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。     

高级别管线钢钙处理冶金效果研究

针对管线钢L360QS进行了钙处理实验研究,考查钢液中[Ca]、[S]对夹杂物变性的影响.结果表明,钢中的硫被脱到0.002%~0.003%(质量分数)范围内的较低水平,脱硫率最高达85.0%,与实验预期吻合.随着钢液中[S]增加,夹杂物中CaS+MnS的平均质量分数相应增加,但夹杂物中的CaS含量不一定增加.钙对夹杂物变性作用非常明显,[Ca]相对高的管线钢,其夹杂物绝大多数都变性为球形的含CaS钙铝酸盐复合夹杂,不存在MnS夹杂和MgO·Al₂O₃夹杂.为使氧化夹杂和硫化夹杂都变性完全,钢液中的硫的质量分数应控制在0.002%左右,钙的质量分数应控制在0.003 5%~0.004 0%,且[Ca]/[S]>1.9.     

稀土Ce对1Cr18Mn8Ni5N不锈钢耐均匀腐蚀性能影响

利用电化学的极化曲线及交流阻抗技术研究了不同稀土含量的1Cr18Mn8Ni5N不锈钢在硫酸介质中的腐蚀行为。应用扫描电镜对试样的腐蚀形貌及夹杂物形态进行了观察,利用EDS对夹杂物成分进行了分析。结果表明:钢中加入稀土Ce可改变夹杂物形态,并使其交流阻抗的极化电阻增大,极化曲线的腐蚀电位正移,降低了腐蚀电流密度,抵制了均匀腐蚀,改善了1Cr18Mn8Ni5N不锈钢的耐蚀性。当钢中稀土Ce质量分数为0.022%时,1Cr18Mn8Ni5N不锈钢可获得最好的耐均匀腐蚀性能。     

含铈304不锈钢夹杂物改性及耐腐蚀性能优化

 通过在304不锈钢中加入不同含量的铈,研究了铈处理前后钢中夹杂物的变化,并借助于腐蚀失重试验及电化学试验,分析了不同含量的铈处理后钢中夹杂物性质变化对304不锈钢耐腐蚀性能的影响。研究结果表明,未加铈的不锈钢中主要为MnS夹杂及复合氧化物夹杂,夹杂物的平均尺寸为8.6 μm,而钢的自腐蚀电位仅为-348.52 mV。加入稀土铈后,夹杂物逐渐改性成球状或椭球状的含铈夹杂物,平均尺寸有所降低,而不锈钢耐腐蚀性则有所提高。当铈质量分数达到0.012%时,钢中MnS夹杂全部改性成球状含铈夹杂,不锈钢自腐蚀电位高达-311.25 mV,耐腐蚀性能最好。继续增加稀土铈含量,钢中夹杂物的形状变得不规则,尺寸也有所增加,导致不锈钢耐腐蚀性能降低。     

稀土对高强耐蚀钢中夹杂物的影响

随着油气田开采条件的不断恶化，深层含H₂S油气层的开发日益增多，油气管的腐蚀失效问题逐渐突出。非金属夹杂物是导致油气管抗氢性能和抗硫化物应力腐蚀性能下降的主要因素之一，而稀土具有调控钢中夹杂物特性的能力。为此基于工业生产试验，通过系统取样、SEM-EDS检测、热力学计算等手段研究了Ce-La稀土合金对铝脱氧钙处理工艺下的110级石油套管钢中夹杂物的影响规律，并与不加稀土的工艺进行了对比。研究结果表明，不加稀土的生产工艺钢中夹杂物主要为Ca-Al(-Mg)-O、Ca-Al(-Mg)-O+CaS、CaS和TiN类型，而加Ce-La合金(La、Ce添加量(质量分数)分别为0.013 9%、0.027 8%)后的夹杂物主要为Ce-La-O(-S)、Ce-La-O(-S)+CaS、Ce-La-P-As和TiN类型，其中前两类既可以在当前钢水条件下直接生成，也可对钢水中钙铝酸盐夹杂物改性获得；Ce-La-P-As和TiN类型的夹杂物主要在钢水凝固过程中产生。热力学计算表明，加稀土后钢中夹杂物的演变顺序为Inc_liq(Ca-Al-O)→CaS+Inc     

