GCr15钢连铸坯凝固组织分析

2021-07-09尹衍成李崇建韩丽娟

山东冶金 2021年3期

尹衍成，李崇建, 韩丽娟

（中信泰富特钢研究院青钢分院，山东青岛266000）

1 前言

钢的宏观碳偏析与其凝固组织密切相关，GCr15 钢铸坯比较容易产生裂纹。因为高碳钢的两相区宽，在易产生裂纹区停留时间较长，并且高碳钢的高温强度较低，所以高碳钢产生裂纹的几率相对较高。该钢的铸态组织枝晶发达，碳化物析出颇为复杂，有一次、二次碳化物，其偏聚在晶界。因此常温下铸态组织为α+Fe3C。不能完整显现其连铸坯的晶粒。然而显示连铸坯固态组织的腐蚀方法，如腐蚀剂的成分，文献未见完整的报道。因此选择适当的腐蚀方法，显示其铸态组织的形貌，测定该钢的凝固组织特性，如柱状晶/等轴晶比例，树枝晶一次晶间距、二次晶间距，以及其网碳分布，对研究其连铸坯的质量具有特殊意义。

2 试验方法

具体的生产工艺：120 t转炉→LF→VD→CCM。选取的GCr15 连铸坯，其化学成分见表1。

表1 GCr15 连铸坯化学成分(质量分数)%

2.1 金相检测参数

采用腐蚀剂摸索试验，显示连铸坯铸态的晶粒和晶间距以及液析碳化物，同时金相测定晶粒尺寸和二次枝晶的晶间距。在未腐蚀情况下观察夹杂物的类型。

2.2 晶粒的现实的尺寸的测定

在连铸坯表面30 mm 左右、半径1/2 处、中心区域切取3 块试样进行铸态晶粒的显示和测定。

2.3 试样预处理

碱性溶液：试样抛光→10%NaOH 煮沸→冲洗（水）→侵蚀（5～40 s，2%～5%HNO3乙醇溶液）→消除污点（浸蚀5 s，10%HCl 甲醇溶液）→吹干→观察。此外，也可采用还原剂溶液对未腐蚀试样表面进行预处理。

2.4 试样腐蚀液

采用ASTM E407 标准推荐的溶液，此外，也可采用还原剂溶液对未腐蚀试样表面进行预处理。

方法1。A液，8 g 草酸+5 mL 硫酸+100 mL 水；B液，H2O2（30%），用A液与B液等体积混合的溶液预处理检测面 2～3 s，使用硝酸（1～5 mL）硝酸酒精溶液腐蚀。

方法2。4 g 苦味酸+95%乙醇溶液或甲醇溶液。采用四甲基氯化铵为表面活性剂。检验面腐蚀时间10 s 至1 min。

方法3。10 g苦味酸+5滴盐酸+100 mL（95%）乙醇或（95%）甲醇溶液，检验面腐蚀时间10 s至1 min。

方法4。10 g 焦亚硫酸钾+100 mL 水。浸蚀检测面1～15 s，最佳方法是先采用硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液轻腐蚀后，再采用该液腐蚀。

3 试验结果

3.1 连铸坯的宏观碳偏析检验

如图1 所示，连铸坯试样等轴晶区占比40%，且凝固组织均匀。冷却工艺过强或者过弱都不能得到均匀的凝固组织，过强则会产生致密的柱状晶组织，过弱则会产生粗大的等轴晶和缩孔。只有合理的冷却工艺能够产生含有一定比例的等轴晶的凝固组织，才有可能得到合理的凝固组织。

3.2 一次晶间距

图1 连铸坯低倍组织(1∶5)

