G20CrNi2MoA渗碳轴承钢生产工艺的探讨

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1、收件日期:2010-06-24作者简介:李中友,工程师,毕业于成都无缝钢管职工大学压力加工专业,现供职于攀钢集团江油长城特殊钢有限公司技术中心,联系电话:0816-3639359G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢生产工艺的探讨李中友(攀钢集团江油长城特殊钢有限公司技术中心 621701 四川江油)?摘?要:针对攀长钢公司渗碳轴承钢G20CrNi2MoA 采用?电炉+真空处理+电渣 生产试制的工艺中如何控制钢中的O、高倍夹杂及碳化物带状组织等问题进行了生产工艺的探讨,对该钢形成批量生产,以满足铁路用渗碳轴承钢的要求具有积极的意义。关键词:渗碳轴承钢?非金属夹杂?碳化物带状组织中图分类号:TF76

2、2+.4?文献标识码:B?文章编号:1674-0971(2010)03-010-05A Study on Production Process ofG20CrNi2MoA Carburizing Bearing SteelLi Zhongyou(Technology Center,Changcheng Special Steel Co.,Ltd,Pangang Group,Jiangyou,Sichuan,621701)?Abstract:Focusing onthe problems such as how to control O,inclusions and carbide banded

3、 structures in the steel,andsoon,which occurred in the process of trial-producing G20CrNi2MoA carburizing bearing steelby using?EF+VD+ESR,this pa?per studied the production process of the steel so as to meet the requirements of carburizing bearing steel for railway.This researchhas an obvious positi

4、ve significance for the batch production of the steel.Key Words:Carburizing bearing steel,Non-metallic inclusions,Carbide banded structures概述G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢是优质低碳合金钢,它具有切削、冷加工性能良好、耐冲击、渗碳后耐磨、接触疲劳寿命高等优点。采用 G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢制造的轴承,除表面具有高的硬度、耐磨、高的疲劳强度、良好的尺寸稳定性外,轴承内部还具有高的韧性,广泛用于制造承受冲击较大的轴承,如轧机、重型车辆、铁路机车等

5、。美国渗碳轴承钢产量达到轴承钢总产量的 30%,日本为 10%15%,而我国还不到 5%,用 G20CrNi2MoA 钢制造的货车轴承,每年的需求量约为 130万套,用钢 15万 t 左右,渗碳轴承钢在我国存在着巨大的潜在市场及发展前景。本文针对 G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢采用?电炉+真空处理+电渣 生产工艺的探讨研究,为攀长钢公司开拓渗碳轴承钢市场提供必要的工艺技术支持将有着十分积极的意义。1?问题的提出G20CrNi2MoA 铁路货车轴承用渗碳轴承钢由于其用途的特殊性决定了其技术要求的主要特点:(1)冶炼方法须电弧炉冶炼+真空处理并经电渣重熔,整个冶炼过程禁止使用 Ca-Si 脱氧

6、。(2)钢的非金属夹杂物按照 GB/T10561 标准中A 法进行评定,各类夹杂物级别应分别不大于表 1表 1?各类夹杂物级别Table 1?Grades of the different inclusionsA(硫化物夹杂)B(氧化物夹杂)C(硅酸盐夹杂)D(点状夹杂)粗系细系粗系细系粗系细系粗系细系1.52.01.02.00.50.51.01.0?(3)钢中 O 含量需控制在!30 ppm(其技术标准或技术协议未作定量规定但希望按此要求控制)。(4)碳化物带状!3级第 16卷?总第 64期2010 年第 3 期特钢技术Special Steel TechnologyVol.16(64)20

7、10,No.3表 2?钢的末端淬透性Table 2?Jominy hardenability of the steel热处理制度距末端距离/mm硬度/HRC900 940 正火1.541 48900 940 水冷端淬9.0#30?(5)钢的末端淬透性应符合表 2:对于G20CrNi2MoA 这类低碳合金钢,要达到上述主要技术要求,在生产与控制过程中其生产工艺存在难度是明显的,如何控制钢中的 O、高倍夹杂及碳化带状组织等问题需在生产工艺过程中作系列摸索工作。2?问题与工艺控制2.1?G20CrNi2MoA 的脱氧问题因G20CrNi2MoA 钢属低碳钢,技术标准成品碳规格为0.17%0.23%,

