原標(biāo)題：超快冷技術(shù)在軸承鋼網(wǎng)狀碳化物控制上的應(yīng)用

摘要:河鋼宣鋼針對(duì)軸承鋼產(chǎn)品出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物問(wèn)題，引進(jìn)了穿水冷卻工藝，并實(shí)施了 GCr15 軸承鋼軋后快速冷卻。通過(guò)優(yōu)化冷卻工藝，GCr15 軸承鋼 Φ 22 ～ 32 mm 產(chǎn)品的網(wǎng)狀級(jí)別≦ 2． 0 級(jí)，小規(guī)格軸承鋼網(wǎng)狀碳化物均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

0 引言

軸承鋼是重要的機(jī)械基礎(chǔ)器件，在制造行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。GCr15 軸承鋼是目前質(zhì)量要求嚴(yán)格且應(yīng)用廣泛的鋼種。近年來(lái)，隨著冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，GCr15 鋼中的有害元素和夾雜物的含量明顯減少，純凈度得到了很好地改善。但我國(guó)軸承鋼和一些先進(jìn)的生產(chǎn)國(guó)家相比較還有一定的差距，主要表現(xiàn)在表面質(zhì)量差和內(nèi)部質(zhì)量不穩(wěn)定。網(wǎng)狀碳化物是指過(guò)剩的碳化物在晶粒邊界上析出所形成的網(wǎng)絡(luò)，即通常所稱(chēng)的碳化物不均勻度。網(wǎng)狀組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，能增加鋼的脆性，降低韌性。網(wǎng)狀碳化物是影響軸承鋼內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，它的存在不僅削弱了金屬晶粒間的聯(lián)系，破壞了金屬的連續(xù)性，使鋼的機(jī)械性能尤其是沖擊韌性急劇下降，而且導(dǎo)致工件在淬火時(shí)容易形成局部過(guò)熱和欠熱，從而使工件易產(chǎn)生變形開(kāi)裂。作為軸承鋼棒材生產(chǎn)線(xiàn)，對(duì)軸承鋼網(wǎng)狀組織的控制顯得極為重要［1，2］。

超快速冷卻技術(shù)由于其短時(shí)快速準(zhǔn)確控溫的特點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注［3］。軋制后的鋼材由終軋溫度急速快冷，經(jīng)過(guò)一系列精細(xì)控制的、均勻化的超快速冷卻，在軋件溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)后，立即停止超快速冷卻，隨后過(guò)冷的鋼材表面溫度在心部熱量向外傳導(dǎo)過(guò)程中溫度回升，并與心部一起緩慢冷卻。

河鋼宣鋼棒材生產(chǎn)線(xiàn)根據(jù)軸承鋼超快冷技術(shù)要求，與東北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)原有棒材冷卻裝置進(jìn)行了改造，對(duì)水箱的位置進(jìn)行了重新分布，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，取得了顯著效果。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 軸承鋼軋線(xiàn)工藝設(shè)施布置

棒材生產(chǎn)線(xiàn) 2015 年 11 月開(kāi)始生產(chǎn) GCr15 軸承鋼，生產(chǎn)工藝為: 150 t BOF→180 t LF→ＲH→CC→軋制。在煉鋼、精煉、連鑄等各作業(yè)區(qū)的共同努力下，精煉技術(shù)趨于成熟，軸承鋼的質(zhì)量有了飛速發(fā)展，軸承鋼材料質(zhì)量有了明顯的提高。

棒材生產(chǎn)線(xiàn)共有 18 架軋機(jī)，其中粗軋 4 架、一中軋 6 架、二中軋 4 架、精軋 4 架。主要產(chǎn)品規(guī)格為Φ 22 ～ Φ 70 mm。在線(xiàn)水箱有 4 套，每套水箱有 4條不同內(nèi)徑的管道，可以根據(jù)不同的生產(chǎn)需求組合運(yùn)用。水箱采用圓環(huán)噴射式冷卻裝置進(jìn)行冷卻，水箱中冷卻管和反水管靠調(diào)整環(huán)縫尺寸來(lái)控制進(jìn)水量，進(jìn)入冷卻器中的水經(jīng)環(huán)形噴頭以高速沿著鋼材前進(jìn)的方向定向噴射。1#、3#水箱長(zhǎng) 5． 63 m( 其中 6個(gè)正吹，2 個(gè)反吹，1 個(gè)氣吹) ，2 #、4 #水箱長(zhǎng) 7． 3 m ( 其中 4 個(gè)正吹，2 個(gè)反吹，1 個(gè)氣吹) ，水壓 1． 5 ～ 1． 8 MPa，小時(shí)水流量最大 1 100 L，布局如圖 1 所示。

1. 2 實(shí)驗(yàn)方案確定

GCr15 軸承鋼由于導(dǎo)熱性能較差，生產(chǎn)工藝中在軋前加熱時(shí)速度不宜過(guò)快，并且加熱溫度區(qū)間比較窄，通常在1 200 ～ 1 240 ℃之間［7］，因?yàn)闇囟冗^(guò)低時(shí)變形抗力比較大，而溫度過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱或過(guò)燒缺陷。