在连铸坯表面30 mm 左右、半径1/2、中心区域分别切取3 块试样进行铸态晶粒的显示和测定。通过反复摸索试验，显现的铸态晶粒，同时测定其尺寸。如图2 所示，距表面约30 mm处晶粒形状为长条形，在显微镜下的一个视场不能将晶粒长轴方向完全包括在内，故测定几个相对较小长轴长，其余均为晶粒短轴长。长轴测定结果平均值2 458 μm，视场观察到的晶粒长轴最长为2 511 μm；而短轴长测定结果平均值为736 μm，而短轴中最长为1 576 μm，最小为286 μm。半径1/2处的晶粒相对较均匀，其平均晶粒尺寸为772 μm，最大晶粒尺寸为1 967 μm，最小晶粒尺寸为385 μm。心部晶粒平均尺寸为710 μm，最大晶粒尺寸为1 284 μm，最小为320 μm。

图2 连铸坯一次晶晶粒尺寸 20×

3.3 二次晶间距

进行二次枝晶间距的测量，通过配制另一种弱酸腐蚀剂显现出二次枝晶，测量结果见图3。

图3 连铸坯二次晶晶粒尺寸 50×

为了测定结果更为准确，采用平均值的结果分别为78 μm和93 μm。依据表面测定同样进行了半径1/2 处的二次枝晶间距的测量，平均测定值分别为191 μm 和255 μm。由于心部为等轴晶，所以无法测得二次枝晶间距。

3.4 网状碳化物

分别选取相应位置铸态试样，制备金相试样腐蚀后，观察液析碳化物情况见图4。

4 讨论

4.1 铸坯凝固分为三个阶段

（1）结晶器内形成初生坯壳。通常厚度约是2～5 mm。（2）二冷区坯壳，树枝晶平行于生长面而形成柱状晶。对于弧形连铸，由于重力作用，晶体下沉，抑制了下弧侧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧长，通常铸坯内裂纹常常集中在内弧侧。（3）中心等轴晶区。树枝晶较粗大且呈不规则排列，中心区常有可见的不致密的疏松和缩孔并伴有元素的偏析［1］。

4.2 GCr15连铸坯冷却过程

Gr15钢连铸坯的树枝晶方向不一致，可导致严重的碳偏析，从而产生晶间裂纹，也叫作A型裂纹。晶间裂纹的产生是由于凝固过程中受到热或者机械因素导致应力过大。

当温度低于650 ℃时，经过γ→α→γ相变再结晶过程，晶粒则会细化；当温度高于700 ℃时，不发生相变，粗大的奥氏体晶粒得以保留。现场GCr15轴承钢连铸坯的热装温度应控制在670 ℃以下［2］。

图4 液析碳化物情况

钢中碳含量越高，两相区越宽，凝固时间越长，铸坯中心形成V 形偏析越严重。连铸坯的低倍组织，柱状晶和等轴晶的相对大小对性能影响不一样，因此采用金相测定其晶粒大小，是研究铸坯质量的一个重要任务。

4.3 CCT曲线

结合GCr15 TTT 曲线和CCT 曲线（图5、图6）可知，当冷却速度为5 ℃/s 时，组织转变开始于644 ℃，结束于557 ℃。实际生产中，GCr15轴承钢的热装温度，应根据连铸坯相变前的平均冷却速度，控制到相变温度以下，这样可保证组织晶粒达到冷装加热轧制的水平，在相变温度或以上进行热装，则易出现组织晶粒混晶或粗化。因此，现场GCr15轴承钢连铸坯的热装温度应控制在670 ℃以下。

图5 TTT曲线

4.4 腐蚀

图6 CCT曲线

金相试样的腐蚀本质上就是试样表面发生电化学反应，电位低的相是阳极，电位高的相是阴极，阳极受到腐蚀，阴极受到保护。不同的电位差，形成不同的显微组织，产生不同的衬度，依据不同的衬度来辨别不同的显微组织。为了得到光滑的试样表面，使用有机抛光剂，其化学吸附作用改变了电位差，改变了组织的衬度，影响了人们的辨别。OH-夺取电子的能力很弱，在碱性介质中对钢材组织几乎没有腐蚀，用10%NaOH 水溶液煮沸5 min处理抛光后的试样，可完全破坏表面有机物质；然后采用侵蚀剂侵蚀，可得到非常清晰的显微组织［3］。