8、考虑到铁合金含碳量及成品碳含量,在 EBT 偏 心 炉 中需将终点碳控制在0.06%0.10%之间,钢液经过氧化后,属强氧化性质,其含氧量远远大于 C O 平衡时的氧含量,尤其是碳含量越低,钢液中氧含量就越高,因此采取合理的脱氧制度非常重要,本钢种在脱氧时主要从 EBT炉预脱氧,LF 炉脱氧及VD 炉终脱氧综合考虑。2.1.1?EBT 炉预脱氧EBT 炉中在终点碳、磷及温度满足工艺要求后,接通Ar 气出钢,出钢约 1/3 时向钢包中加入脱氧剂Al 1kg/t,Fe-Si 3kg/t,从实际生产控制情况来看,入罐Si 含量在 0.20%左右,LF 炉取入罐样时未发现有冒涨现象,说明钢液在 EBT

9、 炉出钢钢包中预脱氧良好,预脱氧制度制定合理。2.1.2?LF+VD炉脱氧在制定 LF+VD 炉脱氧制度时,考虑到在钢包精炼中脱氧与脱硫,钢液合金化及均匀温度同时进行,在制定脱氧制度和实际生产中采用扩散脱氧和沉淀脱氧相结合的综合脱氧制度。2.1.3?渗碳轴承钢 G20CrNi2MoA 钢中Al 的控制G20CrNi2MoA 钢标准中,Al 是合金化元素,在实际生产中,Al 是作为脱氧剂加入,除降低钢液中的溶解氧外,铝还与氮形成细小的 AlN 夹杂可以细化晶粒,铝有较强的固溶强化作用,能提高钢的抗回火稳定性和高温硬度。在进入VD炉抽空前,进行了喂Al 线 100 m 的图 1?钢中氧含量与残余A

10、l 量的关系Fig.1?Relationship between oxygencontent and residual Al content in the steel操作,一方面,为了使钢液深度脱氧,满足钢中 O 含量需控制在!30 ppm 要求,另一方面,使 Al 进行合金化,满足化学成分要求。?因为,在 LF 炉中,光靠扩散脱氧是很难将钢中氧含量降到很低的,还必须用 Al 进行沉淀脱氧,如图 1所示,钢中残Al 量 0.07%为最好,同时,生成的大块Al2O3夹杂在后面的静吹Ar 过程中被上浮去除,留下少量极细小、弥散的 Al2O3夹杂在凝固时可起到结晶核心的作用,细化了晶粒,对改善钢的性

11、能是非常重要的。通过在真空度为!600 Pa 下,保持大于 10 min的VD 真空处理,降低了钢中的气体含量。这就为提供无发纹钢奠定了基础。真空处理后,进行静吹 Ar 8 min 左右,这样,钢中的脱氧产物如硅酸盐夹杂和氧化铝等,在 Ar 气的搅拌作用下,互相碰撞长大,增加了浮力而上浮去除。同时,Ar 气泡又象真空室一样,又能在上浮的过程中带走一部分钢中的气体。在实际生产控制中分二步对钢液进行了 Al 处理,第一步,在 EBT 出钢过程中,为了搞好预脱氧及减轻 LF 炉的脱氧压力,在出钢约 1/3 时向钢包中加入脱氧剂 Al 块 1kg/t 钢液,第二步,在对钢液进行真空处理前,为了确保该钢

12、成品化学成分 Al 含量符合标准要求及氧含量小于 30 ppm,在抽空前按 2 m/t钢液进行了喂 Al 线操作,从实际生产来看,Al 含量及氧含量完全满足标准要求,从而说明针对该钢我们制定的脱氧制度及冶炼工艺合理,按照该工艺生产的钢完全可以满足用户的技术要求。2.2?G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢的脱硫钢液中的硫被视为有害元素,导致钢产生热脆,影响钢的机械性能。硫在钢液中表现为(FeS)和112010 年第 3期?李中友:G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢生产工艺的探讨?(MnS),在渣中表现为(FeS),(MnS)和(CaS)等形式,脱硫反应分二部进行,即钢液中的硫化物向渣中转移,同时

13、渣中的硫化物与渣中的游离 CaO 反应形成稳定的CaS 存在于渣中,其脱硫反应式如下?FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)?MnS+(CaO)=(CaS)+(MnO)?依据脱硫原理及脱硫热力学和动力学,在实际生产中,主要从还原渣碱度、温度、渣量大小及渣流动性几方面进行了控制。从现场生产控制来看,在还原渣流动性良好的前提下,适当提高渣中(CaO)含量,保证渣料配比为 6:1:1,保持还原渣碱度在 2.8 3.5 之间,在 1 600 以上进行精炼,可以保证钢液脱硫到 0.010%以下,从而可确保 G20CrNi2MoA 钢硫化物夹杂达到更低的水平。2.3?Ar 气保护浇注的作用尽管在炼钢时

