Главная
Для изготовления шариковых и роликовых подшипников наибольшее распространение получила высокоуглеродистая хромистая сталь, содержащая около 1 % С и от 0,4 до 1,5% Cr. Широкое использование таких сталей для изготовления шариков, роликов и колец подшипников качения объясняется тем, что эти стали, отличаясь высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, в то же время являются малолегированными и поэтому недорогими.
Несмотря на простой химический состав, выплавка шарикоподшипниковой стали высокого качества связана с определенными трудностями. Дело в том, что к шарикоподшипниковой стали предъявляются особенно строгие требования в отношении размера и характера распределения неметаллических включений. Рабочие поверхности подшипников испытывают высокие контактные напряжения, достигающие 50 тыс. кГ/мм2. В этих условиях крупные включения на полированной поверхности облегчают возникновение трещин и разрушение шарика или кольца подшипника.
При контроле чистоты стали характер и количество неметаллических включений в ней оценивается в баллах по шкале ГОСТ. Контроль обычно производят по нескольким образцам. В каждом образце балл определяется по включению наибольшего размера, обнаруженному на данном шлифе. Максимально допустимый балл зависит от назначения стали. Наиболее часто можно встретить в шарикоподшипниковой стали вытянутые в строчки частицы глинозема и силикатов с низким содержанием кремнезема, сферические частицы высококремнистых силикатов (глобули), вытянутые в нити включения сульфидов марганца и железа.
Шарикоподшипниковая сталь подвергается также контролю по макроструктуре и характеру излома. При этом определяется балл общей и центральной пористости, к которой металл такого состава склонен из-за высокого содержания углерода, а также наличие флокенов, пузырей и других загрязнений.
При выплавке шарикоподшипниковой стали следует быть особенно внимательным к состоянию футеровки дуговой печи. Если на подине образовались ямы или сорваны откосы, а также непосредственно после ремонта футеровки шарикоподшипниковую сталь не выплавляют. Эти меры предосторожности необходимы потому, что при плохом состоянии футеровки печи или после серьезного се ремонта шлаки часто оказываются магнезиальными, густыми. Под такими шлаками нельзя успешно провести рафинирование металлической ванны, и готовый металл оказывается сильно загрязнен неметаллическими включениями. Кроме того, необходимо принимать меры и против попадания в металлическую ванну из футеровки печи легирующих элементов, вредно влияющих на качество металла, например никеля или меди, содержание которых в шарикоподшипниковой стали не должно превышать соответственно 0,30 и 0,25%. Поэтому после кампании нержавеющей стали шарикоподшипниковую сталь выплавляют не раньше, чем через 0—7 плавок, а после единичных плавок — через 1—2 плавки стали других марок.
Шарикоподшипниковую сталь можно выплавить из углеродистой шихты с окислением либо из собственных отходов путем переплава (без окисления). При ведении плавки с окислением шихта состоит из углеродистых отходов прокатного производства и железного лома. Для увеличения содержания углерода в шихту добавляют кокс или электродный бой из расчета усвоения 60—70% С. Иногда для этой же цели используется передельный чугун. По расплавлении стремятся получить в металле 1,2—1,3% С, чтобы иметь возможность провести в дальнейшем энергичное кипение, окислив 0,3—0,5% С. На некоторых заводах допускают меньшее содержание углерода по расплавлении (1,0—1,2%). С целью удаления фосфора в период плавления в завалку дают 2—3% извести, а во время плавления добавляют руду или подрезают шихту кислородом.
При выплавке шарикоподшипниковой стали в большегрузных дуговых печах шихту составляют из привозного углеродистого лома (50%), углеродистых отходов прокатных цехов (до 40%) и передельного чугуна (до 25%). Такой состав шихты обусловливает высокое содержание кремния и фосфора в металлической ванне. Поэтому и здесь в завалку вводят до 4% железной руды и 3% извести. К концу плавления шихты в печи образуется большое количество известково-железистого шлака. В целях ускорения плавления шихты и более полного схода окисленного шлака из печи в ванну с помощью металлических трубок вводят кислород. Для обновления шлака в печь присаживают около 2% железной руды и 2,5% извести.
Металлическая ванна в дуговой печи емкостью 100 т после полного расплавления шихты содержит 1,10—1,20% С, 0,15—0,25% Mn, до 0,10% Si, около 0,020% Р. В плавках с полным окислением благодаря присадке железной руды и извести в завалку к началу окислительного периода формируется жидкоподвижный известковый шлак, который поддерживается на протяжении всего кипения ванны. К концу окислительного периода шлак содержит в среднем 42% окиси кальция, 13% кремнезема, около 14% закиси железа; в печах средней и малой емкости окисленность шлака ниже.
