連鑄軸承鋼偏析和凝固組織缺陷的成因及其危害

宗男夫，張慧，劉洋，李鵬飛，王明林

（鋼鐵研究總院 a.連鑄技術國家工程研究中心，b.先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京 100081）

高端軸承的高可靠性和安全性對軸承用鋼提出了高品質、高可靠性和長壽命的要求，但國內鋼材產品質量多處在較低檔次，缺乏名牌產品競爭力[1]。大部分特殊鋼企業沒有完全掌握生產均質化高致密度軸承鋼的關鍵工藝技術。由于高碳鉻軸承鋼連鑄方坯斷面特征，鑄坯內部極易產生中心疏松、V形偏析、中間裂紋等缺陷[2]。因此，軸承鋼連鑄坯尚不能滿足一些高端領域軸承用鋼的要求[3-5]。鑄坯缺陷在后續軋制過程沒有有效消除或減輕，將降低最終軸承產品的疲勞服役使用壽命[6-9]。為改善軸承鋼方坯的內部質量，保證內部高致密度和均勻性，研究軸承鋼全流程生產中偏析和組織缺陷演變行為有著重要意義，而目前從缺陷傳遞性角度出發針對鑄坯凝固組織和偏析缺陷對熱軋盤條性能影響的研究還較少。因此，文中建立偏析和凝固組織缺陷從鑄坯至盤條間的傳遞關系，提出了有效消除疏松、中心偏析和裂紋等內部缺陷的冶金工藝方案。

1 軸承鋼冶金缺陷對軸承的危害

高碳鉻軸承鋼有較高的碳、鉻含量，易導致凝固過程連鑄坯內部出現中心疏松和中心偏析缺陷，從而影響軸承的使用性能等。軸承鋼連鑄坯中的柱狀晶與樹枝晶間形成晶間偏析[10]。晶間組織偏析在后續熱軋過程不能完全徹底消除[11-12]，經過深加工并最終傳遞到相關軸承產品，對疲勞服役性能造成不利影響[13-16]。

軸承材料的偏析導致組織分布不均勻，造成接觸過程變形不協調，引起局部應力集中致裂紋產生[17]。軸承使用過程中，表面層的液析碳化物先剝落加劇軸承磨損且成為表面疲勞源，而位于軸承內部的液析碳化物常萌生為疲勞裂紋源[18-21]。

高品質軸承鋼的質量控制目標是獲得高致密度和均勻化連鑄坯，以滿足后續軋制鍛造和熱處理等工序的加工性要求，獲得高品質軸承鋼材。通過分析組織缺陷在全流程軸承鋼生產中的傳遞問題，了解軋材與鑄坯間的位置和形貌關系，從而找到解決生產中遇到的缺陷問題，并加以預防。

2 連鑄軸承鋼偏析組織缺陷的成因及其危害

2.1 偏析組織缺陷內部結構

軸承鋼V形偏析的碳偏析指數高達1.5，是造成液析碳化物和帶狀碳化物缺陷的根本原因[22-23]。V形通道偏析具有2種不同結構，如圖1所示，其中，圖1a通道結構明顯，通道寬度達到1～3 mm，圖1b無法觀察到明顯的偏析通道結構，僅能發現黑色V形偏析條帶。

圖1 GCr15軸承鋼V形通道偏析Fig.1 V-shaped channel segregation of bearing steel GCr15

2.2 偏析組織缺陷的成因

偏析產生的一個重要的原因是由于凝固末期的體積收縮，當凝固收縮產生的應力大于晶粒之間的臨界應力時，形成裂紋，裂紋的擴展形成了V形通道[24]。V形偏析的形成過程如圖2所示，共分為 7個步驟[25-26]。

圖2 凝固過程中V形偏析的形成Fig.2 Formation of V-shaped segregation during solidification process

柱狀晶生長方向朝著鑄坯中心，混晶區域內能夠看到明顯的二次枝晶，其生長方向較為混亂，但整體向鑄坯中心生長。

2.3 偏析組織缺陷的危害

硬度高且脆性大的共晶碳化物，在軸承鋼熱處理過程中易導致裂紋；軸承鋼在接觸應力作用下，位于近表面的共晶碳化物極易剝落而成為疲勞源，而處于次表面的共晶碳化物極易成為裂紋源，裂紋沿著鋼中大顆粒碳化物邊緣萌生并擴展，易導致軸承表面產生疲勞裂紋而失效。

