高等级轴承钢及弹簧钢中夹杂物控制研究

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本文以高等级轴承钢及弹簧钢为研究对象,探索这两个钢种中夹杂物控制的技术和工艺。  首先,通过热力学计算分析了轴承钢中氧化铝、镁铝尖晶石和铝酸钙夹杂形成的热力学条件,作为实验的指导和对照。热力学计算表明,轴承钢单纯采用铝脱氧时,主要脱氧产物是Al2O3,要想获得极低的氧含量,则需要较高的铝含量。在1600℃下,要将钢液中[O]控制在10ppm以下,则需要[Al]超过270ppm。钢液中不可避免会从渣料或耐火材料中带入少量 Mg,经热力学计算,在轴承钢液中,产物一般是MgO?Al2O3夹杂物,不会有纯的MgO出现。  而后,利用高温激光共聚焦显微镜对现场生产的不同处理条件的4炉轴承钢粗轧坯样进行了高温原位观测。将样品加热到炼钢温度,研究其中夹杂物的上浮、碰撞长大和变性过程。高温处理后将样品从炼钢温度迅速降至室温,保存夹杂物高温下的状态,分析高温状态夹杂物的成分和特性。  高温观察发现,轴承钢原始样中夹杂物主要为镁铝尖晶石核心外包覆 CaS;高温实验后的试样中夹杂物则主要是球状铝酸钙夹杂,单纯的镁铝尖晶石极少出现。钢液中液态化程度高的铝酸钙夹杂物相互碰撞以及其与镁铝尖晶石之间的碰撞融合长大是形成 Ds夹杂物的重要原因,降低钢中钙含量可以降低夹杂物中CaO含量,从而可减少Ds夹杂物形成。  同时,在实验室条件下用真空感应炉模拟现场VD炉冶炼GCr15轴承钢,通过控制钢液中[Al]含量和渣料碱度,研究以上冶炼条件对钢液中[O]、[Ca]和钢锭中夹杂物的影响,共完成了12个炉次的轴承钢研究。  研究发现,随着[Al]的升高,钢中的[O]呈现降低的趋势。同时渣料碱度对钢液中氧含量也有影响,高碱度渣料有助于降低钢液中T[O]。渣料碱度增加是钢液中[Ca]增加的主要原因。但只有相当高的碱度才可能导致钢液中明显增钙。在本次实验中,碱度为5以下的渣料都不会使钢液明显增钙,而碱度达到12时则钢液中会明显增钙。夹杂物中的Ca成分也随着渣料碱度的升高而增加。在碱度为2左右时,夹杂物主要是镁铝尖晶石外包覆MnS,未发现Ca元素存在;碱度升高到3~4时,则发现外层出现Ca,变为CaS,并且随着碱度升高,CaS所占比重加大;在碱度更高时,则在钢锭样品中发现铝酸钙的出现。  对于弹簧钢55SiCr,利用现场生产的粗轧坯作为炼钢原料,炼钢时加入Li、K等微量元素的氧化物作为夹杂物改性剂。铸锭凝固后热轧,轧制后取样分析夹杂物长宽比及成分,研究了夹杂物变形能力的影响因素和微量元素Li、K对夹杂物变形能力的影响。经实验研究发现,弹簧钢中夹杂物变形能力主要取决于夹杂物中SiO2与(MgO+CaO)的质量比,比值越大夹杂物变形能力越好。发现K2O对夹杂物变形能力有一定改善,但是效果不显著,可能的原因是夹杂物中K2O成分太低。
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