PMO凝固均质化技术在连铸GCr15轴承钢生产中的应用

脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation,PMO)凝固均质化技术是我国学者原创的连铸坯凝固组织细化和均质化技术。将该技术应用于连铸GCr15轴承钢生产,研究脉冲磁致振荡对GCr15轴承钢连铸坯凝固组织和成分分布的影响。生产实践表明,PMO可以显著细化连铸GCr15轴承钢的凝固组织,改善碳偏析。     

GCr15轴承钢连铸坯宏观碳偏析的基本规律

主要针对GCr15轴承钢凝固过程较易出现宏观碳偏析的现象,研究分析了宏观碳偏析形成的基本规律。取兴澄、石钢和永通3个不同特殊钢厂用不同连铸工艺所产轴承钢连铸坯横截面不同部位的试样,分析研究了碳的质量分数。结果表明,径向比对角线方向宏观碳偏析大;连铸坯柱状晶发达,导致中心位置附近出现较严重的碳正偏析;较致密的凝固组织有利于减轻宏观偏析;纵切面上的碳呈周期性分布。     

GCr15轴承钢大方坯宏观碳偏析的分析

对断面280 mm×325 mm的GCr15轴承钢进行了热酸浸实验与碳偏析检测,研究了碳偏析的低倍组织形貌,探讨了V型偏析的形成机理。结果表明,偏析在铸坯纵剖面上呈V型分布,且V型偏析仅分布于等轴晶区,凝固组织与偏析的形成有密切关系;同时碳元素在铸坯皮下呈负偏析,混晶区呈正偏析。     

电磁搅拌对GCr15轴承钢凝固组织的影响

采用电磁搅拌法在自制连铸机上制备了GCr15轴承钢钢坯,研究了电磁搅拌与二冷水强度对GCr15轴承钢凝固组织的影响。结果表明,当电流强度为250A,频率为12Hz时,钢水凝固前沿的枝晶被折断和熔断。由于液相温度梯度减小,成分过冷度增大,使凝固时的柱状晶转变为等轴晶;当二冷水流量由2.0m3/h提升至3.5m3/h时,铸坯中心组织出现了更加细小的等轴晶;同时电磁搅拌会使连铸坯中的二次枝晶间距变小,C和Cr分布更均匀。     

GCr15轴承钢消除大块状碳化物的热处理工艺

运用X射线测定了GCr15轴承钢连铸坯芯部宏观偏析区域和微观偏析区域C、Cr元素的浓度。基于C和Cr元素成分分布,用Thermo-Calc软件计算了GCr15轴承钢不同部位的熔点,从而确定了轴承钢连铸坯均匀化加热的最高温度限制。研究了不同温度下消除连铸坯芯部大块状碳化物所需要的时间。通过理论与实验相结合的方法,提出了一系列消除轴承钢连铸坯芯部大块状碳化物的热处理制度。     

基于原位观察的Cu-Ni-Si合金凝固过程及机理研究

利用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)原位观察薄带连铸Cu-3.2Ni-0.75Si合金在不同冷却速率下的凝固过程,定量分析了结晶温度和凝固组织二次枝晶间距依赖于冷却速率的函数关系.结果表明:冷却速率的提高可以显著降低合金的结晶温度,减小合金凝固组织的二次枝晶间距,当冷却速率由0.1?℃/s提高至100?℃/s时,结晶温度由1096?℃降低至890?℃,二次枝晶间距由77.5?μm减小至23.5?μm,结晶温度和二次枝晶间距依赖于冷却速率的函数关系式分别为TL→S=194×(-v/14)+895和λ2=60×v-0.11.薄带连铸的亚快速凝固特点可以显著细化合金凝固组织,抑制Ni、Si元素的显微偏析,其原因在于冷却速率的提高加大了合金熔体结晶时的初始过冷度.     

