本發(fā)明屬于鋼錠冶煉領(lǐng)域，特別涉及一種降低gcr15simn軸承鋼鋼錠點(diǎn)狀偏析的冶金工藝。

背景技術(shù)：

1、gcr15simn屬于高碳鉻軸承鋼，其主要化學(xué)成分為：ω[c]：0.95％～1.05％、ω[si]：0.45％～0.75％、ω[mn]：0.95％～1.25％。該鋼種具有優(yōu)良的淬透性、耐磨性以及彈性極限，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、重型機(jī)械和礦山機(jī)械等領(lǐng)域。由于使用環(huán)境惡劣，對(duì)軸承材料的可靠性有嚴(yán)格要求。該鋼種c和si含量較高，凝固過程中元素偏析嚴(yán)重，同時(shí)較高的si含量會(huì)進(jìn)一步加重c的偏析。另一方面，當(dāng)生產(chǎn)大規(guī)格(250mm以上)的gcr15simn軸承鋼棒材時(shí)，通常采用鋼錠澆注，但由于鋼錠凝固過程冷卻速度慢，會(huì)再進(jìn)一步加劇了c和si元素的偏析。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于溶質(zhì)元素偏析難以控制，經(jīng)常在凝固界面前沿富集而導(dǎo)致的gcr15simn鋼錠產(chǎn)生“點(diǎn)狀偏析”缺陷(又稱“a”型偏析)，這嚴(yán)重影響軸承材料的連續(xù)性和均勻性。

2、為了提高鋼材合金成分和組織均勻性，減輕鋼錠的宏觀“點(diǎn)狀偏析”缺陷，中國(guó)專利cn200810010341.1“一種低偏析大型鋼錠制造方法”，提出在鋼錠澆注過程中，加入鋼球，增加鋼錠內(nèi)部形核質(zhì)點(diǎn)、加快鋼錠的冷卻。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中鋼球的加入方法、加入時(shí)機(jī)、加入數(shù)量等很難控制。中國(guó)專利cn201510956350.x“一種降低大型鋼錠宏觀偏析的方法”，通過在澆注過程中加入與鋼種同成分的金屬粉末，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)，減小鋼水過熱度，提高鋼水冷卻速率。但是這種工藝金屬粉末的添加不僅會(huì)增加冶煉加工，而且加入鋼水中的粉末很難均勻化。

3、中國(guó)專利cn201410078431.x“低宏觀偏析大型軋輥坯用鋼錠的生產(chǎn)方法”，提出在鋼錠澆注過程中，將成分相同的預(yù)熱冷棒固定懸掛在鋼錠模內(nèi)腔中心，在凝固過程中加快中心鋼液的冷速。但在實(shí)際過程中，冷棒的預(yù)熱和固定冷棒操作相對(duì)困難，同時(shí)還要求其表面光滑無裂紋等，操作難度較大、成本較高。此外，還有在鋼錠模中心內(nèi)部設(shè)置加速鋼液凝固的促凝構(gòu)件等，同樣操作難度較大。

4、中國(guó)專利cn200910012415.x“一種通過機(jī)械攪拌抑制大型鋼錠宏觀偏析的方法”，在鋼錠凝固過程中利用碳棒進(jìn)行機(jī)械攪拌的方法，破壞柱狀晶，增加鋼錠內(nèi)部的形核質(zhì)點(diǎn)，加快鋼錠的冷卻速度，抑制溶質(zhì)元素的對(duì)流。但是這種方法不僅容易使碳棒燒損導(dǎo)致鋼材增碳，而且碳棒攪拌速率難以控制等。中國(guó)專利cn200810011408.3“通過加快底部、側(cè)壁冷卻獲得低偏析大型鋼錠的制造方法”，提出了鋼錠模采用灰口鑄鐵材質(zhì)，鋼錠模底部和側(cè)壁通入壓縮氣體冷卻保護(hù)，提高鋼錠的冷卻速度。但在實(shí)際過程中，鋼錠表面通入壓縮氣體冷卻保護(hù)對(duì)于尺寸較大的鋼錠內(nèi)部偏析問題是難以解決的。

