В подшипниковых сталях, полученных по обычной технологии, содержится около 0,005% О2, 0,01-0,02% N2, 0,0001-0,0005% Н2. Кислород находится в виде окислов и его количество зависит от технологии раскисления. При вакуумировании содержание кислорода уменьшается до 0,002%, а при ВДП – до 0,001%.
Водород отрицательно влияет на качество стали ввиду того, что снижение растворимости его при снижении температуры металла вызывает повышенные локальные давления в металле, приводящие к образованию флокенов.
При исследовании подшипниковых сталей отечественных и зарубежных фирм было установлено отрицательное влияние повышенных содержаний азота и суммы азота и кислорода на долговечность подшипников.
Микропористость может приводить к образованию питтинга и снижению долговечности подшипника.
Неметаллические включения в подшипниковых сталях являются концентраторами напряжений и могут в некоторых случаях являться причиной появления микротрещин, образующихся от повышенной концентрации мозаичных напряжений, резкого охлаждения при закалке и др.[6] в общем же случае стараются, чтобы неметаллические включения имели глобулярную форму. Наиболее пагубное воздействие на качество подшипников оказывают включения оксидов и нитридов алюминия.
В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям по содержанию вредных включений стали, произведённые методами ЭШП и ВДП. Однако этот металл слишком дорогой и, кроме того, не установлены экономически целесообразные требования по чистоте металла.
2. Анализ способов выплавки шарикоподшипниковых сталей на Украине, в СНГ и за рубежом.
2.1 Общая характеристика способов выплавки.
Наиболее распространёнными способами производства шарикоподшипниковых сталей являются: основной мартеновский, кислый мартеновский и электродуговой. Последний, по данным С.С. Штейнберга, был признан наиболее совершенным. Полагали, что в электропечи может быть выплавлен первосортный металл даже из относительно загрязнённых серой и фосфором материалов. Поэтому на заводах, на которых исходные материалы загрязнены серой и фосфором выше нормы, единственным агрегатом для выплавки первосортной стали была признана электропечь.
Там же, где возможно получение чистых по сере и фосфору чугунов, равноценным агрегатом была признана кислая мартеновская печь.
В настоящее время в странах СНГ почти 90% подшипниковой стали массового назначения выплавляется в электродуговых печах и около 10% в кислых мартеновских печах.
Как в случае выплавки в электропечи, так и в случае мартеновской плавки возможно применение обработки металла в ковше синтетическими известково-глинозёмистыми шлаками.
Другим направлением, по которому совершенствовалось качество отечественной подшипниковой стали, являлась технология рафинирующих переплавов – вакуумно-дугового, электрошлакового, плазменного и электроннолучевого. Рафинирующие переплавы являются очень эффективными: благодаря принципиальному изменению процесса кристаллизации стали увеличилась плотность слитка, снизилось общее содержание газов, примесей, неметаллических включений и уменьшились размеры последних в слитке.
Новым направлением, развиваемым в последние годы в отечественной промышленности при выплавке стали в открытых дуговых электропечах, явилось внепечное вакуумирование в ковше, в установках циркуляционного или порционного вакуумирования, вакуум-шлаковой обработки (УВСШ).
За рубежом совершенствование процесса производства стали для подшипников массового и, частично, специального применения пошло по пути внепечного вакуумирования. Сталь для особо ответственных подшипников выплавляют методами вакуумной индукционной выплавки, вакуумно-дугового переплава, электроннолучевой плавки, плазменного и электрошлакового переплава.
2.2 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% SiO2, до 0.5% FeO, до 1.5% TiO2.
2.3 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.
2.4 Специальные 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: