分享：GCr15钢坯轧制竹节状开裂原因分析

摘 要:GCr１５钢连铸坯开坯时出现了竹节状开裂现象,通过化学成分分析、断口宏观分析、金 相检验、竹节状开裂钢坯裂纹位置测量等方法,对钢坯开裂原因进行了分析.结果表明:GCr１５钢 坯加热初期升温过快、热应力过大,导致钢坯开裂,在水冷梁位置处由于温差较大,钢坯更容易开 裂,最终导致了 GCr１５钢坯竹节状开裂. 

关键词:GCr１５钢坯;竹节状开裂;水冷梁;内应力 

中图分类号:TF７７７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５０８Ｇ０４ 

在 用?４５０ mm GCr１５ 钢 连 铸 圆 坯 轧 制 生 产 ?１５０mm 圆钢时,多支钢坯在开坯时出现了开裂的 现象,投入原料４２支,有６支在开坯时开裂,开裂比 例高达１４．３％.钢坯开裂均为横裂,在轧制１~２道 次后就发现有钢坯开裂现象,如图１所示,有４支钢 坯出现多道裂纹,呈竹节状断裂,如图２和图３所 示,有２支钢坯仅在靠近钢坯端部(一端或两端)有 开裂现象,如图４所示.

钢坯轧制生产的工艺流程如下:?４５０mm 粗轧 机开坯→６机架连轧→入坑缓冷→球化退火→精整 →检 验 入 库. 铸 坯 加 热 工 艺 参 数 为:预 热 温 度 ≤６８０ ℃,加热１段温度(１０３０±２０)℃,加热２段 温度(１２４０±２０)℃,均热段温度(１２２０±２０)℃, 总加热时间≥８００min. 

为了降低 GCr１５钢轧废比例、减少成本损失,笔者对 GCr１５钢开坯时出现竹节状开裂的原因进 行了分析,并采取措施减少 或 避 免 GCr１５ 钢 轧 制 开裂现象.笔者对 GCr１５钢开坯时出现竹节状开裂的原因进 行了分析,并采取措施减少 或 避 免 GCr１５ 钢 轧 制 开裂现象.

１ 理化检验 

１．１ 化学成分分析 

在３支钢坯的开裂处分别取１个光谱试样,分 别编号为１~３号,采用 AIL４４６０型火花源原子发射光谱仪对其进行化学成分分析,结果见表１,可见 主要化学成分并无异常.

１．３ 金相检验 

金相试样取样位置如图６所示,其显微组织为 珠光体＋沿晶网状碳化物,如图７所示,断口附近显 微组织未见有过热、过烧迹象.钢坯表面氧化层厚 度约为６３．９０μm,如图８所示;断口表面氧化层厚 度约为７７．１５μm,如图９所示.由于轧制前钢坯表 面经过了高压水除磷工序,所以钢坯表面氧化层厚 度与断口表面氧化层厚度差异不大.钢坯表面脱碳 层厚度约为６３３．８０μm,断口表面脱碳层厚度约为 ８３．６６μm,两者的差异较大,如图１０所示. 

金相检验结果表明,GCr１５钢坯断口处脱碳层 较薄,说 明 钢 坯 出 炉 前,裂 纹 处 并 未 完 全 与 外 部 连通.

１．４ 竹节状开裂钢坯裂纹位置测量 

对出现竹节状裂纹的４支钢坯裂纹位置进行了 测量,测量结果见表２.可见如果钢坯两端都开裂, 则 端部开裂处裂间距数值非常接近,考虑轧制延伸因素,端部开裂处间距５．７８~５．８０m 与加热炉宽度 方向两侧水冷梁的位置间距４．６m 乘以轧制延伸因 子１．２６所得值５．８０m 基本对应.

加热炉中有５根平行的水冷梁(３根静梁,２根 动梁),从加热炉南侧(对应钢坯的尾端位置)第１根 水冷梁算起,相邻水冷梁间距依次为０．８０,１．２５m, １．７５,０．８０m.根据表２数据推算出轧制延伸系数约 为１．２６,可推断出轧后钢坯上水冷梁的相对位置, 相邻水冷梁对应位置间距依次为１．０１,１．５８,２．２１, １．０１m.表２中加∗值表示钢坯上开裂处与水冷梁 位置能对应上的位置测量数值,可见钢坯上对应两 侧水冷梁的位置最易发生开裂,中间开裂处不一定 全在中间水冷梁的位置,但对应中间水冷梁的位置 处是容易发生开裂的位置.

２ 分析与讨论

通过以上理化检验可知,钢坯开裂处化学成分 无异常,裂纹是从内部向外扩展的,钢坯出炉前,裂 纹处并未完全与外部连通,钢坯上对应两侧水冷梁 的位置最易发生开裂,中间开裂处不一定全在中间 水冷梁的位置,但对应中间水冷梁的位置处是容易 发生开裂的位置.

