轴承钢中夹杂物分析

第36卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.36 Suppl.1 2014年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2014 轴承钢中夹杂物分析 杨 文”，张立峰)四，胡育新，范富华)，李国光 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)承德建龙钢铁有限公司，承德067201 ☒通信作者，E-mail:zhanglifeng@usth.cd.cm 摘要对轴承钢热轧板中的夹杂物以及浇铸过程结晶器浸入式水口上的结瘤物进行了电镜检测.发现轧板试样中夹杂物 类型主要是TiN、Mg0·AL,O,和MS以及少量的CaS,尺寸大多在20μm以内，除此之外，还观察到一些大尺寸Mg0·AL,O,和 AL,0,夹杂物及其伴生的裂纹.通过对水口结瘤物的检验分析，发现结瘤物主要以Mg0·A,03尖晶石类夹杂物为主，还有少 量的MgO一AL,O,C0系夹杂物，此外还含有部分凝钢.结瘤物成分与钢水中氧化物夹杂一致，因此推测水口结瘤产生原因 为钢液中的固态氧化物夹杂在浇注过程中在水口上的聚集沉淀，轧板中大尺寸夹杂可能是由水口结瘤物剥落造成 关键词轴承钢：夹杂物：水口结瘤 分类号T℉703.5 Analysis on inclusions in bearing steels YANG Wen',ZHANG Li-feng,HU Yu-xin2》,FAN Fu-hua》,lGuo-guang》 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)ChengdeJianlong Iron and Steel Co.Ltd.,Chengde 067201,China Corresponding author,E-mail:zhanglifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT Inclusions in hot rolled sheet of bearing steel and blockage in clogged submerged entry nozzle(SEN)were analyzed u- sing scanning electron microscopy (SEM).It is found that the inclusions in hot rolled sheet are mainly TiN,Mgo-Al2O,MnS,and a little CaS,most of them are smaller than 20 um.Besides,some large inclusions of Mgo.Al,O,and Al,O,and the associated cracks are observed.By the detection on clogged nozzle,it is shown that the blockage is mainly Mgo.Al2O,spinel inclusions as well as some MgO-Al,O,CaO system inclusions and solidified steel.The composition of blockage is consistent with that of inclusions in steel,thus it is indicated that the nozzle clogging is caused by the gathering and precipitation of solid oxide inclusions in molten steel on SEN dur- ing the continuous casting process.A possible reason for the existence of large inclusions in sheet may be the drop of blockage during casting. KEY WORDS bearing steel;non-metallic inclusion:nozzle clogging 滚动轴承的早期失效形式，主要有破裂、塑性变 轴承钢中夹杂物控制是冶金科研工作者非常关 形、磨损、腐蚀和疲劳.轴承零件的失效除了服役条 心的问题，目前常用检验标准中把钢中夹杂物分为 件之外，主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀 A(硫化物)、B(氧化铝)、C(硅酸盐)和D(球状不变 性和内应力状态制约.钢中的杂质包括非金属夹杂 形夹杂物)，各类夹杂对轴承寿命的危害性按大小 物和有害元素含量，它们对钢性能的危害往往是相 可以排成D→B→C→A的次序.对夹杂物形态来 互助长的，随着夹杂物尺寸的增大，疲劳强度随之降 说，球状不变形夹杂对轴承寿命危害极大，钙铝酸盐 低，而且钢的抗拉强度越高，降低趋势加大.钢中含 夹杂物是其中的主要类型之一，夹杂的尺寸对轴承 氧量增高（氧化物夹杂增多），弯曲疲劳和接触疲劳 疲劳极限的影响极为明显，尺寸愈大，疲劳寿命愈 寿命在高应力作用下也随之降低 短.关于轴承钢中钙铝酸盐的研究报道不少.文献 收稿日期：2013-10-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274034) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.034:http://jourals.ustb.edu.cn

