摘 要：以含C量1.0%、含Cr1.5%的高碳铬轴承钢GCr15为研究对象，莱钢利用现有的长流程生产线（高炉+铁水预处理+转炉初炼+炉外精炼+真空脱气+钡处理+连铸+连轧），通过控制有害残余元素、非金属夹杂物、气体含量和碳化物组织试制开发了高纯净度GCrl5轴承钢。结果表明，钢中O含量低于0.0008%，Ti含量在0.0025%以下，S含量平均0.004%；轧材中心疏松、一般疏松和偏析均≤0.5级；各类非金属夹杂物≤0.5级；碳化物带状及网状≤1.0级，液析≤0.5级。

  关键词：GCrl5轴承钢；高纯净度；氧含量；非金属夹杂物；碳化物不均匀性

  1 前言

  未来轴承钢主要是向高纯净度方向发展，提高轴承钢的纯净度，特别是降低钢中的O、Ti含量，促使钢中的非金属夹杂物和碳化物细小均匀分布，可以显著提高轴承钢的使用性能和疲劳寿命。在保证成分、组织均匀的前提下，要求［P］≤O.015%，［S］≤O.005%，［0］≤0.0008%，［N］≤O.006%，［H］≤0.00015%，［Ti］≤0.0025%；夹杂物全部＜1.0级，碳化物液析在0.5级以下，带状1.0级以下［1］。为满足上述要求，已有的工艺已不完全适用，纯净钢生产技术和碳化物控制技术的应用已经势在必行，包括P、S、Ti杂质元素的控制，O、N、H气体含量的控制，夹杂物数量、形态与分布的控制，碳化物带状、液析的控制。

  2 GCr15轴承钢工艺开发

  2.1炼钢工艺

  工艺路线：高炉铁水—铁水预处理（脱S、脱Ti）—顶底复吹转炉—钢包精炼炉—真空炉—连铸（全程保护浇注、电磁搅拌）。

  1）优化配料结构，选用优质矿石，严格控制铁水成分和铁水温度。

  2）采用铁水预处理技术，控制有害残余元素S和Ti含量。铁水预脱硫采用向铁水包中喷吹镁粒的方法，镁在铁水温度下与硫有极强的亲和力，形成MgS化合物进入炉渣中，采用多次拔渣方式去除；脱钛是通过向铁水包中加入氧化铁、烧结矿或铁精粉，利用其氧化性将铁水中的钛氧化去除。

  3）转炉采用顶底复合吹炼，双渣法冶炼、挡渣出钢等工艺。可以有效降低钢中Ti和P含量，提高钢水纯净度，可以改善转炉冶金条件，减少吹损，提高金属收得率，提高生产效率。转炉通过强化操作，控制终点成分以及出钢温度。

  4）转炉出钢合金依次加入低氮增碳剂、碳化硅、合金、轴承钢专用精炼渣、石灰。出钢过程采用大搅拌吹氩强度，保证化渣，均匀成分。出钢不加铝脱氧，防止前期产生过多的氧化物夹杂。采用高纯度合金：金属锰、低钛硅铁、低钛铬铁、低氮增碳剂、碳化硅，减少合金带入有害杂质。精炼渣选用经多次试验的轴承钢专用精炼渣（CaO-A12O3-SiO2三元渣系），有利于脱硫、吸附去除夹杂物。

  5）精炼主要任务是脱氧、脱硫、去除夹杂物、调整成分和温度并使其均匀化。为减轻精炼调整成分任务，转炉出钢合金合理加入，钢液化学成分及温度应符合表1要求。精炼前期加入铝线调整钢水铝含量（0.040%～0.060%），精炼过程不调铝，在精炼过程中加入SiC+A1粒强化渣面脱氧，保证白渣时间＞25min。

  6）精炼渣设计成分，CaO-A12O3-SiO2三元渣系渣洗钢水脱硫效果较好；渣中氧化铁含量＜1%，活性低，可以防止钢水吸氧，降低氧含量；精炼渣与钢液界面张力较小，有利于氧化铝夹杂的吸收，降低夹杂物含量，提高钢质纯净度；有很好的发泡作用，在精炼过程中可以遮敝电弧，减少钢水吸气。

