1、特殊钢冶金与钢中非金属 夹杂物控制技术王新华2015年5月特殊钢抗疲劳性能与夹杂物控制特殊钢抗疲劳性能与夹杂物控制合金结构钢棒线材用于制作机械设合金结构钢棒线材用于制作机械设备中的轴件、齿轮、弹簧、轴承等；备中的轴件、齿轮、弹簧、轴承等；大多在动载荷，即冲击、振动或承大多在动载荷，即冲击、振动或承受周期性交变应力的条件下工作，受周期性交变应力的条件下工作，疲劳破坏是导致工件失效的重要原疲劳破坏是导致工件失效的重要原因；因；非金属夹杂物往往成为疲劳裂纹的非金属夹杂物往往成为疲劳裂纹的起源。起源。夹杂物与钢基体构成镶嵌结构夹杂物与钢基体构成镶嵌结构 在钢加热或冷却过程，由于膨胀系数的在钢加热或冷却
2、过程，由于膨胀系数的不同，夹杂物周围产生嵌镶应力不同，夹杂物周围产生嵌镶应力(T)；夹杂物周围夹杂物周围(4R)为受夹杂物嵌镶应力为受夹杂物嵌镶应力影响区域；影响区域；夹杂物数量多、直径大，嵌镶应力场会夹杂物数量多、直径大，嵌镶应力场会叠加；叠加；工件服役过程所受应力与嵌镶应力叠加，工件服役过程所受应力与嵌镶应力叠加，夹杂物周围应力超过钢的屈服极限，导夹杂物周围应力超过钢的屈服极限，导致裂纹产生，形成疲劳源。致裂纹产生，形成疲劳源。TimT 热膨胀系数差R.Kiessling,Non-metallic Inclusion in Steel,The Institute of Metals，Lon
3、don,1989，4693夹杂物相对变形能力夹杂物相对变形能力S.Rudnik研究指出：研究指出：0.51 时，在钢与夹杂物界面上时，在钢与夹杂物界面上很少由于形变产生微裂纹；很少由于形变产生微裂纹；0.030.5时，经常产生带有锥形时，经常产生带有锥形间隙的鱼尾形裂纹；间隙的鱼尾形裂纹；0时，锥形间隙与热裂纹撕裂是时，锥形间隙与热裂纹撕裂是常见的。常见的。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 软硬度不同夹杂物周边区域的应力分布软硬度不同夹杂物周边区域的应力分布
4、J.Kawahara,et al.,“Advance of Valve Spring Steel”,Wire Journal International.,Nov.1992,p.55-62影响疲劳性能的夹杂物临界尺寸影响疲劳性能的夹杂物临界尺寸Lasson等研究发现：等研究发现：夹杂物小于夹杂物小于10 m时，夹杂物萌生疲劳裂纹的几率非常小；时，夹杂物萌生疲劳裂纹的几率非常小；夹杂物大于夹杂物大于10 m时，疲劳裂纹则在夹杂物周围萌生。时，疲劳裂纹则在夹杂物周围萌生。斋藤誠研究发现：斋藤誠研究发现：10 m程度的程度的TiN夹杂物导致弹簧疲劳破坏。夹杂物导致弹簧疲劳破坏。Kiessling等认
5、为：等认为：大多数疲劳破坏起源于表面或亚表面的单个夹杂物，萌生疲劳裂纹的表面大多数疲劳破坏起源于表面或亚表面的单个夹杂物，萌生疲劳裂纹的表面或表面附近的夹杂物尺寸并不太重要。或表面附近的夹杂物尺寸并不太重要。M.Lasson et al.Mater.Sci.Tech.,1993,9(3),p235斋藤誠，熱処理，1987,vol.27,No.1,p.23R.Kiessling,et al.,Production and Application of Clean Steel,1970,p179不同类别夹杂物对钢疲劳性能的影响不同类别夹杂物对钢疲劳性能的影响“D类”或“DS类”“D类”或“DS类”
