摘　要：軸承鋼鑄坯內部易產生中心疏松、縮孔和中心偏析等缺陷，對軋制及成品都會產生不利影響。連鑄壓下技術是改善鑄坯內部缺陷的一種的方法。本文綜述了壓下技術的研究及應用進展。重點介紹了凝固末端大壓下技術、凸形輥壓下技術、單輥重壓下技術和兩段式重壓下技術，提出大方坯軸承鋼末端重壓下技術的發(fā)展方向，為國內相關企業(yè)軸承鋼產品的開發(fā)及生產工藝的改進提供參考。
　　關鍵詞：軸承鋼；連鑄壓下技術；均質化；中心缺陷；重壓下技術
　　軸承的可靠性和安全性對軸承用鋼提出了高品質、高可靠性和長壽命要求。軸承的高可靠性對軸承用鋼提出了高致密性和均質性的要求。國內特殊鋼企業(yè)眾多，但鋼材產品質量處于較低檔次，缺乏產品市場競爭力。僅有少數企業(yè)得到世界軸承公司的認證，而大部分特殊鋼企業(yè)沒有掌握控制均質化和致密度的關鍵技術，導致軸承鋼為低附加值產品。因此，實現軸承用鋼材的國產化，并發(fā)展國內領域軸承配套產品成為熱點攻關問題。
　　由于高碳鉻軸承鋼連鑄方坯斷面特征，鑄坯內部極易產生中心疏松、V型偏析、中間裂紋等缺陷[1]。因此，軸承鋼連鑄坯尚不能滿足一些領域軸承用鋼的要求[2]。為改善軸承鋼方坯的內部質量，保證內部高致密度和均勻性，連鑄凝固末端輕壓下技術得到應用，部分提高鑄坯致密度和均質性。凝固末端重壓下技術在日本和韓國等特殊鋼企業(yè)研發(fā)成功并用于生產，達到消除疏松、中心偏析和中心縮孔等內部缺陷。因此本文介紹了壓下技術在高品質軸承鋼均質化的研究與應用進展。
　　1　高品質軸承用鋼
　　高碳鉻軸承鋼有較高的較高的碳、鉻含量，易導致凝固過程連鑄坯內部出現中心縮松和中心偏析缺陷，從而影響軸承的使用性能等。高品質軸承鋼的質量控制目標是為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，獲得高品質軸承鋼材。制造軸承用鋼的主要代表鋼種及其特性、用途見表1。　　2　GCr15軸承鋼連鑄坯典型缺陷
　　在軸承鋼軋制生產過程中，軋材存在的缺陷主要源于鑄坯原有縮孔和偏析缺陷。軸承鋼GCr15鑄坯典型V型偏析的縱截面和橫截面低倍結果如圖1所示。沿拉坯方向在鑄坯中心斷續(xù)分布著中心縮孔缺陷，在凝固過程中應盡量減小柱狀晶，提高等軸晶率。但在高等軸晶率情況下，中心偏析依然存在。作為中心偏析的一種，V型偏析嚴重影響鋼鐵質量。　　V型偏析已成為高等軸晶率下影響鋼材質量的主要缺陷，橫向截面呈現出良好的鑄坯質量，而實際上如果對連鑄坯進行縱向切割，則會發(fā)現內部特別是中心線位置處質量很差：中心位置處不僅有多處縮孔，而且在中心線位置處，偏析現象嚴重。　　圖2是GCr15軸承鋼凝固后腐蝕的組織圖?？梢钥闯龈髂探M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))。柱狀晶生長方向朝著鑄坯中心，其生長方向基本垂直于結晶器壁，混晶區(qū)域內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。在等軸晶區(qū)域內，有明顯的偏析暗點，并伴隨著嚴重的疏松現象。圖3為連鑄輕壓下參數不合適而產生的裂紋形貌，裂紋向兩個方向擴展的趨勢，一個是向鑄坯未凝液芯擴展，一個是向鑄坯凝殼方向擴展。均質化連鑄坯需要在凝固末端施加一定壓下量，同時避免鑄坯凝固前沿界面內部裂紋。　　3　連鑄輕壓下技術的研究現狀與應用
　　軸承鋼連鑄在凝固末端位置實施合理地輕壓下能夠補償糊狀區(qū)的凝固收縮量，可以有效地降低鑄坯內部中心縮松和中心偏析量。因此, 輕壓下技術已在國內外特殊鋼企業(yè)得到廣泛應用，其中日本新日鐵鋼公司，韓國浦項鋼鐵公司，中國湖北新冶鋼有限公司、東北特殊鋼集團公司、本溪鋼鐵集團公司等應用比較成功。表2是典型特殊鋼企業(yè)軸承鋼及高碳鋼的輕壓下控制參數及應用效果[11-22]。
