GCr15 轴承钢碳化物液析控制工艺优化

张 川 尹修刚 周 攀 施进卿 王志利

（1、承德建龙特殊钢有限公司研发处，河北 承德 067201 2、承德建龙特殊钢有限公司钢轧厂，河北 承德 067201）

1 概述

承德建龙是生产汽车轴类用钢、轴承钢、管坯钢等特殊钢的生产厂家，在开发研制高碳铬轴承钢的过程中，碳化物液析出现过质量波动，比较典型的是在冬季，由于环境温度降低，钢坯在加热过程中碳化物不能充分扩散，造成碳化物液析超标。本文针对碳化物产生与加热温度时间及根本产生原理进行了分析改进。

2 碳化物液析形成机理及危害

高碳铬轴承钢GCr15 是过共析钢，C 是偏析倾向极高的元素，Cr 的偏析倾向虽不高，但易形成碳化物。凝固过程中液相中碳及合金元素富集而产生的亚稳态莱氏体共晶。其中碳化物在热加工时沿轧向分布，一般认为是属于三角晶系的碳化物，成为碳化物液析。对于GCr15而言，为C、Cr 富集，Cr 偏析程度较轻，但属于强碳化物形成元素，对液析形成起促进作用。

碳化物液析的危害，对锻造：加热易于过热、过烧，锻造易于开裂；对热处理：严重区降低熔点，正常淬火时易于液化过烧，或晶粒粗大、马氏体针叶粗大（过热），以及淬火应力不均（淬火开裂）。

组织不均引起回火不均，造成轴承零件硬度不均和力学性能的各向异性。服役过程：作为量级较大的硬脆相，危害等同于脆性夹杂物Al2O3、TiN，尖角应力集中，产生原始裂纹，造成轴承早期疲劳剥落。整体抗冲击性能差，易于开裂失效。

碳化物液析既然是结晶偏析形成的，又是在高温扩散中未完全溶解的，就应该从两方面着手，控制影响结晶偏析的因素，使液析碳化物不致于过分严重，合理控制加热制度使液析不致超标。碳偏析与凝固组织是密切相关的，通过控制合理的冷却制度，得到含有一定比例等轴晶的凝固组织，碳偏析和缩孔问题才可能得到明显改善。甚至是突破性的。

3 轧钢加热制度改进

2015 年10 月-11 月，承德建龙轴承钢碳化物液析检验出现频繁超标现象，初检合格率明显降低，见图1。

图1 GCr15 碳化物液析合格率

针对此种情况，我们首先验证轧钢加热炉测温系统是否正常，利用手持测温枪对比自动测温系统，共同测量16 组GCr15 开轧温度，见表1。

表1 轧钢加热测温系统比对

从16 组数据整体分析，测温枪显示的平均温度比电脑显示平均温度偏高1.5℃，在正常范围内。

排除测温系统异常，同时我们的炼钢工艺并无改变，结合碳化物液析形成机理，推测应是随着冬季的到来，环境温度降低，导致钢坯从装炉到出炉等温降快，加热制度不变相比9 月份之前会显著影响实际加热效果。我司轴承钢加热制度见表2。

表2 轴承钢加热制度

根据以上分析，我们查看10 月、11 月实际加热温度，发现均热段温度平均值在1215℃，并且存在一定数量炉次的均热温度<1200 摄氏度，对此我们主要将内控加热温度提高，实际均热段温度按1210-1230℃控制，11月下半月开始进行了调整。实际均热段温度对比见表3。

表3 调整前后均热段温度对比表

可见我们的加热温度低点没有了，平均均热温度提高到1220℃，对改善碳化物液析起到重要作用。同时我们的加热时间采用200 方热坯190分钟以上，比调整前延长10 分钟左右，调整前后对比见表4。

表4 调整前后加热时间对比表

4 炼钢连铸工艺优化

碳化物液析产生的根本原因是碳化物的偏析造成的，所以需从源头进行改善，以保证我们初始钢坯的质量。

过共析钢中由于枝晶偏析引起铸态显微组织不均匀度（分布及颗粒大小不均匀），枝晶偏析引起的显微组织不均匀，凡是增加枝晶偏析的因素，都会增大碳化物的不均匀程度。一般情况下，适当低的浇注温度、慢的拉速和适中的冷却强度对保证铸坯质量是有好处的。

承德建龙配备结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，因末端电磁搅拌参数已基本固化，所以试验结晶器电磁搅拌不同参数下碳偏析情况。试验炉次连铸过程控制较稳定，试验4 炉过热度分别为28、28、29、30℃，恒定拉速1.15m/min；对比炉次第一炉因过热度33℃，拉速0.95-1.05%，基本满足试验要求。试验首搅参数分别为两炉执行350A、3HZ、两炉300A、3HZ，原参数为400A、3HZ。试验过程见表5。

表5 结晶器电磁搅拌参数调整试验

相关炉次方坯按照九点法钻取样品，进行碳硫仪分析。结果见表6。

表6 试验炉次碳极差对比

通过试验对比，中心点整体偏高，全部为正偏析；不含中心点第二组试验参数（结晶器搅拌电流300A）较对比参数（结晶器搅拌电流400A）、第一组试验参数（结晶器搅拌电流350A）碳偏析控制效果要好；较弱的结晶器搅拌电流下磁场强度的分布更加均匀，更有利于提高铸坯截面碳分布的均匀性。

5 效果验证

从提高轧钢加热制度入手，并从连铸源头进行碳偏析改善，该年11 月份调整后碳化物液析合格率显著提升，0 级合格率达到73%以上，取得了明显的效果，见图2。

图2 碳化物液析改善结果

6 结论

6.1 轴承钢加热温度及加热时间，对碳化物液析的消除起到关键作用，延长加热时间使钢坯内外透烧均匀，改善偏析条件，保证组织均匀性、一致性，实践证明GCr15 碳化物液析通过轧钢延长加热时间和提高加热制度能够消除。但同时要考虑生产节奏，应采用合适的加热制度，在保证质量的前提下，提高产量，更为经济，并应合理制定加热温度上限及加热时间，避免导致显微孔隙的形成。

6.2 碳化物液析的出现从源头上分析是连铸坯成分偏析造成的，所以应摸索适合的过热度、拉速及二冷、电磁搅拌参数，减轻成分偏析。本文通过试验不同过热度、拉速及电磁搅拌参数等，对轴承钢中的宏观碳偏析的控制取得较好效果，为解决碳化物液析提供了良好的铸坯质量基础。