电渣重熔过程中氧化物夹杂的变化

利用扫描电镜分析了自耗电极和电渣重熔钢中夹杂物的特征,结合热力学计算,分析了氧硫复合夹杂物在电渣重熔过程中的转变机理。结果表明,电渣重熔采用气氛保护结合脱氧操作可以将自耗电极全氧质量分数由0.0017%降低至0.0008%。电渣重熔之后钢中小于3 μm夹杂物的比例显著增加。自耗电极中的夹杂物为CaS与含质量分数3%和11%左右MgO的CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO结合的两类复合夹杂物。电渣过程未被去除的氧化物夹杂中的SiO₂被钢液中酸溶铝还原,保留至电渣锭中。电渣锭中含约1%MgO和2%SiO₂且成分均匀的CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO是在电渣过程中新生的夹杂物。自耗电极中的CaS通过分解为钢液中溶解Ca和S,以及通过与液态氧化物夹杂中Al₂O₃反应的途径在电渣过程被去除。电渣锭中低熔点氧化物夹杂周围环状CaS是钢液凝固过程中溶解S、酸溶铝Al与氧化物夹杂中CaO的反应产物,高熔点氧化物夹杂周围环状CaS是钢液凝固过程中Ca和S偏析后反应新生的夹杂物。复合夹杂物中补丁状CaS是在电渣重熔钢液冷却过程中由复合夹杂物熔体中析出的。     

20CrMnTiH1齿轮钢钙处理热力学

通过钢液与夹杂物之间的热力学平衡计算,讨论了20CrMnTiH1精炼钢水中Al2O3夹杂物钙处理后可能变性的程度及CaS夹杂生成的条件.计算结果表明对硫的质量分数为0.020%～0.035%,铝的质量分数0.02%～0.04%的钢水进行钙处理时易生成稳定的CaS并难以使铝脱氧产生的Al2O3夹杂完全变性成低熔点C12A7钙铝酸盐.通过对炼钢厂生产的20CrMnTiH1齿轮钢材中夹杂物的检验,以及对连铸过程中水口堵塞物的扫描电镜能谱分析,发现钢材中含有许多CaS及变性不完全的钙铝酸盐CA,同时水口堵塞物也主要由CaS和变性不完全的钙铝酸盐CA组成.     

20CrMo合金钢生产过程中非金属夹杂物的演变

为了进一步研究20CrMo合金钢在生产过程中夹杂物的演变机理,实现对钢中非金属夹杂物的合理控制,保证生产顺行,提高产品力学性能,针对“BOF→LF→RH→钙处理→连铸→热轧”工序生产20CrMo合金钢全流程中非金属夹杂物的演变规律进行了研究。在LF精炼及RH精炼加钙前钢中非金属夹杂物含有70%以上的Al₂O₃。钙处理后,由于过量的钙加入到钢液中,夹杂物中CaS质量分数迅速增加至59%,Al₂O₃质量分数降低至21%。在连铸过程中由于二次氧化的发生,夹杂物转变为CaO?Al₂O₃,其中含有50%的Al₂O₃、39%的CaO和10%的CaS,并且夹杂物平均尺寸增加。在钢的冷却和凝固过程中,CaO质量分数降低至5%,CaS质量分数增加至57%,钢中夹杂物转变为Al₂O₃?CaO?CaS的复合夹杂物,同时含有少量大尺寸的CaO?Al₂O₃夹杂物。在钢的轧制过程中,夹杂物中CaO含量进一步降低,CaS含量增加,夹杂物平均尺寸增加,形成了CaO?Al₂O₃与CaS黏结型的复合夹杂物与Al₂O₃?CaS复合夹杂物。对CaO-Al₂O₃与CaS黏结型的复合夹杂物的形成原因进行了讨论。      

中厚板钢精炼过程夹杂物的转变

 通过工业试验研究了中厚板钢LF→钙处理→RH精炼过程中夹杂物的转变规律,并对钙处理过程夹杂物转变进行了热力学计算分析。结果表明：精炼过程钢中总氧质量分数降低,夹杂物数量密度降低,夹杂物平均尺寸升高;钙处理后夹杂物为CaO-MgO-Al2O3-CaS四元系;RH破空后夹杂物转变为CaO-MgO-Al2O3三元系,夹杂物中CaO质量分数降低,Al2O3质量分数升高;热力学计算表明,钙处理后钢液可直接生成CaS,也可与钙铝酸盐夹杂物反应生成CaS,RH破空后不能生成CaS。     