　　高碳鉻軸承鋼中碳含量高，鑄坯的兩相區(qū)較長且寬，從而易導致中心偏析、縮孔和疏松等缺陷 [21]，軸承鋼連鑄壓下技術已經在國內特殊鋼企業(yè)得到應用，但并沒有掌握關鍵控制技術，由于壓下參數不合理不但沒有降低鑄坯中心疏松縮孔和偏析，還使得鑄坯內部產生裂紋[19]。
　　連鑄坯的糊狀區(qū)存在三個主要區(qū)域，見圖4：其中糊狀區(qū)A固相率較低，枝晶間鋼液能夠自由流動，鋼液中溶質成分布均勻，不存在元素偏析。糊狀區(qū)B鋼液流動性降低，且只能在粗大的枝晶間部分流動，溶質富集形成偏析。糊狀區(qū)C內鋼液進一步凝固收縮得不到補充，形成鑄坯內部疏松和縮孔缺陷。因此，改善鑄坯內部疏松和縮孔缺陷提高致密性應該在C區(qū)進行壓下，而降低偏析應該在B區(qū)實施壓下。　　通過理論分析得到改善鑄坯偏析的合理壓下區(qū)間時中心固相率為0.3~0.7，對于高碳軸承鋼合理壓下區(qū)間的中心固相率為0.2~0.9[22]。連鑄壓下裂紋的產生機理[23，24]，將鑄坯凝固前沿劃分為液相補縮區(qū)（固相率為0.4~0.9）和裂紋產生區(qū)（固相率為0.9~0.99），液相補縮區(qū)裂紋會被鋼液填充，而裂紋產生區(qū)的裂紋由于枝晶臂的阻隔使液相不能填充，導致內部裂紋會被保留，該分界點固相率的溫度定義為LIT。Won等[25]將LIT~ZDT定義為裂紋敏感期區(qū)如圖5所示。在此區(qū)間內鑄坯具有一定強度，但卻無延展變形能力，因此輕壓下應該避開裂紋敏感區(qū)以避免中心裂紋的形成。 　　典型的連鑄應變速率條件下，通過統計分析鑄坯凝固前沿裂紋敏感區(qū)試驗數據，得出鑄坯內部裂紋臨界應變與碳當量關系[26，27]，如圖6所示。隨著鋼中碳含量的增加，臨界應變降低，而軸承鋼中碳含量較高壓下操作易產生裂紋。　　鑄坯壓下操作參數對其內部質量的影響如圖7所示。當壓下量過小情況下無法有效消除V型偏析，而壓下量過大會導致負偏析易產生內裂紋。為了避免鑄坯內部出現裂紋，就要保證應變小于鑄坯凝固前沿裂紋臨界應變，進而得到保證不產生內部裂紋的壓下率及總壓下量。合理的壓下參數除了應降低中心偏析和疏松外，還應保證鑄坯不產生內裂紋。
　　4　連鑄重壓下技術研究進展
　　鑄坯邊角部的壓下變形抗力大，常規(guī)的小壓下量模式的輕壓下連鑄工藝已無法穩(wěn)定、有效地控制中心偏析和縮孔缺陷，所以不能實現鑄坯凝固末端擠壓出富集溶質的鋼液和有效補償凝固收縮的效果[18]。使用常規(guī)小壓下量連鑄技術，尚無法有效生產大斷面軸承鋼均質化、高致密度的連鑄坯。連鑄坯凝固末端重壓下技術利于在高溫、高壓條件下焊接中心疏松、縮孔、內裂等缺點。日本新日鐵（NIPPON）和住友金屬（NSENGI）開發(fā)出連鑄坯凝固末端大壓下工藝[28，29]，軸承鋼在凝固末端實施大壓下量操作，有效改善中心偏析與疏松，實現鑄坯高致密和均質化的工藝效果。韓國浦項（POSCO)和日本新日鐵等企業(yè)采用凸型輥在連鑄坯凝固末端實施壓下[18,30]，鑄坯和軋材的內部質量均得到顯著改善。
　　4.1連鑄凸型輥壓下技術
　　平型輥輕壓下是特殊鋼企業(yè)廣泛應用的技術，圖8是兩種類型壓下輥示意圖（圖中D、d表示鑄坯抵抗阻力的厚度）。采用凸型輥輕壓下可將壓下力集中在鑄坯寬面中心區(qū)域，有效避開已凝固邊部凝固坯殼，使得壓下變形沿寬度方向均勻分布，鑄坯中心區(qū)域液芯可以受到有效擠壓，達到提高壓下的目的[30]。　　凸型輥多設計為類似凸臺結構，凸臺兩側邊部區(qū)域出現應力集中現象，操作不當易造成表面深壓痕并降低凸輥使用壽命。　　如圖9所示，漸變曲率凸型輥通過優(yōu)化平輥段和凸起段參數可以有效減輕凸臺邊緣應力集中，同時提高壓下輥使用壽命[32，33]；且凸型輥不接觸凝固的鑄坯邊角部，避免輕壓下在鑄坯兩側附近易產生裂紋。
