GCr15SiMn轴承钢连铸坯锻造加热断裂分析

李崇建，尹衍成

（青岛特殊钢铁有限公司棒材研究所，山东 青岛266400）

1 前 言

某厂生产的GCr15SiMn轴承钢连铸坯，在送至锻造车间入炉加热时发生开裂与断裂。为提高生产产品的质量及减少损失，同时弄清连铸坯中心裂缝及锻造加热开裂的产生原因，对断裂钢坯进行了理化检验和分析。

2 试验及结果

2.1 化学成分分析

GCr15SiMn轴承钢连铸坯化学成分见表1。由表1 可见，化学成分符合GB/T 18254—2002《高碳铬轴承钢》中的GCr15SiMn标准成分要求。

表1 GCr15SiMn轴承钢连铸坯化学成分 %

2.2 入炉加热断裂连铸坯检验

2.2.1 宏观观察

连铸坯进入加热炉加热时出现断裂，连铸坯的断裂面垂直于连铸坯的轴向，端面较为平整，但其中心部位凹凸明显。连铸坯断裂的宏观情况如图1所示。

图1 连铸坯断裂的宏观形貌

截取加热断裂料段制备低倍试样，试片检验面裂纹源于心部裂缝处，扩展方向垂直于上、下弧切线。腐蚀前后裂纹形貌情况见图2。腐蚀后裂纹，同时对低倍试片进行了等轴晶率的测定，测定结果为50%。

图2 腐蚀前后裂纹形貌

截取低倍试样裂纹末端位置制备金相试样，试样编号为1#，此处宏观裂纹比较平直，如图3所示。

图3 1#试样宏观裂纹

2.2.2 金相观察

1#试样经研磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀后，置于光镜下观察，裂纹平直并呈Z 字形，裂纹为穿晶状态，如图4所示。

图4 光镜下裂纹形貌

2.3 中心裂缝低倍试片连铸坯检验

2.3.1 宏观观察

铸坯试片切割后，观察心部缺陷呈弯曲状裂缝，如图5所示。

图5 铸坯试片宏观形貌

在铸坯试片心部缺陷处取样，制备成金相试样，编号为2#，如图6所示。

图6 2#金相试样

2.3.3 金相观察

2#试样经研磨、抛光，置于光镜下观察，裂缝两侧无非金属夹杂物存在，裂缝弯曲，并有网状特征，见图7；试样经4%硝酸酒精腐蚀后，置于光镜下观察，裂缝沿碳化物网开裂，呈沿晶开裂形态，见图8。

图7 光镜下裂缝形态 100×

2.3.2 铸坯SEM观察

将2#试样置于液氮中浸泡后，沿裂缝敲击，制备断口试样。将断口试样放在四氯化碳溶液中采用超声波清洗后吹干，对断口和裂缝内部进行扫描电镜观察，断口面上断裂面的断口为解理断裂见9 a；缺陷裂缝内部SEM 观察可以看到凝固前沿枝晶生长形貌，见图9 b。

图8 腐蚀后裂缝

图9 试样SEM图像

3 分析与讨论

3.1 连铸坯锻前加热开裂

加热断裂料段解剖后内部裂纹由中心向铸坯两侧表面开裂，具有应力开裂特征，高倍观察裂纹周围无非金属夹杂物，腐蚀后裂纹两侧无明显脱碳现象，裂纹多为穿晶。连铸坯在入炉加热时加热速度太快产生的热应力，容易产生裂纹［1］。此裂纹是由于连铸坯本体应力（含矫直应力）与入炉加热时加热速度太快产生的热应力共同作用，在铸坯心部原缺陷处产生应力集中导致开裂。

3.2 连铸坯中心裂缝

从连铸坯心部裂缝内部SEM 观察结果可以看出，在裂缝内暴露钟乳石样的单晶体（枝晶簇），其二次晶轴与初次晶呈不同角度方向生长，由于凝固过程中缺少钢液补缩而使枝晶生长停止。

