轴承钢棒材轧后控制冷却与快速球化工艺的实验与分析

[ 关键词：轴承钢 棒材 　发表日期：2012-05-04 13:59:38 ]

轴承钢棒材轧后控制冷却与快速球化工艺的实验与分析

1轴承钢棒材试验方法

　　试验是在正常生产轧制条件下进行的，试验用料为GCr15轴承钢，化学成分注：试验用钢为Φ55mm圆钢。

　　在正常轧制条件下，Φ50mmGCr15轴承圆棒材切成定尺后横移，经一次和二次水冷器的快速冷却。钢材开始水冷时，最低温度为860～870℃，最高温度为920℃左右。圆钢经2次快冷的断面温度曲线如原创图1所示。圆钢表面温度为920℃时进入1#水冷器，出水冷器表面温度降低到400～500℃，经一定时间后，钢温返红到600～700℃，进入2#水冷器进行二次冷却。出2#水冷器钢材表面温度一般在400～460℃，经辊道到收集台钢温回升到550～650℃，然后钢温下降。试验结果表明，每次在水冷器中快冷时，钢材表面温度不应低于300℃，以防止在钢材表面形成马氏体组织。

　　同一轧制工艺制度所轧制的空冷材和控制冷却材在连续退火炉中退火或模拟连续退火制度进行球化退火。并进行组织和性能对比。

2轴承钢棒材试验结果与分析

　　2.1冷却水压与钢材返红温度对组织的影响

　　Φ50mm圆棒材水冷后的表面最高返红温度与冷却水水压关系如原创图2所示（885℃开始水冷）。当走钢速度一定时，随冷却水水压的加大，钢材返红温度下降，冷却能力加大。

　　试验结果表明，当钢温为885℃开始快冷时，仅采用一次快冷，其钢材返红温度达到780℃，经金相与电镜检验，可以看到在圆断面的边部和1/4直径处得到片状和变态珠光体和少量网状碳化物，而中心部位则为细片状珠光体及网状碳化物。经过二次快冷的轴承钢棒，返红最高温度为630～660℃，其边部和直径1/4处为变态索氏体和一些球状或半球状的碳化物。个别地方有极细极薄的网状碳化物。心部组织为断续的细片状珠光体、索氏体、有少量细的网状碳化物。

　　2.2冷却水压对轴承钢棒材网状碳化物的影响

　　以Φ55mm轴承钢圆棒材为例，870℃开始快冷随水压增加，金相试样网状碳化物级别降低，但变化不大。网状碳化物级别均小于2.5级（YJZ-84），网状一般在心部出现。

　　2.3开始冷却温度对棒材网状碳化物的影响

　　试验表明，随开始冷却温度提高，网状碳化物级别降低，在875℃温度以上，开始冷却温度对网状碳化物析出影响不太明显，这是因为在变形条件下轴承钢中网状碳化物析出温度在960～700℃之间，在高温时析出数量比较少，至700～750℃温度范围，碳化物析出最为激烈。如果从较高的轧后钢材温度快冷，就可以抑制在这一温度区间的碳化物析出。

　　因此，如轧后立即进行一次水冷，将棒材冷却到800℃以上，可以防止晶粒长大，进一步细化变形奥氏体晶粒。由于变形促使碳化物析出温度Arcm提高，经快冷后使Arcm温度降低，使碳化物析出数量减少。同时由于奥氏体晶粒细化，使碳化物析出分散、变薄。再进行二次快冷时，可将钢温降低至650℃以下，则可以阻止网状碳化物进一步析出。

　　如果一次快速冷却后返红温度正处在碳化物激烈析出的温度区间，又没有立即进行二次冷却，使钢棒在这一温度区间慢冷，则会得到粗大的网状碳化物组织。

　　2.4轧后快速冷却的停止温度对网状碳化物级别的影响

　　轧后快速冷却的停止温度是极为重要的工艺参数，它决定了不同断面尺寸钢材的冷却后的自身返红温度的高低。在轧制Φ34～55mm轴承钢棒材轧后快冷到表面温度为450～500℃比较合适，经返红后其钢温可以控制在550～650℃范围，然后空冷，可以得到比较理想的组织。

　　大断面的圆钢必须采用多次冷却工艺，同时在两次水冷之间应相隔一定时间，达到钢材表面返红的目的，并为下一次冷却做准备，返红温度的高低取决于所要求的控制冷却工艺制度。

　　例如轧制Φ55mmGCr15轴承钢棒材，当开始冷却温度为893℃，经一次冷却后钢材返红温度为690℃，二次冷却后返红温度为640℃。钢材在893～700℃之间冷却速度较快，内外温差较小，抑制了碳化物析出。轧后试样的网状碳化物级别为2.5级，并且内外比较均匀。另一轧件开始冷却温度为925℃，经一次水冷后返红温度为760℃，二次水冷后最高返红温度为680℃，由于在一次水冷到二次开冷间在700～760℃停留一定时间，正处在碳化物剧烈析出温度，因而沿断面的网状碳化物级别均达到4级。

