高性能GCr15轴承钢中夹杂物控制与疲劳性能

GCr15轴承钢的冶炼工艺对钢的疲劳性能具有显著影响。研究了LF+VD、电渣重熔(ESR)和真空感应+真空自耗(VIM+VAR)冶炼工艺对钢中氧、氮、硫的质量分数和非金属夹杂物的分布特征以及疲劳性能的影响规律。结果表明,VIM+VAR冶炼钢中氧和氮的质量分数分别为0.000 5%和0.001 6%,夹杂物总数量仅为1.54个/mm~2。ESR冶炼钢中氧和氮的质量分数分别为0.001 8%和0.011 0%,夹杂总数量为17.78个/mm~2,夹杂物尺寸均小于13μm。LF+VD冶炼钢中硫的质量分数为0.002 6%,钢中硫和氧的质量比为3.7,夹杂总数量最多为20.73个/mm~2,大于13μm的夹杂物中CaS和CaS与Oxide复合夹杂比例较高。旋转弯曲疲劳试验结果表明,LF+VD、ESR和VIM+VAR冶炼钢的安全疲劳极限分别为980、1 164和1 158 MPa,引起疲劳破坏的夹杂物类型与制备工艺有关,LF+VD冶炼钢的夹杂物有CaS、CaS(Oxide)和CaO·Al_2O_3,ESR冶炼钢的夹杂物有Al_2O_3和CaO·Al_2O_3,VIM+VAR冶炼钢的夹杂物有TiN、MgO·Al_2O_3和CaS(Oxide)。依据真实应力因素和疲劳寿命,钢中夹杂物的危害程度由大到小依次为TiN、CaO·Al_2O_3、MgO·Al_2O_3、Al_2O_3、CaS(Oxide)和CaS,夹杂物类型和尺寸的不同导致了GCr15轴承钢安全疲劳极限的差异。     

不同冶炼方法对扭杆弹簧钢超高周疲劳性能的影响

摘要：以一种新型扭杆弹簧用高强钢（代号N1）为研究对象,采用真空自耗(VAR)和电渣重熔(ESR)冶炼方法制备得到2种实验钢（N1 VAR、N1 ESR）。研究了VAR、ESR冶炼方法对实验钢洁净度和超高周疲劳性能的影响。结果表明：采用电渣重熔工艺冶炼的N1 ESR试验钢中氧的质量分数为9×10-6,而采用真空自耗冶炼工艺的N1 VAR试验钢中氧的质量分数仅5×10-6,N1 VAR中氧化物夹杂数量和尺寸减小,夹杂周围裂纹萌生驱动力减小,超高周疲劳强度较高,疲劳寿命增加。     

汽车排气系统用铁素体不锈钢的耐热性研究

利用实验室条件下冶炼的Fe-Cr-Nb-Mo铁素体不锈钢,对其高温强度和热疲劳性能进行了研究。研究结果表明:实验钢的高温抗拉强度和屈服强度优于或基本相当于目前所使用的铁素体不锈钢的性能;实验钢的热疲劳裂纹从V形缺口处萌生,夹杂物为裂纹萌生优先区域;热疲劳裂纹长度和扩展速度随热疲劳上限温度的升高而增大;热疲劳裂纹优先沿晶界扩展,高温氧化是疲劳裂纹扩展的主要因素。     

新型扭杆弹簧用高强度马氏体钢疲劳性能研究

摘要：利用旋转弯曲疲劳试验研究新型扭杆弹簧用N1钢和45CrNiMoVA钢的疲劳性能,并通过对2种试验钢组织、硬度、强度、夹杂物类型及大小、疲劳裂纹扩展速率以及氢含量的对比,探讨影响扭杆弹簧用钢旋转弯曲疲劳性能的因素及其疲劳失效机制。结果表明,推荐热处理制度的45CrNiMoVA钢和N1钢旋转弯曲疲劳极限强度分别为892和926MPa,超高强度钢的屈服强度也是衡量疲劳极限强度的因素,N1钢屈服强度高出45CrNiMoVA钢约100MPa,是其疲劳性能优于45CrNiMoVA钢的重要原因。在高应力状态下,N1钢的疲劳寿命明显优于45CrNiMoVA钢的重要原因是N1钢的疲劳裂纹扩展速率低于45CrNiMoVA钢;而在低应力状态下,较高的屈服强度、较低的裂纹扩展速率和氢含量是N1钢疲劳极限高于45CrNiMoVA钢的重要原因。     

