專利名稱：一種基于強對流保護性氣氛下的GCr15軸承鋼球化退火工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料熱處理技術領域，涉及一種GCrl5軸承鋼球化退火工藝，尤其是軸承滾動體材料大爐量情況下退火組織均一性技術。
背景技術：
所述GCr 15軸承鋼組成元素以Fe為基體同時含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(執行標準GB/T18254-2002)。GCrl5是高鉻軸承鋼的典型牌 號，占鉻軸承鋼產量的9 O %左右，其線材主要用于制造軸承滾動體。軸承鋼球化退火的目的，一是獲得合適硬度，以利于后續冷拉拔、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備。碳化物的組織形態(形狀、大小、數量和分布)對最終性能影響很大，但因淬火時有相當多的碳化物不能溶解，所以淬火后碳化物的組織形態基本上仍由球化退火所決定，因此球化退火是軸承滾動體生產中極其重要的工藝技術.
目前，GCr 15軸承鋼球化退火最常用的兩種傳統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，保溫適當時間，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 )進行等溫，等溫后隨爐冷至600°C左右出爐空冷；此外，實踐中有的單位開發了諸如周期球化退火(循環球化退火)、快速退火等工藝技術，如在Acl點附近的溫度反復進行加熱和冷卻，一般進行3 4個周期，使片狀珠光體在幾次溶解一析出的反復過程中，碳化物得以球化。上述球化退火工藝存在的不足之處是
傳統球化退火工藝是在早期基于爐型簡單、爐容量較小的背景下出現的，目前許多關于球化退火的研究工作也往往是在實驗室條件下進行的，隨著現代大型工業加熱爐的出現，影響球化退火質量的因素也越來越多、愈來愈復雜，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為必須十分注意控制的因素，但這方面的研究還很不夠。如普通球化退火在大爐容量時，材料熱均勻性差，常出現碳化物的顆粒不均勻，材料局部可能過燒，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的非自發形核作用來加速球化，由于一般情況下等溫時間較長(為其加熱保溫時間的I. 5倍)，對于細珠光體組織，往往會轉變為粗大珠光體組織，其結果不利于碳化物的球化；至于重復擺動球化退火，其工藝操作繁雜，很不經濟，只適用于小型和少量工件的熱處理。也有少數鋼廠進行了熱軋過程中的控軋控冷實驗，以期達到使熱軋鋼絲內部組織球化的目的，但這種方式嚴重影響鋼廠生產效率，且球化質量不高，難以完全替代專業化的球化退火工藝技術。GCrl5盤條一般每盤質量在2 . 5 T左右，為提高效率、節省能源，實踐中多采用十余或數十噸材料一次處理。上述傳統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，由于材料規格、化學成分(主要是微量元素)的差異、加熱爐有效加熱區溫度與保溫時間的不一致、爐料噸位較大時熱慣性亦較大等因素影響，很難保證材料處理后的質量均一性，實踐中往往會造成同一爐次球化退火質量明顯不均勻、不同爐次的質量重復性較差,從而造成后續加工生產的軸承滾動體質量分散度較高。球化退火屬于不完全退火，它之所以能使滲碳體球化，在因為相變時奧氏體化是“不完全”的，其加熱溫度只高于Acl不多，在片狀珠光體轉變成奧氏體的同時，有少量碳化物溶解，還有大量碳化物保留著，在冷卻的時候，成為溶于奧氏體中碳化物的結晶核心。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，當濃度不均勻的奧氏體冷卻到Ar I以下時，未溶的碳化物及濃度不均勻的奧氏體，便析出碳化物，同時由于表面張力的作用形成了球粒狀珠光體。在材料化學成分一定的前提下，球化過程的主要控制因素就是加熱速度、溫度與保溫時間、冷卻速度，在保證球化好的前提下，為實現熱處理質量均一性(分散度降低到零) 的目標，則設備的可靠性、工藝的先進性、穩定性、加熱爐溫度的均勻性、爐氣的循環性和在線控制，都是非常重要的影響因素。顯然，傳統的球化退火工藝路線并不能滿足和適應這些要求，必須根據具體的生產條件加以適應性改造，尋求新的工藝技術。發明內容本發明的目的是，基于強對流保護性氣氛下，實現較大噸位(20T左右/爐.次)GCrl5軸承鋼盤條球化退火質量穩定合格，組織保持在2 3級，且解決同爐次材料質量均一性、不同爐次質量同一性問題。所述強對流保護性氣氛，是指材料在整個退火工藝過程中，都置于強對流循環狀態的保護氣氛中，使鋼材表面無氧化，不脫碳。所述保護氣氛，是指根據變壓吸附原理，采用高品質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 %)氮氣，必要時再加入一定量碳勢氣氛。整套制氮設備全部微機控制，自動化程度高，能有效保證產品質量和設備安全運行。 基于上述條件，本發明所涉及的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。本發明所述工藝的技術特點是
