隨著國內外經濟形勢和工業技術的進步，高技術含量高附加值的特種鋼材近年來得到鋼鐵企業的高度重視，并迎來了很大的發展。然而，受制于生產經驗、技術積累、裝備水平差異等因素，生產工藝需要不斷完善。產品的生產初期也常伴有質量問題，如微裂紋和斷裂等缺陷[1]，嚴重影響了正常的生產節奏和高附加值產品的開發。在產品整個工藝過程中，煉鋼、加熱和軋制等階段，都會對最終產品的質量產生不同程度的影響，其中鋼坯從連鑄到加熱爐運輸過程中的冷卻速度是產生產品缺陷的一個關鍵因素，冷卻速度會影響到組織成相，而不當的組織與加熱過程中熱應力的疊加是裂紋和斷裂產生的主要原因[2−3]。為此，本文以GCr15軸承鋼為研究對象，以其組織性能和熱應力為指標，對入爐溫度和冷卻速度進行了研究，分析不同生產工藝參數下的金相組織和熱應力，確定合理的生產工藝參數，為建立連鑄坯傳熱過程的數學模型和合理裝爐方式提供一定的技術支持。

1. 實驗

實驗材料取自現場冶煉的GCr15軸承鋼連鑄方坯。連鑄過程采用3種不同的冷卻速度（0.97、1.94、3.89 ℃/min），入爐采用熱裝（600 ℃）和冷裝（環境溫度）2種方式。連鑄坯實驗鋼樣經研磨、拋光、侵蝕并清洗、吹干，在金相顯微鏡下觀察顯微組織并測量鐵素體晶粒尺寸。GCr15軸承鋼連鑄坯規格為320 mm×480 mm×900 mm，采用ANSYS有限元軟件進行全模型計算，單元類型選擇Solid70，單元總數為16986個。GCr15軸承鋼密度、比熱、導熱率等熱物性參數隨溫度變化見相關文獻資料[3−4]。

2. 結果分析

2.1 冷卻速度對GCr15組織性能的影響

2.1.1 網狀碳化物形成

圖1為GCr15管坯鋼連鑄坯在3種不同冷卻速度從1200 ℃冷卻至700 ℃下的金相組織。由圖1可見，當連鑄坯以0.97 ℃/min的冷卻速度時，金相組織可觀測到明顯的網狀碳化物，網狀碳化物較為粗大且連續；隨著冷卻速度增加到1.94 ℃/min時，析出的網狀碳化物明顯減少，且變得更為細小不連續；冷卻速度進一步增加到3.89 ℃/min時基本沒有網狀碳化物的形成。由此表明，冷卻速度對軸承鋼中網狀碳化物[5]的析出具有顯著的影響，隨著冷卻速度的提高，網狀碳化物（如下圖中白色網格狀）的析出也逐步減少，當冷卻速度達到一定的數值時就可以完全抑制網狀碳化物的形成。因此，對于GCr15連鑄坯，將冷卻速度控制在3~4 ℃/min，可抑制網狀碳化物形成。

2.1.2 網狀碳化物析出的臨界溫度區間

圖2為GCr15軸承鋼連鑄坯以0.97 ℃/min的冷卻速率緩冷至不同溫度的金相組織。從圖2可看出，GCr15軸承鋼在930 ℃時開始析出碳化物；在930~850 ℃之間有少量碳化物析出，表現為沿晶界分布呈不連續的細小顆粒狀；在850~750 ℃開始大量析出碳化物，形成比較粗大且連續的網狀。由此，可判定930 ℃為GCr15鋼網狀碳化物析出的臨界溫度。

由于先共析滲碳體的析出過程只會發生在滲碳體析出溫度Acm（約930 ℃）和珠光體轉變溫度A1（約730 ℃）之間[6−7]，因此為了避免網狀碳化物的析出，就必須加快此溫度區間的冷卻速度。為了防止網狀碳化物的形成，從930 ℃開始直到A1溫度，應以大于4 ℃/min的冷卻速度冷卻以抑制先共析滲碳體的形成。在高于930 ℃和低于A1的溫度區間應采用較慢的冷卻速度來降低由于內外溫差造成的熱應力以減少裂紋形成，同時在珠光體轉變時能夠形成較大的片層。

