3洛陽會議特殊鋼-王新華

1、特殊鋼冶金與鋼中非金屬 夾雜物控制技術王新華2015年5月特殊鋼抗疲勞性能與夾雜物控制特殊鋼抗疲勞性能與夾雜物控制合金結構鋼棒線材用于制作機械設合金結構鋼棒線材用于制作機械設備中的軸件、齒輪、彈簧、軸承等；備中的軸件、齒輪、彈簧、軸承等；大多在動載荷，即沖擊、振動或承大多在動載荷，即沖擊、振動或承受周期性交變應力的條件下工作，受周期性交變應力的條件下工作，疲勞破壞是導致工件失效的重要原疲勞破壞是導致工件失效的重要原因；因；非金屬夾雜物往往成為疲勞裂紋的非金屬夾雜物往往成為疲勞裂紋的起源。起源。夾雜物與鋼基體構成鑲嵌結構夾雜物與鋼基體構成鑲嵌結構 在鋼加熱或冷卻過程，由于膨脹系數的在鋼加熱或冷卻

2、過程，由于膨脹系數的不同，夾雜物周圍產生嵌鑲應力不同，夾雜物周圍產生嵌鑲應力( T)； 夾雜物周圍夾雜物周圍(4R)為受夾雜物嵌鑲應力為受夾雜物嵌鑲應力影響區(qū)域；影響區(qū)域； 夾雜物數量多、直徑大，嵌鑲應力場會夾雜物數量多、直徑大，嵌鑲應力場會疊加；疊加； 工件服役過程所受應力與嵌鑲應力疊加，工件服役過程所受應力與嵌鑲應力疊加，夾雜物周圍應力超過鋼的屈服極限，導夾雜物周圍應力超過鋼的屈服極限，導致裂紋產生，形成疲勞源。致裂紋產生，形成疲勞源。 TimT 熱膨脹系數差R. Kiessling, Non-metallic Inclusion in Steel, The Institute of Me

3、tals，London, 1989，4693夾雜物相對變形能力夾雜物相對變形能力S.Rudnik研究指出：研究指出： 0.51 時，在鋼與夾雜物界面上時，在鋼與夾雜物界面上很少由于形變產生微裂紋；很少由于形變產生微裂紋； 0.030.5時，經常產生帶有錐形時，經常產生帶有錐形間隙的魚尾形裂紋；間隙的魚尾形裂紋； 0時，錐形間隙與熱裂紋撕裂是時，錐形間隙與熱裂紋撕裂是常見的。常見的。LoghLog32LnhLn32si a ab bL Ln nL Ln n i i 1 1o os sA AA AL Ln n2 23 3L Ln nh h2 23 3 軟硬度不同夾雜物周邊區(qū)域的應力分布軟硬度不同夾

4、雜物周邊區(qū)域的應力分布 J. Kawahara, et al., “Advance of Valve Spring Steel”, Wire Journal International., Nov. 1992, p.55-62影響疲勞性能的夾雜物臨界尺寸影響疲勞性能的夾雜物臨界尺寸Lasson等研究發(fā)現(xiàn)：等研究發(fā)現(xiàn)：夾雜物小于夾雜物小于10 m時，夾雜物萌生疲勞裂紋的幾率非常小；時，夾雜物萌生疲勞裂紋的幾率非常?。粖A雜物大于夾雜物大于10 m時，疲勞裂紋則在夾雜物周圍萌生。時，疲勞裂紋則在夾雜物周圍萌生。齋藤誠研究發(fā)現(xiàn)：齋藤誠研究發(fā)現(xiàn)：10 m程度的程度的TiN夾雜物導致彈簧疲勞破壞。夾雜物導

