濟(jì)南銘揚(yáng)軸承有限公司介紹高碳鉻軸承鋼棒材軋后控制冷卻與快速球化工藝

　　1　試驗(yàn)方法
　　
　　高碳鉻軸承鋼棒材軋后控制冷卻與快速球化工藝
　　
　　試驗(yàn)是在正常生產(chǎn)軋制條件下進(jìn)行的，試驗(yàn)用料為GCr15軸承鋼，化學(xué)成分　　注：試驗(yàn)用鋼為Φ55mm圓鋼。
　　
　　在正常軋制條件下，Φ50mm GCr15軸承圓棒材切成定尺后橫移，經(jīng)一次和二次水冷器的快速冷卻。鋼材開始水冷時(shí)，溫度為860～870 ℃，溫度為920 ℃左右。圓鋼經(jīng)2次快冷的斷面溫度曲線如圖1所示。圓鋼表面溫度為920 ℃時(shí)進(jìn)入1#水冷器，出水冷器表面溫度降低到400～500 ℃，經(jīng)一定時(shí)間后，鋼溫返紅到600～700 ℃，進(jìn)入2#水冷器進(jìn)行二次冷卻。出2#水冷器鋼材表面溫度一般在400～460 ℃，經(jīng)輥道到收集臺(tái)鋼溫回升到550～650 ℃，然后鋼溫下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，每次在水冷器中快冷時(shí)，鋼材表面溫度不應(yīng)低于300 ℃，以防止在鋼材表面形成馬氏體組織。
　　
　　同一軋制工藝制度所軋制的空冷材和控制冷卻材在連續(xù)退火爐中退火或模擬連續(xù)退火制度進(jìn)行球化退火。并進(jìn)行組織和性能對(duì)比?！　?SPAN lang=EN-US>2　試驗(yàn)結(jié)果與分析
　　
　　2.1冷卻水壓與鋼材返紅溫度對(duì)組織的影響
　　
　　Φ50mm圓棒材水冷后的表面返紅溫度與冷卻水水壓關(guān)系如圖2所示(885 ℃開始水冷)。當(dāng)走鋼速度一定時(shí)，隨冷卻水水壓的加大，鋼材返紅溫度下降，冷卻能力加大。
　　
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼溫為885 ℃開始快冷時(shí)，僅采用一次快冷，其鋼材返紅溫度達(dá)到780 ℃，經(jīng)金相與電鏡檢驗(yàn)，可以看到在圓斷面的邊部和1/4直徑處得到片狀和變態(tài)珠光體和少量網(wǎng)狀碳化物，而中心部位則為細(xì)片狀珠光體及網(wǎng)狀碳化物。經(jīng)過二次快冷的軸承鋼棒，返紅溫度為630～660 ℃，其邊部和直徑1/4處為變態(tài)索氏體和一些球狀或半球狀的碳化物。個(gè)別地方有極細(xì)極薄的網(wǎng)狀碳化物。心部組織為斷續(xù)的細(xì)片狀珠光體、索氏體、有少量細(xì)的網(wǎng)狀碳化物。
　　
　　2.2冷卻水壓對(duì)軸承鋼棒材網(wǎng)狀碳化物的影響
　　
　　以Φ55mm軸承鋼圓棒材為例，870 ℃開始快冷隨水壓增加，金相試樣網(wǎng)狀碳化物級(jí)別降低，但變化不大。網(wǎng)狀碳化物級(jí)別均小于2.5級(jí)(YJZ-84)，網(wǎng)狀一般在心部出現(xiàn)。
　　
　　2.3開始冷卻溫度對(duì)棒材網(wǎng)狀碳化物的影響
　　
　　試驗(yàn)表明，隨開始冷卻溫度提高，網(wǎng)狀碳化物級(jí)別降低，在875 ℃溫度以上，開始冷卻溫度對(duì)網(wǎng)狀碳化物析出影響不太明顯，這是因?yàn)樵谧冃螚l件下軸承鋼中網(wǎng)狀碳化物析出溫度在960～700 ℃之間，在高溫時(shí)析出數(shù)量比較少，至700～750 ℃溫度范圍，碳化物析出為激烈。如果從較高的軋后鋼材溫度快冷，就可以抑制在這一溫度區(qū)間的碳化物析出。
　　