新型扭杆弹簧用高强度马氏体钢疲劳性能研究

利用旋转弯曲疲劳试验研究新型扭杆弹簧用N1钢和45CrNiMoVA钢的疲劳性能,并通过对2种试验钢组织、硬度、强度、夹杂物类型及大小、疲劳裂纹扩展速率以及氢含量的对比,探讨影响扭杆弹簧用钢旋转弯曲疲劳性能的因素及其疲劳失效机制。结果表明,推荐热处理制度的45CrNiMoVA钢和N1钢旋转弯曲疲劳极限强度分别为892和926 MPa,超高强度钢的屈服强度也是衡量疲劳极限强度的因素,N1钢屈服强度高出45CrNiMoVA钢约100 MPa,是其疲劳性能优于45CrNiMoVA钢的重要原因。在高应力状态下,N1钢的疲劳寿命明显优于45CrNiMoVA钢的重要原因是N1钢的疲劳裂纹扩展速率低于45CrNiMoVA钢;而在低应力状态下,较高的屈服强度、较低的裂纹扩展速率和氢含量是N1钢疲劳极限高于45CrNiMoVA钢的重要原因。     

BOF-LF-VD-CC过程35MnB钢中夹杂物的演变分析

夹杂物对高品质特殊钢的服役性能有显著影响，但国内外对冶炼过程35MnB钢中夹杂物的演变行为尚不明晰。通过采用扫描电镜和FactSage热力学计算等方法和手段，对Al粒+SiC扩散脱氧(1号工艺)和SiC扩散脱氧(2号工艺)生产的35MnB钢冶炼过程钢成分、渣成分及钢中夹杂物的演变行为进行研究。结果表明，1号工艺精炼过程会出现钢水增硅，不同扩散脱氧工艺铸坯中的全氧和氮质量分数差别不大，全氧质量分数分别为11.9×10^-6和11.6×10^-6。35MnB钢中主要存在尺寸小于5μm的氧化物、硫化物或TiN夹杂物。夹杂物种类主要受沉淀脱氧工艺影响，受扩散脱氧工艺影响较小。冶炼过程夹杂物的演变规律为：Al₂O₃(氩站)→CaO-MgO-Al₂O₃(LF精炼)→CaO-MgO-Al₂O₃-CaS(软吹)→CaO-MgO-Al₂O₃-CaS或CaO-Al₂O     

15Cr14Co12Mo5Ni2齿轮钢的扭转疲劳特性及裂纹扩展行为

 通过扭转疲劳试验,研究了15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳断裂的裂纹扩展行为和夹杂物尺寸与扭转疲劳寿命之间的关系。得到了钢的扭转疲劳极限强度和[τ-N]曲线,15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳极限强度为350 MPa,扭转疲劳寿命分散度较大。通过断口观察,发现15Cr14Co12Mo5Ni2钢的疲劳破坏模式以表面破坏和近表面破坏为主,主要由氧化物夹杂引起。通过计算应力强度因子[ΔK]和裂纹扩展门槛值[ΔKth]分析15Cr14Co12Mo5Ni2钢的疲劳裂纹扩展的断裂力学条件,试验钢在断裂过程中受载荷情况为,II型载荷—I型载荷—II型载荷—I＋II型载荷,分别对应起裂源区、纤维区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区;当有大裂纹产生时,则不会产生纤维区,受载荷情况则为：II型载荷—I＋II型载荷。通过公式推导和数据拟合得到夹杂物尺寸和15Cr14Co12Mo5Ni2钢扭转疲劳寿命的关系,发现随着夹杂物尺寸减小,钢的[τ-N]曲线向高寿命区移动。当引起裂纹萌生的夹杂物尺寸小于5 μm时,在350 MPa应力下,15Cr14Co12Mo5Ni2钢的扭转疲劳寿命超过107循环周次。     

