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国内外钢中非金属夹杂物检验标准解析
Analysis on Domestic and International Standards for Determination of Non-metallic Inclusions in Steels
介绍了国内外主要的钢中非金属夹杂物检验标准,并对其进行了分析比较。结果表明：国内外非金属夹杂物检验标准虽然很多，但其评价方法基本可归纳为两大类，即最差视场法和平均视场法，前者较适用于夹杂物的常规检验，后者则适用于特殊重要件或纯净度较高钢中夹杂物的检验；然而对于同一视场中的非金属夹杂物含量，不同标准得到的评估结果基本一致。标&&&&签
The main domestic and international standards for determination of non-metallic inclusions in steels were introduced, analyzed and compared. The results show that there were a lot of standards for determination of non-metallic inclusions, but the evaluation methods could be classified into two categories, namely, the worst field method and the average field method. The former could be applicable to the conventional detection of inclusions, and the latter could be suitable for the detection of inclusions in steel for special important part or with high purity. However, for the same field of view, the contents of non-metallic inclusions evaluated according to different standards were basically consistent.
中图分类号
TG115.21 &&DOI
上海市科委技术平台专项资助项目(15DZ2260302)
修改稿日期
网络出版日期
作者单位点击查看联系人作者备注马 芳（1983-），女，工程师，主要从事标准化管理工作
引用该论文:
MA Fang,WANG Bin.&Analysis on Domestic and International Standards for Determination of Non-metallic Inclusions in Steels[J].&Physical Testing and Chemical Analysis part A:Physical Testing,&):&405～408马 芳,王 滨.&国内外钢中非金属夹杂物检验标准解析[J].&理化检验－物理分册,&):&405～408
共有人对该论文发表了看法，其中：
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参考文献【1】&【2】&【3】ISO
Steel—Determination of content of non-metallic inclusions—Micrographic method using standard diagrams［S］.&【4】&【5】ASTM E Standard practice for determining the inclusion or second-phase constituent content of metals by automatic image analysis［S］.&【6】ASTM E Standard practice for obtaining JK inclusion ratings using automatic image analysis［S］.&【7】GB/T
高碳铬轴承钢［S］.&【8】ASTM E45-) Standard test methods for determining the inclusion content of steel［S］.&【9】ISO
Tool steels and bearing steels—Micrographic method for assessing the distribution of carbides using reference photomicrographs［S］.&