　　4.2鑄坯凝固末端重壓下技術
　　川崎制鐵采用連續(xù)鍛壓技術（Continuous Forging），安裝一對砧板對大方坯鑄坯實施連續(xù)鍛壓，改善鑄坯中心偏析和疏松[31]，圖10為連續(xù)鍛壓過程示意圖。日本新日鐵研發(fā)出重壓下技術（NS Bloom Large Reduction），采用大輥徑凸輥對初始凝固狀態(tài)的方坯施加大壓下量，消除鑄坯中心疏松和縮孔，提高軋材的探傷合格率[29]。　　日本住友金屬采用PCCS(Porosity Control of Casting Slab)技術，施加大壓下量于鑄坯心部易變形的區(qū)域，圖11是該技術原理示意圖[34，35]，顯著提高鑄坯致密度和均質性。韓國浦項鋼鐵開發(fā)出PosHARP技術[36]，在鑄坯凝固中期采取大量壓下輥進行大壓下率壓下操作，將鑄坯中心部位富集溶質的鋼液沿中心線擠壓出將鋼液均勻化。　　4.3連鑄單輥重壓下技術
　　小方坯單輥重壓下技術，180mm×180 mm斷面小方坯單輥壓下量5mm-20 mm，能顯著提高鑄坯內部質量，消除縮孔、改善疏松和偏析，提高鑄坯中心致密度；單輥重壓下不容易導致壓下裂紋[37，38]。然而，大方坯軸承鋼尚沒有采用重壓下技術的報道。由于大方坯有效壓下區(qū)域較小，邊角區(qū)域溫度過低，壓下抗力較大難以實施有效大壓下量操作。　　圖12是單輥不同壓下量下鑄坯低倍形貌，隨著單輥壓下量的增大，鑄坯中心縮孔和疏松得到明顯改善；當單輥施加17 mm壓下量后，鑄坯中心縮孔消除而且沒有出現內部裂紋。軸承鋼連鑄單輥重壓下能提高鑄坯中心組織、致密度和改善內部缺陷，為后續(xù)軋制工序提供良好條件。
　　4.4鑄坯兩段式重壓下技術
　　鑄坯凝固末端，鑄坯液芯與表面溫差達500 ℃以上，壓下效率遠超過粗軋階段（粗軋使用均溫鑄坯），此階段可以實現鑄坯內部縮孔的焊合，細化心部晶粒的作用[39，40]。階段壓下位置為鑄坯未凝固區(qū)間，有效改善鑄坯偏析缺陷，第二階段壓下位置為凝固區(qū)間，改善鑄坯中心縮孔，提高鑄坯均質性和致密度，第二階段總壓下量為15 mm -20mm。連鑄兩段式重壓下采用總壓下量達25mm以上的壓下制度，壓下量遠大于常規(guī)輕壓下操作，從而達到良好的焊合內部縮孔的工藝效果?；谝陨涎芯拷Y果，應用凸型輥實施大方坯凝固末端單輥重壓下技術和兩段式重壓下技術是未來軸承鋼施加連鑄大壓下量的研究方向。連鑄重壓下技術不僅是輕壓下技術的進一步發(fā)展，也是軋制技術在連鑄階段的延伸，鑄坯的溫度分布特性不同于軋制工藝，由于鑄坯心部溫度較高，更有利于產生變形，從而優(yōu)于軋制的效果。這樣的不僅利于改善軸承鋼內部質量，并且有利于生產流程的重新優(yōu)化。
　　5　結束語
　　軸承用鋼鑄坯中心疏松、溶質偏析及碳化物均勻性控制是保證高品質軸承鋼質量的關鍵。要降低鑄坯溶質偏析，可在鑄坯凝固末端施加壓下操作。通過理論分析得到改善高碳軸承鋼合理壓下區(qū)間的中心固相率為0.2~0.9，鑄坯凝固末端重壓下技術是改善高品質軸承鋼中心鑄坯致密性和均質性的有效措施，但由于大方坯凝固液芯為近圓形，有效壓下區(qū)域較小，鑄坯邊角區(qū)域溫度偏低，壓下抗力較大，難以實施有效大壓下量操作。應用凸型輥實施大方坯凝固末端單輥重壓下技術和兩段式重壓下技術是未來軸承鋼施加連鑄大壓下量的研究方向。
　　參考文獻：
　　[1] 何慶文, 王寶, 王福明,等. 大方坯軸承鋼中心偏析的成因及預防措施[J]. 鋼鐵, 2009, 44(8): 39-44.