稀土铈对夹杂物特征的影响

通过试验冶炼稀土钢,采用扫描电镜与能谱仪,结合热力学计算分析稀土钢中夹杂物的成分以及形貌、尺寸分布等特征,研究稀土钢中夹杂物成分演变机理和稀土添加量对夹杂物特征的影响规律,从而实现稀土钢中夹杂物的精确控制。研究结果表明:在1 873 K时,稀土钢中CeAlO_3和Ce_2O_2S夹杂物最为稳定。稀土钢中铈质量分数为0.015%时,冶炼过程中CeAlO_3+Ce_xS_y夹杂物逐渐转变为Ce_2O_3,且夹杂物中Al_2O_3质量分数和Ce_xS_y质量分数降低。稀土钢中铈质量分数为0.028%时,夹杂物主要为Ce_2O_2S。冶炼初期稀土氧化物较多,随着钢液中溶解氧质量分数的降低,过剩的稀土Ce与硫结合,使得稀土硫化物逐渐增多。增加钢液中的铈含量,CeAlO_3夹杂物减少,Ce_2O_2S增多。将铈含量从0.015%增加到0.028%时,夹杂物平均尺寸由2.83μm降低为2.66μm。     

合金元素对高强耐候钢耐大气腐蚀行为的影响

为了考察氧含量对钢耐蚀性能的影响,冶炼了不同氧含量（质量分数在20×10⁻⁶～200×10⁻⁶范围）的碳钢和耐候钢. 通过扫描电镜夹杂物分析、极化实验、全浸实验等方法研究了钢中夹杂物类型、形态、数量、尺寸等随氧含量变化而变化的规律,以及对耐蚀性能的影响. 结果表明,随着钢中氧含量逐渐增大,钢中夹杂物由长条状MnS、Al₂O₃向颗粒状硅酸盐转变,夹杂物总数量、平均尺寸逐渐增大,譬如氧质量分数从20×10⁻⁶、60×10⁻⁶增大到195×10⁻⁶时,MnS数量占比从69.9%、23.7%减少到5.8%,硅酸盐数量占比从3.4%、54.9%增大到73.2%,夹杂物总面积分数从0.01%、0.04%增大至0.25%,等效圆直径从0.78 µm、1.15 µm增大至4.65 µm;点蚀电位呈升高趋势,整体升高40 mV左右;腐蚀速率先下降又回升,遵从三次函数变化规律,其中氧质量分数从20×10⁻⁶～30×10⁻⁶增大到60×10⁻⁶,碳钢腐蚀速率降低53%,耐候钢腐蚀速率降低24%,耐蚀性均提高. 分析认为,氧质量分数在20×10⁻⁶～100×10⁻⁶范围,易诱发腐蚀的长条状硫化物减少以及固溶氧增多而引起基体电位升高的共同作用导致在全浸腐蚀环境下钢的耐蚀性增强;氧质量分数在100×10⁻⁶～200×10⁻⁶范围,夹杂物的数量急剧增多使得钢的耐腐蚀性降低. 适当增大氧含量,可开发经济型耐腐蚀钢.

     

管线钢硫化物钙处理技术分析

在对管线钢中硫化物的作用进行综合分析的基础上,结合莱钢的生产实践,利用冶金热力学原理,分析计算了管线钢硫化物的钙处理工艺条件,并对管线钢中的夹杂物进行了检测分析。结果表明,莱钢生产管线钢时,大部分炉次精炼终点氧质量分数高于理论计算钙处理所需的目标氧质量分数3.42×10-6,钢中钙质量分数未达到理论计算钙硫平衡时所需的量,硫化物夹杂物变性并不完全,钢中存在MnS、MnS CaS复合夹杂物。     

含钇E36船板钢夹杂物改性

为了研究钇对E36船板钢中夹杂物成分和形貌的影响,对钇处理后E36船板钢中典型夹杂物进行热力学计算,并通过扫描电镜及能谱仪对钇处理前后E36船板钢中夹杂物进行检测分析,观察典型夹杂物形态和尺寸。结果表明,未添加稀土钇的E36船板钢主要为长条状MnS夹杂物;添加稀土钇后,钢中夹杂物主要为球状或类球状的含钇复合夹杂物。当钢中钇质量分数为0.007 8%时,夹杂物主要为球状或类球状的Y₂O₂S夹杂物和Y₂O₃夹杂物;当钢中钇质量分数增加至0.037 7%时,夹杂物改性为球状或类球状Y₂O₂S夹杂物、YS夹杂物和Y₂O₃夹杂物。     

