專利名稱：一種基于強(qiáng)對(duì)流保護(hù)性氣氛下的GCr15軸承鋼球化退火工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料熱處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種GCrl5軸承鋼球化退火工藝，尤其是軸承滾動(dòng)體材料大爐量情況下退火組織均一性技術(shù)。
背景技術(shù)：
所述GCr 15軸承鋼組成元素以Fe為基體同時(shí)含C :0. 95 1.05%;Cr :1. 40 1.65 ；Mn 0. 25 O. 45 ; Si 0. 15 O. 35 ; S 彡 O. 025、P 彡 O. 025、Mo ( O. 10、Ni ( O. 30、Cu ( O. 25、Ni+Cu ( O. 50 ;其他微量元素鈦(Ti)、釩(V)、鎢(W)、硼(B)、氮(N)、氧(O )等及稀土類(Xt)亦加以控制(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T18254-2002)。GCrl5是高鉻軸承鋼的典型牌 號(hào)，占鉻軸承鋼產(chǎn)量的9 O %左右，其線材主要用于制造軸承滾動(dòng)體。軸承鋼球化退火的目的，一是獲得合適硬度，以利于后續(xù)冷拉拔、冷鐓及切削加工；二是獲得鐵素體基體上均勻分布著細(xì)小球狀碳化物顆粒的組織，為最終高溫淬火和回火提供組織準(zhǔn)備。碳化物的組織形態(tài)(形狀、大小、數(shù)量和分布)對(duì)最終性能影響很大，但因淬火時(shí)有相當(dāng)多的碳化物不能溶解，所以淬火后碳化物的組織形態(tài)基本上仍由球化退火所決定，因此球化退火是軸承滾動(dòng)體生產(chǎn)中極其重要的工藝技術(shù).
目前，GCr 15軸承鋼球化退火最常用的兩種傳統(tǒng)工藝是普通球化退火和等溫球化退火。普通球化退火是將鋼加熱到Acl(約為735 760°C)以上20 50°C，保溫適當(dāng)時(shí)間，然后隨爐冷卻(50°C/ h)至600°C左右出爐空冷；等溫球化退火是與普通球化退火工藝同樣的加熱保溫后，隨爐冷卻到略低于Arl的溫度(690 720V )進(jìn)行等溫，等溫后隨爐冷至600°C左右出爐空冷；此外，實(shí)踐中有的單位開發(fā)了諸如周期球化退火(循環(huán)球化退火)、快速退火等工藝技術(shù)，如在Acl點(diǎn)附近的溫度反復(fù)進(jìn)行加熱和冷卻，一般進(jìn)行3 4個(gè)周期，使片狀珠光體在幾次溶解一析出的反復(fù)過(guò)程中，碳化物得以球化。上述球化退火工藝存在的不足之處是
傳統(tǒng)球化退火工藝是在早期基于爐型簡(jiǎn)單、爐容量較小的背景下出現(xiàn)的，目前許多關(guān)于球化退火的研究工作也往往是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，隨著現(xiàn)代大型工業(yè)加熱爐的出現(xiàn)，影響球化退火質(zhì)量的因素也越來(lái)越多、愈來(lái)愈復(fù)雜，許多在單件、小件退火背景下不起作用的因素常常在新條件下變?yōu)楸仨毷肿⒁饪刂频囊蛩?，但這方面的研究還很不夠。如普通球化退火在大爐容量時(shí)，材料熱均勻性差，常出現(xiàn)碳化物的顆粒不均勻，材料局部可能過(guò)燒，而有的地方卻欠熱，硬度不一致，影響以后的冷加工及最終淬回火的組織和性能；等溫球化退火工藝是利用不均勻奧氏體中未溶碳化物或奧氏體中高濃度碳偏聚區(qū)的非自發(fā)形核作用來(lái)加速球化，由于一般情況下等溫時(shí)間較長(zhǎng)(為其加熱保溫時(shí)間的I. 5倍)，對(duì)于細(xì)珠光體組織，往往會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇执笾楣怏w組織，其結(jié)果不利于碳化物的球化；至于重復(fù)擺動(dòng)球化退火，其工藝操作繁雜，很不經(jīng)濟(jì)，只適用于小型和少量工件的熱處理。也有少數(shù)鋼廠進(jìn)行了熱軋過(guò)程中的控軋控冷實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到使熱軋鋼絲內(nèi)部組織球化的目的，但這種方式嚴(yán)重影響鋼廠生產(chǎn)效率，且球化質(zhì)量不高，難以完全替代專業(yè)化的球化退火工藝技術(shù)。GCrl5盤條一般每盤質(zhì)量在2 . 