控轧控冷技术在轴承钢生产中的应用

控轧控冷技术在轴承钢生产中的应用
关键词：控制轧制控制冷却轴承钢细化晶粒
一引言
随着现代科学技术的发展,滚动轴承的使用量日益增加。

轴承的主要损坏形式是接触疲劳破坏,因此要求轴承钢具有高的接触疲劳强度,同时具有高的耐磨性和良好的工艺性能。

GCr15 具有良好的综合性能,因而成为轴承行业中应用最为广泛的钢种之一。

控轧控冷是在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数，改善钢材的强度、韧性、焊接性能。

该项技术问世20年来，经过不断地完善和巩固，已经逐步扩展到海洋结构用钢、管线、型材等各个领域。

将控轧控冷技术应用于轴承钢能使得钢材的综合性能得到大幅提高，取得巨大的经济效益。

二控制轧制
控制轧制(Controlled rolling)：热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。

1 控制轧制的类型
控制轧制方式示意图
(a) 奥氏体再结晶区控轧；(b) 奥氏体未再结晶区控轧；(c) (γ+α)两相区控轧
（1）奥氏体再结晶区控制轧制(又称I型控制轧制)
奥氏体再结晶区控制轧制的主要目的是通过对加热时粗化的初始奥氏体晶粒反复进行轧制再结晶使之细化，并从而使奥氏体到铁素体相变后得到细小的铁素体晶粒。

并且，相变前的奥氏体晶粒越细，相变后的铁素体晶粒也变的越细。

把钢相变前的奥氏体晶粒直径和相变后的奥氏体晶粒直径之比成为γ/α变换比。

当奥氏体晶粒粗大时此比值远远大于1，即由一个奥氏体晶粒可以产生几个铁素体晶粒。

当相变前的奥氏体晶粒细小时，该γ/α变换比接近于1，所以，在仅仅由于再结晶奥氏体晶粒微细化而引起的奥氏体的晶粒细化方面存在一个极限。

奥氏体再结晶区轧制是通过再结晶使奥氏体晶粒细化，从这种意义上说，它实际上是控制轧制的准备阶段。

奥氏体再结晶区域通常是在约950℃以上的温度范围。

（2）奥氏体未再结晶区控制轧制（又称Ⅱ型控制轧制)
在奥氏体未再结晶区进行控制轧制时，γ晶粒沿轧制方向伸长，γ晶粒内部产生形变带。

此时不仅由于晶界面积增加，提高了α的形核密度，而且也在形变带上出现大量的铁素体晶核。

这样就进一步促进了α晶粒的细化。

相变后的铁素体晶粒随着未再结晶区总压下率的增加变细。

如果刚相变前的奥氏体晶粒度和未再结晶奥氏体晶粒的伸长程度相同，则γ/α相变温度越低，相变后的铁素体晶粒越细。

奥氏体未再结晶的温度区间一般为950︒C～Ar3。

（3）(γ+α)两相区轧制
在Ar3点以下的(γ+α)两相区轧制时，未相变γ晶粒更加伸长，在晶内形成形变带。

另一方面，已相变后的铁素体晶粒在受到压下时，于晶粒内形成亚结构。

在轧后的冷却过程中前者发生相变形成微细的多边形晶粒而后者因回复变成内部含有亚晶粒的铁素体晶粒。

因此两相区轧制得到的组织为大倾角晶粒和亚晶粒的混晶组织。

在控制轧制实践中常常把这三种轧制方式联系在一起而进行连续轧制。

并称之为控制轧制的三阶段。

2 控制轧制工艺特点
（1）控制加热温度
加热温度决定轧制前奥氏体晶粒的大小，温度越低晶粒越细。

（2）控制轧制温度
在控制轧制中所采用的轧制温度是依所采用的控制轧制类型而异。

在奥氏体区轧制时，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，转变后的铁素体晶粒也越粗大，并易出现魏氏组织，对钢的性能不利，因此要求最后几道次的轧制温度要低。

（3）控制变形程度
为了保证钢材的强度和韧性，要求在低温范围内要有一定大小的变形程度。

在奥氏体区轧制时，道次压下量必须要大于临界压下量，尤其在动态再结晶区间，否则将产生混晶。

（4）控制轧制后冷却速度
钢材于轧后冷却除采用空冷外，还可以采用吹风，喷水，穿水等冷却方式。

由于冷却速度的不同，钢材可以得到不同的组织和性能。

三控制冷却
控制冷却（Controlled rolling）：是控制轧后钢材的冷却速度达到改善组织和性能的目的。

由于热轧变形的作用，促使变形奥氏体转变温度（Ar3）的提高，相变后的铁素体晶粒容易长大，造成力学性能降低。

为了细化铁素体晶粒，减少珠光体片层间距，组织碳化物在高温下析出，以及提高析出强化效果而采用控制冷却工艺。

1 控制冷却的三个阶段
（1）一次冷却
从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3，或二次碳化物开始析出温度Arcm 温度范围内的冷却控制，即控制冷却的开始温度、冷却速度及终止温度。

这一阶段是控制变形奥氏体的组织状态，组织奥氏体晶粒长大，阻止碳化物的析出，固定因变形引起的位错，降低相变温度，为相变做组织上的准备。

（2）二次冷却
从相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。

主要是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度，及通过控制相变过程，保证钢材快冷后得到所要求的金相组织和力学性能。

