梁賢淑 郭亞非 晉帥勇

(1.河南省大型鑄鍛件工程技術研究中心，河南471000；2.中信重工機械股份有限公司，河南471000)

軸承鋼被廣泛應用于機械制造、鐵路運輸、汽車制造、國防工業(yè)等領域，主要是用來制造軸承的滾動體、套圈等。軸承鋼的使用條件對軸承鋼提出了更為嚴苛的要求，需要提高軸承鋼的冶金質量，使其滿足化學成分均勻、偏析小、超純凈內質、硬度高、碳化物級別低等技術要求。

本文介紹了公司生產GCr15SiMn超純凈軸承鋼的冶煉工藝優(yōu)化情況。

1 GCr15SiMn技術條件

GCr15SiMn軸承鋼的化學成分要求見表1，顯微組織要求見表2，非金屬夾雜物的要求見表3。

2 GCr15SiMn軸承鋼的生產工藝

軸承鋼生產過程中的技術難點主要體現在：(1)鋼中碳含量高，碳化物偏析嚴重，要得到均勻而彌散分布的碳化物組織比較難；(2)對鋼水潔凈度水平要求高，一般要求鋼中氧含量低于12×10-6，夾雜物滿足GBT 18254—2016和公司內控要求。因此，主要從以下幾個方面進行控制：

2.1 精確控制化學成分

電爐粗煉的主要任務是熔化鋼鐵料，脫除鋼中有害元素磷等，熔煉過程一般采用吹氧助熔，但吹氧助熔控制不好會造成粗煉終點碳含量過低。過低的終點碳含量，不僅加重了精煉爐調整碳含量的任務，延長精煉時間，還給鋼液帶來過高的溶解氧，導致后續(xù)消耗大量脫氧劑，致使夾雜物總量增加，導致夾雜物超標，達不到軸承鋼對鋼水高純凈度的要求。通過優(yōu)化調整粗煉過程各階段電流電壓、吹氧氧槍壓力流量等措施，最終確定電爐終點碳含量控制在0.05%～0.10%。

精煉過程合金小批量、分批加入，GCr15SiMn中Cr、Mn、Si主合金元素含量高，特別是鉻元素含量最大。由于鉻鐵熔點達1857℃，若精煉爐一次加入過多合金元素，很難保證合金充分溶解，極易造成后期鍛件出現異金屬夾雜的缺陷，因此，主合金元素特別是鉻元素采用電爐隨鋼流加入+精煉爐分批加入的方式進行。精煉過程中，分批加入，每批合金加入量控制在500～1000 kg，每加入一批合金送電30～50 min，配以70～100 Lmin包底吹氬，以保證加入的合金充分溶解及混合均勻。表4為某一爐次的精煉過程中的合金調整方式。

精煉總時間135 min，過程以多次小批量合金調整的方式不僅可以保證合金加入后充分溶解、成分均勻，也可以避免大批量加入合金時因計算與實際生產有誤而帶來的合金元素超標風險，還可以最大限度地利用鐵合金中的碳含量，減少調整碳含量造成的原材料消耗，節(jié)約生產成本。

2.2 夾雜物控制

夾雜物是決定軸承鋼質量好壞的關鍵因素之一，通過選擇合適脫氧劑、精確計算脫氧劑加入量、優(yōu)化渣系、嚴格控制精煉后軟吹時間等手段，從而將鋼中夾雜物的形態(tài)及尺寸控制在理想范圍之內。

表1 化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Requirements of chemical composition (mass fraction,%)

表2 顯微組織要求Table 2 Requirements of microstructure

表3 非金屬夾雜物要求Table 3 Requirements of nonmetallic inclusions

表4 精煉過程合金調整Table 4 Alloy adjustment during refining process

表5 隨鋼流加入的鋁量與精煉始末氧含量的對照關系Table 5 Comparison between the amount ofaluminum added with steel flow and the oxygen contentat the beginning and end of refining

表6 渣系組分及堿度Table 6 Composition and alkalinity of slag system

2.2.1 采用偏心底電弧爐出鋼

偏心底電弧爐以其特有的結構特性，可以有效避免粗煉過程氧化渣隨鋼流進入鋼包，不僅可以防止回磷現象的產生，還可以為爐后提供有利的還原渣調配環(huán)境，使后期精煉脫氧及氧化物夾雜吸附得以順利進行。

