D0I:10.13374/j.issm1001053x.2000.01.032 第22卷第1期 北京科技大学学报 Vol.22 No.1 2000年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2000 电渣重熔与连铸轴承钢中的夹杂物 周德光” 陈希春) 傅杰》王平” 李晶) 徐明德) 1)北京科技大学冶金学院，北京100083 2)大治特殊钢股份有限公司，黄石435001 摘要研究了电渣重熔前后钢中氧及夹杂物的变化，结果表明：用电渣重熔工艺生产轴承 钢，虽然氧含量比连铸钢高，但其大颗粒夹杂物数量少，尺寸较小，分布均匀，因此疲劳寿命高. 关键词轴承钢：电渣重熔；连铸：夹杂物 分类号TF762:TF777 含1.0%C和1.5%Cr轴承钢是专用钢中质 180mm×180mm轴承钢连铸方坯，从中心线纵 量要求最为苛刻的钢种，该钢种是19世纪末发 剖成90mm×90mm方坯4根，其中两根坯加工 明的，100年来，成分基本没变化，而其疲劳寿 成Φ50mm×150mm大型电解夹杂试样和理化检 命却成倍提高，其主要原因就在于通过治炼方 验试样；剩余的两根方坯在中170mm电渣炉上 法和制备工艺的不断改进使钢的组织均匀性和 电渣重熔，重熔后也直接加工成 纯净度大幅度提高. 50mm×150mm大型电解夹杂试样和相应的理 目前生产普通用途轴承钢，一般采用铝脱 化检验试样.电渣重熔前后大颗粒铸态夹杂物 氧炉外精炼工艺，生产特殊用途轴承钢如航空 进行对比分析.用化学和光谱方法测定钢的化 轴承等，则主要采用电渣重熔或真空电弧重熔. 学成分，扫描电镜(SEM)和电子探针对电解分 炉外精炼工艺，在降低钢中氧含量及夹杂物数 离法（大样电解）萃取的大颗粒夹杂物进行鉴 量方面具有独特的优点，，电渣重熔工艺，在控 定，LECORO-316型仪测定钢中氧含量，TLP机 制钢中夹杂物尺寸和分布等方面优于炉外精炼 做接触疲劳寿命试验. 工艺，因此疲劳寿命高. 为了提高电渣重熔轴承钢的质量，国内外 2试验结果 许多冶金工作者研究过电渣重熔过程中氧化物 2.1连铸坯电渣重榕前后氧含量与夹杂物的变 夹杂的变化规律，对氧化物夹杂的行为进行了 化 比较深入探讨.关于电渣钢夹杂物的形成机理， 不同作者意见不一致.本文旨在进一步探讨电 连铸坯与Φ170mm电渣重熔钢锭的化学成 分、氧氮含量和夹杂物的检测结果列于表1~3 渣重熔过程中夹杂物的行为及其变化规律，为 和图1. 改进工艺提供依据 2.2接触疲劳寿命 1试验方法 接触疲劳寿命试验结果列于表4. 50tEAF-60tLF+VD-CC工艺生产的1根 表1试验钢电渣重熔前后的化学成分及氧氨含量（质量分数） % Table 1 Composition,oxygen and nitrogen contents in experimental steels before and after ESR(mass fraction) 工艺 C Mn P S Si Cr Al Ti N T.0 连铸坯0.99 0.31 0.0100.003 0.28 1.53 0.0220.0020.0080.00102 ESR锭 0.99 0.30 0.009 0.002 0.20 1.48 0.0170.0020.0080.00325 1999-09-13收稿 周德光男，37岁，高工，博士 *国家"九五”科技攻关项目(No.KF94-04-03)
第 2 卷 第 1 期 2 0 0 0 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e r s ity o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij in g 、 b l . 2 2 N o . l F e b . 2 0 0 0 电渣 重熔 与 连 铸轴 承 钢 中 的夹 杂 物 周 德光 ” 陈希春 ` , 傅 杰 ” 1)北京 科技 大学 冶金 学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 王 平 ” 李 晶 ` , 2) 大冶 特殊钢 股份 有 限公 司 , 黄石 4 3 5 0 01 徐 明德 “ , 摘 要 研 究 了 电渣 重熔 前后 钢 中氧及 夹 杂物 的变化 , 结 果表 明 : 用 电渣 重熔 工 艺生产 轴承 钢 , 虽 然氧 含量 比连铸 钢高 , 但 其大 颗粒 夹杂物 数量 少 , 尺寸 较小 , 分布均 匀 , 因此 疲劳 寿命 高 . 关键词 轴承 钢 ; 电渣 重熔 ; 连铸 ; 夹 杂物 分 类号 T F 7 6 2 : T F 7 7 7 含 1 . 0 % c 和 1 . 5 % c r 轴承钢 是 专用钢 中质 量要求最 为苛刻 的钢 种 , 该钢 种是 19 世 纪末发 明 的 , 10 0 年来 , 成 分基本没 变化 , 而 其疲 劳寿 命却 成倍提高 . 其主 要 原 因就在 于 通过 冶炼 方 法和 制备工艺 的不 断改进 使钢 的 组 织均匀性和 纯净度 大幅度提 高 . 目前 生 产普通 用 途轴承 钢 , 一 般采用铝 脱 氧炉 外精炼工 艺 , 生产特 殊用途 轴承钢 如航 空 轴承等 , 则主 要采用 电渣重熔或真空 电弧重熔 . 炉外精 炼工 艺 , 在 降低 钢 中氧含 量及夹 杂物 数 量方面具 有独特 的优点 〔, ,z] ; 电渣 重熔工 艺 , 在控 制钢 中夹杂物尺 寸和 分布等方面优于 炉外精炼 工 艺 , 因 此疲劳 寿命高 「3一 5] . 为了 提高 电渣 重熔轴 承钢 的质量 , 国 内外 许 多冶 金工作者研 究过 电渣 重熔 过程 中氧化物 夹 杂的变化规 律 , 对 氧化物夹 杂的行 为进行 了 比较深入探讨 . 关于 电渣钢 夹杂物 的形成机理 , 不 同 作者意 见 不 一 致 . 本文 旨在进一 步探 讨 电 渣 重熔 过程 中夹杂物 的 行为及 其 变化规律 , 为 改进工 艺 提供 依据 . 