加热制度对GCr15钢碳化物液析和带状的影响

贾大海¹，刘超群²，马丙涛²，张迎秋²

（1.技术中心；2.特钢事业部）

　　摘　要：以GCr15钢的碳化物液析、碳化物带状级别为突破口，结合现场工艺条件，调整轴承钢加热工艺，完善轴承钢的加热制度，并对调整完善后的效果进行对比分析，确定较为合理的轴承钢加热工艺参数。

　　关键词：GCr15；加热制度；碳化物液析；碳化物带状

　　0　前言

　　加热是GCr15轴承钢生产过程中极其关键的一道工序，它不仅要把连铸坯均匀加热到规定的温度，为轧制提供良好的组织和塑性条件，而且还要在加热过程中施行扩散退火，降低钢中的树枝状偏析程度，以达到消除碳化物液析、改善碳化物带状和碳化物网状不均匀性的目的^[1]。加热温度、加热速度和保温时间是一个加热过程中的关键工艺参数，它不仅要保证钢锭不过烧，而且还要保证加热过程有良好的扩散退火效果。加热温度决定了扩散速度，而保温时间则影响扩散的效果^[2]。因此对特钢事业部的轴承钢加热制度、加热时间以及产品的碳化物液析、碳化物带状级别进行调查分析，完善轴承钢的加热制度，并对完善后的效果进行分析。通过生产现场不同生产工艺参数下液析、带状级别的对比，确定较为合理的轴承钢生产工艺参数。

　　1　原始工艺

　　1.1加热制度

　　对11月10日～11日生产的轴承钢进行了跟踪调查，生产规格为φ30mm、φ35mm和φ45mm圆钢，共生产13炉。加热温度和保温时间见图1和图2。
　　图1是车间加热炉仪表显示的生产轴承钢时的温度曲线，图中几个较低的温度段是因为停车换辊和处理事故引起的，加热段平均温度1130℃。

　　图2是按炉统计的加热时间，除炉在炉时间较长外，其余都低于4h，平均的加热时间3h 50min（从装炉到出炉）。

　　1.2理化检验

　　钢材按GB/T18254-2002进行检验，碳化物带状能够满足不大于3.0级的标准要求，但级别还是偏高，碳化物液析很难满足不大于2.0级的要求，按炉数统计，13炉只有7炉合格，合格率只有54%。

　　1.3数据分析

　　根据以上的调查结果可以看出，生产轴承钢的加热温度控制偏低，加热段平均温度只有1130℃，在此温度下，大块的液析还未完全溶解，液析级别大都在1.0～2.5级，甚至更高。碳化物的高温扩散效果也不理想，存在碳化物的高浓度区，轧制之后室温下的带状组织级别一半左右在2.0～3级之间。

　　针对这一调查结果，有必要对轴承钢的加热制度进行适当调整，提高加热温度，延长加热时间，使液析和带状级别合格率提高。

　　2　工艺调整

　　调整目前的加热工艺，提高加热温度，延长加热时间。检测工艺调整后的液析、带状级别，和调查的工艺和检验结果进行对比，验证工艺调整后的效果。

　　具体的实验方案为：将现有的加热段温度调到1200℃以上，加热时间延长到4h，检验轴承钢的液析和带状级别。

　　2.1加热制度

　　加热温度，在原来的基础上提高100℃，加热时间在原来的基础上再延长1h，平均加热时间接近5h，使得连铸坯在加热段内高温扩散的时间超过2h。

　　2012年2月份生产轴承钢时，按新制定的加热制度调整了加热工艺。生产时间为2012年2月16日夜班～17日白班，生产轴承钢15炉，产品规格为φ40mm、φ45mm、φ35mm。加热温度和保温时间见图3和图4。

　　图3是本次生产轴承钢时采集的温度曲线。图中较低的两个温度段是由于煤气波动，热值和压力低造成的，属不正常的温度状态。温度控制范围在1200～1280℃之间，加热段平均温度1230℃。

　　图4是按每炉分别统计的加热时间，绘制而成的加热时间曲线，平均加热时间为4h 50min。

　　由图3和4的加热温度和加热时间曲线可以看出：平均的加热温度和加热时间均符合加热制度要求，加热温度除因外部环境影响外，其它时段温度全部在1200℃以上，加热时间除Z后1炉略低于4.5h外，其它炉次全部在4.5h以上。