PMO-EMS组合调控提高铸坯均质化应用实践

脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术是通过促进形核并形成“结晶雨”细化凝固组织、提高铸坯均质化的一项原创技术。生产实践表明,该技术对提高连铸坯等轴晶率、降低偏析具有显著作用。将PMO与电磁搅拌(EMS)进行优化组合,利用EMS的搅拌作用,将PMO形成的“结晶雨”均匀分布于铸坯心部,消除等轴晶区偏心问题,从而大幅度提高铸坯组织对称性和均质化效果稳定性。结果表明,应用PMO-EMS组合调控技术可显著提高铸坯均质化水平,以轴承钢GCr15和齿轮钢20CrMnTi为例,等轴晶区对称性明显增加,偏析指数则可以分别控制在1.04和1.05以内。     

参数对70钢小方坯二次枝晶间距和中心偏析的影响

试验研究了70钢150 mm×150 mm 小方坯连铸不同工艺参数对铸坯中心C、Mn偏析和二次枝晶间距的影响。结果表明,在一定工况条件下,铸坯中心偏析指数和二次枝晶间距均随拉速的增大而增大,随压下量和比水量的增大而减小。凝固中心处的C元素偏析指数在1.00～1.26之间,而Mn元素偏析指数仅为0.98～1.06。C、Mn元素的偏析规律相同,且随着C偏析的增加,Mn的偏析比也会不断增大。     

PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响

为了解脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation, PMO)技术对GCr15轴承钢定向凝固组织的作用，通过改变PMO参数和抽拉速率，研究了不同抽拉速率下PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响。结果表明：在相同抽拉速率下，PMO的峰值电流依次为150、250、350k_i A时，GCr15轴承钢的一次和二次枝晶臂间距先增大后减小。当峰值电流固定为350k_i A时，随着PMO频率从90、240、390k_f Hz依次增大，一次枝晶臂间距先减小后增大，二次枝晶臂间距逐渐变大。同时，随着抽拉速率的提高，枝晶臂间距减小幅度逐渐降低。通过测量温度梯度发现，在PMO作用下，固-液界面前沿液相中温度梯度的提高和溶质分布的变化，是枝晶臂间距减小的主要原因。     

连续冷却过程中GCr15钢中碳化物的析出行为

针对GCr15轴承钢棒材网状碳化物大量析出、网状级别超标问题,通过热模拟试验对碳化物析出机理进行研究。结果表明,GCr15轴承钢试样经热轧后的连续冷却过程中,在晶界处析出的二次碳化物为（Fe.Cr）3C型碳化物,冷却速度对晶界处二次碳化物形貌具有重要影响,随冷却速度的增加,可达到抑制网状碳化物析出并得到高品质轴承钢棒材的目的。     

轴承钢超快速冷却工艺热模拟研究

轴承钢棒材变形后的交货状态存在高温网状二次碳化物大量快速析出、网状级别和硬度超标等严重问题。采用热模拟实验机对GCr15轴承钢棒材高温变形后进行超快冷却的热模拟实验,研究了其显微组织和硬度。结果表明,经过变形量为40%的高温变形后快速冷却至700℃停留保温,室温组织珠光体含量随等温时间延长而增多,二次碳化物在晶界处析出更加明显。在700℃等温、超快速析出和冷却,网状二次碳化物快速析出数量减少,并得到细小片层的珠光体。     

轧后冷却速率对GCr15钢棒材组织的影响

GCr15轴承钢棒材在轧制后的冷却过程中往往会有网状碳化物的形成,对轴承钢的质量和寿命产生影响。通过Gleeble3800热模拟试验机对其轧制后的控冷工艺进行模拟研究,结果表明：在860 ℃终轧温度下,随着冷却速率的增加,晶界处二次碳化物由网状分布逐渐变为半网状、短条状分布,珠光体球团直径明显细化,CCT曲线得到的珠光体析出温度区间主要集中在600~700 ℃范围内,高温终轧后,控制冷却速率和终冷温度可以达到控制网状碳化物析出并得到珠光体的目的。     

控锻控冷工艺对GCr15轴承钢组织演变规律的影响

采用微观组织表征的方法对比研究了GCr15轴承钢在传统工艺和控锻控冷工艺下的组织和网状碳化物分布的演变规律,并统计和分析了不同工艺下的晶粒度和残留奥氏体含量的变化规律。结果表明,GCr15轴承钢经控锻控冷工艺处理后,GCr15钢中粒状珠光体组织相对更细小,淬回火组织基体中的C元素分布更为均匀,同时洛氏硬度提高0.7 HRC;残留奥氏体含量降低;碳化物颗粒尺寸细化,平均颗粒尺寸减小40%以上,同时抑制粗大碳化物网状的形成;可使奥氏体晶粒度细化2级以上。     

