轴承钢棒材新一代TMCP装备与工艺技术.pdf

中， 不能完全消除保留在轴承 钢中的网状碳化物， 明显增加零 件的脆性， 降低承受冲击载荷的 强度在动载荷的作用下， 零件 易沿晶界破坏网状碳化物也 增加淬火开裂的倾向因此， 轴 承钢中的网状碳化物必须小于 3 级 网状碳化物的形成， 与钢中 原始碳化物偏析程度有密切关 系， 热加工的工艺制度对网状碳 化物的厚薄也有直接关系变形 量小， 终轧温度高， 轧后冷却较慢 均会使钢中碳化物网趋于连续和 粗化钢中原始碳化物偏析程度 大， 在碳化物密集的区域易出现 网状碳化物 轧前， 将轴承钢坯加热到 1050℃左右， 钢中先共析碳化物 几乎全部溶解热轧时， 由于变 形诱导相变作用， 使碳化物开始 析出温度提高， 在 890℃便开始 析出， 但数量不多随着轧后钢 材温度下降， 先共析碳化物沿奥 氏体晶界开始大量析出， 尤其在 700-850℃温度范围内， 强烈析 出 近年来， 为提高轴承钢的质 量， 对轴承钢采用控制轧制和控 制冷却新工艺， 能够为球化退火 的预备组织提供不具有网状碳化 物， 而是细片状的退火索氏体组 织的热轧材， 为快速球化退火创 造了有利条件 要获得均匀细粒状碳化物 （粒状珠光体） ， 首先要求钢材成 分均匀， 其次是热轧后尽可能快 冷到一定温度得到退火珠光体组 织， 最后要有合理的球化退火工 艺。

三者应互相配合， 才能达到 理想结果2 轴承钢轧制工艺研究近年来， 我国钢铁工业取得 巨大发展， 轧机装备水平已进入 世界先进行列， 但工艺技术水平 与工业发达国家相比还有很大 差距我国的一些企业采用常 规低温轧制工艺控制轴承钢网 状碳化物， 终轧温度甚至达到了 750-800℃， 此时轴承钢的强度 明显提高， 使轧制力过大导致电 机超负荷； 另一方面， 在此温度 下的轴承钢塑性明显变差， 出现 裂纹的可能性增加， 给轴承钢的 生产带来了困难采用轧后超快 速冷却工艺是在轴承钢出成品轧 机后立刻对其进行冷却， 在较短 的时间内将轴承钢的温度降低到 700℃以下， 减少在碳化物析出强 烈区域的停留时间， 实现对轴承 钢网状碳化物析出级别的控制 热轧轴承钢的较理想组织状 态， 应是均匀细小的珠光体或索 氏体， 片层间距小， 不形成或具有 轻微的网状碳化物， 碳化物弥散、 均匀、 细小得到退火 （或变态） 珠光体或索氏体， 对球化退火更 有利 高 温 再 结 晶 控 轧 与 轧 后 快 冷 工 艺 是 将 钢 坯 加 热 至 1030-1200℃保温， 使其温度均匀在高温完全奥氏体再结晶区 给予较大的变形量， 缩短道次间 的间隙时间， 以获得均匀细小的 奥氏体再结晶组织， 终轧温度控 制在 980-1020℃。

轧后立即对 钢材进行快速冷却， 以防止奥氏 体晶粒长大和网状碳化物析出， 增大过冷度， 降低奥氏体向马氏 体的转变温度为防止钢材表面 形成低温相变产物， 即马氏体组 织， 轧后快冷的终止温度应控制 在 450-500℃左右， 之后进行空 冷 采用该工艺得到的 GCr15 轴承钢热轧钢材组织是细片珠光 体或索氏体与轻微、 很薄的网状 碳化物当棒材直径小于 32mm 时， 钢中基本不形成网状碳化物 其优势是缩短球化退火时间近 1/2-1/3 和提高轴承钢质量及接 触疲劳寿命该工艺很适合我国 一些合金钢厂轧钢车间的设备和 生产条件， 很有发展前途 该工艺的要求是必须具有较 完善的超快速冷却设备来保证， 并开发全新的冷却路径控制技术 来实现所要求的温度制度3 轴承钢超快速冷却组 织性能研究通过热力模拟实验对不同工 艺参数对二次碳化物析出行为进 行了研究冷却速度对网状碳化 物级别的影响如表 1 所示不同 冷却速度时的组织结构如图 1 所 示表明二次碳化物的厚度和分 布形态与连续冷却速度有着密切 的联系GCr15 轴承钢自奥氏 体区连续冷却过程中， 由于 C 含 量较高， 随着温度降低， 将导致 C 从过饱和奥氏体中析出， 形成富 铬的碳化物， 即首先从奥氏体中 析出先共析二次碳化物。