  7）精炼结束加入适量硅钡合金进行变性处理，将小颗粒不易上浮的氧化物变性成大颗粒易于上浮去除的夹杂物。

  8）真空精炼，控制真空度≤67Pa，保持时间＞20min。在真空处理结束时钢液化学成分应符合表2要求。真空处理结束补加碳化稻壳，保证覆盖良好，软吹时间＞20min，促使夹杂物充分上浮去除。

  9）精炼过程合理控制钢水温度，保证连铸过热度控制在15～25℃。连铸采用全程保护浇注，钢包到中间包采用长水口，中间包到结晶器采用浸入式水口，中间包加覆盖剂防止钢水二次氧化，结晶器添加保护渣，吸附夹杂物，防止钢水氧化［2］。采用结晶器电磁搅拌（M-EMS）+末端电磁搅拌（F-EMS），保证钢质纯净度，提高组织均匀性。制定合理的连铸工艺，连铸工艺参数见表3。

  2.2轧钢工艺

  轧制工艺路线：蓄热式步进加热炉—高压除鳞机—连轧机组—飞剪—定尺机—冷床—缓冷坑。

  转炉GCrl5连铸坯100%热送轧制，采用步进梁式加热炉，分段控制加热温度（见表4），以保证连铸坯加热均匀。为了解决碳化物不均匀性问题，提高钢质纯净度，采用高温加热扩散工艺。出钢间隔（140±5）s，总加热时间≥190min。

  出炉钢坯经高压水除鳞，清除表面氧化铁皮，提高轧材表面质量。轧制采用14道次连轧机组，微张力、无扭转轧制。产品轧材经步进式冷床翻转缓慢冷却，起到一定的矫直作用，保证了钢材的平直度。下冷床后及时入坑缓冷，保证入坑温度≥400℃，控制出坑温度≤150℃，以便消除钢材应力；析出氢，防止产生白点缺陷。

  3 试验结果分析

  3.1化学成分分析

  GCrl5轴承钢的纯净度主要体现在有害残余元素、非金属夹杂物、气体含量和组织、均匀性，它们的综合作用决定了材料的最终使用性能［3］。转炉流程试验高纯净度GCrt5轴承钢，共计生产5炉，轧制成Φ60mm的圆钢5个批号。每炉钢各元素含量均达到设计要求，且波动范围很小，见表5。

  由表5可以看出，钢中O含量全低于0.0008%，平均O含量O.000674%；Ti含量在0.0025%以下，最低Ti含量达到0.0013%，平均Ti含量0.0017%；S含量平均0.004%，达到了超低硫钢的标准。仅从杂质元素含量来说莱钢生产的GCrl5轴承钢纯净度达到了较好的水平。

  3.2低倍组织

  试验钢轧材中心疏松、一般疏松和偏析均小于标准要求，组织均匀、致密。低倍组织评级见表6。

  3.3非金属夹杂物

  每批轴承钢从不同的6支钢材上切取20mm×10mm通过钢材轴心的纵截面，经过抛光，在电子显微镜下寻找夹杂物最恶劣的视场，以此视场参照GB/T10561—2005标准进行评级。试验GCrl5轴承钢非金属夹杂物检验结果见表7。

  经过钡合金变性处理去除夹杂物，试验的5炉GCrl5钢氧化物夹杂级别较低；氮化钛夹杂含量极低，对GCrl5轴承钢疲劳寿命影响较小［4］。钢中夹杂经变性，链状氧化物的长度明显缩短，最终材上仅有少量的短链状和不规则夹杂。