18 0 m m x l 8 O m m 轴承钢 连铸方坯 , 从 中心 线纵 剖成 90 m m x9 0 1l l m 方坯 4 根 , 其 中两 根坯加工 成中50 ~ x1 50 力匡n。 大型 电解 夹杂试样和 理化检 验试 样 ; 剩余 的两根方坯在小17 0 ~ 电渣炉上 电 渣 重 熔 , 重 熔 后 也 直 接 加 工 成 中50 m m x 1 50 m m 大型 电解夹杂试样和 相 应 的理 化检 验试祥 . 电渣重熔 前后 大颗粒铸 态夹杂物 进行 对 比分析 . 用化 学和 光谱方法测 定钢 的化 学成 分 , 扫描 电镜 (S E M ) 和 电子探针 对 电解分 离法 ( 大样 电 解 ) 萃取 的大颗粒 夹杂 物进行鉴 定 , L E C O R O 一 3 16 型 仪测定钢 中氧含量 , T L P 机 做接 触疲劳寿命 试验 . 1 试验 方法 2 试 验结 果 .2 1 连 铸坯 电渣 重熔前 后氧 含量 与夹 杂物 的变 化 连铸 坯与中 1 70 m m 电渣重熔 钢锭 的化学成 分 、 氧氮 含量和 夹杂物 的检测 结果 列于 表 1一 3 和 图 1 . .2 2 接 触疲 劳寿命 接触 疲劳寿命 试验结果 列于 表 4 . 5 0 tE A F 一 60 tL F+ V D 一 C C 工 艺 生 产 的 1 根 表 1 试 验钢 电渣重 熔前后 的 化学成 分 及氧氮 含 量 (质 量分 数 ) % aT b l e 1 C o m P o s i t i o n , o xy g e n a n d n it r o g e n e o n t e n t s i n e x P e r i m e n t a l s t e e ls b e fo er a n d a ft e r E S R (m a s s fr a e ti o n ) 工艺 C M n P 5 5 1 C r A I iT N .T O 连铸 坯 0 . 9 9 0 . 3 1 0 . 0 1 0 0 . 0 0 3 0 . 2 8 1 . 5 3 0 . 0 2 2 0 . 0 0 2 0 . 0 0 8 0 . 0 0 1 0 2 E S R 锭 0 . 9 9 0 . 3 0 0 . 0 0 9 0 . 0 0 2 0 . 2 0 1 . 4 8 0 . 0 1 7 0 . 0 0 2 0 . 0 0 8 0 . 0 0 3 2 5 19 9 一 09 一 13 收 稿 周德 光 男 , 37 岁 , 高工 , 博 士 * 国家 ” 九五 “ 科技 攻关 项 目 (N 。 . K F 9 4 一 0 4 一 0 3) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 01. 032
Vol.22 No.1 周德光等：电渣重熔与连铸轴承钢中的夹杂物 027 表2电遭重熔前后钢中大型夹杂物含量与粒径分布 Table 2 The larger size inclusion content and particle diameter distribution in experimental steel before and after ESR 试样 样品质量 夹杂质量与含量 不同粒径夹杂物的个数 ma/kg m/mg w/x10 <50m50-80m80-90m90-100m 连铸坯 2.115 0.2 0.095 12 1 2 ESR锭 2.135 0.2 0.094 b 2 0 0 转炉钢坯 3.022 71.4 23.81 表3连铸还与电渣重熔铜锭中典型夹杂物的成分（质量分数） Table 3 The typical inclusion content in CC billet and ESR steel (mass fraction) 中 试样 Fe Mn Ti Cr Na Ca K Al Si 连转坏0.26 29.17 5.44 0.13 0.14 4.06 0 27.0828.455.27 ESR锭D 29.884.83 0.29 0 5.12 0 32.0127.140.76 图1连铸坯(@)与电渣锭心)中典型大颗粒夹杂物的扫描电镜照片 Fig.1 The larger size typical inclusion in CC billet and ESR steel (SEM) 表4连铸与电渣重熔轴承铜接触疲劳试验结果？ 衡，对轴承钢而言，有可能的元素只有碳和铝， Table 4 The contact fatigue life of CC and ESR bearing 与钢中碳平衡的溶解氧计算如下周： steel [C]+[O]-CO (1) 工艺 疲劳寿命： 其平衡常数为： Li/x10 L/x10' Weibull斜率a 连铸材 3.21 14.55 1.25 Koo=ac:ao_k'wc:fo.wo (2) Pco ESR材 171.6 803.8 122 1gKo=-1160-2.00 T (3) 3电渣重熔钢夹杂物的形成机理 通过相互作用系数%和（可计算6和C,在 15601760℃温度范围内，反应(1)达到平衡时， 试验结果表明，电渣钢氧和夹杂物含量与 其关系式为： 原始氧及夹杂物含量没有直接关系，不论原始 1g"s"e-0.19-wg=-160-2.00 (4) 含量高低，电渣钢氧含量一般都稳定在1.5×10 pco T 由(4)式计算在1600℃，peo0.1MPa 3×10’,夹杂物含量为3×106×10列.在自耗 wc-1.0%时，钢中的溶解氧w37×10·,与试验 电极和凝固后的电渣锭中，氧基本上是以氧化 结果不符， 物夹杂的形式存在于钢中. 与钢中铝平衡的溶解氧计算如下： 电渣重熔过程中电极从室温到熔化以前， 2[AI]+3[O](ALO) (5) 溶解氧极低，从液滴形成到通过熔渣层而进入 相应的平衡常数为： 金属熔池过程中，由于强烈的渣钢作用，原始夹 杂物或被熔渣吸附去除，或变成溶解氧，溶解氧 Kaoao=Wiawor (6) &ALOS CAIS 不断增加，逐渐达到平衡.如果与钢中的元素平 IgKA=-64000 T +20.48 (7)
