CN106636859B - 高纯净度轴承钢的冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高纯净度轴承钢的制备方法，该制备方法采用双联冶炼工艺冶炼轴承钢，即中频炉(或电炉)熔炼+真空自耗重熔工艺。该方法冶炼的轴承钢铸锭中气体含量与双真空工艺冶炼的轴承钢相当，磷、硫等有害元素含量较低，非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀，性价比较高。采用本方法生产的轴及轴承材料，可以应用于对寿命、可靠性等方面要求较高的精密机电产品。

Description

高纯净度轴承钢的冶炼方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料，特别是涉及一种高端轴承钢的冶炼方法。
背景技术
轴承钢的质量主要由其冶金质量决定，冶炼技术是轴承钢生产过程中最关键的技术。氧、钛、氮、磷、硫和五害元素等有害元素含量是衡量轴承钢冶金质量的关键指标，国内外轴承钢研发机构和企业长期致力于提高轴承钢纯净度。
炉外精炼技术在轴承钢生产过程中的应用，使轴承钢的冶金质量有了质的飞跃，目前已较为成熟。但是炉外精炼仍存在一些不足，例如气体含量高、非金属夹杂物尺寸大和分布不均匀的问题。
电渣重熔可去除大颗粒非金属夹杂物，改善非金属夹杂物尺寸、分布和形态，要求较高的轴承钢产品通常采用电渣重熔法生产，但是电渣钢的气体含量高，有待进一步提高纯净度。
更高要求的轴承钢产品通常采用真空感应熔炼+真空自耗重熔方法(以下简称“双真空”)冶炼，真空自耗重熔过程中大幅降低钢中有害元素含量、改善非金属夹杂物尺寸、分布和形态。但真空感应熔炼设备和耗材昂贵，能耗高，且原料通常需要较纯净的单质料，所以运行成本较高；另一方面，真空感应熔炼通常采用MgO捣打烧结坩埚，在高温、高真空下MgO分解，污染钢液，导致真空感应熔炼产品的氧含量偏高。
轴承钢研究和生产已有较长，主要采用电炉+炉外精炼(真空脱气)、真空感应熔炼、电渣重熔、真空自耗重熔等方法冶炼。这些方法与本发明比较，缺点是钢的纯净度较差或对原材料要求较高或成本较高。
发明内容
本发明目的是提供一种高纯净度轴承钢的冶炼方法，该方法可解决常规方法冶炼的轴承钢纯净度低、双真空方法冶炼的轴承钢磷硫含量高和成本高等问题。该方法冶炼的铸锭中氧含量、氮、氢、磷、硫、五害元素等有害元素含量低，非金属夹杂物数量少、尺寸小、分布均匀，成分均匀、偏析少、组织细小致密。
实现本发明目的的技术方案是：
高纯净度轴承钢的冶炼方法，有以下步骤：
1)熔炼
将金属原材料和一次渣料加入电炉中，送电至全熔；1480～1550℃搅拌脱磷，除渣、加入二次渣料；控制钢水温度为1550～1630℃，调整合金的组分和含量；加入铝脱氧，调节钢水温度至1500℃～1550℃浇注，钢锭模的直径为Φ200～400mm；
2)精整
步骤1)得到锭坯进行精整，得到真空自耗重熔所需的自耗电极棒；
3)真空自耗重熔
将步骤2)得到的自耗电极棒与假电极焊接，设定工作电流，工作电流为结晶器直径(单位为毫米)的18～22倍，真空度≤0.5Pa起弧，起弧电流为工作电流的30％；起弧后1～2分钟，提高电流至1.1倍工作电流，形成熔池后(钢液铺满结晶器底部)，逐渐降低电流至工作电流；然后恒熔速，平均速率约0.5kg/kA·min；重熔完成前切换成电流控制，逐步降低电流至工作电流的40％进行补缩，得到高纯净度轴承钢钢锭。
所述的一次渣料为CaO、BaO、SiO2、Fe2O3、MnO、MgO或BaO、SiO2、Fe2O3、MgO，其一次渣料质量比为：CaO：SiO2：Fe2O3：MnO：MgO＝40:20:20:10:10或BaO：SiO2：Fe2O3：MgO＝50:20:20:10。