　　因此，如軋后立即進(jìn)行一次水冷，將棒材冷卻到800 ℃以上，可以防止晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)一步細(xì)化變形奧氏體晶粒。由于變形促使碳化物析出溫度Arcm提高，經(jīng)快冷后使Arcm溫度降低，使碳化物析出數(shù)量減少。同時(shí)由于奧氏體晶粒細(xì)化，使碳化物析出分散、變薄。再進(jìn)行二次快冷時(shí)，可將鋼溫降低至650 ℃以下，則可以阻止網(wǎng)狀碳化物進(jìn)一步析出。
　　
　　如果一次快速冷卻后返紅溫度正處在碳化物激烈析出的溫度區(qū)間，又沒有立即進(jìn)行二次冷卻，使鋼棒在這一溫度區(qū)間慢冷，則會(huì)得到粗大的網(wǎng)狀碳化物組織。
　　
　　2.4軋后快速冷卻的停止溫度對(duì)網(wǎng)狀碳化物級(jí)別的影響
　　
　　軋后快速冷卻的停止溫度是極為重要的工藝參數(shù)，它決定了不同斷面尺寸鋼材的冷卻后的自身返紅溫度的高低。在軋制Φ34～55mm軸承鋼棒材軋后快冷到表面溫度為450～500 ℃比較合適，經(jīng)返紅后其鋼溫可以控制在550～650 ℃范圍，然后空冷，可以得到比較理想的組織。
　　
　　大斷面的圓鋼必須采用多次冷卻工藝，同時(shí)在兩次水冷之間應(yīng)相隔一定時(shí)間，達(dá)到鋼材表面返紅的目的，并為下一次冷卻做準(zhǔn)備，返紅溫度的高低取決于所要求的控制冷卻工藝制度。
　　
　　例如軋制Φ55mm GCr15軸承鋼棒材，當(dāng)開始冷卻溫度為893 ℃，經(jīng)一次冷卻后鋼材返紅溫度為690 ℃，二次冷卻后返紅溫度為640 ℃。鋼材在893～700 ℃之間冷卻速度較快，內(nèi)外溫差較小，抑制了碳化物析出。軋后試樣的網(wǎng)狀碳化物級(jí)別為2.5級(jí)，并且內(nèi)外比較均勻。另一軋件開始冷卻溫度為925 ℃，經(jīng)一次水冷后返紅溫度為760 ℃，二次水冷后返紅溫度為680 ℃，由于在一次水冷到二次開冷間在700～760 ℃停留一定時(shí)間，正處在碳化物劇烈析出溫度，因而沿?cái)嗝娴木W(wǎng)狀碳化物級(jí)別均達(dá)到4級(jí)。
　　
　　2.5控制冷卻工藝對(duì)球化退火工藝的影響
　　
　　軋后立即快冷的目的除了降低網(wǎng)狀碳化物級(jí)別外，另一重要目的是防止變形后的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，相變后形成粗大珠光體球團(tuán)，同時(shí)增大過冷度降低Arcm和Ar1的溫度，以減少珠光體的片層間距尺寸，并可形成退化珠光體和退化索氏體，有利于快速球化，縮短球化退火時(shí)間。
　　
　　試驗(yàn)中研究了GCr15軸承鋼控制冷卻材和空冷材球化退火工藝，并進(jìn)行了比較。
　　
　　球化退火所用控制冷卻材是采用不同控冷條件下的鋼材作為試驗(yàn)料以及空冷試驗(yàn)料，其控冷工藝如下：
　　
　　(1) 經(jīng)二次水冷后返紅溫度分別為630 ℃、640 ℃和660 ℃3種控冷材。
　　
　　(2) 經(jīng)一次水冷后返紅溫度為780 ℃水冷材。
　　
　　(3) 空冷材。
　　
　　以上3類鋼材其軋制工藝相同，球化退火試驗(yàn)是在98m長(zhǎng)的連續(xù)退火爐中，按不同走鋼速度進(jìn)行球化退火。為了改變球化退火的各段溫度制度，用箱式電加熱爐，按連續(xù)式加熱爐的各段溫度制度及不同走鋼速度模擬連續(xù)爐球化退火工藝。爐內(nèi)走鋼速度分別為3m/h、4m/h、5m/h、6m/h和7m/h。
