赵恒波

（本钢特殊钢厂，辽宁本溪　117021）

　　摘　要：内部组织缺陷是影响轴承钢疲劳寿命的主要原因，除常见的夹杂物、显微孔隙、带状组织等缺陷外，液析是一种严重影响轴承钢基体连续性和致密性的缺陷。通过一系列技术研究和试验，在生产过程中采取了相应的技术措施，轴承钢液析缺陷得到有效控制，改制和待处理品大幅度降低，液析检验一次合格率达到99%以上。

　　关键词：高碳铬轴承钢；液析；加热工艺；正火

　　滚动轴承是重要的机械基础件，其工作特点是承受强冲击和交变载荷，正常的破损形式是接触疲劳损坏，常见的还有塑性变形、压痕、磨损、裂纹等。而碳化物液析是一种严重影响轴承钢基体连续性和致密性的缺陷，是裂纹的起始点，液析不合将直接影响轴承钢的使用寿命。

　　1　高碳铬轴承钢GCr15工艺路线

　　本钢在生产高碳铬轴承钢GCr15时可采取如下两条工艺路线。

　　工艺一：电炉→炉外精炼→VD真空脱气→235mm×265mm连铸→热送热装→步进梁加热炉→轧制→保温→检验→包装入库

　　工艺二：转炉→炉外精炼→RH真空脱气→350mm×470mm连铸→同工艺一

　　本钢特钢连轧机是由意大利POMINI公司引进，轴承钢工艺一轧制规格小于Φ90mm，工艺二轧制规格小于Φ180mm。在某一段时间内，GCr15碳化物液析缺陷一次检验情况如表1所示。

　　2　液析产生原因分析

　　2.1碳化物液析形成的原理

　　高碳铬轴承钢GCr15含碳量在1.0%左右，是过共析钢，钢水凝固过程中，一次碳化物（Fe₃C）产生枝晶偏析。轴承钢从钢液冷却开始，首先沿液相线结晶高纯度的初晶周边形成树枝状结晶，在凝固界面上，化学元素成分浓缩了的钢液在树枝间隙形成树枝状偏析，Z后进一步浓缩了的钢液由共晶反应结晶形成大块的碳化物，其与奥氏体共存完成凝固过程^[1]。

　　在加热后轧制时，没有充分扩散的树枝状偏析延伸形成带状偏析，共晶碳化物以大块状态残留下来，其对钢的强度和致密度有所影响^[2]。因此需要在轧制前，在液相线以下的温度长时间进行高温扩散处理，消除大块共晶碳化物，并减轻树枝状偏析。

　　当加热温度升温到1050℃左右时，大块碳化物开始溶解而形成多数成团的粒状物，超过1160℃后，这些颗粒也开始固溶。均热温度高时，处理时间短，但超过1260℃时会发生过热脆性[^3]。加热过程中，如果加热温度过高，扩散时间过长，碳化物熔化或消失留下孔洞甚至产生内部过烧，孔洞如果在轧制过程中不能焊合，就形成显微孔隙，如果加热温度偏低，扩散时间过短，碳化物在加热过程中不能溶解扩散，在钢材上形成液析缺陷^[4]。 
　　本钢步进梁加热炉加热工艺设计时，通过理论测算，GCr15轴承钢坯在不同温度下的和同温度下不同高温扩散时间，对碳扩散系数近似关系如图1和图2。由图1和图2可知，扩散系数受加热温度的影响和保温时间的影响较大，加热温度越高，扩散系数越大，扩散效果越好。同温度下，扩散时间越长，扩散效果越好。加热温度从1180℃升高至 1260℃，扩散系数增加近一倍。1200℃时，高温扩散时间与扩散系数成正比。GCr15轴承钢采用1250℃保温2h加热工艺，钢坯、轧材的碳化物液析和碳化物带状完全满足GB/T18254-2002标准的要求，解决了目前轧材中碳化物级别超标的问题。

　　2.2液析产生原因相关技术分析

　　分别对化学成分C、连铸过热度、加热温度出钢速度与液析的关系进行统计和分析。

　　2.2.1液析出现率与钢中C含量的关系

　　对钢中C含量与液析出现率进行统计分析，统计结果见表2。由表2可见，钢中C含量越高，液析出现率有增高趋势。钢液结晶时，由于选分结晶，Z先凝固的部分溶质含量较低，溶质集聚与母液，浓度逐渐增加，因而Z后凝固的部分溶质含量则很高，显然在Z终凝固结构中溶质浓度分布不均匀，这种成分不均匀的显现，为偏析，液析是显著的成分偏析^[5]。

