CN102876858B - 一种基于强对流保护性气氛下的GCr15轴承钢球化退火工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料热处理技术领域，涉及一种GCr15轴承钢球化退火工艺。本发明所涉及的球化退火工艺路线是：以50～100℃/H的速度加热至730℃保温2～3H—升温至785℃±5℃保持4±0.5H—以20℃≦30℃/H的速度降温至720℃保温2～3H—随炉冷却至550℃出炉空冷。本发明工艺经济实用，实现了确保退火材料的物理性能均匀一致，可以达到在不同炉次、同一炉次不同部位产品质量的均一性和重复性，使产品的组织性能、畸变等质量的分散度达到趋于零的程度。

Description

一种基于强对流保护性气氛下的GCr15轴承钢球化退火工艺

 技术领域

本发明属于金属材料热处理技术领域，涉及一种GCr15轴承钢球化退火工艺，尤其是轴承滚动体材料大炉量情况下退火组织均一性技术。

 背景技术　　

所述GCr15轴承钢组成元素以Fe为基体：同时含C：0.95～1.05％；Cr：1.40～1.65； Mn：0.25～0.45； Si：0.15～0.35； S≤0.025、P≤0.025、Mo≤0.10、Ni≤0.30、Cu≤0.25、Ni+Cu≤0.50；其他微量元素钛(Ti)、钒(V)、钨(W)、硼(B)、氮(N)、氧（Ｏ）等及稀土类(Xt)亦加以控制（执行标准: GB/T18254-2002）。GCr15是高铬轴承钢的典型牌号，占铬轴承钢产量的９０％左右，其线材主要用于制造轴承滚动体。

轴承钢球化退火的目的，一是获得合适硬度，以利于后续冷拉拔、冷镦及切削加工；二是获得铁素体基体上均匀分布着细小球状碳化物颗粒的组织，为最终高温淬火和回火提供组织准备。碳化物的组织形态(形状、大小、数量和分布)对最终性能影响很大，但因淬火时有相当多的碳化物不能溶解，所以淬火后碳化物的组织形态基本上仍由球化退火所决定，因此球化退火是轴承滚动体生产中极其重要的工艺技术.

目前，GCr15轴承钢球化退火最常用的两种传统工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1（约为735～760℃）以上20～50℃，保温适当时间，然后随炉冷却(50℃／h)至600℃左右出炉空冷；等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度(690～720℃)进行等温，等温后随炉冷至600℃左右出炉空冷；此外，实践中有的单位开发了诸如周期球化退火（循环球化退火）、快速退火等工艺技术，如在Ac1点附近的温度反复进行加热和冷却，一般进行3～4个周期，使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中，碳化物得以球化。

上述球化退火工艺存在的不足之处是：

传统球化退火工艺是在早期基于炉型简单、炉容量较小的背景下出现的，目前许多关于球化退火的研究工作也往往是在实验室条件下进行的，随着现代大型工业加热炉的出现，影响球化退火质量的因素也越来越多、愈来愈复杂，许多在单件、小件退火背景下不起作用的因素常常在新条件下变为必须十分注意控制的因素，但这方面的研究还很不够。如普通球化退火在大炉容量时,材料热均匀性差，常出现碳化物的颗粒不均匀,材料局部可能过烧，而有的地方却欠热，硬度不一致，影响以后的冷加工及最终淬回火的组织和性能；等温球化退火工艺是利用不均匀奥氏体中未溶碳化物或奥氏体中高浓度碳偏聚区的非自发形核作用来加速球化，由于一般情况下等温时间较长（为其加热保温时间的1.5倍），对于细珠光体组织，往往会转变为粗大珠光体组织，其结果不利于碳化物的球化；至于重复摆动球化退火，其工艺操作繁杂，很不经济，只适用于小型和少量工件的热处理。也有少数钢厂进行了热轧过程中的控轧控冷实验，以期达到使热轧钢丝内部组织球化的目的，但这种方式严重影响钢厂生产效率，且球化质量不高，难以完全替代专业化的球化退火工艺技术。