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轴承钢轴承钢是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的钢，其具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。GCr15轴承钢中非金属夹杂物的控制目前，国内高水平特殊钢厂在轴承钢冶金质量控制方面的最大难题是：即便实现了超低氧含量控制，但钢中较大尺寸的不变形Ds类夹杂物仍难以达标。分析原因可能是RH真空精炼时间较短，没有充分发挥RH精炼去除夹杂物的作用；连铸过程二次氧化控制不严，国内特殊钢厂大多数仍采用生产普钢用中间包封闭结构，包内难以维持非氧化性气氛，浇注过程尤其开浇阶段，有较严重二次氧化；采用弧形连铸机，在铸坯内弧侧大型夹杂物数量多。▲向上滑动查看轴承钢中非金属夹杂物控制总结为了降低轴承钢钢中总氧和控制钢中非金属夹杂物，在工艺装备的设计、选择等方面务必坚持以下几点：1. 出钢避免脱氧剂和精炼渣一起加入，防止渣混合卷入钢液造成严重的渣钢反应；2. 采用铝脱氧降低氧含量，高碱度精炼渣的强扩散脱氧技术；3. 真空精炼由VD改为RH，若使用VD真空精炼，则需采用浅真空及扒渣技术，减小渣钢反应程度，这样可以降低夹杂物中的CaO含量，把夹杂物控制为以MgO-Al2O3或者Al2O3为主；4. 全封闭中间包防止二次氧化；5. 在使用浸入式水口的情况下，必须优化浸入式水口结构降低水口结瘤，防止水口结瘤无脱落造成轴承钢产品中的大型串状夹杂物；6. 增加连铸机直立段长度，最好采用立式连铸机促进大尺寸夹杂物上浮，减少夹杂物被凝固坯壳捕捉等。坚持以上措施，轴承钢中的非金属夹杂物控制水平将得到大幅度提高。GCr15轴承钢中碳化物的控制液析碳化物的控制措施图1给出液析碳化物完全溶解时间与高温扩散温度之间的关系，从图中可以看出两者之间主要呈线性关系。对于同一碳化物，设置不同的高温扩散温度对应的碳化物完全溶解时间不同，设置合理的高温扩散温度和高温扩散时间是至关重要的。图1 18μm碳化物完全溶解时间与温度的关系对于铸坯中液析碳化物的控制措施主要是高温扩散工艺，扩散温度和扩散时间是影响轴承钢高温扩散效果的两个主要因素。研究中半径为18μm的液析碳化物在1240℃下完全消除需要13.03h。热轧盘条低倍孔洞及其控制措施图2 在热轧盘条样品轧制方向上检测到的带状碳化物图3给出三个低倍检验孔洞在不同腐蚀时刻下的形貌。腐蚀时间为5s时，三个孔洞相隔一定的距离但均与二次碳化物较为发达的晶界相邻；随着腐蚀的进行，三个孔洞逐渐增大，其中两个较大的孔洞合并在一起；到达40s时，三个孔洞最终合并成一个；当时间达到50s时，粗大的网状碳化物显现出来；随着腐蚀的进一步进行，网状碳化物最终脱落。这个过程说明网状碳化物的抗腐蚀能力要优于其相邻基体的抗腐蚀能力。图3 三个低倍检验孔洞随腐蚀时间的形貌变化铸坯开坯加热温度设定在1240℃，与国内外其他钢铁企业基本处于同一水平。铸坯均热时间由现行的1.5h增长为4.5h和8.3h，开坯小方坯的加热温度设定为1080℃、1090℃及1200℃，然后对实验炉次开坯小方坯分别进行长、短不同加热时间处理，最终轧制成规格为Φ12mm和Φ10mm的热轧盘条，取最终的热轧盘条经酸浸蚀后进行低倍检验，观察实验效果。图4 原工艺A、实验1及实验2盘条样品横截面低倍检验形貌图5 原工艺A、实验1及实验2盘条样品径向低倍检验形貌图6 原工艺A、实验1及实验2盘条样品纵截面低倍形貌图7 原工艺B、实验3及实验4盘条样品横截面低倍形貌图8 原工艺B、实验3及实验4盘条样品纵截面低倍形貌减少轴承钢低倍检验孔洞措施包括：连铸坯的高温扩散和热轧盘条的热处理工艺。轴承钢连铸坯的高温扩散温度应设置为1240℃，扩散时间应在8h以上，可使合金元素的枝晶偏析得到明显弱化，但仍不能完全消除。热处理有利于减少热轧盘条的低倍检验孔洞，提升轴承钢质量。第一种热处理方式为对轴承钢热轧盘条进行高温扩散处理时，随着热处理温度的升高，低倍检验孔洞数量明显减少，孔洞尺寸及深度随温度的升高而减小。随着热处理时间的延长，低倍检验孔洞数量也呈减少趋势；第二种热处理方式是正火处理，在920℃下对轴承钢热轧盘条进行正火处理能够明显的减少轴承钢的低倍检验孔洞。工业实验验证，通过调整铸坯均热工艺和开坯小方坯均热工艺，均有利于减少轴承钢低倍检验孔洞，提升轴承钢盘条质量。轴承钢连铸坯凝固组织和元素偏析的控制连铸工艺参数优化与工业验证采用ProCast的CAFE模型对铸坯凝固组织进行计算，模拟不同条件下GCr15铸坯凝固组织，如图7所示。图7 不同条件下的GCr15铸坯凝固组织不同二冷水分布优化方案铸坯横断面的碳元素分布如图8所示。图8 不同二冷水分布优化方案横断面的C分布工业验证实验表明，生产GCr15系列轴承钢最佳的生产参数为：M-EMS（300 A/2.2Hz），F-EMS（500 A/8.0Hz），比水量（0.16L/kg），二冷水分配比（36:41:23）。优化后66.7%铸坯偏析指数均控制在0.98~1.04之内，铸坯的元素分布较优化之前更加均匀，铸坯质量得到明显提升。轴承钢凝固组织和元素偏析控制总结高碳铬轴承钢含有较高的碳含量及合金元素，在连铸过程中极易产生偏析，较严重的偏析行为将严重影响轴承钢的质量，缩短轴承的使用寿命，所以尽量减轻或消除铸坯中元素的偏析行为对于改善轴承钢的均匀性并提升其质量具有重要意义。通过对电磁搅拌影响柱状晶的研究表明，电磁搅拌可以增加等轴晶区的比例，提高冷却速率，减小二次枝晶间距，进而减弱轴承钢的微观偏析。