所述的二次渣料为CaO、Al2O3、CaF2、MgO、MnO的混合物，其。渣料的质量比为：CaO:Al2O3：CaF2:MgO:MnO＝50:25:15:5:5。
所述轴承钢成品铸锭中氧含量≤8ppm、氮含量≤60ppm、氢含量≤0.5ppm、磷含量≤60ppm、硫含量≤20ppm。
步骤1)所述加入0.03～0.08％的铝元素脱氧。
步骤2)所述的自耗电极棒与假电极焊接时，自耗电极棒的底部与假电极相连，并要求保证自耗电极棒与假电极的同心度。
采用本发明的方法生产的轴承钢铸锭，与常规方法冶炼的轴承钢相比，其氧含量低、组织细小致密、表面质量好、偏析少(参见图3、图4)，非金属夹杂物数量少、尺寸小且分布均匀(参见图1和图2)；与电渣重熔法冶炼的钢相比，气体元素和五害元素(Sn、Pb、As、Sb、Bi)等有害含量低；与真空感应熔炼+真空自耗重熔方法冶炼的钢相比，成本低，磷、硫等有害元素含量较低。因此，本方法非常适合高端轴承钢批量化生产。本发明对原材料要求低、铸锭中的气体元素含量、磷含量和硫含量低，非金属夹杂物数量少、分布均匀、尺寸细小(参见图1和图2)，且设备较简单、成本较低。
采用本发明所述方法制备的高纯净度轴承钢，为含氮马氏体高温不锈轴承钢,可以应用领域高端装备制造业，也包括能源、汽车、轨道交通、冶金、采矿、石化、食品、造纸、宇航、海洋、机床、电子设备等诸多领域，对提高装备的使用寿命、运行精度、可靠性等具有重要意义。
附图说明
图1为非金属夹杂物照片；
图2为非金属夹杂物照片；
图3为棒材的低倍组织照片；
图4为钢锭圆周面和顶部的图片。
具体实施方式
实例1冶炼9Cr18Mo不锈轴承钢
第一步：中频炉熔炼
用9Cr18Mo回炉料和少量废钢(重量百分比15％左右的Q235等低合金钢)作为主原材料，用工业纯金属(Cr、Mo、Mn、Al)、单质硅和石墨碳作为成分微调的原材料；一次渣料配方为CaO：SiO2：Fe2O3:MnO:MgO＝40:20:20:10:10，二次渣料配方为CaO:Al2O3:CaF2:MgO:MnO＝50:25:15:5:5。
加入9Cr18Mo回炉料、少量废钢和一次渣料，送电至全熔；尽量保持较低温度(1480～1550℃)，搅拌脱磷，然后除渣、加入二次渣料；提高钢水温度至1550～1610℃，取样分析成分，根据成分分析结果补加合金元素至9Cr18Mo的标准组成和含量；插入铝丝或压入铝锭进行脱氧，加入的铝含量为0.05％；再次取样分析成分，成分满足标准要求后，调节钢水温度至1520℃左右进行浇注，钢锭模直径为Φ200mm。
第二步：精整
采用850℃×5h炉冷工艺退火，然后车光，车加工成Φ185mm的自耗电极棒。
第三步：真空自耗重熔
将第二步制备的自耗电极棒与假电极焊接在一起，焊接时保证同心度，自耗电极棒的底部与假电极相连；结晶器直径为Φ240mm，真空度0.4Pa开始起弧，起弧电流为1700A；起弧1分钟后逐步将电流调整至5500A，10分钟形成熔池(钢液铺满结晶器底部)后，逐渐降低至5000A；然后采用恒熔速控制模式，熔速为2.5kg/min；后期采用电流控制，逐渐降低电流至2000A进行补缩，得到高纯净度9Cr18Mo不锈轴承钢铸锭。
实例2冶炼GCr15高碳铬轴承钢
第一步：中频炉熔炼
用GCr15回炉料和废钢(重量百分比30％左右的Q235等低合金钢)作为主原材料，用工业纯金属(Cr、Mn、Al)、单质硅和石墨碳作为成分微调的原材料；一次渣料配方为BaO:SiO2：Fe2O3:MgO＝50:20:20:10，二次渣料配方为CaO:Al2O3:CaF2:MgO:MnO＝50:25:15:5:5。