第 36 卷 增刊 1 2014 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 Suppl． 1 Apr． 2014 轴承钢中夹杂物分析 杨 文1) ，张立峰1) ，胡育新2) ，范富华2) ，李国光2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 承德建龙钢铁有限公司，承德 067201 通信作者，E-mail: zhanglifeng@ ustb． edu． cn 摘 要 对轴承钢热轧板中的夹杂物以及浇铸过程结晶器浸入式水口上的结瘤物进行了电镜检测． 发现轧板试样中夹杂物 类型主要是 TiN、MgO·Al2O3和 MnS 以及少量的 CaS，尺寸大多在 20 μm 以内，除此之外，还观察到一些大尺寸 MgO·Al2O3 和 Al2O3 夹杂物及其伴生的裂纹． 通过对水口结瘤物的检验分析，发现结瘤物主要以 MgO·Al2O3 尖晶石类夹杂物为主，还有少 量的 MgO--Al2O3 --CaO 系夹杂物，此外还含有部分凝钢． 结瘤物成分与钢水中氧化物夹杂一致，因此推测水口结瘤产生原因 为钢液中的固态氧化物夹杂在浇注过程中在水口上的聚集沉淀，轧板中大尺寸夹杂可能是由水口结瘤物剥落造成． 关键词 轴承钢; 夹杂物; 水口结瘤 分类号 TF703. 5 Analysis on inclusions in bearing steels YANG Wen1) ，ZHANG Li-feng1)  ，HU Yu-xin2) ，FAN Fu-hua2) ，LI Guo-guang2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) ChengdeJianlong Iron and Steel Co． Ltd． ，Chengde 067201，China Corresponding author，E-mail: zhanglifeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT Inclusions in hot rolled sheet of bearing steel and blockage in clogged submerged entry nozzle ( SEN) were analyzed u￾sing scanning electron microscopy ( SEM) ． It is found that the inclusions in hot rolled sheet are mainly TiN，MgO·Al2O3，MnS，and a little CaS，most of them are smaller than 20 μm． Besides，some large inclusions of MgO·Al2O3 and Al2O3 and the associated cracks are observed． By the detection on clogged nozzle，it is shown that the blockage is mainly MgO·Al2O3 spinel inclusions as well as some MgO-Al2O3-CaO system inclusions and solidified steel． The composition of blockage is consistent with that of inclusions in steel，thus it is indicated that the nozzle clogging is caused by the gathering and precipitation of solid oxide inclusions in molten steel on SEN dur￾ing the continuous casting process． A possible reason for the existence of large inclusions in sheet may be the drop of blockage during casting． KEY WOＲDS bearing steel; non-metallic inclusion; nozzle clogging 收稿日期: 2013--10--25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274034) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． s1． 034; http: / /journals． ustb． edu． cn 滚动轴承的早期失效形式，主要有破裂、塑性变 形、磨损、腐蚀和疲劳． 轴承零件的失效除了服役条 件之外，主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀 性和内应力状态制约． 钢中的杂质包括非金属夹杂 物和有害元素含量，它们对钢性能的危害往往是相 互助长的，随着夹杂物尺寸的增大，疲劳强度随之降 低，而且钢的抗拉强度越高，降低趋势加大． 钢中含 氧量增高( 氧化物夹杂增多) ，弯曲疲劳和接触疲劳 寿命在高应力作用下也随之降低． 轴承钢中夹杂物控制是冶金科研工作者非常关 心的问题，目前常用检验标准中把钢中夹杂物分为 A( 硫化物) 、B( 氧化铝) 、C( 硅酸盐) 和 D( 球状不变 形夹杂物) ，各类夹杂对轴承寿命的危害性按大小 可以排成 D→B→C→A 的次序． 对夹杂物形态来 说，球状不变形夹杂对轴承寿命危害极大，钙铝酸盐 夹杂物是其中的主要类型之一，夹杂的尺寸对轴承 疲劳极限的影响极为明显，尺寸愈大，疲劳寿命愈 短． 关于轴承钢中钙铝酸盐的研究报道不少． 文献