14、已将钢中氧含量降到很低状态,但浇注时的二次氧化将增加氧含量,而且生成的次生夹杂物将留在钢中,对性能尤其是轴承钢的疲劳寿命造成不利影响,对于生产低氧钢来说,有可能是致命的。因此在浇注时采用 Ar 气保护,防止二次氧化是很重要的。2.4?碳化物带状组织问题带状组织是热变形钢使用普通硝酸酒精腐蚀后,在显微镜下观察到的黑白相间的条带,俗称?显微带状组织,它是二次带状组织,是碳在固态相变中发生了不均匀的重新分布形成的,黑白条带是珠光体和铁素体组织,在中、低碳的珠光体 铁素体钢中常出现,在 G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢的生产过程中 易 出 现。图2 为 炉 号407V2-72?80G20CrNi2M

15、oA 轧材带状组织级别检验结果:在试制过程中出现了带状组织超标的问题,分别达到了 3.5 级、4 级。其原因是钢轧后的冷却速度慢,造成钢中的碳沿一次带状扩散,形成了铁素体和珠光体带。解决办法有两条途径:其一是对钢锭进行长时间的高温扩散退火,消除钢中的一次带状组织。因为二次带状组织必须在一次带状的基础上产生,消除了一次带状,二次带状就不会产生。但此方法加热时间长要消耗大量能源,所以一般不采用。其二是轧后采取快速冷却的方式,使钢中的碳原子没有足够的时间沿一次带状进行扩散。从而形成珠光体和铁素体杂居的组织,抑制了二次带状的形成。此办法比较节约能源和时间,简便易行,所以得到广泛应用。在特冶 303 车

16、间进行第 3 次轧制的时候,采用强风并喷水雾的方式,使钢棒在很短的时间内冷却下来,带状组织明显减轻,达到 0.5 级、2 级,达到了技术条件的要求。图 3 所示为炉号 407V2-72?80 G20CrNi2MoA 轧材经控制冷却的带状组织检验结果:?在轧钢厂 402、403 车间轧制时采用了轧后强风并喷水雾快冷的方式,其带状达到了 0.5 级和 1 级的水平,达到了预期的效果。2.5?末端淬透性问题在试制中还出现了末端淬透性值偏下限的问题。解决问题的办法是将影响钢的淬透性元素 C、12?特钢技术?第 16卷第 3期Cr、Mn等控制在中上限,尤其是 C 要控制在 0.200.22 为宜。3?生

17、产试制的效果3.1?生产试制工艺路线EF+LF+VD(+电渣)%825 初轧机轧制成材EF+LF+VD(+电渣)%825 初轧机轧制开坯%新连轧成材(或 303 成材)3.2?G20CrNi2MoA 生产试制的效果电渣重熔钢 G20CrNi2MoA 生产试制,先根据铁路认证中心的需要,共生产2 炉钢,炉号为:407V2-72 和 407V1-499,浇注成 1.1 t 电极棒,在特冶车间重熔成?550 电渣锭,由轧钢厂大型材车间进行开坯150 方和轧制大型材(?120 mm),在特冶中心轧钢车间和轧钢厂中小型车间轧制(?80 mm)的成品。其检验情况如表 3、表 4:(1)力学性能如表 3:?

18、(2)高倍检验结果如表 4:钢的低倍、塔形、探伤检验结果均符合标准要求。表 3?力学性能Table 3?Mechanical properties炉?号?b?AKV末?端407V1-49911701559.58211801860.582J1.5:46.5J9:35407V2-144813301658621180166078J1.5:45J9:33407V2-1436110015.56379111018.55975J1.5:44.5J9:35.5标?准#980#13#45#63J1.5:41 48J9:#30表 4?高倍检验结果Table 4?Micro test results炉?号ABCD粗

19、 细 粗 细 粗 细 粗 细晶粒度带状407V1-499011 1.5 00 0.5 0010 1.5 00 0.5 081.51?5407V2-1448010100 0.5 0010100 0.5 081?51407V2-14360 0?5 0 0?5 00000 0?5 0 0?5 0000811?5?120:共用锭55.4t,入库49.225 t,成材率88.85%。?80:共用锭 26.8 t,入库 22.55 t,成 材 率84.14%。为了验证电渣重熔钢 G20CrNi2MoA 产品质量控制与生产工艺稳定性,2007 年至 2008 年 1 9 月进行批量生产试制,已生产试制 20