5 T左右，為提高效率、節(jié)省能源，實(shí)踐中多采用十余或數(shù)十噸材料一次處理。上述傳統(tǒng)球化退火工藝條件下，在爐型較大、裝爐量較多和需要拼爐裝料時(shí)，由于材料規(guī)格、化學(xué)成分(主要是微量元素)的差異、加熱爐有效加熱區(qū)溫度與保溫時(shí)間的不一致、爐料噸位較大時(shí)熱慣性亦較大等因素影響，很難保證材料處理后的質(zhì)量均一性，實(shí)踐中往往會(huì)造成同一爐次球化退火質(zhì)量明顯不均勻、不同爐次的質(zhì)量重復(fù)性較差,從而造成后續(xù)加工生產(chǎn)的軸承滾動(dòng)體質(zhì)量分散度較高。球化退火屬于不完全退火，它之所以能使?jié)B碳體球化，在因?yàn)橄嘧儠r(shí)奧氏體化是“不完全”的，其加熱溫度只高于Acl不多，在片狀珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體的同時(shí)，有少量碳化物溶解，還有大量碳化物保留著，在冷卻的時(shí)候，成為溶于奧氏體中碳化物的結(jié)晶核心。另外溶于奧氏體中的碳化物，其成分并不均勻，在碳化物原先存在的地方，含碳濃度高，由此造成奧氏體中各處碳濃度的差別，于是，當(dāng)濃度不均勻的奧氏體冷卻到Ar I以下時(shí)，未溶的碳化物及濃度不均勻的奧氏體，便析出碳化物，同時(shí)由于表面張力的作用形成了球粒狀珠光體。在材料化學(xué)成分一定的前提下，球化過(guò)程的主要控制因素就是加熱速度、溫度與保溫時(shí)間、冷卻速度，在保證球化好的前提下，為實(shí)現(xiàn)熱處理質(zhì)量均一性(分散度降低到零) 的目標(biāo)，則設(shè)備的可靠性、工藝的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、加熱爐溫度的均勻性、爐氣的循環(huán)性和在線控制，都是非常重要的影響因素。顯然，傳統(tǒng)的球化退火工藝路線并不能滿足和適應(yīng)這些要求，必須根據(jù)具體的生產(chǎn)條件加以適應(yīng)性改造，尋求新的工藝技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是，基于強(qiáng)對(duì)流保護(hù)性氣氛下，實(shí)現(xiàn)較大噸位(20T左右/爐.次)GCrl5軸承鋼盤條球化退火質(zhì)量穩(wěn)定合格，組織保持在2 3級(jí)，且解決同爐次材料質(zhì)量均一性、不同爐次質(zhì)量同一性問(wèn)題。所述強(qiáng)對(duì)流保護(hù)性氣氛，是指材料在整個(gè)退火工藝過(guò)程中，都置于強(qiáng)對(duì)流循環(huán)狀態(tài)的保護(hù)氣氛中，使鋼材表面無(wú)氧化，不脫碳。所述保護(hù)氣氛，是指根據(jù)變壓吸附原理，采用高品質(zhì)碳分子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，從空氣中制取的高純度(9 9. 9 9 9 %)氮?dú)?，必要時(shí)再加入一定量碳勢(shì)氣氛。整套制氮設(shè)備全部微機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全運(yùn)行。 基于上述條件，本發(fā)明所涉及的GCrl5軸承鋼絲球化退火工藝路線是以50 100°C / H的速度加熱至730°C保溫2 3 H——升溫至7850C ±5°C保持4±0·5Η——以2 0°C芻30°C / H的速度降溫至720°C保溫2 3 H——隨爐冷卻至550°C出爐空冷。本發(fā)明所述工藝的技術(shù)特點(diǎn)是
I)采取階梯式升溫。即在從室溫至設(shè)定最高溫度之間，設(shè)置了一個(gè)等溫保溫的階段，在730°C等溫2 3 H。傳統(tǒng)工藝均采用直線式升溫，對(duì)于爐容量在10數(shù)噸以上的情況，很不利于爐料均熱化，雖然有強(qiáng)對(duì)流氣體強(qiáng)化了熱傳遞，但爐料從表面到心部的熱透時(shí)間，還與材料本身的吸熱速率、規(guī)格的大小相關(guān)，在不同廠家、不同規(guī)格的材料拼爐處理的情況下，這一矛盾尤為突出。本發(fā)明采取略低于Acl (735 760 °C )下限的溫度等溫既有利于爐料均熱，且在該溫度區(qū)間等溫時(shí)，珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)變，但溫度不太高，已經(jīng)開始出現(xiàn)領(lǐng)先相，有利于防止奧氏體化學(xué)成分過(guò)于均勻而導(dǎo)致隨后處理中大量片狀珠光體出現(xiàn)。