6、J.Monnot,et al.,Amer.Soc.For Test Mat.,1988,p.149常规夹杂物检验标准（常规夹杂物检验标准（ASTM E45）试样分析检验的表面积不低于160mm2。每个视场0.49mm2；总计320个视场。夹杂物控制标准夹杂物控制标准夹杂物控制标准夹杂物控制标准高端重要用途钢材品种高端重要用途钢材品种中国钢铁工业发展壮大（产量、品种、质量等）；中国钢铁工业发展壮大（产量、品种、质量等）；某些重要用途高端钢材品种仍依赖进口：某些重要用途高端钢材品种仍依赖进口：1.汽车钢板（合资品牌汽车钢板国产比率：汽车钢板（合资品牌汽车钢板国产比率：50%）；）；2.重要用途特殊
7、钢棒线材：重要用途特殊钢棒线材：轴承（飞机、高铁等）；轴承（飞机、高铁等）；高铁车轮、车轴、中高档汽车齿轮、轴件、弹簧等。高铁车轮、车轴、中高档汽车齿轮、轴件、弹簧等。3.特殊性能钢材（超高强度钢板、大桥悬索钢丝、深海钻管、套管、特殊性能钢材（超高强度钢板、大桥悬索钢丝、深海钻管、套管、切割丝等）；切割丝等）；4.-。高端钢材主要差距：实物质量与性能稳定性控制；与用户联系。高端钢材特点高端钢材特点 高档产品高档产品 抵挡产品抵挡产品谢蔚，中国钢铁工业可持续发展论坛，中国科协，2013年，唐山非金属夹杂物稳定性控制非金属夹杂物稳定性控制高端重要钢材性能稳定性差，非金属夹杂物控制不稳定是重要高端重
8、要钢材性能稳定性差，非金属夹杂物控制不稳定是重要原因之一；原因之一；主要表现在个别大尺寸夹杂物控制方面（主要表现在个别大尺寸夹杂物控制方面（DS类夹杂物）；类夹杂物）；以轴承、高铁车轮、车轴为例：以轴承、高铁车轮、车轴为例：即便将总氧含量控制在即便将总氧含量控制在3.5 5ppm极低含量范围，钢中仍有个别数极低含量范围，钢中仍有个别数十、数百微米，甚至毫米级大型夹杂物存在，十、数百微米，甚至毫米级大型夹杂物存在，德国德国Mubea泰倉厂弹簧钢试样分析泰倉厂弹簧钢试样分析1.德国德国Sarrstahl钢厂钢厂2.韩国浦项制铁韩国浦项制铁3.国内高水平特钢厂：国内高水平特钢厂：A厂厂B厂厂汽车弹簧
9、钢盘条不变形夹杂物尺寸比较42CrMo钢疲劳断口（钢疲劳断口（T.O：10ppm）旋转弯曲疲劳实验：旋转弯曲疲劳实验：三种热处理制度得到三个不同三种热处理制度得到三个不同强度水平的材料，进行疲劳实强度水平的材料，进行疲劳实验验22个疲劳断口裂纹起源为夹杂个疲劳断口裂纹起源为夹杂物；物；最大夹杂物为最大夹杂物为66m，最小夹，最小夹杂物为杂物为14.8m，平均为，平均为33.3 m尺寸60m的夹杂物个别大型夹杂物为外来夹杂物？个别大型夹杂物为外来夹杂物？尺寸60m的夹杂物超超低氧低氧特殊钢（特殊钢（T.O：36ppm）K.Kawakami,et al.,Proceedings of the 3r
10、d International Congress on the Science and Technology of Steelmaking,May 9-12,2005,Charlotte,AIST,209超低氧特殊钢工艺流程超低氧特殊钢工艺流程爱知制钢公司爱知制钢公司超低氧特殊钢工艺流程超低氧特殊钢工艺流程山阳特殊钢公司山阳特殊钢公司超低氧特殊钢关键工艺技术超低氧特殊钢关键工艺技术偏心炉底出钢；偏心炉底出钢；出钢后扒净钢包内顶渣。出钢后扒净钢包内顶渣。超低氧特殊钢（超低氧特殊钢（T.O：36ppm）K.Kawakami,et al.,Proceedings of the 3rd Interna