304不锈钢不同精炼渣碱度下夹杂物的演变

 为了提高304不锈钢的产品质量，结合生产实际，利用热力学计算和扫描电镜能谱分析方法, 研究了硅脱氧条件下，LF精炼渣碱度对304不锈钢在LF精炼、连铸过程夹杂物变化规律的影响。试验结果表明,随着冶炼过程进行，全氧质量分数和夹杂物数量依次减小。304不锈钢采用1.75高碱度炉渣，可以得到较低的全氧质量分数和夹杂物数量，但是夹杂物中Al2O3质量分数高，夹杂物熔点高。采用1.53低碱度炉渣，钢液中全氧质量分数较采用高碱度炉渣高，但是夹杂物中CaO、Al2O3质量分数相对较低，SiO2和MnO质量分数较高，夹杂物熔点低。针对304不锈钢产品可以采用不同的生产工艺路线来满足产品的不同需求。     

82A和82B高强钢疲劳性能的试验研究

对某钢厂生产的82A和82B高强钢进行了高周疲劳性能试验研究,得到了这两种钢的疲劳应力-寿命曲线(S-N曲线)及疲劳强度。用扫描电镜对试样的疲劳断口进行了观察。结果显示,对夹杂物进行变性处理后的82A钢的疲劳裂纹大多从表面缺陷处萌生,而夹杂物没有变性处理的82B钢的疲劳裂纹则从非金属夹杂物及表面缺陷处萌生,且从内部非金属夹杂物处萌生的疲劳断口呈"鱼眼"特征。讨论了非金属夹杂物对高强钢疲劳性能的影响。     

La-Ce处理对75Cr1钢夹杂物和耐蚀性影响的工业试验

锯片长期在共振、较大侧压力、拉应力以及与冷却介质接触下服役，要求锯片钢具有一定的弹性强度、疲劳强度、冲击韧性和耐蚀性能。钢中非金属夹杂物会打破钢基体的连续性，易引起钢中裂纹的产生，并对钢的耐点蚀性能有着重要的影响。通过对工业试验所生产的不同稀土含量的75Cr1锯片钢进行夹杂物特征分析、电化学极化试验和腐蚀失重试验，研究了稀土处理对75Cr1钢洁净度和耐蚀性的影响。结果表明，适量的稀土处理可以显著脱除钢中氧、硫元素，变质钢中夹杂物，提高钢基体的耐蚀性。未添加稀土的75Cr1钢中总氧质量分数为0.002 0%,总硫质量分数为0.001 2%;钢中典型夹杂物为Mg-Al-O复合氧化物夹杂和CaS+MnS夹杂，夹杂物平均尺寸为2.1μm;钢的点蚀电位和自腐蚀电位分别为-410 mV和-1 000 mV。铈质量分数为0.013 6%和镧质量分数为0.007 2%的75Cr1钢中总氧质量分数和总硫质量分数分别为0.001 1%和0.000 8%;钢中典型夹杂物为RE_xS_y+CaS以及少量的Al₂O₃夹杂，钢中夹...     

15-5PH不锈钢大型锻件冶炼脱氧工艺研究

摘要：以实际工艺流程50t EBT-VOD-LF-VC冶炼15-5PH不锈钢为背景,通过FactSage 8.0和经典Wagner模型研究冶炼硅铝复合脱氧过程中钢液中的铝含量、炉渣组成以及冶炼温度等因素对钢液中氧含量的影响进行了热力学研究。结果表明：Al-Si复合脱氧为15-5PH不锈钢冶炼过程中的最佳脱氧工艺,为了保证脱氧的冶炼效果,应控制钢液中的酸溶铝的质量分数在0.015%左右;降低冶炼温度有利于降低钢液平衡氧含量;考虑炉渣的物理性能和钢渣界面平衡反应得出脱氧工艺的最优炉渣成分,碱度为2.5~3.0,w（(Cr2O3)）=0.5%,w（(Al2O3)）=20%,w（(MgO)）=5%,w（(CaF2)）=5%;经过工艺优化后生产的15.5PH不锈钢中氧含量明显降低,均满足产品要求,炉渣碱度对平衡氧含量和实际生产全氧含量的影响规律基本相同。     