2.2.2 鋁脫氧控制

鋁是強而有效的脫氧劑，但鋁脫氧產物Al2O3輕而細小，煉鋼過程很難使其完全上浮除去。并且對軸承鋼而言，致命的大顆粒夾雜(≥13 μm)中，80%是以MgO·Al2O3為形核中心，周圍生長鋁酸鈣及硫化物，所以降低鋼中Al2O3含量或在其與MgO結合以前使其充分脫除，是有效抑制大顆粒DS類夾雜物生成的手段。由于電爐粗煉時采用吹氧助熔的手段，精煉之前的粗煉鋼水處于富氧少硅的環(huán)境。鋁脫氧時鋁塊加入時機不同，不僅脫氧效果截然不同，對鋼中夾雜物的種類影響也甚大。電爐出鋼時在硅鐵加入前隨鋼流加入計算好用量的鋁塊(見表5)，用以沉淀和預脫氧，不僅可以起到良好的脫氧效果，還可以減少硅鐵的燒損，避免復雜硅鋁酸鹽的形成。由于此時鋼液中硅元素含量極少，脫氧反應可以近似為單純的Al-O反應。其反應式如下：

2[A1]+3[O]=(Al2O3)

2.2.3 配以Al2O3含量大于等于85%的造渣材料的新型渣系

常見的軸承鋼精煉渣系為CaO-Al2O3-MgO-SiO2四元渣系，但渣系中各組分含量的不同對脫氧脫硫以及鋼中夾渣物的吸附效果卻差別甚大。通過采用配以Al2O3含量大于等于85%的造渣材料的新型渣系(見表6)，主要成分為Al2O3能夠調整熔渣的熔點和流動性，有利于冶金過程的順行，精煉過程可大部分甚至全部替代螢石，減少了螢石大量運用帶來的爐襯侵蝕，減少冶金過程中CaF2與鋼液中的Si作用生成SiF4，不僅可以起到良好的吸附鋼中夾雜物的效果，還具有理想的脫氧效果。

普通四元渣系與添加新型造渣材料所造的四元渣系對軸承鋼鋼液中氧含量的影響效果對比如圖1所示。鋼中氧含量的高低是軸承鋼鋼液是否純凈的一個表征，新型渣系對鋼中氧的脫除效果非常好，這也反映出采用新型渣系可以達到較好的凈化鋼液的目的。

2.2.4 軟吹

精煉后期，軟吹時間大于15 min，可使鋼中氧含量降至較低水平，大部分大顆粒夾雜可充分上浮。實踐經驗發(fā)現，軟吹時氬氣流量30～50 Lmin，軟吹時間控制在25～30 min，可以有效去除鋼中細小而彌散的Al2O3夾雜。

表7 化學成分(質量分數，%)Table 7 Chemical composition(mass fraction,%)

圖1 傳統渣系與添加新型造渣材料的渣系對鋼中氧含量影響的效果對比圖Figure 1 Comparison of the effect of traditional slag series and slag series added with new slag-making materials on oxygen content in steel

表8 非金屬夾雜物檢測結果Table 8 Test results of nonmetallic inclusions

(a)表面(b)心部

表9 顯微組織Table 9 Microstructures

2.2.5 真空澆注

中間包座好后開始抽真空，中間包開澆真空度≤67 Pa。開澆前開通水口氬氣，吹氬壓力原則上控制為0.02～0.50 MPa，澆注過程根據鋼流擴散情況調整水口吹氬壓力。初始水口壓力控制在0.1～0.4 MPa。

3 生產結果

隨機抽取3爐次檢測其化學成分，如表7所示。

硬度呈梯度：球坑底部硬度為外圓表面54.7HRC、心部34.0HRC、內圓表面53.5HRC；球坑頂部硬度為外圓表面57.0～59.0HRC、心部32.8HRC、內圓表面53.5HRC，外圓表面硬度整體高于內圓表面，這是由于工件在淬火過程中外圓冷卻循環(huán)好于內圓冷卻循環(huán)所致。

顯微組織檢測結果如表9所示。

4 結論

(1)精煉過程，每加入一批合金送電30～50 min，配以70～100 Lmin鋼包底吹氬，且每批合金在500～1000 kg，可以起到良好地均勻成分，防止碳元素嚴重偏析的效果。

(2)粗煉爐爐后精確計算脫氧劑鋁塊加入量，在電爐爐后一次性加入，并輔以精煉過程碳粉硅鋁鈣鋇粉，以及新型添加鋁礬土的渣系并適當延長軟吹時間，不僅可以使鋼液氧含量降到很低水平，還可以有效吸附鋼中氧化物夾雜，達到凈化鋼液的目的。

(3)VC真空澆注，采用VC真空澆注手段，可以有效防止鋼液的再次氧化，更有利于鋼液的純凈。