微量镁对轴承钢质量的影响

    1  研究套餐及实践检验方法 

    实践检验在50 千克真空感应炉上进行，运作电压250-300V，频率2500 Hz，坩埚运用电熔镁砂打结，为了防止其他元素波动的影响，实践检验原材料为化学成分一模一样的GCrl5真空脱气钢返回料。每炉钢总装入量为27千克，装完料关炉盖，下一步迅速开泵抽真空至2.7 Pa；因为在高真空下冶炼高碳钢碳氧反应非常猛烈，因此为了防止钢水喷溅，送电30 分钟后开启向真空室充氩，炉内压力经过压力表和真空计显现，炉料完全熔清后精炼时间大于20 分钟，钢水温度、成分满足需求断电，待钢液面结膜，向炉中插金属镁，金属镁的成分Mg>99％，镍镁合金含 19．3％Mg。高功率送电搅拌平均，将钢液保持所需温度，一按时间(3-4 分钟)后出钢，直接浇注成 25千克圆锭，浇钢后钢锭在氩气气氛下保持5分钟出炉。钢锭退火剥皮切帽口后，经0.5t锻锤锻做成35 mm*35mm方材，切头切尾后取1.0m长试样。在完全一模一样的前提下进行球化退火，下一步在头、中、尾各自切取微观和宏观解析试样。 

    (1)化学成分

    用E983型光电直读光谱仪和CS344型碳硫联 合测定仪还有化学解析方法测定钢的化学成分，镁蕴含量用原子接收光谱法测定。 

    (2)气体蕴含量 

    LECORO—316型气体解析仪测定氧蕴含量和氮 蕴含量。 

    (3)碳化物和夹杂物的测定 

    用金相、电子探针还有电子显微镜等方法对夹 杂物和碳化物进行判定。 

    (4)相解析实践检验 

    试样取自35mm*35mm方材，加工成尺寸为 Φ10mm*l20mm相解析试样，用电解方法萃取钢中的碳化物相，并对所萃取的相进行X射线衍射判定解析。 

    (5)冲撞实践检验 

    将退火形态试样加工成U型冲撞试样毛坯，经 840±5℃，20分钟油淬，150～160℃回火3 h，淬回火处置后，试样经磨床加工至标准需求，在冲撞实践检验机上进行冲撞实践检验。用SEM查看冲撞试样的断裂，特征。 

    (6)拉伸实践检验 

    因轴承钢淬回火形态试样存在严重的缺口敏感性，没有办法进行淬回火形态试样拉伸实践检验。只进行了退火形态试样的拉伸实践检验。 

    2  实践检验结果 

    2．1  化学成分与镁收得率 

    化学成分解析结果列于表1。从表1可以看出，Mg的蒸发很严重，收得率很低，加金属镁时镁的收得率唯有0．76％～1．50％，加镍镁时镁的收得率为5．8％。因为加镁时钢液存在着各个程度的喷溅，伴随着气相压力的降低，喷溅严重，Mg的蒸发加剧，因此为了防止喷溅，在加镁早先必须向真空室中充氩。

    表1  化学成分         %

    Mg   C Mn Si P S Cr Ti Al

    0.0003 0.99 0.35 0.30 0.016 0.006 1.47 0.003 0.038

    0.0008 0.96 0.30 0.29 0.016 0.007 1.51 0.003 0.069

    0.0009 0.96 0.34 0.25 0.013 0.010 1.48 0.003 0.077

    0.0011 1.00 0.36 0.28 0.016 0.008 1.52 0.005 0.080

    0.0015 1.00 0.39 0.30 0.013 0.010 1.51 0.004 0.082

    0.0025 1.00 0.38 0.30 0.016 0.010 1.48 0.004 0.044

    0.0031 0.99 0.36 0.28 0.013 0.008 1.48 0.005 0.077

    2．2  镁蕴含量对轴承钢力学能力的影响 

    少量镁能改进轴承钢的能力，伴随着镁蕴含量的增强，其抗拉强度和屈服强度有所增强，塑性基本保持不改变，当镁蕴含量增强到0．0025％，其屈服强度有一比较高值，今后伴随着镁蕴含量的增强，屈服强度微有降低 

    2．3  镁对轴承钢球化退火组织和碳化物的影响 

    含镁轴承钢的球化退火组织均匀，碳化物颗粒微小，当镁蕴含量增强到0．0015％如上，其碳化物偏析明显改进，近乎不产生碳化物液析。 

    3  解析讨论 

    3．1  轴承钢中镁的掌控 

   因为镁的密度小，特别是在炼钢温度下的高蒸气压等要素给其加入还有加入后在钢中蕴含量的掌控方面引来了非常大的困难。真空感应过程当中镁的掌控紧要决定于气相的压力、钢液的温度、加镁方法等。实践检验结果表示，真空感应过程加金属镁时镁的收得率很低，唯有0．76％～1．50％，加镍镁合金镁的收得率比较高为5．8％，可是对轴承钢来讲，成分不包含镍，所以守则上不可以用NiMg合金加镁，此次仅仅仅仅仅仅为了做实践检验，研究镁的收得率。根据几炉钢的冶炼结果，在气相压力为59995Pa，钢液温度1550～1560℃，加镁后3分钟出钢，该直线的回归方程式为： 

