宗男夫，張慧，劉洋，李鵬飛，王明林

（鋼鐵研究總院 a.連鑄技術(shù)國家工程研究中心，b.先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，北京 100081）

高端軸承的高可靠性和安全性對軸承用鋼提出了高品質(zhì)、高可靠性和長壽命的要求，但國內(nèi)鋼材產(chǎn)品質(zhì)量多處在較低檔次，缺乏名牌產(chǎn)品競爭力[1]。大部分特殊鋼企業(yè)沒有完全掌握生產(chǎn)均質(zhì)化高致密度軸承鋼的關(guān)鍵工藝技術(shù)。由于高碳鉻軸承鋼連鑄方坯斷面特征，鑄坯內(nèi)部極易產(chǎn)生中心疏松、V形偏析、中間裂紋等缺陷[2]。因此，軸承鋼連鑄坯尚不能滿足一些高端領(lǐng)域軸承用鋼的要求[3-5]。鑄坯缺陷在后續(xù)軋制過程沒有有效消除或減輕，將降低最終軸承產(chǎn)品的疲勞服役使用壽命[6-9]。為改善軸承鋼方坯的內(nèi)部質(zhì)量，保證內(nèi)部高致密度和均勻性，研究軸承鋼全流程生產(chǎn)中偏析和組織缺陷演變行為有著重要意義，而目前從缺陷傳遞性角度出發(fā)針對鑄坯凝固組織和偏析缺陷對熱軋盤條性能影響的研究還較少。因此，文中建立偏析和凝固組織缺陷從鑄坯至盤條間的傳遞關(guān)系，提出了有效消除疏松、中心偏析和裂紋等內(nèi)部缺陷的冶金工藝方案。

1 軸承鋼冶金缺陷對軸承的危害

高碳鉻軸承鋼有較高的碳、鉻含量，易導(dǎo)致凝固過程連鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)中心疏松和中心偏析缺陷，從而影響軸承的使用性能等。軸承鋼連鑄坯中的柱狀晶與樹枝晶間形成晶間偏析[10]。晶間組織偏析在后續(xù)熱軋過程不能完全徹底消除[11-12]，經(jīng)過深加工并最終傳遞到相關(guān)軸承產(chǎn)品，對疲勞服役性能造成不利影響[13-16]。

軸承材料的偏析導(dǎo)致組織分布不均勻，造成接觸過程變形不協(xié)調(diào)，引起局部應(yīng)力集中致裂紋產(chǎn)生[17]。軸承使用過程中，表面層的液析碳化物先剝落加劇軸承磨損且成為表面疲勞源，而位于軸承內(nèi)部的液析碳化物常萌生為疲勞裂紋源[18-21]。

高品質(zhì)軸承鋼的質(zhì)量控制目標(biāo)是獲得高致密度和均勻化連鑄坯，以滿足后續(xù)軋制鍛造和熱處理等工序的加工性要求，獲得高品質(zhì)軸承鋼材。通過分析組織缺陷在全流程軸承鋼生產(chǎn)中的傳遞問題，了解軋材與鑄坯間的位置和形貌關(guān)系，從而找到解決生產(chǎn)中遇到的缺陷問題，并加以預(yù)防。

2 連鑄軸承鋼偏析組織缺陷的成因及其危害

2.1 偏析組織缺陷內(nèi)部結(jié)構(gòu)

軸承鋼V形偏析的碳偏析指數(shù)高達1.5，是造成液析碳化物和帶狀碳化物缺陷的根本原因[22-23]。V形通道偏析具有2種不同結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中，圖1a通道結(jié)構(gòu)明顯，通道寬度達到1～3 mm，圖1b無法觀察到明顯的偏析通道結(jié)構(gòu)，僅能發(fā)現(xiàn)黑色V形偏析條帶。

圖1 GCr15軸承鋼V形通道偏析Fig.1 V-shaped channel segregation of bearing steel GCr15

2.2 偏析組織缺陷的成因

偏析產(chǎn)生的一個重要的原因是由于凝固末期的體積收縮，當(dāng)凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力大于晶粒之間的臨界應(yīng)力時，形成裂紋，裂紋的擴展形成了V形通道[24]。V形偏析的形成過程如圖2所示，共分為 7個步驟[25-26]。

圖2 凝固過程中V形偏析的形成Fig.2 Formation of V-shaped segregation during solidification process