·28· 北京科技大学学报 2000年第1期 考虑到元素的相互作用系数，在1600℃时 从渣传递到金属液层、熔滴或熔池中，如果钢液 钢中溶解氧与铝的关系式为： 中A1含量较高时，它将立即与AI反应：当AI很 lww--4.437-lgw+I.17wj (8) 低或没有时，在液滴及金属熔池冷却结晶过程 中，随着温度的降低，钢中氧溶解度减小，过剩 根椐式(8)计算与钢中不同铝含量平衡的溶 解氧含量示于表5.试验结果表明，电渣重熔轴 的氧要与钢中元素(Si,Mn,Cr,Fe等)作用，反应 承钢中的酸溶铝一般在0.01%-0.05%之间，从 产物在金属液冷却结晶过程中靠浮升去除的可 表中可以看出，平衡溶解氧的范围应为8.09 能性很小，大部分将残存于钢中，从而成为电渣 ×10-6-3.08×10,本次试验电渣重熔后钢中的酸 钢中的夹杂物.由此可以解释目前电渣重熔轴 溶铝为0.017%（见表1），与之平衡的溶解氧为 承钢氧化物夹杂保特在0.003%0.006%，与之 5.79×10,与试验结果相差较远. 对应钢中总氧含量为1.5×10-3×10-.这些夹杂 主要是由重熔钢液所含溶解氧（计算值为1.64× 表51600℃时与钢中不同铝含量相平衡的溶解氧含量 10-5-3.55×10~5),在金属熔池冷却结晶过程中与 Table 5 Dissolved oxygen content in equilibrium with 钢中元素作用转变而来的. the different aluminum in steel at 1 600 C 电渣重熔过程中氧的行为表现为两个方 WLAI)/ 0.010.0170.020.030.05 面，第一个方面：大气和自耗电极表面的氧化铁 wioj /x10-6 8.095.795.244.113.08 皮使渣中的氧势一直处于较高水平，自耗电极 因此，可以认为电渣重熔过程中，自耗电极 端头金属呈薄层熔化形成细小熔滴以前，其钢 端部金属呈薄层熔化，形成细小熔滴，其溶解氧 中的溶解氧极低，几乎为零.细小熔滴形成阶 与熔渣保持平衡；并认为炉外精炼(LF+VD)过 段，由于强烈的渣钢作用，自耗电极中的原始夹 程中与炉渣接触的极薄层钢水的溶解氧亦是与 杂物或被熔渣吸附去除或变成溶解氧，同时渣 渣平衡，但钢包中的大部分钢水的溶解氧是与 中的氧将逐渐向钢液中传递，很快达到平衡.第 钢中的铝平衡.为了验证此结论，我们对重熔结 二个方面：钢中铝含量较高时，熔解氧将立即与 束时的熔渣进行了分析测定，用分子-离子共存 其反应生成A1,O,它们大部分将残存于钢中成 模型uo对渣中FeO的活度aeo及与之平衡时重 为电渣钢的夹杂物：钢中铝含量极低或没有时， 熔钢液中的熔解氧含量进行计算， 在液滴及金属熔池冷却结晶过程中，随着温度 nMo 么o-ncn4h+nro+n0+1.5no+0.5行 (9) 的降低，钢中氧溶解度减小，过剩的氧要与钢中 1g"0=_6320+2.734 (10) 元素作用，反应产物在金属熔池冷却结晶过程 CFeo T 中靠浮升去除的可能性很小，大部分将残存于 由(9)式求出渣中FeO的活度，将aro值代 钢中，从而也成为电渣钢中的夹杂物.影响电渣 入(10)式求出达到平衡时重熔钢液的溶解氧，结 钢中总氧含量的决定因素是渣中ao值，自耗 果见表6.从表中可以看出，渣中FeO的含量波 电极的原始氧含量影响较小.试验结果表明，采 动在0.4%~0.8%之间，其活度a0为 用氟气保护、自耗电极表面涂层、向炉渣表面加 0.0085-0.0155,与之平衡时钢液中的溶解氧含 铝粉等措施，达到降低渣中ao值的目的，最终 量为1.64×10-5-3.55×10-5，但是应当指出：当氧 表6熔渣的质量分数、物质的量和a心值以及与之平衡的钢中氧含量 Table 6 The chemical composition,mole number,a of slag and oxygen content in steel CaF, 1560℃1600℃ 编号 Cao Mgo FeO A1:03 QED w/%n/mol w/%n/mol w/%n/mol w/%n/mol w/%n/mol w/%n/mol wo/x10。wm/x10 1 44.300.795.000.1250.550.00765.410.090237.100.365.600.0720.0106 20.5 24.3 2 43.900.784.900.1230.780.01085.320.088738.250.385.300.0680.0155 29.9 35.3 3 47.150.844.700.1180.630.00885.620.093741.190.404.820.0620.0122 23.5 27.9 4 45.490.815.080.1270.640.00897.470.124539.150.384.390.0560.00135 26.1 30.9 45.150.815.570.1390.490.00685.100.085033.270.336.080.0780.0087 16.8 19.9 643.290.775.550.1390.760.01064.030.067234.240.345.930.0760.0138 26.6 31.6 744.630.804.790.1200.470.00653.390.056234.340.344.860.0620.0085 16.4 19.5 843.590.784.890.1220.510.00713.470.057835.260.354.360.0560.0097 18.7 22.2