11、tional Congress on the Science and Technology of Steelmaking,May 9-12,2005,Charlotte,AIST,209超低氧特殊钢关键工艺技术超低氧特殊钢关键工艺技术铝脱氧（直接与间接脱氧）；铝脱氧（直接与间接脱氧）；高碱度精炼渣：高碱度精炼渣：碱度：碱度：58；FeO 1%。足够强搅拌（比搅拌功控制）。足够强搅拌（比搅拌功控制）。脱氧能力比较脱氧能力比较E.T.Turkdogan,Fundamentals of Steelmaking,The Institute of Materials,The University Pre
12、ss,UK,1996采用铝脱氧，首先将溶解氧采用铝脱氧，首先将溶解氧O含量降低至含量降低至0.0001 0.0003%；通过渣通过渣-钢精炼、钢精炼、RH真空处理、连铸等，去除钢液真空处理、连铸等，去除钢液中铝脱氧产物；中铝脱氧产物；将钢总氧降低至数个将钢总氧降低至数个ppm水平。水平。特殊钢脱氧工艺特殊钢脱氧工艺铝脱氧（铝脱氧（Al:0.015%）：）：轴承、齿轮、悬挂簧、轴件、连杆、轴承、齿轮、悬挂簧、轴件、连杆、高铁轮对、大桥钢索、预应力钢丝、高铁轮对、大桥钢索、预应力钢丝、冷镦钢等。冷镦钢等。无铝脱氧（无铝脱氧（Al:0.0006%）：）：轮胎帘线、汽车发动机弹簧、易切轮胎帘线、汽车发
13、动机弹簧、易切削钢。削钢。限制铝含量：限制铝含量：铁路钢轨。铁路钢轨。日本特殊钢厂采用日本特殊钢厂采用LF精炼渣成分精炼渣成分钢厂钢厂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 50.40.46.0 6.0 D D6060101022228 80.840.846.0 6.0 E E50505 5202020205 5221
14、0.0 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,TokyoKobe,2005,151采用高碱度精炼渣系的目的：降低渣中采用高碱度精炼渣系的目的：降低渣中SiO2的活度，抑制下式反应：的活度，抑制下
15、式反应：(Si02)+4/3 Al2/3Al203夹杂物夹杂物+Si 爱知制钢爱知制钢LF精炼渣碱度与钢水精炼渣碱度与钢水T.O福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪東京，1988，121山阳特殊钢精炼渣碱度对轴承钢总氧与夹杂物影响山阳特殊钢精炼渣碱度对轴承钢总氧与夹杂物影响K.Kawakami,T.Taniguchi,et al,Tetsu-to-Hagane,93(2007),741爱知制钢炉渣爱知制钢炉渣FetO+MnO含量控制含量控制福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪東京，1988，121LF精炼搅拌强度控制精炼搅拌强度控制比搅拌功：
16、比搅拌功：)148H1log(WTQ0285.0：比搅拌功率比搅拌功率 (W/t)(W/t)Q Q：底吹氩气流量：底吹氩气流量 (NlNl/min)/min)T T：钢水温度：钢水温度 (K)(K)W W：钢水重量：钢水重量 (t)(t)H H：钢水深度：钢水深度 (cm)(cm)比搅拌比搅拌功：功：120150W/t 超低氧特殊钢关键工艺技术：采用超低氧特殊钢关键工艺技术：采用RH真空精炼真空精炼VD工艺的缺点工艺的缺点1.炉渣卷入钢液；炉渣卷入钢液；2.脱硫反应增加脱硫反应增加Al2O3夹杂物。夹杂物。3(CaO)+2Al+3S=3(CaS)+(Al2O3)夹杂物 RH工艺优点工艺优点钢水
