高品质特殊钢质量控制与工艺优化

钢中夹杂物类型：
• 高硫钢夹杂物均以硫化物为主，夹杂物平均尺寸为59.48m； • 高洁净度低硫钢以氧化物夹杂为主，平均尺寸为43m； • 超高洁净度低硫钢中氮含量高的以硫化物为主(46.6m)，氮含量低的 以 Ti夹杂为主(27.4m)。
疲劳试验结果：
（ 1）硫对高洁净度轴承钢疲劳寿命的影响不明显。 （ 2）硫对超高洁净度轴承钢疲劳寿命的影响显著：提高硫含量使L10疲 劳寿命降低4.1倍。 （ 3）最大硫化物夹杂平均尺寸高硫钢比低硫钢(31.38m)大1.89倍，可 能是造成疲劳性能下降的主要原因。 夹杂物类型(30,000mm2)(m) （ 4）各种夹杂物对疲劳寿命的影响以氧 化物夹杂最大，硫化物夹杂其次，TiN类 夹杂最小。 试验钢种成份 低硫钢疲劳试验结果
疲劳裂纹的扩展机理
为满足制造业发展，根据特殊钢的服役特点研究疲劳裂纹 的扩展和破坏机理，对进一步提高特殊钢质量具有重要意义。 通过疲劳试验(最大接触应力3.95GPa,频率1800cpm)得出 服役条件下轴承的疲劳裂纹产生与扩展机理： （1）在1/1000整体寿命时(低周疲劳)夹杂物附近萌生裂纹或 产生孔洞；在高周波疲劳寿命条件下裂纹在夹杂物附近萌生。 （2）萌生裂纹达到2a(a为裂纹或孔洞半径)时裂纹开始扩展; （3）裂纹扩展速度与夹杂物周围的最大应力有关，孔洞附 近的应力最大，硫化物夹杂其次， Al2O3夹杂最小； （4）裂纹继续扩展造成表面剥落。
立式铸机对夹杂物的控制
轻压下对中心偏析的控制
均质化生产工艺的差距: (1)钢水成分精度控制差 (2)凝固偏析控制工艺落后, 如日本采用立式大方坯连铸 机,而我国采用普通铸机 (3)加热炉控制水平较低 (4)控轧控冷控制不如国外 精细
钢材组织性能控制的差距
国内、外轴承钢成分控制 国内、外轴承钢组织偏差
钢中夹杂物个数对L10寿命的影响
钢中最大夹杂物粒径对L10寿命的影响
高浓度渗碳处理钢
普通钢
HIP工艺对L10的影 响
碳化物控制水平对L10的影响
国内、外特殊钢洁净度的差距
高品质特殊钢一般要求较高的洁净度，对钢中P、S等有害元素和气体含量的控 制越来越严格，对钢中夹杂物有极严格的要求。 控制要求
杂质元素控制(10-6)
国内、外钢材洁净度控制水平与差距 国际先进水平 国内先进水平
[S]≤5， [P]≤10，[Ti]≤7 [S]≤20，[P]≤80，[Ti]≤30
气体含量控制(10-6)
残余元素控制(%)
T.[O]≤5， [N]≤10，[H]≤1
残余元素总量 (As+Sn+Sb+Bi+Pb+Cu)<0.01 其中：As:0.001~0.0005，Sn:0.001~0.0005 Sb:0.001~0.0005，Bi:<0.0001， Pb:0.0001~0.0002 夹杂物总量≤0.01 细系A+B+C+D≤2.0级
洁净度对Ti夹杂出现频率的影响 试验钢种纯净度
纯净度对疲劳寿命的影响
洁净度对钢中夹杂物尺寸的影响 用极值统计法预测的最大夹杂物粒径
夹杂物形态对疲劳寿命的影响
试验钢种成份：
试验钢分为高硫钢(F、G、 H、I、J ，[S]=0.01%) 和低硫钢(A、B、C、 D、 E ， [S]=0.002%) )，其中D、E、F、G为超高洁净度钢，A、B、C 和 H、I、J高洁净度钢。
≤10 2.5
尚无法控制
夹杂物塑性化控制 ≥70 ≤30 (长 :宽≥3的比例)/% 夹杂物评级 夹杂物总量≤0.01 夹杂物总量≤0.025 细系(A+B+C+D) 细系A+B+C+D≤2.0级 细系A+B+C+D≤4.0 级
结论： （1）夹杂物控制工艺与水 平远落后于国外 （2）除T.O技术控制落后外, 许多夹杂物控制新技术仍处 于空白,如: • 大型夹杂控制技术 • 硫化物控制技术 •氮化物夹杂物控制技术
钢中氧化物夹杂危害最大，特别是CaOAl2O3-MgO系大型复合夹杂危害最大，硫 化物和氮化物危害较轻
钢中大型夹杂物主要以硫化物为主，氧化 物和氮化物含量相对较少
对于高硫钢([S]=0.01%)以硫化物为主，低 硫钢([S]≤0.006%)氮含量低时以TiN夹杂 为主，氮含量高时以硫化物为主
疲劳寿命L10
硫化物夹杂破坏机理
提高疲劳寿命的技术措施
采用以下技术措施可提高轴承钢的疲劳寿命： （1）降低T.O含量：将T.O由≤1010-6降低到<5106； （2）减少钢中夹杂物数量：钢中夹杂物数量从 ≥100个/50g(电解法)降低到<30个/50g，L10≥108； （3）钢中夹杂物最大尺寸从50m降低到25m， L10从107提高到108。 （4）严格控制钢中碳化物：采用高浓度渗碳处理 工艺，可在钢中形成大量细小弥散的碳化物(≤3m)； 和普通渗碳处理钢相比， L10寿命可提高4倍。 （5）采用热等静压处理(HIP工艺)L10寿命可提高 9.7倍。
