宗男夫，張慧，劉洋，王明林

（鋼鐵研究總院 a.連鑄技術(shù)國(guó)家工程研究中心；b.先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

軸承的高可靠性和長(zhǎng)壽命對(duì)軸承用鋼提出了高致密性和均質(zhì)性的要求。國(guó)內(nèi)特殊鋼企業(yè)眾多，但鋼材產(chǎn)品質(zhì)量處于較低檔次，缺乏名牌產(chǎn)品及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，僅有少數(shù)企業(yè)得到世界著名軸承公司的認(rèn)證，而大部分特殊鋼企業(yè)沒(méi)有掌握控制均質(zhì)化和致密化的關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)致軸承鋼為低附加值產(chǎn)品。因此，實(shí)現(xiàn)高端軸承用鋼材的國(guó)產(chǎn)化，并發(fā)展國(guó)內(nèi)高端領(lǐng)域軸承配套產(chǎn)品成為熱點(diǎn)攻關(guān)問(wèn)題。

由于高碳鉻軸承鋼連鑄方坯內(nèi)部極易產(chǎn)生中心疏松、V形偏析、中間裂紋等缺陷，軸承鋼連鑄坯尚不能滿足一些高端領(lǐng)域軸承用鋼的要求[1-2]。為改善軸承鋼方坯的內(nèi)部質(zhì)量，保證內(nèi)部高致密度和均勻性，連鑄凝固末端輕壓下技術(shù)得到應(yīng)用，以提高鑄坯致密度和均質(zhì)性。凝固末端重壓下技術(shù)在日本和韓國(guó)等高端特殊鋼企業(yè)研發(fā)成功并用于生產(chǎn)，達(dá)到徹底消除疏松、中心偏析和中心縮孔等內(nèi)部缺陷。因此，文中介紹了壓下技術(shù)在高品質(zhì)軸承鋼均質(zhì)性及致密度的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

1 高品質(zhì)軸承用鋼

高碳鉻軸承鋼有較高的碳、鉻含量，易導(dǎo)致凝固過(guò)程連鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)中心縮松和中心偏析缺陷，從而影響軸承的使用性能。高品質(zhì)軸承鋼的質(zhì)量控制目標(biāo)是為獲得高致密度和均質(zhì)性連鑄坯，以滿足后續(xù)軋制鍛造和熱處理等工序的加工性要求。制造高端軸承用鋼的主要代表鋼種及其特性、用途見(jiàn)表1。

表1 軸承用代表鋼種及其特性、用途[3-10]Tab.1 Representative bearing steel and its characteristics and application

2 GCr15軸承鋼連鑄坯典型缺陷

在軸承鋼軋制生產(chǎn)過(guò)程中，軋材存在的缺陷主要源于鑄坯原有縮孔和偏析缺陷。軸承鋼GCr15鑄坯典型V形偏析的縱截面和橫截面低倍形貌如圖1所示。沿拉坯方向在鑄坯中心斷續(xù)分布著中心縮孔缺陷，在凝固過(guò)程中應(yīng)盡量減小柱狀晶，提高等軸晶率；但在高等軸晶率情況下，中心偏析依然存在。作為中心偏析的一種，V形偏析嚴(yán)重影響鋼鐵質(zhì)量。

圖1 GCr15軸承鋼V形偏析Fig.1 V-shaped segregation of bearing steel GCr15

V形偏析已成為高等軸晶率下影響鋼材質(zhì)量的主要缺陷，橫向截面呈現(xiàn)出良好的鑄坯質(zhì)量，而實(shí)際上如果對(duì)連鑄坯進(jìn)行縱向切割，則會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部特別是中心線位置處質(zhì)量很差：中心位置處不僅有多處縮孔，而且在中心線位置處偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。

GCr15軸承鋼凝固后腐蝕的組織形貌如圖2所示，可以看出：凝固組織各區(qū)域之間分層明顯，分為激冷層（I區(qū)）、柱狀晶（Ⅱ區(qū)）、混晶區(qū)（Ⅲ區(qū)）、中心等軸晶區(qū)（Ⅳ區(qū)）。柱狀晶生長(zhǎng)方向朝著鑄坯中心，基本垂直于結(jié)晶器壁，混晶區(qū)域內(nèi)能夠看到明顯的二次枝晶，其生長(zhǎng)方向較為混亂，但整體向鑄坯中心生長(zhǎng)；在等軸晶區(qū)域內(nèi)有明顯的偏析暗點(diǎn)，并伴隨嚴(yán)重的疏松現(xiàn)象。

