连铸轴承钢压下技术的研究与应用进展

发布时间：2019-10-24 浏览次数：2193

　　摘　要：轴承钢铸坯内部易产生中心疏松、缩孔和中心偏析等缺陷，对轧制及成品都会产生不利影响。连铸压下技术是改善铸坯内部缺陷的一种Z有效的方法。本文综述了压下技术的研究及应用进展。重点介绍了凝固末端大压下技术、凸形辊压下技术、单辊重压下技术和两段式重压下技术，提出大方坯轴承钢末端重压下技术的发展方向，为国内相关企业高端轴承钢产品的开发及生产工艺的改进提供参考。
　　关键词：轴承钢；连铸压下技术；均质化；中心缺陷；重压下技术
　　高端轴承的可靠性和安全性对轴承用钢提出了高品质、高可靠性和长寿命要求。轴承的高可靠性对轴承用钢提出了高致密性和均质性的要求。国内特殊钢企业众多，但钢材产品质量处于较低档次，缺乏名牌产品市场竞争力。仅有少数企业得到世界著名轴承公司的认证，而大部分特殊钢企业没有掌握控制均质化和致密度的关键技术，导致轴承钢为低附加值产品。因此，实现高端轴承用钢材的国产化，并发展国内高端领域轴承配套产品成为热点攻关问题。
　　由于高碳铬轴承钢连铸方坯断面特征，铸坯内部极易产生中心疏松、V型偏析、中间裂纹等缺陷[1]。因此，轴承钢连铸坯尚不能满足一些高端领域轴承用钢的要求[2]。为改善轴承钢方坯的内部质量，保证内部高致密度和均匀性，连铸凝固末端轻压下技术得到应用，部分提高铸坯致密度和均质性。凝固末端重压下技术在日本和韩国等高端特殊钢企业研发成功并用于生产，达到彻底消除疏松、中心偏析和中心缩孔等内部缺陷。因此本文介绍了压下技术在高品质轴承钢均质化的研究与应用进展。
　　1　高品质轴承用钢
　　高碳铬轴承钢有较高的较高的碳、铬含量，易导致凝固过程连铸坯内部出现中心缩松和中心偏析缺陷，从而影响轴承的使用性能等。高品质轴承钢的质量控制目标是为获得高致密度和均匀化连铸坯，以满足后续轧制锻造和热处理等工序的加工性要求，获得高品质轴承钢材。制造高端轴承用钢的主要代表钢种及其特性、用途见表1。 　　2　GCr15轴承钢连铸坯典型缺陷
　　在轴承钢轧制生产过程中，轧材存在的缺陷主要源于铸坯原有缩孔和偏析缺陷。轴承钢GCr15铸坯典型V型偏析的纵截面和横截面低倍结果如图1所示。沿拉坯方向在铸坯中心断续分布着中心缩孔缺陷，在凝固过程中应尽量减小柱状晶，提高等轴晶率。但在高等轴晶率情况下，中心偏析依然存在。作为中心偏析的一种，V型偏析严重影响钢铁质量。 　　V型偏析已成为高等轴晶率下影响钢材质量的主要缺陷，横向截面呈现出良好的铸坯质量，而实际上如果对连铸坯进行纵向切割，则会发现内部特别是中心线位置处质量很差：中心位置处不仅有多处缩孔，而且在中心线位置处，偏析现象严重。 　　图2是GCr15轴承钢凝固后腐蚀的组织图。可以看出各凝固组织各区域之间分层明显，分为激冷层(I区)、柱状晶(Ⅱ区)、混晶区(Ⅲ区)、中心等轴晶区(Ⅳ区)。柱状晶生长方向朝着铸坯中心，其生长方向基本垂直于结晶器壁，混晶区域内能够看到明显的二次枝晶，其生长方向较为混乱，但整体向铸坯中心生长。在等轴晶区域内，有明显的偏析暗点，并伴随着严重的疏松现象。图3为连铸轻压下参数不合适而产生的裂纹形貌，裂纹向两个方向扩展的趋势，一个是向铸坯未凝液芯扩展，一个是向铸坯凝壳方向扩展。均质化连铸坯需要在凝固末端施加一定压下量，同时避免铸坯凝固前沿界面内部裂纹。 　　3　连铸轻压下技术的研究现状与应用
