GCr15轴承钢棒线材的球化退火

　　摘　要：结合国内外相关的研究和实际生产经验，探讨了GCr15轴承钢的球化机制和退火工艺。从退火质量稳定性角度出发，分析了GCr15轴承钢的3种主要球化退火方式。阐述了退火装备的进步对轴承钢球化退火质量提高的影响，提出了进一步改善轴承钢棒线材球化退火质量的措施。
　　关键词：GCr15轴承钢；棒线材；球化退火；碳化物
　　轴承是机械设备中的重要零件之一，使用过程中承受极高的交变载荷、摩擦、腐蚀等，使用条件十分苛刻，因此要求轴承钢具有良好的强韧配合及较高的接触疲劳性能和耐磨性。高碳铬轴承钢是轴承钢的代表钢种，其中GCr15钢由于其优良的加工性能和使用性能，被广泛应用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和套圈等，其成分自其诞生以来的近一个世纪基本没有变化。据统计，轴承正常损坏中接触疲劳破坏占位，因此轴承的质量评估一般以接触疲劳寿命来衡量，而影响疲劳寿命的关键因素是钢的纯净度和碳化物的分布与形态^[1]。随着炉外精炼及真空脱气技术的推广应用，轴承钢的纯净度大大提高。通过对高温扩散退火、轧后控冷或正火、球化退火等方面广泛深入的研究和实践，碳化物的质量控制水平在不断提高。
　　长期以来，以瑞典SKF3和日本SAE52100SF为代表的轴承钢质量一直稳居世界一流水平。20世纪80年代以来，随着技术装备条件的不断进步，国内轴承钢的生产效率和质量水平大幅度提高，其中作为控制碳化物质量关键环节之一的球化退火方式也有了显著的进步。就传统轧后空冷的热轧棒线材而言，由于球化退火的方式不同，其退火质量和退火效率有着根本性的差异。本文重点就球化退火方式的演变对轴承钢产品质量和生产效率的影响进行分析比较，并对不足之处进行客观的评述，以期在轴承钢棒线材生产中选择更为合理的退火工艺和方式，使轴承钢质量向世界一流水平迈进。
　　1　GC r15轴承钢球化退火工艺概述
　　1.1 GC r15轴承钢球化退火机制
　　对GCr15 轴承钢的球化机制国内外均开展过大量的研究工作，并对于球化退火的关键过程和影响因素形成了比较一致的研究结论。
　　1.1.1 碳化物的适度溶解和初步粒化过程
　　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，通过片状碳化物适度溶断获得不规则的粒状碳化物；在随后的保温过程中，碳化物尖角、边棱部位逐步溶解，得到初步粒化的碳化物。这一过程中不仅希望获得尽可能多且适度分离的剩余碳化物颗粒，还要获得碳浓度不均匀性Z大的奥氏体^{[2，3 ]}。
　　1.1.2 冷却阶段碳化物的球化过程
　　冷却过程中，当温度略低于AC1线时，通过奥氏体过冷转变，分解出的碳化物就近沉积在未溶解碳化物颗粒表面，而且优先沉积在碳化物表面的凹陷处和曲率半径大的部位，使碳化物颗粒逐渐趋于球状^[2]。同时，在奥氏体中碳浓度高的部位则先形成细片状珠光体，并在随后的保温和缓冷过程中逐渐球状化^[1]。因此，冷却阶段是碳化物逐步析出长大并Z终形成表面能Z低的球状碳化物的关键阶段。冷却速度的大小将直接影响球状碳化物颗粒的大小和均匀性^[4]。
　　1.1.3 原始组织的影响
　　碳化物球化的优劣还受原始组织的影响，如二次碳化物网在球化退火中很难消除，必须在球化退火前进行正火处理来消除。另外，原始组织中片状碳化物越细薄，越不规整，其能量越高，破碎分散的驱动力越大，有利于获得更大弥散度的粒状剩余碳化物。
　　1.2 GC r15轴承钢球化退火工艺
　　1.2.1 奥氏体化
　　奥氏体化转变开始温度主要受原始组织和加热速度的影响。文献^[5]介绍了日本上世纪70年代的轴承钢奥氏体化工艺的定量研究结果，分别见图1、图2。