柱狀晶生長方向朝著鑄坯中心，混晶區(qū)域內(nèi)能夠看到明顯的二次枝晶，其生長方向較為混亂，但整體向鑄坯中心生長。

2.3 偏析組織缺陷的危害

硬度高且脆性大的共晶碳化物，在軸承鋼熱處理過程中易導(dǎo)致裂紋；軸承鋼在接觸應(yīng)力作用下，位于近表面的共晶碳化物極易剝落而成為疲勞源，而處于次表面的共晶碳化物極易成為裂紋源，裂紋沿著鋼中大顆粒碳化物邊緣萌生并擴展，易導(dǎo)致軸承表面產(chǎn)生疲勞裂紋而失效。

在臨床工作中如何消除手術(shù)煙霧危害，改善手術(shù)環(huán)境，消除手術(shù)煙霧對手術(shù)室環(huán)境的污染及對手術(shù)人員健康的危害，同時改善及消除煙霧彌散對手術(shù)視野造成的視覺影響，是目前需要解決的現(xiàn)實問題。

尺寸較大且形狀不規(guī)則的碳化物，在循環(huán)載荷作用下易造成區(qū)域應(yīng)力集中，使裂紋迅速萌生及擴展[27]，嚴重損害軸承鋼的疲勞服役性能。軸承鋼凝固過程中成分偏析造成基體中不均勻碳化物分布，先形成的枝晶偏析帶與濃縮鋼液發(fā)生進一步共晶反應(yīng)生成塊狀碳化物。在熱軋后續(xù)加工中，共晶塊狀碳化物被壓縮擠壓后呈條狀或鏈狀并沿軋制方向分布產(chǎn)生液析碳化物[28-29]。樹枝偏析帶在冷卻凝固所析出的二次碳化物為帶狀碳化物[30-31]。

新型組合式直流斷路器拓撲及其性能分析//鄭曉銘,王鋼,李海鋒,郭彥勛,李健濤,洪潮//(24):105

根據(jù)建立旱情評價指標(biāo)體系和發(fā)展旱災(zāi)治理技術(shù)的需要以及上述干旱分區(qū)的原則，結(jié)合淮河流域的相關(guān)統(tǒng)計資料，篩選出對流域干旱情況地域分異影響較大的幾個指標(biāo)，分別為地貌、降雨量、受災(zāi)率（受旱面積與播種面積之比）、成災(zāi)比（成災(zāi)面積與受災(zāi)面積之比）、耕地有效灌溉率（有效灌溉面積與播種面積之比）、糧食作物占播種面積的比例以及糧食單產(chǎn)量等7項。

軸承鋼在不同工藝條件下熱軋盤條碳化物帶狀圖如圖3所示，高碳軸承鋼壓下操作后可以改善碳化物帶狀組織。軸承鋼在后續(xù)軋制過程中碳化物不均勻性嚴重降低軸承的使用性能。帶狀碳化物尺寸大，硬度高，后續(xù)熱處理較易發(fā)生淬火裂紋[32]。鑄坯的偏析缺陷將傳遞到軋制盤條，導(dǎo)致盤條組織和性能惡化，并最終傳遞到軸承產(chǎn)品。

圖3 不同工藝對熱軋盤條碳化物帶狀的影響Fig.3 Effect of different processes on banded carbide of hot rolled wire rod

壓下量過小無法有效消除V形偏析，而壓下量過大會導(dǎo)致負偏析，易產(chǎn)生內(nèi)裂紋。為了避免鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，就要保證應(yīng)變小于鑄坯凝固前沿裂紋臨界應(yīng)變，進而得到保證不產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的最大壓下率及總壓下量。

高、低碳區(qū)域的硬度偏差較大，其硬度高于軸承基體組織，在復(fù)雜載荷作用下缺陷沿著粗大碳化物組織的邊緣擴展，從而使接觸疲勞壽命下降[35]。碳化物會增大鋼的脆性，損害軸承零件的使用壽命。

3 連鑄軸承鋼凝固組織缺陷的成因及其危害

3.1 凝固組織缺陷內(nèi)部結(jié)構(gòu)

鋼液凝固過程中，柱狀晶優(yōu)先生長，隨著鋼液過熱度的不斷降低，柱狀晶不斷向等軸晶轉(zhuǎn)變，在鑄坯等軸晶區(qū)大量聚集形核。當(dāng)?shù)容S晶區(qū)域內(nèi)固相率較高時，由于新形成的晶粒之間的結(jié)合力較小，在凝固收縮的作用下，一方面形成裂紋源并不斷擴展形成通道，另一方面，等軸晶間殘存的少量低熔點富集溶液在凝固收縮的作用下，被擠入V形通道內(nèi)部形成光滑的通道結(jié)構(gòu)。

