摘 要：利用夹杂物示踪、系统取样、扫描电镜及能谱分析研究了轴承钢GCr15中D类和DS类夹杂物来源和夹杂物形成的演变规律，分析了夹杂物的成分、形貌、平均粒径大小和夹杂物数量的变化，为优化生产工艺，冶炼高质量轴承钢提供必要的理论依据。
关键词：轴承钢;夹杂物;来源
轴承钢的工作条件极为复杂，承受着各种高的交变应力，如拉力、压力、剪力和摩擦力等，为保证其较长的使用寿命，钢中的氧化物夹杂、硫化物夹杂、点状夹杂、碳化物(如碳化物液析、条状碳化物、带状碳化物及网状碳化物等)[1-4]的不均匀性都有严格要求。
轴承钢中D类DS类夹杂物是不变形夹杂物，对轴承钢的疲劳寿命极为有害，在实际生产中应采取手段控制该类夹杂物的产生。目前某特钢采用转炉—LF—VD—软吹—CC流程生产轴承钢，但是存在D类DS类夹杂物超标的现象，为此对其轴承钢GCr15的生产采用夹杂物示踪和系统取样等技术来探索轴承钢中D类DS类大颗粒夹杂物来源和夹杂物形成的演变规律，为冶炼高质量轴承钢生产提供必要的理论支持。
1 试验方案
钢中非金属夹杂物的来源非常复杂，为了确定夹杂物来源采用示踪剂进行追踪。在钢包渣、中间包覆盖剂、中间包打结料中分别加入碳酸钡、氧化镧、氧化铈等示踪元素进行夹杂物来源分析[5]。
为全面了解整个生产过程中各工序钢水洁净度的变化，进行了现场生产试验，在LF—VD—CCM—成品过程中取3炉分别取提桶样，将提桶样加工成气体棒、钢屑、和金相样，并取一定渣样。气体棒加工规格为Φ5×25 mm；未氧化的钢屑取样20 g分别为CCM1、CCM2、CCM3；金相样由自动磨样机制样；炉渣样分别为VD1-1、VD3-1、LF3-1，以用于全面分析夹杂物来源。试样选取具体工序位置如表1所示。
为进一步检验钢中夹杂物的种类、形貌和大小分布情况，本研究制备电镜样，采用SEM进行观察，并结合能谱分析，观测方法为在电镜放大300～400倍的视野下，按照从左到右逐行进行观测，看到有比较明显的夹杂物之后再进行放大倍数观测，每一个金相试样观测找出20～30个夹杂物，通过能谱分析出夹杂物的成分、大小、形貌；利用扫描电镜Feature功能，选取100个视场，在放大1 000倍的情况下扫描观测夹杂物特征，分析了夹杂物的平均粒径大小变化和夹杂物数量的变化。
表1 系统取样方案
2 试验结果和分析
2.1 冶炼过程夹杂物行为的分析
2.1.1 LF喂铝前
LF喂Al线前的典型夹杂物的典型形貌和成分见表2。
表2 LF喂Al线前的典型夹杂物的典型形貌和成分
可以看出在LF喂线前主要是Al2O3夹杂，不含有Mg元素；在此夹杂物中含有Ba元素的夹杂物是Al2O3-CaO夹杂，说明该夹杂可能来自于钢包渣，在转炉出钢之后加入一批石灰，石灰没有来得及熔化就进入夹杂物了，造成该成分中含有一定量的CaO。
2.1.2 LF喂铝后
LF喂铝后的夹杂物典型形貌、成分见表3所示。
LF喂Al线后主要夹杂物是MgO-Al2O3，以及少量的MgO-Al2O3-CaO，MgO-Al2O3基本不含有Ba，说明其主要是内生夹杂物，而MgO-Al2O3-CaO有的含有Ba元素其可能来源于钢包渣中；另外相对比于喂铝之前，在喂铝之后出现了Mg元素，有可能是渣中的MgO或者是钢包中耐材镁碳砖中的Mg被还原出来，从而造成钢中Mg含量上升。
2.1.3 LF精炼结束
LF精炼结束时的夹杂物典型形貌、成分见表4所示。
表3 LF喂铝后的夹杂物典型形貌、成分
表4 LF精炼结束时的夹杂物典型形貌、成分
可以看出LF结束后夹杂物中主要以Al2O3-CaO-MgO夹杂物为主，说明随着LF精炼的进一步进行，由于钢水中残余的Ca、Mg的元素的存在，以及电极的还原、钢包耐材的影响，造成夹杂物成分逐渐发生变化，而向复合夹杂物转变。
2.1.4 VD破空、VD软吹12分钟、VD出站和连铸中间包
VD破空、VD软吹12分钟、VD出站、连铸中间包时的夹杂物典型形貌、成分见表5所示。
表5 VD破空、软吹12分钟、出站和连铸中间包时的夹杂物典型形貌、成分
VD上台夹杂物类型是MgO-CaO- Al2O3为主，有的伴生一些硫化物等夹杂，夹杂物基本上为球形夹杂物。 Al2O3含量在80% 左右，MgO质量分数和CaO质量分数在有一定的波动。
2.1.5 棒材
棒材中的夹杂物典型形貌、成分见表6所示。
表6 棒材中的夹杂物典型形貌、成分
棒材中夹杂物主要类型为MgO- Al2O3，部分夹杂物含有少量的CaO，夹杂物类型为椭球形夹杂，Al2O3质量分数在70%～90%之间，MgO质量分数10%～30%附近波动，CaO质量分数在0～10%之间。在此夹杂物中CaO质量分数很低的。
