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发达国家改善连铸轴承钢碳化物的方法和途径
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
摘要：在论述连铸轴承钢的凝固过程、结构和其碳化物属性的基础上，概述了发达国家改善连铸轴承钢碳化物不均匀性的方法和途径。 关键词：高碳铬轴承钢；连铸；模铸；碳化物 1 前言 近二十年来，在国外冶金工作者的不懈努力下，连铸轴承钢技术取得了显著进展：钢中残余元素和有害元素及夹杂物含量明显下降、连铸轴承钢的纯洁度已超过模铸材、钢中碳化物不均匀性得到显著改善以及其疲劳寿命也大于模铸材。在一定压缩比的条件下，连铸轴承钢材可用于滚动体的制造。 2 连铸轴承钢的凝固过程和结构及其碳化物属性 2.1 连铸轴承钢的凝固过程 从本质上讲，方坯连铸轴承钢的凝固过程与一般的低合金钢的凝固过程是一样的，即有：1)柱状晶均匀生长；2)某些柱状晶优先生长；3)柱状树枝晶搭接成桥；4)小锭凝固并产生缩孔。 轴承钢固液两相区温度区间达到131℃。因此。中等过热的钢液也有其柱状晶强烈增大的趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭接、等轴树枝晶不足或体积减少而形成了小钢锭的凝固结晶现象，由此产生铸坯的中心疏松与偏析，即具有小钢锭结构机理。 另一方面，由于连铸轴承钢是含有铬元素的过共析钢，因此，在连铸坯的凝固结晶过程中，不可避免地产生碳化物。当然，钢液中还存在一些杂质元素或化合物(如C、S、P、0、氧化物、硫化物)，在固液界面上产生溶解平衡移动。与此同时，从柱状晶粒析出的溶质元素或化合物排到尚未凝固的金属液中，最后随结晶的继续进行，把聚集的溶质推向最后凝固区中心，即产生铸坯的中心偏析。其偏析是与内部夹杂和疏松相伴生的，即具有溶质元素偏析机理。 2.2 连铸轴承钢的凝固结构 实际的连铸轴承钢方坯纵向中心的断面情况如图1所示。由图1可知，其凝固结构具有纵向断续性的小空洞的特点。图1 140方连铸轴承钢方坯纵向铸态组织 对2.6吨钢锭和230×230?连铸坯的碳化物进行了相同截面上的中心、中间和外侧的比较，如图2所示。 由图2可知：A)从纵向上看，连铸轴承钢坯的碳化物的均匀性大大优于模铸轴承钢锭；B)从横向上看，连铸轴承钢坯的碳化物的数量也远远低于模铸钢锭(指大于5u的碳化物)；C)连铸轴承钢坯的碳化物的数量(指大于5u的碳化物)在中心居多，这一点与模铸钢锭的特点是一样的。图2 大型碳化物夹杂（大于5u）在2.6吨钢锭和230×230?连铸截面上的分布频率 2.3 连铸轴承钢碳化物的属性 在连铸轴承钢方坯上，用SEM(扫描电镜)/EDS(能量扩散分光仪)进行了点定量分析，调查了铬的浓度。并发现，在连铸坯中心偏析部生成共晶组织，而在其它部位则不生成，共晶组织由铬的富集碳化物和金属相组成。碳化物中的碳浓度约为1.6％，从铬的浓度、组织形态及腐蚀状况可推定为Fe3C。 采用特种腐蚀以及x射线摄谱法(MS一46微型探测器)和x光结构分析法，对连铸轴承钢坯的晶轴间的析出剩余相进行了研究，发现：在晶轴间的析出剩余相中存在复杂的共晶结构；在碳化物的发亮部分，碳和铬的含量较高，而在发暗部分，碳和铬的含量较低。在所有浇铸方案的金属显微组织中，均发现有此种共晶碳化物。而且，在晶轴间的析出剩余相中碳、铬、硫、鳞含量剧增。 3 发达国家改善连铸轴承钢的碳化物的方法和途径 3.1 炼钢一连铸方面的方法和途径 3.1.1 提高钢液纯洁度 钢中残余元素Ni、Cu和有害元素P、As、Sn、Sb、Bi、Pb可导致轴承材料加工中的热脆裂纹，同时，也能加强晶界偏聚。P、As、Sn、Sb等在低夹杂物含量的钢中，在晶界的偏析与富集更为明显。 钢中磷不仅能加剧液析碳化物的生成，而且能加剧奥氏体化时的二次碳化物的析出。 对含0.018％和0.004％的硫的轴承钢连铸坯的偏析程度比较表明：低S含量的柱状和轴向区域中的偏析程度明显较低。