GCr15鋼連鑄坯凝固組織分析

尹衍成，李崇建, 韓麗娟

（中信泰富特鋼研究院青鋼分院，山東 青島266000）

1 前 言

鋼的宏觀碳偏析與其凝固組織密切相關，GCr15 鋼鑄坯比較容易產生裂紋。因為高碳鋼的兩相區寬，在易產生裂紋區停留時間較長，并且高碳鋼的高溫強度較低，所以高碳鋼產生裂紋的幾率相對較高。該鋼的鑄態組織枝晶發達，碳化物析出頗為復雜，有一次、二次碳化物，其偏聚在晶界。因此常溫下鑄態組織為α+Fe3C。不能完整顯現其連鑄坯的晶粒。然而顯示連鑄坯固態組織的腐蝕方法，如腐蝕劑的成分，文獻未見完整的報道。因此選擇適當的腐蝕方法，顯示其鑄態組織的形貌，測定該鋼的凝固組織特性，如柱狀晶/等軸晶比例，樹枝晶一次晶間距、二次晶間距，以及其網碳分布，對研究其連鑄坯的質量具有特殊意義。

2 試驗方法

具體的生產工藝：120 t轉爐→LF→VD→CCM。選取的GCr15 連鑄坯，其化學成分見表1。

表1 GCr15 連鑄坯化學成分(質量分數)%

2.1 金相檢測參數

采用腐蝕劑摸索試驗，顯示連鑄坯鑄態的晶粒和晶間距以及液析碳化物，同時金相測定晶粒尺寸和二次枝晶的晶間距。在未腐蝕情況下觀察夾雜物的類型。

2.2 晶粒的現實的尺寸的測定

在連鑄坯表面30 mm 左右、半徑1/2 處、中心區域切取3 塊試樣進行鑄態晶粒的顯示和測定。

2.3 試樣預處理

堿性溶液：試樣拋光→10%NaOH 煮沸→沖洗（水）→侵蝕（5～40 s，2%～5%HNO3乙醇溶液）→消除污點（浸蝕5 s，10%HCl 甲醇溶液）→吹干→觀察。此外，也可采用還原劑溶液對未腐蝕試樣表面進行預處理。

2.4 試樣腐蝕液

采用ASTM E407 標準推薦的溶液，此外，也可采用還原劑溶液對未腐蝕試樣表面進行預處理。

方法1。A液，8 g 草酸+5 mL 硫酸+100 mL 水；B液，H2O2（30%），用A液與B液等體積混合的溶液預處理檢測面 2～3 s，使用硝酸（1～5 mL）硝酸酒精溶液腐蝕。

方法2。4 g 苦味酸+95%乙醇溶液或甲醇溶液。采用四甲基氯化銨為表面活性劑。檢驗面腐蝕時間10 s 至1 min。

方法3。10 g苦味酸+5滴鹽酸+100 mL（95%）乙醇或（95%）甲醇溶液，檢驗面腐蝕時間10 s至1 min。

方法4。10 g 焦亞硫酸鉀+100 mL 水。浸蝕檢測面1～15 s，最佳方法是先采用硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液輕腐蝕后，再采用該液腐蝕。

3 試驗結果

3.1 連鑄坯的宏觀碳偏析檢驗

如圖1 所示，連鑄坯試樣等軸晶區占比40%，且凝固組織均勻。冷卻工藝過強或者過弱都不能得到均勻的凝固組織，過強則會產生致密的柱狀晶組織，過弱則會產生粗大的等軸晶和縮孔。只有合理的冷卻工藝能夠產生含有一定比例的等軸晶的凝固組織，才有可能得到合理的凝固組織。

3.2 一次晶間距

圖1 連鑄坯低倍組織(1∶5)

在連鑄坯表面30 mm 左右、半徑1/2、中心區域分別切取3 塊試樣進行鑄態晶粒的顯示和測定。通過反復摸索試驗，顯現的鑄態晶粒，同時測定其尺寸。如圖2 所示，距表面約30 mm處晶粒形狀為長條形，在顯微鏡下的一個視場不能將晶粒長軸方向完全包括在內，故測定幾個相對較小長軸長，其余均為晶粒短軸長。長軸測定結果平均值2 458 μm，視場觀察到的晶粒長軸最長為2 511 μm；而短軸長測定結果平均值為736 μm，而短軸中最長為1 576 μm，最小為286 μm。半徑1/2處的晶粒相對較均勻，其平均晶粒尺寸為772 μm，最大晶粒尺寸為1 967 μm，最小晶粒尺寸為385 μm。心部晶粒平均尺寸為710 μm，最大晶粒尺寸為1 284 μm，最小為320 μm。

