金属材料与冶金工程
METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
邢耀进，陈军，王旭冀
(湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湖南湘潭411101)
摘要：通过研究分析轴承钢GCrl5生产过程中炼钢工序全氧、钛及偏析的影响因素，并加以控制，以及采用二火成材的新工艺，成功试验生产出高级优质轴承钢G&15线材。试验生产的轴承钢GCrl5的连铸 坯成分偏析控制在1.05以下、钛含量为0.003 0%以下，全氧含量控制在0.000 9%以下；成品材上检验夹杂物评级B类为0.5级、D类为0.5级，且无氮化钛夹杂；碳化物控制较一火工艺改善效果显著，碳化物液析均控制在0.5级以下，碳化物带状控制在1.0级以下，无显微缩孔缺陷；轧材成品检验中心疏松、一般疏松 和偏析均矣0.5级。 关键词：轴承钢；纯净度；碳化物
中图分类号：TG142.4 文献标识码：A文章编号：2095-5014 (2021) 02-0009-07
Research and Development of High Quality Bearing
Steel Wire Rod GCrl5
XING Yaojin, CHENG Jun, WANG Xuji
{Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co. ,Ltd.,Xicuigtan 411101,China)
ABSTRACT ：Through analyzing and controlling the influence factors of total oxygen,titanium and segregation in the steel making process,and adopting the new technology of twice heating forming,high quality bearing steel GCrl5 wire was successfully produced.The composition segregation of bearing steel GCrl5 produced in the trial is controlled below grade 1.05, titanium content is below 0.003 0%and total oxygen content is below 0.000 9%.The inclusion level of finish product is：class B level0.5, class D level 1.0.And there is no titanium nitride inclusion in the finished product.Compared with the one heating process,the carbide is significantly improved.The carbide eliquation is controlled below grade 0.5, the banded carbide structure is controlled below grade 1.0, and there is no micro shrinkage.The center porosity,general porosity and segregation after rolling are no more than grade0.5.
K E Y W O R D S：bearing steel；purity；carbide
轴承钢产品在工业、农业、国防等领域应 用非常广泛。GCrl5轴承钢线材主要用来制造滚 动轴承滚动体的滚珠、滚针、内外套圈等，要 求具有高硬度、耐磨损、抗疲劳、耐腐蚀等特性[1]。随着我国经济及科学技术的快速发展，对 轴承钢产品的质量要求主要向高纯净度与组织均匀性方向发展，特别是降低钢中的0、T i含 量及碳化物级别[2]。为满足上述要求，湘钢在现
收稿时间：2021-1-21
第一作者简介：邢耀进（1979—），男，工程师，本科，主要研究方向钢铁材料、炼钢工艺等基础研究。
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邢耀进，等：高级优质轴承钢GCrl5线材的研究与开发
1试验过程
1.1工艺流程
采用二火工艺流程为：转炉冶炼（140 t)—LF+RH(150 t)—连铸（350x430 mm)―棒材一次加热轧制（150x150mm)—中间坯料表面检査— 坯料二次加热―高速线材轧制。
1.2化学成分及碳化物要求
根据新国标高碳铬轴承钢GB/T18254- 2016，设计本次试验轴承钢GCrl5的主要化学 成分及碳化物要求分别见表1和表2。
表1GCrl5的化学成分设计（质量分数，％)
Table1Chemical composition design of GCrl5 (mass fraction,%)
C Si M n Cr P S Ti0
0.97 〜1.010.20-0.230.30-0.35 1.50-1.55<0.020矣0.020矣0.0028专0.0008
碳化物带状/级
^1.0
表2 GCrl5的金相组织要求
Table 2 Metallographic structure requirements of GCrl5
夹杂物级别/级
碳化物液析/级 脱碳层/mm--------------------------------
A+B+C+D DS 彡1.0 彡0.5%公称直径 彡1.0 0
2过程工艺研究
高碳铬轴承钢中的氮化物主要以T iN或 TiCN存在，是一种高硬度、形状带菱角的不变形夹杂物，在相同的尺寸条件下，氮化物的危害性大于氧化物夹杂[3]，氮化钛夹杂对轴承钢疲 劳寿命影响是致命的，控制钢中的氮化钛，必 须控制其源头，尽量将其降到最低。化物缺陷。碳化物液析超标直接影响钢材的淬硬值、疲劳寿命等，必须采取措施控制碳化物液析。转向节
2.1 T i含置控制
根据冶金原理中的物料平衡理论[5]，一方面 选用低钛优质矿石、铁水和废钢严格控制原辅材料带人钛含量，另一方面根据钛与氧的反应如下[6]:
轴承钢是专门用于制造轴承滚动体或套圈的特殊钢[4]，钢中的非金属夹杂物在轴承工作过程中成为疲劳失效源，降低使用寿命。B类 A1203夹杂物、点状不变型夹杂物（D类、D s类）对轴承的疲劳失效影响最为严重。这些类型的非金属夹杂物以氧化物为主，因此常将钢中的氧含量作为衡量轴承钢纯净度的指标[4]。故控制 轴承钢中的氧含量与控制夹杂物含量密切相关。
[Ti]+2[0]=Ti02
AGe=-66l 920+227.98r(J/mol)
反应（1)的平衡常数为
/(-_______a T iO;_______
'/t,[%Ti]/〇,[%0 ]2
由试(1)(2)可得:
AGe=-RT[nK=-_____fiTohvh____
/r,[%Ti ]/〇,[%0?