17、为强还原性炉渣所覆盖；钢水为强还原性炉渣所覆盖；渣渣-钢界面钢界面“平静平静”，炉渣卷入钢液形，炉渣卷入钢液形成的夹杂物量减少；成的夹杂物量减少；钢水大范围钢水大范围“循环流动循环流动”，促进微小，促进微小夹杂物碰撞、聚合、上浮去除；夹杂物碰撞、聚合、上浮去除；山阳特殊钢轴承钢山阳特殊钢轴承钢RH精炼时间：精炼时间：20 60min。LF与与RH精炼分工精炼分工升温，脱氧，合金化，去除升温，脱氧，合金化，去除夹杂物等。夹杂物等。脱气（脱气（H H，N N），脱氧，合金），脱氧，合金化，去除夹杂物等。化，去除夹杂物等。实现超低氧控制：实现超低氧控制：LF or RHLF or RH（哪个更高效？
18、）（哪个更高效？）LF精炼精炼优势：优势：加热钢水，炉渣；加热钢水，炉渣；强扩散脱氧（高碱度、极低强扩散脱氧（高碱度、极低FeO含含量炉渣）；量炉渣）；钢液成分控制。钢液成分控制。超低氧控制方面不足：超低氧控制方面不足：对钢水搅拌能不足。对钢水搅拌能不足。RH工艺优点工艺优点钢水为强还原性炉渣所覆盖；钢水为强还原性炉渣所覆盖；渣渣-钢界面钢界面“平静平静”，炉渣卷入钢液形，炉渣卷入钢液形成的夹杂物量减少；成的夹杂物量减少；钢水大范围钢水大范围“循环流动循环流动”，促进微小，促进微小夹杂物碰撞、聚合、上浮去除。夹杂物碰撞、聚合、上浮去除。JFE西日本制铁所生产轴承钢西日本制铁所生产轴承钢38K.
19、MATSUOKA,4th International Congress on Steelmaking,2008,Gifu,456JFE西日本制铁所生产轴承钢西日本制铁所生产轴承钢39在在RHRH前完成钢水合金化操作，尽量不在前完成钢水合金化操作，尽量不在RHRH精炼过程进行成分调整，精炼过程进行成分调整，并将并将RHRH精炼时间延长至最大（与连铸周期相适应）。精炼时间延长至最大（与连铸周期相适应）。K.MATSUOKA,4th International Congress on Steelmaking,2008,Gifu,456特殊钢总氧控制特殊钢总氧控制福本一郎，第126127回西山紀念技術
20、講座，日本鉄鋼協会，大阪東京，1988，1218.114.015.013.0010203040506070809004080120160200T.O(ppm)LF 精炼时间(min)24681012141618010203040T.O(ppm)RH精炼时间(min)超低氧特殊钢关键工艺技术超低氧特殊钢关键工艺技术严密保护浇铸；严密保护浇铸；中间包钢水加热中间包钢水加热；大方坯连铸（立式，垂直大方坯连铸（立式，垂直-弯曲型）。弯曲型）。山阳特殊钢公司连铸中间包山阳特殊钢公司连铸中间包经过经过LF-RH精炼，钢水精炼，钢水T.O降低至降低至3.55ppm;中间包冶金功能由促进夹杂物上浮转中间包冶金
21、功能由促进夹杂物上浮转为防止二次氧化：为防止二次氧化：全封闭（断气）；全封闭（断气）；能够快速升温（浇次开浇、钢包浇铸能够快速升温（浇次开浇、钢包浇铸后期）；后期）；快速通过。快速通过。采用较小容量中间包（山阳：采用较小容量中间包（山阳：20t）。）。中间包钢水加热中间包钢水加热电磁感应加热电磁感应加热 等离子加热等离子加热中间包钢水加热目的中间包钢水加热目的采用立式或垂直采用立式或垂直-弯曲型大方坯连铸机弯曲型大方坯连铸机川上潔，第2号連続鋳造機（60tCC）建設稼動，Sanyo Technical Report Vol.20(2013)No.1，51川上潔，第2号連続鋳造機（60tCC）建