5、致彈簧疲勞破壞。Kiessling等認為：等認為：大多數疲勞破壞起源于表面或亞表面的單個夾雜物，萌生疲勞裂紋的表面大多數疲勞破壞起源于表面或亞表面的單個夾雜物，萌生疲勞裂紋的表面或表面附近的夾雜物尺寸并不太重要。或表面附近的夾雜物尺寸并不太重要。M.Lasson et al. Mater. Sci. Tech., 1993,9(3), p235齋藤誠，熱処理，1987, vol.27, No.1, p.23R.Kiessling, et al., Production and Application of Clean Steel,1970, p179不同類別夾雜物對鋼疲勞性能的影響不同類別夾雜

6、物對鋼疲勞性能的影響“D類”或“DS類”“D類”或“DS類”J. Monnot, et al., Amer. Soc. For Test Mat., 1988, p.149常規(guī)夾雜物檢驗標準（常規(guī)夾雜物檢驗標準（ASTM E45）試樣分析檢驗的表面積不低于160mm2。每個視場0.49mm2；總計320個視場。夾雜物控制標準夾雜物控制標準夾雜物控制標準夾雜物控制標準高端重要用途鋼材品種高端重要用途鋼材品種中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展壯大（產量、品種、質量等）；中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展壯大（產量、品種、質量等）；某些重要用途高端鋼材品種仍依賴進口：某些重要用途高端鋼材品種仍依賴進口：1.汽車鋼板（合資品牌汽車鋼板國

7、產比率：汽車鋼板（合資品牌汽車鋼板國產比率：50%）；）；2.重要用途特殊鋼棒線材：重要用途特殊鋼棒線材：軸承（飛機、高鐵等）；軸承（飛機、高鐵等）；高鐵車輪、車軸、中高檔汽車齒輪、軸件、彈簧等。高鐵車輪、車軸、中高檔汽車齒輪、軸件、彈簧等。3.特殊性能鋼材（超高強度鋼板、大橋懸索鋼絲、深海鉆管、套管、特殊性能鋼材（超高強度鋼板、大橋懸索鋼絲、深海鉆管、套管、切割絲等）；切割絲等）；4.-。高端鋼材主要差距： 實物質量與性能穩(wěn)定性控制； 與用戶聯(lián)系。高端鋼材特點高端鋼材特點 高檔產品高檔產品 抵擋產品抵擋產品謝蔚，中國鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展論壇，中國科協(xié)，2013年，唐山非金屬夾雜物穩(wěn)定性控制非金

8、屬夾雜物穩(wěn)定性控制高端重要鋼材性能穩(wěn)定性差，非金屬夾雜物控制不穩(wěn)定是重要高端重要鋼材性能穩(wěn)定性差，非金屬夾雜物控制不穩(wěn)定是重要原因之一；原因之一；主要表現(xiàn)在個別大尺寸夾雜物控制方面（主要表現(xiàn)在個別大尺寸夾雜物控制方面（DS類夾雜物）；類夾雜物）；以軸承、高鐵車輪、車軸為例：以軸承、高鐵車輪、車軸為例：即便將總氧含量控制在即便將總氧含量控制在3.5 5ppm極低含量范圍，鋼中仍有個別數極低含量范圍，鋼中仍有個別數十、數百微米，甚至毫米級大型夾雜物存在，十、數百微米，甚至毫米級大型夾雜物存在，德國德國Mubea泰倉廠彈簧鋼試樣分析泰倉廠彈簧鋼試樣分析1.德國德國Sarrstahl鋼廠鋼廠2.韓國浦

9、項制鐵韓國浦項制鐵3.國內高水平特鋼廠：國內高水平特鋼廠：A廠廠B廠廠汽車彈簧鋼盤條不變形夾雜物尺寸比較42CrMo鋼疲勞斷口（鋼疲勞斷口（T.O：10ppm）旋轉彎曲疲勞實驗：旋轉彎曲疲勞實驗：三種熱處理制度得到三個不同三種熱處理制度得到三個不同強度水平的材料，進行疲勞實強度水平的材料，進行疲勞實驗驗22個疲勞斷口裂紋起源為夾雜個疲勞斷口裂紋起源為夾雜物；物；最大夾雜物為最大夾雜物為66m，最小夾，最小夾雜物為雜物為14.8m，平均為，平均為33.3 m尺寸60m的夾雜物個別大型夾雜物為外來夾雜物？個別大型夾雜物為外來夾雜物？尺寸60m的夾雜物超低氧特殊鋼（超低氧特殊鋼（T.O：36ppm）

