Выплавка шарикоподшипниковой стали.
Выплавка в электродуговых печах.
Подшипниковую сталь выплавляют по двум технологическим схемам – с
обработкой печным шлаком и с обработкой металла в ковше высокоглинозёмистым
синтетическим шлаком, получаемым в отдельной печи.
В зависимости от применяемой шихты по обоим технологическим вариантам
выплавка может производиться методом переплава или на свежей шихте. При
выплавке стали методом переплава с обработкой печным шлаком используются от
70 до 100% отходов подшипниковых сталей. Окончательное раскисление проводят
печным кусковым алюминием путём присадки его в печь за 5 минут до выпуска
(0,5 кт/т стали). При выплавке на свежей шихте с обработкой печным шлаком
используют углеродистый лом (74-77%), чугун (18-21%), и отходы
подшипниковой стали (4,5%). Окончательное раскисление металла производят
первичным алюминием в количестве 0,5 кг/т в ковш и 0,5 кг/т в ковш.
Высокоглинозёмистым синтетическим шлаком может обрабатываться сталь,
выплавленная как на свежей шихте, так и методом переплава. Физико-
химические процессы, протекающие в ковше при взаимодействии жидкой стали с
жидкими известково-глинозёмистыми синтетическими шлаками, в основном
сводятся к тому, что при сливе жидкого металла с достаточно большой высоты
в ковш происходит их интенсивное перемешивание и взаимное эмульгирование.
Поверхность контакта металла и шлака при их взаимном эмульгировании
чрезвычайно увеличена по сравнению с обычным способом рафинирования металла
в печи.
В последние годы исследования направлены на снижение основности
рафинировочного шлака. Применение шлаков пониженной основности, полукислых
|
|
и кислых шлаков продиктовано стремлением приблизить состав включений в
основной электродуговой стали к составу их в кислой мартеновской или кислой
индукционной сталях.
При таких процессах должно снижаться число крупных глобулярных
включений, но повышаться число сульфидных и, возможно, силикатных
включений. При рафинировании стали кислыми шлаками превалирующим видом
кислородных включений становятся тонкие строчки мелких зёрен корунда.
пециальные способы выплавки.
Выплавка смешением в ковше жидких расплавов.
Особенностью той технологии является одновременное комплексное
использование трёх металлургических агрегатов: основной мартеновской печи,
в которой выплавляют железоуглеродистый полупродукт; дуговой электропечи
для выплавки жидкой лигатуры; шлакоплавильной электропечи для выплавки
синтетического шлака.
Получение стали осуществляется путём смешения в сталеразливочном ковше
железоуглеродистого полуфабриката и жидкой лигатуры в процессе
рафинирования расплавов синтетическим шлаком и продувкой аргоном.
Предпосылки повышения качества и эксплуатационных свойств стали,
полученной по технологии смешения с продувкой металла в ковше аргоном по
сравнению с обычной электросталью, основаны на следующих теоретических
положениях и экспериментально установленных фактах:
а) улучшаются условия раскисления и легирования стали в ковше;
б) в процессе раскисления участвуют не только алюминий и кремний, но и
углерод, образующий газообразные продукты реакций и обладающий при
|
|
выбранной технологии смешения раскислительной способностью на порядок выше
кремния;
в) равномерно распределены легирующие элементы в объёме ковша;
г) в качестве объекта раскисления использован железоуглеродистый
расплав требуемой и легко регулируемой окисленности.
Вакуумная плавка, переплав и вакуумная дегазация стали.
Применяется несколько разновидностей вакуумной обработки подшипниковой
стали.
1) Выплавка в вакуумных индукционных печах на свежей шихте.
2) Выплавка в электродуговых печах с последующей внепечной вакуумной
обработкой в ковше или на специальных установках, этот процесс
называют вакуумированием или вакуумной дегазацией.
3) Переплав электродов в вакуумных дуговых печах. Электродами являются
прокатанные заготовки, предварительно полученные в электродуговых
или электрошлаковых печах.
Общие особенности вакуумной обработки заключаются в следующем: жидкий
металл предохраняется от окислительного воздействия атмосферного кислорода;
вследствие снижения давления в печи уменьшается растворимость азота и
водорода, они выделяются из жидкого металла и откачиваются; вследствие
повышения раскислительной способности углерода уменьшается содержание
кислорода в металле и, как следствие, снижается содержание неметаллических
включений в результате восстановления их углеродом и частично в результате
термической диссоциации; также снижается содержание примесей некоторых
цветных металлов (олово, мышьяк, свинец, висмут и др.), обладающих высокой
упругостью пара; повышается химическая однородность стали.
|
|
Для внепечного вакуумирования подшипниковой стали всех марок в
основном применяют следующие наиболее производительные способы:
- циркуляционный (RH) – производительность одной установки около 400 тыс. т
в год;
- порционный (DH) - производительность около 200 тыс. т в год;
- вакуумирование в ковше-печи ASEA-SKF (с дуговым подогревом и
электромагнитным перемешиванием) – производительность около 200 тыс. т в
год.