连铸与模铸高铁车轴钢的高周疲劳破坏行为

连铸车轴钢能否达到模铸车轴钢的性能水平是其能否应用的一个关键。对此,采用旋转弯曲疲劳试验及疲劳裂纹扩展速率试验对比研究了连铸与模铸工艺生产的高铁车轴钢的高周疲劳破坏行为。结果表明,工业试制的连铸车轴钢的强度和疲劳极限均低于模铸车轴钢,且前者的疲劳裂纹扩展速率略高于后者。疲劳断口分析表明,疲劳断裂大部分起源于试样表面基体。微观组织分析表明,尽管两者的微观组织均为高温回火马氏体,但连铸车轴钢中原奥氏体晶粒尺寸及碳化物均略大于模铸车轴钢。金相评级法及夹杂物极值统计法的结果均表明,连铸车轴钢中的夹杂物尺寸明显大于模铸车轴钢。因此,为了以连铸工艺取代模铸工艺,还需要进一步优化连铸车轴钢的成分、冶金生产和热处理等工艺,以获得优良的冶金质量和组织性能。     

2 000 MPa高强度钢的超高周疲劳破坏行为

通过USF-2000超声波疲劳试验机研究了500 kg真空感应炉+电渣重熔冶炼的2000 MPa高强度钢(%:0.45C、2.0Si、0.9Cr、0.001S、0.005P、0.026Al、0.001 5O、0.002 8N)在共振频率20 kHz、载荷比R=-1,共振间隙150 ms时的超高周疲劳破坏行为。结果发现,疲劳裂纹大部分起源于钢中非金属夹杂物(夹杂平均尺寸12.3μm),钢的疲劳强度和寿命随夹杂物增大而降低;内部夹杂物引起的疲劳破坏往往呈鱼眼型;随疲劳断口裂纹源夹杂物处应力场强度因子ΔK_inc的减小,钢的疲劳寿命N_f增加。     

CSP产线下汽车结构用热轧酸洗板中的夹杂物

 为了提高CSP产线热轧酸洗板的洁净度与综合性能,研究了CSP工艺下QSTE500TM(汽车结构用热轧酸洗板)冶炼过程和热轧卷中的夹杂物。冶炼过程中夹杂物的变化路线是Al₂O₃-SiO₂-MnO→Al₂O₃→MgO-Al₂O₃-CaO-CaS→Al₂O₃-CaO-CaS。LF钙处理前到中间包阶段,钢液中夹杂物总量基本不变,约为200 μm2/mm2。热轧卷中夹杂物总量约是钢液中的2倍,组成主要是较大尺寸的MgO-Al₂O₃-CaO-CaS、小尺寸的TiN析出物以及中等尺寸的Al₂O₃-CaO-TiN复合夹杂。随着氮含量的增加,热轧卷中夹杂物总量增加、小尺寸夹杂物分布均匀,10 μm以上的夹杂物在卷宽1/4处分布最多。由于选分结晶的作用,复合夹杂中TiN的质量分数在10%～100%之间变化,随着TiN含量的升高,夹杂物尺寸逐渐变小。CSP工艺下热轧卷中第二相析出物更均匀,有利于产品最终的力学性能。综合考虑过程控制能力和产品性能需求,建议CSP热轧酸洗板严格控制连铸保护浇铸,氮质量分数小于0.006 0%。     