北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 1 期 考虑 到 元素 的相 互 作用 系数 , 在 1 6 0 ℃ 时 钢 中溶解氧 与铝 的 关系式为 〔9] : J ` _ _ 2 , ` . _ 、 _ 、 l g w 「O : 一4 · 4 3 7 一言lg w : , , 1+ 1 · 17 w 。 · l : ( 8 ) 根据式 (8) 计算与钢 中不 同 铝 含量平衡 的溶 解氧含 量 示于 表 5 . 试验结 果 表 明 , 电渣重熔轴 承钢 中的 酸溶铝 一 般在 .0 01 % 一.0 05 % 之 间 , 从 表 中可 以看 出 , 平 衡 溶 解 氧 的 范 围应 为 .8 09 x1 0 一 6一 3 . 08 xl o 一 “ , 本次试验 电渣重熔后钢 中 的酸 溶铝 为 .0 01 7 % (见 表 l) , 与 之平衡 的溶解 氧 为 5 . 7 9 “ 1 0一 , 与试验 结 果 相 差 较远 . 表 5 1 60 0 ℃ 时 与钢 中不 同铝含 量相 平衡 的溶 解氧 含量 aT b l e 5 D i s s o vl e d o x y g e n e o n et n t in e q u i li b r i u m w it h th e d i f fe r e n t a lu m i n u m in s t e e l a t 1 6 0 0 ℃ ù, 0 4 ù w 一, [ 、 !〕 /% 0 . 0 1 w r o 〕 / X 10 一 6 8 . 0 9 0 . 0 17 5 . 7 9 0 3 0乃5 1 1 3 , 0 8 因 此 , 可 以认为 电渣重熔过 程 中 , 自耗 电极 端部 金属 呈 薄层熔化 , 形 成细 小熔滴 , 其溶解氧 与熔 渣保 持平衡 ; 并认 为 炉外 精炼 (L F 十V D ) 过 程中与炉渣接触 的极薄层 钢 水 的溶解氧亦是与 渣平 衡 , 但钢 包 中的 大部 分钢 水 的溶解 氧是 与 钢 中 的铝 平衡 . 为了验 证 此结论 , 我们 对重熔结 束时 的熔渣进行 了分析测定 , 用 分子一 离子 共存 模型 「` 0] 对渣 中 eF O 的活度 “ 凡。 及 与 之平衡 时重 熔钢 液 中 的熔解 氧含量 进 行计算 . a M ( ) = n c ao 。 。 l + n F心 + n M ll o + 1 . s n 。 。 F + 0 . 5 ) l只2些匹 二 一 a F e O 6 3 2 0 T + 2 . 7 3 4 ( 9 ) ( 10 ) 由 ( 9) 式求 出渣 中 F e O 的 活 度 , 将 a F e。 值 代 入 ( 1 0) 式 求 出达到 平 衡时重熔钢 液的溶解氧 , 结 果 见 表 6 . 从表 中可 以 看 出 , 渣 中 eF O 的含 量波 动 在 .0 4 % 一.0 8 % 之 间 , 其 活 度 “ * 。 为 0 . 0 0 8 5一 0 . 0 15 5 , 与之平 衡 时 钢 液 中 的溶 解 氧含 量 为 1 . 6 4 “ 10 ~ 5一 3 . 5 5 ` 1『 , , 但 是应 当 指 出 : 当氧 从渣传递 到金 属 液层 、 熔滴或熔 池中 , 如 果 钢 液 中 A l 含 量 较高时 , 它 将立 即 与 A I 反应 ; 当 lA 很 低或 没 有 时 , 在液滴及 金 属 熔池冷 却 结 晶过 程 中 , 随着温 度的 降低 , 钢 中氧溶解 度减 小 , 过 剩 的 氧要 与钢 中元 素( iS , M n , C r , F e 等)作 用 , 反 应 产 物在金属 液冷 却 结晶 过 程中靠 浮 升去 除的可 能 性很小 , 大部 分将残存于 钢 中 , 从而 成 为电渣 钢 中 的夹 杂物 . 由此可 以解释 目前 电渣 重熔轴 承 钢 氧化物 夹杂保持 在 0 . 0 03 %刁 . 0 06 % , 与 之 对应钢 中总氧含量 为 1 . s xl o 一 5一3 xl o 一 , , 这些夹杂 主 要 是 由重熔钢 液所 含溶解氧 (计算值 为 1 . 6 4 又 1-0 5一3 . 5 5 ` 10 一 5 ) , 在金属熔池冷 却 结 晶过程 中与 钢 中 元素 作用转变而 来 的 . 电 渣 重熔 过 程 中氧 的 行 为 表 现 为两 个 方 面 , 第一 个方面 : 大 气和 自耗 电极表面的 氧化 铁 皮使渣 中 的氧势 一 直 处 于 较 高水平 , 自耗 电 极 端 头金 属 呈 薄层 熔 化形成 细 小熔 滴 以前 , 其 钢 中的 溶解氧 极 低 , 几 乎 为 零 . 细 小熔滴 形成阶 段 , 由于 强 烈 的渣钢 作用 , 自耗 电极 中的原始夹 杂物或 被熔渣 吸 附去 除或变 成溶解氧 , 同 时 渣 中的氧将 逐渐 向钢 液中传递 , 很快达到平 衡 . 第 二 个方面 : 钢 中铝 含量较高时 , 熔解氧将立 即与 其反 应 生 成 1A 2 O 3 , 它 们 大部 分 将 残存 于 钢 中成 为 电渣钢 的夹杂物 ; 钢 中铝 含量极低或 没 有时 , 在液滴及 金 属 熔池冷 却 结晶过程 中 , 随着温 度 的 降低 , 钢 中氧溶解 度减 小 , 过 剩 的氧要与钢 中 元素作 用 , 反 应 产物在金 属 熔池冷 却 结 晶过程 中靠 浮 升 去 除 的可 能 性很 小 , 大 部分将残存 于 钢 中 , 从而 也 成 为 电渣钢 中的 夹杂物 . 影响 电渣 钢 中总 氧含量 的决定 因素是渣 中 a F 。。 值 , 自耗 电极 的原始氧含量影响 较小 . 试验 结果 表 明 , 采 用氛气 保护 、 自耗 电极表面涂层 、 向炉渣表面加 铝 粉等措 施 , 达 到 降 低 渣 中 “ F 。。 值 的 目的 , 最 终 表 6 熔渣 的质 量分 数 、 物 质 的量和价 c。 值 以 及与之 平衡 的钢 中氧 含量 aT b l e 6 T h e c h e m i e a l e o m P o s i t i o n , m o l e n u m b e r, a F。 。 o f s l a g a n d o x y g e n e o n t e n t i n s t e e l 编 号 M g O Fe O 5 10 2 A 1 2 O : C a F Z w Z% n /m o l w /% 4 4 3 0 0 . 7 9 5 . 0 0 4 3 . 9 0 0 7 8 4 . 9 0 4 7 1 5 0 , 8 4 4 . 7 0 4 5 . 4 9 0 . 8 1 5 . 