原標題：超快冷技術在軸承鋼網狀碳化物控制上的應用

摘要:河鋼宣鋼針對軸承鋼產品出現(xiàn)的網狀碳化物問題，引進了穿水冷卻工藝，并實施了 GCr15 軸承鋼軋后快速冷卻。通過優(yōu)化冷卻工藝，GCr15 軸承鋼 Φ 22 ～ 32 mm 產品的網狀級別≦ 2． 0 級，小規(guī)格軸承鋼網狀碳化物均達到國家標準要求。

0 引言

軸承鋼是重要的機械基礎器件，在制造行業(yè)中被廣泛應用。GCr15 軸承鋼是目前質量要求嚴格且應用廣泛的鋼種。近年來，隨著冶煉技術的不斷進步，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。但我國軸承鋼和一些先進的生產國家相比較還有一定的差距，主要表現(xiàn)在表面質量差和內部質量不穩(wěn)定。網狀碳化物是指過剩的碳化物在晶粒邊界上析出所形成的網絡，即通常所稱的碳化物不均勻度。網狀組織是鋼材內部缺陷之一，能增加鋼的脆性，降低韌性。網狀碳化物是影響軸承鋼內在質量的關鍵因素之一，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，使鋼的機械性能尤其是沖擊韌性急劇下降，而且導致工件在淬火時容易形成局部過熱和欠熱，從而使工件易產生變形開裂。作為軸承鋼棒材生產線，對軸承鋼網狀組織的控制顯得極為重要［1，2］。

超快速冷卻技術由于其短時快速準確控溫的特點受到國內外廣泛的關注［3］。軋制后的鋼材由終軋溫度急速快冷，經過一系列精細控制的、均勻化的超快速冷卻，在軋件溫度達到動態(tài)相變點后，立即停止超快速冷卻，隨后過冷的鋼材表面溫度在心部熱量向外傳導過程中溫度回升，并與心部一起緩慢冷卻。

河鋼宣鋼棒材生產線根據軸承鋼超快冷技術要求，與東北大學實驗室合作，對原有棒材冷卻裝置進行了改造，對水箱的位置進行了重新分布，并進行了一系列實驗，取得了顯著效果。

1 實驗方案

1.1 軸承鋼軋線工藝設施布置

棒材生產線 2015 年 11 月開始生產 GCr15 軸承鋼，生產工藝為: 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，精煉技術趨于成熟，軸承鋼的質量有了飛速發(fā)展，軸承鋼材料質量有了明顯的提高。

棒材生產線共有 18 架軋機，其中粗軋 4 架、一中軋 6 架、二中軋 4 架、精軋 4 架。主要產品規(guī)格為Φ 22 ～ Φ 70 mm。在線水箱有 4 套，每套水箱有 4條不同內徑的管道，可以根據不同的生產需求組合運用。水箱采用圓環(huán)噴射式冷卻裝置進行冷卻，水箱中冷卻管和反水管靠調整環(huán)縫尺寸來控制進水量，進入冷卻器中的水經環(huán)形噴頭以高速沿著鋼材前進的方向定向噴射。1#、3#水箱長 5． 63 m( 其中 6個正吹，2 個反吹，1 個氣吹) ，2 #、4 #水箱長 7． 3 m ( 其中 4 個正吹，2 個反吹，1 個氣吹) ，水壓 1． 5 ～ 1． 8 MPa，小時水流量最大 1 100 L，布局如圖 1 所示。

1. 2 實驗方案確定

GCr15 軸承鋼由于導熱性能較差，生產工藝中在軋前加熱時速度不宜過快，并且加熱溫度區(qū)間比較窄，通常在1 200 ～ 1 240 ℃之間［7］，因為溫度過低時變形抗力比較大，而溫度過高則會出現(xiàn)過熱或過燒缺陷。

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) ，總加熱時間3 h［5，10］，出爐溫度為 1 060 ～ 1 100 ℃，出爐后進入連軋機軋制 Φ 22 mm、Φ 28 mm、Φ 32 mm 3 個規(guī)格的軸承鋼棒材。設定不同的終軋溫度和軋后快冷溫度，取樣檢驗網狀碳化物，實驗方案見表 1。

具體實驗方案包括:

( 1) 對 Φ 22 mm 規(guī)格圓鋼進行相同的冷卻工藝，但成品速度分別為 9 m /s 和 12 m /s 的冷卻實驗，觀察最終組織中網狀碳化物級別。

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

( 3) 對 Φ 32 mm 規(guī)格軸承鋼進行冷卻，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 實驗結果與分析

文獻［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。因此，為防止網狀碳化物的析出，就必須加快在這一區(qū)間鋼材的冷卻速度。GCr15 軸承鋼通過合理的超快速冷卻工藝得到了抑制網狀碳化物析出的細珠光體組織。

2.1 Φ 22 mm 軸承鋼

將成品速度分別設定為 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，成品速度設定9 m /s 時，網狀碳化物控制效果良好，沒有明顯的析出現(xiàn)象，符合國家標準; 而成品速度設定 12 m /s 時，有明顯的網狀碳化物析出，不符合國家標準。說明成品速度對網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)格棒材不同位置進行顯微組織觀察，結果如圖 4 所示。Φ 28 mm 軸承鋼網狀碳化物控制效果良好，沒有明顯的析出現(xiàn)象，符合國家標準。

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 ℃，但金相結果顯示網狀碳化物控制情況良好，滿足國家標準要求。與沒有進行快速冷卻工藝的軸承鋼生產相比較，河鋼宣鋼生產的軸承鋼網狀碳化物級別的控制水平和能力得到大幅度的提高。

3 結論

( 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 ℃。當成品速度分別為9 m /s，網狀碳化物控制效果良好，沒有明顯的析出現(xiàn)象，符合國家標準; 而成品速度設定 12 m /s 時，有明顯的網狀碳化物析出，不符合國家標準。

( 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 ℃，軸承鋼網狀碳化物控制效果良好，沒有明顯的析出現(xiàn)象，符合國家標準。

( 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 ℃。金相結果顯示網狀碳化物控制情況良好，滿足國家標準要求。

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