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冶金科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng) | 基于非鋁脫氧工藝高品質(zhì)軸承鋼關(guān)鍵冶金技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化

2022-09-13 10:21:00

  完成人
  劉 宇、包燕平、黃永生、顧 超、趙 陽、王 敏、孫光濤、肖 微、陳廷軍、周 苑、莫秉干、王昆鵬、崔宏艷、徐旋旋、沈 艷
  完成單位
  中天鋼鐵集團(tuán)有限公司、北京科技大學(xué)
  背景與意義
  “中國(guó)制造2025”先進(jìn)制造基礎(chǔ)零部件用鋼發(fā)展重點(diǎn):突破先進(jìn)裝備用高性能軸承、齒輪、工具鋼、彈簧、緊固件等用鋼材料、設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用評(píng)價(jià)系列關(guān)鍵技術(shù),高效節(jié)能電機(jī)、高端發(fā)動(dòng)機(jī)、高速鐵路、高端精密機(jī)床、高檔汽車等先進(jìn)裝備用關(guān)鍵零部件用關(guān)鍵材料國(guó)內(nèi)自給率2020年達(dá)到80%,2025年力爭(zhēng)全面自給,關(guān)鍵零部件壽命提高1倍以上。因此高品質(zhì)軸承鋼疲勞壽命提升、生產(chǎn)與評(píng)價(jià)是先進(jìn)裝備用關(guān)鍵零部件材料自給率提升的國(guó)家重大技術(shù)需求。
  近年來,國(guó)內(nèi)軸承鋼的質(zhì)量有了很大提升,部分軸承鋼質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。但是整體看,提高軸承鋼質(zhì)量仍然是提高軸承質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外軸承鋼的生產(chǎn)主要采用鋁脫氧工藝。從脫氧機(jī)理和實(shí)際效果來看,軸承鋼生產(chǎn)中在有效去除鋼液中溶解氧[O]的同時(shí),產(chǎn)生了以下問題:
  超低氧控制難度大
  鋼中Ds夾雜物難于有效控制
  鋼液中Ti元素難于控制
  鋼液流動(dòng)性差
  鋼中Al2O3及尖晶石類夾雜物嚴(yán)重影響軸承鋼的疲勞壽命
  針對(duì)以上問題,中天鋼鐵集團(tuán)公司和北京科技大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了:非鋁脫氧軸承鋼的工藝,其主要控制思路為:
  硅錳預(yù)脫氧+擴(kuò)散脫氧+真空碳終脫氧工藝,由于擴(kuò)散脫氧與真空碳終脫氧均不產(chǎn)生污染鋼液的脫氧產(chǎn)物,因此可以有效提高鋼液潔凈度。
  非鋁脫氧有效減少鋼液中Ti等影響鋼材性能元素的含量。
  優(yōu)化精煉渣組成,減少鋼中Ds夾雜物含量。
  采用非鋁脫氧工藝,大幅度減少了Al2O3夾雜物數(shù)量,提高鋼液的流動(dòng)性,有效減少了大顆粒夾雜數(shù)量。
  有效控制了鋼中夾雜物尺寸和形態(tài),提高疲勞壽命。
  關(guān)鍵技術(shù)
  1.以非鋁組合脫氧(硅錳預(yù)脫氧+擴(kuò)散脫氧+真空脫氧)為特色的軸承鋼低氧控制技術(shù)
 ?。?)工藝路線
  中天非鋁脫氧軸承鋼工藝流程,如圖1所示。
圖1中天非鋁脫氧軸承鋼生產(chǎn)工藝流程
 ?。?)基于硅錳預(yù)脫氧與擴(kuò)散脫氧的軸承鋼前期控氧技術(shù)
  基于硅錳預(yù)脫氧與擴(kuò)散脫氧的軸承鋼前期控氧技術(shù),實(shí)現(xiàn)LF精煉出站時(shí),鋼中溶解氧約15-20 ppm,全氧含量降至20 ppm左右;LF精煉過程中N含量保持在30 ppm以下。LF過程中使用低堿度渣精煉渣,Al2O3含量?jī)H為3-5%,堿度為0.9-1.5。
  (3)基于真空碳氧平衡的軸承鋼深脫氧技術(shù)
  RH過程中的氧、氮含量變化如圖2所示。經(jīng)過RH精煉處理后,鋼中的全氧含量明顯下降,鋼中全氧控制在5-9ppm;RH精煉過程中N含量保持在30 ppm以下。
圖2非鋁脫氧工藝RH精煉過程中氧、氮含量變化
  通過熱力學(xué)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究,在不同真空度下的鋼液碳氧平衡如圖3所示。在真空度67Pa時(shí),碳成為比鋁更強(qiáng)的脫氧劑。真空爐內(nèi)軸承鋼脫氧實(shí)驗(yàn)中氧、氮含量變化如圖4所示,全氧含量可脫至10 ppm以下。在工業(yè)生產(chǎn)中,RH出站鋼中全氧含量已穩(wěn)定控制在5-9 ppm。此外,為了控制真空脫氧過程中的噴濺現(xiàn)象,基于數(shù)模和水模研究結(jié)果提出了步進(jìn)式壓降模式,有效降低噴濺。
 