图1　轴承钢奥氏体化处理和未溶碳化物数量的关系

图2　轴承钢奥氏体化处理和退火组织的关系

　　国内的相关研究也得出了一致的结论^[1，4，6] ：760℃是球化退火温度的下限，片状珠光体虽已溶解但奥氏体中的化学成分极不均匀，保温时间必须足够，才能确保碳化物的数量和分散度。奥氏体晶粒内微区成分均匀化温度为840～850℃，加热温度偏高（830℃），若加热时间不太长，冷却不太快（<50℃/h），可得到合格组织。当温度升高到850℃时，由于碳化物溶解过多，奥氏体成分均匀化，冷却时会出现粗片状珠光体和少量粗粒状碳化物。
　　根据以上研究结果，球化温度的范围应为760～830℃。在实际生产中，Z佳的奥氏体化工艺还应根据热处理炉型和原材料的状况来确定。
　　1.2.2 冷却工艺的选择
　　冷却方式一般分为缓冷型和等温型二种。文献^[5]指出，从奥氏体化温度冷却，冷速为10～20℃/h时，在740～720℃快速完成相变；冷速为50～100℃/h时，需在720℃附近保持一段时间才能完成相变。而对于740～710℃保温1～8h等温转变的球化组织，研究结果表明，在720～730℃保温4～5h可获得Z佳球化效果。在实际生产中，具体的冷却工艺应根据炉况和炉温控制情况确定。
　　综上所述，实际生产中，GCr15轴承钢球化退火工艺应根据原材料状况、装炉情况以及热处理装备条件来合理选择。下面结合GCr15轴承钢棒线材的3种主要球化退火方式来进行分析比较。
　　2　轴承钢棒材的罩式炉球化退火
　　2.1 罩式炉装备条件和装料情况
　　罩式退火炉的热源有煤气、天然气和电等。图3为常见的燃气加热罩式炉，Z大装炉量一般在20t以内，炉料分捆分层堆放在炉台上，装料示意图见图4 。

图3 棒材罩式退火炉

图4 棒材罩式炉装料情况示意图

　　2.2 棒材罩式炉球化退火工艺
　　由于装炉量大且密集堆放在炉台中间部位，均热时间长，奥氏体化温度不宜过高，一般为780～800℃，等温冷却。图5是较典型的棒材退火工艺。

图5 轴承钢棒材的罩式炉球化退火工艺

　　2.3 退火情况分析
　　2.3.1 炉温控制
　　以燃气加热罩式炉为例，烧嘴均匀分布在炉子的二侧，传热方式以冷热空气的自然对流和棒料间的热传导为主。炉料内外的温差需要通过缓慢升温和长时间的保温来消除。冷却阶段为了避免二侧和头尾靠近排气烟道口处料温的快速下降，采取缓冷过程中适当等温的冷却工艺比较稳妥。
　　2.3.2 退火质量
　　棒材罩式炉要满足球化退火的炉温控制需要，除了要求燃料纯净稳定，炉台等设施定期养护，更重要的是要求操作人员具有熟练的操作技能和高度的责任心。而在实际生产中，往往由于燃气压力波动和杂质含量过高，装炉量过大，少数操作人员只注重电偶温度而不顾实际整体料温均匀性，使得球化、硬度和脱碳等指标的合格率得不到有效控制。因此，以往的轴承钢冷拉材生产厂只能采取某些挽救措施。如出现过热组织时先进行正火处理，再重新球化退火；出现欠热组织时，在冷拉后采取AC1附近温度的长时间保温来改善组织；而出现脱碳超标时只能改制处理，因此损失比较严重。
　　由于棒材罩式炉退火质量不稳定，从上世纪80年代起，连续式退火方式开始在轴承钢生产中得到运用并迅速推广。下面介绍轴承钢棒材的连续球化退火。
　　3　轴承钢棒材的连续炉球化退火
　　3.1 连续退火炉装备条件和装料情况
　　连续炉沿长度方向分成不同的温度段，通过分区设定温度实现钢材的加热、保温和控制冷却。连续炉的加热方式主要有燃气加热和电加热二种。对于燃气加热的连续炉（见图6、图7），其核心部件—套管式辐射管在炉内辊道上下均布，具有升温速度快、热效率高的特点，与电加热效果一样。炉内的传热方式以辐射传热为主，炉料均匀平铺在辊道上分批进炉处理，并严格限制铺料厚度，因此可以实现炉料温度的均匀控制。根据测定，这类炉型无论是电加热还是燃料加热，炉内横向温差都可以控制在10℃以内^[1]。

