GCr18Mo軸承鋼采用鋁及稀土金屬脫氧的研究

蘇 新 郭曙強 喬夢然 秦禮彬 鄭紅妍 任忠鳴

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444; 2.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室，上海 200444;3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

隨著社會經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，我國對鋼材質(zhì)量的要求也不斷提升。軸承作為機械設(shè)備的基礎(chǔ)件之一，近年來，軸承材料的多方面發(fā)展，使軸承鋼產(chǎn)品的質(zhì)量得到不斷提高[1]。軸承在工作時主要受拉力、壓力、剪力和摩擦力等各種交變應(yīng)力的作用，因此，其工作環(huán)境十分惡劣[2]。為適應(yīng)這樣惡劣的工作環(huán)境，軸承鋼必須要有高而均勻的硬度，足夠的耐磨性及高的彈性極限，以及一定的韌性和抗腐蝕性能，同時還要有良好的加工性能，足夠的尺寸精度和穩(wěn)定性,以保證設(shè)備的安全可靠[3-4]。所以，一定要精確控制軸承鋼的化學(xué)成分以及非金屬夾雜物的類型、尺寸及數(shù)量[5-6]。GCr18Mo軸承鋼主要用于高鐵列車，其質(zhì)量密切關(guān)系到國民的生命財產(chǎn)安全，對GCr18Mo軸承鋼的研究是重中之重的任務(wù)。降低鋼中氧含量并控制夾雜物的尺寸及形貌對于提高GCr18Mo鋼的質(zhì)量尤為重要。

1 鋁脫氧熱力學(xué)計算

關(guān)于鋼中鋁脫氧平衡的熱力學(xué)計算分析，針對不同的體系，很多文獻(xiàn)都已進(jìn)行了詳細(xì)的探索，具體如圖1所示[7-12]。因此本文通過熱力學(xué)方法分析GCr18Mo鋼鋁脫氧反應(yīng)平衡的鋁氧關(guān)系。GCr18Mo鋼的化學(xué)成分如表1所示。

圖1 鋁脫氧平衡的相關(guān)熱力學(xué)計算[7-12]Fig.1 Related thermodynamic calculations of aluminum deoxidization equilibrium[7-12]

表1 GCr18Mo軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of GCr18Mo bearing steel (mass fraction) %

如表1所示，GCr18Mo軸承鋼中C、Mn、Cr含量較高，在熱力學(xué)計算中要充分考慮到這些元素在鋼液中的相互作用系數(shù)，以及對鋁脫氧反應(yīng)的影響。還要考慮鋼中其他元素對反應(yīng)的影響以及各元素之間的相互作用。研究這些元素對鋁脫氧反應(yīng)的影響，則要考慮它們在鋼液中與鋁和氧元素的相互作用系數(shù)。GCr18Mo鋼中一些元素的一階和二階活度相互作用參數(shù)[7,13-14]分別如表2和表3所示。

2[Al]+3[O]=Al2O3(s)

(1)

(2)

ai=fi×w[i]

(3)

logfi=eij×w[i]

(4)

在熔煉溫度下，αAl2 O3=1，聯(lián)立式(1)至式(4)，再將表2和表3中的數(shù)據(jù)代入，則有：

在1 823 K時，

2logw[Al]+3logw[O]-3.423 7w[Al]-

4.481 9w[O]+13.391 533=0

(5)

在1 873 K時，

2logw[Al]+3logw[O]-3.423 7w[Al]-

4.481 9w[O]+12.441 029=0

(6)

在1 923 K時，

表2 GCr18Mo鋼中元素一階活度相互作用系數(shù)Table 2 First-order activity interaction coefficients of elements in GCr18Mo steel

2logw[Al]+3logw[O]-3.423 7w[Al]-4.481 9w[O]+11.539 953=0

(7)

表3 GCr18Mo鋼中元素二階活度相互作用系數(shù)Table 3 Second-order activity interaction coefficients of elements in GCr18Mo steel

作出上述3個溫度下的鋁-氧平衡關(guān)系曲線，如圖2(a)所示。

由圖2(a)可以看出，在不同溫度下，隨著鋁含量的增加，氧含量均是先減少后增加，變化趨勢一致。對比這3條曲線的最低點，可知1 923 K時的最低氧含量最高，而1 823 K時的最低氧含量最低，這是因為高溫阻礙了鋁脫氧反應(yīng)的進(jìn)行，低溫更有利于將GCr18Mo鋼中的氧含量降到較低的水平。

圖2 GCr18Mo鋼中鋁-氧平衡關(guān)系Fig.2 Aluminum-oxygen equilibria relation in GCr18Mo steel