2.2 各工序夹杂物演变规律分析
分析了各个工序的平均值之后，做出整个工序的含量变化，在一个三元相图中进行观察，夹杂物演变规律如图1所示：
图1 夹杂物成分演变三元相图
从图1可以看出从，从氩站到材上整个工艺过程中夹杂物中的Al2O3质量分数先降低后逐渐上升；MgO质量分数在整个冶炼过程中基本保持稳定，大约在10%～20% 之间，而CaO的质量分数随着精炼时间的变化逐渐增加，在VD后基本保持稳定。但是在材上由于Al2O3的质量分数增加，CaO的质量分数出现较大的波动，这可能是随着温度的降低，Al和夹杂物中的CaO的再平衡反应造成的。
随着LF精炼的进行，纯Al2O3逐渐变为Al2O3-MgO-CaO的复合夹杂，而对于内生夹杂物的去除，由于Al2O3和钢水的不浸润的特征，其去除速度是最快的，为此在冶炼过程中应利用这个特征做到夹杂物的早去除和快去除，以降低大颗粒夹杂的数量，提高钢质水平。为此应做到早成白渣和保证渣的碱度和CaO/Al2O3的比值1.6-1.8。
2.3 各工序工序夹杂物平均粒径以及数量分布的变化分析
各工序夹杂物平均粒径、数量、大于13 μm的数量如图2所示。
图2 各工序夹杂物平均粒径、数量、大于13 μm的数量
从图中可以发现，LF处理前夹杂物数量较多且粒径较大，LF处理后夹杂物数量明显减少且粒径变小。由此可见，LF炉外精炼对改变夹杂物的数量和大小是至关重要的；在VD破空后，钢水中的夹杂物数量和粒径均出现了上升，说明由于真空的大气量搅拌，在去除气体的同时，造成了钢水的污染，同时结合Als的大幅度降低，Al的二次氧化也造成夹杂物含量的上升，为此在VD精炼过程中应采取一定的措施(比如：在真空度较低下，开始搅拌；搅拌适当控制底吹气量等)减少VD中钢水的污染，同时强化软吹效果；对比大于13 μm夹杂物数量都是在VD破空后和连铸中包达到最大值，到了材样后降到最低值，第二炉比第一炉的材样中夹杂物数量低，并且两炉中夹杂物数量变化规律也基本上接近。
2.4 各工序含示踪元素的大型夹杂物分析
为了确定铸坯中显微夹杂物的来源，对LF-VD-CCM-材样各工序中含有示踪元素的夹杂物个数进行了统计，统计结果如图3所示。
图3 夹杂物中含钡所占比例
从图中可以看出，冶炼过程夹杂物中没有检测到含示踪元素La和Sr，大颗粒夹杂物主要不是来源于中间耐材和中包渣，同时没有发现K、Na等保护渣成分，说明冶炼过程中基本没发生大颗粒的保护渣卷入的现象。
在LF喂铝之后就检测Ba元素，说明在LF喂铝阶段钢包渣就已经进入到夹杂物中；并且从LF喂铝之后夹杂物中含Ba比例逐渐升高的，到VD破空之后含钡比例最高值达到80%，之后夹杂物中含钡比例逐渐下降。说明钢包渣的卷入是大颗粒夹杂物的一个重要来源，为此一方面改变钢包渣的粘度，使卷入的钢包渣尽可能以大的液滴存在，这样在后期软吹过程中有利于夹杂物的上浮，同时应强化软吹，保证足够的软吹时间，同时控制软吹的气量，以减少钢包渣的卷入，生成新的大颗粒夹杂物。
3 结论
(1)从LF喂铝之后到最终材样Al2O3质量分
数先降低后逐渐上升，材样的Al2O3质量分数与LF喂铝之后的含量差异不大；MgO质量分数变化不大，LF结束之后含量达到最大值30%，材样MgO质量分数与LF喂铝之后差异不大，几乎持平；在LF喂铝之后夹杂物中不含有CaO，到LF结束之后出现了CaO，之后CaO质量分数是逐渐上升的，到材样中CaO质量分数又降低了大约为4%左右。
(2)对于内生夹杂物的去除，利用Al2O3和钢水的不浸润的特征，要早去除和快去除，以降低大颗粒夹杂的数量，提高钢质水平。为此应做到早成白渣，保证渣的碱度和CaO/Al2O3的比值在1.6-1.8。
(3)VD破空后，钢水中的夹杂物数量和粒径均出现了上升，为此在VD精炼过程中应采取一定的措施(如：在真空度较低下，开始搅拌；搅拌适当控制底吹气量等)减少VD中钢水的污染，同时强化软吹效果。
(4)夹杂物中没有检测到含示踪元素La和Sr，大颗粒夹杂物主要不是来源于中间耐材和中包渣，同时没有发现K、Na等保护渣成分，说明冶炼过程中基本没发生大颗粒的保护渣卷入的现象。在LF喂铝之后就检测Ba元素，说明在LF喂铝阶段钢包渣就已经进入到夹杂物中；并且从LF喂铝之后夹杂物中含Ba比例逐渐升高的，之后夹杂物中含钡比例逐渐下降。说明钢包渣的卷入是大颗粒夹杂物的一个重要来源。
