改善GCr15軸承鋼酸蝕低倍質(zhì)量的生產(chǎn)實踐

韓懷賓 李永超 萬長杰 虞學慶 趙憲明

(1東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室；2 河南濟源鋼鐵(集團)有限公司)

改善GCr15軸承鋼酸蝕低倍質(zhì)量的生產(chǎn)實踐

韓懷賓1.2李永超2萬長杰2虞學慶2趙憲明1

(1東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室；2 河南濟源鋼鐵(集團)有限公司)

針對濟源鋼鐵GCr15軸承鋼棒材橫截面酸蝕孔洞較嚴重的問題，分析酸蝕孔洞的成因。分析表明，貧鉻區(qū)域抗酸蝕能力弱，優(yōu)先形成孔洞，而成分偏析和網(wǎng)狀碳化物的析出是造成鉻元素分布不均的主要原因。為此，在實際生產(chǎn)中延長開坯加熱時間和投用超快冷設備，最終酸蝕孔洞缺陷得到明顯改善。

酸蝕孔洞 貧鉻區(qū)偏析 網(wǎng)狀碳化物 超快冷

0 前言

在特殊鋼生產(chǎn)中，采用酸蝕低倍檢驗技術(shù)對鋼材質(zhì)量進行檢測分析，同時，均勻致密的低倍組織也是提高鋼材性能的基本保證。關(guān)于提高軸承鋼的抗酸蝕性能國內(nèi)外已有一些研究。邢鋼[1]通過對成品材高溫擴散實驗得出高溫擴散可以明顯改善熱軋盤條的低倍組織孔洞缺陷的結(jié)論。國外[2]研究了熱處理對52100鋼酸蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)回火處理可以降低腐蝕速率?，F(xiàn)有研究都集中在采用后期熱處理提高軸承鋼的抗酸蝕性能，并未對軸承鋼酸蝕原因深入研究，并且利用經(jīng)濟有效的在線生產(chǎn)提高軸承鋼抗酸蝕性能的研究報道未曾出現(xiàn)。

本工作針對濟源鋼鐵(以下簡稱“濟鋼”)GCr15軸承鋼棒材酸洗后橫截面存在孔洞較嚴重的問題，從電化學腐蝕原理出發(fā)，分析酸蝕孔洞的成因，通過優(yōu)化在線生產(chǎn)工藝，提高軸承鋼棒材的抗酸蝕性能。

1 酸蝕的原理

酸蝕低倍檢驗采用的試劑是體積分數(shù)1∶1的HCl和水混合溶液，加熱到70 ℃～80 ℃，酸洗保溫30 min。

當有液體(水)存在即電解質(zhì)溶液接觸的腐蝕過程為電化學腐蝕。腐蝕發(fā)生時，金屬原子在陽極區(qū)失去電子，腐蝕介質(zhì)的分子在陰極得到電子，并且伴有電流產(chǎn)生。

陽極過程：[ne-·Mn+] →[Mn+]+[ ne-](金屬溶解并以離子形式進入溶液，同時把等當量的電子留在金屬中)

陰極過程：[D]+[ne-]→[D·ne-](從陽極遷移過來的電子被電解質(zhì)溶液中能夠吸收電子的物質(zhì) D 所接受)

金屬的電化學腐蝕的實質(zhì)就是在浸入電解質(zhì)溶液的金屬表面上形成了腐蝕原電池。影響腐蝕原電池的因素眾多，如電解質(zhì)的化學性質(zhì)、環(huán)境因素(溫度、壓力、流速等)、金屬的特性、表面狀態(tài)及其組織結(jié)構(gòu)和成分的不均勻性、腐蝕產(chǎn)物的物理化學性質(zhì)等。

2 GCr15軸承鋼酸蝕孔洞的影響因素分析

GCr15軸承鋼的化學成分見表1。

表1 GCr15軸承鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

高碳鉻軸承鋼中主要元素Fe、Cr、Si、Mn、C，除組成化合物外，剩余元素固溶于基體中。酸蝕過程中，固溶的金屬原子在陽極區(qū)失去電子，腐蝕介質(zhì)的分子在陰極得到電子，產(chǎn)生電化學腐蝕。這些固溶的金屬元素中Cr的抗腐蝕能力最強[3-6]，基體抗酸蝕程度的差異導致了不同位置酸蝕速率的變化，在貧鉻區(qū)酸蝕速率較快，孔洞優(yōu)先形成，隨著酸蝕過程的繼續(xù)，孔洞的數(shù)量逐漸增加，尺寸也逐漸增大。