高倍光镜下裂缝周围微裂纹为明显的沿晶开裂，说明连铸坯中心凝固时由于钢液过热度较大、拉速或冷却不当等因素导致脆性开裂。

3.3 连铸轴承钢的凝固过程

从本质上讲，轴承钢连铸坯的凝固过程与一般的低合金钢的凝固过程是一样的。轴承钢固液两相区温度区间达到131 ℃，因此，中等过热的钢液也有其柱状晶强烈增大的趋势。在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭接、等轴树枝晶不足或体积减少而形成了小钢锭的凝固结晶现象，由此产生铸坯的中心疏松与偏析，即具有小钢锭结构机理［2］。

另一方面，由于连铸轴承钢是含有铬元素的过共析钢，因此在连铸坯的凝固结晶过程中，不可避免地产生碳化物。当然，钢液中还存在一些杂质元素或化合物（如C、S、P、0、氧化物、硫化物），在固液界面上产生溶解平衡移动。与此同时，从柱状晶粒析出的溶质元素或化合物排到尚未凝固的金属液中，最后随结晶的继续进行，把聚集的溶质推向最后凝固区中心，即产生铸坯的中心偏析，其偏析是与内部夹杂和疏松相伴生的，即具有溶质元素偏析机理［3］。

实际的连铸轴承钢方坯纵向中心的断面情况，其凝固结构具有纵向断续性的小空洞的特点。在连铸坯中心偏析部生成共晶组织，而在其他部位则不生成，共晶组织由铬的富集碳化物和金属相组成。碳化物中的碳浓度约为1.6%，从铬的浓度、组织形态及腐蚀状况可推定为Fe3C 具有小钢锭结构机理和溶质元素偏析机理的特征。其凝固结构具有纵向断续性的小空洞的特点。其钢坯中心的碳化物是共晶碳化物，分子式为Fe3C；在晶轴间的析出剩余相中碳、铬、硫、磷含量较高。

3.4 轴承钢连铸坯中游离碳化物

以局部集聚形式析出。连铸坯中存在的碳化物集聚在成品材中转变为沿轧制方向拉长为条状碳化物。条状碳化物使力学性能变坏，这是因为被碳和铬所富集的碳化物与其毗邻的部分化学成分不均匀性，毗邻部分含碳和铬量越低，碳化物纤维越明显。碳化物纤维在变形温度不高时与外来的脆性夹杂物相似，在一定的条件下被破坏，同时产生显微裂纹。

为了得到没有碳化物不均匀性的钢材，连铸坯在轧制前必须遵守正确的加热制度。加热时间，尤其是加热温度，对碳化物偏析程度有很大影响。在高温超过1 000 ℃时，加热时间越长，钢中存在游离碳化物夹杂的级别降低的很多。加热温度高，对其质量有好的影响（减少碳化物的不均匀性），也有坏的影响。随着加热温度的提高，碳化物被溶解，促使变形金属晶粒长大，温度超过1 000 ℃时，晶粒长大特别明显［4］。

4 结论及建议

4.1 GCr15SiMn 钢连铸坯心部裂缝是由于钢液最后凝固部分因液态金属没有及时补充而形成的；连铸坯锻前加热开裂是由于本体存在较大应力与加热时产生的热应力共同叠加，造成在连铸坯心部原缺陷处产生应力集中并导致内部裂纹与断裂。

4.2 结晶器的水量要合适，二冷段采用弱冷，以改善中心碳偏析和改善中心疏松状况；M—EMS电流强度从260 A 提高到350 A，以改善中心碳偏析状况；连铸过热度20～30 ℃、拉速为1.0～1.1 m/min，使连铸坯断面的各个结晶区碳含量比较均匀；连铸坯在加热炉中要保证合理的总加热时间，以改善中心碳偏析状况；在二冷末端设置电磁搅拌装置并试验确定合理的搅拌强度和频率，以提高连铸轴承钢的低倍质量。