  3.4碳化物不均匀性

  碳化物网状在淬火后的横向试样上评定，试样抛光后用4%的硝酸酒精腐蚀放大500倍评级；碳化物带状在淬火后的纵向试样上评定，试样抛光后深腐蚀，放大100倍或500倍评定碳化物聚集程度、大小和形状；碳化物液析在淬火后的纵向试样上评定，试样用4%硝酸酒精溶液侵蚀后放大100倍评级。试验GCrl5轴承钢轧材重点对带状、液析进行了检验，结果见表8。碳化物带状平均1.0级，液析0.5级，均达到了设计要求，提高了钢质纯净度。试样经淬火、回火、研磨抛光、4%硝酸酒精腐蚀后，利用Zeiss显微镜观察碳化物组织，液析0.5级，带状1.0级，网状0.5级，满足工艺要求，达到设计要求。可见连铸低过热度（15～25℃）浇注可以减少碳化物偏析，再通过高温加热扩散，将连铸坯加热至1200～1230℃，保证足够的加热时间，使碳化物偏析充分溶解扩散，达到了降低液析级别的目的［5］。

  如果加热温度过高，高温扩散时间过长，低熔点组元或夹杂物、共晶碳化物熔化成液态，在外力的作用下形成晶间裂纹或沿晶界撕裂，在轧制过程中不能焊合，就会形成显微孔隙。显微孔隙破坏了钢基体的连续性，对疲劳寿命有严重的危害。为此，调整GCrl5轴承钢加热工艺，保证既能够使碳化物充分扩散，降低液析级别，不至于导致显微孔隙缺陷的产生。

  4 结论

  经过5炉高纯净度GCrl5轴承钢的试验，在原有工艺的基础上开发了新的GCrl5钢生产工艺，并批量生产25炉，经检验分析，其化学成分控制合理稳定，钢材的组织均匀致密，非金属夹杂含量低，碳化物带状≤1.0级，网状≤0.5级，液析≤0.5级，主要性能指标均符合要求。

  1）莱钢长流程生产线采用铁水预处理—转炉初炼—炉外精炼（LF+VD）—钡处理—连铸—连轧的生产工艺，能够满足高纯净度轴承钢生产要求；2）采用CaO-A12O3-SiO2三元精炼渣系具有良好的吸附夹杂物的性能，钢中非金属夹杂物含量相对较少；3）从铁水预脱钛到合金控钛，对钢中钛含量严格控制，可以将成品钛控制在20×10-6以下，减少钢中TiN夹杂的产生，减轻钛残余对疲劳寿命的影响；4）采用出钢不加铝，精炼前期一次喂铝线调铝到位，后不再调铝的脱氧工艺，配合A1粒+SiC渣面脱氧，可以有效地降低钢中氧含量；5）采用钡处理变性，可使钢液中小颗粒不易上浮的A12O3夹杂物聚集长大成为易于上浮去除的大颗粒夹杂；6）通过连铸低过热度浇注和轧钢高温扩散，可降低碳化物带状、液析级别，提高钢质纯净度。

  参考文献：

  ［1］ 杨虎林，何平，翟玉春.高品质轴承钢超低氧含量和非金属夹杂物控制的进展［J］.特殊钢，2013，34（2）：16-17．

  ［2］ F Hengere, J Beswick, A Kerrigan.Evaluation of the Continuous Casting Method for Beating Steel Production—SKF Experience［J］.Creative Use of Bearing Steels，ASTM STP 1195，11C．Hoo，Ed．，Philadelphia，1993：239-251.

  ［3］ Lund. T, Akesson J. Oxygen Content，Oxidic Microinclusion，and Fatigue Properties of Roiling Beating Steels［J］. Effect of Steel，Manufacturing Processes on the Quality of Beating Steels，ASTM STP 987，J.J.C.Hoo，Ed，Philadelphia，1988：308-330.

  ［4］ 王杰君，叶健熠.轴承钢材质和接触疲劳寿命的研究［C］//中国金属学会轴承钢学委会. 轴承钢第六届学术报告会论文集，1993：92-96．

  ［5］ Akesson J, Lund T. SKF Rolling Bearing Steels- Properties and Processes［J］. Ball Beating Joumal，1983，217（10）：32-44．

来源：《山东冶金》2017年2月