0 8 4 5 . 15 0 , 8 1 5 , 5 7 4 3 2 9 0 卜 7 7 5 . 5 5 4 4 石3 0 . 8 0 4 . 7 9 4 3 5 9 0 . 7 8 4 . 8 9 n / m o l w / % n /m o l w / % n / m o l w /% 0 . 5 5 0 . 0 0 7 6 5 . 4 1 0 刀 9 0 2 3 7 . 10 0 . 7 8 0 . 0 10 8 5 . 3 2 0 乃 8 8 7 3 8 之5 0 . 6 3 0 . 0 0 8 8 5 . 6 2 0 . 0 9 3 7 4 1 . 19 0 . 6 4 0 . 0 0 8 9 7 . 4 7 0 . 1 2 4 5 3 9 . 1 5 0 , 4 9 0 . 0 0 6 8 5 . 1 0 0 . 0 8 5 0 3 3 . 2 7 0刀 6 0 . 0 1 0 6 4 . 0 3 0 . 0 6 7 2 3 4 . 2 4 0 . 4 7 0 . 0 0 6 5 3 . 3 9 0 . 0 5 6 2 3 4 . 3 4 0 . 5 1 0 . 0 0 7 1 3 . 4 7 0 . 0 5 7 8 3 5 . 2 6 n / m o l w /% n 八1 1 0 1 0 . 0 7 2 0 0 10 6 0 . 0 6 8 0 . 0 15 5 0 . 0 6 2 0 . 0 12 2 0 . 0 5 6 0 0 0 1 3 5 0 . 0 7 8 0 0 0 8 7 0 . 0 7 6 0 . 0 1 3 8 0 . 0 6 2 0 . 0 0 8 5 0 . 0 5 6 0 0 0 9 7 1 5 6 0 ℃ 1 6 0 0 ℃ w [。 z / X 1 0 一 ` w [ . ) ] / x l o 一 6 2 0 . 5 2 4 . 3 2 9 9 3 5 . 3 2 3 . 5 2 7 . 9 2 6 . 1 3 0 . 9 1 6 8 19 . 9 2 6 . 6 3 1 . 6 1 6 4 1 9 . 5 1 8 , 7 2 2 2 nU209只气J ù 6`U 6 气jo八内 098 6ē料了ù 气」 0 0凸, J4 ó、 丹,、 ù j4 介J气,、内门ù `气jo八门J2 gQ 产 02 一, 21 、`八ù,、石, 2 ,. 1 刁人.1 . J ,且J .且, , 且
Vol.22 No.1 周德光等：电渣重熔与连铸轴承钢中的夹杂物 .29· 可将电渣钢氧含量降到1.5×10-左右~.从大样 且其组织致密，因此它的疲劳寿命高. 电解夹杂的结果可以看出（见表1~3与图1），无 不同的冶炼方法，氧含量即使相同，其疲劳 论是从夹杂物形貌、尺寸及数量来看，电渣重熔 寿命也完全不一样，同一冶炼方法和大量试验 前后的夹杂物都是不一样的.连铸坯的氧含量 条件下，有可能确定氧含量和疲劳性能之间的 较低(1.02×10)，但其钢中大颗粒夹杂物多（共 关系，对电渣钢而言，影响其疲劳寿命的主要因 19个)，尺寸大于50um的夹杂物有7个，最大的 素是钢中夹杂物的性质、形态、尺寸和分布，氧 夹杂物为100μm;电渣钢的氧含量高(3.25× 含量的影响较小.例如，采用酸性渣重熔，可以 10),但大颗粒夹杂物少（共13个），大于50m 降低钢中脆性夹杂物的含量，增大塑性夹杂物 的只有3个，最大的为60m左右.虽然从大颗 的比例，虽然它不大可能降低钢中氧含量，甚至 粒夹杂物的成分来看，连铸坯与电渣钢没有本 氧含量还会升高，但是其重熔钢中的夹杂物具 质上的区别（见表3），重熔前后钢中的大颗粒夹 有塑性，并且细小分散，和金属在加工过程中一 杂物都是复合夹杂物，但是从夹杂物数量来看， 起变形，不会严重地导致局部应力集中，使其疲 无论原始夹杂物数量有多少，电渣重熔后钢中 劳裂纹萌生期大大延长，所以疲劳寿命高 夹杂物都稳定在0.003%~0.006%，并且电渣重熔 过程中大颗粒夹杂是最先被去除，由此也可 5结论 以证明，电渣重熔过程中，自耗电极中的原始夹 杂物可基本去除，重熔钢中的夹杂主要是金属 (1)电渣重熔过程中，自耗电极中原始夹杂 可基本去除或溶解，重熔钢中的夹杂主要是金 熔池冷却结晶过程中新生成的 属熔池冷却结晶过程中新生成的， 4钢的纯净度与疲劳寿命 (2)虽然电渣重熔钢的氧含量比连铸钢高， 但是其夹杂物主要是在金属熔池冷却结晶过程 瑞典SKF公司和日本山阳特殊钢公司对轴 中新生成的，聚集长大的可能性减小，因此，其 承钢氧含量与疲劳寿命的关系，做过大量的试 大颗粒夹杂物数量少，尺寸较小，分布均匀，其 验研究工作，得出了明确的结论，即随着氧含量 材质的疲劳寿命高. 的降低，轴承材质的疲劳寿命相应提高.但是 参考文献 应当指出的是，氧含量与疲劳寿命的关系是辩 证的关系，不是绝对的，因为氧含量对钢的质量 1 Akesson J,Lund T.SKF Rolling Bearing Steels-Properties and Processes.Ball Bearing Journal,1983,217(10):32 是一个有用的但不完整的标志，钢中氧含量的 2 Toshikazu Uesugi.Recent Development of Bearing Steel 高低，实际上只能代表钢中氧化物夹杂的数量 in Japan.Transactions of the Iron and Steel Institute of Ja- 大小，在量上它不能代表疏化物和氨化物的高 pan,1988,28(11):893 低，更不用说夹杂物的性质、形态、尺寸和分布 3傅杰，朱觉.电渣重熔过程中氧化物夹杂的变化.金 了.通常，一个轴承件的破坏，往往是由许多夹 属学报，1964,7(3)：250 杂物中的一个大型夹杂物引起，这些夹杂物有 4王昌生，刘胜国，徐明德，等.降低电渣重熔GC15钢 的氧含量.特殊辆，1997,18(3)：31 硫化物(A类)、氧化物(B、C、D类)和氮化物.从 5周德光，王平，傅杰，等.轴承钢电渣重熔过程中氧的 这个意义上说，夹杂的尺寸和分布对疲劳寿命 控制及作用研究.钢铁，1998,33(3)：13 影响最大，本次试验也证实了这一结论：对连铸 6吴巍.