圖2 GCr15軸承鋼的凝固組織Fig.2 Solidification microstructure of GCr15 bearing steel

連鑄輕壓下參數(shù)不合適而產(chǎn)生的裂紋形貌如圖3所示，裂紋有向2個(gè)方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，一個(gè)是向鑄坯未凝液芯擴(kuò)展，一個(gè)是向鑄坯凝殼方向擴(kuò)展。

圖3 連鑄坯縱向內(nèi)部裂紋形貌Fig.3 Morphology of internal cracks along longitudinal section of continuous casting

3 連鑄輕壓下技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

軸承鋼連鑄在過(guò)程中在鋼坯凝固末端位置實(shí)施合理輕壓下能夠補(bǔ)償糊狀區(qū)的凝固收縮量，可以有效降低鑄坯內(nèi)部中心縮松和中心偏析量，因此，輕壓下技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外特殊鋼企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其中日本新日鐵公司，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司，中國(guó)湖北新冶鋼有限公司、東北特殊鋼集團(tuán)公司、本溪鋼鐵集團(tuán)公司等應(yīng)用比較成功。表2為典型特殊鋼企業(yè)軸承鋼及高碳鋼的輕壓下控制參數(shù)及應(yīng)用效果[11-22]。

表2 高碳鋼輕壓下參數(shù)及應(yīng)用Tab.1 Application and parameters of soft reduction on high carbon steel

高碳鉻軸承鋼中碳含量高，鑄坯的兩相區(qū)較長(zhǎng)且寬，從而易導(dǎo)致中心偏析、縮孔和疏松等缺陷[21]，軸承鋼連鑄壓下技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)特殊鋼企業(yè)得到應(yīng)用，但并沒(méi)有掌握關(guān)鍵控制技術(shù)，由于壓下參數(shù)不合理不但沒(méi)有降低鑄坯中心疏松縮孔和偏析，還使得鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生裂紋[19]。

連鑄坯的糊狀區(qū)存在3個(gè)主要區(qū)域（圖4）：糊狀區(qū)A固相率較低，枝晶間鋼液能夠自由流動(dòng)，鋼液中溶質(zhì)成分分布較均勻，基本不存在元素偏析；糊狀區(qū)B鋼液流動(dòng)性降低，且只能在粗大的枝晶間部分流動(dòng)，溶質(zhì)富集形成偏析；糊狀區(qū)C內(nèi)鋼液進(jìn)一步凝固收縮得不到補(bǔ)充，形成鑄坯內(nèi)部疏松和縮孔缺陷。因此，改善鑄坯內(nèi)部疏松和縮孔缺陷，提高致密性應(yīng)該在C區(qū)進(jìn)行壓下，而降低偏析應(yīng)該在B區(qū)實(shí)施壓下。

通過(guò)理論分析得到改善鑄坯偏析的合理壓下區(qū)間時(shí)中心固相率為0.3～0.7，對(duì)于高碳軸承鋼合理壓下區(qū)間的中心固相率為0.2～0.9[22]。根據(jù)連鑄壓下裂紋的產(chǎn)生機(jī)理[23-24]，將鑄坯凝固前沿劃分為液相補(bǔ)縮區(qū)（固相率為0.4～0.9）和裂紋產(chǎn)生區(qū)（固相率為0.90～0.99）。液相補(bǔ)縮區(qū)裂紋會(huì)被鋼液填充，而裂紋產(chǎn)生區(qū)的裂紋由于枝晶臂的阻隔使液相不能填充，導(dǎo)致內(nèi)部裂紋會(huì)被保留，該分界點(diǎn)固相率的溫度定義為L(zhǎng)IT。Won等[25]將 LIT～ZDT（Zero Ductility Temperature，零塑性溫度）定義為裂紋敏感期區(qū)如圖5所示。在此區(qū)間內(nèi)鑄坯具有一定強(qiáng)度，但卻無(wú)延展變形能力，因此輕壓下應(yīng)該避開(kāi)裂紋敏感區(qū)以避免中心裂紋的形成。