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尺寸較大且形狀不規則的碳化物，在循環載荷作用下易造成區域應力集中，使裂紋迅速萌生及擴展[27]，嚴重損害軸承鋼的疲勞服役性能。軸承鋼凝固過程中成分偏析造成基體中不均勻碳化物分布，先形成的枝晶偏析帶與濃縮鋼液發生進一步共晶反應生成塊狀碳化物。在熱軋后續加工中，共晶塊狀碳化物被壓縮擠壓后呈條狀或鏈狀并沿軋制方向分布產生液析碳化物[28-29]。樹枝偏析帶在冷卻凝固所析出的二次碳化物為帶狀碳化物[30-31]。

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根據建立旱情評價指標體系和發展旱災治理技術的需要以及上述干旱分區的原則，結合淮河流域的相關統計資料，篩選出對流域干旱情況地域分異影響較大的幾個指標，分別為地貌、降雨量、受災率（受旱面積與播種面積之比）、成災比（成災面積與受災面積之比）、耕地有效灌溉率（有效灌溉面積與播種面積之比）、糧食作物占播種面積的比例以及糧食單產量等7項。

軸承鋼在不同工藝條件下熱軋盤條碳化物帶狀圖如圖3所示，高碳軸承鋼壓下操作后可以改善碳化物帶狀組織。軸承鋼在后續軋制過程中碳化物不均勻性嚴重降低軸承的使用性能。帶狀碳化物尺寸大，硬度高，后續熱處理較易發生淬火裂紋[32]。鑄坯的偏析缺陷將傳遞到軋制盤條，導致盤條組織和性能惡化，并最終傳遞到軸承產品。

圖3 不同工藝對熱軋盤條碳化物帶狀的影響Fig.3 Effect of different processes on banded carbide of hot rolled wire rod

壓下量過小無法有效消除V形偏析，而壓下量過大會導致負偏析，易產生內裂紋。為了避免鑄坯內部出現裂紋，就要保證應變小于鑄坯凝固前沿裂紋臨界應變，進而得到保證不產生內部裂紋的最大壓下率及總壓下量。

高、低碳區域的硬度偏差較大，其硬度高于軸承基體組織，在復雜載荷作用下缺陷沿著粗大碳化物組織的邊緣擴展，從而使接觸疲勞壽命下降[35]。碳化物會增大鋼的脆性，損害軸承零件的使用壽命。

3 連鑄軸承鋼凝固組織缺陷的成因及其危害

3.1 凝固組織缺陷內部結構

鋼液凝固過程中，柱狀晶優先生長，隨著鋼液過熱度的不斷降低，柱狀晶不斷向等軸晶轉變，在鑄坯等軸晶區大量聚集形核。當等軸晶區域內固相率較高時，由于新形成的晶粒之間的結合力較小，在凝固收縮的作用下，一方面形成裂紋源并不斷擴展形成通道，另一方面，等軸晶間殘存的少量低熔點富集溶液在凝固收縮的作用下，被擠入V形通道內部形成光滑的通道結構。

GCr15軸承鋼凝固后腐蝕的組織圖如圖4所示，可以看出各凝固組織各區域之間分層明顯，分為激冷層（I區）、柱狀晶（Ⅱ區）、混晶區（Ⅲ區）、中心等軸晶區（Ⅳ區）。在等軸晶區域內有明顯的偏析暗點，并伴隨著嚴重的疏松現象。

高碳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[39]。

田間水量平衡要素觀測包括灌水量、排水量、田間耗水量、滲漏量、蒸發蒸騰量及土壤含水量。灌水量、排水量根據灌、排水前后田間水層深度的差值計算，耗水量由田間水層深度變化獲得，小區安裝有測滲筒觀測田間滲漏量，用逐日田間耗水量減去逐日田間滲漏量即為逐日田間蒸發蒸騰量(又稱為需水量)，具體計算方法見參考文獻[11]。

圖4 GCr15軸承鋼的凝固組織Fig.4 Solidification structure of bearing steel GCr15

在鑄坯內外弧側均存在壓下裂紋區間，等軸晶區域產生的裂紋較柱狀晶區域嚴重。連鑄輕壓下技術可以改善軸承鋼中心縮孔和疏松缺陷，然而壓下后鑄坯內部經常存在裂紋，裂紋大多與拉坯方向垂直，且分布于距表面以下60～70 mm處[36-37]。