增刊1 杨文等：轴承钢中夹杂物分析 ·183· 指出，钙铝酸盐夹杂物的生成自由焓变化（△G)在炼 镶方法是在常温下进行的，而且无需像热镶方法那 钢温度下都是负值，在高碱度精炼渣生产的轴承钢 样对试样进行压制，所以能够避免对试样进行破坏 中，总能找到钙铝酸盐和镁铝尖晶石夹杂，控制 损伤.另外，再取一部分水口堵塞物研磨成粉末后 [Ca]、[O]含量，对控制钙铝酸盐夹杂物的形成和 采用荧光分析方法分析其平均成分， 成分转变有重要意义-习.轴承钢钢中的TN是一 2实验结果与分析 种脆而硬的夹杂物，对轴承钢的疲劳寿命造成极大 危害B-.在夹杂物尺寸相同的条件下，其危害作用 2.1轧板夹杂物分析 大于氧化物夹杂.控制钢中TN夹杂物是高品质 表1为轧板钢样1中夹杂物成分分析结果，图 轴承钢的基本要求之一.在凝固过程中钢中T或N 1为对应的钢样1夹杂物电镜观察结果.可见钢样 的含量越高，TN夹杂物开始析出温度就越高，析出 1中的夹杂物主要有三类：被轧制成长条状的MnS 物的尺寸就越大 夹杂，带棱角的TiN夹杂，和近球状不变形的MgO· 本文对轴承钢热轧板中的夹杂物以及浇铸过程 Al,0夹杂，此外还有少量附着生成的CaS.此试样 结晶器浸入式水口上的结瘤物进行了电镜观察，以 中除了观察到几个20μm左右的夹杂物，未观察到 期对轴承钢中的夹杂物类型有一个更深的了解. 其他很大尺寸夹杂物.值得注意的是图中(14)所示 的夹杂物，表现为MnS包裹高氧化铝含量的MgO· 1 研究方法 A山，0，夹杂物形态，这种夹杂物不仅可以减轻脆性 切取两炉轧板试样，分别沿纵截面研磨抛光后 夹杂物对疲劳性能的危害，而且可以避免产生大尺 利用扫描电镜和能谱分析仪检测分析轧板中夹杂物 寸MnS夹杂物. 的形貌和成分. 表2为轧板钢样2中夹杂物成分分析结果，图 对浸入式水口堵塞物，剥取一部分保持原貌采 2为对应的钢样2夹杂物电镜观察结果.可以看到 用冷镶方法制作成镶嵌试样，在喷碳后利用扫描电 钢样2中的夹杂物类型与钢样1基本一样，为TN 镜和能谱分析仪进行形貌观察和成分检测.由于冷 类、MnS类和MgO·AL,O,以及CaS类.其中检测到 表1钢样1中夹杂物成分（质量分数） Table 1 Compositions of inclusions in sample I % 编号 MgO Al203 Ca0 Cas MnS S02 TiN (1) 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 (2) 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 (3) 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 (4) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (5) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (6) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (7) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (8) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (9)-1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (9)-2 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 (10)- 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (10)-2 0.00 0.00 0.00 0.00 100.0 0.00 0.00 (11)-1 9.56 59.07 0.00 31.37 0.00 0.00 0.00 (11)-2 0.00 29.78 0.00 70.22 0.00 0.00 0.00 (12) 10.50 71.31 12.09 3.29 0.00 2.81 0.00 (13) 18.19 81.81 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 (14)-1 4.99 77.04 0.00 0.00 17.97 0.00 0.00 (14)-2 0.00 0.00 0.00 3.33 96.67 0.00 0.00 (15)-1 19.22 80.78 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 (15)-2 23.56 76.44 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 (15)-3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100

增刊 1 杨 文等: 轴承钢中夹杂物分析 指出，钙铝酸盐夹杂物的生成自由焓变化( ΔG) 在炼 钢温度下都是负值，在高碱度精炼渣生产的轴承钢 中，总能找到钙铝酸盐和镁铝尖晶石夹杂，控 制 ［Ca］、［O］含量，对控制钙铝酸盐夹杂物的形成和 成分转变有重要意义［1--2］． 轴承钢钢中的 TiN 是一 种脆而硬的夹杂物，对轴承钢的疲劳寿命造成极大 危害［3--4］． 在夹杂物尺寸相同的条件下，其危害作用 大于氧化物夹杂［5］． 控制钢中 TiN 夹杂物是高品质 轴承钢的基本要求之一． 在凝固过程中钢中 Ti 或 N 的含量越高，TiN 夹杂物开始析出温度就越高，析出 物的尺寸就越大． 本文对轴承钢热轧板中的夹杂物以及浇铸过程 结晶器浸入式水口上的结瘤物进行了电镜观察，以 期对轴承钢中的夹杂物类型有一个更深的了解． 1 研究方法 切取两炉轧板试样，分别沿纵截面研磨抛光后 利用扫描电镜和能谱分析仪检测分析轧板中夹杂物 的形貌和成分． 对浸入式水口堵塞物，剥取一部分保持原貌采 用冷镶方法制作成镶嵌试样，在喷碳后利用扫描电 镜和能谱分析仪进行形貌观察和成分检测． 由于冷 镶方法是在常温下进行的，而且无需像热镶方法那 样对试样进行压制，所以能够避免对试样进行破坏 损伤． 另外，再取一部分水口堵塞物研磨成粉末后 采用荧光分析方法分析其平均成分． 2 实验结果与分析 2. 1 轧板夹杂物分析 表 1 为轧板钢样 1 中夹杂物成分分析结果，图 1 为对应的钢样 1 夹杂物电镜观察结果． 