　　轴承钢连铸在凝固末端位置实施合理地轻压下能够补偿糊状区的凝固收缩量，可以有效地降低铸坯内部中心缩松和中心偏析量。因此, 轻压下技术已在国内外特殊钢企业得到广泛应用，其中日本新日铁钢公司，韩国浦项钢铁公司，中国湖北新冶钢有限公司、东北特殊钢集团公司、本溪钢铁集团公司等应用比较成功。表2是典型特殊钢企业轴承钢及高碳钢的轻压下控制参数及应用效果[11-22]。
　　高碳铬轴承钢中碳含量高，铸坯的两相区较长且宽，从而易导致中心偏析、缩孔和疏松等缺陷 [21]，轴承钢连铸压下技术已经在国内特殊钢企业得到应用，但并没有掌握关键控制技术，由于压下参数不合理不但没有降低铸坯中心疏松缩孔和偏析，还使得铸坯内部产生裂纹[19]。
　　连铸坯的糊状区存在三个主要区域，见图4：其中糊状区A固相率较低，枝晶间钢液能够自由流动，钢液中溶质成分布均匀，不存在元素偏析。糊状区B钢液流动性降低，且只能在粗大的枝晶间部分流动，溶质富集形成偏析。糊状区C内钢液进一步凝固收缩得不到补充，形成铸坯内部疏松和缩孔缺陷。因此，改善铸坯内部疏松和缩孔缺陷提高致密性应该在C区进行压下，而降低偏析应该在B区实施压下。 　　通过理论分析得到改善铸坯偏析的合理压下区间时中心固相率为0.3~0.7，对于高碳轴承钢合理压下区间的中心固相率为0.2~0.9[22]。连铸压下裂纹的产生机理[23，24]，将铸坯凝固前沿划分为液相补缩区（固相率为0.4~0.9）和裂纹产生区（固相率为0.9~0.99），液相补缩区裂纹会被钢液填充，而裂纹产生区的裂纹由于枝晶臂的阻隔使液相不能填充，导致内部裂纹会被保留，该分界点固相率的温度定义为LIT。Won等[25]将LIT~ZDT定义为裂纹敏感期区如图5所示。在此区间内铸坯具有一定强度，但却无延展变形能力，因此轻压下应该避开裂纹敏感区以避免中心裂纹的形成。  　　典型的连铸应变速率条件下，通过统计分析铸坯凝固前沿裂纹敏感区试验数据，得出铸坯内部裂纹临界应变与碳当量关系[26，27]，如图6所示。随着钢中碳含量的增加，临界应变降低，而轴承钢中碳含量较高压下操作易产生裂纹。 　　铸坯压下操作参数对其内部质量的影响如图7所示。当压下量过小情况下无法有效消除V型偏析，而压下量过大会导致负偏析易产生内裂纹。为了避免铸坯内部出现裂纹，就要保证应变小于铸坯凝固前沿裂纹临界应变，进而得到保证不产生内部裂纹的Z大压下率及总压下量。合理的压下参数除了应降低中心偏析和疏松外，还应保证铸坯不产生内裂纹。
　　4　连铸重压下技术研究进展
　　铸坯边角部的压下变形抗力大，常规的小压下量模式的轻压下连铸工艺已无法稳定、有效地控制中心偏析和缩孔缺陷，所以不能实现铸坯凝固末端挤压出富集溶质的钢液和有效补偿凝固收缩的效果[18]。使用常规小压下量连铸技术，尚无法有效生产大断面轴承钢均质化、高致密度的连铸坯。连铸坯凝固末端重压下技术利于在高温、高压条件下焊接中心疏松、缩孔、内裂等缺点。日本新日铁（NIPPON）和住友金属（NSENGI）开发出连铸坯凝固末端大压下工艺[28，29]，轴承钢在凝固末端实施大压下量操作，有效改善中心偏析与疏松，实现铸坯高致密和均质化的工艺效果。韩国浦项（POSCO)和日本新日铁等企业采用凸型辊在连铸坯凝固末端实施压下[18,30]，铸坯和轧材的内部质量均得到显著改善。
　　4.1连铸凸型辊压下技术
　　平型辊轻压下是特殊钢企业广泛应用的技术，图8是两种类型压下辊示意图（图中D、d表示铸坯抵抗阻力的厚度）。采用凸型辊轻压下可将压下力集中在铸坯宽面中心区域，有效避开已凝固边部凝固坯壳，使得压下变形沿宽度方向均匀分布，铸坯中心区域液芯可以受到有效挤压，达到提高压下的目的[30]。 　　凸型辊多设计为类似凸台结构，凸台两侧边部区域出现应力集中现象，操作不当易造成表面深压痕并降低凸辊使用寿命。 　　如图9所示，渐变曲率凸型辊通过优化平辊段和凸起段参数可以有效减轻凸台边缘应力集中，同时提高压下辊使用寿命[32，33]；且凸型辊不接触完全凝固的铸坯边角部，避免轻压下在铸坯两侧附近易产生裂纹。