Все перечисленные установки могут работать в комплексе с любыми
сталеплавильными агрегатами – электродуговой, мартеновской, конверторной
печами. Вакуум создаётся высокопроизводительными пароэжекторными насосами.
Разливка стали при всех указанных способах производится в слитки или
на установках непрерывной разливки стали.
Выплавка в мартеновских печах.
Весьма ограниченный объём производства кислых мартеновских сталей типа
ШХ15 (в т.ч. и ШХ4) в СНГ и за рубежом объясняется особенностями её
производства: топливо и шихтовые материалы при кислом процессе должны иметь
низкое содержание серы и фосфора, так как эти элементы при выплавке не
удаляются из стали.
При отсутствии чистых руд возможен вариант, когда сначала выплавляют
специальную заготовку в основных мартеновских печах, а затем переплавляют
её в кислых. Несмотря на высокие эксплуатационные свойства получаемой
стали, этот процесс является экономически не выгодным.
В кислой печи шарикоподшипниковую сталь можно выплавлять активным или
кремневосстановительным процессом. Если по мере расплавления в печь не
вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак
насыщается кремнезёмом вследствие окисления кремния, восстанавливающегося
из подины. Вязкость шлака увеличивается, а скорость перехода кислорода из
атмосферы печи через шлак снижается. На определённой стадии плавки начинает
превалировать процесс восстановления кремния, увеличивается его
концентрация в металле. Этот процесс называют кремневосстановительным.
Таким способом производят подшипниковую сталь на заводах фирмы SKF в
Хеллефорсе. Выплавку ведут в кислых мартеновских печах ёмкостью 30-120т.
Футеровку этих печей выполняют из чистых силикатных материалов, содержащих
около 97% SiO2. шихту составляют из жидкого чугуна (50%), губчатого железа
(30%), и отходов подшипниковой стали (20%). Содержание серы и фосфора в
стальной ванне после расплавления низкое, что объясняется, прежде всего,
очень высокой чистотой добываемой железной руды, из которой изготавливаются
губчатое железо и чугун. Окисление осуществляется кислородом. Ни в печь до
выпуска, ни в ковш во время выпуска не добавляются ни силикокальций, ни
алюминий.
В СНГ выплавку шарикоподшипниковых сталей в кислых мартеновских
электропечах осуществляют активным процессом в печах ёмкостью 90 т.
Активный процесс характеризуется тем, что руду, известь (или
известняк) вводят по ходу плавки. Это повышает жидкоподвижность шлака,
ограничивает восстановление кремния и увеличивает его окислительную
способность. Происходит интенсивное кипение, содержание кремния не
превышает 0,10-0,12%. В качестве шихтовых материалов используются чистый по
сере и фосфору чугун, специальная шихтовая болванка и до 10% от садки
собственные отходы шариковой стали.
Специальная болванка выплавляется в основных мартеновских печах. В
материале её содержится до 0,015%S и до 0,017%P.
Окончательное раскисление поводят в печи силикокальцием (1,26кг/т) и
кусковым алюминием (0,4 кг/т), присадку раскислителей заканчивают до
появления шлака.
В последние годы находит применение также активный процесс с
последующей обработкой металла в ковше синтетическим известково-
глинозёмистым шлаком следующего состава: 52-55% CaO, 38-42% Al2O3, до 3%
свойства шарикоподшипниковой стали должны характеризироваться высокой упругостью и высоким сопротивлением усталости при малой хрупкости, отличаться высокой износостойкостью и прочностью. Так как детали подшипников работают, соприкасаясь отдельными точками рабочих поверхностей, особое значение для подшипниковой стали приобретает ее физико-химическая однородность и чистота по неметаллическим включениям. Присутствие в металле скоплений твердых карбидов, неметаллических включений, волосовин, трещин и других концентраторов напряжений вызывает быстрый износ отдельных участков поверхности и преждевременный выход из строя подшипника.
В качестве материала для изготовления деталей подшипников наиболее широко используется разработанная еще в 1901 г. высокоуглеродистая (0,95—1,15% С) хромистая (0,40—1,65% Сr) сталь (например, ШХ15, содержащая 0,95—1,10% С; 1,30—1,65% Сr; 0,20—0,40% Мn; 0,15—0,35% Si; не более 0,027% Р; 0,02% S; 0,25% Сu и 0,30 Ni, или сталь ШХ15СГ, в которой больше Мn — 0,90—1,20% и Si — 0,40—0,65%). По своему составу и свойствам подшипниковая сталь примыкает к группе инструментальных марок, но по применению она является конструкционной специального назначения.
