完成人
刘 宇、包燕平、黄长生、顾 超、赵 阳、王 敏、孙光涛、肖 微、陈廷军、周 苑、莫秉干、王昆鹏、崔宏艳、徐旋旋、沈 艳
完成单元
中天钢铁团体无限公司、北京科技大学
背景与意思
“中国制作2025”进步前辈制作根本零部件用钢成长重点：冲破进步前辈装备用高机能轴承、齿轮、东西钢、弹簧、紧固件等用钢材料、设想、制作及利用评估系列关头手艺，高效节能机电、高端策念头、高速铁路、高端紧密机床、高级汽车等进步前辈装备用关头零部件用关头材料国际自给率2020年到达80%，2025年力图周全自给，关头零部件寿命进步1倍以上。是以高品德轴承钢委靡寿命晋升、出产与评估是进步前辈装备用关头零部件材料自给率晋升的国度严峻手艺需要。
最近几年来，国际轴承钢的品德有了很大晋升，局部轴承钢品德到达了国际进步前辈程度。可是全体看，进步轴承钢品德依然是进步轴承品德的关头关头。今朝国际外轴承钢的出产首要接纳铝脱氧工艺。从脱氧机理和现实功效来看，轴承钢出产中在有用去除钢液中消融氧[O]的同时，发生了以下题目：
超低氧节制难度大
钢中Ds同化物难于有用节制
钢液中Ti元素难于节制
钢液活动性差
钢中Al2O3及尖晶石类同化物严峻影响轴承钢的委靡寿命
针对以上题目，中天钢铁团体公司和北京科技大学连系开辟了：非铝脱氧轴承钢的工艺，其首要节制思绪为：
硅锰预脱氧+分散脱氧+真空碳终脱氧工艺，因为分散脱氧与真空碳终脱氧均不发生净化钢液的脱氧产品，是以能够有用进步钢液干净度。
非铝脱氧有用削减钢液中Ti等影响钢材机能元素的含量。
优化精辟渣构成，削减钢中Ds同化物含量。
接纳非铝脱氧工艺，大幅度削减了Al2O3同化物数目，进步钢液的活动性，有用削减了大颗粒同化数目。
有用节制了钢中同化物尺寸和形状，进步委靡寿命。
关头手艺
1.以非铝组合脱氧（硅锰预脱氧+分散脱氧+真空脱氧）为特点的轴承钢低氧节制手艺
（1）工艺线路
中天非铝脱氧轴承钢工艺流程，如图1所示。
图1中天非铝脱氧轴承钢出产工艺流程
（2）基于硅锰预脱氧与分散脱氧的轴承钢后期控氧手艺
基于硅锰预脱氧与分散脱氧的轴承钢后期控氧手艺，完成LF精辟出站时，钢中消融氧约15-20 ppm，全氧含量降至20 ppm摆布；LF精辟进程中N含量坚持在30 ppm以下。LF进程中利用低碱度渣精辟渣，Al2O3含量仅为3-5%，碱度为0.9-1.5。
（3）基于真空碳氧均衡的轴承钢深脱氧手艺
RH进程中的氧、氮含量变更如图2所示。颠末RH精辟处置后，钢中的全氧含量较着降落，钢中全氧节制在5-9ppm；RH精辟进程中N含量坚持在30 ppm以下。
图2非铝脱氧工艺RH精辟进程中氧、氮含量变更
经由进程热力学计较及尝试研讨，在差别真空度下的钢液碳氧均衡如图3所示。在真空度67Pa时，碳成为比铝更强的脱氧剂。真空炉内轴承钢脱氧尝试中氧、氮含量变更如图4所示，全氧含量可脱至10 ppm以下。在财产出产中，RH出站钢中全氧含量已不变节制在5-9 ppm。另外，为了节制真空脱氧进程中的喷溅景象，基于数模和水模研讨功效提出了步进式压降形式，有用下降喷溅。
图3差别真空度下的钢液碳氧均衡
图4真空炉内轴承钢脱氧尝试中氧、氮含量变更
2.非铝脱氧轴承钢的同化物节制及活动性改良关头手艺
（1）低碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系节制
非铝脱氧工艺精辟渣成份别离如表1所示，LF精辟渣碱度节制在1摆布，SiO2含量为30%摆布，另外Al2O3远低于铝脱氧工艺。
表1非铝脱氧工艺造渣工艺下精辟渣成份 / wt%
如图5所示，非铝脱氧工艺钢中铝含量为1-8 ppm、钛含量为3-8 ppm、硫含量为44-76 ppm。（2）低碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系对钢液关头成份的节制。
图5钢中（a）[Al]，（b）[Ti]和（c）[S]含量的比拟
（3）轴承钢同化物的体系调剂