軸承鋼凝固末期，大量等軸晶核聚集使得枝晶間混雜部分未凝液相。凝固收縮的作用產生組織體積變化，原始緊密聚集的晶粒被拉開，形成組織局部裂紋源，成為后續軋制過程的裂紋起源。另外，高濃度的鋼液滲入裂紋形成偏析通道。通道偏析已成為高等軸晶率下影響鋼材質量的主要缺陷，中心位置處不僅有多處縮孔，而且在中心線位置處偏析現象嚴重。鑄坯中偏析帶強度高且塑性差，在后續軋制過程中將產生微組織裂紋和孔洞缺陷。軸承鋼的后續軋制生產過程中，軋材缺陷主要起源于連鑄坯中組織缺陷。

圖5 連鑄坯裂紋形貌Fig.5 Crack morphology of continuous casting billet

3.2 凝固組織缺陷的成因

軸承鋼鑄坯典型凝固組織的橫截面如圖6所示，鑄坯邊緣部分致密和均勻性優于中心部位，縮孔和疏松缺陷位于鑄坯中心部位。軸承鋼中碳含量較高，凝固過程易于發生凝固偏析行為，加重方坯的中心縮孔和裂紋。在凝固過程中應提高等軸晶率，降低粗大的柱狀晶。當軸承鋼鑄坯等軸晶率較高時，中心偏析依然無法徹底消除[38]。

圖6 連鑄坯橫截面Fig.6 Cross section of continuous casting billet

教學評價是指依據一定的客觀標準，對教學活動及其結果進行測量、分析和評定的過程。教學評價的功能主要表現在：診斷教學問題、提供反饋信息、調控教學方向、檢驗教學效果。廣義的教學評價包括對教師教學工作的評價和對學生學習結果的評價。本文中筆者討論的教學評價，是指對學生學習結果的評價。

典型的連鑄應變速率條件下，通過統計分析鑄坯凝固前沿裂紋敏感區試驗數據，得出鑄坯內部裂紋臨界應變與碳當量關系如圖7所示[40-41]。隨著鋼中碳含量的增加，臨界應變降低，而軸承鋼中碳含量較高，壓下操作易產生裂紋。

為研究軸承鋼盤條組織缺陷與偏析的關系，要探討軸承鋼盤條軋制全流程的組織和碳化物傳遞行為，如圖8所示。軸承鋼方坯需在加熱爐進行高溫擴散（1 200～1 250℃熱擴散 4～8 h）[42-43]，隨后開坯軋制成小方坯，經過多道軋制成軸承鋼熱軋盤條。

圖7 臨界應變與碳當量的關系Fig.7 Relationship between critical strain and carbon equivalent

在軸承鋼軋制生產過程中，軋材存在的缺陷主要源于鑄坯原有縮孔和偏析缺陷。沿鑄坯柱狀晶和等軸晶界析出的粗大網狀碳化物和液析碳化物，析出的碳化物位置和形貌均與軸承鋼晶界密切相關[33-34]。在凝固過程中應盡量減小柱狀晶，提高等軸晶率。

合理的壓下參數除了應降低中心偏析和疏松外，還應保證鑄坯不產生內裂紋。

3.3 凝固組織缺陷的危害

So by Hurwitz’s Theorem,there exist ζj→ζ0 such that for sufficiently large j we can deduce from (3.1) that

圖8 軸承鋼盤條軋制流程示意圖Fig.8 Diagram of rolling process for bearing steel wire rod

不合適連鑄壓下參數產生的裂紋形貌如圖5所示，裂紋有向2個方向擴展的趨勢，一個是向鑄坯未凝液芯擴展，一個是向鑄坯凝殼方向擴展。

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連鑄坯在軋制成盤條后的組織形貌如圖9所示，鑄坯原始枝晶偏析經均熱處理及熱軋并未消除，其缺陷在盤條中保留下來。柱狀晶向鑄坯中心方向生長，在等軸晶區域內有明顯的偏析暗點，并伴隨著嚴重的疏松現象[44]。

圖9 熱軋盤條組織形貌Fig.9 Morphology of hot rolled wire rod

由圖9可以看出，熱軋盤條存在與原始連鑄坯類似的枝晶偏析組織；局部放大可以看出，熱軋盤條仍然存在線對稱形狀的柱狀晶形貌，由此確定該區域為對應熱軋前方坯的角部區域。

軸承鋼熱軋盤條裂紋主要分布在軸心部位，且盤條裂紋橫穿中心呈直線狀，盤條上存在單條或更多的裂紋缺陷，裂紋呈輕微鋸齒狀[45]。內部裂紋沿原連鑄坯的中心等軸晶區與柱狀晶區產生，可以斷定此裂紋缺陷源于原始鑄坯。連鑄坯與熱軋盤條組織如圖10所示，軸承鋼盤條加熱過程不能徹底地消除高碳軸承鋼連鑄坯凝固過程產生的枝晶偏析。

