高铁轴承钢冶金缺陷形成机理及其控制原理研究

The formation mechanism and the fundamental for electromagnetic control of inclusion in the metallurgy of bearing steel for high speed railway trains will be investigated by experiments, theoretical analysis and numerical simulation. The thermodynamics and kinetics of deoxidation of the steel in a vacuum will be investigated, along with research on the formation of inclusions produced from the combination of O with Al, Ca, Si, and Mg. In the complex system of vacuum and atmosphere-refractory-molten steel, the transfer of the oxygen ,formation of inclusion and the effect of electromagnetic field will be modelled. The migration, coagulation, floatation behavior of the inclusion in the molten steel and absorption by the slag in a vacuum with an electromagnetic field will be studied. The influence of electromagnetic field and blowing bubbles in the melt in a tundish will be discovered. Also, the generation mechanism of the inclusion in the steel, and its distribution and morphology during solidification with electromagnetic field will be explored, as well as the mutual effect between the inclusion and the solidification structures. The formation of the carbide during solidification of the steel in continuous casting under a magnetic field will be illustrated. The quantity relationship between the fatigue life and the inclusion of the bearing steel will be examined to set a sound basis for manufacture and application of the bearing steel for high speed railway trains.

通过实验、理论分析和数值模拟研究高铁轴承钢GCr19Mo冶金中夹杂物等缺陷形成机理和施加电磁场等手段控制的原理。研究轴承钢液在真空下脱氧热力学和动力学，考察Al, Ca, Mg，Si等元素与O结合生成夹杂物的基本规律，建立在真空及气氛-耐火材料-钢液体系中氧的转移和夹杂物生成的规律以及施加电磁场的影响机制的模型，解析真空中电磁场下吹气时钢液中流动状态和夹杂物运动、聚合长大及上浮被精炼渣吸附过程，探明中间包中施加电磁场和吹气对流动和夹杂物行为的影响规律，研究钢液凝固中夹杂物形成、分布、形态变化规律，重点研究夹杂物与凝固组织间相互作用的关系及其电磁场的影响机制，阐明高铁轴承钢连铸凝固中电磁场作用下碳化物的形成规律及其与凝固组织间的关系，建立高铁轴承钢的疲劳失效与夹杂物等缺陷间的定量关系，为高铁轴承的制造和应用提供基础。

疲劳剥落是轴承钢的主要失效形式，其夹杂物和碳等合金元素偏析则是影响疲劳寿命主要冶金缺陷。这些冶金缺陷主要在精炼和连铸过程产生，而其控制难度很大。同时关于夹杂物等影响疲劳寿命的定量关系仍缺乏研究。本项目针对以上开展深入研究。考察了轴承钢液的Al、Mg、Ca脱氧热力学、动力学和夹杂物形态等，重点研究了真空碳脱氧机理，建立了真空碳脱氧基本关系式，结果表明在50Pa下可将氧含量降至10ppm以下，夹杂数量和尺寸均显著降低和减小。进而研究了真空低氧位时坩埚耐火材料的稳定性，发现在10Pa真空下MgO发生分解，向熔体大量供氧，产生夹杂物；Al2O3和ZrO2则较稳定。研究了中间包里钢液中夹杂物运动行为及施加静磁场和吹气的影响，发现静磁场可有效稳定液流，增加停留时间，吹气可增大夹杂物上浮，均有利于夹杂物的去除。研究了连铸初始凝固弯月面处夹杂物吸附滞留行为，阐明了凝固倾斜界面角度影响夹杂物滞留的规律。开展了静磁场下轴承钢凝固组织和偏析机理的研究。结果发现静磁场在凝固中产生可观的热电磁力，其在枝晶二次臂中产生大于1×10-1 MPa的应力，超过其断裂应力值，因而导致枝晶的断裂而促进柱状晶向等轴晶的转变，并减轻偏析。进而获得了静磁场下轴承钢连铸工艺范围图。静磁场可减轻凝固末端缩孔。建立了以轴承钢液为工质的连铸热模拟平台，在其上研究轴承钢连铸全过程中工艺条件和电磁搅拌等对凝固组织和偏析的影响规律，建立了过热度等与等轴晶率的定量关系,获得最佳工艺参数。考察了连铸末端压下对偏析的影响，掌握了压下参数对偏析的影响机理。为了掌握夹杂物对轴承疲劳寿命的定量影响，建立了高铁轴承试验机，采用不同冶金质量的轴承钢制成高铁轴承(包括采购的现高铁使用的FAG轴承)，在高铁轴承运转参数下进行寿命试验，结果发现，国内研制轴承失效主要原因是疲劳。经分析并结合模型计算，初步建立了夹杂物尺寸与疲劳寿命间的定量关系，后续将不断完善。