10、K. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the Science and Technology of Steelmaking, May 9-12, 2005, Charlotte, AIST, 209超低氧特殊鋼工藝流程超低氧特殊鋼工藝流程愛知制鋼公司愛知制鋼公司超低氧特殊鋼工藝流程超低氧特殊鋼工藝流程山陽特殊鋼公司山陽特殊鋼公司超低氧特殊鋼關鍵工藝技術超低氧特殊鋼關鍵工藝技術偏心爐底出鋼；偏心爐底出鋼；出鋼后扒凈鋼包內頂渣。出鋼后扒凈鋼包內頂渣。超低氧特殊鋼（超低氧特殊鋼（T.O：36ppm）K

11、. Kawakami, et al., Proceedings of the 3rd International Congress on the Science and Technology of Steelmaking, May 9-12, 2005, Charlotte, AIST, 209超低氧特殊鋼關鍵工藝技術超低氧特殊鋼關鍵工藝技術鋁脫氧（直接與間接脫氧）；鋁脫氧（直接與間接脫氧）；高堿度精煉渣：高堿度精煉渣：堿度：堿度：58； FeO 1%。足夠強攪拌（比攪拌功控制）。足夠強攪拌（比攪拌功控制）。脫氧能力比較脫氧能力比較E.T. Turkdogan, Fundamentals of

12、 Steelmaking, The Institute of Materials, The University Press, UK, 1996采用鋁脫氧，首先將溶解氧采用鋁脫氧，首先將溶解氧O含量降低至含量降低至0.0001 0.0003%；通過渣通過渣-鋼精煉、鋼精煉、RH真空處理、連鑄等，去除鋼液真空處理、連鑄等，去除鋼液中鋁脫氧產物；中鋁脫氧產物；將鋼總氧降低至數個將鋼總氧降低至數個ppm水平。水平。特殊鋼脫氧工藝特殊鋼脫氧工藝鋁脫氧（鋁脫氧（Al: 0.015%）：）：軸承、齒輪、懸掛簧、軸件、連桿、軸承、齒輪、懸掛簧、軸件、連桿、高鐵輪對、大橋鋼索、預應力鋼絲、高鐵輪對、大橋鋼索、

13、預應力鋼絲、冷鐓鋼等。冷鐓鋼等。無鋁脫氧（無鋁脫氧（Al: 0.0006%）：）：輪胎簾線、汽車發(fā)動機彈簧、易切輪胎簾線、汽車發(fā)動機彈簧、易切削鋼。削鋼。限制鋁含量：限制鋁含量：鐵路鋼軌。鐵路鋼軌。日本特殊鋼廠采用日本特殊鋼廠采用LF精煉渣成分精煉渣成分鋼廠鋼廠CaOCaOSiOSiO2 2AlAl2 2O O3 3CaFCaF2 2MgOMgOT.Fe+MnOT.Fe+MnOCaO/SiOCaO/SiO2 2A A63637 7202010100.30.39.0 9.0 B B80805 55 510101.021.0216.0 16.0 C C6060101020205 50.40.46.

14、0 6.0 D D6060101022228 80.840.846.0 6.0 E E50505 5202020205 52210.0 10.0 F F6060101027273 30.40.46.0 6.0 G G60606 634340.550.5510.0 10.0 H H606015158 815151.151.154.0 4.0 I I50501010252515155.0 5.0 J J50501010202015155 50.70.75.0 5.0 K. Kawakami, The 182183th Nishiyama Memorial Seminar, ISIJ, TokyoK

