轴承钢棒材超快速冷却新工艺的应用研究

关键词：超快冷工艺；伪共析组织；网状碳化物

中图分类号：TG335．6 文献标识码：A 文章编号：0449 749X(2008)07—0047—04

GCrl5是轴承钢的代表钢种，近年来精炼和连铸技术的成熟应用使得轴承钢的生产已经达到了一个新的台阶^[1～3]，而且随着连轧技术的应用，生产效率得到进一步提高，但同时也出现了网状碳化物析出严重问题，以往的研究重点主要集中在低温精轧配合轧后快冷，但受现场设备和冷却能力不足等因素制约，网状碳化物严重析出问题并没有得到彻底解决。超快冷却技术是近年来开发出的一种新型冷却系统，它的冷速可达100～500℃/s^[4]。针对国内某钢厂连轧生产线轧制GCrl5棒材出现的网状碳化物严重析出问题，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室开发了超快速冷却装置，瞬时冷速可以达到200℃／s以上，用于轧后控制冷却以达到控制网状碳化物级别得到理想组织的目的。

1 轧制工艺设备及方法

由于连轧机间布置较紧凑，因此在精轧机后安装超快速冷却器进行轧后超快冷，试验钢种为GCrl5，其化学成分(质量分数，％)为：C 1．0，Si0．32，M11 0．34，P 0．009，S 0．003，Cr 1．49，A10．005，Ni 0．07，出炉温度为1 120～1 150℃，经过粗、中、精轧后成品规格为Ø60 mm，轧后进行超快冷和空冷，轧件经过冷床冷却后剪切取样。

将轧后棒材取中间部分制成金相试样进行显微硬度测试，应用金相显微镜和扫描电镜进行显微组织并测量珠光体片层间距，为准确的判断GCrt5超快冷后碳化物网状级别，对每个工艺试样取10个进行淬回火处理后对原剖面重新打磨、抛光、4％硝酸酒精溶液深腐蚀，观察碳化物网状并判断级别。

2试验结果与分析

2．1轧制温度控制

在正常轧制条件下，运用超快速冷却器对GCrl5棒材高温终轧后冷却，考虑到大断面棒材水冷不当则容易出现混晶组织，因此采用分段冷却工艺，经过现场多次试验设定对Ø60 mm棒材使用两段冷却器冷却，超快冷段棒材表层温度曲线如图1所示。棒材高温终轧后表面温度为960℃时进入第一段冷却器迅速降低，经过短时间返红到695℃时进入第二段冷却器，冷却后经过辊道到冷床轧件表面最高返红到690℃，最后在冷床上堆冷温度缓慢下降。

2．2显微组织分析

图2是GCrl5高温终轧后空冷金相显微组织。

从图2中看到，高温终轧后空冷室温组织为片状珠光体和沿晶界处呈网状分布的碳化物，珠光体球团直径较大，能看到明显珠光体片层问距，粗大的呈网状分布的碳化物在随后的球化退火过程中不易消除会影响冷加工性能。

图3是Ø60 mm棒材高温终轧后经过超快冷却断面不同位置显微组织。

从图3中可以看到，高温终轧后经过超快冷，GCrl5断面上典型显微组织为团絮状珠光体，看不到明显的珠光体片层结构和网状碳化物，也没有混晶组织出现，但由于大直径棒材在超快冷过程中表层冷却速度比1／4处和心部要大，因此从图3(a)、(b)、(c)的比较中可看到，边部珠光体球团直径比1／4和心部要小，但是变化不大，仅在心部组织中隐约可见到少量碳化物，因为数量少而且呈断续条状分布因此在球化退火过程中就可以消除，不会影响冷加工性能。

为了进一步分析超快冷对组织影响，对轧后试样运用SEM进行分析，每个试样从表层到心部至少随机观察15个视场，每个视场选取5组典型珠光体片层进行片层间距d。的测量，然后求出平均值d₁，并根据d=π·d₁／4计算珠光体片层间距真实值d，并从表层到心部进行显微硬度测量并取平均值，在淬回火后选取断面碳化物最严重视场进行碳化物网状评级，结果如表1所示，不同冷却工艺后GCrl5棒材断面上典型珠光体片层结构如图4示。