连铸中间包钢液流动控制及治金效果研究：[学 钢而言，钢中氧含量降低，夹杂物的数量减少， 位论文].北京：北京科技大学，1999 类型改善.但是，这绝不意味着大颗粒夹杂物的 7周德光，傅杰，王平，等.轴承钢连铸坯碳偏析的形成 机理及影响因素.北京科技大学学报，1999,21(2)：131 完全消失.因为钢在凝固过程中，夹杂物存在着 8F奥特斯著，钢治金学.倪瑞明等译.北京：治金工业 聚集、长大的条件.而电渣钢有它独特的优越 出版社，1997 性.虽然有一定残氧量存在(1.5×105-3×10)，就 9徐增启.炉外精炼.北京：治金工业出版社，1994 其含量而言，比连铸钢高得多，但是它的夹杂物 10曲英.炼钢学原理.北京：治金工业出版社.1980 都是在金属熔池冷却结晶过程中新生成的，聚 山傅杰.电渣重熔过程中氧化物夹杂去除机理探讨.金 属学报，1979,15(4)：526 集、长大的可能性减小，其尺寸细小，分布均匀 不仅电渣钢中夹杂物尺寸比连铸钢小得多，而
V 6 1 . 2 2 N o . l 周 德光 等 : 电渣重 熔 与连铸 轴承 钢 中的夹 杂物 可 将 电渣 钢 氧含 量降 到 l . s xl o 一 5左 右 `4] . 从 大样 电解夹 杂 的结果 可 以 看 出 (见表 1一 3 与 图 l) , 无 论是 从夹杂物形貌 、 尺 寸及 数量来看 , 电渣 重熔 前后 的夹 杂物都 是 不 一 样 的 . 连铸 坯 的氧含量 较 低 ( 1 . OxZ 1O 一 5 ) , 但其 钢 中大颗 粒夹杂物 多 (共 19 个 ) , 尺寸大于 50 林m 的 夹 杂物有 7 个 , 最大 的 夹 杂物 为 10 0 林m ; 电 渣 钢 的 氧 含 量 高 (3 . 2 x5 1-0 5 ) , 但大颗粒 夹杂物 少 (共 13 个 ) , 大 于 50 脚 的只 有 3 个 , 最 大的 为 60 娜 左右 . 虽 然 从大颗 粒 夹杂物 的成 分来看 , 连铸 坯与 电渣钢 没 有本 质 上 的 区 别 (见 表 3) , 重 熔前后 钢 中 的大颗粒 夹 杂物都是 复合夹杂物 , 但是从夹杂物数量来看 , 无 论原始夹 杂 物数 量有 多少 , 电渣重熔 后 钢 中 夹杂物都稳定 在 .0 0 03 % 一0 . 0 06 % , 并且 电渣重熔 过 程 中大颗粒 夹杂是 最 先 被去 除 『, ’ 〕 , 由此 也 可 以证 明 , 电渣重熔过 程 中 , 自耗 电极中 的原 始夹 杂物可 基本去 除 , 重熔钢 中的夹杂主 要 是 金属 熔池冷 却 结 晶过 程 中新 生成 的 . 月 其 组 织致密 , 因 此它 的疲 劳寿 命高 . 不 同 的冶炼方法 , 氧含量 即使相 同 , 其疲劳 寿命也 完 全不 一 样 . 同 一冶 炼方法 和 大量 试验 条件下 , 有可 能确 定氧含量 和 疲劳性 能之 间的 关系 . 对 电渣 钢而 言 , 影 响 其疲 劳寿命 的主 要 因 素 是 钢 中夹杂物 的性 质 、 形 态 、 尺寸 和 分布 , 氧 含量 的影 响 较小 . 例 如 , 采用酸 性渣重熔 , 可 以 降低钢 中脆 性夹杂物 的 含量 , 增 大塑 性 夹杂物 的比例 , 虽 然它不 大可 能降低钢 中氧含量 , 甚至 氧 含量还会 升高 , 但是 其重熔钢 中的夹杂物 具 有 塑性 , 并且细 小分散 , 和 金属 在 加工 过程 中一 起变形 , 不会严重地 导致局 部应力集 中 , 使其疲 劳裂 纹萌生 期大大延长 , 所 以疲劳寿命 高 . 4 钢 的纯 净度 与疲 劳寿 命 瑞典 S K F 公 司 和 日本 山阳 特殊钢 公 司对轴 承钢 氧含 量与疲 劳寿命 的关 系 , 做 过大量 的试 验研 究工 作 , 得出 了明确 的结 论 , 即 随着氧含量 的 降低 , 轴承材质 的疲劳寿命相应提 高 `, ,2] . 但是 应 当指 出 的是 , 氧 含量 与疲劳寿 命 的关系是 辩 证的关系 , 不 是绝对 的 , 因 为氧含 量对钢 的质量 是 一 个有用 的但不 完整 的标 志 , 钢 中氧含量 的 高低 , 实际 上只 能代 表钢 中 氧化物夹 杂 的数量 大 小 , 在 量上它 不 能 代表硫 化物和氮化 物 的高 低 , 更不用 说 夹 杂物 的性质 、 形态 、 尺 寸 和 分布 了 . 通常 , 一 个轴 承 件 的破 坏 , 往往是 由许 多夹 杂物 中的一 个 大型 夹 杂物 引起 , 这些 夹杂物有 硫 化 物休 类 ) 、 氧 化物 (B 、 e 、 D 类 )和 氮化物 . 从 这个意义上 说 , 夹 杂 的 尺 寸和 分 布 对疲 劳 寿命 影 响最大 . 本次试验也 证 实 了这一 结论 : 对 连铸 钢 而言 , 钢 中氧含量 降低 , 夹 杂物 的数 量 减少 , 类型 改善 . 但是 , 这绝不 意味着大颗粒夹杂物的 完全 消 失 . 因 为钢 在 凝 固过程 中 , 夹杂物存在着 聚 集 、 长 大的 条件 , 而 电渣钢 有 它 独特 的优越 性 . 虽 然有 一 定残氧量存在(1 . 5 x 10 一 5一3 又 1 0 一 今 , 就 其含量而言 , 比连铸钢 高得 多 , 但是 它的 夹杂物 都是 在金 属 熔池 冷却 结 晶 过 程 中新 生 成的 , 聚 集 、 长大 的 可能性减小 , 其尺 寸细 小 , 分布均匀 . 不仅 电渣 钢 中夹 杂物尺 寸比 连铸钢 小 得多 , 而 5 结论 ( l) 电渣重熔 过程 中 , 自耗 电极 中原始夹杂 可基本 去 除或 溶 解 , 重熔 钢 中的夹 杂 主 要是 金 属 熔池 冷却 结晶 过程 中新 生成 的 . (2) 虽 然 电渣 重熔钢 的氧 含量 比连铸钢 高 , 但是 其夹杂物主 要是 在金属 熔池冷却 结 晶过程 中新 生 成的 , 聚 集长 大 的可 能 性减小 , 因此 , 其 大颗粒 夹杂物数 量 少 , 尺寸较 小 , 分 布均匀 , 其 材质 的疲 劳寿命 高 . 