图6中显现了两种脱氧工艺轴承钢中的首要同化物特点，非铝脱氧轴承钢中，钢中最多的氧化物为硅酸盐，大局部同化物尺寸均散布在小于10 μm的规模内，尖晶石和钙铝酸盐同化物的数目密度均小于0.85 个/mm2。在铝脱氧轴承钢中，钙铝酸盐、尖晶石和硅酸盐类同化物的数目密度顺次为1.92 个/mm2，1.68 个/mm2和1.14 个/mm2，尺寸大于15 μm氧化物数目较着比非铝脱氧轴承钢更多。
图6铝脱氧和非铝脱氧轴承钢中差别范例氧化物尺寸散布
（4）非铝脱氧轴承钢活动性的改良及机理研讨
非铝脱氧工艺对钢液浇注性有较着改良，如图7所示，非铝脱氧工艺中间包连浇14炉后，液面曲线安稳。表2为差别工艺下小方坯（160 mm×160 mm）连铸时中间包的连浇炉数。
图7连浇14炉后塞棒及液面曲线
表2差别工艺下连浇炉数对照
（1）成立轴承钢超声委靡评估方式及转动委靡考证3.非铝脱氧轴承钢同化物引发委靡断裂机理及断裂行动展望方式
本文中接纳超声委靡尝试体系停止超高周委靡尝试，尝试频次到达20 kHz，大大延长尝试时候。接纳该体系完成了大批超高周委靡尝试，委靡寿命功效与转动委靡尝试功效符合。
（2）差别同化物引发委靡断裂的行动及机理
非铝脱氧轴承钢的委靡机能优于中天铝脱氧轴承钢，非铝脱氧轴承钢的断口裂纹源由同化物引发的较少；铝脱氧轴承钢的断口裂纹源均为钙铝酸盐。另外，转动打仗委靡尝试（洛轴所出具）功效：非铝脱氧最好，其次为铝脱氧。
（3）微观布局委靡寿命展望模子的成立
为了深切研讨差别同化物对委靡寿命的影响，本研讨从微观布局动身，以微观布局的力学呼应行动为根本，成立微观模子，经由进程统计学道理与微观机能接洽关系，构成多标准退役机能展望模子，完成裂纹源及委靡寿命的量化展望，并将不异尺寸的球型钙铝酸盐类同化物和硅酸盐类同化物引入模子，展望功效显现在不异的委靡应力下的硅酸盐引发委靡裂纹源萌发所需周次更长。
名目特点和首要立异
“硅锰预脱氧+分散脱氧+真空终脱氧”非铝组合脱氧：经由进程真空碳终脱氧将钢中全氧含量节制在5-9ppm的同时，有用节制了钢中Ti等元素，同时能够有用节制同化物范例；
非铝脱氧轴承钢的同化物节制及活动性改良手艺：接纳低碱度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系精辟渣，将同化物成份节制于低熔点区，钢中Ds同化物获得有用节制，处理了小方坯轴承钢水口可浇性差的手艺困难；
非铝脱氧轴承钢同化物引发委靡断裂机理及断裂行动展望方式：借助超声委靡的测试方式与转动委靡检测相连系，对轴承钢的拉压委靡寿命和断裂机理停止了研讨，成立差别同化物对委靡机能影响的微观布局量化模子，基于该模子阐发了轴承钢中首要同化物对委靡机能的影响。
完成了以真空终脱氧为特点的高品德钢出产的手艺集成与工艺立异：一方面能够按照产品的终究用处，节制钢中同化物的品种；另外一方面经由进程“真空终脱氧”，从泉源上消弭了同化物的首要来历-脱氧产品，从工艺上很是有益于干净钢的出产，为高品德钢的出产供给了一条新的路子，在浩繁高品德钢出产中具备很好的推行利用远景！
首要手艺目标
本名目首要手艺目标如表3所示。
表3首要手艺目标
查新报告与常识产权
教导部科技成长中间针对本名目的四个手艺立异点的查新报告功效以下：在国际外已公然颁发的文献和专利中，除本查新名目拜托单元公然的专利和本查新名目组担任人及成员颁发的文献外，未见有基于上述四个立异手艺。立异点以下：
“硅锰预脱氧+分散脱氧+真空脱氧”非铝组合脱氧轴承钢低氧节制手艺
非铝脱氧轴承钢的同化物节制及活动性改良手艺
非铝脱氧轴承钢同化物引发委靡断裂机理及断裂行动展望方式
集成以上手艺，完成了轴承钢小方坯连铸-高速线材一火成材手艺集成，明显下降了工序能耗和出产本钱。
本名目相干功效颁发文章22篇，此中英文13篇，全数是SCI，中文9篇；受权专利13项，此中发现专利13项。
经济效益
中天非铝脱氧轴承钢（GCr15）工艺于2016年底起头研发，并于2017年正式利用出产，2017年～2022年合计出产钢产量约29万吨，新增产值142481.03万元，新增利税44509.71万元，增收（节支）总额1460.55万元。出产的轴承钢球、轴承套圈、滚子、水泵轴等转动体轴承，普遍利用于福特、吉祥、哈弗、大通、春风等品牌。