2)采取較低的退火溫度(785°C ±5°C)。對(duì)一般碳素鋼來(lái)說(shuō)，球化退火加熱理論溫度應(yīng)是該鋼的Acl以上20_30°C，Acl是一個(gè)溫度區(qū)間，對(duì)GCrl5這類過(guò)共析鋼來(lái)說(shuō)，理論退火溫度可達(dá)830°C。通常情況下，如設(shè)定的加熱最高溫度偏低，則產(chǎn)生濃度很均勻的奧氏體和大量未溶碳化物，冷卻后極不利于得到均勻的球狀珠光體；當(dāng)最高退火溫度設(shè)定偏高時(shí)，由于二次碳化物大部分溶解，晶核減少，退火后則易于出現(xiàn)粗大而不均勻的球狀珠光體；只有當(dāng)退火溫度設(shè)定在最佳區(qū)間時(shí)，難溶的碳化物才逐漸團(tuán)聚和溶解，冷卻時(shí)可獲得均勻的細(xì)粒狀珠光體，才能達(dá)到預(yù)期的效果。傳統(tǒng)工藝通常采用790°C 830°C的偏高的設(shè)計(jì)溫度，是因其設(shè)備、氣氛及控制手段所限，這樣還容易導(dǎo)致產(chǎn)品表面氧化、脫碳的發(fā)生，尤其是脫碳，溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，脫碳層越加深。在本發(fā)明的生產(chǎn)條件下，如果采用傳統(tǒng)工藝路線和技術(shù)參數(shù)，則非但不利于充分發(fā)揮現(xiàn)代先進(jìn)加熱爐等設(shè)備的潛能，而且不能保證產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。故本發(fā)明通常設(shè)定的最高退火溫度不超過(guò)785°C，在保證球化質(zhì)量的同時(shí)，很好地抑制了氧化與 脫碳趨勢(shì)。3)在最高溫度區(qū)置取較短的保溫時(shí)間(4±0. 5 H)。球化退火在高溫區(qū)保溫時(shí)間一般較長(zhǎng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大約每IOmm直徑需要O. 5 I. O小時(shí)，傳統(tǒng)工藝條件下，I O T以上裝爐量，爐內(nèi)盤條心部均溫時(shí)間一般約需5H左右。在實(shí)際生產(chǎn)中，裝爐量大而密集堆放在爐臺(tái)部位，所需均熱時(shí)間長(zhǎng)，且為加熱均勻和使原來(lái)的珠光體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫時(shí)間勢(shì)必還要增加，一般為7H左右。本發(fā)明操作方法之所以能縮短高溫區(qū)時(shí)間，是由于在升溫階段設(shè)置了 2 3 H的等溫臺(tái)階，有利于高溫區(qū)均熱時(shí)間的縮短，同時(shí)，在加熱過(guò)程中，爐內(nèi)始終保持強(qiáng)對(duì)流氣氛的熱傳導(dǎo)，加快了爐料均熱速度，且前一次形成的球狀碳化物比未球化的片狀碳化物在加熱時(shí)溶解要緩慢一些，故可以作為后續(xù)冷卻時(shí)增加新的球化結(jié)晶核心，從而加速了球化過(guò)程。4)以20蘭300C / H速度降溫
球化退火冷卻速度的大小，對(duì)于能否形成球狀碳化物，并無(wú)直接影響，但卻強(qiáng)烈影響形成的球化物顆粒的大小和分布均勻性，進(jìn)而影響強(qiáng)度與硬度。冷卻速度的意義在于，在加熱過(guò)程中，當(dāng)溫度超過(guò)Acl后，在降低界面能的驅(qū)動(dòng)力和奧氏體相變的驅(qū)動(dòng)力雙重作用下，通過(guò)片狀碳化物適當(dāng)熔斷并獲得不規(guī)則的粒狀碳化物，在隨后的保溫過(guò)程中，碳化物的尖角、邊棱逐步溶解，獲得初步?；?。這一過(guò)程不僅希望獲得盡可能多的且適度分散的剩余碳化物顆粒，且還要獲得碳濃度不均勻性最大的奧氏體。在冷卻過(guò)程中，當(dāng)溫度低于Acl線時(shí)，通過(guò)奧氏體過(guò)冷轉(zhuǎn)變，分解出來(lái)的碳化物就近沉淀在未溶解碳化物表面，且優(yōu)先沉積在其凹陷處和曲率半徑大的部位，使碳化物逐步球化，同時(shí)，在奧氏體中碳濃度較高的部位優(yōu)先形成細(xì)片狀珠光體，并在隨后的保溫和緩冷過(guò)程中球狀化。因此，冷卻階段是碳化物逐步析出并形成表面能最低的球化物的關(guān)鍵階段。冷卻愈快，所得的組織愈細(xì)，碳化物比較細(xì)小彌散，強(qiáng)度與硬度愈高；但若過(guò)快，則得不到退火軟化的目的；若冷卻速度太慢，則碳化物聚集長(zhǎng)大，硬度較低，同樣達(dá)不到合適的加工要求。所以，嚴(yán)格控制冷卻速度，是退火中的一個(gè)重要步驟。本發(fā)明由于爐溫均勻，使?fàn)t內(nèi)材料溫差在±5°C以內(nèi)，且散熱降溫功能較好，能有效保證冷卻速度，使得任何位置退火材料軟硬一致，便于材料加工。5 )降溫至720 V保溫2 3 H