圖3不同真空度下的鋼液碳氧平衡
圖4真空爐內(nèi)軸承鋼脫氧實(shí)驗(yàn)中氧、氮含量變化
  2.非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動(dòng)性改善關(guān)鍵技術(shù)
  (1)低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系控制
  非鋁脫氧工藝精煉渣成分分別如表1所示,LF精煉渣堿度控制在1左右,SiO2含量為30%左右,此外Al2O3遠(yuǎn)低于鋁脫氧工藝。
表1非鋁脫氧工藝造渣工藝下精煉渣成分 / wt%
  如圖5所示,非鋁脫氧工藝鋼中鋁含量為1-8 ppm、鈦含量為3-8 ppm、硫含量為44-76 ppm。(2)低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系對(duì)鋼液關(guān)鍵成分的控制。
圖5鋼中(a)[Al],(b)[Ti]和(c)[S]含量的比較
 ?。?)軸承鋼夾雜物的體系調(diào)整
  圖6中顯示了兩種脫氧工藝軸承鋼中的主要夾雜物特征,非鋁脫氧軸承鋼中,鋼中最多的氧化物為硅酸鹽,大部分夾雜物尺寸均分布在小于10 μm的范圍內(nèi),尖晶石和鈣鋁酸鹽夾雜物的數(shù)量密度均小于0.85 個(gè)/mm2。在鋁脫氧軸承鋼中,鈣鋁酸鹽、尖晶石和硅酸鹽類夾雜物的數(shù)量密度依次為1.92 個(gè)/mm2,1.68 個(gè)/mm2和1.14 個(gè)/mm2,尺寸大于15 μm氧化物數(shù)量明顯比非鋁脫氧軸承鋼更多。
圖6鋁脫氧和非鋁脫氧軸承鋼中不同類型氧化物尺寸分布
 ?。?)非鋁脫氧軸承鋼流動(dòng)性的改善及機(jī)理研究
  非鋁脫氧工藝對(duì)鋼液澆注性有明顯改善,如圖7所示,非鋁脫氧工藝中間包連澆14爐后,液面曲線平穩(wěn)。表2為不同工藝下小方坯(160 mm×160 mm)連鑄時(shí)中間包的連澆爐數(shù)。
圖7連澆14爐后塞棒及液面曲線
表2不同工藝下連澆爐數(shù)對(duì)比
 ?。?)建立軸承鋼超聲疲勞評(píng)價(jià)方法及滾動(dòng)疲勞驗(yàn)證3.非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機(jī)理及斷裂行為預(yù)測(cè)方法
  本文中采用超聲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)頻率達(dá)到20 kHz,大大縮短試驗(yàn)時(shí)間。采用該系統(tǒng)完成了大量超高周疲勞試驗(yàn),疲勞壽命結(jié)果與滾動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
 ?。?)不同夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂的行為及機(jī)理
  非鋁脫氧軸承鋼的疲勞性能優(yōu)于中天鋁脫氧軸承鋼,非鋁脫氧軸承鋼的斷口裂紋源由夾雜物誘發(fā)的較少;鋁脫氧軸承鋼的斷口裂紋源均為鈣鋁酸鹽。此外,滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)(洛軸所出具)結(jié)果:非鋁脫氧最好,其次為鋁脫氧。
 ?。?)微觀結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型的建立
  為了深入研究不同夾雜物對(duì)疲勞壽命的影響,本研究從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),以微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)行為為基礎(chǔ),建立微觀模型,通過統(tǒng)計(jì)學(xué)原理與宏觀性能關(guān)聯(lián),形成多尺度服役性能預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)裂紋源及疲勞壽命的量化預(yù)測(cè),并將相同尺寸的球型鈣鋁酸鹽類夾雜物和硅酸鹽類夾雜物引入模型,預(yù)測(cè)結(jié)果顯示在相同的疲勞應(yīng)力下的硅酸鹽引起疲勞裂紋源萌生所需周次更長(zhǎng)。
  項(xiàng)目特色和主要?jiǎng)?chuàng)新
