完成人
劉 宇、包燕平、黃永生、顧 超、趙 陽、王 敏、孫光濤、肖 微、陳廷軍、周 苑、莫秉干、王昆鵬、崔宏艷、徐旋旋、沈 艷
完成單位
中天鋼鐵集團有限公司、北京科技大學(xué)
背景與意義
“中國制造2025”先進(jìn)制造基礎(chǔ)零部件用鋼發(fā)展重點：突破先進(jìn)裝備用高性能軸承、齒輪、工具鋼、彈簧、緊固件等用鋼材料、設(shè)計、制造及應(yīng)用評價系列關(guān)鍵技術(shù)，高效節(jié)能電機、高端發(fā)動機、高速鐵路、高端精密機床、高檔汽車等先進(jìn)裝備用關(guān)鍵零部件用關(guān)鍵材料國內(nèi)自給率2020年達(dá)到80%，2025年力爭全面自給，關(guān)鍵零部件壽命提高1倍以上。因此高品質(zhì)軸承鋼疲勞壽命提升、生產(chǎn)與評價是先進(jìn)裝備用關(guān)鍵零部件材料自給率提升的國家重大技術(shù)需求。
近年來，國內(nèi)軸承鋼的質(zhì)量有了很大提升，部分軸承鋼質(zhì)量達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但是整體看，提高軸承鋼質(zhì)量仍然是提高軸承質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外軸承鋼的生產(chǎn)主要采用鋁脫氧工藝。從脫氧機理和實際效果來看，軸承鋼生產(chǎn)中在有效去除鋼液中溶解氧[O]的同時，產(chǎn)生了以下問題：
超低氧控制難度大
鋼中Ds夾雜物難于有效控制
鋼液中Ti元素難于控制
鋼液流動性差
鋼中Al2O3及尖晶石類夾雜物嚴(yán)重影響軸承鋼的疲勞壽命
針對以上問題，中天鋼鐵集團公司和北京科技大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了：非鋁脫氧軸承鋼的工藝，其主要控制思路為：
硅錳預(yù)脫氧+擴散脫氧+真空碳終脫氧工藝，由于擴散脫氧與真空碳終脫氧均不產(chǎn)生污染鋼液的脫氧產(chǎn)物，因此可以有效提高鋼液潔凈度。
非鋁脫氧有效減少鋼液中Ti等影響鋼材性能元素的含量。
優(yōu)化精煉渣組成，減少鋼中Ds夾雜物含量。
采用非鋁脫氧工藝，大幅度減少了Al2O3夾雜物數(shù)量，提高鋼液的流動性，有效減少了大顆粒夾雜數(shù)量。
有效控制了鋼中夾雜物尺寸和形態(tài)，提高疲勞壽命。
關(guān)鍵技術(shù)
1.以非鋁組合脫氧（硅錳預(yù)脫氧+擴散脫氧+真空脫氧）為特色的軸承鋼低氧控制技術(shù)
?。?）工藝路線
中天非鋁脫氧軸承鋼工藝流程，如圖1所示。
圖1中天非鋁脫氧軸承鋼生產(chǎn)工藝流程
?。?）基于硅錳預(yù)脫氧與擴散脫氧的軸承鋼前期控氧技術(shù)
基于硅錳預(yù)脫氧與擴散脫氧的軸承鋼前期控氧技術(shù)，實現(xiàn)LF精煉出站時，鋼中溶解氧約15-20 ppm，全氧含量降至20 ppm左右；LF精煉過程中N含量保持在30 ppm以下。LF過程中使用低堿度渣精煉渣，Al2O3含量僅為3-5%，堿度為0.9-1.5。
?。?）基于真空碳氧平衡的軸承鋼深脫氧技術(shù)
RH過程中的氧、氮含量變化如圖2所示。經(jīng)過RH精煉處理后，鋼中的全氧含量明顯下降，鋼中全氧控制在5-9ppm；RH精煉過程中N含量保持在30 ppm以下。
圖2非鋁脫氧工藝RH精煉過程中氧、氮含量變化
通過熱力學(xué)計算及實驗研究，在不同真空度下的鋼液碳氧平衡如圖3所示。在真空度67Pa時，碳成為比鋁更強的脫氧劑。真空爐內(nèi)軸承鋼脫氧實驗中氧、氮含量變化如圖4所示，全氧含量可脫至10 ppm以下。在工業(yè)生產(chǎn)中，RH出站鋼中全氧含量已穩(wěn)定控制在5-9 ppm。此外，為了控制真空脫氧過程中的噴濺現(xiàn)象，基于數(shù)模和水模研究結(jié)果提出了步進(jìn)式壓降模式，有效降低噴濺。
