隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，高技術(shù)含量高附加值的特種鋼材近年來(lái)得到鋼鐵企業(yè)的高度重視，并迎來(lái)了很大的發(fā)展。然而，受制于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)積累、裝備水平差異等因素，生產(chǎn)工藝需要不斷完善。產(chǎn)品的生產(chǎn)初期也常伴有質(zhì)量問(wèn)題，如微裂紋和斷裂等缺陷[1]，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)節(jié)奏和高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。在產(chǎn)品整個(gè)工藝過(guò)程中，煉鋼、加熱和軋制等階段，都會(huì)對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，其中鋼坯從連鑄到加熱爐運(yùn)輸過(guò)程中的冷卻速度是產(chǎn)生產(chǎn)品缺陷的一個(gè)關(guān)鍵因素，冷卻速度會(huì)影響到組織成相，而不當(dāng)?shù)慕M織與加熱過(guò)程中熱應(yīng)力的疊加是裂紋和斷裂產(chǎn)生的主要原因[2−3]。為此，本文以GCr15軸承鋼為研究對(duì)象，以其組織性能和熱應(yīng)力為指標(biāo)，對(duì)入爐溫度和冷卻速度進(jìn)行了研究，分析不同生產(chǎn)工藝參數(shù)下的金相組織和熱應(yīng)力，確定合理的生產(chǎn)工藝參數(shù)，為建立連鑄坯傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和合理裝爐方式提供一定的技術(shù)支持。

1.   實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料取自現(xiàn)場(chǎng)冶煉的GCr15軸承鋼連鑄方坯。連鑄過(guò)程采用3種不同的冷卻速度（0.97、1.94、3.89 ℃/min），入爐采用熱裝（600 ℃）和冷裝（環(huán)境溫度）2種方式。連鑄坯實(shí)驗(yàn)鋼樣經(jīng)研磨、拋光、侵蝕并清洗、吹干，在金相顯微鏡下觀察顯微組織并測(cè)量鐵素體晶粒尺寸。GCr15軸承鋼連鑄坯規(guī)格為320 mm×480 mm×900 mm，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行全模型計(jì)算，單元類型選擇Solid70，單元總數(shù)為16986個(gè)。GCr15軸承鋼密度、比熱、導(dǎo)熱率等熱物性參數(shù)隨溫度變化見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)資料[3−4]。

2.   結(jié)果分析

2.1   冷卻速度對(duì)GCr15組織性能的影響

2.1.1   網(wǎng)狀碳化物形成

圖1為GCr15管坯鋼連鑄坯在3種不同冷卻速度從1200 ℃冷卻至700 ℃下的金相組織。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)連鑄坯以0.97 ℃/min的冷卻速度時(shí)，金相組織可觀測(cè)到明顯的網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物較為粗大且連續(xù)；隨著冷卻速度增加到1.94 ℃/min時(shí)，析出的網(wǎng)狀碳化物明顯減少，且變得更為細(xì)小不連續(xù)；冷卻速度進(jìn)一步增加到3.89 ℃/min時(shí)基本沒(méi)有網(wǎng)狀碳化物的形成。由此表明，冷卻速度對(duì)軸承鋼中網(wǎng)狀碳化物[5]的析出具有顯著的影響，隨著冷卻速度的提高，網(wǎng)狀碳化物（如下圖中白色網(wǎng)格狀）的析出也逐步減少，當(dāng)冷卻速度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)就可以完全抑制網(wǎng)狀碳化物的形成。因此，對(duì)于GCr15連鑄坯，將冷卻速度控制在3~4 ℃/min，可抑制網(wǎng)狀碳化物形成。

2.1.2   網(wǎng)狀碳化物析出的臨界溫度區(qū)間

圖2為GCr15軸承鋼連鑄坯以0.97 ℃/min的冷卻速率緩冷至不同溫度的金相組織。從圖2可看出，GCr15軸承鋼在930 ℃時(shí)開(kāi)始析出碳化物；在930~850 ℃之間有少量碳化物析出，表現(xiàn)為沿晶界分布呈不連續(xù)的細(xì)小顆粒狀；在850~750 ℃開(kāi)始大量析出碳化物，形成比較粗大且連續(xù)的網(wǎng)狀。由此，可判定930 ℃為GCr15鋼網(wǎng)狀碳化物析出的臨界溫度。

由于先共析滲碳體的析出過(guò)程只會(huì)發(fā)生在滲碳體析出溫度Acm（約930 ℃）和珠光體轉(zhuǎn)變溫度A1（約730 ℃）之間[6−7]，因此為了避免網(wǎng)狀碳化物的析出，就必須加快此溫度區(qū)間的冷卻速度。為了防止網(wǎng)狀碳化物的形成，從930 ℃開(kāi)始直到A1溫度，應(yīng)以大于4 ℃/min的冷卻速度冷卻以抑制先共析滲碳體的形成。在高于930 ℃和低于A1的溫度區(qū)間應(yīng)采用較慢的冷卻速度來(lái)降低由于內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力以減少裂紋形成，同時(shí)在珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)能夠形成較大的片層。

