·764· 工程科学学报，第41卷，第6期 clusions decreases with increasing content of rare earth.When the content of rare earth is similar,increasing the magnesium content in steel is beneficial to the removal of large particle inclusions.The interaction of rare earth and magnesium further promotes the refinement of inclusions KEY WORDS bearing steel;rare earth:magnesium:inclusions:clean stee 洁净钢对非金属夹杂物的尺寸、形态和数量都 GCl5轴承钢为研究对象，通过向其中添加适量的 有着非常严格的要求口，尤其是夹杂物的分布和 稀土、镁，观察并分析其对夹杂物尺寸、分布、形貌及 尺寸.研究表明，钢中夹杂物的尺寸存在一个临界 组成的影响规律 值，小于临界值时疲劳裂纹将不从夹杂物处产 生-)，因此，控制钢中的夹杂物关键在于控制夹 1 实验 杂物的尺寸.随着现代治金技术的进步，特别是炉 1.1实验材料 外精炼的发展，大大降低了钢中的夹杂物数量，比 实验材料为工业纯铁、金属铬、金属锰、金属硅、 如轴承钢，经过LF+RH炉外精炼处理后，钢中的 增碳剂(C质量分数(C)>99%)等.由于镁的蒸 全氧质量分数可以达到5×106，甚至更低.尽管 气压很高，在炼钢温度下极易汽化，镁的收得率很 大颗粒的夹杂物绝大多数都可以被去除，然而仍 低，很难加入钢中，并且在加入过程中钢水喷溅十分 然有一些大颗粒夹杂物存在钢中，尽管其总量很 严重，安全性很差，故采用含镁30%的镍镁合金进 少四，但这些大颗粒的夹杂物有可能对最终产品 行添加.采用的稀土成分为：w(Ce)+w(La)≥ 造成灾难性的后果. 99%,其中Ce/La质量比≥0.48. 研究己表明，采用镁处理可提高钢的洁净度， 1.2实验过程 有利于大颗粒夹杂物的去除.王昊等的对H13模 以刚玉坩埚盛装工业纯铁，外套石墨坩埚保护 具钢进行镁处理时发现，经过镁处理后，钢中的夹 放入井式高温炉中进行熔化，通入质量分数为 杂物由Al,03转变为Mg0·A山203,1μm左右的夹 99.9%的氩气进行气氛保护.纯铁熔化后，加入Si、 杂物增多，2um以上的夹杂物减少，随着镁含量的 Mn、Cr、C进行合金化，合金熔化完成后，采用不锈 升高，粒径的变化更明显.王德永等对Mg处理 钢箔(0.05mm厚)包裹镍镁合金，并捆绑于石英管 HR60时发现，经过镁处理后钢中夹杂物平均粒径 上直接插入钢液中.如果采用稀土、镁复合处理，则 减小，数量显著增多，尺寸小于2μm的夹杂物数 将稀土和镍镁合金混合，采用不锈钢箔包裹，再由石 量占60%以上，细小夹杂物在钢中呈弥散分布. 英管送入钢液中深处.静止2min后，将钢水连同坩 文献7-11]也发现采用含镁合金复合处理有利于 埚取出，放置冷却.实验装置简图如图1所示 夹杂物的细化 吹氯管 另外，稀土作为一种强脱氧元素，也逐渐应用在 夹杂物改性、去除上.Lu等园通过扫描电镜研究 了Ce对2Crl3不锈钢中夹杂物改性及其对冲击韧 性的影响，发现A山，O3和MS夹杂完全可以被 CezO,S和CeS取代，钢的冲击韧性明显提高.Liu 坩埚 等圆研究了稀土处理Q460NH耐候钢后，钢中的夹 金属熔体 杂物主要由Re0S和AlRe0S组成，且夹杂物 电阻炉 细小.杨吉春等研究了稀土Ce在超洁净F钢中 的作用，发现经过Ce处理后，钢中的AL,0,夹杂物 会转化为尺寸较小的球状CeAlO3夹杂物.宋明明 测温热电佣 等、习小军等、孙昊等团研究发现，钢中添加 图1实验装置简图 稀土后不仅可使夹杂物转化为细小球状，还会因此 Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus 提高钢的力学性能 1.3分析方法 以上文献表明，钢中添加微量的Mg或稀土均 化学成分检测：在钢样的侧部利用ARL直读光 有利于夹杂物的细化、改善钢的性能.然而稀土一镁 谱仪分析钢中C、Si、Mn、Cr等元素含量.由于钢样 复合处理对夹杂物的影响研究的较少.