圖5 連鑄坯凝固前沿力學(xué)性能的示意圖Fig.5 Diagram of mechanical properties of solidification front of continuous casting

典型的連鑄應(yīng)變速率條件下，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析鑄坯凝固前沿裂紋敏感區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出鑄坯內(nèi)部裂紋臨界應(yīng)變與碳當(dāng)量關(guān)系[26-27]，如圖6所示。隨著鋼中碳含量的增加，臨界應(yīng)變降低，而軸承鋼中碳含量較高時(shí)壓下操作易產(chǎn)生裂紋。

圖6 臨界應(yīng)變與碳當(dāng)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between critical strain and carbon equivalent

鑄坯壓下操作參數(shù)對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量的影響如圖7所示。當(dāng)壓下量過(guò)小情況下無(wú)法有效消除V形偏析，而壓下量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致負(fù)偏析易產(chǎn)生內(nèi)裂紋。為了避免鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，就要保證應(yīng)變小于鑄坯凝固前沿裂紋臨界應(yīng)變，進(jìn)而得到保證不產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的最大壓下率及總壓下量。合理的壓下參數(shù)除了應(yīng)降低中心偏析和疏松外，還應(yīng)保證鑄坯不產(chǎn)生內(nèi)裂紋。

圖7 壓下參數(shù)對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的影響Fig.7 Effect of reduction parameters on internal quality of casting blank

4 連鑄重壓下技術(shù)研究進(jìn)展

鑄坯邊角部的壓下變形抗力大，常規(guī)的小壓下量模式的輕壓下連鑄工藝已無(wú)法穩(wěn)定有效地控制中心偏析和縮孔缺陷，所以不能實(shí)現(xiàn)鑄坯凝固末端擠壓出富集溶質(zhì)的鋼液和有效補(bǔ)償凝固收縮的效果[18]。使用常規(guī)小壓下量連鑄技術(shù)，尚無(wú)法有效生產(chǎn)大斷面軸承鋼均質(zhì)化、高致密度的連鑄坯。連鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)利于在高溫、高壓條件下焊接中心疏松、縮孔、內(nèi)裂等缺陷。

4.1 連鑄凸型輥壓下技術(shù)

連鑄壓下技術(shù)用壓輥的形狀結(jié)構(gòu)影響壓下質(zhì)量，壓輥結(jié)構(gòu)如圖8所示（圖中D，d表示鑄坯抵抗阻力的厚度）。平型輥在特殊鋼企業(yè)應(yīng)用最廣泛。凸型輥可將壓下力集中在鑄坯寬面中心區(qū)域，有效避開(kāi)已凝固邊部凝固坯殼，使得壓下變形沿寬度方向均勻分布，鑄坯中心區(qū)域液芯可以受到有效擠壓，達(dá)到提高壓下質(zhì)量的目的[28]。其中，凸臺(tái)形凸型輥兩側(cè)邊緣區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，操作不當(dāng)易造成表面深壓痕并降低凸輥使用壽命；漸變曲率形凸型輥通過(guò)優(yōu)化平輥段和凸起段參數(shù)可以有效減輕凸臺(tái)邊緣應(yīng)力集中，同時(shí)提高壓下輥使用壽命[29-30]。

圖8 壓輥結(jié)構(gòu)示意Fig.8 Structure diagram of press roller

4.2 鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)

川崎制鐵采用連續(xù)鍛壓技術(shù)（圖9），安裝一對(duì)砧板對(duì)大方坯鑄坯實(shí)施連續(xù)鍛壓，改善鑄坯中心偏析和疏松[31]，日本新日鐵研發(fā)出重壓下技術(shù)（NS Bloom Large Reduction），采用大輥徑凸輥對(duì)初始凝固狀態(tài)的方坯施加大壓下量，消除鑄坯中心疏松和縮孔，提高軋材的探傷合格率[32]。