可见钢样 1 中的夹杂物主要有三类: 被轧制成长条状的 MnS 夹杂，带棱角的 TiN 夹杂，和近球状不变形的 MgO· Al2O3 夹杂，此外还有少量附着生成的 CaS． 此试样 中除了观察到几个 20 μm 左右的夹杂物，未观察到 其他很大尺寸夹杂物． 值得注意的是图中( 14) 所示 的夹杂物，表现为 MnS 包裹高氧化铝含量的 MgO· Al2O3 夹杂物形态，这种夹杂物不仅可以减轻脆性 夹杂物对疲劳性能的危害，而且可以避免产生大尺 寸 MnS 夹杂物． 表 2 为轧板钢样 2 中夹杂物成分分析结果，图 2 为对应的钢样 2 夹杂物电镜观察结果． 可以看到 钢样 2 中的夹杂物类型与钢样 1 基本一样，为 TiN 类、MnS 类和 MgO·Al2O3，以及 CaS 类． 其中检测到 表 1 钢样 1 中夹杂物成分( 质量分数) Table 1 Compositions of inclusions in sample 1 % 编号 MgO Al2O3 CaO CaS MnS SiO2 TiN ( 1) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 2) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 3) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 4) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 5) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 6) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 7) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 8) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 9) --1 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 9) --2 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 10) --1 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 10) --2 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100. 0 0. 00 0. 00 ( 11) --1 9. 56 59. 07 0. 00 31. 37 0. 00 0. 00 0. 00 ( 11) --2 0. 00 29. 78 0. 00 70. 22 0. 00 0. 00 0. 00 ( 12) 10. 50 71. 31 12. 09 3. 29 0. 00 2. 81 0. 00 ( 13) 18. 19 81. 81 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 14) --1 4. 99 77. 04 0. 00 0. 00 17. 97 0. 00 0. 00 ( 14) --2 0. 00 0. 00 0. 00 3. 33 96. 67 0. 00 0. 00 ( 15) --1 19. 22 80. 78 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 15) --2 23. 56 76. 44 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 15) --3 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ·183·

·184 北京科技大学学报 第36卷 1 (2) 4) 20 5H 5) (6) (7 (8) 10m 10m 9 (10) (11) (12) ⊙ 50m 20m 20m (13) (14) (15)← 图1对应表1中钢样1的夹杂物形貌 Fig.1 Morphologies of inclusions in sample I corresponding to Table 1 表2钢样2中夹杂物成分（质量分数） Table 2 Compositions of inclusions in sample 2 % Mgo Al203 Ca0 CaS MnS SiO2 TiN (1) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (2)-1 13.46 72.03 2.55 11.96 0.00 0.00 0.00 (2)-2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (3) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (4) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (5) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (6) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (6) 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100 (7) 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 (8) 0.00 0 00 0.00 .00 100 0.00 0.00 (9 11.03 56.90 4. 