15、obe, 2005, 151采用高堿度精煉渣系的目的：降低渣中采用高堿度精煉渣系的目的：降低渣中SiO2的活度，抑制下式反應：的活度，抑制下式反應： (Si02) +4/3 Al2/3Al203夾雜物夾雜物 +Si 愛知制鋼愛知制鋼LF精煉渣堿度與鋼水精煉渣堿度與鋼水T.O福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)會，大阪東京，1988，121山陽特殊鋼精煉渣堿度對軸承鋼總氧與夾雜物影響山陽特殊鋼精煉渣堿度對軸承鋼總氧與夾雜物影響K. Kawakami, T. Taniguchi, et al, Tetsu-to-Hagane, 93(2007), 741愛知制鋼爐渣愛知制鋼爐渣F

16、etO+MnO含量控制含量控制福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)會，大阪東京，1988，121LF精煉攪拌強度控制精煉攪拌強度控制比攪拌功：比攪拌功：)148H1log(WTQ0285. 0 ： 比攪拌功率比攪拌功率 (W/t)(W/t)Q Q ：底吹氬氣流量：底吹氬氣流量 (Nl/min)(Nl/min)T T ：鋼水溫度：鋼水溫度 (K)(K)W W ：鋼水重量：鋼水重量 (t)(t)H H ：鋼水深度：鋼水深度 (cm)(cm)比攪拌比攪拌功：功：120150W/t 超低氧特殊鋼關鍵工藝技術：采用超低氧特殊鋼關鍵工藝技術：采用RH真空精煉真空精煉VD工藝的缺點工藝的缺

17、點1.爐渣卷入鋼液；爐渣卷入鋼液；2.脫硫反應增加脫硫反應增加Al2O3夾雜物。夾雜物。3(CaO)+2Al+3S=3(CaS)+(Al2O3)夾雜物 RH工藝優(yōu)點工藝優(yōu)點鋼水為強還原性爐渣所覆蓋；鋼水為強還原性爐渣所覆蓋；渣渣-鋼界面鋼界面“平靜平靜”，爐渣卷入鋼液形，爐渣卷入鋼液形成的夾雜物量減少；成的夾雜物量減少；鋼水大范圍鋼水大范圍“循環(huán)流動循環(huán)流動”，促進微小，促進微小夾雜物碰撞、聚合、上浮去除；夾雜物碰撞、聚合、上浮去除；山陽特殊鋼軸承鋼山陽特殊鋼軸承鋼RH精煉時間：精煉時間：20 60min。LF與與RH精煉分工精煉分工升溫，脫氧，合金化，去除升溫，脫氧，合金化，去除夾雜物等。夾

18、雜物等。脫氣（脫氣（H H，N N），脫氧，合金），脫氧，合金化，去除夾雜物等?；コ龏A雜物等。實現(xiàn)超低氧控制：實現(xiàn)超低氧控制：LF or RHLF or RH（哪個更高效？）（哪個更高效？）LF精煉精煉優(yōu)勢：優(yōu)勢：加熱鋼水，爐渣；加熱鋼水，爐渣；強擴散脫氧（高堿度、極低強擴散脫氧（高堿度、極低FeO含含量爐渣）；量爐渣）；鋼液成分控制。鋼液成分控制。超低氧控制方面不足：超低氧控制方面不足：對鋼水攪拌能不足。對鋼水攪拌能不足。RH工藝優(yōu)點工藝優(yōu)點鋼水為強還原性爐渣所覆蓋；鋼水為強還原性爐渣所覆蓋；渣渣-鋼界面鋼界面“平靜平靜”，爐渣卷入鋼液形，爐渣卷入鋼液形成的夾雜物量減少；成的夾雜物量減少

19、；鋼水大范圍鋼水大范圍“循環(huán)流動循環(huán)流動”，促進微小，促進微小夾雜物碰撞、聚合、上浮去除。夾雜物碰撞、聚合、上浮去除。JFE西日本制鐵所生產軸承鋼西日本制鐵所生產軸承鋼38K. MATSUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456JFE西日本制鐵所生產軸承鋼西日本制鐵所生產軸承鋼39在在RHRH前完成鋼水合金化操作，盡量不在前完成鋼水合金化操作，盡量不在RHRH精煉過程進行成分調整，精煉過程進行成分調整，并將并將RHRH精煉時間延長至最大（與連鑄周期相適應）。精煉時間延長至最大（與連鑄周期相適應）。K. MAT