　　[2] 劉雅政, 周樂育, 張朝磊,等. 重大裝備用高品質軸承用鋼的發(fā)展及其質量控制[J]. 鋼鐵, 2013, 48(8): 1-8.
　　[3] Bhadeshia H. K. D. H. Steels for Bearings [J]. Progress in Materials Science, 2012, 57: 268-435.
　　[4] 張福成, 楊志南, 雷建中,等. 貝氏體鋼在軸承中的應用進展[J]. 軸承, 2017, (1): 54-64.
　　[5] 徐海峰, 曹文全, 俞峰,等. 國內外高氮馬氏體不銹軸承鋼研究現狀與發(fā)展[J]. 鋼鐵, 2017, 52(1): 53-63.
　　[6] 胡占齊, 李巍, 楊育林,等. 航空關節(jié)軸承壽命試驗機發(fā)展綜述[J]. 軸承, 2017, (11): 57-63.
　　[7] Qian G, Li G..Z., Xu X.H., et al. Steelmaking Technologies and With Focus on Micro Inclusion Development for 700 ktons Production of State-of the Art 1C-1.5Cr Bearing Steel [J]. Journal of ASTM International, 2014, 3：1-27.
　　[8] 何加群. 中國工業(yè)強國戰(zhàn)略和軸承產業(yè)[J]. 軸承, 2015, (1): 55-63.
　　[9] 夏新濤, 白陽, 孫立明,等. GCr15 軸承鋼可靠性模型的探討[J]. 軸承, 2016, (3): 30-33.
　　[10] 李昭昆, 雷建中, 徐海峰,等. 國內外軸承鋼的現狀與發(fā)展趨勢[J]. 鋼鐵研究學報, 2016, 28(3): 1-12.
　　[11] 沈建國, 王迎春. 大方坯連鑄內部缺陷與輕壓下工藝研究[J]. 鑄造技術, 2012, 3(33): 335-338.
　　[12] Thome R., Harste K. Principles of Billet Soft-reduction and Consequences for Continuous Casting [J]. ISIJ International, 2006，46(12):1839-1844.
　　[13] 磯部 浩一, 前出 弘文, 宿利 清巳, 等. クラウンロールを用いた凝固末期軽圧下によるブルーム鋳片の中心偏析改善技術の開発[J]. 鉄と鋼, 1994, 80(1): 42-47.
　　[14] 田新中, 朱榮.GCr15軸承鋼大方坯連鑄生產中動態(tài)輕壓下工藝的應用[J]. 特殊鋼, 2010, 6(31): 26-27.
　　[15] 羅輝.動態(tài)輕壓下技術在軸承鋼GCr15 連鑄矩形坯生產中的實踐[J]. 黑龍江冶金, 2015, 5(35): 29-31.
　　[16] Kimura K., Suzuki M., Kawarni A. Improvement in Center Segregation of High Carbon Steel Continuous Casting Blooms [C]. 72nd Steelmaking Conference Proceedings, Chicago, April 2-5, 1989: 115-123.
　　[17] Yim C H, Park J K, OH K S. The Control of Internal Quality by the Reduction of Blooms with Liquid Core [C]. 81st Steelmaking Conference Proceedings, Toronto, March 22-25, 1998, 309-313.
　　[18] Ho M C, Shik O K, Dong L J, et al. Effect of the Roll Surface Profile on Centerline Segregation in Soft Reduction Process [J]. ISIJ International, 2012, 52(7):1266-1272.