图6 棒材连续退火炉

图7 连续退火炉炉内结构

　　3.2 轴承钢棒材连续炉球化退火工艺
　　连续炉由于加热速度快，均温时间短，因此可选择较高的奥氏体化温度，一般为800～830℃。同时，由于冷却速度比较均匀，采取等温型和缓冷型冷却方式都有成功应用的案例^[4，7]。表1是比较典型的连冷型退火工艺。

表1 轴承钢棒材连续炉退火工艺

备注：进料速度2～2.5m/h，装料量450～500kg/m

　　3.3 退火质量分析
  连续退火炉由于温度可控性强，炉温均匀性好，球化和硬度的合格率可以达到99%以上^[4，7，8]。电镜分析表明，连续炉退火后的碳化物颗粒比罩式炉退火后的碳化物颗粒明显细小而且分布均匀（见图8）。

图8 GCr15钢球化退火组织 ×4500
（a）连续炉退火；（b）罩式炉退火

　　由于退火效率和球化质量大大优于罩式炉，轴承钢棒材的连续炉球化退火开始全面替代罩式炉退火。
　　20世纪80年代以来，国内钢厂先后装备了先进的线材连轧机组，实现了轴承钢大盘重盘圆的轧制，单卷盘重接近2t，轧制规格也拓展到20mm以上。轴承钢热轧生产模式进入了一个全新的阶段，球化退火方式也随之改变。
　　4　轴承钢大盘圆的球化退火方式
　　4.1 带保护气氛的强对流炉和退火特点
　　20世纪90年代以来，国内各主要棒线材生产企业为了提高轴承钢大盘重盘圆的球化质量，开始引进具有世界一流水平的强对流退火炉。
　　盘圆强对流退火炉分连续炉和罩式炉二种，采用电加热或燃气加热。以罩式炉为例（见图9、图10），主要有加热罩、炉台总成、内罩、冷却罩和阀站5个部分组成。

图9 带保护气氛的强对流罩式炉

图10 强对流罩式炉炉内结构

　　炉内传热方式包括内罩与钢卷的辐射换热、保护气体与钢卷及内罩的对流换热和钢卷内部传热3种。退火过程中，通过转速高达1220r/min的高温循环风机，形成炉内保护气体的强对流循环状态，大大提高了加热效率和炉温均匀性，也可以实现非常匀速的缓冷，完全可以满足轴承钢球化退火的要求。
　　4.2 强对流炉球化退火工艺
　　实际生产中，强对流炉球化退火工艺主要有等温型和缓冷型二种，奥氏体化温度比棒材罩式炉略低，一般为770～790℃。保温时间视装炉量和使用的保护气体类型而定。如笔者曾对采用净化后的氮气作保护气体的强对流炉进行测定，装炉量在12t左右，升温时间为3～5h时，炉内盘卷心部均温时间约需4h，因此，实际生产中保温时间为5～6h。图11是比较典型的等温型盘圆强对流罩式炉球化退火工艺。

图11 轴承钢盘圆在强对流罩式炉的球化退火工艺

　　当采用氢气或氨分解气作为保护气氛时，由于氢气导热率高，料温均匀时间大幅度缩短，可明显缩短退火时间。
　　4.3 退火质量
　　强对流罩式炉采用辐射加热和强制对流传热相结合，炉料温度出现局部过热的情况彻底得以避免。炉温均匀后，炉料间的温差可始终保持在10℃以内，从而确保组织的均匀转变，获得理想的组织和力学性能。同时，采用经过高度净化的氮气或氨分解气（露点≤-60℃，含氧量≤5×10^-6）作为保护气氛，可有效防止钢材表面氧化和脱碳。
　　奥地利EBNER公司和德国LOI公司等世界一流装备技术的引进，使得国内轴承钢大盘圆的球化退火质量得到极为可靠的保证，球化、硬度和脱碳等指标的合格率均接近100%。
　　5　分析讨论
　　5.1 退火质量稳定性
　　轴承钢棒材在罩式炉球化退火时，由于烧嘴的调节、炉温控制主要依赖操作人员的现场经验、技能水平和责任心，劳动强度大，人员素质良莠不齐，整个退火周期一般又需多名操作工分班完成，因此，退火质量的波动很难避免。
　　棒材连续炉退火方式实现了炉温控制的半自动化或全自动化，操作更简便。同时加热方式的改变使炉温更均匀，退火质量稳定性得到有效保证。不过，棒材连续炉由于一般不具备强制对流条件，当加热辐射管或电热元件发生故障时，容易导致局部炉温的偏离和退火质量的波动。
　　强对流炉通过计算机管理实现了退火过程的全自动化，强制对流使得炉温均匀性得到更有效的保障，即使个别加热部件发生故障，也不会影响炉温均匀性和退火质量。
　　随着技术装备的不断进步，球化退火逐步由传统的强调人工操作质量转变为提高设备精度来确保退火质量，退火设备的规模越来越大，自动化程度也越来越高，球化退火质量稳定性不断提升。
　　5.2 退火效率
　　表2列出了国内某钢厂轴承钢棒线材在不同类型炉子中球化退火产量的对比。表中数据表明，连续炉的退火效率明显高于罩式炉，而盘园的退火效率又高于棒材，其中罩式炉由于均热和保温时间相对较长，小时产量Z低。

