高温扩散工艺制度对GCr15钢碳化物析出的影响

董中奇，陈敏，陈锐，尹迪，刘振民

(1.河北工业职业技术学院 金属材料工程系，石家庄 050000；2.邢台钢铁有限公司，河北 邢台 054027)

GCr15轴承钢中的碳含量较高，在钢液凝固过程中易形成较为严重的宏观碳偏析，且在后期的加热、轧制过程中难以有效消除，从而影响成品钢材的质量。国内、外对有效降低钢液在凝固过程中的碳偏析进行了大量研究，也提出和采用了诸如电磁搅拌、轻压下等许多新技术，并取得较好效果[1-3]。结合GCr15钢的热塑性曲线及高温扩散规律，在开坯车间对连铸坯加热过程中，采取较高的加热温度和不同的加热时间，比较连铸坯碳化物偏析在一定的高温条件下产生的扩散效果，找出利于改善碳化物偏析的加热温度和加热时间。

1 试验材料和方法

试验材料均来自某钢厂生产的大方坯和小方坯。大、小方坯的划分目前还无明确规定，但通常按照坯料的断面尺寸来分类，将断面尺寸≤160 mm×160 mm的方坯称为小方坯；断面尺寸≥240 mm×240 mm的称为大方坯；断面尺寸介于二者之间称之为方坯。试验方案为：加热工艺分3段，工艺参数见表1。样品采用Gleeble1500D热模拟机，对GCr15热塑性进行试验研究，设定加热速度为30 ℃/s；保温时间为30 s；变形速率为1/s；变形方式为拉伸。

表1 GCr15轴承钢的加热工艺方案 h

2 试验结果及分析

2.1 小方坯生产GCr15钢碳化物的析出情况

160 mm×160 mm小方坯共计5批，碳化物析出情况见表2。由表2可知，加热工艺制度对GCr15钢碳化物的析出有较大影响，当加热温度为1 180 ℃且时间为1.60～1.86 h时具有较小的偏析和液析。

表2 小方坯碳化物析出情况

塑性试验结果如图1所示。可以看出，当GCr15钢的加热温度在800 ℃以下时，抗拉强度较高，断面收缩率较低，属于塑性敏感区域，需要缓慢加热；当加热温度大于800 ℃后，抗拉强度迅速降低，断面收缩率大幅升高，可以快速加热到高温扩散温度。

图1 GCr15钢塑性试验结果

2.2 大方坯高温扩散试验与分析

按照上述3种方案对240 mm×240 mm大方坯进行工艺试验，实际加热曲线如图2所示。根据对小方坯加热制度下材料塑性试验的结果，800 ℃以下时对大方坯进行缓慢加热，实际加热时间为2 h，在800～1 250 ℃时进行快速加热升温，以加快高温扩散效率。

图2 GCr15的加热曲线

图3、图4分别为不同工艺条件下热轧钢坯边部和心部金相组织。从图中可以看出，钢坯边部的碳化物主要是成团的粒状物，而钢坯中心的碳化物主要呈带状或网状，且随着保温时间的延长，网状碳化物逐渐变细。

图3 不同工艺条件下GCr15钢坯边缘部分的金相组织

图4 不同工艺条件下GCr15钢坯中心的金相组织

从凝固过程来看，从GCr15钢液冷却开始，首先沿液相线结晶有高纯度的初晶，周边形成树枝状结晶，在凝固界面上，元素成分浓缩了的钢液在树枝间隙形成树枝状偏析，最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。这是由于轴承钢含碳量在1.0%左右，是过共析钢，浇铸时一次碳化物(Fe3C)产生枝晶偏析。且轴承钢中含铬量约为1.5%，合金元素铬比基体更容易和碳结合，生成合金碳化物，使得碳在基体中的分布更加不均匀，富集于碳化物形成元素的分布地带，或者是富集于某些特殊地带，如晶界等处。

在热加工时树枝状偏析被拉伸形成带状偏析，共晶碳化物以大块状态残留下来，两者均对钢的强度有所影响，因此，于固相线以下的温度长时间保温，进行均热扩散处理，消除大块共晶碳化物，并减轻树枝状偏析。当对大方坯进行热处理时，靠近边缘的部分加热升温较快且温度较中心部位要高，获得的扩散时间较长，大块碳化物开始溶解而形成多数成团的粒状物，中心部位在碳化物溶解扩散过程变成细薄的带状或网状。

大方坯生产GCr15钢时碳化物的析出情况见表3。可以看出，3种不同工艺进行高温扩散后，偏析为0.5级，碳化物液析均达到了0.5级，显微组织观察发现存在TiN颗粒，需要进一步改善轴承钢原料结构，避免大量Ti元素的带入，导致形成类似液析的TiN颗粒。带状碳化物在1.0～2.5级之间，随着加热时间的增加没有明显的改善。但相对于160 mm×160 mm小方坯产生的偏析、碳化物液析、带状及网状均有不同程度降低，满足了国家标准对GCr15钢的要求。

表3 大方坯生产GCr15钢碳化物的析出情况

2.3 GCr15钢高温扩散系数

钢坯在炼钢浇铸过程中形成的不均匀的碳化物，可以通过轧制工序的加热高温扩散来缓解或消除。而高温扩散的主要影响因素是加热温度与保温时间，通常情况下，加热温度越高，保温时间越长，则高温扩散效果越好。但加热时间长会导致生产效率降低；加热温度太高会导致设备或质量事故。因此确定合理的加热温度和保温时间是保证钢坯充分扩散的必要保证。通过理论测算得出的GCr15钢坯在不同温度下的碳扩散系数近似值见表4。

表4 不同温度下GCr15钢的碳扩散系数

由表4可以看出，扩散系数受加热温度的影响较大，加热温度越高，扩散系数越大，扩散效果越好。加热温度从1 180 ℃增至1 260 ℃时，扩散系数增加近1倍。

3 结论

(1)GCr15轴承钢通过开坯加热炉高温扩散，采用1250℃加热保温2h，其坯检、轧材碳化物液析和碳化物带状均能够满足GB/T 18254—2002标准的要求，解决了目前轧材中碳化物超标的问题。

(2)碳化物带状级别偏高，虽然满足国家标准的要求，但还需要进一步改进，以满足高档轴承钢生产的需要。