GCr15軸承鋼凝固后腐蝕的組織圖如圖4所示，可以看出各凝固組織各區(qū)域之間分層明顯，分為激冷層（I區(qū)）、柱狀晶（Ⅱ區(qū)）、混晶區(qū)（Ⅲ區(qū)）、中心等軸晶區(qū)（Ⅳ區(qū)）。在等軸晶區(qū)域內(nèi)有明顯的偏析暗點，并伴隨著嚴重的疏松現(xiàn)象。

高碳鋼鑄坯比較容易產(chǎn)生裂紋。因為高碳鋼的兩相區(qū)寬，在易產(chǎn)生裂紋區(qū)停留時間長，并且高碳鋼的高溫強度較低，所以高碳鋼產(chǎn)生裂紋的幾率相對較高[39]。

田間水量平衡要素觀測包括灌水量、排水量、田間耗水量、滲漏量、蒸發(fā)蒸騰量及土壤含水量。灌水量、排水量根據(jù)灌、排水前后田間水層深度的差值計算，耗水量由田間水層深度變化獲得，小區(qū)安裝有測滲筒觀測田間滲漏量，用逐日田間耗水量減去逐日田間滲漏量即為逐日田間蒸發(fā)蒸騰量(又稱為需水量)，具體計算方法見參考文獻[11]。

圖4 GCr15軸承鋼的凝固組織Fig.4 Solidification structure of bearing steel GCr15

在鑄坯內(nèi)外弧側(cè)均存在壓下裂紋區(qū)間，等軸晶區(qū)域產(chǎn)生的裂紋較柱狀晶區(qū)域嚴重。連鑄輕壓下技術(shù)可以改善軸承鋼中心縮孔和疏松缺陷，然而壓下后鑄坯內(nèi)部經(jīng)常存在裂紋，裂紋大多與拉坯方向垂直，且分布于距表面以下60～70 mm處[36-37]。

軸承鋼凝固末期，大量等軸晶核聚集使得枝晶間混雜部分未凝液相。凝固收縮的作用產(chǎn)生組織體積變化，原始緊密聚集的晶粒被拉開，形成組織局部裂紋源，成為后續(xù)軋制過程的裂紋起源。另外，高濃度的鋼液滲入裂紋形成偏析通道。通道偏析已成為高等軸晶率下影響鋼材質(zhì)量的主要缺陷，中心位置處不僅有多處縮孔，而且在中心線位置處偏析現(xiàn)象嚴重。鑄坯中偏析帶強度高且塑性差，在后續(xù)軋制過程中將產(chǎn)生微組織裂紋和孔洞缺陷。軸承鋼的后續(xù)軋制生產(chǎn)過程中，軋材缺陷主要起源于連鑄坯中組織缺陷。

圖5 連鑄坯裂紋形貌Fig.5 Crack morphology of continuous casting billet

3.2 凝固組織缺陷的成因

軸承鋼鑄坯典型凝固組織的橫截面如圖6所示，鑄坯邊緣部分致密和均勻性優(yōu)于中心部位，縮孔和疏松缺陷位于鑄坯中心部位。軸承鋼中碳含量較高，凝固過程易于發(fā)生凝固偏析行為，加重方坯的中心縮孔和裂紋。在凝固過程中應(yīng)提高等軸晶率，降低粗大的柱狀晶。當(dāng)軸承鋼鑄坯等軸晶率較高時，中心偏析依然無法徹底消除[38]。

圖6 連鑄坯橫截面Fig.6 Cross section of continuous casting billet

教學(xué)評價是指依據(jù)一定的客觀標(biāo)準(zhǔn)，對教學(xué)活動及其結(jié)果進行測量、分析和評定的過程。教學(xué)評價的功能主要表現(xiàn)在：診斷教學(xué)問題、提供反饋信息、調(diào)控教學(xué)方向、檢驗教學(xué)效果。廣義的教學(xué)評價包括對教師教學(xué)工作的評價和對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評價。本文中筆者討論的教學(xué)評價，是指對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評價。

典型的連鑄應(yīng)變速率條件下，通過統(tǒng)計分析鑄坯凝固前沿裂紋敏感區(qū)試驗數(shù)據(jù)，得出鑄坯內(nèi)部裂紋臨界應(yīng)變與碳當(dāng)量關(guān)系如圖7所示[40-41]。隨著鋼中碳含量的增加，臨界應(yīng)變降低，而軸承鋼中碳含量較高，壓下操作易產(chǎn)生裂紋。