河鋼宣鋼三棒使用 165 mm × 165 mm 的 GCr15軸承鋼方坯，加熱溫度 1 220 ℃ ( 平均) ，總加熱時(shí)間3 h［5，10］，出爐溫度為 1 060 ～ 1 100 ℃，出爐后進(jìn)入連軋機(jī)軋制 Φ 22 mm、Φ 28 mm、Φ 32 mm 3 個(gè)規(guī)格的軸承鋼棒材。設(shè)定不同的終軋溫度和軋后快冷溫度，取樣檢驗(yàn)網(wǎng)狀碳化物，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表 1。

具體實(shí)驗(yàn)方案包括:

( 1) 對(duì) Φ 22 mm 規(guī)格圓鋼進(jìn)行相同的冷卻工藝，但成品速度分別為 9 m /s 和 12 m /s 的冷卻實(shí)驗(yàn)，觀察最終組織中網(wǎng)狀碳化物級(jí)別。

( 2) 對(duì) Φ 28 mm 規(guī)格的軸承鋼進(jìn)行冷卻，使表面冷卻溫度降到 550 ～ 560 ℃，并滿(mǎn)足最高反紅溫度680 ℃，觀察組織中網(wǎng)狀碳化物級(jí)別。

( 3) 對(duì) Φ 32 mm 規(guī)格軸承鋼進(jìn)行冷卻，出水箱最低溫度分別降到 420 ～ 430 ℃，480 ～ 490 ℃，觀察兩種冷卻溫度下的最終組織［9］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

文獻(xiàn)［4，6，8］指出，軸承鋼二次碳化物在 700 ～ 900 ℃之間析出，析出的速度在 700 ～ 750 ℃ 之間加強(qiáng)。因此，為防止網(wǎng)狀碳化物的析出，就必須加快在這一區(qū)間鋼材的冷卻速度。GCr15 軸承鋼通過(guò)合理的超快速冷卻工藝得到了抑制網(wǎng)狀碳化物析出的細(xì)珠光體組織。

2.1 Φ 22 mm 軸承鋼

將成品速度分別設(shè)定為 9 m /s、12 m /s，表面超快冷卻最終溫度均為 410 ～ 420 ℃，最高反紅溫度分別為 680 ℃、690 ℃。分別取不同位置的組織進(jìn)行顯微組織觀察，如圖 2、圖 3 所示。

從圖2、圖3 可以看出，成品速度設(shè)定9 m /s 時(shí)，網(wǎng)狀碳化物控制效果良好，沒(méi)有明顯的析出現(xiàn)象，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn); 而成品速度設(shè)定 12 m /s 時(shí)，有明顯的網(wǎng)狀碳化物析出，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明成品速度對(duì)網(wǎng)狀碳化物有一定的影響。

2. 2 Φ 28 mm 軸承鋼

Φ 28mm軸承鋼控制表面超快冷卻最終溫度為 550 ～560 ℃，最高反紅溫度為 680 ℃，選取該規(guī)格棒材不同位置進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果如圖 4 所示。Φ 28 mm 軸承鋼網(wǎng)狀碳化物控制效果良好，沒(méi)有明顯的析出現(xiàn)象，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 Φ 32 mm 軸承鋼

Φ 32 mm 軸承鋼控制表面超快冷卻最終溫度為 4#棒材480 ～ 490 ℃、5#棒材420 ～ 430 ℃，冷床最高反紅溫度均為 680 ℃，顯微組織如圖 5 所示。由于控冷設(shè)施冷卻能力不足，冷床最高反紅溫度只能控制到 680 ℃，但金相結(jié)果顯示網(wǎng)狀碳化物控制情況良好，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。與沒(méi)有進(jìn)行快速冷卻工藝的軸承鋼生產(chǎn)相比較，河鋼宣鋼生產(chǎn)的軸承鋼網(wǎng)狀碳化物級(jí)別的控制水平和能力得到大幅度的提高。

3 結(jié)論

( 1) 成品速度分別為 9 m /s、12 m /s 的 Φ22 mm棒材，表面超快冷卻最終溫度均為 410 ～ 420 ℃，最高反紅溫度分別為 680 ℃、690 ℃。當(dāng)成品速度分別為9 m /s，網(wǎng)狀碳化物控制效果良好，沒(méi)有明顯的析出現(xiàn)象，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn); 而成品速度設(shè)定 12 m /s 時(shí)，有明顯的網(wǎng)狀碳化物析出，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

( 2) Φ28 mm 軸承鋼，控制表面超快冷卻最終溫度為 550 ～ 560 ℃，最高反紅溫度為 680 ℃，軸承鋼網(wǎng)狀碳化物控制效果良好，沒(méi)有明顯的析出現(xiàn)象，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

( 3) Φ32 mm 軸承鋼，控制表面超快冷卻最終溫度分別為 480 ～ 490 ℃、420 ～ 430 ℃，冷床最高反紅溫度均為 680 ℃。金相結(jié)果顯示網(wǎng)狀碳化物控制情況良好，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

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