圖3不同真空度下的鋼液碳氧平衡
圖4真空爐內(nèi)軸承鋼脫氧實驗中氧、氮含量變化
2.非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動性改善關(guān)鍵技術(shù)
（1）低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系控制
非鋁脫氧工藝精煉渣成分分別如表1所示，LF精煉渣堿度控制在1左右，SiO2含量為30%左右，此外Al2O3遠(yuǎn)低于鋁脫氧工藝。
表1非鋁脫氧工藝造渣工藝下精煉渣成分 / wt%
如圖5所示，非鋁脫氧工藝鋼中鋁含量為1-8 ppm、鈦含量為3-8 ppm、硫含量為44-76 ppm。（2）低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系對鋼液關(guān)鍵成分的控制。
圖5鋼中（a）[Al]，（b）[Ti]和（c）[S]含量的比較
?。?）軸承鋼夾雜物的體系調(diào)整
圖6中顯示了兩種脫氧工藝軸承鋼中的主要夾雜物特征，非鋁脫氧軸承鋼中，鋼中最多的氧化物為硅酸鹽，大部分夾雜物尺寸均分布在小于10 μm的范圍內(nèi)，尖晶石和鈣鋁酸鹽夾雜物的數(shù)量密度均小于0.85 個/mm2。在鋁脫氧軸承鋼中，鈣鋁酸鹽、尖晶石和硅酸鹽類夾雜物的數(shù)量密度依次為1.92 個/mm2，1.68 個/mm2和1.14 個/mm2，尺寸大于15 μm氧化物數(shù)量明顯比非鋁脫氧軸承鋼更多。
圖6鋁脫氧和非鋁脫氧軸承鋼中不同類型氧化物尺寸分布
?。?）非鋁脫氧軸承鋼流動性的改善及機理研究
非鋁脫氧工藝對鋼液澆注性有明顯改善，如圖7所示，非鋁脫氧工藝中間包連澆14爐后，液面曲線平穩(wěn)。表2為不同工藝下小方坯（160 mm×160 mm）連鑄時中間包的連澆爐數(shù)。
圖7連澆14爐后塞棒及液面曲線
表2不同工藝下連澆爐數(shù)對比
?。?）建立軸承鋼超聲疲勞評價方法及滾動疲勞驗證3.非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機理及斷裂行為預(yù)測方法
本文中采用超聲疲勞試驗系統(tǒng)進(jìn)行超高周疲勞試驗，試驗頻率達(dá)到20 kHz，大大縮短試驗時間。采用該系統(tǒng)完成了大量超高周疲勞試驗，疲勞壽命結(jié)果與滾動疲勞實驗結(jié)果相符。
?。?）不同夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂的行為及機理
非鋁脫氧軸承鋼的疲勞性能優(yōu)于中天鋁脫氧軸承鋼，非鋁脫氧軸承鋼的斷口裂紋源由夾雜物誘發(fā)的較少；鋁脫氧軸承鋼的斷口裂紋源均為鈣鋁酸鹽。此外，滾動接觸疲勞試驗（洛軸所出具）結(jié)果：非鋁脫氧最好，其次為鋁脫氧。
?。?）微觀結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測模型的建立
為了深入研究不同夾雜物對疲勞壽命的影響，本研究從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，以微觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)行為為基礎(chǔ)，建立微觀模型，通過統(tǒng)計學(xué)原理與宏觀性能關(guān)聯(lián)，形成多尺度服役性能預(yù)測模型，實現(xiàn)裂紋源及疲勞壽命的量化預(yù)測，并將相同尺寸的球型鈣鋁酸鹽類夾雜物和硅酸鹽類夾雜物引入模型，預(yù)測結(jié)果顯示在相同的疲勞應(yīng)力下的硅酸鹽引起疲勞裂紋源萌生所需周次更長。