  “硅錳預(yù)脫氧+擴(kuò)散脫氧+真空終脫氧”非鋁組合脫氧:通過真空碳終脫氧將鋼中全氧含量控制在5-9ppm的同時(shí),有效控制了鋼中Ti等元素,同時(shí)可以有效控制夾雜物類型;
  非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動(dòng)性改善技術(shù):采用低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系精煉渣,將夾雜物成分控制于低熔點(diǎn)區(qū),鋼中Ds夾雜物得到有效控制,解決了小方坯軸承鋼水口可澆性差的技術(shù)難題;
  非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機(jī)理及斷裂行為預(yù)測(cè)方法:借助超聲疲勞的測(cè)試方法與滾動(dòng)疲勞檢測(cè)相結(jié)合,對(duì)軸承鋼的拉壓疲勞壽命和斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究,建立不同夾雜物對(duì)疲勞性能影響的微觀結(jié)構(gòu)量化模型,基于該模型分析了軸承鋼中主要夾雜物對(duì)疲勞性能的影響。
  實(shí)現(xiàn)了以真空終脫氧為特色的高品質(zhì)鋼生產(chǎn)的技術(shù)集成與工藝創(chuàng)新:一方面可以根據(jù)產(chǎn)品的最終用途,控制鋼中夾雜物的種類;另一方面通過“真空終脫氧”,從源頭上消除了夾雜物的主要來源-脫氧產(chǎn)物,從工藝上非常有利于潔凈鋼的生產(chǎn),為高品質(zhì)鋼的生產(chǎn)提供了一條新的途徑,在眾多高品質(zhì)鋼生產(chǎn)中具有很好的推廣應(yīng)用前景!
  主要技術(shù)指標(biāo)
  本項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。
表3主要技術(shù)指標(biāo)
  查新報(bào)告與知識(shí)產(chǎn)權(quán)
  教育部科技發(fā)展中心針對(duì)本項(xiàng)目的四個(gè)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)的查新報(bào)告結(jié)果如下:在國(guó)內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻(xiàn)和專利中,除本查新項(xiàng)目委托單位公開的專利和本查新項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人及成員發(fā)表的文獻(xiàn)外,未見有基于上述四個(gè)創(chuàng)新技術(shù)。創(chuàng)新點(diǎn)如下:
  “硅錳預(yù)脫氧+擴(kuò)散脫氧+真空脫氧”非鋁組合脫氧軸承鋼低氧控制技術(shù)
  非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動(dòng)性改善技術(shù)
  非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機(jī)理及斷裂行為預(yù)測(cè)方法
  集成以上技術(shù),實(shí)現(xiàn)了軸承鋼小方坯連鑄-高速線材一火成材技術(shù)集成,顯著降低了工序能耗和生產(chǎn)成本。
  本項(xiàng)目相關(guān)成果發(fā)表文章22篇,其中英文13篇,全部是SCI,中文9篇;授權(quán)專利13項(xiàng),其中發(fā)明專利13項(xiàng)。
  經(jīng)濟(jì)效益
  中天非鋁脫氧軸承鋼(GCr15)工藝于2016年底開始研發(fā),并于2017年正式應(yīng)用生產(chǎn),2017年~2022年總計(jì)生產(chǎn)鋼產(chǎn)量約29萬噸,新增產(chǎn)值142481.03萬元,新增利稅44509.71萬元,增收(節(jié)支)總額1460.55萬元。生產(chǎn)的軸承鋼球、軸承套圈、滾子、水泵軸等滾動(dòng)體軸承,廣泛應(yīng)用于福特、吉利、哈弗、大通、東風(fēng)等品牌。

來源:中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)

編輯:張雨恬

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