　　4.2铸坯凝固末端重压下技术
　　川崎制铁采用连续锻压技术（Continuous Forging），安装一对砧板对大方坯铸坯实施连续锻压，改善铸坯中心偏析和疏松[31]，图10为连续锻压过程示意图。日本新日铁研发出重压下技术（NS Bloom Large Reduction），采用大辊径凸辊对初始凝固状态的方坯施加大压下量，消除铸坯中心疏松和缩孔，提高轧材的探伤合格率[29]。 　　日本住友金属采用PCCS(Porosity Control of Casting Slab)技术，施加大压下量于铸坯心部易变形的区域，图11是该技术原理示意图[34，35]，显著提高铸坯致密度和均质性。韩国浦项钢铁开发出PosHARP技术[36]，在铸坯凝固中期采取大量压下辊进行大压下率压下操作，将铸坯中心部位富集溶质的钢液沿中心线挤压出将钢液均匀化。 　　4.3连铸单辊重压下技术
　　小方坯单辊重压下技术，180mm×180 mm断面小方坯单辊压下量5mm-20 mm，能显著提高铸坯内部质量，消除缩孔、改善疏松和偏析，提高铸坯中心致密度；单辊重压下不容易导致压下裂纹[37，38]。然而，大方坯轴承钢尚没有采用重压下技术的报道。由于大方坯有效压下区域较小，边角区域温度过低，压下抗力较大难以实施有效大压下量操作。 　　图12是单辊不同压下量下铸坯低倍形貌，随着单辊压下量的增大，铸坯中心缩孔和疏松得到明显改善；当单辊施加17 mm压下量后，铸坯中心缩孔完全消除而且没有出现内部裂纹。轴承钢连铸单辊重压下能提高铸坯中心组织、致密度和改善内部缺陷，为后续轧制工序提供良好条件。
　　4.4铸坯两段式重压下技术
　　铸坯凝固末端，铸坯液芯与表面温差达500 ℃以上，压下效率远超过粗轧阶段（粗轧使用均温铸坯），此阶段可以实现铸坯内部缩孔的焊合，细化心部晶粒的作用[39，40]。阶段压下位置为铸坯未完全凝固区间，有效改善铸坯偏析缺陷，第二阶段压下位置为完全凝固区间，改善铸坯中心缩孔，提高铸坯均质性和致密度，第二阶段总压下量为15 mm -20mm。连铸两段式重压下采用总压下量达25mm以上的压下制度，压下量远大于常规轻压下操作，从而达到良好的焊合内部缩孔的工艺效果。基于以上研究结果，应用凸型辊实施大方坯凝固末端单辊重压下技术和两段式重压下技术是未来轴承钢施加连铸大压下量的研究方向。连铸重压下技术不仅是轻压下技术的进一步发展，也是轧制技术在连铸阶段的延伸，铸坯的温度分布特性不同于轧制工艺，由于铸坯心部温度较高，更有利于产生变形，从而优于轧制的效果。这样的不仅利于改善轴承钢内部质量，并且有利于生产流程的重新优化。
　　5　结束语
　　轴承用钢铸坯中心疏松、溶质偏析及碳化物均匀性控制是保证高品质轴承钢质量的关键。要降低铸坯溶质偏析，可在铸坯凝固末端施加压下操作。通过理论分析得到改善高碳轴承钢合理压下区间的中心固相率为0.2~0.9，铸坯凝固末端重压下技术是改善高品质轴承钢中心铸坯致密性和均质性的有效措施，但由于大方坯凝固液芯为近圆形，有效压下区域较小，铸坯边角区域温度偏低，压下抗力较大，难以实施有效大压下量操作。应用凸型辊实施大方坯凝固末端单辊重压下技术和两段式重压下技术是未来轴承钢施加连铸大压下量的研究方向。
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