耐火材料对95Cr切割丝用钢中夹杂物的影响

 为了开发更优质的耐火材料以提高切割丝用钢的洁净度,试验采用MoSi₂炉研究了MgO、MgO-CaO两种耐火材料对95Cr切割丝用钢中夹杂物的影响。结果表明,MgO、MgO-CaO两种坩埚冶炼均能使钢成分控制在目标范围内,夹杂物成分落点控制在目标低熔点区内。但与MgO坩埚相比,MgO-CaO坩埚净化钢液的效果更好,主要表现为两个方面。一方面,钢中P、S、Al_s、T[O]含量均更低。特别是w([S])可降低至0.000 6%,w([Al]_s)降低到0.000 3%,w(T[O]) 降低到0.000 5%。另一方面,钢中夹杂物数量更少、尺寸更小、复合夹杂物中Al₂O₃的含量更低。具体表现为,经MgO-CaO坩埚冶炼后,钢中等效直径小于2 μm的夹杂物所占比例为91%,而经MgO坩埚冶炼的钢,此项值仅为78%;经MgO-CaO坩埚冶炼后,钢中复合夹杂物中w([Al₂O₃])几乎都低于10.0%。这主要是因为MgO-CaO耐火材料中的MgO、CaO均能脱磷,同时CaO还有间接脱硫、去除钢中Al₂O₃夹杂物的作用。     

AF1410钢的旋转弯曲疲劳破坏行为

 通过力学性能测试、微观组织和疲劳断口形貌的扫描电镜（SEM）分析等方法系统研究了一种双真空工艺熔炼的高纯度超高强度钢（AF1410）的高周旋转弯曲疲劳破坏特性及非金属夹杂对其疲劳性能的影响。结果表明：AF1410钢经510℃回火5h后,具有优异的综合力学性能,其旋转弯曲疲劳极限强度达到826MPa;通过疲劳断口的SEM观察,试验用AF1410钢的旋转弯曲疲劳裂纹源均起裂于试样表面的加工缺陷,如刀痕、细微缺口等,这些表面缺陷引起的应力集中是导致其疲劳开裂的主要原因;稀土元素La的加入使得高纯AF1410钢弯曲疲劳断口中出现细小圆形的含La非金属夹杂物,但该类稀土夹杂并未成为旋转弯曲疲劳断裂的裂纹源。     

硼元素对FB2钢组织和力学性能的影响

 为了研究硼含量对FB2钢组织和力学性能的影响,先对5组不同硼含量的FB2钢用维乐试剂(1 g苦味酸+5 mL盐酸+100 mL无水乙醇)浸泡腐蚀90 s后进行形貌观察与分析。通过SEM-EDS观察分析基体中M₂₃C₆型碳化物,然后用Image-pro plus软件对析出相的尺寸进行分析。接着采用日本岛津制造所生产的AG-XPLUS 100 kN万能试验机,对5组不同硼含量的FB2钢进行室温拉伸试验和室温冲击试验。最后对5组不同硼含量的FB2钢进行组织和力学性能的分析。结果表明,FB2钢中的硼元素可以抑制M₂₃C₆型碳化物的长大粗化,但是硼元素易于与氮元素形成BN夹杂物。随着硼含量的增加,M₂₃C₆型碳化物的平均尺寸呈现降低的趋势,BN夹杂物的单位数量和平均尺寸呈现增大的趋势。FB2钢的室温拉伸性能随着硼含量的增加先升高后降低,并且在硼质量分数为0.010%时FB2钢的室温拉伸性能达到最强。当硼质量分数由0增加到0.010%时,FB2钢的室温拉伸性能升高,这是由于硼元素的加入抑制了M₂₃C₆型碳化物的粗化,从而提升了FB2的强度;当硼质量分数由0.010%增加到0.030%时,FB2钢的室温拉伸性能降低是由于硼元素与氮元素结合形成了BN夹杂物,引起应力集中,且大尺寸的BN夹杂物诱发了孔洞的形成,降低了FB2钢的性能。FB2钢的冲击功随着硼含量的增加呈现降低的趋势,且当硼质量分数为0.020%和0.030%时,冲击功出现了骤降,这是由BN夹杂物的单位数量、平均尺的上升和大尺寸BN及杂物的析出导致的。