為研究軸承鋼盤條組織缺陷與偏析的關(guān)系，要探討軸承鋼盤條軋制全流程的組織和碳化物傳遞行為，如圖8所示。軸承鋼方坯需在加熱爐進行高溫擴散（1 200～1 250℃熱擴散 4～8 h）[42-43]，隨后開坯軋制成小方坯，經(jīng)過多道軋制成軸承鋼熱軋盤條。

圖7 臨界應(yīng)變與碳當(dāng)量的關(guān)系Fig.7 Relationship between critical strain and carbon equivalent

在軸承鋼軋制生產(chǎn)過程中，軋材存在的缺陷主要源于鑄坯原有縮孔和偏析缺陷。沿鑄坯柱狀晶和等軸晶界析出的粗大網(wǎng)狀碳化物和液析碳化物，析出的碳化物位置和形貌均與軸承鋼晶界密切相關(guān)[33-34]。在凝固過程中應(yīng)盡量減小柱狀晶，提高等軸晶率。

合理的壓下參數(shù)除了應(yīng)降低中心偏析和疏松外，還應(yīng)保證鑄坯不產(chǎn)生內(nèi)裂紋。

3.3 凝固組織缺陷的危害

So by Hurwitz’s Theorem,there exist ζj→ζ0 such that for sufficiently large j we can deduce from (3.1) that

圖8 軸承鋼盤條軋制流程示意圖Fig.8 Diagram of rolling process for bearing steel wire rod

不合適連鑄壓下參數(shù)產(chǎn)生的裂紋形貌如圖5所示，裂紋有向2個方向擴展的趨勢，一個是向鑄坯未凝液芯擴展，一個是向鑄坯凝殼方向擴展。

智慧教育是指以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)等一批新興的信息技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代教育理論，把教育資源建設(shè)放在中心位置，以智能設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)等為依托，以自身的保障措施為基礎(chǔ)，深入教育體制改革，實現(xiàn)教育方式方法的智慧化。

XIA Q在他們的研究中簡要地解決了醫(yī)療數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中的訪問控制管理問題，主要設(shè)計了一個基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享方案[1]，允許數(shù)據(jù)用戶/所有者在身份驗證和加密密鑰驗證后，從共享存儲庫訪問電子病歷。SIFAH E B等人也提出了基于區(qū)塊鏈的共享醫(yī)療數(shù)據(jù)方案，重點在于提供數(shù)據(jù)訪問控制、出處和審計的同時[2]，在云服務(wù)提供商之間共享醫(yī)療數(shù)據(jù)。SHAE Z提出了一個用于臨床試驗和精密醫(yī)學(xué)的區(qū)塊鏈平臺架構(gòu)，并討論了各種設(shè)計方面問題，并對技術(shù)要求和挑戰(zhàn)提供了一些見解[3]。

連鑄坯在軋制成盤條后的組織形貌如圖9所示，鑄坯原始枝晶偏析經(jīng)均熱處理及熱軋并未消除，其缺陷在盤條中保留下來。柱狀晶向鑄坯中心方向生長，在等軸晶區(qū)域內(nèi)有明顯的偏析暗點，并伴隨著嚴重的疏松現(xiàn)象[44]。

圖9 熱軋盤條組織形貌Fig.9 Morphology of hot rolled wire rod

由圖9可以看出，熱軋盤條存在與原始連鑄坯類似的枝晶偏析組織；局部放大可以看出，熱軋盤條仍然存在線對稱形狀的柱狀晶形貌，由此確定該區(qū)域為對應(yīng)熱軋前方坯的角部區(qū)域。

軸承鋼熱軋盤條裂紋主要分布在軸心部位，且盤條裂紋橫穿中心呈直線狀，盤條上存在單條或更多的裂紋缺陷，裂紋呈輕微鋸齒狀[45]。內(nèi)部裂紋沿原連鑄坯的中心等軸晶區(qū)與柱狀晶區(qū)產(chǎn)生，可以斷定此裂紋缺陷源于原始鑄坯。連鑄坯與熱軋盤條組織如圖10所示，軸承鋼盤條加熱過程不能徹底地消除高碳軸承鋼連鑄坯凝固過程產(chǎn)生的枝晶偏析。