现有文献报道的 GCr１５钢坯开裂的原因主要 有３类:一 是 冶 炼 质 量 差、原 料 钢 坯 存 在 表 面 缺 陷[１];二是加热时过热或过烧[２];三是加热过快、热 应力过大[３Ｇ５].高碳铬轴承钢碳含量很高,导热系数 较低,对加热速度非常敏感,冷坯在加热过程中,热 量的传导是由表及里的,从钢坯的表面到中心存在着温度梯度,相应地在钢坯内部产生热应力.热应 力作用的结果,使钢坯的表层受到压应力,而钢坯中 心会受到拉应力.首先钢坯断面越大则表里温差也 越大,水冷梁位置处会加大这种温度差,增加热应 力,从而增加开裂的倾向;其二钢坯中心部位是低溶 点组分和杂质富集的地方,强度最低,甚至还存在间 断性的缩孔,钢坯心部的缺陷还会造成应力集中;其 三钢坯心部残余应力与热应力同向,冷连铸坯入炉 加热初期时,钢坯的塑性差,加热过快极易产生裂 纹.有 研 究 表 明,当 GCr１５ 钢 温 度 升 到 ６００~ ７００ ℃时,其仍处于低塑性区,但其强度已经明显下 降,如图１１ [６]所示.如果温度应力过大,导致心部 拉应力高于材料的强度,就会产生心部开裂.当钢 坯温度升到７００℃以上时,材料塑性会明显提高,心 部的拉应力通过塑性变形可以得到松弛.因此红送 钢坯因其可以直接装入高温炉内快速加热而不易产 生心部开裂.

该 GCr１５钢在加热时低温段加热速度估算约 为１２２ ℃??h－１,加热速度较快,加热时钢坯内部由 于产生了较大的内应力,已形成内部裂纹,这种裂纹 可能尚未扩展至表面与外部炉气连通,但在大压下 量开坯时,钢坯心部裂纹会扩展到表面,最后造成目 视可见的开裂.在升温速度极快时,有可能在加热 炉内钢坯心部裂纹即扩展至表面,甚至在炉内钢坯 就断开. 

根据该开裂 GCr１５钢的理化检验结果推测,该GCr１５钢坯竹节状开裂是圆坯在加热过程中产生 的,主要是因为钢坯入炉后在加热初期由于升温过 快、热应力过大.在生产实践中 GCr１５钢坯加热时 往往两端尤其容易开裂,这是由于两端过预热段后 距离火焰近,局部加热温度较高、温差较大导致热应 力较大,因而更容易开裂.

３ 结论及建议 

GCr１５钢坯加热初期升温过快、热应力过大, 导致钢坯开裂,在水冷梁位置处由于温差较大,钢坯 更容易开裂,最终导致了 GCr１５钢坯竹节状开裂. 同时发现钢坯断面尺寸为?４５０mm 及以上规格在 ６００~７００ ℃温度下加热速度快、水冷梁位置处温差 大时,钢坯开坯时更容易开裂.

建议钢坯尽可能红送装炉;降低钢坯低温段的 加热速度(延长加热时间≥１１００min),保证钢坯在 心部 温 度 ７００ ℃ 以 下 时 缓 慢 加 热 (加 热 速 度 ≤９０ ℃??h－１),环境温度低时应注意降低低温段的 加热速度;避免因局部区域加热温度过高而加大钢 坯截面温差,必要时调整火焰长度.因为加热时钢 坯开裂的裂纹源在钢坯的心部,故应加强原料钢坯 的心部质量控制,不能有严重的裂纹、缩孔、疏松等 缺陷.

参考文献: 

[１] 陈洪．GCrl５轴承 钢 的 生 产 工 艺 对 其 裂 纹 影 响 初 探 [J]．特钢技术,１９９８,(１):２７Ｇ３０． 

[２] 范植金,张友登,严翔,等．GCr１５轴承钢连铸坯断裂 原因分 析 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２００９,４５(７): ４３１Ｇ４３３． 

[３] 承江,赵晗,许晓红．GCr１５钢连铸方坯缺陷分析[J]． 理化检验(物理分册),２００５,４１(z１):５０４Ｇ５０５． 

[４] 李卯华,刘艳华,赵德忠．轴承钢穿孔缺陷的控制实 践[J]．金属世界,２０１４,(２):２０Ｇ２３． 

[５] 阎岩,张志新．大规格 GCrl５轴承钢连铸坯加热横裂 的分析及改进措施[J]．河北冶金,２０１１(５):４７Ｇ４９． 

[６] 朱立光,路文刚．GCrl５轴承钢高温力学性能的研究 [J]．特殊钢,２００７,２８(４):７Ｇ９．

文章来源——材料与测试网