　　2.2.2液析出现率与钢水平均过热度之间的关系

　　采用235×265mm断面连铸坯生产轴承钢，对连铸钢水过热度与液析出现率统计分析，统计结果如表3所示。由表3可见，钢水过热度越高，液析检验级别和液析不合格率也有偏高的趋势。

　　2.2.3钢坯均热温度对液析的影响

　　钢坯加热温度高低，直接影响碳化物的溶解，因此合理的加热温度是必要的。本钢步进梁加热炉分为4段，分别是预热段、加热二段、加热一段、均热段。通过对加热炉均热段温度进行大量数据统计，并与液析检验对应分析发现，产生液析的炉号，加热温度偏低，均热段温度1140～1180℃，比工艺规程要求的温度低30～60℃。根据资料和加热工艺规程，轴承钢合理的加热温度为235×265mm连铸坯1200～1220℃、350×470mm连铸坯1210～1230℃。加热温度过低，不利于碳化物溶解和液析的消除[6]。因此，实际生产温度应该满足工艺要求，加热温度上限控制。

　　2.2.4出钢时间与液析的关系

　　控制连铸坯出炉速度，实际是保证连铸坯内外温度和组织的一致性。235×265mm工艺要求出炉速度≤17支/h，350×470mm连铸坯要求出炉速度≤11支/h，高温均热时间分别要求大于1.8h和3.5h。通过对出炉速度和液析炉号对比分析发现，出现液析的批次，普遍超过工艺要求的支数出钢。出钢速度过快导致连铸坯碳化物扩散时间短，碳化物不能较好的溶解扩散，从而导致液析出现。

　　2.2.5液析与轧制顺行之间的关系

　　通过大量的数据分析，产生液析的炉号，在生产不顺行的时候出现几率比较大，连轧出现故障，造成加热炉降温，待连轧修好后，又出现追求产量显现，造成出钢速度又过快，从而导致连铸坯高温扩散效果不好，扩散温度低、时间短，而导致液析缺陷。

　　3　液析缺陷的控制措施及效果

　　结合液析产生的原因分析，制定如下技术措施，来预防和控制液析缺陷。

　　1）冶炼化学成分控制，C进行中下线控制方式，控制范围为0.96%～1.01%之间，目标控制0.98%。

　　2）轴承钢连铸过热度控制，由于考虑到连铸开浇防止冻钢事故，炉<35℃，第二炉以后，要求15～25℃之间控制。

　　3）轴承钢为了避免组织应力和热应力叠加产生裂纹，采用热送热装工艺，连铸坯在高温条件下进入加热炉，减少了低温升温速度的限制，则增加了高温扩散时间，有利于降低碳化物液析级别。

　　4）轴承钢连铸坯的均热段温度按工艺规程中上限控制，均热段温度要求控制到235×265mm连铸坯1200～1220℃，350×470mm连铸坯控制1210～1230℃，炉内气氛温度在工艺要求上加20℃。

　　5）严格控制出钢速度和均热时间，235×265mm工艺要求出炉速度≤17支/h，350×470mm连铸坯要求出炉速度≤11支/h，高温均热时间分别要求大于90min和210min。

　　6）加强轧线顺行管理，优化待轧降温制度，保证均热效果和防止过热过烧。

　　4　结论

　　1）加热温度过低是产生液析的重要原因，高碳铬轴承钢合理的坯料加热温度为235×265mm连铸坯1200～1220℃，350×470mm连铸坯控制1210～1230℃。

　　2）控制连铸坯出炉速度可以有效控制均热时间，使轴承钢连铸坯内外透烧，碳化物充分扩散，防止液析的出现。Z优化的出炉速度为：235×265mm工艺要求出炉速度≤17支/h，350×470mm连铸坯要求出炉速度≤11支/h，高温均热时间分别要求大于90min和210min。

　　3）优化成分设计、合理控制连铸过热度、稳定轧线的生产节奏、合理的待轧降温制度、热送热装制度等，都有利于碳化物液析的控制。

　　参考文献

　　[1]刘玉斌等.轴承钢液析缺陷产生原因及预防措施[J].黑龙江冶金，2005年第3期

　　[2]刘靖等.GCr15轴承钢加热温度与碳化物的溶解扩散[J].金属热处理，2008年第10期

　　[3][6]钟顺思，王昌生.轴承钢[M].北京：冶金工业出版社，2000：47.

　　[4]濑户浩藏（日）.轴承钢[M]

　　[5]首钢研究院.轴承钢的生产与发展[M].B2BYUP2003.10

来源：《本钢技术》2014年第3期