20、1.85 t。其中?120 生产 63.345 t,?80 生产 138.505 t。形成批量生产试制后其钢化学成分及氧含量控制、非金属夹杂物、带状组织、力学性能等的各项技术指标,达到规定技术条件的要求。其主要检测分析结果如表5、表 6、表 7:&化学成分及氧含量如表 5?非金属夹杂物如表 6?(碳化物带状组织如表 7:?目前国内主要该品种生产企业其碳化物带状组织实际控制为2.5 3.5 级,目前我公司实际控制水平 0.5 2.0级(1.2级)力学性能如表 8:塔形检验:无发纹表 5?化学成分及氧含量Table 5?Chemical compositions and O contents炉?号

21、CCrPSSiMnCuNiMoAlTiCaO407V2-720.200.510.0130.0060.260.490.111.740.230.0320.0020.000527ppm407V1-4990.190.570.0110.0050.240.530.111.720.240.0350.0030.000928ppm407V1-19270.200.510.0100.0020.280.540.241.750.230.0280.0040.00528ppm408V1-1920.190.460.0120.0170.200.510.231.750.240.0360.0040.00529ppm408V2-11

22、00.200.0020.0140.0120.270.540.251.750.230.0270.0050.00530ppm标?准0.17/0.23 0.40/0.60!0.02!0.02 0.15/0.40 0.40/0.70!0.201.6/2.0 0.20/0.30 0.01/0.05!0.005!0.001132010 年第 3期?李中友:G20CrNi2MoA 渗碳轴承钢生产工艺的探讨?表 6?非金属夹杂物Table 6?Non-metallic inclusions炉?号ABCD粗细粗细粗细粗细407V2-72(?80)00.511.50001.000.50.50.50000.5407

23、V2-72(?120)00.511.5000100.50.50.50000.5407V1-499(?80)00.500.50000.500.501000.50407V1-499(?120)00.500.50000.500.500.50000.5408V-110(?80)0101000001010000408V1-192(?80)00.50.50000.5000.50.50000.50标?准!1.5!2.0!1.0!2.0!0.5!0.5!1.0!1.0?其它检验结果:钢的低倍、塔形、探伤检验结果均符合标准要求。3.3?产品的应用生产试制的电渣重熔钢 G20CrNi2MoA?120、?80轧材在

24、成都天马轴承有限公司的轴承生产加工及检测分析中完全达到了铁路渗碳轴承钢规定的技术要求。通过了铁路认证中心(CRCC)的资质认证。表 7?碳化物带状组织Table 7?Carbide banded structures炉?号规?格?80?120407V2-720.5级、0.5级2 级、2 级407V1-4990.5 级、1 级0.5 级、1级408V2-1100.5级.0.5级408V1-1921 级、1.0 级407V1-19270.5 级、1 级标?准!3 级表 8?力学性能Table Mechanical properties炉?号规?格80120?b?AKV末端?AKV末端407V2-7

25、21070195899J9:321100135575J9:301050175888J1.5:42.51000165588J1.5:43.5407V1-499103015.55994J9:321340125987J9:32.5109015.559114J1.5:41.5119013.561.5114J1.5:41.0408V2-11010301657124J9:3710001655.5120J1.5:45408V1-1921010185792J9:32.510201855.5104J1.5:44.5标?准#980#13#45#63J1.5:41 48J9:#30#980#13#45#63J1.5

26、:41 48J9:#304?结论4.1?通过生产试制及批量生产验证,目前按照其生产工艺生产的 G20CrNi2MoA 化学成分、力学性能、非金属夹杂等各项技术指标,达到了铁路轴承钢规定技术条件的要求,并经用户进行加工、检验,完全满足铁路轴承钢的要求,且通过铁路认证中心(CR?CC)的资质认证,2009 年通过复查。4.2?G20CrNi2MoA 在轧材碳化物带状组织的控制与目前国内的其它企业(西宁等)相比是达到最好的。参考文献 1?钟顺思,王昌生.轴承钢M.北京:冶金工业出版社.2000,11.2?李代童.钢中的非金属夹杂.科学出版社.1983 年 3?殷瑞钰.+钢的质量现代进展,(下册)冶金工业出版社.1995.614?特钢技术?第 16卷第 3期