国内、外钢材夹杂物控制水平与差距 控制要求
钢中T.O控制(10-6) 夹杂物总量控制(个 /mm2)
A类
B类
钢 中 有 害 夹 杂 物
D类
TiN
国际先进水平
≤5 ≤0.5
国内先进水平
8~12 ≤2.5
≤5 夹杂物尺寸控制 长度 ≥ 1mm 的不允许出现 (ds/m) 1个 大型夹杂物(个/mm2) 夹杂物形态控制(硫 ≥80 化物长:宽≤3的比 例 )/%
高品质特殊钢 质量控制与工艺优化
刘
浏
钢铁研究总院 2013年9月· 南京
主要内容
（1）高品质特殊钢质量控制
• 高洁净与超高洁净轴承钢 • 影响疲劳寿命的工艺因素
（2）国内特殊钢产品的质量差距
• • • • 洁净度差距 均质化差距 钢材组织性能控制差距 夹杂物控制水平差距
（3）特殊钢生产工艺优化
• 转炉特殊钢冶炼新工艺 • 钢中大型夹杂物控制 • 连铸工艺优化—表面缺陷控制、中心质量控 制与大型夹杂物控制
试验方法
夹杂物平均直径20m,距表面 0.12mm时各种夹杂物的最大应力
疲劳试验5104时夹杂物萌生裂纹的二次电子图像
夹杂物引起的疲劳断裂机理
高洁净度与超高洁净度轴承钢
根据疲劳裂纹的扩展机理与疲劳断裂力学的研究成果，近几年日本学者研究了钢材洁 净度对疲劳裂纹产生、扩展与断裂的影响。发现夹杂物尺寸对钢材的疲劳寿命影响最大， 由此提出了高洁净度与超高洁净度两种不同类型的轴承钢： （1）高洁净度轴承钢满足： 二次精炼炉渣中低级氧化物(FeO+MnO+Cr2O3)≤1%； 结论：目前我国特 -6 钢中T.O<1010 。 殊钢的制造水平达 （2）超高洁净度钢满足： 到稳定生产高洁净 二次精炼炉渣中低级氧化物(FeO+MnO+Cr2O3)≤1%； 度轴承钢的水平。 -6 钢中T.O<610 ； 最大夹杂物直径≤30m(用极值统计法分析30,000mm2视场)。
T.[O]≤8， [N]≤30，[H]≤1
转炉钢厂可达到，电炉钢厂有困难
非金属夹杂物控制(%) 夹杂物评级
1000 800 600 400 200
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
夹杂物总量≤0.025 细系A+B+C+D≤4.0级
国内低氧控制工艺 国外低氧控制工艺
结论：
(1) 洁净度水平与国外差距大 (2) 工艺落后是主要原因, 过分 依赖炉外精炼,造成初始氧含 量高于国外4~5倍 (3)T.O含量高,轴承钢疲劳寿命 大幅降低 (4)工艺落后是国内轴承钢质量 差的主要原因
T.O/*10
-6
转炉
脱氧前 脱氧后工序
国内外T.O控制工艺的差别
T.O与疲劳寿命的关系
≥107
≥108
纯净度对疲劳寿命的影响
研究结果：
（1）随洁净度提高疲劳寿命从107提高到108，L10平均 提高4.2倍。 （2）随洁净度提高钢中夹杂物最大尺寸减小：超高洁 净钢中不存在≥30m的大型夹杂物，夹杂物最大尺寸平 均为25 m，比高洁净度钢最大夹杂物直径51m平均降 低50%。 （3）超低硫([S]≤0.006%)条件下，超高洁净度钢中TiN 夹杂出现的频率较高(50~60%)；而高洁净度钢中夹杂物 主要为氧化物夹杂为主，氮化物夹杂出现频率较低。 （4）在断裂面上发现的MgO-Al2O3和CaO-Al2O3夹杂高 于TiN夹杂。说明和氧化物夹杂相比，TiN系夹杂物的危 害较低。
国内、外特殊钢均质化的差距
高品质特殊钢通常对钢材的均质化有严格要求，不但要严格控制钢水成份偏差， 还要控制铸造过程中产生的裂纹、疏松与偏析等缺陷以及轧制过程中的组织均匀化 与细化。 国内、外钢材均质化控制水平与差距
控制要求 国际先进水平 钢水成分控制精度(%) [C]≤0.005,[Mn]≤0.01 连铸坯中心偏析率 碳偏析≤1.05 ≤1.0 带状组织评级 网状碳化物评级 断面成分极差(%) 硬度偏差/HRC 脱碳层控制(mm) ≤2.0 [C]0.01,[P]0.002,[S]0.001 <1.0 ≤0.3 国内先进水平 [C]≤0.01,[Mn]≤0.02 碳偏析≤1.1 ≤3.0 ≤3.0 C]0.04,[P]0.004,[S]0.002 <1.5 ≤0.5
高洁净度与超高洁净度轴承钢性能对比
项 目 工艺要求 高洁净度轴承钢 精炼渣中(FeO+MnO+Cr2O3)≤1% T.O<10 10-6 超高洁净度轴承钢 精炼渣中(FeO+MnO+Cr2O3)≤1% T.O<10 10-6 最大夹杂物直径≤30m
夹杂物类型
夹杂物危害
钢中夹杂物以氧化物为主，硫化物和氮化 物相对较少