軸承鋼大尺寸夾雜物的來源分析及其應對策略

田 超，王向東，李長新

（山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟南271104）

疲勞性能直接衡量軸承鋼的質量，因此提高軸承鋼質量最主要的做法是提高軸承鋼的接觸疲勞壽命［1］。軸承滾動過程中，輥道下表面所受切應力及由此產生的軸承材料塑性變形是引起軸承滾動接觸疲勞裂紋的重要條件，材料內部組織變化及組織缺陷則是導致疲勞裂紋產生的內因［2］。進一步追根溯源，應力集中點的存在是使軸承鋼微觀組織發生局部塑性變形的必要條件［3］，應力集中點本質上是鋼中存在的基體不連續點，而造成鋼基體不連續性的原因即為鋼中不可避免的存在非金屬夾雜物、空洞等缺陷［4］。對于軸承鋼來說，控制大尺寸夾雜物已成為提升冶金質量的重點。電子顯微鏡與成分分析等微觀表征手段相結合，可以驗證存在的夾雜物的具體類型，從而有針對性的分析其來源及危害。

軸承鋼中典型夾雜物的來源與分布已被深入研究［5］。本文選擇了鋼廠具有代表性的兩種傳統工藝流程（轉爐連鑄流程和電爐連鑄流程）生產的軸承鋼，對其成材檢驗過程中發現的3種非典型的大尺寸夾雜物進行了定性分析，包括夾雜物特征及來源，并根據分析結果有針對性的給出了夾雜物應對策略。

1 試驗材料與方法

試驗材料選擇了BOF→LF→RH→CC流程軸承鋼棒材、EAF→LF→VD→CC流程軸承鋼棒材，其主要成分如表1所示。

表1 轉爐和電爐試驗鋼的化學成分（質量分數）%

根據需要在棒料上隨機位置切取若干金相試樣進行觀察分析，觀察分析所用的主要手段為光學顯微鏡觀察、SEM-EDS成分分析，具體做法為在配備顯微硬度儀的光學顯微鏡下觀察尋找鋼中的夾雜物相，通過顯微硬度儀在夾雜物旁打硬度凹坑以標記夾雜物位置后，將金相試樣置于配備EDS能譜分析的掃描電鏡下做進一步分析。金相試樣觀察面為圓棒縱截面，為方便試樣制備及觀察，試樣切取后首先經過淬回火處理。工藝為830℃保溫0.5 h油淬→150℃回火2 h空冷，目的是使材料達到軸承實際工作時的狀態，同時提高材料的硬度以方便制樣時獲得平整、無劃痕、無凹坑的拋光面。由于試驗對象軸承鋼為鋁脫氧鋼，其夾雜物中會含有Al元素，為制樣過程中為避免磨拋沾染的異物對夾雜物定性分析產生影響，本文所采用拋光劑一律為金剛石拋光劑，以避免使用氧化鋁拋光劑可能會造成的Al元素殘留。

2 大尺寸夾雜物分析

2.1 合金鉻鐵夾雜物

在轉爐試驗鋼棒材中發現了顆粒直徑超過50 μm的夾雜物（后確定為合金鉻鐵），如圖1所示。圖中水平方向為棒材軋制方向，該夾雜物在光學顯微鏡下的形貌與硫化物類似，但顏色較淺。

圖1 轉爐流程試驗鋼中合金鉻鐵夾雜物的形態

對比SEM照片，可見在光鏡觀察照片中，夾雜物范圍內的深色區域實際為剝落形成的凹坑，分別對該夾雜物范圍內的小凹坑、夾雜物主體的中心、邊部剝落凹坑進行了EDS能譜分析，選樣位置如圖2中1、2、3箭頭所指，由分析結果可見：該夾雜物能譜成分顯示Cr、O含量較高，尤其在主體部分，凹坑處由于夾雜物剝落，故EDS能譜中基體Fe的能量更高。含Cr夾雜物的可能來源有合金劑鉻鐵及耐火材料，高碳鉻軸承鋼高Cr高C，鋼液在LF精煉過程進行成分調整需加入合金劑鉻鐵；LF爐襯耐火材料多采用高鋁磚，渣線位置采用鎂碳磚或鎂鉻磚，鎂鉻磚主要成分含MgO約60%～70%、Cr2O3約10%～20%。含MgO的耐火材料可以與鋼渣反應形成鎂鋁尖晶石夾雜物，其夾雜物演變已被很多文獻研究報道［6-8］，但該夾雜物尺寸較大且成分單一，未發現伴生的含Mg相，且目前鎂鉻磚已較少采用，故判斷其來源為精煉階段補加的合金劑鉻鐵未完全熔融而產生的殘留物。

圖2 轉爐流程試驗鋼中合金鉻鐵夾雜物的EDS成分分析結果

從SEM照片上可以看出，合金鉻鐵夾雜物與基體界面不存在尖角或孔隙，但由于其容易剝落，推斷其與基體結合的界面強度較弱，同時由于該夾雜物尺寸達到約50μm，屬于危害較高的大尺寸夾雜物，應在精煉階段中予以避免。

2.2 SiC夾雜物

在轉爐試驗鋼棒材中發現如圖3所示夾雜物（后確定為SiC），形貌與Al2O3等脫氧產物類似，但從圖3b的SEM形貌來看其比一般氧化物更為致密。

圖3 轉爐流程試驗鋼中SiC夾雜物的形態

分別對該夾雜物主體的中部、邊部區域進行了EDS能譜分析，如圖4所示，結果顯示夾雜物主體為單一SiC，但在其邊部區域除C、Si外還檢出少量Ca、O元素，說明有少量CaO伴隨SiC存在。