引入二階活度相互作用系數(shù)計算鋁脫氧平衡關(guān)系，活度系數(shù)可由式(8)表示：

logfi=∑jeijw[j]+∑j∑kjrij,kw[j]w[k]

(rij,j=rij)

(8)

聯(lián)立式(1)～式(3)及式(8)，并代入表1～表3中的數(shù)據(jù)，選擇1 873 K溫度時，得到鋁氧平衡關(guān)系式為：

2logw[Al]+3logw[O]-3.423 7w[Al]-

4.481 9w[O]-0.03w[Al]2+79.64w[O]2+

142.294w[Al]w[O]+12.441 029=0

(9)

如圖2(b)所示，在GCr18Mo鋼中，當(dāng)鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%～1%時，采用二階相互作用系數(shù)計算的結(jié)果與一階相互作用系數(shù)計算的結(jié)果相近，兩條曲線基本重合；而在其他鋁含量區(qū)間內(nèi)，平衡相同的鋁含量時，一階相互作用系數(shù)所需要的氧含量明顯高于二階相互作用系數(shù)的結(jié)果，在鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1%時，這種情況尤為明顯。

2 鋁脫氧試驗

研究1 873 K溫度下，鋁的加入量對鋼液中溶解氧的影響。通過在熔煉過程中加入不同量的鋁，待鋼液中鋁氧反應(yīng)達(dá)到平衡后，使用定氧探頭測出鋼中溶解的氧含量。并采用氮氧分析儀測出樣品冷至常溫后的全氧含量。

鋼中的鋁分為兩種：一種為酸溶鋁，另一種為酸不溶鋁。酸溶鋁，顧名思義，是可以溶解在酸中的鋁，在鋼中大都以自由形式存在。而酸不溶鋁則是不能溶解在酸中的鋁，主要存在形式為氧化鋁Al2O3。

表4列出了鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.008 1%增加到0.33%時鋼中鋁及氧的含量。

將GCr18Mo軸承鋼在1 873 K鋁脫氧反應(yīng)平衡后的鋁、氧含量數(shù)據(jù)點標(biāo)在鋁氧平衡曲線上，見圖3。不難看出，試驗數(shù)據(jù)更貼近于采用一階相互作用系數(shù)計算的結(jié)果。且大部分?jǐn)?shù)據(jù)點位于曲線上方，這表示在平衡相同的溶解鋁含量時，實際溶解氧含量要高于理論計算值。其原因主要有兩點：一是反應(yīng)動力學(xué)方面，反應(yīng)不夠充分，使反應(yīng)不完全；二是選擇的熱力學(xué)參數(shù)不夠精準(zhǔn)，由于參考的是前人的研究結(jié)果，并不完全契合本試驗的體系，從而產(chǎn)生了一定的誤差。但試驗數(shù)據(jù)整體還是貼近計算的平衡曲線的，且變化趨勢與曲線一致。

表4 鋁加入量及鋼中鋁、氧含量Table 4 Amount of aluminum added and aluminum and oxygen contents in steel

圖3 GCr18Mo鋼在1 873 K溫度下的鋁-氧平衡曲線與試驗數(shù)據(jù)Fig.3 Aluminum-oxygen equilibria curve and experimental data in GCr18Mo steel at 1 873 K

3 鋁脫氧夾雜物研究

圖4(a)為鋼中溶解氧含量為11 μg/g時夾雜物的形貌，此時鋁加入量較少，因此鋼中的溶解鋁含量較高，主要夾雜物是氧化鋁類夾雜。夾雜物呈樹枝狀，且有金屬光澤，尺寸相對較大，約為12 μm。

當(dāng)鋼中溶解鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%時，鋁脫氧效果最好，鋼中溶解氧含量僅為1.3 μg/g，此時氧化鋁夾雜物的形貌如圖4(b)所示。可以看出，氧化鋁夾雜呈圓形，有金屬光澤，且獨立分布于樣品表面，尺寸約3 μm。

圖4 不同鋁加入量時鋼中夾雜物形貌Fig.4 Morphologies of inclusions in steel with different aluminum contents

試驗中達(dá)到最佳脫氧效果后繼續(xù)增加鋁的加入量，使得鋼中的溶解氧含量增加。圖5為溶解鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.318%、溶解氧含量為21 μg/g時夾雜物的形貌。可見，此時的氧化鋁夾雜物主要呈團(tuán)簇狀，且尺寸相對較大。圖5(a)為典型的氧化鋁團(tuán)簇，由較多的小尺寸氧化鋁夾雜物聚集而成。圖5(b)中夾雜物的尺寸較大，為12 μm左右。此類夾雜物的存在，使得周圍的基體遭到破壞，對鋼的危害極大，也是影響軸承鋼壽命的因素之一。所以在GCr18Mo軸承鋼生產(chǎn)的脫氧環(huán)節(jié)中，鋁的加入量不宜過多，以免生成較大尺寸的夾雜物。