GCr15盘条一般每盘质量在２.5Ｔ左右，为提高效率、节省能源，实践中多采用十余或数十吨材料一次处理。上述传统球化退火工艺条件下，在炉型较大、装炉量较多和需要拼炉装料时，由于材料规格、化学成分（主要是微量元素）的差异、加热炉有效加热区温度与保温时间的不一致、炉料吨位较大时热惯性亦较大等因素影响，很难保证材料处理后的质量均一性，实践中往往会造成同一炉次球化退火质量明显不均匀、不同炉次的质量重复性较差，从而造成后续加工生产的轴承滚动体质量分散度较高。

球化退火属于不完全退火，它之所以能使渗碳体球化，在因为相变时奥氏体化是“不完全”的，其加热温度只高于Ac1不多，在片状珠光体转变成奥氏体的同时，有少量碳化物溶解，还有大量碳化物保留着，在冷却的时候，成为溶于奥氏体中碳化物的结晶核心。另外溶于奥氏体中的碳化物，其成分并不均匀，在碳化物原先存在的地方，含碳浓度高，由此造成奥氏体中各处碳浓度的差别，于是，当浓度不均匀的奥氏体冷却到Ar1以下时，未溶的碳化物及浓度不均匀的奥氏体，便析出碳化物，同时由于表面张力的作用形成了球粒状珠光体。

在材料化学成分一定的前提下，球化过程的主要控制因素就是加热速度、温度与保温时间、冷却速度，在保证球化好的前提下，为实现热处理质量均一性（分散度降低到零）的目标,则设备的可靠性、工艺的先进性、稳定性、加热炉温度的均匀性、炉气的循环性和在线控制，都是非常重要的影响因素。显然，传统的球化退火工艺路线并不能满足和适应这些要求，必须根据具体的生产条件加以适应性改造，寻求新的工艺技术。

 发明内容 　　本发明的目的是，基于强对流保护性气氛下，实现较大吨位(20T左右/炉.次)GCr15轴承钢盘条球化退火质量稳定合格，组织保持在２～３级，且解决同炉次材料质量均一性、不同炉次质量同一性问题。

所述强对流保护性气氛，是指材料在整个退火工艺过程中，都置于强对流循环状态的保护气氛中，使钢材表面无氧化，不脱碳。所述保护气氛，是指根据变压吸附原理，采用高品质碳分子筛作为吸附剂，在一定的压力下，从空气中制取的高纯度（９９.９９９％）氮气,必要时再加入一定量碳势气氛。整套制氮设备全部微机控制，自动化程度高，能有效保证产品质量和设备安全运行。 　　基于上述条件，本发明所涉及的GCr15轴承钢丝球化退火工艺路线是：以50～100℃/Ｈ的速度加热至730℃保温２～３Ｈ——升温至785℃±5℃保持4±0.5Ｈ——以２0℃≦30℃/Ｈ的速度降温至720℃保温２～３Ｈ——随炉冷却至550℃出炉空冷。

本发明所述工艺的技术特点是：

１）采取阶梯式升温。即在从室温至设定最高温度之间，设置了一个等温保温的阶段，在730℃等温2～３Ｈ。

传统工艺均采用直线式升温，对于炉容量在10数吨以上的情况，很不利于炉料均热化，虽然有强对流气体强化了热传递，但炉料从表面到心部的热透时间，还与材料本身的吸热速率、规格的大小相关，在不同厂家、不同规格的材料拼炉处理的情况下，这一矛盾尤为突出。本发明采取略低于Ac1（735～ 760 ℃）下限的温度等温既有利于炉料均热，且在该温度区间等温时, 珠光体开始向奥氏体转变，但温度不太高，已经开始出现领先相，有利于防止奥氏体化学成分过于均匀而导致随后处理中大量片状珠光体出现。