凝固过程中随S含量的增加而硫化物、碳化物分布的平均尺寸增加，故纵向偏析增加。为了改善连铸轴承钢的碳化物，必须尽可能降低硫含量。 氧化物夹杂是轴承钢中最具危害性的，对疲劳破坏有显著的影响。氧化物夹杂尺寸越大，引起的应力集中也越强。 在氧化物夹杂中，球状不变形D类夹杂物比B类夹杂物对接触疲劳寿命更为有害。 无论D类夹杂物还是B类夹杂物在钢中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，而且氧化物夹杂尺寸增大，偏析较严重，夹杂级别增高，因而对疲劳寿命的危害也就加剧。因此，要努力降低钢中的氧。 Ti(C、N)夹杂物具有很高的刚性，并在几何形状上呈棱角状，因而在基体中具有极易造成应力集中诱导疲劳裂纹。随Ti含量增高Ti(c、N)颗粒不仅大大增高，而且Ti(C、N)的级别也明显增高，疲劳寿命降低。因此，要努力降低钢中的钛。 3.1.2 实施钢流保护 轴承钢钢液的保护浇铸涉及：1)钢包滑动水口的自动引流和钢包内钢液量的合理控制；2)大包到中间包的铸流的保护套管和吹氩保护；3)中间包内钢流的稳定流态和中间包内钢液量的合理控制；4)浸入式水口的选型；5)结晶器保护渣的选型；6)结晶器液位的合理控制。从改善连铸轴承钢碳化物的角度出发，最重要的是，钢流尽可能不受污染和尽可能处于稳定状态。同时，过热度尽可能低。 3.1.3 降低和稳定过热度 进入结晶器的钢水温度低，钢液结壳后，铸坯中心未凝固的钢水的温度接近于固相线温度，从而扩大中心的等轴区域，良好的大面积等轴晶组织抑制了铸坯的中心偏析。 连铸高碳铬轴承钢的浇注温度从1520℃下降到1470℃，连铸坯中的枝状晶区长度可从40mm下降到10mm。 浇注过程中的过热度的相对稳定对改善中心偏析和纵向偏析也很重要。为此，有厂家通过对钢包和中间包的内衬进行有效的天然气烘烤，使钢包和中间包的内衬温度达到1200℃以上，使中间包内的钢液温度波动范围在70分钟的浇注时间内仅为5℃。 使中间包钢水的过热度有效地控制在10一15℃的最好办法是在中间包上采用等离子或感应加热措施。例如日本大同特钢的知多厂为了改善连铸轴承钢的中心偏析，于1992年，在新建的2号连铸机上安装了中间包等离子加热装置。 目前，中间包等离子加热技术已在日、美、意、德、法等国家的16家钢厂得到工业大规模应用。3.1.4 选用合适的电磁搅拌采用电磁搅拌技术可降低连铸坯的中心偏析程度，碳化物的尺寸也有细化的倾向。 单一的结晶器电磁搅拌技术当然能大大改善铸坯中心的碳化物，但对高碳铬轴承钢而言，其中心区的偏析仍然较大。 为了获得大而十分均匀的中心等轴晶区，往往要采用两种电磁搅拌装置，从而获得结构均匀，无中心疏松的结晶组织。 采用MEMS，可使坯壳生成比较均匀，而且，表面层中渣量的减少有利于坯壳生长。因为渣有绝热作用，会阻碍坯壳的生长。 采用SEMS，最大的碳偏析值，可从1.68减至1.38。 采用FEMS，能够打断中心部位架桥，较好地补给由于凝固收缩所需的钢液。 值得一提的是，组合搅拌技术的搅拌强度的控制是十分重要的。搅拌强度过大，会形成严重的白亮带现象或V型偏析。搅拌强度过小，则达不到减轻偏析的目的。 265mm2大方坯的铸态组织，由于冷却条件优化，尤其是在凝固过程中采用了电磁搅拌，显微组织有了很大的改善。但是，具有微小缩孔的明显中心偏析以及粗大碳化物的析出仍不能完全避免。 3.1.5 二冷和拉速 相同冷却条件下，适当降低拉速有利于缩短固液区间长度，从而抑制枝状晶的长大，有利于减小中心偏析。而适当提高二次冷却强度除了能细化组织晶粒外，还能缩短液相深度，增加坯壳厚度。 3.1.6 采用液相穴区的压下技术 对于象轴承钢这样的组织要求较高的特殊钢来讲，对易产生偏析的液相穴区进行压下处理。这是因为在连铸坯凝固过程中，由于导辊之间铸坯产生鼓肚引起的坯壳内的容积变化和补偿凝固收缩，导致因残留钢液的宏观流动引起的中心偏析。 1)轻压下技术 根据中心偏析发生的机理，控制铸坯凝固末端的凝固过程，可以有效地控制中心偏析发生的程度。