参 考 文 献 1 A k e s s o n J , L u n d .T SK F R o lli n g B e ar i n g s t e e l s一 r o Pe rt i e s a l l d P r o e e s s e s . B a l l B e ar i ng j o u m a l , 19 8 3 , 2 1 7 ( 10 ) : 3 2 2 oT s h ik a z u U e s u g i . eR e e n t D e v e I o Pm e nt o f B e ar i n g S t e e l i n Jap an . 1丫a l l s a c ti o n s o f ht e I r o n a n d s t e e l ln s t itu t e o f j a - P a n , 19 8 8 , 2 8 ( 1 1 ) : 8 9 3 3 傅 杰 , 朱觉 . 电渣 重 熔过 程 中氧化 物夹 杂的变 化 . 金 属学 报 , 1 9 6 4 , 7 ( 3 ) : 2 5 0 4 王 昌生 , 刘胜 国 , 徐 明德 , 等 . 降低 电渣 重熔 G Cr 1 5 钢 的氧 含量 . 特殊 钢 , 1 9 9 7 , 18 ( 3 ) : 3 1 5 周德 光 , 王 平 , 傅杰 , 等 . 轴 承钢 电渣重熔 过程 中氧 的 控制 及作 用研 究 . 钢 铁 , 1 9 9 8 , 3 3 ( 3 ) : 1 3 6 吴巍 . 连 铸 中间包钢液 流动 控制及 冶金 效果研 究 : 〔学 位 论 文〕 . 北 京 : 北 京科 技大 学 , 1 9 9 9 7 周德 光 , 傅 杰 , 王平 , 等 . 轴 承钢连 铸坯 碳偏析 的形 成 机 理及影 响因 素 . 北京科技大学 学报 , 1 9 9 9 , 21 (2) : 1 31 S F 奥特 斯 著 . 钢 冶金 学 . 倪 瑞 明等 译 . 北京 : 冶 金工业 出版社 , 19 9 7 9 徐增 启 . 炉外 精炼 . 北京 : 冶金 工业 出版 社 , 19 94 10 曲英 . 炼钢 学 原理 . 北京 : 冶金 工业 出版社 , 19 80 1 傅 杰 . 电渣重 熔过程 中氧 化物夹 杂 去除机理探 讨 . 金 属 学报 , 19 7 9 , 1 5 ( 4 ) : 5 2 6
·30· 北京科技大学学报 2000年第1期 Inclusions in Electroslag Remelting and Continuous Casting Bearing Steels ZHOU Deguang,CHEN Xichun,FU Jie,WANG Ping",LI Jing",XU Mingde 1)Metallurgy School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Daye Special Steel Co Daye,Huangshi435001,China ABSTRACT Changes of oxygen and inclusion during electroslag remelting(ESR)of bearing steel have been investigated.Although the oxygen content in ESR steel is higher than that of continuous casting(CC) steel,the fatigue life of ESR steel is higher than the latter because of its less large size and well dispersed in- clusions. KEY WORDS bearing steel;electroslag remelting;continuous casting;inclusion 米米※※米米米米米*米米米米米米米米米米米米米米米*米米米米米来米米米米米米米米米米米 (上接18页) 参考文献 3曹杰，项长祥，陈冬，等.M2和M2AI高速钢的氧化 1陈德和.钢的缺陷.北京：机械工业出版社，1977 和脱碳.特殊钢，1999,8(20)：19 2托马晓夫HI.金属腐蚀及其保护的理论.北京：中 4潘复生，周守则，丁陪道，等.硅对高速钢机械性能 国工业出版社，1964 的影响.四川冶金，1990(1)：62 Oxidation and Decarbonisation Behavior of Several High Speed Steels CAO Jie,XIANG Changxiang",CHEN Dong,OIN Cha,LI Liansheng" 1)Metallurgy School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Metallurgical Research Institute,Shijiazhuang 050031,China ABSTRACT The oxidation and decarbonisation behavior of high speed steel W9,M2,M2Al and D606 heated in the air were studied.The results showed that the weight loss by oxidation and depth by oxidation of four high speed steel increase in the air,when the temperature and times increase.The reasons of oxidation and decarbonisation behavior were analyzed.Influence of Si,W,Alelements on oxidation and decarbonisation of high speed steel were discussed. KEY WORDS high speed steel;oxidation;decarbonisation