　　2.5控制冷却工艺对球化退火工艺的影响

　　轧后立即快冷的目的除了降低网状碳化物级别外，另一重要目的是防止变形后的奥氏体晶粒长大，相变后形成粗大珠光体球团，同时增大过冷度降低Arcm和Ar1的温度，以减少珠光体的片层间距尺寸，并可形成退化珠光体和退化索氏体，有利于快速球化，缩短球化退火时间。

　　试验中研究了GCr15轴承钢控制冷却材和空冷材球化退火工艺，并进行了比较。

　　球化退火所用控制冷却材是采用不同控冷条件下的钢材作为试验料以及空冷试验料，其控冷工艺如下：

　　（1）经二次水冷后返红温度分别为630℃、640℃和660℃3种控冷材。

　　（2）经一次水冷后返红温度为780℃水冷材。

　　（3）空冷材。

　　以上3类钢材其轧制工艺相同，球化退火试验是在98m长的连续退火炉中，按不同走钢速度进行球化退火。为了改变球化退火的各段温度制度，用箱式电加热炉，按连续式加热炉的各段温度制度及不同走钢速度模拟连续炉球化退火工艺。炉内走钢速度分别为3m/h、4m/h、5m/h、6m/h和7m/h。

　　试验结果可见，空冷材在大于4m/h走钢速度球化退火不能得到合格球化组织。采用返红温度为630℃的控制冷却材，其走钢速度从5m/h到7m/h进行球化退火却可以得到合格球化组织（2～2.5级）。相反，如果仍按3m/h走钢速度对水冷后钢材进行退火时，其球化组织粗化，达到3.5～6级。水冷后返红温度高于640℃时，走钢速度大于5m/h，球化后球化组织不合格（小于2级）。试验表明，水冷材球化退火时间比空冷材的球化退火时间明显缩短。

　　试验方案中，将球化退火的加热温度由820℃降到800℃，并且将炉尾690℃、660℃两段缩短停留时间，由原来每段1h37min缩短到39min。加快冷却速度。当走钢速度为5m/h，总退火时间为6h38min；走钢速度为6m/h总退火时间为5h38min；走钢速度为7m/h，总退火时间为4h46min。

　　结果表明，空冷材以5m/h以上走钢速度球化退火组织都在2级以下，一次冷却后的水冷材仅以5m/h走钢速度球化退火的球化组织为2级。而二次冷却后的水冷材以6m/h走钢速度球化退火仍可得到合格的球化组织。返红温度为630℃的退火前预组织较好，即使以7m/h走钢速度球化，球化组织也为2级。

　　由于轧后控制冷却材的组织为变态索氏体和片层间距比较薄的珠光体。在球化退火时碳原子扩散路程短，碳化物容易溶断，溶断后残存的碳化物质点数目多，为降温过程碳化物析出提供了更多的部位，就可以采用较快速度冷却。同时，片层间距小，片层之间的界面相应增多，界面能增加，也起到加速原子扩散，加速球化退火的作用。轧后控制冷却材中，珠光体中渗碳体呈断续状，甚至成为半球状，有利于球化过程，缩短球化时间。

　　2.6控制冷却对轴承钢棒材性能的影响

　　控制冷却材和空冷材退火后的硬度随球化走钢速度的提高而升高，如原创图3所示。在同一走钢速度条件下，控制冷却材比空冷材硬度降低，因为随走钢速度提高，退火时间缩短，钢材球化组织级别降低，所以钢材的硬度升高，而控制冷却材比空冷材容易球化，相同退火时间，控制冷却材退火后球化组织级别比空冷材级别高。碳化物颗粒大小均匀，分布弥散，所以控制冷却材的硬度低。

　　控制冷却材的接触疲劳寿命比空冷材的高，原创表2中给出Φ50mmGCr15轴承钢水泠和空冷退火材的接触疲劳寿命对比结果。

　　由于Φ50mm轴承钢水冷后退火材的碳化物颗粒比空冷后退火材的碳化物颗粒细小均匀，前者直径为0.53μm,而后者为0.63μm而碳化物颗粒平均距离分别为1.28μm和1.34μm。

3轴承钢棒材结论

　　GCr15轴承圆钢，直径在Φ34～55mm范围内，采用合适的轧后快速冷却工艺，可以降低网状碳化物级别，使其小于2.5级。缩短球化退火时间可获得符合YJZ-84标准的2～3级球化组织，所以，大断面轴承钢棒材采用轧后快冷工艺和快速球化退火工艺，无论从理论上或实践上都表明是一种先进的轧制生产工艺，应加以推广。