5、中國(guó)專利cn201210251784.6“一種通過鋼水純凈化控制鋼錠a偏析的方法”，利用純凈化冶煉和澆注控制技術(shù)，減小金屬液中的夾雜物，消除鋼錠中a偏析問題。但該發(fā)明要求采用真空碳脫氧工藝只能將氧含量控制不超過15ppm。同時(shí)，鋼錠凝固過程中缺乏復(fù)合夾雜物核心，故不能達(dá)到細(xì)化凝固組織，徹底消除鋼錠a型偏析的效果。

6、對(duì)于gcr15simn鋼錠，采用以上方法減少鋼錠的點(diǎn)狀偏析缺陷，不僅操作難度較大，而且成本相對(duì)較高，因此難以達(dá)到理想的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開了一種降低gcr15simn軸承鋼鋼錠點(diǎn)狀偏析的冶金工藝,以解決現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問題以及其他潛在問題中的任意問題。

2、為達(dá)到上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種降低gcr15simn軸承鋼鋼錠點(diǎn)狀偏析的冶金工藝，該冶金工藝包括如下工序：eaf+lf+vd+vc，具體為：

3、在eaf工序中：

4、冶煉結(jié)束后，控制鋼液成分滿足：ω[c]0.15％～0.30％，ω[ti]≤0.0007％，ω[s]≤0.020％，在一定的溫度下出鋼，

5、在出鋼過程中，添加一定量的al、低鈦合金和增碳劑；

6、在lf工序中：

7、在精煉初期，加入一定量的造渣劑，控制lf初始al含量在0.02％～0.03％，并滿足精煉結(jié)束時(shí)al含量在0.015％～0.020％；

8、在vd工序中：

9、進(jìn)行第一次脫氣處理，且在vd脫氣結(jié)束時(shí)，鋼液中al的含量為0.012％～0.015％、ω[h]≤0.00015％，ω[n]≤0.0060％；

10、在vc工序中：

11、進(jìn)行第二次脫氣處理，采用vc真空模鑄上注法進(jìn)行澆注，凝固過程中自發(fā)生成特定的細(xì)小復(fù)合夾雜物，澆注結(jié)束后，獲得組織均勻且無偏析的鋼錠。

12、進(jìn)一步，所述gcr15simn軸承鋼鋼錠中的復(fù)合夾雜物是以mgo-al2o3氧化物為內(nèi)部核心，外圍包裹mns；且復(fù)合夾雜物的數(shù)量密度為≥10個(gè)/mm2。

13、進(jìn)一步，所述的復(fù)合夾雜物核心氧化物的尺寸為0.1～2μm，總夾雜物尺寸小于5μm。

14、進(jìn)一步，所述eaf工序中的出鋼溫度為1620～1660℃；

15、在出鋼過程中al的添加量為0.6～0.8kg/噸鋼；

16、所述低鈦合金和增碳劑添加量為按照鋼種合金要求的下限添加；

17、所述低鈦合金包括硅鐵、錳鐵和鉻鐵。

18、進(jìn)一步，所述lf工序中,所述造渣劑的加入量為8～10kg/噸鋼；

19、lf精煉40min后，爐渣成分滿足：ω(cao)：46％～56％、ω(sio2)：5％～15％、ω(al2o3)：20％～30％、ω(mgo)：3％～10％、ω(t.ti)：≤0.07％；其余為不可避免的雜質(zhì)。

20、進(jìn)一步，所述vd工序中的第一次脫氣的工藝參數(shù)為：

21、鋼包底吹氬氣流量為60～80l/min，極限真空度滿足≤67pa，脫氣時(shí)間控制在16～20min。

22、進(jìn)一步，所述vc工序中的第二次脫氣的工藝參數(shù)為：

23、控制真空度滿足≤67pa，澆注溫度為1540～1550℃，澆注速度為2～6噸鋼/min，澆注時(shí)間為10～30min。

24、進(jìn)一步，所述冶煉過程中無ca、mg合金添加，其中mg含量來自于爐渣中的氧化鎂和/或鋼包耐材中mgo。

25、進(jìn)一步，所述vc澆注結(jié)束時(shí)得到的gcr15simn鋼錠最終成分滿足：ω[c]：0.95％～1.05％、ω[si]：0.45％～0.75％、ω[mn]：0.95％～1.25％、ω[cr]：1.40％～1.65％、ω[al]：0.012％～0.015％、ω[o]：0.0006％～0.0010％、ω[s]：0.0020％～0.0050％、ω[ti]：<0.0025％，ω[n]：<0.0050％，ω[h]：<0.0001％，ω[ca]≤0.0002％、ω[mg]：0.0003％～0.0006％，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)元素；