2.1.3 連鑄坯熱應力

將GCr15軸承鋼連鑄坯（規格為320 mm×480 mm×900 mm）在4種典型冷卻工藝，即爐冷（1 ℃/min）、保溫罩緩冷（4 ℃/min）、空冷（60 ℃/min）以及水冷（600 ℃/min）條件下冷卻至表面500 ℃時進行熱應力有限元分析，沿連鑄坯橫截面（320 mm×480 mm）中心到拐角等距離（約36 mm）取9個點，熱應力有限元分析結果如圖3所示。

由圖3可以看出，低冷卻速度下（1、4 ℃/min），連鑄坯內外熱應力較小，幾乎為零；隨著冷卻速度增加大（60、600 ℃/min）時，連鑄坯內外熱應力急劇增加，最大熱應力可達450 MPa，其強度足以超過該溫度下鑄坯的高溫強度，若此時連鑄坯內部存在冶金缺陷，如夾雜物、偏析、疏松等[8−9]，將破壞基體金屬的連續性，成為裂紋萌生源，從而造成連鑄坯內部和表面質量缺陷。建議將GCr15連鑄坯的表面冷卻速度控制在4 °C/min以下，這樣在冷卻過程中連鑄坯的內外溫差相對較小，溫度分布較為均勻，不會產生較大的熱應力導致裂紋的生成。

2.2 GCr15軸承鋼入爐工藝分析

圖4為不同裝爐方式下GCr15軸承鋼的金相組織圖。由圖4可見，600 ℃熱裝與冷裝（即環境溫度）的加熱工藝制度對鋼的組織影響不大。兩種加熱方式獲得的奧氏體晶粒尺寸相當，并且組織形貌沒有明顯差別。

從本質上講，熱裝熱送與冷裝的主要差別在于是否經歷一次奧氏體的重結晶過程[10]。若熱裝（入爐溫度）的溫度高于950 °C，即高于GCr15軸承鋼的奧氏體相變溫度。由此，在連鑄坯冷卻到熱裝進爐，奧氏體完全沒有發生相變，組織仍然保持原有的連鑄坯狀態，這種情況下熱裝與冷裝的組織形態將會有很大的差別，但在現場很難實現這么高的熱裝溫度；當熱裝的溫度在A1和Acm的溫度之間（730~950 °C），這時原有組織中的珠光體會發生分解，形成奧氏體和滲碳體的兩相組織，在兩相區的停留有利于滲碳體沿晶界的析出而導致晶界網狀碳化物，同時由于一次奧氏體和經過相變的二次奧氏體共存，形成混晶，因此應避免此溫度區間內的熱裝工藝；當熱裝的溫度低于A1溫度（約730 °C）時，由于冷卻（緩冷）過程中奧氏體的相變已經完成，這種情況下熱裝與冷裝對材料的金相組織無顯著影響。

實際生產過程中的熱裝一般會在600~700 °C，熱裝與冷裝對材料的金相組織沒有顯著差異，但為了實現生產效率的提高和節約能源[11]盡可能采用熱裝方式。

3. 結束語

(1) 冷卻速度對GCr15軸承鋼中網狀碳化物的析出具有明顯的作用，建議在加熱爐前設置緩冷坑或保溫罩將連鑄坯的冷卻速度控制在3~4 ℃/min，可抑制網狀碳化物形成。

(2) GCr15連鑄坯鋼網狀碳化物析出的臨界溫度為930 ℃。從930 ℃到A1，應采取較快的冷卻速度（>4 ℃/min），以抑制先共析滲碳體的形成；而高于930 ℃和低于A1的溫度區間應采用較慢的冷卻速度（<4 ℃/min）以降低由于內外溫差造成的熱應力，從而減少裂紋形成。

(3) 實際生產過程中熱裝與冷裝的入爐沒有顯著差異，從提高產效率的提高和節約能源的角度出發，盡可能采用熱裝的加熱方式。

文章來源——金屬世界