　　
　　試驗(yàn)結(jié)果可見，空冷材在大于4m/h走鋼速度球化退火不能得到合格球化組織。采用返紅溫度為630 ℃的控制冷卻材，其走鋼速度從5m/h到7m/h進(jìn)行球化退火卻可以得到合格球化組織(2～2.5級(jí))。相反，如果仍按3m/h走鋼速度對(duì)水冷后鋼材進(jìn)行退火時(shí)，其球化組織粗化，達(dá)到3.5～6級(jí)。水冷后返紅溫度高于640 ℃時(shí)，走鋼速度大于5m/h，球化后球化組織不合格(小于2級(jí))。試驗(yàn)表明，水冷材球化退火時(shí)間比空冷材的球化退火時(shí)間明顯縮短。
　　
　　試驗(yàn)方案中，將球化退火的加熱溫度由820 ℃降到800 ℃，并且將爐尾690 ℃、660 ℃兩段縮短停留時(shí)間，由原來(lái)每段1h 37min縮短到39min。加快冷卻速度。當(dāng)走鋼速度為5m/h，總退火時(shí)間為6h 38min；走鋼速度為6m/h總退火時(shí)間為5h 38min；走鋼速度為7m/h，總退火時(shí)間為4h 46min。
　　
　　結(jié)果表明，空冷材以5m/h以上走鋼速度球化退火組織都在2級(jí)以下，一次冷卻后的水冷材僅以5m/h走鋼速度球化退火的球化組織為2級(jí)。而二次冷卻后的水冷材以6m/h走鋼速度球化退火仍可得到合格的球化組織。返紅溫度為630 ℃的退火前預(yù)組織較好，即使以7m/h走鋼速度球化，球化組織也為2級(jí)。
　　
　　由于軋后控制冷卻材的組織為變態(tài)索氏體和片層間距比較薄的珠光體。在球化退火時(shí)碳原子擴(kuò)散路程短，碳化物容易溶斷，溶斷后殘存的碳化物質(zhì)點(diǎn)數(shù)目多，為降溫過程碳化物析出提供了更多的部位，就可以采用較快速度冷卻。同時(shí)，片層間距小，片層之間的界面相應(yīng)增多，界面能增加，也起到加速原子擴(kuò)散，加速球化退火的作用。軋后控制冷卻材中，珠光體中滲碳體呈斷續(xù)狀，甚至成為半球狀，有利于球化過程，縮短球化時(shí)間。
　　
　　2.6控制冷卻對(duì)軸承鋼棒材性能的影響
　　
　　控制冷卻材和空冷材退火后的硬度隨球化走鋼速度的提高而升高，如圖3所示。　　在同一走鋼速度條件下，控制冷卻材比空冷材硬度降低，因?yàn)殡S走鋼速度提高，退火時(shí)間縮短，鋼材球化組織級(jí)別降低，所以鋼材的硬度升高，而控制冷卻材比空冷材容易球化，相同退火時(shí)間，控制冷卻材退火后球化組織級(jí)別比空冷材級(jí)別高。碳化物顆粒大小均勻，分布彌散，所以控制冷卻材的硬度低。
　　
　　控制冷卻材的接觸疲勞壽命比空冷材的高，表2中給出Φ50 mm GCr15軸承鋼水泠和空冷退火材的接觸疲勞壽命對(duì)比結(jié)果。
　　
　　由于Φ50mm軸承鋼水冷后退火材的碳化物顆粒比空冷后退火材的碳化物顆粒細(xì)小均勻，前者直徑為0.53μm,而后者為0.63μm而碳化物顆粒平均距離分別為1.28μm和1.34μm。
　　
　　3　結(jié)論
　　
　　GCr15軸承圓鋼，直徑在Φ34～55mm范圍內(nèi)，采用合適的軋后快速冷卻工藝，可以降低網(wǎng)狀碳化物級(jí)別，使其小于2.5級(jí)。縮短球化退火時(shí)間可獲得符合YJZ-84標(biāo)準(zhǔn)的2～3級(jí)球化組織，所以，大斷面軸承鋼棒材采用軋后快冷工藝和快速球化退火工藝，無(wú)論從理論上或?qū)嵺`上都表明是一種先進(jìn)的軋制生產(chǎn)工藝，應(yīng)加以推廣。

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