軋制初期變形量對軸承鋼碳化物液析的影響

孫正煒，王金海，盧光勇

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光 262711）

1 前 言

碳化物液析是高碳鉻軸承鋼碳化物不均勻性中最有害的一種；是連鑄坯在凝固過程中由于樹枝狀偏析而產生的的亞穩共晶萊氏體；加工時，被破碎成不規則塊狀，沿壓延方向呈鏈狀或條狀分布；是不合理的澆鑄和冷卻條件所引起的嚴重枝晶偏析以及壓力加工工藝不合理的綜合結果。一般認為，碳化物液析屬于三角晶系碳化物，硬度極高，它的存在會使軸承零件在熱處理過程中產生淬火裂紋；在使用過程中因處于表皮的碳化物的剝落而降低耐磨性；處于內部的液析碳化物是疲勞裂紋的起源，會導致疲勞裂紋的產生而降低疲勞壽命［1］234。

為降低軸承鋼碳化物液析級別，巨能特鋼在優化操作工藝控制和制度的前提下，重點對軋制初期大變形量軋制軸承鋼進行了試驗研究。研究對象為Φ60 mm軸承鋼熱軋材。

2 軸承鋼液析檢驗情況

2.1 工藝流程

生產Φ60 mm 軸承鋼采用兩種斷面尺寸連鑄坯：150 mm×150 mm 和220 mm×180 mm。工藝流程如下：

工藝1，70 t電弧爐→70 t LF精煉爐→70 t VD真空爐→R8 m 四機四流弧形連鑄機→150 mm×150 mm 連鑄方坯→3 段連續蓄熱式推鋼加熱爐加熱→高壓水除鱗→Φ550×1 機列粗軋→160 t 熱剪切頭→Φ430×4 機列精軋→冷床→500 t 冷剪→收集→冷卻。

工藝2，80 t轉爐→80 t LF精煉爐→80 t VD真空爐→R12 m 五機五流弧形連鑄機→220 mm×180 mm 連鑄坯→3 段連續蓄熱式推鋼加熱爐加熱→高壓水除鱗→Φ650×1 機列粗軋→250 t 熱剪切頭→Φ550×4＋Φ450×2 機列精軋→Φ1500 熱鋸→冷床→收集→冷卻。

2.2 工藝參數分析

工藝1 與工藝2 連鑄坯加熱制度相同，即加熱一段溫度控制在（1000±50）℃，加熱二段溫度控制在（1200±20）℃，均熱段溫度控制在（1180±20）℃。在溫度≥1100 ℃下，高溫擴散時間≥2 h。

兩種工藝生產Φ60 mm軸承鋼時粗軋機組孔型設計及各道次壓縮比見表1。

表1 粗軋機組各道次壓縮比

從表1看出：Φ550粗軋機組的累計壓縮比明顯高于Φ650粗軋機組，說明工藝1在軋制初期的變形量要大于工藝2。

2.3 碳化物液析統計結果

2009年全年檢驗Φ60 mm軸承鋼碳化物液析統計情況見表2。

表2 軸承鋼碳化物液析分布情況

理論上，矩形連鑄坯柱狀晶較方坯短，且矩形坯碳化物偏析分散在與鑄坯長邊平行的中心線上，而方坯碳化物偏析集中在鑄坯中心，矩形坯碳化物較方坯分散。在相同的加熱條件下矩形坯生產的軸承鋼碳化物聚集情況應該優于方坯，且矩形坯總壓縮比大于方坯，矩形坯的碳化物液析級別應小于方坯液析，但檢驗結果與理論分析相差較大。分析上述結果，推測軸承鋼液析級別與軋鋼初軋變形量有一定關系，對此進行了對比試驗。

3 加大粗軋變形量試驗

3.1 試驗方案

為驗證上述推測，采用180 mm×150 mm 斷面連鑄坯生產Φ60 mm 軸承鋼軋材并進行了對比分析。此斷面寬高比與220 mm×180 mm接近。只是通過改變連鑄坯斷面尺寸來驗證碳化物液析級別是否與軋鋼粗軋變形量有關。