黨的十八屆三中會全召開后，各級水利部門高度重視，按照水利部的要求和部署，及時組織召開了黨組黨委（擴大）會議、黨員干部大會、專題學(xué)習(xí)討論會等會議，以各種形式傳達學(xué)習(xí)習(xí)近平總書記在黨的十八屆三中全會上的重要講話和《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》精神，學(xué)習(xí)領(lǐng)會陳雷部長在水利部黨組中心組（擴大）學(xué)習(xí)班上的動員講話精神，并就繼續(xù)深入學(xué)習(xí)貫徹黨的十八屆三中全會精神、進一步深化水利改革作出相關(guān)部署。

圖10 盤條熱軋前后組織示意圖Fig.10 Structure diagram of wire rod before and after hot rolling

在熱軋過程中，鑄坯角部柱狀晶經(jīng)過多道次熱變形軋制后，連鑄坯角部形狀由方形軋制為近圓形，鑄坯角部區(qū)域柱狀晶受到熱軋擠壓彎曲變形，經(jīng)多道次軋制后形成如圖10b所示的組織結(jié)構(gòu)。鑄坯經(jīng)均熱處理及熱軋并未消除原始內(nèi)部裂紋，在熱軋交變載荷作用下，盤條內(nèi)部更易出現(xiàn)內(nèi)部裂紋及其擴展，其缺陷在盤條中保留下來。

4 改善軸承鋼鑄坯組織缺陷的工藝措施

基于全流程軸承鋼連鑄坯凝固組織和碳化物分布傳遞性規(guī)律，以滿足軸承極端苛刻的服役環(huán)境為要求，為提升國內(nèi)軸承鋼生產(chǎn)水平。從冶金角度提出幾個優(yōu)化鑄坯偏析和組織缺陷的具體措施。

4.1 控制等軸晶區(qū)大小及等軸晶率

形狀復(fù)雜的等軸晶抑制枝晶間隙富集溶質(zhì)的液相流動，可部分減輕偏析缺陷。粗大的等軸晶導(dǎo)致成分部分不均，提高等軸晶率可以進一步縮小晶粒間隙，消除等軸晶區(qū)域V形偏析。合理增加等軸晶區(qū)域可以降低偏析區(qū)域的偏析比，如電磁攪拌技術(shù)可使鋼液沖刷初生凝固坯殼，有效打碎結(jié)晶期初生凝固產(chǎn)生的枝晶組織并成為等軸晶形核的核心，加快并擴大鑄坯等軸晶區(qū)域；低過熱度澆注以及在鋼液中加入形核劑均可以細化等軸晶率。但由于等軸晶與柱狀晶熱物性存在差異性，過大的等軸晶區(qū)域和等軸晶率易導(dǎo)致A型通道偏析行為惡化，等軸晶區(qū)與柱狀區(qū)邊界易出現(xiàn)裂紋。

4.2 凝固末端壓下技術(shù)

凝固末端壓下技術(shù)[46]是解決鑄坯偏析的有效措施，以補償凝固過程的體積收縮，減輕鑄坯枝晶間溶質(zhì)鋼液流動，達到部分降低通道偏析、中心偏析和疏松的目的。鑄坯凝固末端重壓下技術(shù)是改善高品質(zhì)軸承鋼中心鑄坯致密性和均質(zhì)性的有效措施，可以徹底消除鑄坯偏析缺陷，并可以有效焊合內(nèi)部縮孔缺陷。軸承鋼鑄坯組織中的差異會延續(xù)到最終軸承產(chǎn)品，并會在碳化物顆粒粒度和組織分布上體現(xiàn)出來。因此對軸承鋼鑄坯組織和偏析缺陷進行合理精細化控制是提高軸承疲勞服役性能的有效途徑。

4.3 均勻化擴散退火工藝

軸承鋼中碳和鉻同時偏析，增大共晶碳化物形成趨勢，鑄坯中大顆粒共晶碳化物需在高溫長時間保溫以使偏析組織均勻化，即均勻化退火或擴散退火。確定合理的均勻化退火溫度和時間可保證完全消除大塊狀碳化物。

5 結(jié)束語

軸承用鋼鑄坯溶質(zhì)偏析、碳化物均勻性及凝固組織控制是保證軸承高品質(zhì)、高可靠性和長壽命要求的關(guān)鍵。連鑄凝固過程形成的枝晶偏析和組織缺陷在熱軋前的加熱處理工藝中并不能得到徹底消除，其偏析和組織形貌會傳遞到熱軋盤條中，并最終傳遞到軸承相關(guān)產(chǎn)品，對疲勞服役性能造成不利影響。充分認識冶金缺陷傳遞規(guī)律的成因和危害，嚴格實施鑄坯工藝的改善措施，對軸承鋼質(zhì)量水平地提高大有裨益。