2 23.40 0.00 4.56 0.00 (10)-1 25.73 61.42 0.00 12.85 0.00 0.00 0.00 (10)-2 14.44 57.99 0.00 18.59 8.98 0.00 0.00 (11) 0.00 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 (12)-1 0.00 1.39 1.19 93.97 3.45 0.00 0.00 (12) -2 25.43 73.84 0.73 0.00 0.00 0.00 0.00 (13) 0.00 0.00 0.00 100 0.00 0.00 0.00 (14) 10.69 58.84 0.13 24.45 89 0.00 0.00 (15)-1 0.00 0.00 0.00 0.00 34. 0.00 65.41 (15)-2 6.60 45. 0 0.00 0.00 0.00 0.00 48.00 (16) 9.22 48.83 0.00 18.41 23 54 0.00 0.00 (17) 6.49 0.00 0.00 68.52 24.99 0.00 0.00 (18)-1 24.99 75.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 (18)-2 10.20 89. 0.00 0.00 0 00 0.00 0.00 (19)-1 25.33 43.30 0.00 0.00 0.00 31.37 0.00 (19)-2 4.81 90.41 4.78 0.00 0.00 0.00 0.00 (20)-1 38.37 7.83 0.00 0.00 0.00 53.80 0.00 (20)-2 22.09 62.81 0.00 0.00 0.00 15.10 0.00 (21)-1 60.57 0.00 0.00 0.00 0.00 39.43 0.00 (21)-2 0.00 100 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 (22) 20.29 79.71 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 1 对应表 1 中钢样 1 的夹杂物形貌 Fig． 1 Morphologies of inclusions in sample 1 corresponding to Table 1 表 2 钢样 2 中夹杂物成分( 质量分数) Table 2 Compositions of inclusions in sample 2 % MgO Al2O3 CaO CaS MnS SiO2 TiN ( 1) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 2) --1 13. 46 72. 03 2. 55 11. 96 0. 00 0. 00 0. 00 ( 2) --2 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 3) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 4) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 5) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 6) --1 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 6) --2 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 7) --1 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 ( 7) --2 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 8) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 9) 11. 03 56. 90 4. 12 23. 40 0. 00 4. 56 0. 00 ( 10) --1 25. 73 61. 42 0. 00 12. 85 0. 00 0. 00 0. 00 ( 10) --2 14. 44 57. 99 0. 00 18. 59 8. 98 0. 00 0. 00 ( 11) 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 ( 12) --1 0. 00 1. 39 1. 19 93. 97 3. 45 0. 00 0. 00 ( 12) --2 25. 43 73. 84 0. 73 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 13) 0. 00 0. 00 0. 00 100 0. 00 0. 00 0. 00 ( 14) 10. 69 58. 84 0. 13 24. 45 5. 89 0. 00 0. 00 ( 15) --1 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 34. 59 0. 00 65. 41 ( 15) --2 6. 60 45. 40 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 48. 00 ( 16) 9. 22 48. 83 0. 00 18. 41 23. 54 0. 00 0. 00 ( 17) 6. 49 0. 00 0. 00 68. 52 24. 99 0. 00 0. 00 ( 18) --1 24. 99 75. 01 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 18) --2 10. 