冷卻時(shí)在Arl停留一段時(shí)間，目的是為了保證殘留的奧氏體在共析轉(zhuǎn)變前充分轉(zhuǎn)變。如果沒(méi)有之前730°C等溫預(yù)先形成大量核心，或在790°C保溫時(shí)間不足，常出現(xiàn)冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變不充分、殘余奧氏體較多，或只有二次碳化物的破斷而難以成為呈細(xì)顆粒狀分布的球狀。而在冷卻過(guò)程中的720°C等溫，則促使降溫過(guò)程中殘留的奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)粒狀珠光體。本發(fā)明保留了傳統(tǒng)等溫球化退火的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明工藝的綜合有益效果為本發(fā)明工藝經(jīng)濟(jì)實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了確保退火材料的物理性能均勻一致，可以達(dá)到在不同爐次、同一爐次不同部位產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和重復(fù)性，使產(chǎn)品的組織性能、畸變等質(zhì)量的分散度達(dá)到趨于零的程度。
具體實(shí)施例方式結(jié)合給出的實(shí)施例，對(duì)本 發(fā)明加以說(shuō)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。實(shí)例大爐量G Crl5盤條球化退火質(zhì)量均一性工藝
爐料產(chǎn)地、規(guī)格同爐處理分別由邢臺(tái)鋼廠、興澄鋼廠、南京鋼廠生產(chǎn)的模鑄熱軋盤條，規(guī)格分別是0 16、<2 12、0 9、(t 5. 5ο裝爐量18T 爐型井式電阻爐
主要技術(shù)參數(shù)額定功率550KW ;額定電壓380V ;額定溫度1000 °C ;使用溫度840°C;頻率50HZ ;相數(shù)3相；工作尺寸Φ 3200 X 7000mm ;空爐升溫時(shí)間蘭2h ;空爐損耗功率100 Kff ;控溫區(qū)數(shù)3區(qū)；控制方式智能儀表控溫；爐溫均勻性土 5 °C;強(qiáng)對(duì)流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩檔700轉(zhuǎn)/min、1000轉(zhuǎn)/min。爐內(nèi)氣氛系統(tǒng)變壓吸附式制氮機(jī)，采用高品質(zhì)的碳分子篩作為吸附劑。系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)吸附塔，一塔吸附產(chǎn)氮，另一塔脫附再生，通過(guò)PLC程序控制器控制氣動(dòng)閥的啟閉，使兩塔交替循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)高純氮?dú)?99. 999%)。處理目的材料金相組織達(dá)2 4級(jí)，表面無(wú)氧化，脫碳層含O. 03mm。實(shí)例的工藝流程為
裝料——充氮——以100°c / H的速度加熱至730 °C——等溫3 H——升溫至7850C ±5°C——保持4 H——以30°C / H的速度降溫——720°C保溫3 H——隨爐冷卻至550 °C出爐空冷。操作控制過(guò)程
