轴承钢中镁铝合金对夹杂物变性的研究
2010-05-17作者：龚伟；姜周华；王博；王文忠
（东北大学材料与冶金学院）
（东北大学材料与冶金学院）
摘 要：采用三种不同镁含量的镁铝合金对轴承钢钢液进行处理，得到钢中全氧含量、夹杂物形态、尺寸、数量的检测结果，同时考察了含镁合金对轴承钢碳化物的球化作用。实验结果表明，镁铝合金处理钢液后夹杂物成分以镁铝尖晶石为主，观察镁铝合金处理实验终点样，溶解在轴承钢中的镁元素起到了球化碳化物的作用，并且随着镁铝合金中镁含量的增加，这种效果越明显。
关键词：轴承钢；镁；夹杂物；碳化物
关键词：轴承钢；镁；夹杂物；碳化物
Study on effect of magnesium aluminum alloy to inclusionin bearing steel
GONG Wei JIANG Zhouhua WANG Bo WANG Wenzhong
(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University)
GONG Wei JIANG Zhouhua WANG Bo WANG Wenzhong
(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University)
ABSTRACT：Three different content magnesium aluminum alloys has been used in bearing steel, then the test result of the total oxygen content of, the shape, amount and size of inclusions in bearing steel was gained, and the spheroidizing of magnesium alloy to carbide in bearing steel was checked at the same time. The result shows that the main content of inclusion is spinel after treating with magnesium aluminum alloy. And the samples of the ingots at the terminal have been observed, the result confirms the conclusion that the sphericalization is more obvious when Al-Mg alloy with higher magnesium content is used.
KEY WORDS：Bearing steel, magnesium, inclusion, carbide
１ 前言
目前电炉生产轴承钢工艺是以Al作为主要脱氧剂的，用Al脱氧可以获得很低的溶解氧含量，如果脱氧产物Al2O3脱除充分，就可以获得洁净度很高的钢液。虽然Al2O3夹杂物与钢液润湿角小、上浮速度快，但是仍会有大量的Al2O3颗粒残留在钢液中聚集成团簇状的Al2O3群[1]。这些团簇状的Al2O3群对轴承钢的疲劳寿命有害，并且在浇注过程中易堵塞水口。因此，对残留在钢中的Al2O3夹杂物进行变性处理以消除其危害是提高轴承钢疲劳寿命的有效途径。
如果将钢中溶解的镁含量提高，镁参与脱氧反应生成的氧化镁将和氧化铝生成镁铝尖晶石夹杂物，起到将氧化铝夹杂物变性的作用。由于镁的蒸汽压很高，如果将纯镁喂入钢液中，镁将迅速生成蒸汽逸出，不仅收得率很低且镁蒸汽与空气中氧接触后引起剧烈燃烧导致爆炸。因此将镁和铝做成合金降低镁的蒸汽压是提高镁在钢中收得率的有效措施。
2 实验方案及研究方法
实验在MoSi2炉内进行，实验共进行了3炉。采用φ65×80mm高纯MgO坩埚，以轴承钢轧材棒为原料，钢水量约1kg，渣量为钢水量的8%，测温采用双铂铑热电偶，实验温度为1823K，实验过程中通氩气保护气氛，流量为6Nl/min。