26、一種gcr15simn軸承鋼鋼錠，所述gcr15simn軸承鋼鋼錠采用上述的冶金工藝制備得到。

27、本發(fā)明的技術(shù)原理為：

28、進(jìn)一步地，al是控制鋼液中o含量的關(guān)鍵成分。當(dāng)鋼水中ω[al]>0.015％，凝固前鋼水中的溶解o很低，鋼水很容易生成大量的al2o3類氧化物，不利于獲得理想的復(fù)合核心效果；當(dāng)鋼水中ω[al]<0.01％，鋼中將以大尺寸的sio2-mno-al2o3類氧化物為主，這不利于鋼材潔凈度的控制，同樣也不利于mns的均勻分布。此外，al元素還是凝固過程中mgo-al2o3氧化物的形成的關(guān)鍵成分，因此，al含量需控制在0.012％～0.015％的范圍。

29、進(jìn)一步地，o元素是衡量軸承鋼潔凈度的重要指標(biāo)，其范圍控制在0.0006％～0.0010％。鋼水中ω[o]>0.0010％，容易在鋼液中提前形成al2o3氧化物并聚集長(zhǎng)大形成夾雜物；當(dāng)ω[o]<0.0006％，o含量太低，無法形成足夠數(shù)量的異質(zhì)形核核心。

30、進(jìn)一步地，ti元素控制在0.0025％以內(nèi)，n元素控制在0.0050％以內(nèi)。然而，當(dāng)鋼液中ω[ti]>0.0025％，ω[n]>0.0050％，鋼水在凝固過程中容易生成5μm以上的大尺寸tin夾雜物。tin是一種具有棱角的硬而脆的夾雜物，鋼材在使用過程中很容易劃傷基體，嚴(yán)重影響軸承鋼的疲勞壽命。

31、進(jìn)一步地，s元素是形成mns核心的關(guān)鍵成分，而且s元素和mn元素都是易偏析元素。最終鋼水中ω[s]≥0.0050％，鋼中會(huì)生成大顆粒的mns夾雜物，降低鋼的使用性能；鋼水中ω[s]<0.0020％則無法生成充足的mns夾雜物。控制s元素在0.0020％～0.0050％范圍內(nèi)，以保證鋼中形成復(fù)合細(xì)小的夾雜物，數(shù)量≥10個(gè)/mm2。

32、進(jìn)一步地，ca元素含量控制小于0.0002％。鋼水中的ca元素主要通過爐渣成分控制，鋼水中ω[ca]＞0.0002％，不僅容易在鋼液中形成cao-al2o3類夾雜物，而且在凝固過程中生成的復(fù)合氧化物外圍為cas或(ca,mn)s，這類夾雜物與奧氏體的錯(cuò)配度較差，不能作為奧氏體的異質(zhì)核心。通過調(diào)控精煉渣系成分，尤其是爐渣c(diǎn)ao含量，可以實(shí)現(xiàn)ca元素含量不超過0.0002％。

33、進(jìn)一步地，mg元素含量控制在0.0003％～0.0006％。鋼水中的mg元素主要受耐火材料或爐渣中mgo含量的影響。當(dāng)鋼水中ω[mg]＞0.0006％，鋼中會(huì)生成大尺寸mgo-al2o3夾雜物，不能得到均勻分布的細(xì)小復(fù)合夾雜物核心。如果鋼水中ω[mg]＜0.0003％，鋼中mgo-al2o3氧化物的數(shù)量減少，無法形成足夠數(shù)量的復(fù)合夾雜物核心。