　　[19] Chen Y K, Feng E A, Lin K J. Improvement of Center Segregation for High Carbon Steel Bloom[C]. 79th Steelmaking Conference Proceedings, Pittsburgh, 1996: 505-512.
　　[20] CHEN Y, LI G, YANG S, et al. Dynamic Soft Reduction for Continuously Cast Rail Bloom [J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2007, 14(5):13-17, 51.
　　[21] 宗男夫, 張慧, 張興中. 國內外高品質軸承鋼潔凈化與均質化控制技術的進展[J]. 軸承, 2017, (1): 48-52.
　　[22] Ludwig A., Wu M., Kharicha A. On Macrosegregation [J]. Metall. Mater. Trans. A, 2015, 46A: 4854-4867.
　　[23] Suzuki K, Miyamoto T. Study on the Formation of Left Double Quote and Right Double Quote Segregation in Steel Ingot [J]. Transactions ISIJ, 1978, 18(2): 80-89.
　　[24] Takahashi T．Solidification and Segregation of Ingots [J]. Iron and steel, 1982, (3): 57-61.
　　[25] Mok W Y, Han H N, Tae-Jung Y, et al. Analysis of solidification Cracking Using the Specific Crack Susceptibility [J]. ISIJ International, 2000, 40(2): 129-136.
　　[26] 瀬々 昌文, 三隅 秀幸, 長田 修次, 等. 未凝固鋳片圧下時の偏析挙動および変形挙動[J]. 鉄と鋼, 2001, 87(2): 71-76.
　　[27] Hiebler H, Zirngas J, Bernhard Ch, Wolf MM. Inner crack formation in continous casting: stress or strain criterion [C].Steelmaking Conference Proceedings, 77 th Steelmaking Conference, Chicago,1994:405-416.
　　[28] Takubo M., Matsuoka Y., Miura Y., et al. NSENGI's New Developed Bloom Continuous Casting Technology for Improving Internal Quality of Special Bar Quality(NS Bloom Large Reduction)[C]. 2015連鑄裝備的技術創(chuàng)新和精細化生產技術交流會會議論文集. 西安, 2015, 307-318.
　　[29] 橘高 節(jié)生, 三浦 康彰, 松岡 幸弘, 等. 鋳片圧下裝置の開発[J]. 新日鉄エンジニアリング技報, 2012, (3): 1-6.
　　[30] 磯部 浩一, 前出 弘文, 宿利 清巳, 等. ブルーム鋳片の中心偏析改善技術の開発[J]. 鉄と鋼, 1994, 80(1): 42-47.
　　[31] 鍋島 誠司，中戸 參，藤井 徹也 等. 連続鍛圧法によるブルーム鋳片の偏析制御機構. 鉄と鋼，1993,79（4）：479-485.
　　[32] 沖森 麻佑巳, 西原 良治, 福永 新一, 等 軽圧下法による大斷面ブルームのセンターポロシティ発生防止技術の開発[J]. 鉄と鋼, 1994, 80(8): 120-123.
　　[33] Wang B., Zhang J., Yin Y., et al. Study on the reduction efficiency of soft reduction on continuous casting bloom[J]. Metall. Res. Technol, 2016, 113: 406-413.
　　[34] 平城正, 山中章裕, 白井善久,等. 高級極厚鋼板用新連続鋳造技術(PCCS 法)の開発[J]. Materia Japan, 2009, 48(1): 20-22.
　　[35] Masayuki, Kawamoto. Recent development of steelmaking process in sumitomo metals [J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2011, 18 (S2): 28-35.
　　[36] Chang-Hee Yim, Jeong-Do Seo. Advanced Steelmaking Technologies for CO2 Emission Reduction and Slab Quality Improvement [C]. ICS, Germany, 2012, October 1-3
　　[37] 錢亮, 陳志凌, 李澤林,等. 小方坯重壓下技術的工程實踐[J]. 連鑄, 2016, 41(1): 48-55.
　　[38] 錢亮, 董其鵬, 李澤林,等. 小方坯帶液芯重壓下裂紋傾向試驗研究與探討[J]. 煉鋼, 2016, 32(2): 30-35.
　　[39] Zhao X K, Zhang M, Lei S W, et al. The position study of heavy reduction process for improving centerline segregation or porosity with extra-thickness slabs [J].Steel Research International, 2014, 85 (5): 645-658.
　　[40] Wang B, Zhang J M, Xiao C, et al. Analysis of the evolution behavior of voids during the hot rolling process of medium plates [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 221: 121-127.