稀土耐候钢中的夹杂物及耐点蚀性能研究

利用电子探针、扫描电镜及能谱仪、图像分析仪对含稀土和不含稀土耐候钢中夹杂物的成分、形貌、尺寸等进行了研究。钢中加入稀土后,小球状的稀土硫化物和稀土氧硫化物夹杂取代了钢中原有的有害的长条硫化锰夹杂。对于低硫低氧(S:～0.004%,O:～0.002%)的耐候钢,0.0065%～0.016%的稀土含量保证了钢中夹杂物的良好变质效果,变质后的夹杂弥散分布而且85%以上的稀土夹杂物都小于2μm。通过干湿周期浸润实验室加速腐蚀试验研究了Cu-P-RE耐候钢和对比Q235钢的耐蚀性能。通过电化学极化试验和扫描电镜分析研究了稀土耐候钢中的夹杂物诱发点蚀行为。结果表明,微米级弥散分布的稀土夹杂取代了易腐蚀的长条硫化锰夹杂,减弱了钢中的微区域电化学腐蚀,从而抑制了钢中点腐蚀的发生和扩展。并可以诱发耐候钢表面发生均匀的全面腐蚀,促进均匀致密保护性锈层的生成。Cu-P耐候钢中加入适量稀土提高了钢的点蚀电位和耐点蚀能力,降低了耐候钢的腐蚀速率,提高了其耐蚀能力。     

Mn对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响

研究锰元素对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响, 锰质量分数的变化范围为0. 93%~1. 26%.分别采用化学腐蚀法、动电位极化法研究双相不锈钢2205的耐腐蚀性能, 采用夹杂物自动分析技术研究锰对钢中夹杂物种类及数量的影响, 通过扫描电镜、能谱及夹杂物原位分析法观察化学腐蚀及电化学腐蚀前后钢中夹杂物及其周围钢基体的变化情况.采用电感耦合等离子体发光光谱测定腐蚀产物的成分.研究结果表明, 不同类型的夹杂物对耐腐蚀性能的影响不同, (Mn、Si) 氧化物以及(Mn、Si、Cr) 氧硫化物在腐蚀液中更易溶解进而促进腐蚀, 而(Cr、Mn、Al) 氧化物却很稳定.锰的加入会促进钢中(Cr、Mn、Al) 夹杂的析出, 此类夹杂物不仅自身很容易被含Cl离子的溶液腐蚀, 而且作为点蚀的起始点, 促进了点蚀坑的形成, 加快了基体腐蚀, 最终导致不锈钢耐点蚀性能的下降.      

碳钢中夹杂物诱发点蚀的规律和特性研究

海洋环境对于金属的腐蚀具有明显的加速作用,尤其在高铁海底隧道环境中,金属比正常的服役时间变短,这种腐蚀情况下会影响高铁的安全和准点运行。基于以上背景,通过夹杂物自动扫描、钢的加速腐蚀及电化学测试对钢中的夹杂物诱发腐蚀行为进行系统分析,重点分析了高铁轨旁信号设备连接金属件（Q235）中夹杂物在盐雾环境下的腐蚀行为。结果表明：钢中主要夹杂物为氧化物、硫化物或者其复合夹杂,而这两类夹杂物对于诱发钢基体点蚀的原因不同。其中数量最多、尺寸小于5 μm类型的夹杂物为硫化物夹杂和氧硫复合类型夹杂物;数量少、尺寸大于5 μm的夹杂物为氧化物夹杂。在服役过程中,钢中硫化物夹杂易溶解脱落形成点蚀坑,而氧化物夹杂周围基体会先溶解引起夹杂物脱落形成点蚀坑,复合类夹杂物也是诱发钢发生腐蚀的因素,不同复合类型的夹杂物腐蚀方式不同,硫化物夹杂和氧硫复合夹杂对碳钢影响较大。电化学测试表明自腐蚀电位约为为−0.1 V,Q235钢本身抗腐蚀能力不强。夹杂物在腐蚀过程中参与了腐蚀,引起阳极极化曲线的波动,加快了Q235钢的腐蚀情况。研究结果对于认识和改善钢的耐腐蚀性能有指导意义。     