这种二 次碳化物一般会优先在晶界上以 仿晶界型网状形式排列形核长 大二次碳化物的析出主要取决 于冷却速度， 其析出的数量不仅 与碳在奥氏体中的过饱和度有 关， 而且与碳化物形成元素在奥 氏体中的扩散条件也有一定的关 系 随着变形温度降低， 轴承钢 在连续冷却过程中二次碳化物开 始析出温度降低， 晶界处二次碳 化物形貌由连续网状转变为半连 续网状， 碳化物出现碎断现象， 珠 光体球团直径和片层间距呈现减 小趋势 轴承钢在连续冷却过程中， 随着连续冷却速度增加， 二次碳 化物和珠光体开始析出温度降 低， 晶界处二次碳化物由紧密的 网状分布转变为半网状、 短条状， 最后弥散析出； 珠光体转变越来 越少， 珠光体球团直径和片层间 距越小， 显微硬度值增大冷却 速度增大到 6℃ /s， 珠光体发生 退化现象， 退化珠光体形貌为不 规则的近似片层结构晶界处二 次碳化物为 （Fe·Cr）3C 型碳化轴承钢棒材新一代TMCP装备与工艺技术下转第 B05 版立项建设二十周年自主创新系列成果（10）东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 （简称RAL） ， 其前身是东北工学院轧钢实验室， 1991年获批立项建设， 1995年通过国家验收， 成为我国轧制技术及其自动化领域唯一的国家重点实验室。

RAL 秉承 “开放、 流动、 联合、 竞争” 的运行机制， 以国民经济需求为导向， 取得了一系列具有自主知识产权的科研创 新成果 为庆祝RAL建设二十周年， 本报特组织相关报道， 以飨读者讲， 轴承的产量和质量制约着国 民经济、 国防建设及科学技术现 代化的速度和进程而轴承钢的 生产和进步直接影响到轴承工业 发展工业发达国家历来都十分 重视轴承钢的生产、 质量、 科研及 开发工作随着科学技术的不断 发展， 轴承的应用范围越来越广 泛， 其应用环境也日趋恶劣， 对轴 承钢的要求也越来越高， 提高轴 承钢的内在质量和疲劳寿命是冶 金及机械行业长期以来的目标， 为此国内外钢铁行业工作者一直 进行着不懈的努力 近年来， 通过炉外精炼、 连铸 连轧、 钢锭扩散退火技术、 控轧 和轧后控冷技术、 连续式炉球化 退火等先进设备和技术的应用， 我国轴承钢的纯净度得到很大 提高， 氧含量和非金属夹杂物得 到有效的控制， 冶金行业正在为 钢中氧含量接近 （2-3） ×10-6这样的极限值而 努力轴承钢 碳化物不均匀 性也在一定程 度上得到改善 但是目前国产 轴承钢材实物 质量还不稳定， 集中表现在网状碳化物级别严重超标。