22、設稼動，Sanyo Technical Report Vol.20(2013)No.1，51立式连铸机优势立式连铸机优势大同特殊钢公司新建大同特殊钢公司新建300mm300mm圆坯铸机圆坯铸机山阳特殊钢立式铸机山阳特殊钢立式铸机60t60t铸机铸机150t150t铸机铸机投产年月投产年月20122012年年6 6月月19821982年年1111月月铸机类型铸机类型立式铸机立式铸机铸机长度铸机长度25.3m25.3m（弯月面（弯月面 拉矫辊上段）拉矫辊上段）钢包容量钢包容量90t90t165t165t中间包容量中间包容量10t10t20t20t铸机流数铸机流数2 23 3铸坯尺寸铸坯尺寸3803
23、80 530mm530mm电磁搅拌电磁搅拌结晶器电磁搅拌结晶器电磁搅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涡流式涡流式川上潔，第2号連続鋳造機（60tCC）建設稼動，Sanyo Technical Report Vol.20(2013)No.1，51非金属夹杂物变化非金属夹杂物变化AlAl脱氧：脱氧：2Al+3O=(Al2O3)夹杂物夹杂物钢液与包衬、炉渣作用：钢液与包衬、炉渣作用：3(MgO)包衬或炉渣包衬或炉渣+2Al=3Mg+(Al2O3)夹杂物夹杂物3(CaO)炉渣炉渣+2Al=3Ca+(Al2O3)夹杂物夹杂物Mg+n/3(Al2O3)夹杂物
24、夹杂物=(MgO(n-1)/3Al2O3)夹杂物夹杂物+2/3AlxCa+(yMgOzAl2O3)夹杂物夹杂物=(xCaO(y-x)MgOzAl2O3)夹杂物夹杂物+xMgK.Kawakami,et al,TETSU-TO-HAGANE,93(2007),741-752山阳特殊钢山阳特殊钢LF精炼过程夹杂物组成精炼过程夹杂物组成山阳特殊钢夹杂物评级山阳特殊钢夹杂物评级T.Uesugi,Tetsu-to-Hagane,74(1999),1889ASTM“E45-06”标准国内特殊钢工艺技术进展国内特殊钢工艺技术进展2000年前：年前：总氧含量高：总氧含量高：158ppm；超低氧生产工艺技术问题较
25、多（铝脱氧、高碱度渣、保护浇铸等）。超低氧生产工艺技术问题较多（铝脱氧、高碱度渣、保护浇铸等）。2000年后：年后：高水平钢厂：总氧已能降低至高水平钢厂：总氧已能降低至5ppm左右，但夹杂物评级难以达到左右，但夹杂物评级难以达到SKF、NSK要求（要求（DS类夹杂物）；类夹杂物）；存在主要问题：存在主要问题：RH功能充分发挥，仍依赖钙处理，保护浇铸，弧形铸机功能充分发挥，仍依赖钙处理，保护浇铸，弧形铸机等。等。DS类夹杂物类夹杂物非金属夹杂物评级界限（非金属夹杂物评级界限（“GB/T 10561-2005GB/T 10561-2005”）研究热点：极低氧特殊钢夹杂物研究热点：极低氧特殊钢夹杂物
26、“小径化小径化”国内高水平特殊钢厂生产轴承钢，在实现了超低氧含量控制后（总氧：国内高水平特殊钢厂生产轴承钢，在实现了超低氧含量控制后（总氧：4.56ppm），仍面临个别），仍面临个别“DS类类”大尺寸夹杂物超标问题；大尺寸夹杂物超标问题；日本特殊钢厂十年前开始报道此问题，其在采用日本特殊钢厂十年前开始报道此问题，其在采用“ASTM E45”标准进行检验标准进行检验时（检验面积时（检验面积160mm2），检测不到数十），检测不到数十 m的大尺寸夹杂物，但在疲劳试样的大尺寸夹杂物，但在疲劳试样断口或采用超声波探伤检验方法对更大试样进行检测时却可以发现其存在；断口或采用超声波探伤检验方法对更大试样进