В зависимости от содержания фосфора и углерода в первой пробе металла окисление ванны ведут присадками железной руды или сразу приступают к продувке ванны кислородом. Всего за время кипения окисляют 0,2—0,3% С, содержание фосфора снижается до 0,010—0,015%. Когда температура металла достигает 1580—1600° С, содержание углерода опускается до 0,80—0,85%, а концентрация фосфора не превышает 0,015%, металл раскисляют чугуном и окислительный шлак полностью удаляют из печи.
К концу плавки содержание фосфора может возрасти до 0,02%, это вызвано попаданием фосфора из чугуна и феррохрома, вводимых в период рафинирования, а также восстановлением фосфора из остатков окислительного шлака.
После скачивания окислительного шлака на обнаженный металл для предварительного раскисления дают ферромарганец и ферросилиций или силикомарганец в таких количествах, чтобы повысить содержание марганца в металле до 0,28—0,32%, а кремния до 0,10—0,15%. Для улучшения условий осадочного раскисления в ванну присаживают 0,05% Al. Если это необходимо, металл науглероживают электродным боем или коксом. Затем наводят рафинировочный шлак из извести, плавикового шпата, кварцита и шамота.
Известковый шлак вначале раскисляют молотым коксом в течение 20—25 мин, потом порошкообразным 75%-ным ферросилицием, который забрасывают на шлак в три-четыре приема через каждые 7—8 мин. Содержание кислорода в металле в конце окислительного периода невелико и составляет 0,007—0,009%. При выдержке металла под белым или карбидным шлаком оно понижается до 0,002—0,004%. Концентрация кислорода в стали по ходу восстановительного периода снижается в одинаковой степени как под белым, так и под карбидным шлаком. При ведении плавки под белым шлаком, однако, балл, характеризующий максимальные размеры неметаллических включений, ниже, чем при ведении восстановительного периода под карбидным шлаком. Кроме того, перевод карбидного шлака, содержащего 2,5—3% карбида кальция, в белый вызывает во многих случаях значительные затруднения.
Подъем заслонки рабочего окна и открывание выпускного отверстия, частичное подкачивание шлака, подъем свода и добавка на шлак извести далеко не всегда дают нужный эффект и, кроме того, приводят к затягиванию периода рафинирования. Поэтому, согласно современной технологии выплавки шарикоподшипниковой стали, восстановительный период начинают под слабокарбидным шлаком, который впоследствии переводят в белый.
Легирование стали хромом производят в восстановительный период плавки. Феррохром вводят в самом начале восстановительного периода вместе с ферромарганцем и ферросилицием или несколько позже перед началом раскисления шлака ферросилицием.
Десульфурация стали в значительной степени определяется свойствами шлака. Если шлаковые смеси составляют без меры или веса, это приводит к крайней неустойчивости шлакового режима восстановительного периода и необходимости в связи с этим часто корректировать консистенцию шлака на протяжении всего периода. He следует слишком часто прибегать к плавиковому шпату как к разжижающему шлак компоненту. Известно, что присадки плавикового шпата действуют кратковременно и не обеспечивают нормальной жидкоподвижности шлака в продолжение всего восстановительного периода. В отношении десульфурации печи большой емкости уступают печам среднего размера: хотя содержание окиси кальция в шлаках восстановительного периода большегрузных плавок достаточно велико и достигает 55—60%, однако эти шлаки, как правило, отличаются большей вязкостью и повышенным содержанием окислов железа.
Всего за время плавки удаляется около 3/4 всей серы, содержащейся в металле по расплавлении. Ее содержание обычно понижается до 0,006—0,010%. Чем меньше серы находится в готовой шарикоподшипниковой стали, тем ниже балл по сульфидным включениям.
За 3—5 мин до выпуска плавки шарикоподшипниковую сталь раскисляют алюминием, который вводят в металл на штанге в количестве 0,04—0,06%. При выплавке стали в большегрузных печах присадка кускового алюминия в печь для окончательного раскисления представляет серьезные трудности. Большая высота порога не позволяет равномерно вводить алюминий, он усваивается металлом всего на 40%. Поэтому при выплавке шарикоподшипниковой стали в большегрузных печах раскисление алюминием осуществляют в ковше: штанги с алюминием перед выпуском крепят к борту ковша. При таком способе окончательного раскисления алюминий усваивается металлом более полно и наблюдается некоторое снижение содержания неметаллических включений по сравнению со сталью, раскисленной в печи.
Алюминий частично остается в стали и впоследствии взаимодействует с растворенным в ней кислородом во время ее кристаллизации в изложнице. От содержания остаточного алюминия в стали в сильной степени зависит состав и форма образующихся неметаллических включений. Особенно большое влияние на степень усвоения алюминия жидкой сталью оказывает раскисленность шлака. При недостаточной раскисленности шлака степень окисления алюминия вовремя выпуска плавки в ковш увеличивается, а количество остаточного алюминия уменьшается. Это может привести к увеличению количества силикатных полухрупких включений в готовой стали.