按照常 规热轧工艺生产的轴承钢， 由于 轧制后在高温区域停留时间过 长， 冷却速度慢， 将获得粗大的奥 氏体再结晶晶粒， 导致网状碳化 物在某一区域快速析出， 其心部 的网状碳化物级别普遍在 2.5 级 以上， 稍大规格的轴承钢甚至达 到 3.5-4 级， 严重影响了轴承钢 的使用性能这种冷却过程中形 成的粗厚、 封闭的网状碳化物， 退 火时很难消除 高铬轴承钢中碳化物主要是 合金渗碳体碳化物的形状、 大 小和分布的均匀程度是决定轴承 钢质量的另一个标准按碳化物 的组织特征， 可分为液析碳化物、 带状碳化物、 网状碳化物及颗粒 碳化物 控制碳化物的组织特征、 数量、 形状、 大小和分布的均匀程 度， 对改善轴承钢的性能有重要 意义1 网状碳化物对产品质 量的影响高碳铬轴承钢热轧后冷却过 程中， 由于碳在奥氏体中溶解度 降低， 过饱和的碳以碳化物的形 态从奥氏体中沿奥氏体的晶界析 出， 这些网状碳化物是先共析二 次碳化物它在以后的成品淬火轧钢技术Steel Rolling Technology2012 年 5 月 29 日 编辑：任秀平B04表 1 不同冷却速度条件下网状碳化物级别冷却速度，℃ /s0.5125 810 网状级别 5 5 4 3 2 1图 1 不同冷却速度冷却到室温并淬回火后深腐蚀组织 （a） 2℃ /s； （b） 8 ℃ /s； （c） 10℃ /s（a） （b） （c）我国钢铁产量已多年位居世 界第一， 但是钢铁产业的技术水 平与国际先进水平相比还有较大 差距， 技术含量高、 附加值高的合 金钢、 高强度钢等高端产品比例 比较低， 我国钢铁行业尚有较大 的发展空间。

随着国民经济的发 展， 各行业对钢铁工业提出越来 越高的要求在合金钢领域内， GCr15 轴承钢是检验项目多、 质 量要求严、 生产难度大的钢种之 一， 用其制作的滚动轴承， 在使用 中要求抗压、 耐磨损、 抗疲劳、 耐 腐蚀和工作寿命长除了制作滚 动轴承外， 目前它还广泛用于制 造各类工具和耐磨零件 轴承广泛应用于国民经济各 个部门， 每个国家轴承的需求量 总与国民生产总值保持一定的 关系如日本、 美国轴承的总需 求量大约分别是国民生产总值的 0.11% 和 0.13%， 从某种程度上图 2 Ø30mm 棒材超快速冷却过程温度 - 时间变化曲线图 3 棒材一段冷却过程温度 - 时间曲线图 4 棒材二段冷却过程温度 - 时间曲线1050 980 910 840 770 700 630 560 490 420 3500 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50时间， s温度，℃980 910 840 770 700 630 560 490 420 350 2800 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80时间， s温度，℃980 910 840 770 700 630 560 490 420 350 2800 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80时间， s温度，℃物， 冷却速度缓慢条件下， 晶界处 Cr 含量明显高于基体组织中含 量。

随着连续冷却速度增加， 二 次碳化物厚度减小， 晶界处二次 碳化物中 C、 Cr 含量减小 在连续冷却过程中， 冷却速 度小于 2℃ /s 时， 随着冷却速度 的增加， 二次碳化物析出温度缓 慢降低， 变形量变化对二次碳化 物开始析出温度的影响占主导地 位； 冷却速度大于 2℃ /s 时， 变 形量的变化对二次碳化物开始析 出温度影响趋势变缓， 二次碳化 物开始析出温度随冷却速度的增 加大幅度降低， 在冷却速度较大 时， 冷却速度变化对二次碳化物 析出的影响占主导地位4 超快速冷却过程的温 度场分析采用 ANSYS 有限元软件对 Ø30mm 和 Ø60mm 轴承钢超快速冷却过程的温度场进行了模拟 计算， 并考虑了单段冷却和多段 冷却对温度控制的影响如图 2 是 Ø30mm 轴承钢棒材在 1000℃ 保温后出炉， 经过一段超快速冷 却后进行缓慢冷却过程中， 其横 断面上不同位置的温度随时间变 化曲线 从 图 2 可 以 看 出，在 对 Ø30mm 棒材进行超快速冷却时 间 4s+ 空气中缓冷工艺过程中， 表面在 950-680℃温度范围内平 均冷却速度达到了 125℃ /s， 随 后在珠光体转变区域以 1℃ /s 冷 却速度发生缓慢冷却； 棒材四分 之一位置在 950-715℃范围以 40℃ /s 的冷却速度进行冷却， 随 后以 2℃ /s 冷却速度缓慢通过珠 光体转变区域； 而棒材的心部冷 却相对困难， 以 33℃ /s 冷却速度 通过 950-720℃温度范围， 随后 以 8℃ /s 冷却到 690℃， 最后以 1.5℃ /s 冷却速度缓慢通过珠光 体转变。