Высокое содержание в подшипниковых сталях углерода сообщает им после термической обработки высокую прочность и стойкость против истирания. Высокая поверхностная твердость рассматриваемой стали определяется концентрацией углерода в мартенсите, и поэтому она одинакова для всех подшипниковых сталей. Твердость внутренних слоев зависит от глубины прокаливаемости, зависящей в свою очередь от содержания хрома.
Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали. Поэтому чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют шарикоподшипниковую сталь для их изготовления.
В системе железо—хром—углерод образуется сложный карбид (Fe, Сr)3С и твердый раствор хрома в железе. Высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость шарикоподшипниковой стали. Кроме того, хром увеличивает стойкость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву, придает ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома (более 1,65%) трудно получить однородную структуру, поэтому в шарикоподшипниковых сталях обычно содержится не более 1,65% Сr.
Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию и одновременно способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образоваться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали оказывает кремний.
Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее бывает раскислена сталь. Поэтому присутствие этих элементов во всех марках шарикоподшипниковой стали желательно, но не более 0,35% Si и 0,40% Mn. Исключение составляет сталь марки ШХ15СГ, применяемая для изготовления крупных деталей. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и трещинообразованию при закалке.
Вредными примесями для шарикоподшипниковых марок стали являются фосфор, медь и никель.
Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость стали и уменьшает ее прочность на изгиб. Это в свою очередь увеличивает чувствительность подшипников к динамическим нагрузкам и склонность изделий к образованию закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле строго ограничивают.
Вопрос о влиянии серы на свойства подшипниковой стали нельзя считать решенным. Мнение о том, что сера оказывает отрицательное влияние, снижая устойчивость стали против истирания и способствуя ее усталостному разрушению при выходе на рабочую поверхность сульфидов, вызывает сомнения. Результаты некоторых исследований показывают, что с повышением содержания серы в шарикоподшипниковой стали до 0,05—0,10% и при соответствующем увеличении количества сульфидов продолжительность службы подшипников повышается.
Вместе с тем известно, что сера улучшает обрабатываемость стали. При очень низком содержании серы получить высококачественную поверхность рабочих тел затруднительно. По-этому не исключена целесообразность повышенного содержания серы в стали с тем, чтобы получить более совершенную рабочую поверхность и увеличить тем самым срок службы подшипника. Однако в настоящее время содержание серы в подшипниковой стали строго ограничено ГОСТ.
Медь, хотя и увеличивает твердость, предел прочности и прокаливаемость подшипниковой стали, в целом является нежелательной примесью, так как при горячей механической обработке с повышением ее содержания увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов.
Содержание никеля ограничивается в связи с тем, что его присутствие отрицательно влияет на твердость стали.
Сопротивляемость подшипниковой стали выкрашиванию уменьшают примеси таких цветных металлов, как олово, свинец, мышьяк. Отрицательное влияние на свойства подшипниковой стали оказывают также газы: кислород, водород, азот. Влияние кислорода проявляется главным образом через образуемые им окислы — неметаллические включения. Наличие водорода увеличивает поражение подшипниковой стали флокенами, а наличие азота снижает сопротивляемость стали выкрашиванию.
К подшипниковой стали предъявляют очень жесткие требования в отношении макроструктуры, отсутствия шлаковых и газовых включений, а также карбидной ликвации и полосчатости.
Высокое содержание углерода обусловливает значительное развитие в слитках подшипниковой стали дефектов усадочного характера — усадочных раковин, общей и осевой пористости. Установлена следующая зависимость усадки при затвердевании от содержания в стали углерода:
SiO2, до 0.5% FeO, до 1.5% TiO2.
Долговечность работы подшипника в значительной мере определяется количеством и типом присутствующих в металле окисных включений, так как эти включения уменьшают стойкость металла против усталостного разрушения. В закаленной шарикоподшипниковой стали неметаллические включения являются концентраторами напряжения, поэтому даже при сравнительно небольшой внешней нагрузке величина напряжений в отдельных точках может превысить предел прочности металла и вызвать его разрушение.
Особенно нежелательными среди включений являются частицы глинозема и алюмосиликатов, которые в катаном металле образуют строчки включений неправильной, часто остроугольной формы. Такие включения играют роль концентраторов напряжения и резко снижают стойкость подшипников. Поэтому одна из важных задач металлургии заключается в том, чтобы получать подшипниковые марки сталей с минимальным содержанием неметаллических включений.