4 稀土金屬脫氧研究

為研究稀土元素對GCr18Mo鋼脫氧效果的影響，并與鋁脫氧的效果作比較，仍選擇脫氧溫度1 873 K，且稀土金屬的加入量與鋁相同。選擇3種稀土金屬：鑭(La)、鈰(Ce)和釔(Y)。

在1 873 K，加入等量的稀土金屬脫氧劑，分別研究La、Ce、Y對軸承鋼脫氧的影響，并觀察脫氧后鋼中夾雜物的形貌、分布。

設(shè)置兩組試驗，加入稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.04%和0.23%，脫氧溫度為1 873 K。

圖5 夾雜物形貌(wAl=0.318%；wO=21 μg/g)Fig.5 Morphologies of inclusions(wAl=0.318%；wO=21 μg/g)

同樣，在1 873 K反應(yīng)平衡后使用定氧探頭測其溶解氧含量，并在鋼冷卻至常溫后切割出小塊，采用氮氧分析儀測量全氧含量,結(jié)果見表6。

從縱向來看，鋁及這3種稀土金屬的脫氧能力順序是： La>Ce>Y>Al，這與這4種金屬的活潑性大小順序一致，3種稀土金屬都比鋁活潑，且鑭的活潑性比鈰和釔大。從脫氧反應(yīng)后溶解氧和全氧的含量來看，稀土金屬元素的脫氧效果優(yōu)于鋁。

表6 1 873 K稀土金屬脫氧的試驗數(shù)據(jù)Table 6 Experimental data of rare earth metal deoxidization at 1 873 K

圖6為試驗鋼鑭脫氧后含有鑭元素的夾雜物形貌。可見，夾雜物尺寸較小，一般為2～3 μm，在掃描電鏡下觀察時，呈亮白色，沒有棱角，形狀較為圓潤。含鑭夾雜物一般為復(fù)合夾雜物，由含鑭的化合物以及其他金屬的氧化物或硫化物組成。由于GCr18Mo鋼含有硅、鉻、錳、鉬等元素，所以形成的復(fù)合夾雜一般都是由這些金屬元素的硫化物及氧化物和鑭組成。尤其是硅元素，在夾雜物中的含量一般都不低。

圖7是試驗鋼鈰脫氧后的夾雜物形貌。可見，含鈰夾雜物大多是復(fù)合夾雜物，主要由含鈰化合物以及其他金屬元素的氧化物和硫化物組成。

圖6 鑭脫氧反應(yīng)夾雜物Fig.6 Inclusions of lanthanum deoxidization

圖7 鈰脫氧反應(yīng)夾雜物Fig.7 Inclusions of cerium deoxidization

在掃描電鏡下觀察時，一般呈白色，尺寸較小，為2 μm左右，獨立分布于樣品中。

圖8為試驗鋼釔脫氧后夾雜物的形貌。其形貌各異，在掃描電鏡下觀察時，呈亮白色，尺寸較小，一般為2～4 μm。含釔夾雜物一般為復(fù)合夾雜物，由其他金屬的硫化物及氧化物和釔化合物組成。

5 結(jié)論

圖8 釔脫氧反應(yīng)夾雜物Fig.8 Inclusions of yttrium deoxidization

(1)采用一階活度相互系數(shù)所計算的鋁-氧平衡曲線更接近試驗數(shù)據(jù)。其中加入0.16%鋁時的脫氧效果最佳，此時鋼中溶解氧含量為1.3 μg/g，全氧含量為4.6 μg/g。

(2)加入鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.04%時，脫氧效果較差，生成的氧化鋁夾雜物多呈樹枝狀，尺寸為12 μm左右；加入鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%～0.16%時，脫氧效果較好，生成了圓點狀氧化鋁夾雜，尺寸約3 μm；加入鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.16%時，脫氧效果差，氧化鋁夾雜多以團(tuán)簇狀和其他不規(guī)則形狀存在，尺寸為10 μm左右。

(3)采用稀土金屬鑭、鈰、釔作為脫氧劑與鋁對比，發(fā)現(xiàn)脫氧能力順序是鑭>鈰>釔>鋁。說明稀土金屬的脫氧效果優(yōu)于鋁，且稀土金屬脫氧產(chǎn)生的白色點狀夾雜物比鋁脫氧的夾雜物尺寸更小，一般為6 μm以下。