圖2 連鑄坯一次晶晶粒尺寸 20×

3.3 二次晶間距

進行二次枝晶間距的測量，通過配制另一種弱酸腐蝕劑顯現出二次枝晶，測量結果見圖3。

圖3 連鑄坯二次晶晶粒尺寸 50×

為了測定結果更為準確，采用平均值的結果分別為78 μm和93 μm。依據表面測定同樣進行了半徑1/2 處的二次枝晶間距的測量，平均測定值分別為191 μm 和255 μm。由于心部為等軸晶，所以無法測得二次枝晶間距。

3.4 網狀碳化物

分別選取相應位置鑄態試樣，制備金相試樣腐蝕后，觀察液析碳化物情況見圖4。

4 討 論

4.1 鑄坯凝固分為三個階段

（1）結晶器內形成初生坯殼。通常厚度約是2～5 mm。（2）二冷區坯殼，樹枝晶平行于生長面而形成柱狀晶。對于弧形連鑄，由于重力作用，晶體下沉，抑制了下弧側柱狀晶生長，故內弧側柱狀晶比外弧長，通常鑄坯內裂紋常常集中在內弧側。（3）中心等軸晶區。樹枝晶較粗大且呈不規則排列，中心區常有可見的不致密的疏松和縮孔并伴有元素的偏析［1］。

4.2 GCr15連鑄坯冷卻過程

Gr15鋼連鑄坯的樹枝晶方向不一致，可導致嚴重的碳偏析，從而產生晶間裂紋，也叫作A型裂紋。晶間裂紋的產生是由于凝固過程中受到熱或者機械因素導致應力過大。

當溫度低于650 ℃時，經過γ→α→γ相變再結晶過程，晶粒則會細化；當溫度高于700 ℃時，不發生相變，粗大的奧氏體晶粒得以保留。現場GCr15軸承鋼連鑄坯的熱裝溫度應控制在670 ℃以下［2］。

圖4 液析碳化物情況

鋼中碳含量越高，兩相區越寬，凝固時間越長，鑄坯中心形成V 形偏析越嚴重。連鑄坯的低倍組織，柱狀晶和等軸晶的相對大小對性能影響不一樣，因此采用金相測定其晶粒大小，是研究鑄坯質量的一個重要任務。

4.3 CCT曲線

結合GCr15 TTT 曲線和CCT 曲線（圖5、圖6）可知，當冷卻速度為5 ℃/s 時，組織轉變開始于644 ℃，結束于557 ℃。實際生產中，GCr15軸承鋼的熱裝溫度，應根據連鑄坯相變前的平均冷卻速度，控制到相變溫度以下，這樣可保證組織晶粒達到冷裝加熱軋制的水平，在相變溫度或以上進行熱裝，則易出現組織晶粒混晶或粗化。因此，現場GCr15軸承鋼連鑄坯的熱裝溫度應控制在670 ℃以下。

圖5 TTT曲線

4.4 腐 蝕

圖6 CCT曲線

金相試樣的腐蝕本質上就是試樣表面發生電化學反應，電位低的相是陽極，電位高的相是陰極，陽極受到腐蝕，陰極受到保護。不同的電位差，形成不同的顯微組織，產生不同的襯度，依據不同的襯度來辨別不同的顯微組織。為了得到光滑的試樣表面，使用有機拋光劑，其化學吸附作用改變了電位差，改變了組織的襯度，影響了人們的辨別。OH-奪取電子的能力很弱，在堿性介質中對鋼材組織幾乎沒有腐蝕，用10%NaOH 水溶液煮沸5 min處理拋光后的試樣，可完全破壞表面有機物質；然后采用侵蝕劑侵蝕，可得到非常清晰的顯微組織［3］。

5 結 論

5.1 軸承鋼連鑄坯的凝固組織可采用低倍與高倍觀察進行分析。

5.2 可采用低倍檢測連鑄坯的柱狀晶/等軸晶比例，可測定枝晶的一次晶、二次晶間距。

5.3 測定的連鑄坯參數與連鑄工藝相關性密切，可作為優化工藝的依據。