（3）三次冷却（空冷）
三次冷却是相变后至室温范围内的冷却。

对于低碳钢，相变后冷却速度对组织无影响；对合金钢空冷时发生碳化物的析出，对生产的贝氏体产生轻微的回火效果。

对于高碳钢和高碳合金钢轧后控制冷却的第一阶段（一次冷却）也是为了细化变形奥氏体，降低二次碳化物的析出温度，甚至阻止碳化物由奥氏体中析出，降低网状碳化物析出量。

降低网状碳化物级别，减少珠光体球团尺寸。

而二次冷却的目的是为了改善珠光体的形貌和片层间距。

2 控制冷却的实质
对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从Ar3 以上的温度冷却至相变温度区域，通过进行控制冷却，防止变形奥氏体晶粒长大，降低γ→α的相变温度，不使铁素体晶粒长大细化珠光体组织。

控制冷却引起的Ar3 降低，对再结晶奥氏体水冷效果并不很大，但对未再结晶奥氏体进行控冷，会明显使奥氏体细化。

控制后细化了变形奥氏体组织经快速冷却，使相变组织发生相应变化，钢中的析出物的大小、数量、析出部位发生变化，从而提高钢的强韧性。

四GCr15轴承钢概述
轴承钢因化学成分的高碳、含有1. 5 % 左右的Cr , 在凝固过程中遵循相律和选分结晶的自然规律, 钢液最终凝固时在树枝状晶之间凝固析出(Fe 、Cr) 3C 及Cr7C3 大颗粒碳化物, 即碳化物液析。

这种碳化物属于三角晶系,其硬度和脆性极高, 易与奥氏体形成亚稳态莱氏体共晶产物, 是碳化物不均匀性中危害最
大的一种。

而轴承钢在锻轧加工后的缓慢冷却过程中,由于碳在奥氏体中的溶解度降低,二次碳化物沿奥氏体晶界呈网状析出。

网状碳化物形成于700～900 ℃之间,在700～750 ℃二次碳化物析出最强烈。

网状碳化物的存在,大大地削弱了基体晶粒间的联系,使轴承的接触疲劳强度显著降低,同时也降低了轴承滚道的接触应力。

GCr15 是一种传统的高碳铬轴承钢，主要用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和轴套等。

因其在服役过程中需承受极高的交变载荷，所以要求这类钢不仅具有良好的强韧配合，还要求有较高的抗疲劳性能和耐磨性。

但其中的碳化物不均匀分布,尤其是网状碳化物的存在,会增加钢的脆性、降低轴承的疲劳寿命,因而成为人们一直关注的焦点问题·
大量的实验和生产实践证明，只有当轴承钢具有隐晶回火马氏体+ 细小渗碳体颗粒时才能较好的满足上述要求。

通常为了获得隐晶回火马氏体+ 细小渗碳体颗粒组织，要求轴承钢具有良好球化的珠光体组。

为了获得良好球化的珠光体组织，轴承钢球化退火前应为尽量消除网状碳化物的细片状珠光体组织。

五控制轧制与控制冷却在GCr15轴承钢中的应用
1 轴承钢的控轧控冷工艺
轴承钢有不同类型的控轧工艺，而轧后与控制冷却相结合，可以形成不同
的三种组合工艺，即高温再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺；高温再结晶型和未再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺；高温再结晶型、未再结晶型和奥氏体与碳化物两相区控轧与轧后快冷结合工艺。

为了减轻网状碳化物，缩短球化退火时间，目前GCr15轴承钢的生产一般采用由高温开始的连续轧制，低温终轧，即奥氏体与碳化物两相区终轧的控制轧制，轧后快冷工艺。

有文献指出，终轧温度740℃，轧后快冷至720℃时，效果最好。

这是因为GCr15轴承钢的网状碳化物的析出温度范围一般在700~900℃。

大量析出碳化物的温度在700~850℃。

为防止网状碳化物的析出，就必须加快在这一区间钢材的冷却。

由于变形诱导析出作用，促使碳化物在高于平衡条件下析出温度Arcm之上提前析出，也就是二次碳化物在高温析出速度加快，大量析出的温度区间范围会相应提高。

因此，控制轧制之后采用快冷至720~780℃之间，就可以使变形奥氏体晶粒来不及长大，碳化物分散而细小。

2 轴承钢控轧控冷工艺的特点
钢坯加热温度比普通热轧的加热温度稍低些，防止原始奥氏体晶粒粗大，出炉轧制后到精轧机列前或终轧前1道次~3道次，通过强化冷却将轧件冷到两相区轧制。

使未再结晶奥氏体和碳化物同时受到塑性加工，使先析出的碳化物网状形成细小，分散小条状的碳化物颗粒。

轧后进行快冷，达到一定温度时必须停止快冷，避免在表面形成马氏体组织或形成裂纹，快冷后进行空冷至室温。

六结束语
应用控制轧制和控制冷却技术使钢材的强度和低温韧性有较大幅度的改善，并且可以充分发挥微量合金元素的作用，中国有丰富的铌、钒、钛和稀土资源，
具有发展微合金钢控制轧制控制冷却技术的广阔前景。

并且应用该技术不但节省了某些合金钢材的离线处理工序，降低了成本，增强了产品的市场竞争力，而且节省了能源、合金元素，有利于对环境和资源的保护，对国民经济建设和发展具有深远的意义。

控轧控冷技术在轴承钢生产中的应用
班级：材料研2班
姓名：侯雅青
学号：s2*******。