加入GCr15回炉料、废钢和一次渣料，送电至全熔；尽量保持较低温度(1480～1550℃)，大功率搅拌脱磷，然后除渣、加入二次渣料；提高钢水温度至1560～1630℃，取样分析成分，根据GCr15成分分析结果补加合金元素至标准组成和含量；插入铝丝或压入铝锭进行脱氧，加入的铝含量为0.04％；再次取样分析成分，成分满足标准要求后，调节钢水温度至1530℃左右进行浇注，钢锭模直径为Φ390mm。
第二步：精整
砂磨去除钢锭表面的氧化皮和缺陷，砂磨后钢锭直径为Φ385mm左右。
第三步：真空自耗重熔
将第二步制备的自耗电极棒与假电极焊接在一起，焊接时保证同心度，自耗电极棒的底部与假电极相连；结晶器直径为Φ450mm，真空度0.5Pa开始起弧，起弧电流为2500A；起弧1分钟后逐步将电流调整至8800A，15分钟后，逐渐降低至8000A；然后采用恒熔速控制模式，熔速为4.3kg/min；后期采用电流控制，逐渐降低电流至3200A进行补缩，得到高纯净度GCr15高碳铬轴承钢铸锭。
表1实例1和实例2轴承钢中有害元素含量(质量分数)
实例 O N H P S Sn+Pb+As+Sb+Bi
实例1 6ppm 51ppm ≤0.5ppm 57ppm 17ppm ≤0.05％
实例2 5ppm 22ppm ≤0.5ppm 43ppm 10ppm ≤0.05％
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这都落入本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于，有以下步骤：
1）熔炼
将金属原材料和一次渣料加入电炉中，送电至全熔；1480～1550℃搅拌脱磷，除渣、加入二次渣料；控制钢水温度为1550～1630℃，调整合金的组分和含量；加入铝脱氧，调节钢水温度至1500℃~1550℃浇注，钢锭模的直径为Φ200～400mm；
2）精整
步骤1）得到锭坯进行精整，得到真空自耗重熔所需的自耗电极棒；
3）真空自耗重熔
将步骤2）得到的自耗电极棒与假电极焊接，设定工作电流，工作电流为结晶器直径（单位为毫米）的18～22倍，真空度≤0.5Pa起弧，起弧电流为工作电流的30%；起弧后1～2分钟，提高电流至1.1倍工作电流，形成熔池后，逐渐降低电流至工作电流；然后恒熔速，平均速率约0.5kg/kA·min；重熔完成前切换成电流控制，逐步降低电流至工作电流的40%进行补缩，得到高纯净度轴承钢钢锭。
2.根据权利1所述的方法，其特征在于：所述的一次渣料为CaO、SiO2、Fe2O3、MnO、MgO或BaO、SiO2、Fe2O3、MgO。
3.根据权利2所述的方法，其特征在于：所述的一次渣料质量比为：CaO：SiO2：Fe2O3：MnO：MgO=40:20:20:10:10或BaO：SiO2：Fe2O3：MgO =50:20:20:10。
4.根据权利1所述的方法，其特征在于：所述的二次渣料为CaO、Al2O3、CaF2、MgO、MnO的混合物。
5.根据权利4所述的方法，其特征在于：所述的二次渣料的质量比为：CaO: Al2O3：CaF2:MgO:MnO =50:25:15:5:5。
6.根据权利1所述的方法，其特征在于：所述轴承钢成品铸锭中氧含量≤8ppm、氮含量≤60ppm、氢含量≤0.5ppm、磷含量≤60ppm、硫含量≤20ppm。
7.根据权利1所述的方法，其特征在于：步骤1）所述加入0.03～0.08%的铝元素脱氧。
8.根据权利1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述的自耗电极棒与假电极焊接时，自耗电极棒的底部与假电极相连，并要求保证自耗电极棒与假电极的同心度。
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