高碳鉻軸承鋼在凝固過程中，都不同程度存在著宏觀和微觀偏析。連鑄坯在加熱時是珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，伴隨著碳化物的擴散和溶解過程。鉻元素的擴散速率相對較慢，局部區(qū)域會存在鉻元素的成分偏析，貧鉻的區(qū)域抗酸蝕能力弱，會優(yōu)先被腐蝕。軋制完成后，高碳鉻軸承鋼在緩慢冷卻過程中，奧氏體中碳的溶解度隨著溫度的降低而減少，過剩的碳將以鐵鉻碳化物的形式沿奧氏體晶界呈骨骼狀析出，有文獻指出，網(wǎng)狀碳化物的成分為(Fe，Cr)23C6[7]，含鉻碳化物的析出造成了網(wǎng)狀碳化物周圍基體貧鉻，如圖1(a)所示。因網(wǎng)狀碳化物的析出，基體不同位置固溶的鉻元素含量存在差異，貧鉻區(qū)酸蝕速率較快，孔洞優(yōu)先形成，隨著尺寸變大，最終形成圖1(b)所示的孔洞形貌。

(a)網(wǎng)狀碳化物形貌 (b)酸蝕孔洞形貌

圖1 GCr15軸承鋼組織形貌及酸蝕孔洞形貌；

3 濟鋼軸承鋼生產(chǎn)工藝

濟鋼軸承鋼棒材工藝流程：高爐鐵水→KR預處理→120 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐→120 tLF精煉爐→120 tRH→400×500 mm大方坯連鑄→大棒開240 mm中間坯→鋼坯扒皮、探傷→棒卷線軋制。

試驗采用同一爐同一流次鋼坯，澆鑄過熱度為22 ℃，采用了輕壓下和首末端電磁攪拌，鋼坯低倍質(zhì)量如圖2所示。軋制規(guī)格為Φ18 mm棒材。

圖2 400×500 mm大方坯酸洗低倍照片(中心疏松1.0級)

4 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

4.1 優(yōu)化開坯加熱工藝

因成品要控制脫碳，棒卷加熱工藝維持原控脫碳加熱工藝，所以為緩解鋼坯中的鉻元素偏聚，只能在開坯工序增加高溫擴散時間，將原開坯加熱工藝要求的在1 200 ℃以上保溫500 min延長至600 min，使鉻元素充分擴散，后期軋制工藝仍采用原工藝。

4.2 投用超快冷

在優(yōu)化開坯加熱工藝的基礎(chǔ)上投用超快冷設備，軋線布置如圖3所示，使棒材在終軋后短時間內(nèi)實現(xiàn)快速降溫，各點溫度見表2，終冷返紅溫度控制在600 ℃到630 ℃，抑制網(wǎng)狀碳化物的析出。

表2 生產(chǎn)線上關(guān)鍵點溫度

5 優(yōu)化結(jié)果及分析

1.加熱爐 2.粗軋 3.1#剪 4.一中軋 5.二中軋 6.0#水箱 7.3#剪 8.精軋 9.1#水箱 10.2#水箱 11.4#剪 12.kocks 13.3#水箱 14.5#剪 15.4#水箱 16.5#水箱 16.6#水箱 18.6#剪 19.加勒特卷曲+步進式冷床 20.冷床

