改善GCr15轴承钢酸蚀低倍质量的生产实践

韩怀宾 李永超 万长杰 虞学庆 赵宪明

(1东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室；2 河南济源钢铁(集团)有限公司)

改善GCr15轴承钢酸蚀低倍质量的生产实践

韩怀宾1.2李永超2万长杰2虞学庆2赵宪明1

(1东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室；2 河南济源钢铁(集团)有限公司)

针对济源钢铁GCr15轴承钢棒材横截面酸蚀孔洞较严重的问题，分析酸蚀孔洞的成因。分析表明，贫铬区域抗酸蚀能力弱，优先形成孔洞，而成分偏析和网状碳化物的析出是造成铬元素分布不均的主要原因。为此，在实际生产中延长开坯加热时间和投用超快冷设备，最终酸蚀孔洞缺陷得到明显改善。

酸蚀孔洞 贫铬区偏析 网状碳化物 超快冷

0 前言

在特殊钢生产中，采用酸蚀低倍检验技术对钢材质量进行检测分析，同时，均匀致密的低倍组织也是提高钢材性能的基本保证。关于提高轴承钢的抗酸蚀性能国内外已有一些研究。邢钢[1]通过对成品材高温扩散实验得出高温扩散可以明显改善热轧盘条的低倍组织孔洞缺陷的结论。国外[2]研究了热处理对52100钢酸蚀性能的影响，发现回火处理可以降低腐蚀速率。现有研究都集中在采用后期热处理提高轴承钢的抗酸蚀性能，并未对轴承钢酸蚀原因深入研究，并且利用经济有效的在线生产提高轴承钢抗酸蚀性能的研究报道未曾出现。

本工作针对济源钢铁(以下简称“济钢”)GCr15轴承钢棒材酸洗后横截面存在孔洞较严重的问题，从电化学腐蚀原理出发，分析酸蚀孔洞的成因，通过优化在线生产工艺，提高轴承钢棒材的抗酸蚀性能。

1 酸蚀的原理

酸蚀低倍检验采用的试剂是体积分数1∶1的HCl和水混合溶液，加热到70 ℃～80 ℃，酸洗保温30 min。

当有液体(水)存在即电解质溶液接触的腐蚀过程为电化学腐蚀。腐蚀发生时，金属原子在阳极区失去电子，腐蚀介质的分子在阴极得到电子，并且伴有电流产生。

阳极过程：[ne-·Mn+] →[Mn+]+[ ne-](金属溶解并以离子形式进入溶液，同时把等当量的电子留在金属中)

阴极过程：[D]+[ne-]→[D·ne-](从阳极迁移过来的电子被电解质溶液中能够吸收电子的物质 D 所接受)

金属的电化学腐蚀的实质就是在浸入电解质溶液的金属表面上形成了腐蚀原电池。影响腐蚀原电池的因素众多，如电解质的化学性质、环境因素(温度、压力、流速等)、金属的特性、表面状态及其组织结构和成分的不均匀性、腐蚀产物的物理化学性质等。

2 GCr15轴承钢酸蚀孔洞的影响因素分析

GCr15轴承钢的化学成分见表1。

表1 GCr15轴承钢化学成分(质量分数)%

高碳铬轴承钢中主要元素Fe、Cr、Si、Mn、C，除组成化合物外，剩余元素固溶于基体中。酸蚀过程中，固溶的金属原子在阳极区失去电子，腐蚀介质的分子在阴极得到电子，产生电化学腐蚀。这些固溶的金属元素中Cr的抗腐蚀能力最强[3-6]，基体抗酸蚀程度的差异导致了不同位置酸蚀速率的变化，在贫铬区酸蚀速率较快，孔洞优先形成，随着酸蚀过程的继续，孔洞的数量逐渐增加，尺寸也逐渐增大。

高碳铬轴承钢在凝固过程中，都不同程度存在着宏观和微观偏析。连铸坯在加热时是珠光体向奥氏体转变，伴随着碳化物的扩散和溶解过程。铬元素的扩散速率相对较慢，局部区域会存在铬元素的成分偏析，贫铬的区域抗酸蚀能力弱，会优先被腐蚀。轧制完成后，高碳铬轴承钢在缓慢冷却过程中，奥氏体中碳的溶解度随着温度的降低而减少，过剩的碳将以铁铬碳化物的形式沿奥氏体晶界呈骨骼状析出，有文献指出，网状碳化物的成分为(Fe，Cr)23C6[7]，含铬碳化物的析出造成了网状碳化物周围基体贫铬，如图1(a)所示。因网状碳化物的析出，基体不同位置固溶的铬元素含量存在差异，贫铬区酸蚀速率较快，孔洞优先形成，随着尺寸变大，最终形成图1(b)所示的孔洞形貌。

