洛阳会议特殊钢王新华.ppt

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 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 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 疲劳破坏是导致工件失效的重要原因 非金属夹杂物往往成为疲劳裂纹的起源 夹杂物与钢基体构成镶嵌结构 在钢加热或冷却过程 由于膨胀系数的不同 夹杂物周围产生嵌镶应力 T 夹杂物周围 4 R 为受夹杂物嵌镶应力影响区域 夹杂物数量多 直径大 嵌镶应力场会叠加 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 导致裂纹产生 形成疲劳源 热膨胀系数差 R Kiessling Non metallicInclusioninSteel TheInstituteofMetals London 1989 46 93 夹杂物相对变形能力 S Rudnik研究指出 0 5 1时 在钢与夹杂物界面上很少由于形变产生微裂纹 0 03 0 5时 经常产生带有锥形间隙的鱼尾形裂纹 0时 锥形间隙与热裂纹撕裂是常见的 软硬度不同夹杂物周边区域的应力分布 J Kawahara etal AdvanceofValveSpringSteel WireJournalInternational Nov 1992 p 55 62 影响疲劳性能的夹杂物临界尺寸 Lasson等研究发现 夹杂物小于10 m时 夹杂物萌生疲劳裂纹的几率非常小 夹杂物大于10 m时 疲劳裂纹则在夹杂物周围萌生 斋藤誠研究发现 10 m程度的TiN夹杂物导致弹簧疲劳破坏 Kiessling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或表面附近的夹杂物尺寸并不太重要 M Lassonetal Mater Sci Tech 1993 9 3 p235斋藤誠 熱処理 1987 vol 27 No 1 p 23R Kiessling etal ProductionandApplicationofCleanSteel 1970 p179 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 J Monnot etal Amer Soc ForTestMat 1988 p 149 常规夹杂物检验标准 ASTME45 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 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 某些重要用途高端钢材品种仍依赖进口 汽车钢板 合资品牌汽车钢板国产比率 50 重要用途特殊钢棒线材 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 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 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 高档产品 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 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原因之一 主要表现在个别大尺寸夹杂物控制方面 DS类夹杂物 以轴承 高铁车轮 车轴为例 即便将总氧含量控制在3 5 5ppm极低含量范围 钢中仍有个别数十 数百微米 甚至毫米级大型夹杂物存在 德国Mubea泰倉厂弹簧钢试样分析 德国Sarrstahl钢厂韩国浦项制铁国内高水平特钢厂 A厂B厂 汽车弹簧钢盘条不变形夹杂物尺寸比较 42CrMo钢疲劳断口 T O 10ppm 旋转弯曲疲劳实验 三种热处理制度得到三个不同强度水平的材料 进行疲劳实验22个疲劳断口裂纹起源为夹杂物 最大夹杂物为66 m 最小夹杂物为14 8 m 平均为33 3 m 尺寸60 m的夹杂物 个别大型夹杂物为外来夹杂物 尺寸60 m的夹杂物 超低氧特殊钢 T O 3 6ppm K Kawakami etal Proceedingsofthe3rdInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking May9 12 2005 Charlotte AIST 209 超低氧特殊钢工艺流程 爱知制钢公司 超低氧特殊钢工艺流程 山阳特殊钢公司 超低氧特殊钢关键工艺技术 偏心炉底出钢 出钢后扒净钢包内顶渣 超低氧特殊钢 T O 3 6ppm K Kawakami etal Proceedingsofthe3rdInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking May9 12 2005 Charlotte AIST 209 超低氧特殊钢关键工艺技术 铝脱氧 直接与间接脱氧 高碱度精炼渣 碱度 5 8 FeO 1 足够强搅拌 比搅拌功控制 脱氧能力比较 E T Turkdogan FundamentalsofSteelmaking TheInstituteofMaterials TheUniversityPress UK 1996 采用铝脱氧 首先将溶解氧 O 含量降低至0 0001 0 0003 通过渣 钢精炼 RH真空处理 连铸等 去除钢液中铝脱氧产物 将钢总氧降低至数个ppm水平 特殊钢脱氧工艺 铝脱氧 Al 0 015 轴承 齿轮 悬挂簧 轴件 连杆 高铁轮对 大桥钢索 预应力钢丝 冷镦钢等 无铝脱氧 Al 0 0006 轮胎帘线 汽车发动机弹簧 易切削钢 限制铝含量 铁路钢轨 日本特殊钢厂采用LF精炼渣成分 K Kawakami The182 183thNishiyamaMemorialSeminar ISIJ Tokyo Kobe 2005 151 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 Si02 4 3 Al 2 3 Al203 夹杂物 Si 爱知制钢LF精炼渣碱度与钢水T O 福本一郎 第126 127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 