轴承钢连铸坯凝固组织分为激冷层、柱状晶区、混晶区和中心等轴晶区，研究中各区分别占铸坯断面总面积的14.8%、40.1%、28.5%和16.8%；结晶器电磁搅拌产生的电磁场诱导钢液产生旋转运动从而导致铸坯在凝固过程中的柱状晶生长方向偏离原生长方向，柱状晶偏转角在铸坯中间位置达到最大值，在角部位置具有最小值。钢液流速在0.35~0.40 m/s之间变化时，铸坯的柱状晶偏角在18°~23°之间，当钢液速度进一步增大时，柱状晶几乎不再变化；电磁搅拌对宏观组织、枝晶间距、柱状晶偏转角等方面的影响概括为：中心等轴晶区面积百分比与电磁搅拌强度呈指数关系，连铸坯中心等轴晶区随着电磁搅拌强度的增强先增大然后达到最大值保持不变；PDAS与电磁搅拌强度呈抛物线关系，PDAS随着电磁搅拌强度的增强先增大后减小；SDAS和铸坯平均冷却速率与电磁搅拌强度呈线性关系，SDAS随着电磁搅拌强度的增强而减小，铸坯平均冷却速率随着电磁搅拌强度的增强而增大；柱状晶偏角与电磁搅拌强度呈指数关系，柱状晶偏角随着电磁搅拌强度的增强先增大然后达到最大值保持不变。微观偏析发生在几个晶粒范围内或树枝晶空间内。其成分的差异只局限于几个微米的区域之间。其可以通过热处理等手段减轻对钢材的影响。宏观偏析则发生在整个铸坯内，其成分的差异可表现在几厘米或几十厘米的距离上。其控制手段方向与微观偏析的差别在于溶质元素在固相中的扩散速率非常小，连铸坯完全凝固之后，宏观偏析就很难被消除。因此，要改善或者消除连铸坯宏观偏析，必须在连铸坯完全凝固之前采取措施。提高钢液纯净度、控制冷却速率、降低过热度、控制拉速、增加二次冷却强度、采用电磁搅拌及轻压下技术等因素对于消除或减轻中心偏析有重要作用。以上精彩内容均来自于《轴承钢中非金属夹杂物和元素偏析》。这是一本轴承钢领域非常专业的指导书，由冶金工业出版社最新出版。内容提要本书针对GCr15轴承钢，从钢中非金属夹杂物、碳化物和元素偏析三个方面，提出提升洁净度水平和改善成分均匀性的合理控制措施，为进一步提升我国轴承钢质量提供理论依据。本书通过定量统计轴承钢中非金属夹杂物和碳化物，提出了轴承钢连铸坯凝固组织和元素偏析控制方法，丰富了钢的凝固理论，对高品质钢的生产与研发有促进作用。ANSYS、FLUENT、ProCast等软件被用于计算结晶器内的钢液流场和铸坯的宏观凝固组织。某厂GCr15轴承钢连铸电磁搅拌参数、二冷水分配比、比水量等工艺参数得到优化，铸坯质量得到明显改善。专家推荐本书作者在总结近20年来洁净钢研究成果的基础上，立足轴承钢生产企业现代工装和先进工艺的发展水平，借鉴业界关于轴承钢研究的丰硕成果，收集整理了国内外大量关于GCr15轴承钢的生产数据，以图文并茂的形式对GCr15轴承钢中的非金属夹杂物、GCr15轴承钢中的碳化物、轴承钢连铸坯凝固组织和元素偏析做了全面系统的分析。全书内容丰富、体系合理，讲解深入浅出、通俗易懂，既具有严谨的科学性、系统性、知识性，又具有很高的学术价值和实用价值。本书对轴承钢进行全面深入的介绍，通过对轴承钢非金属夹杂物的专题研究，提出了轴承钢连铸坯凝固组织和元素偏析控制的方法，丰富了钢的凝固理论，对高品质钢的生产与研发有促进作用。本书对轴承钢生产领域从事科研、教学和学习的科技工作者以及有关部门的管理人员具有很高的参考价值。——中国工程院院士、中国金属学会理事长 干勇作者简介张立峰，1972年出生。主要从事洁净钢与非金属夹杂物和冶金过程数值模拟仿真研究。1993年本科毕业于重庆大学，1998年于北京科技大学获博士学位。先后在日本、德国、挪威、美国从事教学科研工作。曾任挪威科技大学材料科学与工程系教授、密苏里科技大学材料科学与工程系副教授。2012年回国，现任北京科技大学冶金与生态工程学院教授，院长。入选中组部“青年千人计划”、教育部“长江学者”特聘教授、科技部“中青年科技创新领军人才”。中国科学技术协会第九次全国代表大会代表、稀贵金属绿色回收与提取北京市重点实验室和国际科技合作基地主任、中国金属学会青年工作委员会副主任委员和炼钢分会副主任委员、中国有色金属学会特种冶金专业委员会副主任委员，曾任美国矿业金属及材料协会(TMS)过程技术与模型委员会主任。获得第十一届光华工程科技奖青年奖，2014年中国产学研合作创新成果奖、创新奖，获得英国皇家工程院杰出访问学者称号、多次获得国外学术组织最佳论文奖。担任Metallurgical and Materials Transaction B和Metallurgical and Materials Transaction A的Key Reader、ISIJ International和Steel Research International的国际编委、Ironmaking and Steelmaking和Metallurgical Research & Technology以及《钢铁》、《炼钢》、《连铸》、《有色金属科学与工程》等刊物的编委，受邀为70多个国际刊物审理稿件，发表学术论文300余篇，参与组织20余次国际学术会议，在学术会议上作学术报告300余次，获授权专利30余项。点击「阅读原文」，直达购买链接~
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