(1)
(2)
(3)
在连铸凝固过程中，GCrl5轴承钢中由于碳、铬含量高，该两种元素发生成分偏析生成共晶碳化物，在后续加热工序由于扩散时间有限很难完全消除，最终在轧材中形成液析碳
其中：[Ti]、[0]分别表示为钢中的钛、氧；
Ti02表示为渣中的钛氧化物；O n oj表示为钛氧化物在钢中的活跃度；％T i、％0表示为钢中的T i、0含量；f t为固定常数；r为冶炼温度。
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金属材料与冶金工程
由上式（3)得知钢中的钛与氧含量成反比，要使转炉终点钛含量低，必须使终点钢水温度偏低，并具有较强的氧化性。而初炼铁水中的 主要成分为硅、锰、碳、磷、硫，其次为钛、铜等微量元素，在M
OO-M S O t时钢中的钛、硅、碳、锰与氧的亲和力依次为钛>硅>碳>锰，因此转炉冶炼采用双渣法去除钢中的钛、终点 高氧化性及挡渣出钢等工艺降低钢中T i含量。
钢水进钢包炉后送电升温，加人头一批渣料后进行扒渣处理，主要是清除合金及初次渣对钢水的钛及氧含量影响，也初次降低了钢中 夹杂物含量。
2.2氧含量控制
瑞典S K F公司OVAK O厂生产的高品质轴承钢中氧含量为0.000 5%，夹杂物含量达到极低的程度[7]。高碳铬轴承钢GB/T18254-2016中对高级优质轴承钢氧的要求为矣0.000 9%，湘钢 为此开展了降低GCrl5轴承钢氧含量以及减少夹杂物的攻关实验研究。
2.2.1出钢挡渣
微型立交桥控制转炉渣进入钢包的量，转炉出钢采用挡渣塞与滑板挡渣共同作用的双挡渣工艺，渣 层平均厚度可控制在30 m m以内，钢包钢水表面转炉渣有效减少，出钢过程中加人合金和脱氧剂与钢水中氧充分反应，提高了合金和脱氧剂的收得率，减少钢水回磷量，降低钢中的氧 来源。
2.2.2 L F精炼与R H真空脱气
目前精炼造渣有两种，一种为碱度1.0左右 的酸性渣，一种为碱度在4.0以上的碱性渣，酸 性渣为SiMn脱氧，钢中的全氧含量控制偏高，故选择碱度在4.0以上的高碱性渣，理论与实践都证明，轴承钢精炼选用高碱度渣系可以 提高脱硫效率、降低氧含量。精炼中期加入铝线调整钢水铝含量到（0_045%~0.065%)，其 余时间不再进行调铝；在精炼末期中加人铝粒进行渣面脱氧，整个精炼过程保白渣时间大于30 min〇
精炼渣碱度设计4.0 ~5.5，Ca0/Al203在 1.2~1.5之间，且渣中氧化铁含量<1%。此渣系 具有活性低、精炼渣与钢液界面张力较小及很好的发泡作用等特点，可以有效防止钢水吸氧，
有利于氧化铝夹杂的吸收上浮去除及在精炼过程中可以遮敝电弧，减少钢水吸气。
采用R H精炼炉进行真空脱气处理，设计真 空度矣67 Pa，保真空时间大于25 min，破空后软吹时间大于30 min，促使夹杂物充分上浮去除，进一步降低钢中氧含量。
2.2.3 连铸保护浇铸
连铸是去除夹杂物的最后一道关口。钢水 在整个浇铸中，应该严格全程保护浇注，防止 钢水的二次氧化、吸气。开浇前对中包进行吹氩赶氧、大包下水口吹氩、使用高碱度覆盖剂
维持黑面操作、采用整体水口与结晶器专用保护渣隔绝空气防止二次氧化，避免连铸过程中生成A120
3。提高自动引流率，对未开浇炉次采用转包烧氧，避免渣子进人中包。大包采用留钢操作，杜绝顶渣进入中包污染钢水。
2.3碳化物控制
国标GB/T18254-2016中规定GCrl5轴承钢的液析碳化物矣2.0级，为此湘钢通过分析连铸工艺参数减弱成分偏析，调整、改进乳钢加热工艺等措施来控制改善碳化物液析级别。
为防止铸坯内部缺陷产生，根据钢的高温力学性能[11]，二冷配水采用弱冷模式，确保铸坯进矫直前温度控制在890~940尤范围，避开 第三脆性区间，配合结晶器和末端电磁搅拌，以及矫直段使用轻压下与重压下，改善内部质量。
钢坯在轧制前进行加热必须采取正确的加热工艺、精益化加热操作技术以保证轧钢生产顺利进行。目前一般采用1180~1280丈下长时间加热扩散处理以消除连铸坯中液析碳化物™。
当轧线上设备因机械故障或电气故障等原因需要停轧检修时，应降低炉温，以避免GCrl5钢 坯产生过热、过烧、熔化等缺陷。
3 试验过程
按上述工艺组织生产，冶炼出钢温度为1610 1，转炉终点碳为0.13%，出钢前向钢包中加人配好的渣料进行渣洗；采用挡渣出钢，过程中加入低钛合金，出钢进行全程软吹氩。
钢水进站后，L F送电升温扒渣处理，按前 述渣系控制，避免渣中的1^02被过度还原进人