从图4(a)中可以看到，高温终轧后空冷，珠光体片层间距较大，可以清晰的看到粗大的碳化物沿晶界析出，如图4(b)中所示为轧后经过超快冷后断面上典型珠光体形貌，GCrl5珠光体球团轮廓由片状变为轮廓不光滑的团絮状，单位体积内片层排列方向增多，珠光体片层间距也减小，即由片状珠光体变为索氏体，从图中也可以看到铁素体与渗碳体层层交替紧密堆叠生长，晶界处没有明显的碳化物析出，经过显微硬度测试发现，超快冷后Gcrl5显微硬度明显高于空冷材，分析其主要原因是随着轧后超快冷速度增大，碳化物来不及析出，致使转变组织中含碳量高，另一方面，随冷速增大，获得的索氏体组织更细小，相界面增多，抗变形能力增大起到了提高硬度作用。

从表1中也可以看到，按照新的GB／T1825422002标准，空冷棒材网状碳化物级别为3．5级，不符合标准，而经过超快速冷却后棒材网状碳化物级别小于2级，合格率达到100％。

3 讨论

轧制过程中通过超快冷和冷床上缓冷(文中分别简称为一次冷却和二次冷却)两段不连续冷却获得了抑制网状碳化物析出的索氏体组织。接下来通过CCT曲线对不连续冷却条件下的组织演变规律进行分析，如文中图5所示。

在一次冷却过程中经过了两段超快速冷却将棒材冷却到690℃。从前面的分析中可以看到，二段超快速冷却过程中，虽然心部冷速相对表层有一定降低，但棒材断面组织均匀，可见棒材从表层到心部经历了相同的相变反应，为了简洁的分析冷速对相变的影响，超快速冷却段在图5中仅用曲线1表示，二次冷却用曲线2表示。从图5中可以看到在一次冷却阶段，过共析钢GCrl5自γ区冷却下来，由于冷速较快，在过共析碳化物还来不及析出的情况下，非共析成分的过冷γ被过冷到珠光体转变区域，又称为伪共析转变区，接下来进入二次冷却阶段，二次冷却是从珠光体相变开始至室温，现场控冷后棒材是于冷床上堆冷的，钢材从690℃需要很长时间才能冷却到室温，相当在超快速冷却后缓冷，在缓冷过程中，过冷γ在伪共析转变区将全部转变为珠光体型组织，但因为合金成分并非共析成分，因此称转变产物为“伪共析组织”，也称索氏体，至此GCrl5棒材不连续冷却过程中的相变结束。

因为在一次冷却阶段，瞬时冷却速度达到200℃／s以上，在阻止了过共析碳化物析出的同时也阻止了γ晶粒的长大，单位体积内晶界面积增大，珠光体形核部位增多，并固定了因变形引起的位错也促进了珠光体形核，而且超快速冷却增大了过冷度，使得形核功减小利于形核，因此大量珠光体型组织生成，单位体积内片层排列方向增多，超快速冷却细化了珠光体型组织球团直径。

而且由于超快速冷速较大，在增大了过冷度同时也降低相变温度，过冷γ的伪共析转变在较低温度下进行，C原子扩散能力下降，不易进行较大距离迁移，渗碳体片和铁素体片逐渐变薄缩短，同时连续形成速度及其纵向长大速度都发生变化，片层间距更加细小。

4 结论

(1)对连轧生产线上生产GCrl5棒材采用轧后超快速冷却和缓冷两段不连续冷却工艺，抑制了过共析碳化物沿晶界的网状析出并得到了伪共析组织一索氏体，成功解决了碳化物网状级别不合格现象。

(2)对Ø60 mm棒材进行了高温终轧后二次超快速冷却达到内外均温目的，断面上组织均匀，没有混晶组织的出现。

(3)超快速冷却促进珠光体形核，细化了珠光体晶粒，并降低了相变温度，达到细化珠光体片层间距作用。