GCr15轴承钢周期球化退火工艺的改进

利用EDAX9100型能谱分析仪,研究了GCr15轴承钢合金元素的溶解与析出规律,在此基础上改进了周期球化退火工艺,并将该工艺与传统的等温球化退火、周期球化退火工艺进行了对比分析。试验结果表明,改进周期球化退火工艺后,GCr15轴承钢显微组织级别、碳化物网状级别、布氏硬度能更好地满足GB/T 18254—2002《高碳铬轴承钢》退火要求。     

磨削加工对GCr15SiMn轴承钢表面组织性能的影响

采用扫描电镜,电子背散射衍射、X射线衍射、显微硬度计及三维表面轮廓仪等对磨削加工后的GCr15SiMn轴承钢的显微组织、硬度、残余应力及物相进行了研究。结果表明:磨削后GCr15SiMn轴承钢表面的硬度远高于基体,并且残留奥氏体发生分解,表面呈现压缩残余应力。试样表层组织存在由于塑性变形引起的几何必须位错密度(GND)增加的现象,这是轴承钢表面硬度上升的主要原因。将轴承服役过程以及磨削加工后的组织性能变化进行对比,发现有相似之处。磨削加工引起的表层变化可能是诱发裂纹在表面萌生的原因。     

GCr15轴承钢套圈开裂原因分析

GCr15是一种最常用的高碳铬轴承钢,由于碳含量高,在生产加工过程中极易产生裂纹。针对 GCr15轴承钢圆钢在加工成套圈过程中发生开裂问题,取开裂缺陷试样进行成分、金相、扫描电镜等理化性能检测分析。分析结果表明,加工过程中热处理工艺不当形成异常组织,导致套圈开裂。通过合理优化和控制淬火加热温度可以有效改善套圈开裂现象。     

轧制工艺对GCr-15球化退火的影响

通过热模拟的方法研究轧制工艺对GCr15球化退火的影响。结果表明，轧制工艺对GCr15轴承钢组织有显著影响。相对于常规轧制（CR）试样，控轧控冷（CRC）试样珠光体发生退化且片层细小．渗碳体呈短棒状或颗粒状，部分渗碳体片产生扭折甚至断裂。亚温球化退火中，CRC试样可获得细小均匀的球化组织，其球化效果明显优于CR试样，且显著地缩短球化退火时间。     

高碳铬轴承钢现行标准的梳理及对GCr15的标准比较

梳理了高碳铬轴承钢现行的标准，列出了这些标准的标准号、名称、标准类别、标准适用范围及标准体系类别；同时以某钢铁企业为例，选用牌号成分接近的GCr15、GCr15PGI的高碳铬轴承钢的内控标准与GB/T 18254-2016及ISO 683-17进行比较，说明了不同标准对于GCr15牌号成分及相近成分轴承钢在碳化物、夹杂物及化学成分上的要求，发现我国GB/T 18254-2016较ISO 683 17更为严格，而企业内控标准则在GB/T 18254-2016的基础上做了更深入的要求。     

高碳铬轴承钢现行标准的梳理及对GCr15的标准比较

梳理了高碳铬轴承钢现行的标准,列出了这些标准的标准号、名称、标准类别、标准适用范围及标准体系类别;同时以某钢铁企业为例,选用牌号成分接近的GCr15、GCr15PGI的高碳铬轴承钢的内控标准与GB/T 18254—2016及ISO 683-17进行比较,说明了不同标准对于GCr15牌号成分及相近成分轴承钢在碳化物、夹杂物及化学成分上的要求,发现我国GB/T 18254—2016较ISO 683 17更为严格,而企业内控标准则在GB/T 18254—2016的基础上做了更深入的要求。     

回火温度对GCr15轴承钢组织和性能的影响

GCr15钢在轴承中广泛使用,其回火温度对轴承使用性能有重要影响。研究了不同回火温度对GCr15轴承钢的硬度、残余奥氏体含量、表面残余应力的影响。结果表明:当GCr15的回火温度为165~300℃时,随着回火温度的升高,硬度HRC由61.7降到56.2,残余奥氏体含量由9.88%下降到3.26%,表面残余应力由706.8 MPa下降至382.2 MPa;其显微组织主要为针状马氏体、颗粒碳化物和少量的亚稳定相残余奥氏体,随着回火温度的提高,碳化物逐渐聚集并不断长大。该研究为GCr15钢低温回火工艺的制定提供参考。