    ２）采取较低的退火温度（785℃±5℃）。

对一般碳素钢来说，球化退火加热理论温度应是该钢的Ac1以上20-30℃，Ac1是一个温度区间，对GCr15这类过共析钢来说，理论退火温度可达830℃。通常情况下,如设定的加热最高温度偏低，则产生浓度很均匀的奥氏体和大量未溶碳化物，冷却后极不利于得到均匀的球状珠光体；当最高退火温度设定偏高时，由于二次碳化物大部分溶解，晶核减少，退火后则易于出现粗大而不均匀的球状珠光体；只有当退火温度设定在最佳区间时，难溶的碳化物才逐渐团聚和溶解，冷却时可获得均匀的细粒状珠光体，才能达到预期的效果。传统工艺通常采用790℃～830℃的偏高的设计温度，是因其设备、气氛及控制手段所限，这样还容易导致产品表面氧化、脱碳的发生，尤其是脱碳，温度越高、时间越长，脱碳层越加深。在本发明的生产条件下，如果采用传统工艺路线和技术参数，则非但不利于充分发挥现代先进加热炉等设备的潜能，而且不能保证产品质量目标的实现。故本发明通常设定的最高退火温度不超过785℃,在保证球化质量的同时,很好地抑制了氧化与脱碳趋势。

3）在最高温度区采取较短的保温时间（4±0.5Ｈ）。

球化退火在高温区保温时间一般较长，根据经验数据，大约每10mm直径需要0.5～1.0小时，传统工艺条件下，１０Ｔ以上装炉量，炉内盘条心部均温时间一般约需５Ｈ左右。在实际生产中，装炉量大而密集堆放在炉台部位，所需均热时间长，且为加热均匀和使原来的珠光体完全转变为奥氏体，保温时间势必还要增加，一般为7H左右。本发明操作方法之所以能缩短高温区时间,是由于在升温阶段设置了２～３Ｈ的等温台阶，有利于高温区均热时间的缩短,同时,在加热过程中，炉内始终保持强对流气氛的热传导,加快了炉料均热速度,且前一次形成的球状碳化物比未球化的片状碳化物在加热时溶解要缓慢一些，故可以作为后续冷却时增加新的球化结晶核心，从而加速了球化过程。

4）以20≦30℃/Ｈ速度降温

球化退火冷却速度的大小，对于能否形成球状碳化物，并无直接影响，但却强烈影响形成的球化物颗粒的大小和分布均匀性，进而影响强度与硬度。冷却速度的意义在于，在加热过程中，当温度超过Ac1后，在降低界面能的驱动力和奥氏体相变的驱动力双重作用下，通过片状碳化物适当熔断并获得不规则的粒状碳化物，在随后的保温过程中，碳化物的尖角、边棱逐步溶解，获得初步粒化。这一过程不仅希望获得尽可能多的且适度分散的剩余碳化物颗粒，且还要获得碳浓度不均匀性最大的奥氏体。在冷却过程中，当温度低于Ac1线时，通过奥氏体过冷转变，分解出来的碳化物就近沉淀在未溶解碳化物表面，且优先沉积在其凹陷处和曲率半径大的部位，使碳化物逐步球化，同时，在奥氏体中碳浓度较高的部位优先形成细片状珠光体，并在随后的保温和缓冷过程中球状化。因此，冷却阶段是碳化物逐步析出并形成表面能最低的球化物的关键阶段。冷却愈快，所得的组织愈细，碳化物比较细小弥散，强度与硬度愈高；但若过快，则得不到退火软化的目的；若冷却速度太慢，则碳化物聚集长大，硬度较低，同样达不到合适的加工要求。所以，严格控制冷却速度，是退火中的一个重要步骤。本发明由于炉温均匀,使炉内材料温差在±5℃以内，且散热降温功能较好，能有效保证冷却速度，使得任何位置退火材料软硬一致，便于材料加工。

5）降温至720℃保温２～３Ｈ

冷却时在Ar1停留一段时间，目的是为了保证残留的奥氏体在共析转变前充分转变。如果没有之前730℃等温预先形成大量核心，或在790℃保温时间不足，常出现冷却时奥氏体转变不充分、残余奥氏体较多，或只有二次碳化物的破断而难以成为呈细颗粒状分布的球状。而在冷却过程中的720℃等温，则促使降温过程中残留的奥氏体充分转变为细粒状珠光体。本发明保留了传统等温球化退火的优点。

    本发明工艺的综合有益效果为：本发明工艺经济实用，实现了确保退火材料的物理性能均匀一致，可以达到在不同炉次、同一炉次不同部位产品质量的均一性和重复性，使产品的组织性能、畸变等质量的分散度达到趋于零的程度。