　　2.2理化检验

　　钢材按GB/T18254-2002进行检验，碳化物带状能够满足不大于3.0级的要求，级别在1级左右，碳化物液析全部是0.5级以下，完全满足不大于2.0级的要求，按炉数统计，带状和液析全部合格，合格率100%。

　　3　对比分析

　　通过以上数据来看，加热制度实施的适当调整是有效的，通过理化检验数据碳化物网状级别绘制的柱状图进行对比：调整加热工艺后碳化物带状级别有所下降，由原来的平均1.7级，下降到平均0.7级。工艺调整前，带状级别能控制到3级以下；工艺调整后，带状级别能控制到完全1.5级以下。调整前后柱状对比见图5。

　　通过理化检验数据碳化物液析级别绘制的柱状图进行对比：调整工艺后液析级别下降明显，由原来的平均2级左右，下降到0.5级以下；按炉数统计，液析合格率由54%提高到100%。工艺调整后，液析级别完全能控制在GB/T18254-2002要求的不大于2.0级的要求范围内。调整前后柱状对比图见图6。

　　由于工艺调整前的加热制度是按照生产普通合结钢的加热制度制定的，即加热温度1100℃左右，加热时间2.5～3h。从工艺调整前后的结果对比可以看出，这样的加热制度下，对GCr15轴承钢的液析、带状改善程度较小，带状级别偏高，液析级别难以控制。

　　GCr15轴承钢在凝固过程中都不同程度存在着宏观和微观偏析，铁铬碳三元合金会产生碳化物，这和其它的合金钢还是有所区别的。具有严重树枝状偏析的连铸坯如果在加热过程中没有得到充分的扩散，共晶碳化物没有被溶解，那么保留在钢中的共晶碳化物在随后的轧制过程中将会被破碎成不规则的角状小块，沿着轧制延伸方向分布，成为“碳化物液析”。如果加热过程中的扩散退火仅仅使共晶碳化物溶解，而碳、铬等碳化物形成元素没有充分地扩散均匀，那么经过轧制之后高浓度区会被拉长成带，冷却后由高浓度带中又会析出大量的二次碳化物颗粒，即“碳化物带状”组织，在500倍下的带状图片，可清晰看到碳化物颗粒。所以，在生产过程中，就需要对加热工艺采取必要的扩散处理措施，降低钢中的树枝状偏析程度，以达到消除碳化物液析、改善碳化物带状的目的。

　　偏析元素在高温下的扩散过程随着温度升高而急剧地加速。所以，从提高扩散速度的角度考虑，高碳铬轴承钢钢锭的加热温度应该尽量提高。加热温度只决定了扩散速度，而扩散的效果还要取决于扩散时间。连铸坯在高温下保温时间愈长，扩散效果愈好，钢中树枝状偏析程度也就会愈低。用在高温长时间保温后的连铸坯生产出来的钢材，碳化物不均匀性必然很小。

　　按实验时制定的加热制度实验后，实际控制情况：加热温度提高了大约140℃，加热时间延长了近两小时。结合检验结果可以看出，新的加热制度下，已看不到明显的液析，带状级别下降了1级左右。

　　说明高温长时间的加热，已使连铸坯的树枝状偏析得到了溶解，碳、铬等碳化物形成元素的扩散均匀程度有了一定的改善。在成本可承受的情况下，新的加热制度可用于大规模生产，轴承钢的碳化物带状和液析可得到有效控制。

　　4　结语

　　1）GCr15轴承钢的原加热工艺是参照按普通合金钢的加热制度，即加热温度1130～1200℃，加热时间3h，生产GCr15轴承钢连铸坯，碳化物带状级别虽在标准要求范围内，但级别偏高，碳化物液析级别存在一半左右的无法控制在标准要求的范围内。

　　2）在连铸坯现有的质量状况下，唯有进一步提高加热温度、延长保温时间，才能使碳化物带状和碳化物液析有所改善。

　　3）结合车间加热炉的加热能力，将加热温度调整到1200～1280℃，加热时间接近5h，可使带状级别控制到2级以下，使碳化物液析得到消除。

　　参考文献

　　[1]蔡乔方，主编.加热炉.北京：冶金工业出版社，1989.

　　[2]钟顺思，王昌生.轴承钢.北京：冶金工业出版社，2000.
 

来源：《莱钢科技》第4期