GCr15鋼連鑄坯凝固組織分析

尹衍成，李崇建, 韓麗娟

（中信泰富特鋼研究院青鋼分院，山東 青島266000）

1 前 言

鋼的宏觀碳偏析與其凝固組織密切相關(guān)，GCr15 鋼鑄坯比較容易產(chǎn)生裂紋。因?yàn)楦咛间摰膬上鄥^(qū)寬，在易產(chǎn)生裂紋區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)，并且高碳鋼的高溫強(qiáng)度較低，所以高碳鋼產(chǎn)生裂紋的幾率相對(duì)較高。該鋼的鑄態(tài)組織枝晶發(fā)達(dá)，碳化物析出頗為復(fù)雜，有一次、二次碳化物，其偏聚在晶界。因此常溫下鑄態(tài)組織為α+Fe3C。不能完整顯現(xiàn)其連鑄坯的晶粒。然而顯示連鑄坯固態(tài)組織的腐蝕方法，如腐蝕劑的成分，文獻(xiàn)未見(jiàn)完整的報(bào)道。因此選擇適當(dāng)?shù)母g方法，顯示其鑄態(tài)組織的形貌，測(cè)定該鋼的凝固組織特性，如柱狀晶/等軸晶比例，樹(shù)枝晶一次晶間距、二次晶間距，以及其網(wǎng)碳分布，對(duì)研究其連鑄坯的質(zhì)量具有特殊意義。

2 試驗(yàn)方法

具體的生產(chǎn)工藝：120 t轉(zhuǎn)爐→LF→VD→CCM。選取的GCr15 連鑄坯，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GCr15 連鑄坯化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

2.1 金相檢測(cè)參數(shù)

采用腐蝕劑摸索試驗(yàn)，顯示連鑄坯鑄態(tài)的晶粒和晶間距以及液析碳化物，同時(shí)金相測(cè)定晶粒尺寸和二次枝晶的晶間距。在未腐蝕情況下觀察夾雜物的類型。

2.2 晶粒的現(xiàn)實(shí)的尺寸的測(cè)定

在連鑄坯表面30 mm 左右、半徑1/2 處、中心區(qū)域切取3 塊試樣進(jìn)行鑄態(tài)晶粒的顯示和測(cè)定。

2.3 試樣預(yù)處理

堿性溶液：試樣拋光→10%NaOH 煮沸→沖洗（水）→侵蝕（5～40 s，2%～5%HNO3乙醇溶液）→消除污點(diǎn)（浸蝕5 s，10%HCl 甲醇溶液）→吹干→觀察。此外，也可采用還原劑溶液對(duì)未腐蝕試樣表面進(jìn)行預(yù)處理。

2.4 試樣腐蝕液

采用ASTM E407 標(biāo)準(zhǔn)推薦的溶液，此外，也可采用還原劑溶液對(duì)未腐蝕試樣表面進(jìn)行預(yù)處理。

方法1。A液，8 g 草酸+5 mL 硫酸+100 mL 水；B液，H2O2（30%），用A液與B液等體積混合的溶液預(yù)處理檢測(cè)面 2～3 s，使用硝酸（1～5 mL）硝酸酒精溶液腐蝕。

方法2。4 g 苦味酸+95%乙醇溶液或甲醇溶液。采用四甲基氯化銨為表面活性劑。檢驗(yàn)面腐蝕時(shí)間10 s 至1 min。

方法3。10 g苦味酸+5滴鹽酸+100 mL（95%）乙醇或（95%）甲醇溶液，檢驗(yàn)面腐蝕時(shí)間10 s至1 min。

方法4。10 g 焦亞硫酸鉀+100 mL 水。浸蝕檢測(cè)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輕腐蝕后，再采用該液腐蝕。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 連鑄坯的宏觀碳偏析檢驗(yàn)

如圖1 所示，連鑄坯試樣等軸晶區(qū)占比40%，且凝固組織均勻。冷卻工藝過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱都不能得到均勻的凝固組織，過(guò)強(qiáng)則會(huì)產(chǎn)生致密的柱狀晶組織，過(guò)弱則會(huì)產(chǎn)生粗大的等軸晶和縮孔。只有合理的冷卻工藝能夠產(chǎn)生含有一定比例的等軸晶的凝固組織，才有可能得到合理的凝固組織。

3.2 一次晶間距

圖1 連鑄坯低倍組織(1∶5)

在連鑄坯表面30 mm 左右、半徑1/2、中心區(qū)域分別切取3 塊試樣進(jìn)行鑄態(tài)晶粒的顯示和測(cè)定。通過(guò)反復(fù)摸索試驗(yàn)，顯現(xiàn)的鑄態(tài)晶粒，同時(shí)測(cè)定其尺寸。如圖2 所示，距表面約30 mm處晶粒形狀為長(zhǎng)條形，在顯微鏡下的一個(gè)視場(chǎng)不能將晶粒長(zhǎng)軸方向完全包括在內(nèi)，故測(cè)定幾個(gè)相對(duì)較小長(zhǎng)軸長(zhǎng)，其余均為晶粒短軸長(zhǎng)。長(zhǎng)軸測(cè)定結(jié)果平均值2 458 μm，視場(chǎng)觀察到的晶粒長(zhǎng)軸最長(zhǎng)為2 511 μm；而短軸長(zhǎng)測(cè)定結(jié)果平均值為736 μm，而短軸中最長(zhǎng)為1 576 μm，最小為286 μm。半徑1/2處的晶粒相對(duì)較均勻，其平均晶粒尺寸為772 μm，最大晶粒尺寸為1 967 μm，最小晶粒尺寸為385 μm。心部晶粒平均尺寸為710 μm，最大晶粒尺寸為1 284 μm，最小為320 μm。

