高溫擴散工藝制度對GCr15鋼碳化物析出的影響

董中奇，陳敏，陳銳，尹迪，劉振民

(1.河北工業職業技術學院 金屬材料工程系，石家莊 050000；2.邢臺鋼鐵有限公司，河北 邢臺 054027)

GCr15軸承鋼中的碳含量較高，在鋼液凝固過程中易形成較為嚴重的宏觀碳偏析，且在后期的加熱、軋制過程中難以有效消除，從而影響成品鋼材的質量。國內、外對有效降低鋼液在凝固過程中的碳偏析進行了大量研究，也提出和采用了諸如電磁攪拌、輕壓下等許多新技術，并取得較好效果[1-3]。結合GCr15鋼的熱塑性曲線及高溫擴散規律，在開坯車間對連鑄坯加熱過程中，采取較高的加熱溫度和不同的加熱時間，比較連鑄坯碳化物偏析在一定的高溫條件下產生的擴散效果，找出利于改善碳化物偏析的加熱溫度和加熱時間。

1 試驗材料和方法

試驗材料均來自某鋼廠生產的大方坯和小方坯。大、小方坯的劃分目前還無明確規定，但通常按照坯料的斷面尺寸來分類，將斷面尺寸≤160 mm×160 mm的方坯稱為小方坯；斷面尺寸≥240 mm×240 mm的稱為大方坯；斷面尺寸介于二者之間稱之為方坯。試驗方案為：加熱工藝分3段，工藝參數見表1。樣品采用Gleeble1500D熱模擬機，對GCr15熱塑性進行試驗研究，設定加熱速度為30 ℃/s；保溫時間為30 s；變形速率為1/s；變形方式為拉伸。

表1 GCr15軸承鋼的加熱工藝方案 h

2 試驗結果及分析

2.1 小方坯生產GCr15鋼碳化物的析出情況

160 mm×160 mm小方坯共計5批，碳化物析出情況見表2。由表2可知，加熱工藝制度對GCr15鋼碳化物的析出有較大影響，當加熱溫度為1 180 ℃且時間為1.60～1.86 h時具有較小的偏析和液析。

表2 小方坯碳化物析出情況

塑性試驗結果如圖1所示。可以看出，當GCr15鋼的加熱溫度在800 ℃以下時，抗拉強度較高，斷面收縮率較低，屬于塑性敏感區域，需要緩慢加熱；當加熱溫度大于800 ℃后，抗拉強度迅速降低，斷面收縮率大幅升高，可以快速加熱到高溫擴散溫度。

圖1 GCr15鋼塑性試驗結果

2.2 大方坯高溫擴散試驗與分析

按照上述3種方案對240 mm×240 mm大方坯進行工藝試驗，實際加熱曲線如圖2所示。根據對小方坯加熱制度下材料塑性試驗的結果，800 ℃以下時對大方坯進行緩慢加熱，實際加熱時間為2 h，在800～1 250 ℃時進行快速加熱升溫，以加快高溫擴散效率。

圖2 GCr15的加熱曲線

圖3、圖4分別為不同工藝條件下熱軋鋼坯邊部和心部金相組織。從圖中可以看出，鋼坯邊部的碳化物主要是成團的粒狀物，而鋼坯中心的碳化物主要呈帶狀或網狀，且隨著保溫時間的延長，網狀碳化物逐漸變細。

圖3 不同工藝條件下GCr15鋼坯邊緣部分的金相組織

圖4 不同工藝條件下GCr15鋼坯中心的金相組織

從凝固過程來看，從GCr15鋼液冷卻開始，首先沿液相線結晶有高純度的初晶，周邊形成樹枝狀結晶，在凝固界面上，元素成分濃縮了的鋼液在樹枝間隙形成樹枝狀偏析，最后進一步濃縮了的鋼液由共晶反應結晶形成大塊的碳化物，其與奧氏體共存完成凝固過程。這是由于軸承鋼含碳量在1.0%左右，是過共析鋼，澆鑄時一次碳化物(Fe3C)產生枝晶偏析。且軸承鋼中含鉻量約為1.5%，合金元素鉻比基體更容易和碳結合，生成合金碳化物，使得碳在基體中的分布更加不均勻，富集于碳化物形成元素的分布地帶，或者是富集于某些特殊地帶，如晶界等處。

在熱加工時樹枝狀偏析被拉伸形成帶狀偏析，共晶碳化物以大塊狀態殘留下來，兩者均對鋼的強度有所影響，因此，于固相線以下的溫度長時間保溫，進行均熱擴散處理，消除大塊共晶碳化物，并減輕樹枝狀偏析。當對大方坯進行熱處理時，靠近邊緣的部分加熱升溫較快且溫度較中心部位要高，獲得的擴散時間較長，大塊碳化物開始溶解而形成多數成團的粒狀物，中心部位在碳化物溶解擴散過程變成細薄的帶狀或網狀。

大方坯生產GCr15鋼時碳化物的析出情況見表3。可以看出，3種不同工藝進行高溫擴散后，偏析為0.5級，碳化物液析均達到了0.5級，顯微組織觀察發現存在TiN顆粒，需要進一步改善軸承鋼原料結構，避免大量Ti元素的帶入，導致形成類似液析的TiN顆粒。帶狀碳化物在1.0～2.5級之間，隨著加熱時間的增加沒有明顯的改善。但相對于160 mm×160 mm小方坯產生的偏析、碳化物液析、帶狀及網狀均有不同程度降低，滿足了國家標準對GCr15鋼的要求。

表3 大方坯生產GCr15鋼碳化物的析出情況

2.3 GCr15鋼高溫擴散系數

鋼坯在煉鋼澆鑄過程中形成的不均勻的碳化物，可以通過軋制工序的加熱高溫擴散來緩解或消除。而高溫擴散的主要影響因素是加熱溫度與保溫時間，通常情況下，加熱溫度越高，保溫時間越長，則高溫擴散效果越好。但加熱時間長會導致生產效率降低；加熱溫度太高會導致設備或質量事故。因此確定合理的加熱溫度和保溫時間是保證鋼坯充分擴散的必要保證。通過理論測算得出的GCr15鋼坯在不同溫度下的碳擴散系數近似值見表4。

表4 不同溫度下GCr15鋼的碳擴散系數

由表4可以看出，擴散系數受加熱溫度的影響較大，加熱溫度越高，擴散系數越大，擴散效果越好。加熱溫度從1 180 ℃增至1 260 ℃時，擴散系數增加近1倍。

3 結論

(1)GCr15軸承鋼通過開坯加熱爐高溫擴散，采用1250℃加熱保溫2h，其坯檢、軋材碳化物液析和碳化物帶狀均能夠滿足GB/T 18254—2002標準的要求，解決了目前軋材中碳化物超標的問題。

(2)碳化物帶狀級別偏高，雖然滿足國家標準的要求，但還需要進一步改進，以滿足高檔軸承鋼生產的需要。