34、進(jìn)一步地，h元素含量在0.0001％以下。鋼水中h含量主要通過真空設(shè)備進(jìn)行脫除。鋼水中ω[h]＞0.0001％，鋼液會(huì)生成h2氣泡，它會(huì)在凝固過程中擾動(dòng)溶質(zhì)元素在凝固界面前沿分配，加重鑄錠的點(diǎn)狀偏析缺陷。

35、其他元素包括c、si、mn、cr等元素按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t?18254-2016執(zhí)行，其余元素為fe和其他不可避免的雜質(zhì)元素。

36、進(jìn)一步，嚴(yán)格控制電爐出鋼終點(diǎn)成分。出鋼前鋼水成分：ω[c]0.15％～0.03％，ω[s]≤0.020％，ω[ti]≤0.0007％，以減少電爐過氧化程度，減輕精煉過程的脫氧、脫硫以及控鈦任務(wù)。

37、進(jìn)一步，全流程控制鋼中脫氧al含量。首先，在eaf出鋼過程中，添加0.6～0.8kg/噸鋼al，控制其含量為0.03％左右，實(shí)現(xiàn)降低鋼中氧含量，防止大尺寸sio2-mno-al2o3類夾雜物的生成；其次，在lf精煉過程中，控制al含量控制在0.015％～0.025％范圍，一方面用于進(jìn)一步降低鋼中氧含量，另一方面預(yù)防al對(duì)爐渣中ca、mg、ti還原進(jìn)入鋼液；最后，在vd脫氣結(jié)束時(shí)，選擇盡量不加鋁或少加鋁，維持精煉過程中鋼液與爐渣間al-al2o3平衡，使得al含量控制在0.012％～0.015％。

38、進(jìn)一步，eaf出鋼或lf精煉初期，添加石灰和合成渣料等造渣劑，加入量為8～10kg/噸鋼，在精煉40min后保證爐渣成分為：ω(cao)：46％～56％、ω(sio2)：5％～15％、ω(al2o3)：20％～30％、ω(mgo)：3％～10％，ω(t.ti)：≤0.07％；其余為mno、feo等不可避免的雜質(zhì)。在精煉結(jié)束后，鋼液中ω[ti]≤0.0025％，ω[s]0.0020％～0.0050％，ω[mg]0.0003％～0.0006％。

39、進(jìn)一步，在vd真空脫氣過程中，控制氬氣流量為60～80l/min，極限真空度滿足≤67pa，脫氣時(shí)間控制在16～20min。脫氣結(jié)束后，鋼液中的微量元素滿足：ω[o]0.0006％～0.0010％，ω[ca]≤0.0002％，ω[h]≤0.00015％，ω[n]≤0.0060％。

40、進(jìn)一步，在vc真空澆注，澆注溫度控制在1540～1550℃，澆注速度為2～6噸鋼/min。二次真空脫氣后，鋼液中ω[h]＜0.0001％，ω[n]＜0.0050％。

41、本發(fā)明在控制gcr15simn鋼錠點(diǎn)狀偏析的有益效果為：

42、(1)通過嚴(yán)格控制eaf出鋼終點(diǎn)成分、精煉過程的al含量、精煉爐渣組元成分以及雙真空工藝等，可以使得鋼材中氧含量控制在6～10ppm，鈦含量控制在25ppm以內(nèi)，鋼中基本無5μm以上的夾雜物。鋼中o、ti含量的降低會(huì)大幅度降低氧化類夾雜物以及tin的數(shù)量和尺寸，進(jìn)而在一定程度上緩減鋼錠點(diǎn)狀偏析。

43、(2)通過嚴(yán)格控制鋼液中al、o、ca、mg、s等元素含量，在鋼液凝固過程中獲得了大量細(xì)小的復(fù)合夾雜物。所述的復(fù)合夾雜物是以mgo-al2o3鎂鋁尖晶石氧化物為核心，尺寸為0.1～2μm，外圍包裹mns夾雜物，總尺寸為5μm以內(nèi)，數(shù)量為≥10個(gè)/mm2。這類細(xì)小復(fù)合夾雜物可以作為凝固前沿初生奧氏體形核核心，起到抑制c、si等溶質(zhì)元素在凝固前沿枝晶間的富集，抑制鋼錠點(diǎn)狀偏析的作用。