圖2 連鑄坯一次晶晶粒尺寸 20×

3.3 二次晶間距

進(jìn)行二次枝晶間距的測(cè)量，通過(guò)配制另一種弱酸腐蝕劑顯現(xiàn)出二次枝晶，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 連鑄坯二次晶晶粒尺寸 50×

為了測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確，采用平均值的結(jié)果分別為78 μm和93 μm。依據(jù)表面測(cè)定同樣進(jìn)行了半徑1/2 處的二次枝晶間距的測(cè)量，平均測(cè)定值分別為191 μm 和255 μm。由于心部為等軸晶，所以無(wú)法測(cè)得二次枝晶間距。

3.4 網(wǎng)狀碳化物

分別選取相應(yīng)位置鑄態(tài)試樣，制備金相試樣腐蝕后，觀察液析碳化物情況見(jiàn)圖4。

4 討 論

4.1 鑄坯凝固分為三個(gè)階段

（1）結(jié)晶器內(nèi)形成初生坯殼。通常厚度約是2～5 mm。（2）二冷區(qū)坯殼，樹(shù)枝晶平行于生長(zhǎng)面而形成柱狀晶。對(duì)于弧形連鑄，由于重力作用，晶體下沉，抑制了下弧側(cè)柱狀晶生長(zhǎng)，故內(nèi)弧側(cè)柱狀晶比外弧長(zhǎng)，通常鑄坯內(nèi)裂紋常常集中在內(nèi)弧側(cè)。（3）中心等軸晶區(qū)。樹(shù)枝晶較粗大且呈不規(guī)則排列，中心區(qū)常有可見(jiàn)的不致密的疏松和縮孔并伴有元素的偏析［1］。

4.2 GCr15連鑄坯冷卻過(guò)程

Gr15鋼連鑄坯的樹(shù)枝晶方向不一致，可導(dǎo)致嚴(yán)重的碳偏析，從而產(chǎn)生晶間裂紋，也叫作A型裂紋。晶間裂紋的產(chǎn)生是由于凝固過(guò)程中受到熱或者機(jī)械因素導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大。

當(dāng)溫度低于650 ℃時(shí)，經(jīng)過(guò)γ→α→γ相變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程，晶粒則會(huì)細(xì)化；當(dāng)溫度高于700 ℃時(shí)，不發(fā)生相變，粗大的奧氏體晶粒得以保留?，F(xiàn)場(chǎng)GCr15軸承鋼連鑄坯的熱裝溫度應(yīng)控制在670 ℃以下［2］。

圖4 液析碳化物情況

鋼中碳含量越高，兩相區(qū)越寬，凝固時(shí)間越長(zhǎng)，鑄坯中心形成V 形偏析越嚴(yán)重。連鑄坯的低倍組織，柱狀晶和等軸晶的相對(duì)大小對(duì)性能影響不一樣，因此采用金相測(cè)定其晶粒大小，是研究鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要任務(wù)。

4.3 CCT曲線

結(jié)合GCr15 TTT 曲線和CCT 曲線（圖5、圖6）可知，當(dāng)冷卻速度為5 ℃/s 時(shí)，組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始于644 ℃，結(jié)束于557 ℃。實(shí)際生產(chǎn)中，GCr15軸承鋼的熱裝溫度，應(yīng)根據(jù)連鑄坯相變前的平均冷卻速度，控制到相變溫度以下，這樣可保證組織晶粒達(dá)到冷裝加熱軋制的水平，在相變溫度或以上進(jìn)行熱裝，則易出現(xiàn)組織晶粒混晶或粗化。因此，現(xiàn)場(chǎng)GCr15軸承鋼連鑄坯的熱裝溫度應(yīng)控制在670 ℃以下。

圖5 TTT曲線

4.4 腐 蝕

圖6 CCT曲線

金相試樣的腐蝕本質(zhì)上就是試樣表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電位低的相是陽(yáng)極，電位高的相是陰極，陽(yáng)極受到腐蝕，陰極受到保護(hù)。不同的電位差，形成不同的顯微組織，產(chǎn)生不同的襯度，依據(jù)不同的襯度來(lái)辨別不同的顯微組織。為了得到光滑的試樣表面，使用有機(jī)拋光劑，其化學(xué)吸附作用改變了電位差，改變了組織的襯度，影響了人們的辨別。OH-奪取電子的能力很弱，在堿性介質(zhì)中對(duì)鋼材組織幾乎沒(méi)有腐蝕，用10%NaOH 水溶液煮沸5 min處理拋光后的試樣，可完全破壞表面有機(jī)物質(zhì)；然后采用侵蝕劑侵蝕，可得到非常清晰的顯微組織［3］。

5 結(jié) 論

5.1 軸承鋼連鑄坯的凝固組織可采用低倍與高倍觀察進(jìn)行分析。

5.2 可采用低倍檢測(cè)連鑄坯的柱狀晶/等軸晶比例，可測(cè)定枝晶的一次晶、二次晶間距。

5.3 測(cè)定的連鑄坯參數(shù)與連鑄工藝相關(guān)性密切，可作為優(yōu)化工藝的依據(jù)。