Для более эффективного использования раскисли-тельной способности марганца и кремния целесообразно иметь умеренную температуру металла. При повышении температуры выплавки шарикоподшипниковой стали возрастает содержание газов и неметаллических включений. Поэтому в конце окислительного периода температура должна находиться в пределах 1580—1600° C, в начале восстановительного — от 1560 до 1570° С и перед выпуском 1560—1580° С. Температура начала разливки в этом случае оказывается в пределах 1530—1550° С. Опыт показывает, что повышение температуры выпуска и разливки шарикоподшипниковой стали сопровождается увеличением балла по оксидным включениям.
Шарикоподшипниковую сталь выплавляют также методом переплава отходов без окисления. Шихту составляют примерно из 80% отходов подшипниковой стали и 20% малофосфористых отходов хромистой стали с более низким содержанием углерода. Во время плавления в печь иногда присаживают известняк. После расплавления скачивают шлак и в случае необходимости науглероживают металл. Затем наводят восстановительный шлак. В дальнейшем плавку ведут так же, как и плавку с окислением. При переплаве отходов шихта содержит очень мало серы. Поэтому содержание серы, а также сульфидных включений в стали, выплавленной переплавом отходов без окисления, ниже, чем в стали, выплавленной на свежей шихте. По оксидным включениям сталь, выплавленная из отходов без окисления, существенно не отличается от шарикоподшипниковой стали, выплавленной с полным окислением.
Шарикоподшипниковую сталь выпускают из печи вместе со шлаком. Перемешивание белого шлака с металлом в ковше приводит к понижению содержания серы и кислорода в металле и уменьшению загрязненности стали сульфидными и окисными включениями. При выплавке шарикоподшипниковой стали в 100-г печи коэффициент распределения серы к концу восстановительного периода достигает едва 8—26, тогда как в процессе выпуска он возрастает до 70—80.
Обработка шарикоподшипниковой стали синтетическим шлаком в ковше позволяет значительно повысить качество стали при одновременном повышении производительности дуговых электропечей. При такой обработке удаление серы и кислорода из металла в значительной мере происходит в ковше. Поэтому оказывается возможным уменьшить степень, а следовательно, и сократить длительность рафинирования стали в печи. После окончания окислительного периода плавки из печи удаляют шлак, наводят небольшое количество известкового шлака и в металл вводят необходимое количество ферромарганца и феррохрома. После нагрева металла шлак скачивают и плавку выпускают в ковш, содержащий 4—5% жидкого синтетического шлака, а также такое количество ферросилиция, которое необходимо для повышения содержания кремния в металле до 0,3%. Синтетический шлак, применяемый для рафинирования шарикоподшипниковых сталей, содержит 40—45% глинозема, 48—55% окиси кальция, 2—3% кремнезема и около 0,5% закиси железа. Полученная таким способом сталь оказывается чище по окисным и сернистым включениям, чем сталь, полученная путем рафинирования в печи под белым или карбидным шлаком.
Для улучшения качества шарикоподшипниковой стали применяют также внепечное вакуумирование металла в ковше путем перелива из ковша в ковш, находящийся в вакуумной камере, а также циркуляционное вакуумирование. При этом оказывается возможным сократить длительность восстановительного периода, отказавшись от раскисления стали кремнием и алюминием в печи для получения в ней к моменту вакуумирования только легко разрушаемых углеродом в вакууме включений окислов железа и марганца. По этому способу металл к концу окислительного периода нагревают до 1580—1620° С. Феррохром присаживают после скачивания окислительного шлака одновременно с наведением основного шлака из извести, плавикового шпата и небольшого количества шамотного и динасового боя. На шлак присаживают молотый кокс и печь герметически закрывают на 20—25 мин. Продолжительность восстановительного периода определяется начальным содержанием серы и скоростью ее удаления.
При вакуумировании раскисленной таким образом стали, содержащей только углерод, хром и марганец, наблюдается энергичное кипение металла, свидетельствующее о начале процесса раскисления стали углеродом, уже при остаточном давлении в вакуумной камере, равном 80—100 мм рт. ст. Через несколько минут интенсивность кипения резко снижается, после чего без нарушения вакуума из бункера присаживают в металл кусковой ферросилиций и алюминий. Весь процесс вакуумирования занимает 8—10 мин. Усвоение кремния составляет в среднем 90%, а алюминия 55—60%. Общее содержание неметаллических включений благодаря такому способу раскисления шарикоподшипниковой стали снижается примерно вдвое, содержание водорода уменьшается с 3,5—8,6 до 1,6—4,5 см3/100 г, содержание азота — с 0,008—0,011 до 0,002—0,006%. Наряду с улучшением качества стали возрастает производительность дуговых электропечей.
