获得授权。

1、SFGCr15的超纯性

(3)钢中非金属夹杂物,尤其氧化物夹杂是轴承钢中最具危害性的,对疲劳破坏有显著影响。氧化物夹杂尺寸越大,引起的应力集中也越严重。

无论D类氧化夹杂还是B类物夹杂,在钢中的生成均离不开钢中的氧。氧含量越高,不仅造成氧化物夹杂数量增多,而且使氧化物夹杂尺寸增大、偏析严重、级别增高,因而加剧疲劳寿命的危害。精炼钢ω(O)为0.001%的疲劳寿命是精炼钢ω(O)为0.004%的10倍；精炼钢ω(O)为0.0005%的疲劳寿命是精炼钢ω(O)为0.004%的30倍,并且与真空电弧重熔和电渣重熔的精炼钢的疲劳寿命相当；精炼钢的ω(O)的最终目标为0.0003%。

2、SFGCr15的精炼工艺及其质量

2.2.5　直流电炉熔炼过程中SFGCr15的硫含量和钛含量的变化实例

经过直流电炉的熔炼,SFGCr15钢液的ω(S)和ω(Ti)在直流电炉出钢前可分别达到0.0025%和0.0003%。

2.3工艺因素对SFGCr15的硫含量、钛含量、氧含量和钢中非金属夹杂物的影响

2.3.1　精炼渣系和脱氧剂

在钢包炉精炼过程中,采用高碱度渣系进行脱硫,其主要组分为CaO、Al2O3、SiO2和MgO,其质量分数分别为40%～60%、15%～30%、8%、5%～15%。

采用铝和硅进行钢液脱氧和炉渣脱氧。如果精炼前期将钢中的w(Al)控制在0.03%～0.05%,则可使钢中氧活度降到0.0003%以下。这对于控制钢中钛含量也十分有利。

对流动性良好的高碱度渣进行适当的渣面脱氧,可将炉渣中的ω(FeO)保持在1%以下,从而保证炉渣始终有较强的脱氧和吸附钢中非金属夹杂物的能力。这对于保证SFGCr15的ω(O)控制在0.0006%以下具有关键作用。

2.3.2　钢液温度和精炼时间

热力学计算可得：①随着温度的上升,轴承钢中的锰、碳、硅、钛、铝、铬元素,除了碳之外,均趋于不稳定；②在一定的温度条件下,钢中的铝有可能还原炉渣或耐火材料或铁合金中的二氧化钛。因此,钢液温度控制不当,十分不利于钢中钛含量和氧含量的控制。

钢液温度在1560～1600℃,可使钢液和炉渣均匀化和相互之间充分反应。同时,随着钢包底部的氩气气泡的不断沸腾上升,钢中的脱氧反应产物不断吸附上浮,从而不断降低钢中氧含量。

精炼时间一般应控制在40min之内。如果时间大于40min,钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液,导致进入钢液的耐火表层中的氧化物和钛化物被钢中的铝还原,使钢中ω(Ti)超过0.0015%。

2.3.3　底吹氩压力

底吹氩压力控制在0.2～0.3MPa。底吹氩压力过大,造成钢渣反应过分强烈和钢液对钢包耐火材料冲刷严重,导致炉渣或耐火材料中的氧化物和钛化物进入钢液而使钢中钛含量和氧活度增加。底吹氩压力过小,使钢液温度和成分以及钢渣反应都不均匀和充分,钢液的脱氧及其产物也不能充分上浮。合适的底吹氩压力制度是：精炼前期以较大的氩气压力；精炼后期以较小的氩气压力。这一方面可使SFGCr15的钛含量在精炼过程中基本稳定,同时可使SFGCr15的硫含量和氧活度不断下降。

2.3.4　精炼钢包耐火材料及其状态

可采用二氧化钛含量比较低的国产精炼钢包耐火材料。如果使用其它钢包耐火材料,则可因其耐火材料中的二氧化钛的含量高,导致钢液中钛含量增高。钢包使用前应完全清理。精炼钢包内表面有任何冷钢或残渣,都导致钢液中钛含量增高。

2.3.5　铁合金种类

要使SFGCr15的钛含量较低,选用较纯洁的铁合金是比较有效的途径之一。对SFGCr15的铬、锰、硅成分所涉及的铁合金,应控制其钛含量。

2.3.6　真空脱气

真空度一般应在140Pa以下。如果真空度达不到140Pa,钢中的ω(H)不能降至0.0001%以下。真空时间一般应在20～35min。如果真空时间小于20min,钢液脱氧产物无法充分上浮到炉渣中去,钢中氧活度不可能达到0.0002%以下；如果真空时间大于35min,钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液,十分不利于钢中钛含量的控制。

在真空前期,精炼钢包底吹氩压力一般不大于0.2MPa；在真空后期,底吹氩压力在0.1MPa以下。这种制度可使钢液和炉渣充分均匀化和反应,钢中的脱氧产物充分上浮。

真空脱气之后合适的软吹氩搅拌时间及其流量对于SFGCr15的钢中非金属夹杂物含量控制是十分重要的,其确定原则是：在保证钢液不被暴露在空气中和确保钢液有合适的浇铸温度的前提下,底吹氩时间应尽可能延长,氩气流量应尽量大。

2.3.7　钢液浇铸

钢液浇铸速度一般控制为3.5～4.5t/min。浇铸速度过快,使钢液对浇铸系统的耐火材料的冲刷严重而污染钢液,导致钢中氧含量和钛含量增加。浇铸速度太慢,使浇铸时间延长,导致钢液二次氧化程度增加,不利于控制钢中氧含量。

为了不使钢液在浇铸过程中与空气接触,开发了模铸氩气保护系统(简称IAPS)。IAPS可使轴承钢平均氧含量进一步下降,如图1所示。

2.3.8　控制实例

10炉SFGCr15在钢包精炼-真空脱气-钢液浇铸过程中的硫含量控制实例如图2所示。10炉SFGCr15在钢包精炼-真空脱气-钢液浇铸过程中的钛含量控制实例如图3所示。

2.4　SFGCr15的残余元素和有害元素含量以及非金属夹杂物评级水平

典型的SFGCr15钢材中残余元素和有害元素含量水平如表1所示。典型的SFGCr15钢中氧含量和非金属夹杂物评级水平如表2所示。

由表1和表2可知,SFGCr15的ω(S)、ω(Ti)和ω(O)分别达到0.003%、0.0012%和0.0007%以下,钢中非金属夹杂物含量也处于比较理想的水平。