TWI412597B - Bearing steel refining method for improving fatigue life - Google Patents

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提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法
本發明係關於一種軸承鋼精煉法，特別是一種提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法。
習知軸承鋼之製程，係指轉爐使用習知之吹氧脫碳作業，吹煉到鋼液中氧含量約0.043%時，即完成一次精煉。雖一次精煉後之鋼液經過出鋼末期之斷渣作業，但鋼液中氧濃度依然存在高低間變異較大現象。其中，出鋼中添加適量石灰，一方面稀釋轉爐渣之氧化性，另一方面可生成固態渣對鋼液產生保溫作用。
出鋼後再於盛鋼桶二次精煉(Ladle Furnace)初期，同時添加鋁、矽鐵等脫氧劑及精煉渣，以及合金成份細調，並達成鋼液中鋁含量約0.038%，此時鋼液中之氧濃度平均值降低有限，無法有效地控制鋁氧化物生成量，故難以達到無粒徑大於150μm大型氧化物生成之目的，其存在約200μm長之聚合型大型氧化物。
隨後，即使二次精煉過之鋼液再進入適當之真空脫氣、以及弱攪拌等處理，也難以有效地消除大型氧化物，其中大型氧化物系非金屬介在物為導致早期疲勞破壞之起源，故無法達到高清淨鋼之目標。在習知技術中，二次精煉(Ladle Furnace)過之鋼液經連鑄胚再軋成14Φ mm棒鋼，經精密微量氧分析，氧含量為百萬分之八(8ppm)以上。經圓筒型滾動疲勞試驗，其L10 疲勞壽命約為1.7×107 。
參考中國大陸專利第CN101182591A號，其揭示利用兩次精煉渣之CaO/SiO2 鹽基度比，其目的係欲控制高碳鉻軸承鋼之點狀介在物生成量。該中國大陸專利對於二次精煉過程大型氧化物之生成及抑制、鋼液中氧含量之控制等內容均未提及。
參考中國大陸專利第CN1040668C號，其揭示利用添加Mo、Mg方式生產長壽命高碳鉻軸承鋼，以因應提高軸承零組件之滾動疲勞壽命之要求，對於大型氧化物之生成及抑制、鋼液中氧含量之控制等內容均未提及。
然而，軸承零件之滾動疲勞破壞起源，係起始於氧化物或大型氧化物(下稱氧化物系非金屬介在物)，故大型氧化物之抑制產生、或已產生該如何去除，係為二次精煉製程中必需改善的重要課題。
參考日本專利公開第2006-283090號，其揭示以氮氣進行吹煉時，鋼液中之氮濃度高低變異大，因此易造成氮濃度低之非金屬介在物非常難去除。此外，出鋼後因鋼液中之氮濃度高低變異仍然很大、不均勻分佈，在此狀態下之鋼液，若直接供應給脫氣設備進行真空脫氣處理，也無法有效地促進非金屬介在物上浮與將其去除。
綜上，採用習知之氧氣吹煉鐵水作業，鋼液中氧含量大多落在0.015%~0.050%，且鋼液中之氧濃度高低變異大，因此易造成氧濃度低之非金屬介在物，非常難去除，是亟待解決的問題之一。此外，出鋼後因鋼液中之氧濃度高低變異仍然很大、不均勻分佈，此狀態下之鋼液，若直接供應給脫氣設備，進行真空脫氣處理，也無法有效地促進非金屬介在物上浮與將其去除，是亟待解決的問題之二。
由於氧濃度高低變異小、且均勻分佈之鋼液供應，係來自於轉爐以高濃度氧氣吹煉高爐鐵水之過程，故如何在轉爐吹煉鐵水之過程，穩定控制熔融鋼液中氧濃度在較低水準及較小的變異範圍、且均勻分佈之技術，是亟待努力解決之課題。
又，由轉爐出鋼之鋼液，在盛鋼桶二次精煉過程，因鋼液中之氧濃度高低變異仍然很大、且不均勻分佈。故如何經由盛鋼桶二次精煉過程，提供適量之鋁(Al)與較低氧濃度之鋼液進行脫氧反應，以有效抑制粗大氧化物之生成，亦係另一亟待努力解決之課題。
因此，有必要提供一創新且具進步性的提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法，以解決上述問題。
本發明係提供一種提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法，包括以下步驟：(a)以氧氣吹煉一金屬液至氧含量小於或等於0.009重量百分比(wt %)；(b)調整該金屬液中之鋁含量至小於或等於0.018重量百分比；及(c)進行一脫氣步驟，以移除該金屬液中之氣體。
本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法具有以下優點：可抑制大型氧化物之生成，有效消除早期疲勞破壞引起之疲勞壽命異常之問題；可降低鋁氧化物數量並形成高清淨金屬液，提升軸承鋼之疲勞壽命3倍以上，並縮小疲勞壽命之變異；軸承鋼精煉製程時間短；精煉方法方便又簡易，且生產成本低、操作性單純，利於量產。
參考圖1，其顯示本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法之流程圖。本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法係可應用於低氧高碳鉻軸承鋼之精煉製程。首先，參考步驟S11，以氧氣吹煉一金屬液至氧含量小於或等於0.009重量百分比(wt %)，以完成第一次精煉。在第一次精煉階段，係在轉爐以高濃度氧氣吹煉(低磷之)該金屬液過程中，精密控制吹煉時機，當該金屬液一達到氧含量小於或等於0.009wt %時，即停止吹煉，以完成該第一次精煉步驟。
較佳地，在步驟S11之後更包括一添加石灰至該金屬液之步驟。在本實施例中係於出鋼中添加適量石灰，一方面可稀釋轉爐渣之氧化性，另一方面可生成固態渣對該金屬液產生保溫作用。在本實施例中，更在第一次精煉後之該金屬液由轉爐出鋼到盛鋼桶之過程中進行一第一斷渣步驟，以移除該金屬液表面上之浮渣，且縮小鋼液中氧濃度之高低間變異，如此可穩定控制熔融金屬液中氧濃度在較低水準及較小的變異範圍、且均勻分佈之品質狀態。
參考步驟S12，調整該金屬液中之鋁含量至小於或等於0.018重量百分比，以完成第二次精煉(Ladle Furnace)。在本實施例中，在該金屬液於盛鋼桶進行第二次精煉之初期，同時添加脫氧劑及精煉渣，以及添加鉻至該金屬液中進行合金成份細調，並達成該金屬液中鋁含量小於或等於0.018%之水準，促進該金屬液中之氧濃度平均值再度降低，以有效地控制鋁氧化物之生成量，達到抑制大型氧化物生成之目的。較佳地，該脫氧劑係為鋁或/及矽鐵。
經SEM之實際檢測結果顯示，該金屬液中僅存在粒徑約30μm長之小型氧化物。本實施例中，氧化物之粒徑係依ASTM E2283法評估，其粒徑係以表示之，且在30,000mm2 之整體觀察面積下之預測值，其中A為氧化物之面積。
參考步驟S13，進行一脫氣步驟，以移除該金屬液中之氣體(如氫氣或/及氮氣)。本實施例中，經第二次精煉後之該金屬液再藉由真空脫氣設備(RH)，進行還原反應，其一方面降低鋁氧化物之數量，且一方面以脫氣過程中生成之氣泡補捉氧化物，促進氧化物上浮，以達成高清淨金屬液之精煉。較佳地，在步驟S13中更包括一攪拌該金屬液之步驟，更進一步促進氧化物上浮，以獲得更清淨之金屬液。
本實施例中，在步驟S13之後更包括一第二斷渣步驟，以移除該金屬液表面上之浮渣。清淨之金屬液可依需求，例如鑄成連鑄胚，再軋成棒鋼。經精密微量氧分析，該棒鋼之氧含量為百萬分之五(5ppm)以下。並且，該棒鋼經疲勞試驗之結果，相較於習知製程所製造之棒鋼，本發明方法所製造之棒鋼之L10 疲勞壽命大幅提升。
參考表一，其顯示在本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法及習知軸承鋼精煉法之精煉條件下，所製造之棒鋼之疲勞壽命比較結果。其中，利用本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法及習知軸承鋼精煉法所形成之金屬液製作連鑄胚，再將連鑄胚軋成14Φ mm之棒鋼，再經精密微量氧分析及滾動疲勞試驗。滾動疲勞試驗之試驗參數如下：
試片：直徑12Φ mm×22mm長圓筒型試片。
接觸應力：5.88GPa。
負荷速度：46240cpm(cycle per minute)。
潤滑：飛沫給油。
由表一可知，如實例1-5利用本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法所形成之金屬液製作之棒鋼，其氧含量為0.0005%(5ppm)以下，大幅低於如比較例1-5以習知軸承鋼精煉法所形成之金屬液製作之棒鋼之氧含量(0.0010%以上)。並且，相較於習知製程所製造之棒鋼，本發明方法所製造之棒鋼之L10 疲勞壽命大幅提升3倍以上。
本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法具有以下優點：可抑制大型氧化物之生成，有效消除早期疲勞破壞引起之疲勞壽命異常之問題；可降低鋁氧化物數量並形成高清淨金屬液，提升軸承鋼之疲勞壽命3倍以上，並縮小疲勞壽命之變異；軸承鋼精煉製程時間短；精煉方法方便又簡易，且生產成本低、操作性單純，利於量產。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
圖1顯示本發明提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法之流程圖。
(無元件符號說明)