. 3 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 l 期 I n c l u s i o n s i n E l e e t r o s l a g R e m e lt i n g an d C o n t inu o u s C a s t i n g B e ar i n g St e e l s 2 1了o U D e g u a 馆 ` , , 〔界E刃 iX c h u n ` , , F U ieJ , , , 恻刃G p i叮 , , , IL iJ 叮 , , , 刃U iM n 罗北 2 , l )M以 a ll u r g y S c ho o l , U S T B e ij l l l g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h in a Z ) D ay e S P e e i a l S t e e l C o D 盯 e , 日1 1 an g s h i 4 3 5 0 0 1 , C h in a AB S T R A C T C h an g e s o f o Xy g e n an d i n e l u s i o n d u r ign e l e e tr o s l a g re m e lt i n g (E S助 o f b e ar i n g s t e e l h a v e b e e n ivn e s t i g at e d . A l hot 雌h ht e o Xy g e n e o nt e in i n E S R st e e l 1 5 h i g h e r ht an ht at o f e o in inu o u s e a st in g (C C ) s te e l , ht e fat igu e life o f E S R s t e e l 1 5 h ihg e r ht an ht e 1 a t t e r b e e au s e o f it s l e s s 1 a r g e s i z e an d w e ll d i s P e r s e d in - c l u s i o n s . K E Y W O R D S b e ar in g s t e e l: e l e e tr o s l a g r e m e lt i n g ; c o n t iun o u s c a st in g : in c l u s i o n (上接 1 8 页) 参 考 文 献 1 陈德 和 . 钢 的缺 陷 . 北京 : 机械 工业 出版 社 , 1 9 7 7 2 托 马晓夫 H 只 . 金属 腐蚀 及其 保护 的理 论 . 北京 : 中 国工业 出版社 , 1% 4 曹杰 , 项长 祥 , 陈 冬 , 等 . M Z 和 M ZAI 高速钢 的氧 化 和 脱碳 . 特 殊钢 , 1 9 9 9 , 8 ( 2 0 ) : 1 9 潘复 生 , 周 守则 , 丁陪道 , 等 . 硅 对 高速钢机 械性 能 的影 响 . 四川冶 金 , 19 9 0 ( l ) : 6 2 O x i d at i o n an d D e c a r b o n i s a t i o n B e h va i o r o f S e v e r a l H i g h S P e e d S t e e l s CA O iJ e ` ), 尤阴刀 G hC a 月 g x i a雌 , ), 〔汤嗯 N D o褚 , , C脚 hC a , , , 五了五ian s h e 馆 , , l ) M e t a ll l l堪 y S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h i n a Z ) M aet ll u r gi e a l eR s e ar e h l n st i t ll t e , S h ij i a z h u an g 0 5 0 0 3 1 , Ch i n a A B S T R A C T hT e o x id at i o n an d d e c a r b o n i s at i o n b e h va i o r o f h i g h s P e e d st e e l W g , M Z , M ZA I an d D 6 0 6 h e at e d i n ht e iar w e r e s ut d i e d . hT e r e s u lt s s h o w e d ht at t h e w e i hgt 1 0 5 5 勿 o x id iat o n an d d e Pht b y o x id iat o n o f fo ur h i g h s Pe e d s t e e l icn r e a s e i n ht e a ir, w h e n ht e t e m Pe r a it l r e a n d t im e s icn r e a s e . Th e er a s o n s o f o x id at i o n an d d e e a r b o n i s at i o n b e h va i o r w e r e an a l y z e d . I n fl ue n c e o f S i , W, A l e l e m e nt s o n o x id iat o n an d de c a r b o in s at i o n o f h i g h s p e e d s t e e l w e r e d i s c u s s e d · K E Y W O R D S h ihg s Pe e d s t e e l: o x id at i o n: d e e a r b o n i s at i o n