    加金属镁  [Mg]＝0．00786Mg+0．0003    (1) 

    加镍镁  [Mg]＝0．058Mg+0．0003     (2) 

    真空前提下钢液中镁蕴含量的掌控由镁的蒸发速 度所决定，根据”双膜传质“理论，钢液中镁的蒸发动力学过程由以下次序构成： 

    (1)镁由钢液内部向液相边界层迁徙； 

    (2)镁在液相边界层中的扩散； 

    (3)在液气相界面发生蒸发反应； 

    (4)镁在气相边界层扩散； 

    (5)镁在气相中向冷凝壁迁徙； 

    (6)镁的冷凝。 

    在熔池内部存在着电磁搅拌等引起猛烈对流， 促使次序(1)不会成为限制环节，气相空间大，之中镁元素的分压相近于零，加之炉壁有水冷，故次序 (5)和(6)亦不会成为限制环节。可以以为，在向炉内充氩情况下，镁的蒸发不是受气相边界层传质掌控，而是受液相边界层扩散及界面蒸发反应融合掌控。 

    3．2  少量镁在轴承钢中的作用机理 

    众所周知，镁能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减少、排布均匀、形态改进等。中国国外学者已经是对其进行过深切研究，概括起来获得以下很多结果。一是镁的脱氧、脱硫作用降低了钢中氧、硫蕴含量，自然也就减少了氧化物、硫化物的数量；二是镁加入钢水后有蒸发气搅拌作用，改进了动力学前提，有助于夹杂物的上浮和排除；三是因为镁与氧硫的亲和力强，易转化为含镁的夹杂物，夹杂物成分的变换改变了夹杂物与钢液间的界面张力，有助于加快夹杂物的上浮，除此之外夹杂物成分的改变动易于使其堆积而上浮；四是钢液中的镁供应了更为均匀的形核位置而生成尺寸较小且均匀排布的夹杂物。可是对轴承钢而言，因为钢中的夹杂物非常少，氧蕴含量和硫蕴含量都较低，此次实践检验结果表示，镁对轴承钢中夹杂物的影响不明显。 

    含1．0％C、1. 5％Cr轴承钢中，碳化物很多，但它很容易产生偏析，致使钢材内部组织不平均性，对能力有不利影响。改进轴承钢碳化物的传统方法一般是采用工艺方面的方法，如为了驱除碳化物液析和带状碳化物运用均热炉长时间高温扩散，一般须要扩散10h如上，为了改进网状碳化物运用终轧后穿水迅速冷却技艺等。那些方法虽然非常有效，但所须要的设备繁杂，生产效率低，生产与制造的成本高。此次实践检验的出发点是经过向钢中增添少量元素镁，到达改进碳化物的目标。 

    实践检验结果表示，未加镁轴承钢与加镁钢的碳化物液析有明显区别。前者碳化物液析多、不均匀，而合适镁蕴含量的轴承钢碳化物液析近乎没有，并且球化退火组织非常微小均匀。钢液在凝固时镁富集于枝晶间地段。枝晶间地段因为富镁，使母相一碳化物的界面能与母相一母相界面能比值升高，这使析出碳化物与基体间的润湿角变大因此枝晶碳化物成大片析出的倾向减少，制止和减轻了液相碳化物的析出，与实践检验结果完全吻合。钢液凝固后，若在高温下保持或冷钢锭在加热和加工过程当中，镁原子亦可能由晶体中向晶界迁徙，从而碳化物熔解后从头析出时起到有益的分割和细化作用。然而这种改进碳化物作用受镁蕴含量的影响，当镁蕴含量超出最佳值范围时，作用变差，乃至引起低热点共晶镁相的析出而使能力明显恶化。此次实践检验因为镁蕴含量较低，比较高为 0．003l％，相解析结果表示，含镁轴承钢中的碳化物紧要是M3C，没有发现富镁相析出，但镁蕴含量为 0．0025％上下时，其钢的能力最好。 

    4  结论 

    (1)少量镁能改进轴承钢的碳化物，含镁轴承钢的碳化物颗粒微小均匀，近乎未发现碳化物液析。 

    (2)少量镁能改进轴承钢的能力，当镁蕴含量增强到0．002％-0．003％，其抗拉强度和屈服强度增强5％，塑性基本保持不改变。 

    (3)轴承钢中的最佳镁蕴含量为0．002％-0．003％，镁蕴含量太低，起不了作用，镁蕴含量太高，起负作用。