Claims (9)

  1. 一種提升疲勞壽命之軸承鋼精煉法，包括以下步驟：(a)　以氧氣吹煉一金屬液至氧含量小於或等於0.009重量百分比(wt %)；(b)　調整該金屬液中之鋁含量至小於或等於0.018重量百分比；及(c)　進行一脫氣步驟，以移除該金屬液中之氣體。
  2. 如請求項1之方法，其中在步驟(a)之後更包括一添加石灰至該金屬液之步驟。
  3. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)中更包括一添加脫氧劑及精煉渣至該金屬液之步驟。
  4. 如請求項3之方法，其中該脫氧劑係為鋁或/及矽鐵。
  5. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)中更包括一添加鉻至該金屬液之步驟。
  6. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)之前更包括一第一斷渣步驟，以移除該金屬液表面上之浮渣。
  7. 如請求項6之方法，其中在步驟(c)之後更包括一第二斷渣步驟，以移除該金屬液表面上之浮渣。
  8. 如請求項1之方法，其中在步驟(c)中更包括一攪拌該金屬液之步驟。
  9. 如請求項1之方法，其係應用於低氧高碳鉻軸承鋼之精煉製程。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101182591A (zh) * 2007-12-12 2008-05-21 攀钢集团攀枝花钢铁研究院 一种低氧类高碳铬轴承钢的转炉生产方法
CN101351565A (zh) * 2005-12-28 2009-01-21 Posco公司 具有等轴晶粒结构的铁素体不锈钢板坯的制造方法以及通过该方法制造的铁素体不锈钢

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