冶金科技奖一等奖 | 基于非铝脱氧工艺高品质轴承钢关键冶金技术及产业化

　　刘　宇、包燕平、黄永生、顾　超、赵　阳、王　敏、孙光涛、肖　微、陈廷军、周　苑、莫秉干、王昆鹏、崔宏艳、徐旋旋、沈　艳

　　中天钢铁集团有限公司、北京科技大学

　　“中国制造2025”先进制造基础零部件用钢发展重点：突破先进装备用高性能轴承、齿轮、工具钢、弹簧、紧固件等用钢材料、设计、制造及应用评价系列关键技术，高效节能电机、高端发动机、高速铁路、高端精密机床、高档汽车等先进装备用关键零部件用关键材料国内自给率2020年达到80%，2025年力争全面自给，关键零部件寿命提高1倍以上。因此高品质轴承钢疲劳寿命提升、生产与评价是先进装备用关键零部件材料自给率提升的国家重大技术需求。

　　近年来，国内轴承钢的质量有了很大提升，部分轴承钢质量达到了国际先进水平。但是整体看，提高轴承钢质量仍然是提高轴承质量的关键环节。目前国内外轴承钢的生产主要采用铝脱氧工艺。从脱氧机理和实际效果来看，轴承钢生产中在有效去除钢液中溶解氧[O]的同时，产生了以下问题：

　　超低氧控制难度大

　　钢中Ds夹杂物难于有效控制

　　钢液中Ti元素难于控制

　　钢液流动性差

　　钢中Al2O3及尖晶石类夹杂物严重影响轴承钢的疲劳寿命

　　针对以上问题，中天钢铁集团公司和北京科技大学联合开发了：非铝脱氧轴承钢的工艺，其主要控制思路为：

　　硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空碳终脱氧工艺，由于扩散脱氧与真空碳终脱氧均不产生污染钢液的脱氧产物，因此可以有效提高钢液洁净度。

　　非铝脱氧有效减少钢液中Ti等影响钢材性能元素的含量。

　　优化精炼渣组成，减少钢中Ds夹杂物含量。

　　采用非铝脱氧工艺，大幅度减少了Al2O3夹杂物数量，提高钢液的流动性，有效减少了大颗粒夹杂数量。

　　有效控制了钢中夹杂物尺寸和形态，提高疲劳寿命。

　　（1）工艺路线

　　中天非铝脱氧轴承钢工艺流程，如图1所示。

图1中天非铝脱氧轴承钢生产工艺流程

　　（2）基于硅锰预脱氧与扩散脱氧的轴承钢前期控氧技术

　　基于硅锰预脱氧与扩散脱氧的轴承钢前期控氧技术，实现LF精炼出站时，钢中溶解氧约15-20 ppm，全氧含量降至20 ppm左右；LF精炼过程中N含量保持在30 ppm以下。LF过程中使用低碱度渣精炼渣，Al2O3含量仅为3-5%，碱度为0.9-1.5。

　　（3）基于真空碳氧平衡的轴承钢深脱氧技术

　　RH过程中的氧、氮含量变化如图2所示。经过RH精炼处理后，钢中的全氧含量明显下降，钢中全氧控制在5-9ppm；RH精炼过程中N含量保持在30 ppm以下。

图2非铝脱氧工艺RH精炼过程中氧、氮含量变化

　　通过热力学计算及实验研究，在不同真空度下的钢液碳氧平衡如图3所示。在真空度67Pa时，碳成为比铝更强的脱氧剂。真空炉内轴承钢脱氧实验中氧、氮含量变化如图4所示，全氧含量可脱至10 ppm以下。在工业生产中，RH出站钢中全氧含量已稳定控制在5-9 ppm。此外，为了控制真空脱氧过程中的喷溅现象，基于数模和水模研究结果提出了步进式压降模式，有效降低喷溅。

 

图3不同真空度下的钢液碳氧平衡

图4真空炉内轴承钢脱氧实验中氧、氮含量变化

　　非铝脱氧工艺精炼渣成分分别如表1所示，LF精炼渣碱度控制在1左右，SiO2含量为30%左右，此外Al2O3远低于铝脱氧工艺。

表1非铝脱氧工艺造渣工艺下精炼渣成分 / wt%

　　如图5所示，非铝脱氧工艺钢中铝含量为1-8 ppm、钛含量为3-8 ppm、硫含量为44-76 ppm。（2）低碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系对钢液关键成分的控制。

图5钢中（a）[Al]，（b）[Ti]和（c）[S]含量的比较

　　（3）轴承钢夹杂物的体系调整

　　图6中显示了两种脱氧工艺轴承钢中的主要夹杂物特征，非铝脱氧轴承钢中，钢中最多的氧化物为硅酸盐，大部分夹杂物尺寸均分布在小于10 μm的范围内，尖晶石和钙铝酸盐夹杂物的数量密度均小于0.85 个/mm2。在铝脱氧轴承钢中，钙铝酸盐、尖晶石和硅酸盐类夹杂物的数量密度依次为1.92 个/mm2，1.68 个/mm2和1.14 个/mm2，尺寸大于15 μm氧化物数量明显比非铝脱氧轴承钢更多。

