GCr15 軸承鋼碳化物液析控制工藝優化

張 川 尹修剛 周 攀 施進卿 王志利

（1、承德建龍特殊鋼有限公司研發處，河北 承德 067201 2、承德建龍特殊鋼有限公司鋼軋廠，河北 承德 067201）

1 概述

承德建龍是生產汽車軸類用鋼、軸承鋼、管坯鋼等特殊鋼的生產廠家，在開發研制高碳鉻軸承鋼的過程中，碳化物液析出現過質量波動，比較典型的是在冬季，由于環境溫度降低，鋼坯在加熱過程中碳化物不能充分擴散，造成碳化物液析超標。本文針對碳化物產生與加熱溫度時間及根本產生原理進行了分析改進。

2 碳化物液析形成機理及危害

高碳鉻軸承鋼GCr15 是過共析鋼，C 是偏析傾向極高的元素，Cr 的偏析傾向雖不高，但易形成碳化物。凝固過程中液相中碳及合金元素富集而產生的亞穩態萊氏體共晶。其中碳化物在熱加工時沿軋向分布，一般認為是屬于三角晶系的碳化物，成為碳化物液析。對于GCr15而言，為C、Cr 富集，Cr 偏析程度較輕，但屬于強碳化物形成元素，對液析形成起促進作用。

碳化物液析的危害，對鍛造：加熱易于過熱、過燒，鍛造易于開裂；對熱處理：嚴重區降低熔點，正常淬火時易于液化過燒，或晶粒粗大、馬氏體針葉粗大（過熱），以及淬火應力不均（淬火開裂）。

組織不均引起回火不均，造成軸承零件硬度不均和力學性能的各向異性。服役過程：作為量級較大的硬脆相，危害等同于脆性夾雜物Al2O3、TiN，尖角應力集中，產生原始裂紋，造成軸承早期疲勞剝落。整體抗沖擊性能差，易于開裂失效。

碳化物液析既然是結晶偏析形成的，又是在高溫擴散中未完全溶解的，就應該從兩方面著手，控制影響結晶偏析的因素，使液析碳化物不致于過分嚴重，合理控制加熱制度使液析不致超標。碳偏析與凝固組織是密切相關的，通過控制合理的冷卻制度，得到含有一定比例等軸晶的凝固組織，碳偏析和縮孔問題才可能得到明顯改善。甚至是突破性的。

3 軋鋼加熱制度改進

2015 年10 月-11 月，承德建龍軸承鋼碳化物液析檢驗出現頻繁超標現象，初檢合格率明顯降低，見圖1。

圖1 GCr15 碳化物液析合格率

針對此種情況，我們首先驗證軋鋼加熱爐測溫系統是否正常，利用手持測溫槍對比自動測溫系統，共同測量16 組GCr15 開軋溫度，見表1。

表1 軋鋼加熱測溫系統比對

從16 組數據整體分析，測溫槍顯示的平均溫度比電腦顯示平均溫度偏高1.5℃，在正常范圍內。

排除測溫系統異常，同時我們的煉鋼工藝并無改變，結合碳化物液析形成機理，推測應是隨著冬季的到來，環境溫度降低，導致鋼坯從裝爐到出爐等溫降快，加熱制度不變相比9 月份之前會顯著影響實際加熱效果。我司軸承鋼加熱制度見表2。

表2 軸承鋼加熱制度

根據以上分析，我們查看10 月、11 月實際加熱溫度，發現均熱段溫度平均值在1215℃，并且存在一定數量爐次的均熱溫度<1200 攝氏度，對此我們主要將內控加熱溫度提高，實際均熱段溫度按1210-1230℃控制，11月下半月開始進行了調整。實際均熱段溫度對比見表3。

表3 調整前后均熱段溫度對比表

可見我們的加熱溫度低點沒有了，平均均熱溫度提高到1220℃，對改善碳化物液析起到重要作用。同時我們的加熱時間采用200 方熱坯190分鐘以上，比調整前延長10 分鐘左右，調整前后對比見表4。

表4 調整前后加熱時間對比表

4 煉鋼連鑄工藝優化

碳化物液析產生的根本原因是碳化物的偏析造成的，所以需從源頭進行改善，以保證我們初始鋼坯的質量。

過共析鋼中由于枝晶偏析引起鑄態顯微組織不均勻度（分布及顆粒大小不均勻），枝晶偏析引起的顯微組織不均勻，凡是增加枝晶偏析的因素，都會增大碳化物的不均勻程度。一般情況下，適當低的澆注溫度、慢的拉速和適中的冷卻強度對保證鑄坯質量是有好處的。

承德建龍配備結晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌，因末端電磁攪拌參數已基本固化，所以試驗結晶器電磁攪拌不同參數下碳偏析情況。試驗爐次連鑄過程控制較穩定，試驗4 爐過熱度分別為28、28、29、30℃，恒定拉速1.15m/min；對比爐次第一爐因過熱度33℃，拉速0.95-1.05%，基本滿足試驗要求。試驗首攪參數分別為兩爐執行350A、3HZ、兩爐300A、3HZ，原參數為400A、3HZ。試驗過程見表5。

表5 結晶器電磁攪拌參數調整試驗

相關爐次方坯按照九點法鉆取樣品，進行碳硫儀分析。結果見表6。

表6 試驗爐次碳極差對比

通過試驗對比，中心點整體偏高，全部為正偏析；不含中心點第二組試驗參數（結晶器攪拌電流300A）較對比參數（結晶器攪拌電流400A）、第一組試驗參數（結晶器攪拌電流350A）碳偏析控制效果要好；較弱的結晶器攪拌電流下磁場強度的分布更加均勻，更有利于提高鑄坯截面碳分布的均勻性。

5 效果驗證

從提高軋鋼加熱制度入手，并從連鑄源頭進行碳偏析改善，該年11 月份調整后碳化物液析合格率顯著提升，0 級合格率達到73%以上，取得了明顯的效果，見圖2。

圖2 碳化物液析改善結果

6 結論

6.1 軸承鋼加熱溫度及加熱時間，對碳化物液析的消除起到關鍵作用，延長加熱時間使鋼坯內外透燒均勻，改善偏析條件，保證組織均勻性、一致性，實踐證明GCr15 碳化物液析通過軋鋼延長加熱時間和提高加熱制度能夠消除。但同時要考慮生產節奏，應采用合適的加熱制度，在保證質量的前提下，提高產量，更為經濟，并應合理制定加熱溫度上限及加熱時間，避免導致顯微孔隙的形成。

6.2 碳化物液析的出現從源頭上分析是連鑄坯成分偏析造成的，所以應摸索適合的過熱度、拉速及二冷、電磁攪拌參數，減輕成分偏析。本文通過試驗不同過熱度、拉速及電磁攪拌參數等，對軸承鋼中的宏觀碳偏析的控制取得較好效果，為解決碳化物液析提供了良好的鑄坯質量基礎。