轻压下技术就是根据这个原理在连铸过程中控制中心偏析的自然发生，其基本原理如图3所示。图3 轻压下技术控制中心偏析的原理 铸坯坯壳在完全凝固前受到外部均匀压力作用，防止了铸坯冷凝收缩产生的负压，阻止了铸坯因冷凝收缩或鼓肚产生的钢液横向流动，促使铸坯中心区域富含杂质元素的钢液回流并可能重新在固液两相区间分配，从而使凝固末端凝固更均匀致密。这就大大地减轻了中心偏析和中心疏松的程度。 轻压下技术对解决高碳铬轴承钢的中心偏析与疏松有着最显著的效果，已被公认为是控制高碳铬轴承钢中心偏析最有效的工艺方法。但由于该技术的准确应用难度较大，要想取得理想的效果，必须精确地控制浇注工艺参数、凝固条件、压下区间铸坯中心的固相率，匹配好拉坯速度与压下速度。任何一方面控制不合适，不但不能起到改善中心偏析的作用，而且极易造成铸坯中心裂纹。因此在采用轻压下技术的同时，往往还配备中间包等离子加热技术，电磁搅拌技术，从而确保最佳工艺条件下的最佳压下位置。 2)大直径辊压下技术 与普通辊的轻压下技术相比，大直径辊压下技术可充分保证铸坯内部变形量，而且凝固界面的崎变也较小。图4示出大直径辊强压下装置的剖面图。当采用大直径辊压下时，以较小的压下量就能改善中心偏析。另外，由于在等轴晶区内压下，有助于减轻铸坯的内裂纹。图4 大直径辊强压下装置的剖面图 3)连续锻压技术 连续锻压技术是利用装有异形锻头的锻压装置对液相穴端进行连续锻压，使凝固末端的固熔共存层压合在一起，可有效地使浓缩的钢液和破碎的晶粒向上移动，同时，大压下变形还可以防止铸坯内裂。图5是液压式大压下连续锻压示意图。图5 液压式大压下的连续锻压示意图 3.2 加热-轧制方面的方法和途径 3.2.1 高温扩散 对于轴承钢连铸坯来讲，无论其炼钢-连铸工艺怎样优化，无论其连铸坯是热送还是冷送于轧制前的加热炉中，其连铸坯凝固后的组织仍是具有共晶特点的铸态组织。因此，必须在轧制前通过高温均热扩散使共晶组织基本消除。 德国克虏伯公司为了研究连铸坯的高温退火对其偏析的影响，将两段同一流股上的钢在1150℃×90min和1190℃×90min两种不同条件下分别进行退火。试验表明，稍高温度的退火段的碳偏析程度明显优于低温退火段的碳偏析程度，如图6所示。图6 不同退火温度的碳偏析比较 法国Ascometal公司进行了模铸材和连铸材的碳化物分布测定，结果如表1所示。由表1可知，连铸材的碳化物与模铸材无明显差别。 表1 按SEPl520标准对管材中碳化物分布评定结果 3.2.2 压缩比 压缩比的选择，国外的意见很不一致，其原因是：1)一般来讲，压缩比的选择，在新建生产线的品种结构中，是针对某一钢种的用途而决定的。2)在新建生产线的工程设计中已是明确了的压缩比，往往会随着目标市场的转移和客户群的变迁而变化。3)随着钢液纯洁度的不断提高和轴承钢连铸坯质量以及对轴承钢连铸坯的认识的不断深入，人们对轴承钢连铸坯压缩比有逐渐变小的趋势。例如，欧州发达国家希望连铸坯断面在240?以下。 从质量角度出发，较大的压缩比有利于连铸材心部缺陷的改善。从生产成本角度出发，较小的压缩比为轴承钢连铸材的一火成材提供了必要条件。因此，一般来讲，应结合实际，综合考虑流程、品种组距及其用途、钢液精炼水平-连铸工艺成熟度。连铸坯质量跟踪系统可靠性和生产成本等因素，科学而合理地选择压缩比。 4 结论 (1)连铸轴承钢的凝固过程具有小钢锭结构机理和溶质元素偏析机理的特征。其凝固结构具有纵向断续性的小空洞的特点。其钢坯中心的碳化物是共晶碳化物，分子式为Fe3C；在晶轴间的析出剩余相中碳、铬、硫、鳞含量较高。连铸轴承钢坯的碳化物的分布和尺寸无论在纵向上还是横向上均大大优于模铸轴承钢锭。 (2)改善论连铸轴承钢的碳化物的常用方法和途径有：提高钢液纯洁度；实施钢流保护；降低和稳定过热度；选用合适的电磁搅拌、二冷和拉速工艺制度；采用液相穴区的压下技术；选用合适的加热高温扩散工艺制度和轧制压缩比。上一篇：时光伺服控制器在高速电主轴的应用
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