I)采取階梯式升溫。即在從室溫至設定最高溫度之間，設置了一個等溫保溫的階段，在730°C等溫2 3 H。傳統工藝均采用直線式升溫，對于爐容量在10數噸以上的情況，很不利于爐料均熱化，雖然有強對流氣體強化了熱傳遞，但爐料從表面到心部的熱透時間，還與材料本身的吸熱速率、規格的大小相關，在不同廠家、不同規格的材料拼爐處理的情況下，這一矛盾尤為突出。本發明采取略低于Acl (735 760 °C )下限的溫度等溫既有利于爐料均熱，且在該溫度區間等溫時，珠光體開始向奧氏體轉變，但溫度不太高，已經開始出現領先相，有利于防止奧氏體化學成分過于均勻而導致隨后處理中大量片狀珠光體出現。2)采取較低的退火溫度(785°C ±5°C)。對一般碳素鋼來說，球化退火加熱理論溫度應是該鋼的Acl以上20_30°C，Acl是一個溫度區間，對GCrl5這類過共析鋼來說，理論退火溫度可達830°C。通常情況下，如設定的加熱最高溫度偏低，則產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；當最高退火溫度設定偏高時，由于二次碳化物大部分溶解，晶核減少，退火后則易于出現粗大而不均勻的球狀珠光體；只有當退火溫度設定在最佳區間時，難溶的碳化物才逐漸團聚和溶解，冷卻時可獲得均勻的細粒狀珠光體，才能達到預期的效果。傳統工藝通常采用790°C 830°C的偏高的設計溫度，是因其設備、氣氛及控制手段所限，這樣還容易導致產品表面氧化、脫碳的發生，尤其是脫碳，溫度越高、時間越長，脫碳層越加深。在本發明的生產條件下，如果采用傳統工藝路線和技術參數，則非但不利于充分發揮現代先進加熱爐等設備的潛能，而且不能保證產品質量目標的實現。故本發明通常設定的最高退火溫度不超過785°C，在保證球化質量的同時，很好地抑制了氧化與 脫碳趨勢。3)在最高溫度區置取較短的保溫時間(4±0. 5 H)。球化退火在高溫區保溫時間一般較長，根據經驗數據，大約每IOmm直徑需要O. 5 I. O小時，傳統工藝條件下，I O T以上裝爐量，爐內盤條心部均溫時間一般約需5H左右。在實際生產中，裝爐量大而密集堆放在爐臺部位，所需均熱時間長，且為加熱均勻和使原來的珠光體完全轉變為奧氏體，保溫時間勢必還要增加，一般為7H左右。本發明操作方法之所以能縮短高溫區時間，是由于在升溫階段設置了 2 3 H的等溫臺階，有利于高溫區均熱時間的縮短，同時，在加熱過程中，爐內始終保持強對流氣氛的熱傳導，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溶解要緩慢一些，故可以作為后續冷卻時增加新的球化結晶核心，從而加速了球化過程。4)以20蘭300C / H速度降溫
球化退火冷卻速度的大小，對于能否形成球狀碳化物，并無直接影響，但卻強烈影響形成的球化物顆粒的大小和分布均勻性，進而影響強度與硬度。冷卻速度的意義在于，在加熱過程中，當溫度超過Acl后，在降低界面能的驅動力和奧氏體相變的驅動力雙重作用下，通過片狀碳化物適當熔斷并獲得不規則的粒狀碳化物，在隨后的保溫過程中，碳化物的尖角、邊棱逐步溶解，獲得初步?；＿@一過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。在冷卻過程中，當溫度低于Acl線時，通過奧氏體過冷轉變，分解出來的碳化物就近沉淀在未溶解碳化物表面，且優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，在奧氏體中碳濃度較高的部位優先形成細片狀珠光體，并在隨后的保溫和緩冷過程中球狀化。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鍵階段。冷卻愈快，所得的組織愈細，碳化物比較細小彌散，強度與硬度愈高；但若過快，則得不到退火軟化的目的；若冷卻速度太慢，則碳化物聚集長大，硬度較低，同樣達不到合適的加工要求。所以，嚴格控制冷卻速度，是退火中的一個重要步驟。本發明由于爐溫均勻，使爐內材料溫差在±5°C以內，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