实验用钢铁料为GCr15轴承钢轧材棒料。具体成分见表1。
KEY WORDS：Bearing steel, magnesium, inclusion, carbide
１ 前言
目前电炉生产轴承钢工艺是以Al作为主要脱氧剂的，用Al脱氧可以获得很低的溶解氧含量，如果脱氧产物Al2O3脱除充分，就可以获得洁净度很高的钢液。虽然Al2O3夹杂物与钢液润湿角小、上浮速度快，但是仍会有大量的Al2O3颗粒残留在钢液中聚集成团簇状的Al2O3群[1]。这些团簇状的Al2O3群对轴承钢的疲劳寿命有害，并且在浇注过程中易堵塞水口。因此，对残留在钢中的Al2O3夹杂物进行变性处理以消除其危害是提高轴承钢疲劳寿命的有效途径。
如果将钢中溶解的镁含量提高，镁参与脱氧反应生成的氧化镁将和氧化铝生成镁铝尖晶石夹杂物，起到将氧化铝夹杂物变性的作用。由于镁的蒸汽压很高，如果将纯镁喂入钢液中，镁将迅速生成蒸汽逸出，不仅收得率很低且镁蒸汽与空气中氧接触后引起剧烈燃烧导致爆炸。因此将镁和铝做成合金降低镁的蒸汽压是提高镁在钢中收得率的有效措施。
2 实验方案及研究方法
实验在MoSi2炉内进行，实验共进行了3炉。采用φ65×80mm高纯MgO坩埚，以轴承钢轧材棒为原料，钢水量约1kg，渣量为钢水量的8%，测温采用双铂铑热电偶，实验温度为1823K，实验过程中通氩气保护气氛，流量为6Nl/min。
实验用钢铁料为GCr15轴承钢轧材棒料。具体成分见表1。
表1 轴承钢成分/%
（1）向炉内加入约1kg钢料，给电升温，同时吹氩保护；
（2）金属料熔清后，温度达到1550℃时，取钢样①作为原始样；
（3）插入0.5g铝进行沉淀脱氧；
（4）一次性加入预先配制好的渣料80g；
（5）渣料熔化后分几次加入C、Si、Al混合粉扩散脱氧；
（6）在1550℃炉子恒温30min后，取钢样②；
（7）插入AlMg合金1g。（第1炉加1＃合金，第2炉加2＃合金，第3炉加3＃合金）。继续扩散脱氧；
（8）1550℃下恒温30min后取钢样③；
（9）再继续恒温30min后断电，待炉子冷却至室温后取出终点钢样；
（10）将①②③号样和终点钢样分析全氧；并作切面进行定量金相和扫描电镜分析。
将每组实验样品的①②③号样分析全氧，并作扫描电镜分析和定量金相分析；将每组实验样品的终点样取切面作扫描电镜分析和定量金相分析，然后将终点样用4%硝酸酒精腐蚀，观察碳化物形貌。
3 实验结果及分析
3.1 实验全氧分析结果分析
实验过程全氧含量的变化见表2。
（2）金属料熔清后，温度达到1550℃时，取钢样①作为原始样；
（3）插入0.5g铝进行沉淀脱氧；
（4）一次性加入预先配制好的渣料80g；
（5）渣料熔化后分几次加入C、Si、Al混合粉扩散脱氧；
（6）在1550℃炉子恒温30min后，取钢样②；
（7）插入AlMg合金1g。（第1炉加1＃合金，第2炉加2＃合金，第3炉加3＃合金）。继续扩散脱氧；
（8）1550℃下恒温30min后取钢样③；
（9）再继续恒温30min后断电，待炉子冷却至室温后取出终点钢样；
（10）将①②③号样和终点钢样分析全氧；并作切面进行定量金相和扫描电镜分析。
将每组实验样品的①②③号样分析全氧，并作扫描电镜分析和定量金相分析；将每组实验样品的终点样取切面作扫描电镜分析和定量金相分析，然后将终点样用4%硝酸酒精腐蚀，观察碳化物形貌。
3 实验结果及分析
3.1 实验全氧分析结果分析
实验过程全氧含量的变化见表2。
表2 实验过程全氧含量的变化情况/%
实验过程全氧含量的变化见表2。由表2中可以看出，三组实验的①号样初始全氧含量均在15×10-6~25×10-6之间，处于比较低的水平。这是由于实验所用钢铁料为轧材料比较纯净，并且在钢铁料入炉前对其表面作了去除氧化铁皮的处理。②号样为加入渣料并且脱氧后的全氧结果，可以看出全氧结果要高于初始全氧。这是因为在加入渣料和脱氧剂的过程当中带入炉内大量的空气，将炉内的Ar气保护气氛破坏，从而导致钢水吸氧的结果。③号样为镁铝合金处理完毕后的全氧结果，可以看出全氧结果明显降低，不大于初始全氧含量。这说明镁铝合金处理轴承钢液对控制钢中全氧含量有积极作用，不会恶化全氧指标。