本文以 中稀土、镁含量较低，故稀土、Mg采用电感耦合等离工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 clusions decreases with increasing content of rare earth． When the content of rare earth is similar，increasing the magnesium content in steel is beneficial to the removal of large particle inclusions． The interaction of rare earth and magnesium further promotes the refinement of inclusions． KEY WOＲDS bearing steel; rare earth; magnesium; inclusions; clean steel 洁净钢对非金属夹杂物的尺寸、形态和数量都 有着非常严格的要求［1］，尤其是夹杂物的分布和 尺寸． 研究表明，钢中夹杂物的尺寸存在一个临界 值，小于临界值时疲劳裂纹将不从夹杂物处产 生［2--3］，因此，控制钢中的夹杂物关键在于控制夹 杂物的尺寸． 随着现代冶金技术的进步，特别是炉 外精炼的发展，大大降低了钢中的夹杂物数量，比 如轴承钢，经过 LF + ＲH 炉外精炼处理后，钢中的 全氧质量分数可以达到 5 × 10 － 6，甚至更低． 尽管 大颗粒的夹杂物绝大多数都可以被去除，然而仍 然有一些大颗粒夹杂物存在钢中，尽管其总量很 少［4］，但这些大颗粒的夹杂物有可能对最终产品 造成灾难性的后果． 研究已表明，采用镁处理可提高钢的洁净度， 有利于大颗粒夹杂物的去除． 王昊等［5］对 H13 模 具钢进行镁处理时发现，经过镁处理后，钢中的夹 杂物由 Al2O3 转变为 MgO·Al2O3，1 μm 左右的夹 杂物增多，2 μm 以上的夹杂物减少，随着镁含量的 升高，粒径的变化更明显． 王德永等［6］对 Mg 处理 HＲ60 时发现，经过镁处理后钢中夹杂物平均粒径 减小，数量显著增多，尺寸小于 2 μm 的夹杂物数 量占 60% 以上，细小夹杂物在钢中呈弥散分布． 文献［7--11］也发现采用含镁合金复合处理有利于 夹杂物的细化． 另外，稀土作为一种强脱氧元素，也逐渐应用在 夹杂物改性、去除上． Liu 等［12］通过扫描电镜研究 了 Ce 对 2Cr13 不锈钢中夹杂物改性及其对冲击韧 性的影 响，发 现 Al2O3 和 MnS 夹杂完全可以被 Ce2O2 S 和 CeS 取代，钢的冲击韧性明显提高． Liu 等［13］研究了稀土处理 Q460NH 耐候钢后，钢中的夹 杂物主要由 Ｒe--O--S 和 Al--Ｒe--O--S 组成，且夹杂物 细小． 杨吉春等［14］研究了稀土 Ce 在超洁净 IF 钢中 的作用，发现经过 Ce 处理后，钢中的 Al2O3 夹杂物 会转化为尺寸较小的球状 CeAlO3 夹杂物． 宋明明 等［15］、习小军等［16］、孙昊等［17］研究发现，钢中添加 稀土后不仅可使夹杂物转化为细小球状，还会因此 提高钢的力学性能． 以上文献表明，钢中添加微量的 Mg 或稀土均 有利于夹杂物的细化、改善钢的性能． 然而稀土--镁 复合处理对夹杂物的影响研究的较少． 本 文 以 GCr15 轴承钢为研究对象，通过向其中添加适量的 稀土、镁，观察并分析其对夹杂物尺寸、分布、形貌及 组成的影响规律． 1 实验 1. 1 实验材料 实验材料为工业纯铁、金属铬、金属锰、金属硅、 增碳剂( C 质量分数 w( C) ＞ 99% ) 等． 由于镁的蒸 气压很高，在炼钢温度下极易汽化，镁的收得率很 低，很难加入钢中，并且在加入过程中钢水喷溅十分 严重，安全性很差，故采用含镁 30% 的镍镁合金进 行添加． 采用的稀土 成 分 为: w ( Ce) + w ( La) ≥ 99% ，其中 Ce /La 质量比≥0. 48． 1. 2 实验过程 以刚玉坩埚盛装工业纯铁，外套石墨坩埚保护 放入井式高温炉中进行熔化，通入质量分数为 99. 9% 的氩气进行气氛保护． 纯铁熔化后，加入 Si、 Mn、Cr、C 进行合金化，合金熔化完成后，采用不锈 钢箔( 0. 05 mm 厚) 包裹镍镁合金，并捆绑于石英管 上直接插入钢液中． 如果采用稀土、镁复合处理，则 将稀土和镍镁合金混合，采用不锈钢箔包裹，再由石 英管送入钢液中深处． 静止 2 min 后，将钢水连同坩 埚取出，放置冷却． 实验装置简图如图 1 所示． 图 1 实验装置简图 Fig． 1 Schematic diagram of the experimental apparatus 1. 3 分析方法 化学成分检测: 在钢样的侧部利用 AＲL 直读光 谱仪分析钢中 C、Si、Mn、Cr 等元素含量． 由于钢样 中稀土、镁含量较低，故稀土、Mg 采用电感耦合等离 · 467 ·