項目特色和主要創(chuàng)新
“硅錳預(yù)脫氧+擴散脫氧+真空終脫氧”非鋁組合脫氧：通過真空碳終脫氧將鋼中全氧含量控制在5-9ppm的同時，有效控制了鋼中Ti等元素，同時可以有效控制夾雜物類型；
非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動性改善技術(shù)：采用低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系精煉渣，將夾雜物成分控制于低熔點區(qū)，鋼中Ds夾雜物得到有效控制，解決了小方坯軸承鋼水口可澆性差的技術(shù)難題；
非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機理及斷裂行為預(yù)測方法：借助超聲疲勞的測試方法與滾動疲勞檢測相結(jié)合，對軸承鋼的拉壓疲勞壽命和斷裂機理進(jìn)行了研究，建立不同夾雜物對疲勞性能影響的微觀結(jié)構(gòu)量化模型，基于該模型分析了軸承鋼中主要夾雜物對疲勞性能的影響。
實現(xiàn)了以真空終脫氧為特色的高品質(zhì)鋼生產(chǎn)的技術(shù)集成與工藝創(chuàng)新：一方面可以根據(jù)產(chǎn)品的最終用途，控制鋼中夾雜物的種類；另一方面通過“真空終脫氧”，從源頭上消除了夾雜物的主要來源-脫氧產(chǎn)物，從工藝上非常有利于潔凈鋼的生產(chǎn)，為高品質(zhì)鋼的生產(chǎn)提供了一條新的途徑，在眾多高品質(zhì)鋼生產(chǎn)中具有很好的推廣應(yīng)用前景！
主要技術(shù)指標(biāo)
本項目主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。
表3主要技術(shù)指標(biāo)
查新報告與知識產(chǎn)權(quán)
教育部科技發(fā)展中心針對本項目的四個技術(shù)創(chuàng)新點的查新報告結(jié)果如下：在國內(nèi)外已公開發(fā)表的文獻(xiàn)和專利中，除本查新項目委托單位公開的專利和本查新項目組負(fù)責(zé)人及成員發(fā)表的文獻(xiàn)外，未見有基于上述四個創(chuàng)新技術(shù)。創(chuàng)新點如下：
“硅錳預(yù)脫氧+擴散脫氧+真空脫氧”非鋁組合脫氧軸承鋼低氧控制技術(shù)
非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動性改善技術(shù)
非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂機理及斷裂行為預(yù)測方法
集成以上技術(shù)，實現(xiàn)了軸承鋼小方坯連鑄-高速線材一火成材技術(shù)集成，顯著降低了工序能耗和生產(chǎn)成本。
本項目相關(guān)成果發(fā)表文章22篇，其中英文13篇，全部是SCI，中文9篇；授權(quán)專利13項，其中發(fā)明專利13項。
經(jīng)濟效益
中天非鋁脫氧軸承鋼（GCr15）工藝于2016年底開始研發(fā)，并于2017年正式應(yīng)用生產(chǎn)，2017年～2022年總計生產(chǎn)鋼產(chǎn)量約29萬噸，新增產(chǎn)值142481.03萬元，新增利稅44509.71萬元，增收（節(jié)支）總額1460.55萬元。生產(chǎn)的軸承鋼球、軸承套圈、滾子、水泵軸等滾動體軸承，廣泛應(yīng)用于福特、吉利、哈弗、大通、東風(fēng)等品牌。