20、SUOKA, 4th International Congress on Steelmaking, 2008, Gifu, 456特殊鋼總氧控制特殊鋼總氧控制福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協(xié)會，大阪東京，1988，1218.114.015.013.0010203040506070809004080120160200T.O (ppm)LF 精煉時間 (min)24681012141618010203040T.O (ppm)RH精煉時間 (min)超低氧特殊鋼關鍵工藝技術超低氧特殊鋼關鍵工藝技術嚴密保護澆鑄；嚴密保護澆鑄；中間包鋼水加熱中間包鋼水加熱；大方坯連鑄（立式，垂直大

21、方坯連鑄（立式，垂直- -彎曲型）。彎曲型）。山陽特殊鋼公司連鑄中間包山陽特殊鋼公司連鑄中間包經過經過LF-RH精煉，鋼水精煉，鋼水T.O降低至降低至3.55ppm;中間包冶金功能由促進夾雜物上浮轉中間包冶金功能由促進夾雜物上浮轉為防止二次氧化：為防止二次氧化：全封閉（斷氣）；全封閉（斷氣）；能夠快速升溫（澆次開澆、鋼包澆鑄能夠快速升溫（澆次開澆、鋼包澆鑄后期）；后期）；快速通過?？焖偻ㄟ^。采用較小容量中間包（山陽：采用較小容量中間包（山陽：20t）。）。中間包鋼水加熱中間包鋼水加熱電磁感應加熱電磁感應加熱 等離子加熱等離子加熱中間包鋼水加熱目的中間包鋼水加熱目的采用立式或垂直采用立式或垂直-

22、彎曲型大方坯連鑄機彎曲型大方坯連鑄機川上潔，第2號連続鋳造機（60tCC）建設稼動，Sanyo Technical Report Vol.20 (2013) No.1，51川上潔，第2號連続鋳造機（60tCC）建設稼動，Sanyo Technical Report Vol.20 (2013) No.1，51立式連鑄機優(yōu)勢立式連鑄機優(yōu)勢大同特殊鋼公司新建大同特殊鋼公司新建300mm300mm圓坯鑄機圓坯鑄機山陽特殊鋼立式鑄機山陽特殊鋼立式鑄機60t60t鑄機鑄機150t150t鑄機鑄機投產年月投產年月20122012年年6 6月月19821982年年1111月月鑄機類型鑄機類型立式鑄機立式鑄機鑄

23、機長度鑄機長度25.3m25.3m（彎月面（彎月面 拉矯輥上段）拉矯輥上段）鋼包容量鋼包容量90t90t165t165t中間包容量中間包容量10t10t20t20t鑄機流數鑄機流數2 23 3鑄坯尺寸鑄坯尺寸380380 530mm530mm電磁攪拌電磁攪拌結晶器電磁攪拌結晶器電磁攪拌拉速拉速最高最高 0.60m/min0.60m/min液面控制方式液面控制方式渦流式渦流式川上潔，第2號連続鋳造機（60tCC）建設稼動，Sanyo Technical Report Vol.20 (2013) No.1，51非金屬夾雜物變化非金屬夾雜物變化AlAl脫氧：脫氧：2Al+3O=(Al2O3)夾雜物夾

24、雜物鋼液與包襯、爐渣作用：鋼液與包襯、爐渣作用：3(MgO)包襯或爐渣包襯或爐渣+2Al=3Mg+(Al2O3)夾雜物夾雜物3(CaO)爐渣爐渣+2Al=3Ca+(Al2O3)夾雜物夾雜物Mg + n/3(Al2O3)夾雜物夾雜物= (MgO (n-1)/3Al2O3)夾雜物夾雜物+ 2/3AlxCa+(yMgOzAl2O3)夾雜物夾雜物=(xCaO (y-x)MgOzAl2O3)夾雜物夾雜物+ xMgK. Kawakami, et al, TETSU-TO-HAGANE, 93(2007), 741-752山陽特殊鋼山陽特殊鋼LF精煉過程夾雜物組成精煉過程夾雜物組成山陽特殊鋼夾雜物評級山陽特