具体实施方式

　　结合给出的实施例，对本发明加以说明，但不构成对本发明的任何限制。

实例：大炉量ＧCr15盘条球化退火质量均一性工艺

炉料产地、规格：同炉处理分别由邢台钢厂、兴澄钢厂、南京钢厂生产的模铸热轧盘条，规格分别是￠16、￠１2、￠9、￠5.5。

装炉量：18Ｔ

炉型：井式电阻炉

主要技术参数：额定功率：550KW；额定电压：380V；额定温度：1000℃；使用温度：840℃；频率：50HZ；相数：3相；工作尺寸：Φ3200×7000mm；空炉升温时间：≦2h；空炉损耗功率：100 KW；控温区数：3区；控制方式：智能仪表控温；炉温均匀性：±５℃；强对流风机转速：两档700转/min、1000转/min。

炉内气氛系统：变压吸附式制氮机，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂。系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过PLC程序控制器控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高纯氮气（99.999%）。

处理目的：材料金相组织达2~4级，表面无氧化，脱碳层≦0.03mm。

实例的工艺流程为：

装料——充氮——以100℃/Ｈ的速度加热至730℃——等温３Ｈ——升温至785℃±5℃——保持4Ｈ——以30℃/Ｈ的速度降温——720℃保温３Ｈ——随炉冷却至550℃出炉空冷。

操作控制过程：

在设备上实现精确保证炉温均匀度、准确控制加热和冷却速度等生产条件的情况下，本发明工艺路线严格遵循了退火工艺的三要素, 即加热温度、保温时间和冷却速度，其特点是在最高退火温度前后略高于Ac1和略低于Ar1的区间，设计了两次等温，第一次等温造成阶梯式升温，改变了传统直线式升温方式，特别有利于大炉量球化退火时的均热性，同时为其后的相变与球化提供了条件；第二次等温给予冷却时转变不充分的残余奥氏体转变为珠光体提供了机会。

最高退火温度设计为785℃±5℃，保持4Ｈ，然后以30℃/Ｈ的速度降温，720℃保温３Ｈ，再随炉冷却至550℃出炉空冷，出炉温度略低于传统的600℃,有利于不同规格的炉料硬度均匀。

在整个工艺执行过程中，炉料始终处于无氧化气氛保护之中，且保护气体始终处于高速对流、有序运动状态，全部工艺过程需要22Ｈ，如在夜间低谷开炉，节约能源、降低成本。

按此工艺路线和技术参数实施退火后的GCr15盘条，对各不同规格、不同产地的材料多处取样测定。

试样制备过程：横向取样，经粗磨-抛光（粗抛，精抛）——水洗-吹干——用4%硝酸酒精浸蚀。经500倍金相显微镜检测，显微组织均匀，均在２～４级范围；

脱碳层检测，先在低放大倍数下（100倍）进行初步观测，以查明最深均匀脱碳区；再在高倍数下（500倍）进行总脱碳层（全脱碳层深度+半脱碳层的深度）的测定。检测结果：总脱碳层在热轧材原始脱碳层的基础上，基本未增加。但发现当热轧材的化学成分中，含有增加脱碳趋势的微量元素过多时，或原始贫碳层存在时，退火后总脱碳层会增加0.02mm左右。

本发明工艺经济实用，实现了确保退火材料的物理性能均匀一致，可以达到在不同炉次、同一炉次不同部位产品质量的均一性和重复性，使产品的组织性能、畸变等质量的分散度达到趋于零的程度。

Claims (1)

1.一种基于强对流保护性气氛下的GCr15轴承钢球化退火工艺，所述退火工艺用以实现较大吨位GCr15轴承钢盘条球化退火；所述退火工艺中，采取较低的退火温度785℃±5℃和较短的保温时间4～５Ｈ；以20℃≦30℃/Ｈ速度降温，降温至720℃保温２～３Ｈ；其特征在于：所述球化退火工艺路线中；采取阶梯式升温方法，即在从室温至设定最高温度之间，设置了一个等温保温的阶段，在730℃等温2～３Ｈ， 所述的最高温度为785℃±5℃；在降温至720℃保温２～３Ｈ后随炉冷却至550℃±10℃出炉空冷。