圖3 軋線平面布置圖

表3所示為不同工藝條件下軋制Φ18 mm規(guī)格軸承鋼棒材碳化物不均勻性及酸洗低倍檢驗結(jié)果。

表3 不同工藝條件下成品棒材檢驗結(jié)果

不同工藝條件下成品棒材1/2半徑處的組織形貌如圖4所示。原工藝網(wǎng)狀碳化物級別達到2.5級，如圖4(a)所示。僅延長開坯前高溫段(1 200 ℃以上)保溫時間，在軋制工藝不變的前提下，組織形貌均為網(wǎng)狀碳化物和珠光體組織，碳化物網(wǎng)狀級別由2.5級降至2.0級，仍可觀察到明顯的網(wǎng)狀碳化物，如圖4(b)所示。投用超快冷設備后，將軸承鋼棒材上冷床返紅溫度控制在620 ℃左右，基本消除了網(wǎng)狀碳化物，組織為細片狀的珠光體，如圖4(c)所示，網(wǎng)狀碳化物級別降至1.0級。

(a)原工藝 (b)僅優(yōu)化開坯工藝 (c)優(yōu)化開坯工藝及投用超快冷

圖4 不同工藝條件下軸承鋼棒材1/2半徑處的組織形貌:

不同工藝條件下成品棒材酸洗低倍宏觀形貌如圖5所示，為更好地觀察孔洞數(shù)量的變化，采用背散射形貌，孔洞形貌背散射對比如圖5(d)、(e)、(f)所示，很明顯通過優(yōu)化開坯加熱工藝以及投用超快冷生產(chǎn)的軸承鋼棒材孔洞數(shù)量明顯減少。

從以上試驗結(jié)果分析得出：延長開坯前高溫擴散時間，可使元素均勻化，但軋制控冷工藝不變的前提下，仍存在較嚴重的網(wǎng)狀碳化物(2.0級)，網(wǎng)狀碳化物的存在會使基體存在貧鉻區(qū)，因此改善軸承鋼酸洗低倍質(zhì)量的能力有限。而投用超快冷設備后，網(wǎng)狀碳化物基本得到消除，網(wǎng)狀碳化物級別降至1.0級，使基體中鉻元素的分布趨于均勻，從而減少了不同位置抗酸蝕能力的差異，因此酸蝕孔洞數(shù)量明顯減少。綜上所述，延長開坯加熱時間及消除網(wǎng)狀碳化物，對基體鉻元素的均勻分布及酸蝕低倍質(zhì)量的改善起到了重要的作用。

6 結(jié)論

(1)軸承鋼中鉻元素的抗酸蝕能力最強，固溶鉻元素的多少影響了軸承鋼斷面不同位置的抗酸蝕程度，貧鉻區(qū)易被酸蝕；

(2)相對于高溫擴散來說，抑制網(wǎng)狀碳化物的析出對固溶鉻元素的均勻分布有著更大的影響;

(3)增加開坯前的均勻化時間，以及投用超快冷設備抑制網(wǎng)狀碳化物的析出，利于鉻元素分布均勻，提高基體抗酸蝕能力，可明顯減少酸蝕孔洞的數(shù)量，低倍質(zhì)量完全滿足客戶要求。

圖5 不同工藝條件下成品棒材酸洗宏觀形貌及1/2半徑處酸洗孔洞背散射形貌：(a)、(d)原工藝；

(b)、(e)僅優(yōu)化開坯工藝；(c)、(f)優(yōu)化開坯工藝及投用超快冷

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ROCESS PRACTICE TO IMPROVE MACROSTRUCTURE QUALITY OF HOT-ROLLED GCR15 BEARING STEEL

Han Huaibin12Li Yongchao1Wan Changjie2Yu Xueqing2Zhao Xianming1

(1The State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University;2 Henan Jiyuan Iron and Steel Group Co., Ltd)

In view of serious acid holes of bearing steel round bar in Henan Jiyuan Iron &Steel(Group) Co.,Ltd, the reason was analyzed in detail. The results show that the corrosion resistance is poor at chromium-depleted regions，which becomes the initiation of the corrosion behavior. Composition segregation and precipitation of network carbides are the main causes of the uneven distribution of chromium element. Therefore, in the actual production, the effective heating time before breakdown process was extended and the UFC (ultra fast cooling) was used. It is showed from result that the acid holes are improved obviously.

Acid HolesChromium Depleted regions segregation Network carbides UFC

2016-12-24

聯(lián)系人：韓懷賓，中級工程師，河南.濟源(459000)，河南濟源鋼鐵(集團)有限公司科技質(zhì)量處；