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邢耀进，等：高级优质轴承钢GCrl 5线材的研究与开发
4 5 6 7 8 9 10 11对角线标记/1~ 11
19
20
21
财樹己/19-21
12 13 14 15 16
17 18
窄边縱/12-18
(a )对角线碳含量；（b )窄边碳含量；（c )宽边碳含量
图3 铸坯各位置碳含量分析
Fig .3 Carbon content analysis of each location
钢水中；R H 进行深脱氧操作，整个精炼过程不 进行钙处理。
连铸采用全程保护浇铸™，拉速0.5 m /min , 中包温度1490~1495 ^，采用结晶器电搅配合
末端电搅，重压下设计压下量20mm ，成功生 产出一炉GCrl 5钢，中包成品成分满足设计要 求，重压下实际压下量为23 mm 。铸坯低倍与 表面酸洗情况，如图1所示。
(a )低倍；（b )表面酸洗
图1 GCrl 5热酸洗典型低倍及表面照片
Fig . 1 Typical macro and surface photos of GCr 15 after hot pickling
低倍检测一般疏松1.0级、中心疏松1.0 级，无其它缺陷。
轧制采用二火成材工艺，第一次轧制成品 尺寸为150x 150 mm 方坯，高温段时间控制在 240~300min ，高温段范围为 1180~1230 ^；第 二次轧制成品尺寸为10.0mm 的盘条，高温段 时间为72 min ，整个轧制过程未发生断坯及堆 钢现象，盘条表面质量正常，尺寸精度满足国 标C 级精度要求。
4结果与分析
4.1铸坯碳偏析分析
随机选取两流铸坯取样，对铸坯横截面进 行刨铣处理后按如下示意图2进行钻屑取样，
图2
铸坯断面成分取样示意图
发热手套
Fig .2 Schematic diagram of sampling for
composition in billet section
使用C -S 分析仪进行碳含量检测，统计结 果见图3。
-(a) .
r
1.12
1.10 彡 1.08 ^ 1.06 #1.04 播 1.02 ± 1.00 睡 0.98• (b)
^ 1.08
〇 1.06 乏 1.04
M 1.02 1 1.00 -9- 0.98 ^ 0.96.(〇)
^微波杀青
+ S1
0.96+S 1
0.94+ S1-■-S 3
0.940.92
♦ S30.920.90
-•-S 3
8^420864208
.0.0(.0.0.0(.9.9.9.9.9<.8 1* I X I X I X o 00o o o
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老薄4
彘
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金属材料与冶金工程
从图3可以看出，S1碳极差最大为0.15%，4.2低倍组织
偏析为0.98; S3碳极差最大为0.10%，偏析为 在盘条上取样制成低倍试样进行热盐酸检1.03。验，典型照片如图4所示，结果如表3。
(a)、（b)为不同的取样位置
图4轧后低倍酸洗典型照片
Fig.4 Typical macro pickling photos after rolling数字仪表
表3 GCrl5低倍酸洗检验结果
Table 3GCrl5 low power pickling test results
试样编号一般疏松/级中心疏松/级锭形偏析/级中心偏析/级1#00.500
2#0.50.500
3#00.500
4#0.5000
5#0.50.500
6#0.50.500
从表3中得知，一般疏松与中心疏松均未在盘条上截取6根100 mm长试样，通过萍超过0.5级，均无锭形偏析与中心偏析。火+低温回火处理后，制成金相试样进行高倍检4.3碳化物 测，结果见表4。典型照片如图5。
表4轧后各规格碳化物不均勾性检验
Table 4 Carbide nonuniformity inspection of various specifications after rolling
车载电视机
试样编号碳化物带状/级碳化物液析/级
1# 1.00
2#0.50.5
3#0.50.5
4# 1.00
5# 1.00
6# 1.00.5
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