20 89. 80 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 19) --1 25. 33 43. 30 0. 00 0. 00 0. 00 31. 37 0. 00 ( 19) --2 4. 81 90. 41 4. 78 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 20) --1 38. 37 7. 83 0. 00 0. 00 0. 00 53. 80 0. 00 ( 20) --2 22. 09 62. 81 0. 00 0. 00 0. 00 15. 10 0. 00 ( 21) --1 60. 57 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 39. 43 0. 00 ( 21) --2 0. 00 100 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ( 22) 20. 29 79. 71 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 ·184·

增刊1 杨文等：轴承钢中夹杂物分析 ·185· (1) (4) 10 um 103四 (8 10m 20m 2m (9) (10) 1D 12 10m 10 6H (13) (14 (15 (16 6 2 2pm (17 (18) 19 20) 20w 20n 2 2 22 (23) 10 100m 图2对应表2中钢样2的夹杂物形貌 Fig.2 Morphologies of inclusions in sample I corresponding to Table 2 由MgO·Al2O3和CaS组成的链状长条夹杂物，在节 大尺寸夹杂物及其伴生的裂纹（有些甚至达到毫米 点处主要是高熔点的Mg0·Al,O3和CaS夹杂，如图 尺度)，这些直接导致探伤不合的发生，增加了产品 2(12)~(15)所示. 的废品率，应该杜绝.而对尺寸如此之大，且从成分 除此之外，还在钢样2中观察到大尺寸长条夹 上看主要是Mg0·AL,03和A山，03类的夹杂物，推测 杂物及裂纹，如图2(23)及图3所示，尺寸在几百微 其产生的可能原因之一是水口结瘤物剥落.因此接 米以上，甚至达到毫米尺度.大尺寸夹杂物的局部 下来，对结晶器浸入式水口结瘤物进行扫描电镜检 面扫描结果如图4所示，可见主要是A山203基夹杂 测分析. 物，此外还含有部分Mg0·A山O3夹杂.这类夹杂物 2.2水口结瘤物分析 熔点高、硬度大，在轧制温度下无法变形，使得钢材 图5为在电镜下观察到的水口结瘤物形貌.可 在夹杂物处产生裂纹. 见，水口结瘤物是由不同形貌的夹杂物聚集而成，包 由以上的检测分析可见，两轧板试样中夹杂物 括多面体夹杂、棒状夹杂以及片状夹杂，其中以2~ 类型主要是TiN、MnS和MgO·Al,O,以及少量的 5um的多面体夹杂物为主.图中最后一个图片呈 CaS,尺寸大多在20um以内，其中TiN和尖晶石类 现了典型的夹杂物聚合形貌，八面体Mg0·A山，O3夹 夹杂物硬度很高，不易变形，对轴承钢性能更为有 杂物一个挨着一个地排列. 害，应该进一步加以控制.除此之外，还观察到一些 对不同结瘤物进行能谱分析，部分结果分别如

增刊 1 杨 文等: 轴承钢中夹杂物分析 图 2 对应表 2 中钢样 2 的夹杂物形貌 Fig． 2 Morphologies of inclusions in sample 1 corresponding to Table 2 由 MgO·Al2O3 和 CaS 组成的链状长条夹杂物，在节 点处主要是高熔点的 MgO·Al2O3 和 CaS 夹杂，如图 2( 12) ～ ( 15) 所示． 除此之外，还在钢样 2 中观察到大尺寸长条夹 杂物及裂纹，如图 2( 23) 及图 3 所示，尺寸在几百微 米以上，甚至达到毫米尺度． 大尺寸夹杂物的局部 面扫描结果如图 4 所示，可见主要是 Al2O3 基夹杂 物，此外还含有部分 MgO·Al2O3 夹杂． 这类夹杂物 熔点高、硬度大，在轧制温度下无法变形，使得钢材 在夹杂物处产生裂纹． 由以上的检测分析可见，两轧板试样中夹杂物 类型主要是 TiN、MnS 和 MgO·Al2O3 以及少量的 CaS，尺寸大多在 20 μm 以内，其中 TiN 和尖晶石类 夹杂物硬度很高，不易变形，对轴承钢性能更为有 害，应该进一步加以控制． 除此之外，还观察到一些 大尺寸夹杂物及其伴生的裂纹( 有些甚至达到毫米 尺度) ，这些直接导致探伤不合的发生，增加了产品 的废品率，应该杜绝． 而对尺寸如此之大，且从成分 上看主要是 MgO·Al2O3 和 Al2O3 类的夹杂物，推测 其产生的可能原因之一是水口结瘤物剥落． 因此接 下来，对结晶器浸入式水口结瘤物进行扫描电镜检 测分析． 2. 2 水口结瘤物分析 图 5 为在电镜下观察到的水口结瘤物形貌． 可 见，水口结瘤物是由不同形貌的夹杂物聚集而成，包 括多面体夹杂、棒状夹杂以及片状夹杂，其中以 2 ～ 5 μm 的多面体夹杂物为主． 图中最后一个图片呈 现了典型的夹杂物聚合形貌，八面体 MgO·Al2O3 夹 杂物一个挨着一个地排列． 对不同结瘤物进行能谱分析，部分结果分别如 ·185·