黨的十八屆三中會全召開后，各級水利部門高度重視，按照水利部的要求和部署，及時組織召開了黨組黨委（擴大）會議、黨員干部大會、專題學習討論會等會議，以各種形式傳達學習習近平總書記在黨的十八屆三中全會上的重要講話和《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》精神，學習領會陳雷部長在水利部黨組中心組（擴大）學習班上的動員講話精神，并就繼續深入學習貫徹黨的十八屆三中全會精神、進一步深化水利改革作出相關部署。

圖10 盤條熱軋前后組織示意圖Fig.10 Structure diagram of wire rod before and after hot rolling

在熱軋過程中，鑄坯角部柱狀晶經過多道次熱變形軋制后，連鑄坯角部形狀由方形軋制為近圓形，鑄坯角部區域柱狀晶受到熱軋擠壓彎曲變形，經多道次軋制后形成如圖10b所示的組織結構。鑄坯經均熱處理及熱軋并未消除原始內部裂紋，在熱軋交變載荷作用下，盤條內部更易出現內部裂紋及其擴展，其缺陷在盤條中保留下來。

4 改善軸承鋼鑄坯組織缺陷的工藝措施

基于全流程軸承鋼連鑄坯凝固組織和碳化物分布傳遞性規律，以滿足軸承極端苛刻的服役環境為要求，為提升國內軸承鋼生產水平。從冶金角度提出幾個優化鑄坯偏析和組織缺陷的具體措施。

4.1 控制等軸晶區大小及等軸晶率

形狀復雜的等軸晶抑制枝晶間隙富集溶質的液相流動，可部分減輕偏析缺陷。粗大的等軸晶導致成分部分不均，提高等軸晶率可以進一步縮小晶粒間隙，消除等軸晶區域V形偏析。合理增加等軸晶區域可以降低偏析區域的偏析比，如電磁攪拌技術可使鋼液沖刷初生凝固坯殼，有效打碎結晶期初生凝固產生的枝晶組織并成為等軸晶形核的核心，加快并擴大鑄坯等軸晶區域；低過熱度澆注以及在鋼液中加入形核劑均可以細化等軸晶率。但由于等軸晶與柱狀晶熱物性存在差異性，過大的等軸晶區域和等軸晶率易導致A型通道偏析行為惡化，等軸晶區與柱狀區邊界易出現裂紋。

4.2 凝固末端壓下技術

凝固末端壓下技術[46]是解決鑄坯偏析的有效措施，以補償凝固過程的體積收縮，減輕鑄坯枝晶間溶質鋼液流動，達到部分降低通道偏析、中心偏析和疏松的目的。鑄坯凝固末端重壓下技術是改善高品質軸承鋼中心鑄坯致密性和均質性的有效措施，可以徹底消除鑄坯偏析缺陷，并可以有效焊合內部縮孔缺陷。軸承鋼鑄坯組織中的差異會延續到最終軸承產品，并會在碳化物顆粒粒度和組織分布上體現出來。因此對軸承鋼鑄坯組織和偏析缺陷進行合理精細化控制是提高軸承疲勞服役性能的有效途徑。

4.3 均勻化擴散退火工藝

軸承鋼中碳和鉻同時偏析，增大共晶碳化物形成趨勢，鑄坯中大顆粒共晶碳化物需在高溫長時間保溫以使偏析組織均勻化，即均勻化退火或擴散退火。確定合理的均勻化退火溫度和時間可保證完全消除大塊狀碳化物。

5 結束語

軸承用鋼鑄坯溶質偏析、碳化物均勻性及凝固組織控制是保證軸承高品質、高可靠性和長壽命要求的關鍵。連鑄凝固過程形成的枝晶偏析和組織缺陷在熱軋前的加熱處理工藝中并不能得到徹底消除，其偏析和組織形貌會傳遞到熱軋盤條中，并最終傳遞到軸承相關產品，對疲勞服役性能造成不利影響。充分認識冶金缺陷傳遞規律的成因和危害，嚴格實施鑄坯工藝的改善措施，對軸承鋼質量水平地提高大有裨益。