图6铝脱氧和非铝脱氧轴承钢中不同类型氧化物尺寸分布

　　非铝脱氧工艺对钢液浇注性有明显改善，如图7所示，非铝脱氧工艺中间包连浇14炉后，液面曲线平稳。表2为不同工艺下小方坯（160 mm×160 mm）连铸时中间包的连浇炉数。

图7连浇14炉后塞棒及液面曲线

表2不同工艺下连浇炉数对比

　　（1）建立轴承钢超声疲劳评价方法及滚动疲劳验证3.非铝脱氧轴承钢夹杂物诱发疲劳断裂机理及断裂行为预测方法

　　本文中采用超声疲劳试验系统进行超高周疲劳试验，试验频率达到20 kHz，大大缩短试验时间。采用该系统完成了大量超高周疲劳试验，疲劳寿命结果与滚动疲劳实验结果相符。

　　（2）不同夹杂物诱发疲劳断裂的行为及机理

　　非铝脱氧轴承钢的疲劳性能优于中天铝脱氧轴承钢，非铝脱氧轴承钢的断口裂纹源由夹杂物诱发的较少；铝脱氧轴承钢的断口裂纹源均为钙铝酸盐。此外，滚动接触疲劳试验（洛轴所出具）结果：非铝脱氧最好，其次为铝脱氧。

　　（3）微观结构疲劳寿命预测模型的建立

　　为了深入研究不同夹杂物对疲劳寿命的影响，本研究从微观结构出发，以微观结构的力学响应行为为基础，建立微观模型，通过统计学原理与宏观性能关联，形成多尺度服役性能预测模型，实现裂纹源及疲劳寿命的量化预测，并将相同尺寸的球型钙铝酸盐类夹杂物和硅酸盐类夹杂物引入模型，预测结果显示在相同的疲劳应力下的硅酸盐引起疲劳裂纹源萌生所需周次更长。

　　“硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空终脱氧”非铝组合脱氧：通过真空碳终脱氧将钢中全氧含量控制在5-9ppm的同时，有效控制了钢中Ti等元素，同时可以有效控制夹杂物类型；

　　非铝脱氧轴承钢的夹杂物控制及流动性改善技术：采用低碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系精炼渣，将夹杂物成分控制于低熔点区，钢中Ds夹杂物得到有效控制，解决了小方坯轴承钢水口可浇性差的技术难题；

　　非铝脱氧轴承钢夹杂物诱发疲劳断裂机理及断裂行为预测方法：借助超声疲劳的测试方法与滚动疲劳检测相结合，对轴承钢的拉压疲劳寿命和断裂机理进行了研究，建立不同夹杂物对疲劳性能影响的微观结构量化模型，基于该模型分析了轴承钢中主要夹杂物对疲劳性能的影响。

　　实现了以真空终脱氧为特色的高品质钢生产的技术集成与工艺创新：一方面可以根据产品的最终用途，控制钢中夹杂物的种类；另一方面通过“真空终脱氧”，从源头上消除了夹杂物的主要来源-脱氧产物，从工艺上非常有利于洁净钢的生产，为高品质钢的生产提供了一条新的途径，在众多高品质钢生产中具有很好的推广应用前景！

　　本项目主要技术指标如表3所示。

表3主要技术指标

　　教育部科技发展中心针对本项目的四个技术创新点的查新报告结果如下：在国内外已公开发表的文献和专利中，除本查新项目委托单位公开的专利和本查新项目组负责人及成员发表的文献外，未见有基于上述四个创新技术。创新点如下：

　　“硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空脱氧”非铝组合脱氧轴承钢低氧控制技术

　　非铝脱氧轴承钢的夹杂物控制及流动性改善技术

　　非铝脱氧轴承钢夹杂物诱发疲劳断裂机理及断裂行为预测方法

　　集成以上技术，实现了轴承钢小方坯连铸-高速线材一火成材技术集成，显著降低了工序能耗和生产成本。

　　本项目相关成果发表文章22篇，其中英文13篇，全部是SCI，中文9篇；授权专利13项，其中发明专利13项。

　　中天非铝脱氧轴承钢（GCr15）工艺于2016年底开始研发，并于2017年正式应用生产，2017年～2022年总计生产钢产量约29万吨，新增产值142481.03万元，新增利税44509.71万元，增收（节支）总额1460.55万元。生产的轴承钢球、轴承套圈、滚子、水泵轴等滚动体轴承，广泛应用于福特、吉利、哈弗、大通、东风等品牌。