·186 北京科技大学学报 第36卷 3050m 1255SE1 ×35e50um 1155sE1 图3钢样2中观察到的大尺寸夹杂物形貌 Fig.3 Morphologies of large size inclusions in sample 2 S-KA Mg-K S-KA Mg-K 图4大尺寸夹杂物局部面扫描结果 Fig.4 Partial element mapping of large size inclusions in sample 2 图6~7所示.分析可知，结瘤物绝大部分为Mg0· 夹杂在浇注过程中在水口上的聚集沉淀. AL,03,此外还有少部分Mg0-AL,03-Ca0系夹杂 钢包、中间包钢水中的夹杂物比较小(10μm以 物.将水口结瘤物研磨成细粉后通过荧光分析来检 下)，这些夹杂物如果出现在铸坯中害处并不大.但 测其平均成分，如表3所示，结瘤物成分以A山203为 如果在水口大量结瘤而后脱落为很大的夹杂物 主，含有少量的Ca0和Mg0,其中检测到的Fe2O3 (100m以上)，则必然引起产品缺陷.一般研究认 可能是结瘤物中的凝钢被氧化而成. 为，夹杂物堆积在水口上，形成结瘤物会给钢产品质 通过对水口结瘤物的检验分析，水口结瘤物主 量带来许多影响： 要以Mg0·A山，03尖晶石类夹杂物为主，还有少量的 (1)影响结晶器内钢液的流动模式和流场： Mg0-Al,03-Ca0系夹杂物，此外还含有部分凝钢. (2)影响钢液中夹杂物的上浮； 从结瘤物成分看，其与钢水中内生的脱氧产物一致， (3)引起结晶器液面的严重波动； 因此推测水口结瘤产生原因为钢液中的固态氧化物 (4)影响铸坯的内部质量，特别是当结瘤物受

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 钢样 2 中观察到的大尺寸夹杂物形貌 Fig． 3 Morphologies of large size inclusions in sample 2 图 4 大尺寸夹杂物局部面扫描结果 Fig． 4 Partial element mapping of large size inclusions in sample 2 图 6 ～ 7 所示． 分析可知，结瘤物绝大部分为 MgO· Al2O3，此外还有少部分 MgO--Al2O3 --CaO 系 夹 杂 物． 将水口结瘤物研磨成细粉后通过荧光分析来检 测其平均成分，如表 3 所示，结瘤物成分以 Al2O3 为 主，含有少量的 CaO 和 MgO，其中检测到的 Fe2O3 可能是结瘤物中的凝钢被氧化而成． 通过对水口结瘤物的检验分析，水口结瘤物主 要以 MgO·Al2O3 尖晶石类夹杂物为主，还有少量的 MgO--Al2O3 --CaO 系夹杂物，此外还含有部分凝钢． 从结瘤物成分看，其与钢水中内生的脱氧产物一致， 因此推测水口结瘤产生原因为钢液中的固态氧化物 夹杂在浇注过程中在水口上的聚集沉淀． 钢包、中间包钢水中的夹杂物比较小( 10 μm 以 下) ，这些夹杂物如果出现在铸坯中害处并不大． 但 如果在水口大量结瘤而后脱落为很大的夹杂物 ( 100 μm 以上) ，则必然引起产品缺陷． 一般研究认 为，夹杂物堆积在水口上，形成结瘤物会给钢产品质 量带来许多影响: ( 1) 影响结晶器内钢液的流动模式和流场; ( 2) 影响钢液中夹杂物的上浮; ( 3) 引起结晶器液面的严重波动; ( 4) 影响铸坯的内部质量，特别是当结瘤物受 ·186·

增刊1 杨文等：轴承钢中夹杂物分析 ·187· 50 um 10 um 10m I0μm 图5水口结瘤物形貌 Fig.5 Morphologies of clogging materials at the submerged entry nozzle 45 4.0 35 Mg0:10.571% 3.0 AL,0:74.30w1% 25 Ca0:15.13w1% 2.0 0 15 1.0 Fe 8 10 12 16 能量eV 图6结瘤物中Mg一AlCa-0系夹杂物能谱分析 Fig.6 Energy dispersive spectrum of Mg-Al-Ca-0 inclusion clogging materials at the submerged entry nozzle 钢液冲刷后掉入凝固的铸坯中，形成较大的夹杂； 很高，不易变形，对轴承钢性能更为有害，应该进一 (5)影响保护渣的的成分，增大保护渣的粘度， 步加以控制.除此之外，还观察到一些大尺寸夹杂 甚至导致由于结晶器弯月面渣粘度过大，铸坯纵向 物及其伴生的裂纹，有些甚至达到毫米尺度，从成分 裂纹； 上看这些夹杂物主要是Mg0·Al,03和A山203. (6)一旦结瘤形成、长大，水口寿命就会大大降 通过对水口结瘤物的检验分析，发现结瘤物主 低，必须更换新水口，这就增加了吨钢成本. 要以Mg0·A山203尖晶石类夹杂物为主，还有少量的 3结论 Mg0-AL,0,Ca0系夹杂物，此外还含有部分凝钢. 从结瘤物成分看，其与钢水中内生的脱氧产物一致， 对轴承钢轧板夹杂物和浇铸浸入式水口结瘤物 因此推测水口结瘤产生原因为钢液中的固态氧化物 进行了检测分析，发现轧板试样中夹杂物类型主要 夹杂在浇注过程中在水口上的聚集沉淀.而轧板中 是TiN、MgO·AL,O3和MnS以及少量的CaS,尺寸大 大尺寸夹杂产生的可能原因之一是水口结瘤物 多在20m以内，其中TiN和尖晶石类夹杂物硬度 剥落

增刊 1 杨 文等: 轴承钢中夹杂物分析 图 5 水口结瘤物形貌 Fig． 5 Morphologies of clogging materials at the submerged entry nozzle 图 6 结瘤物中 Mg--Al--Ca--O 系夹杂物能谱分析 Fig． 6 Energy dispersive spectrum of Mg-Al-Ca-O inclusion clogging materials at the submerged entry nozzle 钢液冲刷后掉入凝固的铸坯中，形成较大的夹杂; ( 5) 影响保护渣的的成分，增大保护渣的粘度， 甚至导致由于结晶器弯月面渣粘度过大，铸坯纵向 裂纹; ( 6) 一旦结瘤形成、长大，水口寿命就会大大降 低，必须更换新水口，这就增加了吨钢成本． 3 结论 对轴承钢轧板夹杂物和浇铸浸入式水口结瘤物 进行了检测分析，发现轧板试样中夹杂物类型主要 是 TiN、MgO·Al2O3 和 MnS 以及少量的 CaS，尺寸大 多在 20 μm 以内，其中 TiN 和尖晶石类夹杂物硬度 很高，不易变形，对轴承钢性能更为有害，应该进一 步加以控制． 除此之外，还观察到一些大尺寸夹杂 物及其伴生的裂纹，有些甚至达到毫米尺度，从成分 上看这些夹杂物主要是 MgO·Al2O3 和 Al2O3 ． 通过对水口结瘤物的检验分析，发现结瘤物主 要以 MgO·Al2O3 尖晶石类夹杂物为主，还有少量的 MgO--Al2O3 --CaO 系夹杂物，此外还含有部分凝钢． 从结瘤物成分看，其与钢水中内生的脱氧产物一致， 因此推测水口结瘤产生原因为钢液中的固态氧化物 夹杂在浇注过程中在水口上的聚集沉淀． 而轧板中 大尺寸夹杂产生的可能原因之一是水口结瘤物 剥落． ·187·