25、殊鋼夾雜物評級T. Uesugi, Tetsu-to-Hagane, 74 (1999), 1889ASTM “E45-06”標準國內特殊鋼工藝技術進展國內特殊鋼工藝技術進展2000年前：年前：總氧含量高：總氧含量高：158ppm；超低氧生產工藝技術問題較多（鋁脫氧、高堿度渣、保護澆鑄等）。超低氧生產工藝技術問題較多（鋁脫氧、高堿度渣、保護澆鑄等）。2000年后：年后：高水平鋼廠：總氧已能降低至高水平鋼廠：總氧已能降低至5ppm左右，但夾雜物評級難以達到左右，但夾雜物評級難以達到SKF、NSK要求（要求（DS類夾雜物）；類夾雜物）；存在主要問題：存在主要問題：RH功能充分發(fā)揮，仍依賴鈣處理，保

26、護澆鑄，弧形鑄機功能充分發(fā)揮，仍依賴鈣處理，保護澆鑄，弧形鑄機等。等。DS類夾雜物類夾雜物非金屬夾雜物評級界限（非金屬夾雜物評級界限（“GB/T 10561-2005GB/T 10561-2005”）研究熱點：極低氧特殊鋼夾雜物研究熱點：極低氧特殊鋼夾雜物“小徑化小徑化”國內高水平特殊鋼廠生產軸承鋼，在實現(xiàn)了超低氧含量控制后（總氧：國內高水平特殊鋼廠生產軸承鋼，在實現(xiàn)了超低氧含量控制后（總氧：4.56ppm），仍面臨個別），仍面臨個別“DS類類”大尺寸夾雜物超標問題；大尺寸夾雜物超標問題；日本特殊鋼廠十年前開始報道此問題，其在采用日本特殊鋼廠十年前開始報道此問題，其在采用“ASTM E45”標

27、準進行檢驗標準進行檢驗時（檢驗面積時（檢驗面積160mm2），檢測不到數十），檢測不到數十 m的大尺寸夾雜物，但在疲勞試樣的大尺寸夾雜物，但在疲勞試樣斷口或采用超聲波探傷檢驗方法對更大試樣進行檢測時卻可以發(fā)現(xiàn)其存在；斷口或采用超聲波探傷檢驗方法對更大試樣進行檢測時卻可以發(fā)現(xiàn)其存在；國內特殊鋼廠生產的超低氧軸承鋼在采用國內特殊鋼廠生產的超低氧軸承鋼在采用“ASTM E45”標準進行檢驗時，也標準進行檢驗時，也可以檢測到可以檢測到“DS”類大尺寸夾雜物；類大尺寸夾雜物；山陽特殊鋼公司發(fā)現(xiàn)，總氧含量相同的軸承鋼，疲勞壽命卻會有很大的不同，山陽特殊鋼公司發(fā)現(xiàn)，總氧含量相同的軸承鋼，疲勞壽命卻會有很大的不同，因此僅用總氧含量這單一指標已不能完全代表軸承鋼抗疲勞性能；因此僅用總氧含量這單一指標已不能完全代表軸承鋼抗疲勞性能；國內軸承專家楊曉蔚將此現(xiàn)象稱之為國內軸承專家楊曉蔚將此現(xiàn)象稱之為“高純凈度鋼的壽命離散性高純凈度鋼的壽命離散性”。山陽特殊鋼軸承鋼質量控制重要轉變山陽特殊鋼軸承鋼質量控制重要轉變2004年年10月月近來，不僅要通過降低鋼總氧含量來減少夾雜物，還要求減小夾雜物的近來，不僅要通過降低鋼總氧含量來減少夾雜物，還要求減小夾雜物的尺寸（尺寸（“小徑化小徑化”）。這種超高潔凈