K Kawakami T Taniguchi etal Tetsu to Hagane 93 2007 741 爱知制钢炉渣FetO MnO含量控制 福本一郎 第126 127回西山紀念技術講座 日本鉄鋼協会 大阪 東京 1988 121 LF精炼搅拌强度控制 比搅拌功 比搅拌功率 W t Q 底吹氩气流量 Nl min T 钢水温度 K W 钢水重量 t H 钢水深度 cm 比搅拌功 120 150W t 超低氧特殊钢关键工艺技术 采用RH真空精炼 VD工艺的缺点 炉渣卷入钢液 脱硫反应增加Al2O3夹杂物 3 CaO 2 Al 3 S 3 CaS Al2O3 夹杂物 RH工艺优点 钢水为强还原性炉渣所覆盖 渣 钢界面 平静 炉渣卷入钢液形成的夹杂物量减少 钢水大范围 循环流动 促进微小夹杂物碰撞 聚合 上浮去除 山阳特殊钢轴承钢RH精炼时间 20 60min LF与RH精炼分工 升温 脱氧 合金化 去除夹杂物等 脱气 H N 脱氧 合金化 去除夹杂物等 实现超低氧控制 LForRH 哪个更高效 LF精炼 优势 加热钢水 炉渣 强扩散脱氧 高碱度 极低FeO含量炉渣 钢液成分控制 超低氧控制方面不足 对钢水搅拌能不足 RH工艺优点 钢水为强还原性炉渣所覆盖 渣 钢界面 平静 炉渣卷入钢液形成的夹杂物量减少 钢水大范围 循环流动 促进微小夹杂物碰撞 聚合 上浮去除 JFE西日本制铁所生产轴承钢 38 K MATSUOKA 4thInternationalCongressonSteelmaking 2008 Gifu 456 JFE西日本制铁所生产轴承钢 39 在RH前完成钢水合金化操作 尽量不在RH精炼过程进行成分调整 并将RH精炼时间延长至最大 与连铸周期相适应 K MATSUOKA 4thInternationalCongressonSteelmaking 2008 Gifu 456 特殊钢总氧控制 福本一郎 第126 127回西山紀念技術講座 日本鉄鋼協会 大阪 東京 1988 121 超低氧特殊钢关键工艺技术 严密保护浇铸 中间包钢水加热 大方坯连铸 立式 垂直 弯曲型 山阳特殊钢公司连铸中间包 经过LF RH精炼 钢水T O降低至3 5 5ppm 中间包冶金功能由促进夹杂物上浮转为防止二次氧化 全封闭 断气 能够快速升温 浇次开浇 钢包浇铸后期 快速通过 采用较小容量中间包 山阳 20t 中间包钢水加热 电磁感应加热等离子加热 中间包钢水加热目的 采用立式或垂直 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 SanyoTechnicalReportVol 20 2013 No 1 51 川上潔 第2号連続鋳造機 60tCC 建設 稼動 SanyoTechnicalReportVol 20 2013 No 1 51 立式连铸机优势 大同特殊钢公司新建300mm圆坯铸机 山阳特殊钢立式铸机 川上潔 第2号連続鋳造機 60tCC 建設 稼動 SanyoTechnicalReportVol 20 2013 No 1 51 非金属夹杂物变化 Al脱氧 2 Al 3 O Al2O3 夹杂物 钢液与包衬 炉渣作用 3 MgO 包衬或炉渣 2 Al 3 Mg Al2O3 夹杂物 3 CaO 炉渣 2 Al 3 Ca Al2O3 夹杂物 Mg n 3 Al2O3 夹杂物 MgO n 1 3Al2O3 夹杂物 2 3 Al x Ca yMgO zAl2O3 夹杂物 xCaO y x MgO zAl2O3 夹杂物 x Mg K Kawakami etal TETSU TO HAGANE 93 2007 741 752 山阳特殊钢LF精炼过程夹杂物组成 山阳特殊钢夹杂物评级 T Uesugi Tetsu to Hagane 74 1999 1889 ASTM E45 06 标准 国内特殊钢工艺技术进展 2000年前 总氧含量高 15 8ppm 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 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SKF NSK要求 DS类夹杂物 存在主要问题 RH功能充分发挥 仍依赖钙处理 保护浇铸 弧形铸机等 DS类夹杂物 非金属夹杂物评级界限 GB T10561 2005 研究热点 极低氧特殊钢夹杂物 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 4 5 6ppm 仍面临个别 DS类 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 ASTME45 标准进行检验时 检验面积160mm2 检测不到数十 m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 国内特殊钢厂生产的超低氧轴承钢在采用 ASTME45 标准进行检验时 也可以检测到 DS 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 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 高纯净度钢的寿命离散性 山阳特殊钢轴承钢质量控制重要转变 2004年10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尺寸 小径化 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50 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 不同炉次间波动小 具有高信赖性 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 川上潔 第182 183次西山纪念技术讲座 NMS ISIJ 東京 神户 2004 p 151 轴承钢控制策略转变 山阳特殊钢 由重点控制钢总氧含量 鋼中酸素量 低减 转为 控制钢总氧含量 控制钢中最大夹杂物尺寸 最大介在物 大 抑制 SanyoTechnicalReport Vol 13 2006 No 1 77 主要目的 提高稳定性 高信頼性長寿命軸受鋼PremiumJ2 SanyoTechnicalRep