圖4 轉爐流程試驗鋼中SiC夾雜物的EDS成分分析結果

判斷SiC夾雜物來源于精煉爐渣。軸承鋼需要長時間的還原精煉過程，即在LF精煉過程造高堿度還原渣，進行擴散脫氧，同時降低鋼中的硫含量，這一還原過程的爐渣是影響鋼液精煉效果的重要因素，它應具有好的物理、化學性質，如堿度較高、黏度不大、流動性良好、較少玷污鋼液。在軸承鋼精煉過程中SiC是LF脫氧劑，其脫氧產物使熔渣前期發泡，SiC和CaO均用于精煉過程造渣，SiC的作用是降低渣的堿度提高流動性，CaO的作用為調節渣的堿度并提高堿性渣的黏度［9］，這解釋了CaO伴隨SiC存在的現象。現場臨時加入SiC調整，但受限于連鑄過程，需要配合生產節奏，故未來得及調整完畢即進行了澆注，導致SiC卷入鋼液。

2.3 聚集態稀土氧硫化物夾雜物

在電爐試驗鋼棒材中發現如圖5所示超大尺寸點鏈狀夾雜物（后確定為聚集態稀土氧硫化物），點鏈延軋制方向延展，形貌與常見的B類夾雜物相似，但組成長鏈的夾雜物顆粒尺寸較Al2O3點鏈中的顆粒更小。經光鏡下測量，鏈長已接近900μm。

圖5 電爐流程試驗鋼中聚集態稀土氧硫化物夾雜物的形態（光學顯微鏡觀察）

為進一步降低軸承鋼中氧含量，本文電爐鋼在精煉過程中試驗了用高純La/Ce稀土進行深脫氧的操作工藝。稀土元素活性極強，在鋼中加入適量La、Ce稀土后，稀土與鋼水中的氧、硫反應形成稀土氧硫化物［10］，顆粒尺寸小，最大尺寸不超過6 μm［11］。SEM檢測結果也印證了這一點：聚集態稀土氧硫化物夾雜物局部的背散射電子相觀察和O、S、Al、Ca、La、Ce元素面掃描結果如圖6所示，由圖6可見，長串狀稀土夾雜物是由顆粒尺寸＜10μm的、成分以La、Ce氧硫化物為主顆粒組成，部分顆粒還含有Al、Ca元素。

圖6 電爐流程試驗鋼中聚集態稀土氧硫化物夾雜物主要元素分布

分析長串狀聚集的原因，稀土氧硫化物作為深脫氧（脫硫）產物，因比重大以及在鋼液中上浮所需時間受連鑄生產節奏限制等原因，不易被鋼渣吸附，在連鑄過程中常吸附于耐材表面如水口內壁等位置。當水口內壁逐漸形成嚴重結瘤且影響鋼液澆注時，現場會采用沖棒等非常規操作導致結瘤物隨鋼液進入鑄坯，結瘤物隨鑄坯軋制后呈現長串狀分布形態。

3 大尺寸夾雜物應對策略

通過分析可以看出，所發現三種非典型夾雜物，均屬于流程控制失當或疊加非常規操作產生的，提高現場管理水平控制特殊種類的大尺寸夾雜物，無疑是提高成材質量的必須手段。結合現場生產管理情況，現場操作者會依據鋼液狀況、原材料狀況、爐渣狀況等現場數據及個人經驗判斷來調整冶煉過程出現的不穩定情況，綜合判斷LF精煉過程存在改進空間，同時還需考慮LF精煉及連鑄過程的生產節奏合理匹配。

成分調整不到位、渣系調整不及時，疊加精煉與連鑄的生產節奏配合不當導致成材中出現了合金鉻鐵、SiC大尺寸夾雜物。據此，對LF精煉過程提出的應對策略，為針對關鍵鋼種研究開發LF關鍵控制模型，建立以溫度、成分、渣系三者統一的智能控制，實現自生產計劃到鋼種操作要點的縱向集成，達到不同工藝操作與鋼種需求的精確匹配，將操作人員的經驗知識規則化、工藝過程控制精準化，弱化直至消除人因影響，保證產品質量穩定。

對于稀土脫氧鋼，則應重點關注中間包水口結瘤問題，避免結瘤情況惡化后再采取的沖棒等非常規操作影響鋼水質量。應對策略為適當提高LF出鋼溫度，增加鋼水流動性，增強VD工序鋼水中稀土夾雜物被鋼渣界面捕獲的幾率，同時使中間包過熱度適當提升，有利于減輕水口結瘤。

4 結論

4.1 轉爐鋼中發現直徑超過50μm的合金鉻鐵夾雜物，其為精煉階段補加的合金劑鉻鐵未來得及完全熔融而形成的殘留物。

4.2 轉爐鋼中發現帶尖角的大尺寸SiC夾雜物，其為精煉階段臨時調整渣系時未來得及熔融而卷入鋼液中的SiC造渣料。

4.3 電爐鋼在精煉過程中試驗了高純La/Ce稀土深脫氧操作工藝后，于其中發現超大尺寸點鏈狀聚集態稀土氧硫化物，其來源為中間包水口結瘤物。

4.4 應對合金鉻鐵、SiC等人為因素導致的非典型夾雜物，應研究建立以溫度、成分、渣系三者統一的智能控制，實現自生產計劃到鋼種操作要點的縱向集成，將工人經驗知識規則化從而弱化直至消除人因影響。

4.5 應對聚集態稀土氧硫化物夾雜物，可以適當提高LF出鋼溫度減輕中間包水口結瘤，同時避免結瘤情況惡化后再采取沖棒等非常規操作。