总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响

为了保证齿轮钢中非金属夹杂物的控制,并确定齿轮钢经济合理的总氧含量控制目标,开展了总氧含量对齿轮钢中非金属夹杂物的影响研究。以三种不同总氧含量的Mn–Cr系齿轮钢为研究对象,利用Aspex扫描电镜、极值法、疲劳测试等不同方法研究了齿轮钢中非金属夹杂物数量、分布、尺寸等,获得了夹杂物与齿轮钢总氧含量的对应关系。在本文实验条件下,随着总氧含量的降低,钢中氧化物夹杂数量不断减小,其中5～10 μm的小尺寸夹杂物减小最明显,而10 μm以上的大尺寸夹杂物数量变化规律不明显。另外,极值法和疲劳试验结果表明,总氧含量高时（质量分数为0.0013%）,钢中最大氧化物夹杂尺寸也较大,比总氧质量分数为0.0010%和0.0005%的实验钢的最大夹杂物尺寸高10 μm以上,且当总氧含量比较低时（质量分数≤0.0010%）,实验钢总氧质量分数变化（0.0010%、0.0005%）对钢中最大夹杂物尺寸影响不大。      

含铈IF钢中铈夹杂物的热力学分析及实验研究

研究了含铈IF钢中铈夹杂物生成的热力学规律,以及铈对钢液中Al_2O_3夹杂物的变质机理,并采用扫描电子显微镜及能谱仪观察和分析了IF钢和含铈IF钢中的主要夹杂物,结果表明,铈在氧、硫含量均小于0.0006%的超低氧、硫IF钢中仍能够同时脱氧、脱硫、脱磷,具有净化钢液作用;含铈IF钢中的稀土夹杂物主要为Ce_2O_3、Ce_2O_2S、CeAlO_3夹杂物,各稀土夹杂物呈球状或椭球状,且尺寸均小于2μm,钢中未发现稀土硫化物夹杂;含铈IF钢中的Al_2O_3夹杂物被铈变质为尺寸较小的CeAlO_3夹杂物。     

节镍含稀土23Cr型双相不锈钢点蚀性能研究

为了研究节镍型含稀土双相不锈钢在中性氯化物溶液中的点蚀行为,采用阳极极化曲线、交流阻抗、扫描电镜(SEM)及X射线能谱仪(EDS)等方法研究了微量稀土元素对23Cr型双相不锈钢耐点蚀性能的影响。研究结果表明,加稀土后,23Cr型双相不锈钢在1.0 mol/L Na Cl溶液中的点蚀电位及钝化能力明显提高,稀土含量为0.028%的实验钢耐点蚀能力最强,稀土能提高23Cr型双相不锈钢的耐点蚀性能;硫化物夹杂是23Cr型双相不锈钢的主要点蚀诱发源;合适的稀土含量可以有效的净化钢液,变质长条硫化物夹杂为球状稀土夹杂;稀土夹杂弥散分布在钢中,且相互独立,不形成腐蚀的活性通道,抑制了23Cr型双相不锈钢点蚀的发生。     

钙处理时机对LF-RH精炼过程Al2O3基夹杂物的影响

为研究LF-RH精炼工艺生产Q690钢时不同钙处理时机下夹杂物特征的变化,开展工业试验对RH精炼前后钙处理炉次取样进行定量分析对比。钙处理后夹杂物中CaO质量分数持续增加,CaS质量分数瞬态增加,夹杂物熔点降低。RH精炼前钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物的成分接近低熔点区,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别为15个/mm2和0.01%。RH精炼后钙处理炉次中,RH精炼过程夹杂物依旧为高熔点Al₂O₃-MgO类型,结束时夹杂物数量密度和面积分数分别降至1个/mm2和0.002 5%。RH精炼前钙处理会使RH精炼过程夹杂物熔点以及夹杂物与钢液间的接触角降低,导致夹杂物去除驱动力降低,从而抑制夹杂物的去除。因此LF-RH精炼工艺生产铝脱氧钢时,为提高精炼过程钢中非金属夹杂物的去除效率,应在RH精炼后进行钙处理操作。