2.1.3   連鑄坯熱應(yīng)力

將GCr15軸承鋼連鑄坯（規(guī)格為320 mm×480 mm×900 mm）在4種典型冷卻工藝，即爐冷（1 ℃/min）、保溫罩緩冷（4 ℃/min）、空冷（60 ℃/min）以及水冷（600 ℃/min）條件下冷卻至表面500 ℃時(shí)進(jìn)行熱應(yīng)力有限元分析，沿連鑄坯橫截面（320 mm×480 mm）中心到拐角等距離（約36 mm）取9個(gè)點(diǎn)，熱應(yīng)力有限元分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，低冷卻速度下（1、4 ℃/min），連鑄坯內(nèi)外熱應(yīng)力較小，幾乎為零；隨著冷卻速度增加大（60、600 ℃/min）時(shí)，連鑄坯內(nèi)外熱應(yīng)力急劇增加，最大熱應(yīng)力可達(dá)450 MPa，其強(qiáng)度足以超過(guò)該溫度下鑄坯的高溫強(qiáng)度，若此時(shí)連鑄坯內(nèi)部存在冶金缺陷，如夾雜物、偏析、疏松等[8−9]，將破壞基體金屬的連續(xù)性，成為裂紋萌生源，從而造成連鑄坯內(nèi)部和表面質(zhì)量缺陷。建議將GCr15連鑄坯的表面冷卻速度控制在4 °C/min以下，這樣在冷卻過(guò)程中連鑄坯的內(nèi)外溫差相對(duì)較小，溫度分布較為均勻，不會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋的生成。

2.2   GCr15軸承鋼入爐工藝分析

圖4為不同裝爐方式下GCr15軸承鋼的金相組織圖。由圖4可見(jiàn)，600 ℃熱裝與冷裝（即環(huán)境溫度）的加熱工藝制度對(duì)鋼的組織影響不大。兩種加熱方式獲得的奧氏體晶粒尺寸相當(dāng)，并且組織形貌沒(méi)有明顯差別。

從本質(zhì)上講，熱裝熱送與冷裝的主要差別在于是否經(jīng)歷一次奧氏體的重結(jié)晶過(guò)程[10]。若熱裝（入爐溫度）的溫度高于950 °C，即高于GCr15軸承鋼的奧氏體相變溫度。由此，在連鑄坯冷卻到熱裝進(jìn)爐，奧氏體完全沒(méi)有發(fā)生相變，組織仍然保持原有的連鑄坯狀態(tài)，這種情況下熱裝與冷裝的組織形態(tài)將會(huì)有很大的差別，但在現(xiàn)場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)這么高的熱裝溫度；當(dāng)熱裝的溫度在A1和Acm的溫度之間（730~950 °C），這時(shí)原有組織中的珠光體會(huì)發(fā)生分解，形成奧氏體和滲碳體的兩相組織，在兩相區(qū)的停留有利于滲碳體沿晶界的析出而導(dǎo)致晶界網(wǎng)狀碳化物，同時(shí)由于一次奧氏體和經(jīng)過(guò)相變的二次奧氏體共存，形成混晶，因此應(yīng)避免此溫度區(qū)間內(nèi)的熱裝工藝；當(dāng)熱裝的溫度低于A1溫度（約730 °C）時(shí)，由于冷卻（緩冷）過(guò)程中奧氏體的相變已經(jīng)完成，這種情況下熱裝與冷裝對(duì)材料的金相組織無(wú)顯著影響。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的熱裝一般會(huì)在600~700 °C，熱裝與冷裝對(duì)材料的金相組織沒(méi)有顯著差異，但為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提高和節(jié)約能源[11]盡可能采用熱裝方式。

3.   結(jié)束語(yǔ)

(1) 冷卻速度對(duì)GCr15軸承鋼中網(wǎng)狀碳化物的析出具有明顯的作用，建議在加熱爐前設(shè)置緩冷坑或保溫罩將連鑄坯的冷卻速度控制在3~4 ℃/min，可抑制網(wǎng)狀碳化物形成。

(2) GCr15連鑄坯鋼網(wǎng)狀碳化物析出的臨界溫度為930 ℃。從930 ℃到A1，應(yīng)采取較快的冷卻速度（>4 ℃/min），以抑制先共析滲碳體的形成；而高于930 ℃和低于A1的溫度區(qū)間應(yīng)采用較慢的冷卻速度（<4 ℃/min）以降低由于內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力，從而減少裂紋形成。

(3) 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中熱裝與冷裝的入爐沒(méi)有顯著差異，從提高產(chǎn)效率的提高和節(jié)約能源的角度出發(fā)，盡可能采用熱裝的加熱方式。

文章來(lái)源——金屬世界