华刘开　尹青　杨延辉　李锋　许晓红)

（江阴兴澄特种钢铁有限公司）

【摘　要】轴承钢纯净度控制主要是控制钢液中的夹杂物，本文研究了炉渣组成微调对于LF终点钢液中夹杂物的影响，确保了轴承钢的纯净和稳定。但目前普遍用来评价轴承钢纯净度和均质化程度的方法难以满足对超长疲劳寿命轴承钢的质量评估，本文提出了一种更科学直观地评判轴承钢的质量水平的方法。本文采用旋转弯曲疲劳、SEM+EDS、面扫等方法，研究了试验用100Cr6轴承钢的高周及超高周疲劳性能，以及传统疲劳极限附近的失效概率分布，并统计了夹杂物的成分、尺寸等信息。

【关键词】轴承钢；扫描电子显微镜；旋转弯曲疲劳；疲劳寿命

轴承钢是钢铁材料中的高技术产品，具有较高的疲劳强度和抗压强度，纯净并且均匀的组织使得其拥有高而均匀的硬度，是重大装备制造和国家重点工程建设所需要的关键材料。虽然轴承钢技术已经取得了较大的进步，冶金设备、工艺和生产流程与的轴承钢厂也基本一致，但由于各个钢厂在冶炼工艺、轧制控制工艺、自动化能力及操作水平等方面存在较大差距，导致在纯净度控制（氧含量、钛含量、有害元素含量及夹杂物尺寸与分布）、碳化物控制（网状碳化物、带状组织、碳化物尺寸及其分布）及低倍组织（中心疏松缩孔和成分偏析）等方面相差较大，而且目前常规的轴承钢质量的评估方法，很难满足对超高疲劳寿命轴承钢的质量评价。近年来的研究表明，钢铁材料，尤其是高强钢在传统疲劳极限之下，通过千万（107）循环周次后，仍会发生断裂失效。随着科技进步，如飞机、高铁、汽车等现代工业装备在服役期内的疲劳循环周次达到亿（108）次，甚至更高。而当前大部分零部件的疲劳设计是在千万（107）循环周次的基础上建立的，这会对装备的服役安全性产生很大的隐患。因此，今后很有必要开展零部件用高强钢在亿（108）循环次及以上条件下的疲劳性能研究工作，为未来更严格的疲劳设计提供试验数据。

1　轴承钢纯净度控制

对于需要长时间使用、单次核心零件更换间隔时间长，容易发生失效风险的往往是需要承受周期性重型载荷、长期旋转工作的零部件，如轴承、齿轴件等，而材料中的夹杂物是引起零件疲劳的重要原因之一。因此，必须在坯料生产阶段就要采取有效措施降低钢中夹杂物的含量。为了有效的检测并反馈产品的纯净度情况，并杜绝不满足要求的产品交付，兴澄特钢采用了金相显微镜夹杂物评级、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、面分布扫描电镜、超声波探伤、夹杂物萃取、全氧分析等检测手段，定性-定量分析夹杂物的尺寸、数量、成分种类，进而结合冶炼工艺特点，追踪其来源，制定相应的改善措施。

图1所示为高碳轴承用钢GCr15试样经过一定压缩比热锻造后，材料试样电解得到的单个颗粒夹杂物，其主要组成为CaS，伴随少量其它Mg-Si质氧化物，结合其三维形貌特点和冶炼过程追溯，推断其形成机理和原因：

1）LF 精炼初始钢水S含量高于普通炉次；

2）LF 精炼前期钢水搅拌不充分，脱硫动力学条件不良；

3）LF 中后期脱硫产物CaS虽然尺寸达到30μm以上，但钢液流动条件不良，在钢包-中间包-结晶器内此夹杂物颗粒未上浮去除；

4）LF顶渣对于钢中夹杂物的吸附能力不足，是可能的原因之一。

为了提高钢的纯净度，减少上述类型夹杂物的出现，冶炼部门进行了两组因素试验，考察炉渣组成微调对于LF终点钢液中夹杂物的影响。其中方案2为当时正常使用的炉渣组成，用作试验比较，方案1、3为调整后的两组炉渣组成，在LF冶炼终点应用取样器在钢水中取饼状试样，分别编号1-4、2-4和3-4（4代表LF冶炼终点时刻）。试样经过自动制样、电镜面扫（50mm²）统计夹杂物的成分分布（图2-a示意图）、数量、尺寸（图2-b）和平均成分组成（图2-c）。由图2-c可知，LF炉渣调整后无论是方案1或方案3，夹杂物中S含量较方案2均有所下降，方案3中Ca含量较方案1高约12%；从夹杂物尺寸（图2-b）分布来看，方案1夹杂物无论是尺寸还是数量，明显优于方案2，方案3夹杂物数量少于方案2，但试样中检出了较方案2试样中更大的夹杂物（30～40μm）。综合而言从钢的纯净度控制方面方案1炉渣优于方案3炉渣，较原用炉渣（方案3）效果更好，经过多炉试验反复验证，Z终工艺调整炉渣微调至方案1组分，减少了图1类似夹杂物的出现率。在LF炉渣成分微调之后，对钢包吹氩所涉及的全过程进行系统梳理，稳定钢水在钢包内的流动、减少异常情况，确保了轴承钢的纯净和稳定（如图3所示全氧含量）。

发布时间:2022-05-27