27、行检测时却可以发现其存在；国内特殊钢厂生产的超低氧轴承钢在采用国内特殊钢厂生产的超低氧轴承钢在采用“ASTM E45”标准进行检验时，也标准进行检验时，也可以检测到可以检测到“DS”类大尺寸夹杂物；类大尺寸夹杂物；山阳特殊钢公司发现，总氧含量相同的轴承钢，疲劳寿命却会有很大的不同，山阳特殊钢公司发现，总氧含量相同的轴承钢，疲劳寿命却会有很大的不同，因此仅用总氧含量这单一指标已不能完全代表轴承钢抗疲劳性能；因此仅用总氧含量这单一指标已不能完全代表轴承钢抗疲劳性能；国内轴承专家杨晓蔚将此现象称之为国内轴承专家杨晓蔚将此现象称之为“高纯净度钢的寿命离散性高纯净度钢的寿命离散性”。山阳特殊钢轴承钢质量
28、控制重要转变山阳特殊钢轴承钢质量控制重要转变2004年年10月月近来，不仅要通过降低钢总氧含量来减少夹杂物，还要求减小夹杂物的近来，不仅要通过降低钢总氧含量来减少夹杂物，还要求减小夹杂物的尺寸（尺寸（“小径化小径化”）。这种超高洁净度轴承，转动疲劳寿命的波动较以）。这种超高洁净度轴承，转动疲劳寿命的波动较以往轴承钢（电炉钢）减小往轴承钢（电炉钢）减小5050，可靠性（可信赖性）显著提高。这样，可靠性（可信赖性）显著提高。这样，通过确立高洁净度钢的稳定生产技术，能够生产通过确立高洁净度钢的稳定生产技术，能够生产“不同炉次间波动小、不同炉次间波动小、具有高信赖性具有高信赖性”的钢材，轴承转动疲劳寿
29、命得以发生飞跃的提高。的钢材，轴承转动疲劳寿命得以发生飞跃的提高。夹杂物检验方面问题夹杂物检验方面问题川上潔，第川上潔，第182 183次西山纪念技术讲座，次西山纪念技术讲座，NMS-ISIJ，東京，東京 神户，神户，2004，p.151轴承钢控制策略轴承钢控制策略转变（山阳特殊钢）转变（山阳特殊钢）由由重点重点控制钢总氧含量（控制钢总氧含量（“鋼中酸素量低减鋼中酸素量低减”）转为）转为“控制钢总氧控制钢总氧含量含量+控制钢中最大夹杂物尺寸（控制钢中最大夹杂物尺寸（“最大介在物大抑制最大介在物大抑制”）。）。Sanyo Technical Report，Vol.13(2006)，No.1，77
30、主要目的：提高稳定性主要目的：提高稳定性高信頼性長寿命軸受鋼高信頼性長寿命軸受鋼 PremiumJ2，Sanyo Technical Report Vol.20(2013)No.1，70各检测各检测100mm100mm2 2，取，取3030个视场中观测到的最大尺寸夹杂物形貌对比个视场中观测到的最大尺寸夹杂物形貌对比：采用极值统计法推算得到的最大夹杂物尺寸对比采用极值统计法推算得到的最大夹杂物尺寸对比山陽特殊鋼技報，13（1），2006，p.77-78疲劳性能比较疲劳性能比较不同时期山阳特殊钢公司生产轴承钢总氧含量与轴承疲劳寿命的关系不同时期山阳特殊钢公司生产轴承钢总氧含量与轴承疲劳寿命的关系(a)1985年 (b)1988年 (c)2004年夹杂物尺寸比较夹杂物尺寸比较采用100MHz超声波探伤仪对超高洁净度和常规超低氧轴承钢夹杂物检测结果川上潔，第182-183回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，東京-神戶，2005年，p.151-179 敬请指正！敬请指正！