表2 轴承钢棒线材在不同类型炉子中球化退火的产量对比

　　在退火能耗方面，根据对燃气辐射管加热型退火炉的统计，连续炉的吨钢燃气消耗仅为罩式炉的一半左右。近年来，采用明焰加热的连续退火炉也开始得到推广应用，吨钢能耗进一步降低。
　　尽管在退火质量和退火效率方面连续炉具有明显的优势，但在实际生产中仍无法完全替代罩式炉。因为连续炉的生产需要充足的料源支持，当供料严重不足，连续炉被迫停炉时，罩式炉可以进行小批量的退火，以维持正常的生产和交货。
　　5.3 存在问题和改进方向展望
　　由于轧后控冷的热轧材球化退火周期很长，为了扩大产能，必须建造各类大型炉座，投资成本相当高。其实，国内早在20世纪80年代已开始进行轴承钢轧后控制冷却和快速球化退火的研究和实践，并证实轧后控冷可使球化退火时间大大缩短，碳化物颗粒平均尺寸可细化至0.5～0.6μm^[9，10]。但在产量、能耗等指标的压力下，许多行之有效的工艺被废弃了，使得国内轴承钢碳化物的均匀程度低于国外先进水平。
　　目前，国内各类先进的棒线材轧制机组均具备水冷、喷雾冷却和风冷等手段，轧后控冷工艺作为控制网状碳化物的有效手段已得到逐步应用，并取得了较为明显的成效。但后续的球化工艺研究比较滞后，因此，应该尽快开展相关的工艺研究和推广应用，充分发挥现有退火设备的潜力。
　　参考文献
　　[1] 钟顺思,王昌生.轴承钢[M].北京:冶金工业出版社,2002:38,37-64,343.
　　[2] 王学前.GCr15钢的快速球化退火[J].四川工业学院学报,1999,19(1):34-37.
　　[3] 成富,王前.奥氏体碳浓度不均匀在球化退火中作用机理的研究[J].材料科学与工程,1999,17(1):48-52.
　　[4] 董立岩.温度和冷却速度对PGCr15轴承钢球化质量的影响[J].特殊钢,2000,21(2):35-37.
　　[5] 濑户浩藏（陈洪真译）.轴承钢一在20世纪诞生并飞速发展的轴承钢[M].北京:冶金工业出版社,2003:6,52-62.
　　[6] 潘淑红,钟传珍,刘勇.轴承钢GCr15的球化退火组织鉴别[J].大连特殊钢,1997,(1):27-31,37.
　　[7] 吴成军,蔡英.辊底式连续退火炉GCr15轴承钢球化工艺的改进[J].特殊钢,2004,25(4):54.
　　[8] 黄平惠,刘厚权,吴贵平.电加热辊底式连续退火炉热处理滚珠钢的生产实践[J].热加工工艺,2008,37(12):84-86.
　　[9] 上海钢铁工艺研究所,上海钢铁研究所,上海第五钢铁厂,等.GCr15棒材的轧后控冷及球化工艺[J].上海金属,1985,(4):12-17.
　　[10] 付云峰,崔连进,等.国内轴承钢的生产现状及发展[J].重型机械科技, 2003,(4):37-39.