(a)网状碳化物形貌 (b)酸蚀孔洞形貌

图1 GCr15轴承钢组织形貌及酸蚀孔洞形貌；

3 济钢轴承钢生产工艺

济钢轴承钢棒材工艺流程：高炉铁水→KR预处理→120 t顶底复吹转炉→120 tLF精炼炉→120 tRH→400×500 mm大方坯连铸→大棒开240 mm中间坯→钢坯扒皮、探伤→棒卷线轧制。

试验采用同一炉同一流次钢坯，浇铸过热度为22 ℃，采用了轻压下和首末端电磁搅拌，钢坯低倍质量如图2所示。轧制规格为Φ18 mm棒材。

图2 400×500 mm大方坯酸洗低倍照片(中心疏松1.0级)

4 生产工艺优化

4.1 优化开坯加热工艺

因成品要控制脱碳，棒卷加热工艺维持原控脱碳加热工艺，所以为缓解钢坯中的铬元素偏聚，只能在开坯工序增加高温扩散时间，将原开坯加热工艺要求的在1 200 ℃以上保温500 min延长至600 min，使铬元素充分扩散，后期轧制工艺仍采用原工艺。

4.2 投用超快冷

在优化开坯加热工艺的基础上投用超快冷设备，轧线布置如图3所示，使棒材在终轧后短时间内实现快速降温，各点温度见表2，终冷返红温度控制在600 ℃到630 ℃，抑制网状碳化物的析出。

表2 生产线上关键点温度

5 优化结果及分析

1.加热炉 2.粗轧 3.1#剪 4.一中轧 5.二中轧 6.0#水箱 7.3#剪 8.精轧 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+步进式冷床 20.冷床

图3 轧线平面布置图

表3所示为不同工艺条件下轧制Φ18 mm规格轴承钢棒材碳化物不均匀性及酸洗低倍检验结果。

表3 不同工艺条件下成品棒材检验结果

不同工艺条件下成品棒材1/2半径处的组织形貌如图4所示。原工艺网状碳化物级别达到2.5级，如图4(a)所示。仅延长开坯前高温段(1 200 ℃以上)保温时间，在轧制工艺不变的前提下，组织形貌均为网状碳化物和珠光体组织，碳化物网状级别由2.5级降至2.0级，仍可观察到明显的网状碳化物，如图4(b)所示。投用超快冷设备后，将轴承钢棒材上冷床返红温度控制在620 ℃左右，基本消除了网状碳化物，组织为细片状的珠光体，如图4(c)所示，网状碳化物级别降至1.0级。

(a)原工艺 (b)仅优化开坯工艺 (c)优化开坯工艺及投用超快冷

图4 不同工艺条件下轴承钢棒材1/2半径处的组织形貌:

不同工艺条件下成品棒材酸洗低倍宏观形貌如图5所示，为更好地观察孔洞数量的变化，采用背散射形貌，孔洞形貌背散射对比如图5(d)、(e)、(f)所示，很明显通过优化开坯加热工艺以及投用超快冷生产的轴承钢棒材孔洞数量明显减少。

从以上试验结果分析得出：延长开坯前高温扩散时间，可使元素均匀化，但轧制控冷工艺不变的前提下，仍存在较严重的网状碳化物(2.0级)，网状碳化物的存在会使基体存在贫铬区，因此改善轴承钢酸洗低倍质量的能力有限。而投用超快冷设备后，网状碳化物基本得到消除，网状碳化物级别降至1.0级，使基体中铬元素的分布趋于均匀，从而减少了不同位置抗酸蚀能力的差异，因此酸蚀孔洞数量明显减少。综上所述，延长开坯加热时间及消除网状碳化物，对基体铬元素的均匀分布及酸蚀低倍质量的改善起到了重要的作用。

6 结论

(1)轴承钢中铬元素的抗酸蚀能力最强，固溶铬元素的多少影响了轴承钢断面不同位置的抗酸蚀程度，贫铬区易被酸蚀；

(2)相对于高温扩散来说，抑制网状碳化物的析出对固溶铬元素的均匀分布有着更大的影响;

(3)增加开坯前的均匀化时间，以及投用超快冷设备抑制网状碳化物的析出，利于铬元素分布均匀，提高基体抗酸蚀能力，可明显减少酸蚀孔洞的数量，低倍质量完全满足客户要求。

图5 不同工艺条件下成品棒材酸洗宏观形貌及1/2半径处酸洗孔洞背散射形貌：(a)、(d)原工艺；

(b)、(e)仅优化开坯工艺；(c)、(f)优化开坯工艺及投用超快冷

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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

联系人：韩怀宾，中级工程师，河南.济源(459000)，河南济源钢铁(集团)有限公司科技质量处；