在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)精確保證爐溫均勻度、準(zhǔn)確控制加熱和冷卻速度等生產(chǎn)條件的情況下，本發(fā)明工藝路線嚴(yán)格遵循了退火工藝的三要素，即加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度，其特點(diǎn)是在最高退火溫度前后略高于Acl和略低于Arl的區(qū)間，設(shè)計(jì)了兩次等溫，第一次等溫造成階梯式升溫，改變了傳統(tǒng)直線式升溫方式，特別有利于大爐量球化退火時(shí)的均熱性，同時(shí)為其后的相變與球化提供了條件；第二次等溫給予冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變不充分的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w提供了機(jī)會(huì)。最高退火溫度設(shè)計(jì)為785°C ±5°C，保持4 H，然后以30°C / H的速度降溫，720°C保溫3 H，再隨爐冷卻至550°C出爐空冷，出爐溫度略低于傳統(tǒng)的600°C，有利于不同規(guī)格的爐料硬度均勻。在整個(gè)工藝執(zhí)行過(guò)程中，爐料始終處于無(wú)氧化氣氛保護(hù)之中，且保護(hù)氣體始終處于高速對(duì)流、有序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，全部工藝過(guò)程需要22 H，如在夜間低谷開爐，節(jié)約能源、降低成本。按此工藝路線和技術(shù)參數(shù)實(shí)施退火后的GCrl5盤條，對(duì)各不同規(guī)格、不同產(chǎn)地的材料多處取樣測(cè)定。
試樣制備過(guò)程橫向取樣，經(jīng)粗磨-拋光(粗拋，精拋)一水洗-吹干一用4%硝酸酒精浸蝕。經(jīng)500倍金相顯微鏡檢測(cè)，顯微組織均勻，均在2 4級(jí)范圍；
脫碳層檢測(cè)，先在低放大倍數(shù)下(100倍)進(jìn)行初步觀測(cè)，以查明最深均勻脫碳區(qū)；再在高倍數(shù)下(500倍)進(jìn)行總脫碳層(全脫碳層深度+半脫碳層的深度)的測(cè)定。檢測(cè)結(jié)果總脫碳層在熱軋材原始脫碳層的基礎(chǔ)上，基本未增加。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱軋材的化學(xué)成分中，含有增加脫碳趨勢(shì)的微量元素過(guò)多時(shí)，或原始貧碳層存在時(shí)，退火后總脫碳層會(huì)增加O. 02_左右。本發(fā)明工藝經(jīng)濟(jì)實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了確保退火材料的物理性能均勻一致，可以達(dá)到在不同爐次、同一爐次不同部位產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和重復(fù)性，使產(chǎn)品的組織性能、畸變等質(zhì)量的分散度達(dá)到趨于零的程度。 ·
權(quán)利要求
1.一種基于強(qiáng)對(duì)流保護(hù)性氣氛下的GCrl5軸承鋼球化退火工藝，其特征在于所述球化退火工藝路線中 1)采取階梯式升溫方法，即在從室溫至設(shè)定最高溫度之間，設(shè)置了一個(gè)等溫保溫的階段，在730°C等溫2 3 H，改變了傳統(tǒng)的直線式升溫方式；所述的最高溫度為785V ±5°C ； 2)采取較低的退火溫度785°C ± 5°C和較短的保溫時(shí)間4 5 H ; 3)以20°C含300C / H速度降溫，降溫至720°C保溫2 3 H ; 4)隨爐冷卻至550°C ±10°C出爐空冷。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料熱處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種GCr15軸承鋼球化退火工藝。本發(fā)明所涉及的球化退火工藝路線是以50～100℃/Ｈ的速度加熱至730℃保溫２～３Ｈ——升溫至785℃±5℃保持4±0.5Ｈ——以２0℃≦30℃/Ｈ的速度降溫至720℃保溫２～３Ｈ——隨爐冷卻至550℃出爐空冷。本發(fā)明工藝經(jīng)濟(jì)實(shí)用，實(shí)現(xiàn)了確保退火材料的物理性能均勻一致，可以達(dá)到在不同爐次、同一爐次不同部位產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和重復(fù)性，使產(chǎn)品的組織性能、畸變等質(zhì)量的分散度達(dá)到趨于零的程度。
文檔編號(hào)C21D11/00GK102876858SQ201210349020
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者王靜輝, 王聯(lián)世 申請(qǐng)人:洛陽(yáng)鼎輝特鋼制品股份有限公司