3.2 夹杂物定性分析和形貌变化分析
为了弄清楚实验过程中夹杂物的成分和形貌的变化情况，用扫描电镜及能谱分析将每炉实验的①②③号样和终点样进行了夹杂物的形貌和成分分析，过程夹杂物变化的结果如图1所示。由图1可以看出实验过程中各阶段随着实验条件改变，钢中夹杂物的变化趋势是非常明显的，铝镁合金处理后夹杂物的成分从Al2O3为主变为镁铝尖晶石类夹杂物。达到了夹杂物变性处理的实验目的。
3.2 夹杂物定性分析和形貌变化分析
为了弄清楚实验过程中夹杂物的成分和形貌的变化情况，用扫描电镜及能谱分析将每炉实验的①②③号样和终点样进行了夹杂物的形貌和成分分析，过程夹杂物变化的结果如图1所示。由图1可以看出实验过程中各阶段随着实验条件改变，钢中夹杂物的变化趋势是非常明显的，铝镁合金处理后夹杂物的成分从Al2O3为主变为镁铝尖晶石类夹杂物。达到了夹杂物变性处理的实验目的。
图1 夹杂物在各阶段的组成变化
Fig.1 Variation of inclusion compositions
Fig.1 Variation of inclusion compositions
3.3 夹杂物的定量金相分析
为考察实验过程中夹杂物的尺寸和数量的变化情况，对试样进行定量金相分析。实验选取了每炉实验的①②③号样和终点样④进行观察。实验用LEICA Q5501W图象仪、DMRME显微镜进行观察，放大倍率为500倍，每个试样观察40个视场，对所观察的视场用图象处理系统进行自动与半自动筛选。
为考察实验过程中夹杂物的尺寸和数量的变化情况，对试样进行定量金相分析。实验选取了每炉实验的①②③号样和终点样④进行观察。实验用LEICA Q5501W图象仪、DMRME显微镜进行观察，放大倍率为500倍，每个试样观察40个视场，对所观察的视场用图象处理系统进行自动与半自动筛选。
图2 夹杂物平均直径变化
Fig.2 Variation of inclusions’ average diameter
Fig.2 Variation of inclusions’ average diameter
每炉实验的②号样比①号样的结果要差许多，即在初始钢液铝脱氧后夹杂物的指标变坏：夹杂物总面积增加，夹杂物平均直径变大，并且夹杂物的分布多为大颗粒夹杂。这说明在加铝脱氧后，钢液内形成了大量的氧化铝夹杂物，并聚集长大，同时向炉内加顶渣过程中带入大量的空气使钢液增氧，这也有利于夹杂物的生成。
从图2可以看出镁铝合金处理钢液后对夹杂物的尺寸细小化产生了非常好的影响，Z后终点样的夹杂物平均直径均小于初始钢样中的夹杂物平均直径。
3.4 终点样的组织金相分析
为了考察镁元素对轴承钢中碳化物形态的作用，将实验的终点样做了组织观察。首先将试样退火（退火制度如前文所述），然后将试样的观察面用砂纸打平，然后进行研磨、抛光，抛光完毕用4%的硝酸酒精腐蚀样品表面，用LEICA Q5501W图象仪、DMRME显微镜进行观察，放大倍率为1000倍。同时，与没有经过镁铝合金处理的轴承钢的组织进行了对比，一起观察。金相照片见图3。
从图2可以看出镁铝合金处理钢液后对夹杂物的尺寸细小化产生了非常好的影响，Z后终点样的夹杂物平均直径均小于初始钢样中的夹杂物平均直径。
3.4 终点样的组织金相分析
为了考察镁元素对轴承钢中碳化物形态的作用，将实验的终点样做了组织观察。首先将试样退火（退火制度如前文所述），然后将试样的观察面用砂纸打平，然后进行研磨、抛光，抛光完毕用4%的硝酸酒精腐蚀样品表面，用LEICA Q5501W图象仪、DMRME显微镜进行观察，放大倍率为1000倍。同时，与没有经过镁铝合金处理的轴承钢的组织进行了对比，一起观察。金相照片见图3。
图3 轴承钢组织金相
Fig.3 Microstructure of bearing steel
Fig.3 Microstructure of bearing steel