·188 北京科技大学学报 第36卷 4.5f 4.0 3.5 3.0 Mg0:24.34wt% Mg 0 Al0,:75.66wt% 爱20 5 1.0 05 Fe 10 14 能量eV 图7结瘤物中Mg一A0系夹杂物能谱分析 Fig.7 Energy dispersive spectrum of Mg-Al-0 inclusion clogging materials at the submerged entry nozzle 表3水口结瘤物荧光分析结果（质量分数） Table 3 Flourescence analysis of clogging materials at the submerged entry nozzle % 成分 Al203 Fe203 Mgo Ca0 Ba0 SiO2 Cr203 F TiO2 MnO 含量 61.44 23.05 6.16 5.07 1.07 1.03 0.62 0.48 0.26 0.22 参考文献 论.特殊钢，2003(1)：33) [Yang N Z,Zhu L.Thermodynamic analysis on formation and B] Yu M Q,Wang Z Z.Xu M H.Refining process of super-elean transformation of globular inclusions in CaSi treated bearing steel. bearing steel.Iron Steel,2006,41(9):26 Iron Steel,1988,23(3):42 (虞明全，王治政，徐明华，等.超纯轴承钢的精炼工艺.钢 (杨念祖，朱良.轴承钢钙处理时点状夹杂物生成及转变的 铁，2006,41(9)：26) 热力学分析.钢铁，1988,23(3)：42) 4]Toshikazu U.Production of high carbon chromium steel in vertical Wang ZY,Han J H,Wang C H.An analysis and discussion on type continuous caster.Trans Iron Steel Inst Jpn,1986,26(7): steelmaking process for GCr15 bearing steel.Special Steel,2003 614 (1):33 5]Yang J C.Cleanness and fatigue life of bearing steels//Proceed- (王忠英，韩建淮，王重海.GC15轴承钢治炼工艺分析和讨 ings of 32th Clean Steel Conference.Hungary.198:210

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 7 结瘤物中 Mg--Al--O 系夹杂物能谱分析 Fig． 7 Energy dispersive spectrum of Mg-Al-O inclusion clogging materials at the submerged entry nozzle 表 3 水口结瘤物荧光分析结果( 质量分数) Table 3 Flourescence analysis of clogging materials at the submerged entry nozzle % 成分 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO BaO SiO2 Cr2O3 F TiO2 MnO 含量 61. 44 23. 05 6. 16 5. 07 1. 07 1. 03 0. 62 0. 48 0. 26 0. 22 参 考 文 献 ［1］ Yang N Z，Zhu L． Thermodynamic analysis on formation and transformation of globular inclusions in CaSi treated bearing steel． Iron Steel，1988，23( 3) : 42 ( 杨念祖，朱良． 轴承钢钙处理时点状夹杂物生成及转变的 热力学分析． 钢铁，1988，23( 3) : 42) ［2］ Wang Z Y，Han J H，Wang C H． An analysis and discussion on steelmaking process for GCr15 bearing steel． Special Steel，2003 ( 1) : 33 ( 王忠英，韩建淮，王重海． GCr15 轴承钢冶炼工艺分析和讨 论． 特殊钢，2003( 1) : 33) ［3］ Yu M Q，Wang Z Z，Xu M H． Ｒefining process of super-clean bearing steel． Iron Steel，2006，41( 9) : 26 ( 虞明全，王治政，徐明华，等． 超纯轴承钢的精炼工艺． 钢 铁，2006，41( 9) : 26) ［4］ Toshikazu U． Production of high carbon chromium steel in vertical type continuous caster． Trans Iron Steel Inst Jpn，1986，26( 7) : 614 ［5］ Yang J C． Cleanness and fatigue life of bearing steels/ /Proceed￾ings of 32th Clean Steel Conference． Hungary，1986: 210 ·188·