圖9 連續(xù)鍛壓過(guò)程示意圖Fig.9 Diagram of continuous forging process

日本住友金屬采用PCCS（Porosity Control of Casting Slab）技術(shù)，施加大壓下量于鑄坯心部易變形的區(qū)域（圖10）[33-34]，顯著提高鑄坯致密度和均質(zhì)性。韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵開(kāi)發(fā)出PosHARP技術(shù)[35]，在鑄坯凝固中期采取大量壓下輥進(jìn)行大壓下率壓下操作，將鑄坯中心部位富集溶質(zhì)的鋼液沿中心線擠壓出將鋼液均勻化。

圖10 重壓下 PCCS示意圖Fig.10 Diagram of PCCS heavy reduction technology

4.3 連鑄單輥重壓下技術(shù)

對(duì)于180mm×180mm斷面小方坯，采用重壓下技術(shù)（單輥壓下量5～20 mm），能顯著提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，消除縮孔、改善疏松和偏析，提高鑄坯中心致密度，且不容易產(chǎn)生壓下裂紋[36-37]。然而，大方坯軸承鋼尚沒(méi)有采用重壓下技術(shù)的報(bào)道。由于大方坯有效壓下區(qū)域較小，邊角區(qū)域溫度過(guò)低，壓下抗力較大難以實(shí)施有效大壓下量操作。

單輥不同壓下量下鑄坯低倍形貌如圖11所示，隨著單輥壓下量的增大，鑄坯中心縮孔和疏松得到明顯改善：當(dāng)單輥施加17 mm壓下量后，鑄坯中心縮孔完全消除而且沒(méi)有出現(xiàn)內(nèi)部裂紋。軸承鋼連鑄單輥重壓下能改善鑄坯中心組織、致密度，減少內(nèi)部缺陷，為后續(xù)軋制工序提供良好條件。

圖11 單輥重壓下對(duì)縮孔和疏松的影響Fig.11 Influence of heavy reduction with single roller on shrinkage carity and porosity

4.4 鑄坯兩段式重壓下技術(shù)

鑄坯凝固末端，鑄坯液芯與表面溫差達(dá)500℃以上，壓下效率遠(yuǎn)超過(guò)粗軋階段（粗軋使用均溫鑄坯），此階段可以實(shí)現(xiàn)鑄坯內(nèi)部縮孔的焊合，細(xì)化心部晶粒的作用[38-39]。第一階段壓下位置為鑄坯未完全凝固區(qū)間，有效改善鑄坯偏析缺陷，第二階段壓下位置為完全凝固區(qū)間，改善鑄坯中心縮孔，提高鑄坯均質(zhì)性和致密度，第二階段總壓下量為15～20 mm。連鑄兩段式重壓下采用總壓下量達(dá)25 mm以上的壓下制度，壓下量遠(yuǎn)大于常規(guī)輕壓下操作，從而達(dá)到良好的焊合內(nèi)部縮孔的工藝效果。

4.5 小結(jié)

連鑄重壓下技術(shù)不僅是輕壓下技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也是軋制技術(shù)在連鑄階段的延伸，鑄坯的溫度分布特性不同于軋制工藝，由于鑄坯心部溫度較高，更有利于產(chǎn)生變形，從而優(yōu)于軋制的效果。不僅利于改善軸承鋼內(nèi)部質(zhì)量，并且有利于生產(chǎn)流程的重新優(yōu)化?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，應(yīng)用凸型輥實(shí)施大方坯凝固末端單輥重壓下技術(shù)和兩段式重壓下技術(shù)是未來(lái)軸承鋼施加連鑄大壓下量的研究方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

軸承用鋼鑄坯中心疏松、溶質(zhì)偏析及碳化物均勻性控制是保證高品質(zhì)軸承鋼質(zhì)量的關(guān)鍵。要降低鑄坯溶質(zhì)偏析，可在鑄坯凝固末端施加壓下操作。通過(guò)理論分析得到改善高碳軸承鋼合理壓下區(qū)間的中心固相率為0.2～0.9，鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)是改善高品質(zhì)軸承鋼中心鑄坯致密性和均質(zhì)性的有效措施，但由于大方坯凝固液芯為近圓形，有效壓下區(qū)域較小，鑄坯邊角區(qū)域溫度偏低，壓下抗力較大，難以實(shí)施有效大壓下量操作。應(yīng)用凸型輥實(shí)施大方坯凝固末端單輥重壓下技術(shù)和兩段式重壓下技術(shù)是未來(lái)軸承鋼施加連鑄大壓下量的研究方向。