3.2 試驗工藝參數

工藝3：冶煉工藝同工藝2，軋制工藝同工藝1，加熱制度及連軋工藝不變，加大粗軋變形量，粗軋Φ550機組各道次孔型設計見表3。

表3 試驗連鑄坯Φ550機組各道次壓縮比

3.3 試驗結果

180 mm×150 mm 矩形坯軋制Φ60 mm 軸承鋼碳化物液析檢驗結果見表4。

表4 工藝3生產軸承鋼碳化物液析分布情況

由表2、表4 可以看出，工藝3 生產的軸承鋼碳化物液析最為理想，這與設想結果一致。說明加大粗軋道次變形量可有效降低碳化物液析級別。

4 結果討論與分析

4.1 變形溫度的影響

現場對連鑄坯各粗軋道次的溫度進行了測量，結果見圖1。

從圖1可以看出，軸承鋼軋制初期既粗軋階段，連鑄坯溫度在1100～1200 ℃。軸承鋼液析具有高熔點高硬度的特性。從Fe-Fe3C 狀態圖可以看出，在1147～1200 ℃溫度范圍內，鑄坯中的碳化物為熔融態，碳化物隨著溫度的降低逐漸轉變為固態，而且軋件的塑性變形能力也隨著溫度的降低而降低。理論上，鋼坯溫度降至1147 ℃時碳化物液析應轉變為固態，但由于降溫速度快，一般在1100 ℃附近才開始發生這種轉變。碳化物固化和鋼坯塑性變形能力降低都不利于軸承鋼碳化物液析的分散。因此軋制溫度越高越有利于鋼坯碳化物液析分散。

圖1 軋件溫度隨各道次的變化情況

4.2 變形量的影響

當軋制溫度一定時，隨著道次變形量增大，軋后奧氏體的再結晶分數增多，而奧氏體晶粒平均弦長減小。由于變形量加大，使變形奧氏體晶粒拉長，奧氏體晶界面積增多，畸變能加大，奧氏體再結晶形核部位增多，形核速度加快，促使變形奧氏體再結晶數量增多，晶粒尺寸減小［1］324。這樣碳化物分散均勻，不會造成碳化物大量聚集，從而從本質上降低碳化物液析級別。

在粗軋階段，軋件塑性變形能力較高，如此時施以大變形量，可對鋼材心部進行有效的壓縮，對連鑄坯部分內部缺陷進行焊合，提高成品材的內部質量。軸承鋼由連鑄坯軋制成材，其壓縮比一定，如果粗軋階段連鑄坯的變形量較小，勢必會增大精軋的壓縮量，而軋件精軋時溫度已經降低到1100 ℃以下，軋件中碳化物由熔融態轉變為固態，軋件的塑性變形能力降低。如果此時對軋件施以大變形量，可造成堅硬的碳化物在鋼組織間移動，破壞組織的連續性，從而造成顯微裂紋。

工藝2 中碳化物液析級別＞2 級的90 個試樣中，有20個試樣存在不同程度的顯微裂紋。就是說未能在高溫下及時擴散和軋制分散的碳化物液析在精軋道次變成固態。因溫度降至1100 ℃以下，碳化物液析聚集程度嚴重者在變形后演變為顯微裂紋。圖2為軸承鋼液析與顯微裂紋并存的情形。

圖2 軸承鋼液析與顯微裂紋并存的情形×100

5 改進措施

通過上述分析得出如下結論：加大粗軋變形量有利于降低軸承鋼液析級別。針對加大粗軋變形量初步可采取以下兩種措施：

1）改變粗軋道次變形量分配，改變粗軋孔型設計。但現有的Φ650 粗軋機由于電機能力不足，加大粗軋變形量，粗軋電機負荷增大，易造成軋制過程電機跳閘，造成卡鋼事故。2）改變連鑄坯斷面形狀。如采用200 mm×200 mm 方形連鑄坯，斷面積近似于220 mm×180 mm 斷面，在不改變軋機負荷的前提下可將連鑄坯軋制成115 mm×115 mm 斷面，這樣粗軋機組的壓縮比可提高到3.02。

6 結 論

6.1 在軋制軸承鋼初期，軋件溫度較高，碳化物液析處于熔融態，此時施以大變形量，有利于軸承鋼碳化物液析分散，從而降低軸承鋼液析級別。軸承鋼軋制后期，軋件溫度下降，碳化物凝固，此時施以大變形量不僅不能將碳化物分散，而且有可能造成顯微裂紋。

6.2 在軋制溫度較高時，鋼坯的塑性變形能力大，大變形量可使奧氏體再結晶速度加快，使結晶數量增多，晶粒細化，降低碳化物聚集程度。

［1］鐘順思，王昌生.軸承鋼［M］.北京：冶金工業出版社，2000.