图3中(a)、(b)、(c)为镁铝合金实验炉、第二炉和第三炉的终点样，(d)、(e)、(f)为没有进行镁铝合金处理实验炉、第二炉、第三炉的终点样。图中层片状的为珠光体组织。可以看出，(a)图片中的珠光体组织是完整的、连续的，只是局部有变形。(b)图片中的珠光体组织出现了断点，不再连续并且珠光体明显变薄。(c)图片中的珠光体组织出现了大面积的断层，并且明显观察到碳化物以球状存在。而在没有镁铝合金处理的(d)、(e)、(f)三组图片中，观察到了树枝状碳化物和网状碳化物的存在。这说明，镁铝合金处理钢液后，溶解在轴承钢中的镁元素的确起到了球化碳化物的作用，并且随着镁铝合金中镁含量的增加，这种效果越明显。
众所周知，镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。国内外学者已经对其进行过深入研究，归纳起来得到以下一些结果。一是镁的脱氧、脱硫作用降低了钢中氧、硫含量，自然也就减少了氧化物、硫化物的数量；二是镁加入钢水后有挥发气搅拌作用，改善了动力学条件，有助于夹杂物的上浮和排除；三是由于镁与氧硫的亲和力强，易形成含镁的夹杂物，夹杂物成分的变化改变了夹杂物与钢液间的界面张力，有助于加快夹杂物的上浮，此外夹杂物成分的改变更易于使其聚集而上浮；四是钢液中的镁提供了更为均匀的形核位置而生成尺寸较小且均匀分布的夹杂物[2]。
4 结论
通过对轴承钢的镁铝合金夹杂物变性实验研究可以得到以下结论：
（1）本实验所选用的三种不同含量的镁铝合金对钢液进行处理后，全氧结果均不大于初始氧含量，3＃合金处理钢液后全氧含量达到了14×10-6，这在本实验中为Z好水平。
（2）从夹杂物的组成来看，镁铝合金处理钢液后夹杂物成分以镁铝尖晶石为主达到了夹杂物变性处理的目的。
（3）镁铝合金处理钢液后对夹杂物的尺寸细小化产生了非常好的影响，Z后终点样的夹杂物平均直径均小于初始钢样中的夹杂物平均直径，达到了细化夹杂物尺寸的目的。
（4）镁铝合金处理钢液后，溶解在轴承钢中的镁元素的确起到了球化碳化物的作用，并且随着镁铝合金中镁含量的增加，这种效果越明显。
参考文献：
[1] 王昌生, 万业恕. 氧含量对轴承钢疲劳寿命的影响[J], 特殊钢, 1990,11(6): 48.
[2] 周德光, 傅杰, 李晶等. 轴承钢中镁的控制及作用研究[J], 钢铁, 2002, 37(7): 23.
众所周知，镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。国内外学者已经对其进行过深入研究，归纳起来得到以下一些结果。一是镁的脱氧、脱硫作用降低了钢中氧、硫含量，自然也就减少了氧化物、硫化物的数量；二是镁加入钢水后有挥发气搅拌作用，改善了动力学条件，有助于夹杂物的上浮和排除；三是由于镁与氧硫的亲和力强，易形成含镁的夹杂物，夹杂物成分的变化改变了夹杂物与钢液间的界面张力，有助于加快夹杂物的上浮，此外夹杂物成分的改变更易于使其聚集而上浮；四是钢液中的镁提供了更为均匀的形核位置而生成尺寸较小且均匀分布的夹杂物[2]。
4 结论
通过对轴承钢的镁铝合金夹杂物变性实验研究可以得到以下结论：
（1）本实验所选用的三种不同含量的镁铝合金对钢液进行处理后，全氧结果均不大于初始氧含量，3＃合金处理钢液后全氧含量达到了14×10-6，这在本实验中为Z好水平。
（2）从夹杂物的组成来看，镁铝合金处理钢液后夹杂物成分以镁铝尖晶石为主达到了夹杂物变性处理的目的。
（3）镁铝合金处理钢液后对夹杂物的尺寸细小化产生了非常好的影响，Z后终点样的夹杂物平均直径均小于初始钢样中的夹杂物平均直径，达到了细化夹杂物尺寸的目的。
（4）镁铝合金处理钢液后，溶解在轴承钢中的镁元素的确起到了球化碳化物的作用，并且随着镁铝合金中镁含量的增加，这种效果越明显。
参考文献：
[1] 王昌生, 万业恕. 氧含量对轴承钢疲劳寿命的影响[J], 特殊钢, 1990,11(6): 48.
[2] 周德光, 傅杰, 李晶等. 轴承钢中镁的控制及作用研究[J], 钢铁, 2002, 37(7): 23.