冷卻時在Arl停留一段時間，目的是為了保證殘留的奧氏體在共析轉變前充分轉變。如果沒有之前730°C等溫預先形成大量核心，或在790°C保溫時間不足，常出現冷卻時奧氏體轉變不充分、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顆粒狀分布的球狀。而在冷卻過程中的720°C等溫，則促使降溫過程中殘留的奧氏體充分轉變為細粒狀珠光體。本發明保留了傳統等溫球化退火的優點。本發明工藝的綜合有益效果為本發明工藝經濟實用，實現了確保退火材料的物理性能均勻一致，可以達到在不同爐次、同一爐次不同部位產品質量的均一性和重復性，使產品的組織性能、畸變等質量的分散度達到趨于零的程度。
具體實施例方式結合給出的實施例，對本 發明加以說明，但不構成對本發明的任何限制。實例大爐量G Crl5盤條球化退火質量均一性工藝
爐料產地、規格同爐處理分別由邢臺鋼廠、興澄鋼廠、南京鋼廠生產的模鑄熱軋盤條，規格分別是0 16、<2 12、0 9、(t 5. 5ο裝爐量18T 爐型井式電阻爐
主要技術參數額定功率550KW ;額定電壓380V ;額定溫度1000 °C ;使用溫度840°C;頻率50HZ ;相數3相；工作尺寸Φ 3200 X 7000mm ;空爐升溫時間蘭2h ;空爐損耗功率100 Kff ;控溫區數3區；控制方式智能儀表控溫；爐溫均勻性土 5 °C;強對流風機轉速兩檔700轉/min、1000轉/min。爐內氣氛系統變壓吸附式制氮機，采用高品質的碳分子篩作為吸附劑。系統中設置兩個吸附塔，一塔吸附產氮，另一塔脫附再生，通過PLC程序控制器控制氣動閥的啟閉，使兩塔交替循環，以實現連續生產高純氮氣(99. 999%)。處理目的材料金相組織達2 4級，表面無氧化，脫碳層含O. 03mm。實例的工藝流程為
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。操作控制過程
在設備上實現精確保證爐溫均勻度、準確控制加熱和冷卻速度等生產條件的情況下，本發明工藝路線嚴格遵循了退火工藝的三要素，即加熱溫度、保溫時間和冷卻速度，其特點是在最高退火溫度前后略高于Acl和略低于Arl的區間，設計了兩次等溫，第一次等溫造成階梯式升溫，改變了傳統直線式升溫方式，特別有利于大爐量球化退火時的均熱性，同時為其后的相變與球化提供了條件；第二次等溫給予冷卻時轉變不充分的殘余奧氏體轉變為珠光體提供了機會。最高退火溫度設計為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的600°C，有利于不同規格的爐料硬度均勻。在整個工藝執行過程中，爐料始終處于無氧化氣氛保護之中，且保護氣體始終處于高速對流、有序運動狀態，全部工藝過程需要22 H，如在夜間低谷開爐，節約能源、降低成本。按此工藝路線和技術參數實施退火后的GCrl5盤條，對各不同規格、不同產地的材料多處取樣測定。
試樣制備過程橫向取樣，經粗磨-拋光(粗拋，精拋)一水洗-吹干一用4%硝酸酒精浸蝕。經500倍金相顯微鏡檢測，顯微組織均勻，均在2 4級范圍；
脫碳層檢測，先在低放大倍數下(100倍)進行初步觀測，以查明最深均勻脫碳區；再在高倍數下(500倍)進行總脫碳層(全脫碳層深度+半脫碳層的深度)的測定。檢測結果總脫碳層在熱軋材原始脫碳層的基礎上，基本未增加。但發現當熱軋材的化學成分中，含有增加脫碳趨勢的微量元素過多時，或原始貧碳層存在時，退火后總脫碳層會增加O. 02_左右。本發明工藝經濟實用，實現了確保退火材料的物理性能均勻一致，可以達到在不同爐次、同一爐次不同部位產品質量的均一性和重復性，使產品的組織性能、畸變等質量的分散度達到趨于零的程度。 ·
權利要求
1.一種基于強對流保護性氣氛下的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，即在從室溫至設定最高溫度之間，設置了一個等溫保溫的階段，在730°C等溫2 3 H，改變了傳統的直線式升溫方式；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
本發明屬于金屬材料熱處理技術領域，涉及一種GCr15軸承鋼球化退火工藝。本發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。本發明工藝經濟實用，實現了確保退火材料的物理性能均勻一致，可以達到在不同爐次、同一爐次不同部位產品質量的均一性和重復性，使產品的組織性能、畸變等質量的分散度達到趨于零的程度。
文檔編號C21D11/00GK102876858SQ201210349020
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者王靜輝, 王聯世 申請人:洛陽鼎輝特鋼制品股份有限公司