GCr15钢管生产工艺要点与理论分析

　　摘　要：滚动轴承应用于国民经济的各个领域，是工农业不可缺少的零部件。轴承厂用无缝钢管生产滚动轴承的轴承套圈，我国是在20世纪50年后期开始，逐步的掌握了轴承套圈的生产工艺并投入生产。本文概要分析生产要点、关键参数及热处理工艺制度。
　　关键词：GCr15；滚动轴承；工艺要点；关键参数；热处理
　　1　概述
　　无缝钢管为原料生产轴承套圈是上世纪50年代后期，1953年鞍钢三大工程之一，鞍钢无缝厂-Φ140自动轧管机组（苏联援建）投产，当时在我国是先进、的无缝钢管厂家。由于建国后大规模经济建设，钢管需求量极大，远远满足不了市场需求。作为当时急需的航空机构管、石油用管、枪炮军用及一般结构管都是这套Φ140机组来生产。由于轴承钢工艺要求特殊，热处理复杂，受设备所限，在1955年后，轴承钢管生产量较少，主要用于军工等要害部门。鉴于轴承钢管产量低、周期长、工艺复杂、热处理设备要求高等特点，至今鞍钢已经不再生产轴承钢管。1956年后，成都钢管厂建成Φ216、Φ318周期轧管机，包钢Φ400，到1958年全国建成40余套Φ76小型无缝机组，80年衡阳建成Φ108三辊穿轧机组，随后大冶（黄石）、天津Φ250等大型国有企业相继建成投产，为我国无缝钢管蓬勃发展打下基础。
　　2　GCr15钢的特点及冶炼要求
　　滚铬15钢（GCr15）至今为国内外公认的标准牌号轴承钢，为什么常用不衰呢？我们可从它的牌号和化学成份中得到答案，见下表1。 　　从表1看出：它含碳量在1%左右，含Cr量在1.5%左右，含P.S量≤0.025（属于优质钢），所以GCr15钢准确说叫高碳低合金优质铬钢。
　　其特点：
　　①用高碳（1%）增加硬度和耐磨性；②用铬（1.5%）增加强度和耐腐蚀性；③加热时要防止脱碳：钢管内、外表面每边总脱碳层深度应符合高碳铬轴承钢标准（GB/18254-2002）见表2。④非金属夹杂物和碳化物不均性等要求应符合GB/T18254-2002的规定。特别是P.S含量尽量少。因为P易造成冷脆，而S易造成热脆。 　　3　GCr15工艺要点与理论分析
　　目前，我国应用Z多、Z广的轴承钢管，仍旧是Φ114以下的中小轴承用管，多用穿-拔（冷拔）工艺完成，而大规格轴承管可用Φ170～Φ460Assel机组热轧生产工艺完成。
　　本文主要用穿-拔（冷拔）工艺生产GCr15的工艺要点加以阐述和理论分析。
　　3.1加热工艺
　　①加热速度。GCr15属于高碳低合金铬钢，导热性差。因此，加热速度不易快，要缓慢加热，确保加热不均匀性。一般使用10～11min/cm速度Z佳。②温度。GCr15为高碳（1.0%）属于过共析钢。在Fe-C平衡相图中固熔区较窄，为防高温（上限）脱碳和下限抗力大、塑性差等综合考虑，用下表加热工艺，见表3。 　　3.2穿孔工艺
　　①确保穿后温度在1110～1140℃；穿后温度=出炉温度+（10～30℃）。②顶前压下量=4～7%；一般在5%左右为宜，所以顶前压下量太大易出现内折，顶前压下量易弓顶杆，顶头磨损快（阻力大）。③椭圆度系数。穿孔一般钢椭圆度系数控制在1.03～1.18，因为GCr15变形抗力大，椭圆度系数大易产生内折，椭圆度系数小易包顶头、弓顶杆，所以椭圆度系数控制在1.1左右为Z好。④调整与操作要过硬。
　　3.3冷拔（轧）工艺
　　3.3.1工艺过程。原料———检查（修磨等）———锤头———退火———矫直———打捆———酸洗———水洗———高压水冲洗———中和———磷化处理———皂化———拔管（冷轧）———中切（过长）———重锤头———退火———矫直———打捆重复———成品热处理（淬火、回火）———矫直—切定尺———检查（超声、涡流）———火花与光谱分析———入库。
　　①原料（热穿毛管）
　　管料外径与壁厚要比成品稍大些
　　例如：外径D料≥D成+（5～30）mm
　　　　　壁厚S料≥S成+（0.5～1.5）mm
　　②冷拔（轧）
　　GCr15钢管分为普通与高精密两种钢管。前者用在一般轴承上，后者用在精密轴承上。
　　一般轴承管用穿-拔工艺即可。
　　精密轴承管用穿-轧（冷）工艺来生产。
　　3.3.2冷拔（轧）工艺要点。①冷拔。由于GCr15系高碳低合金钢变形抗力高、塑性差，所以冷拔工艺Z好采用短顶头拔制，尽量少用空拔。
　　a短顶头拔制
　　中式（圆柱形）顶头：因为管与顶头间摩擦大，所以变形量小，一般每道次延伸系数μ=1.4～1.6。
　　优点：减径量大，吃肉面在外部，所以外表面光洁，多用在头几道次上。
　　苏式（锥形）顶头：该顶头摩擦比中式还大，所以变形量更小μ=1.3～1.4。
　　优点：吃肉面在内，所以内表面光洁多用在中间和成品道次上。
　　b空拔
　　因外表与外模接触面而内表无顶头约束，所以空拔变形不均严重，易产生内应力，延伸不能太大μ=1.4～1.6，故GCr15钢管尽量少用空拔，如用可在成品道次上拔一道次μ≤1.4。
　　②冷轧。冷拔主要是减径其次是减壁。而冷轧相反，冷轧主要是减壁其次是减径。所以轧-拔配合时钢管冷加工Z佳选择。目前，常用的冷轧管机有二辊和多辊式两种：
　　我国标号为：二辊式LG小型：LG30、55
　　　　　中型：LG80、120、150、200
　　　　　大型：LG450
　　多辊式LD小型LD8、15、30
　　中型LD60、90、120
　　冷轧特点：a因变形力学图示要好于冷拔，所以可提高金属塑性，有利于轧抗力大、难变形的GCr15。b二辊道次变形量：相对变形量≤80%，μ≤5；多辊道次变形量：相对变形量≤50%，μ≤2。
　　所以对GCr15钢精轧管头几道轧制在LG上，后几道（成品道）用LD轧制更好。光洁度可达▽＞8（LG＞▽5），由冷拔（轧）工艺过程可见，除关键的拔（轧）外就是拔（轧）后中间退火和成品热处理了。
　　3.4热处理工艺
　　GCr15为高碳低合金铬钢，为了能够满足轴承套圈的硬而不脆、强度高、耐磨、耐腐蚀、耐用等特点，必须采用较高的热处理工艺。
　　3.4.1穿后在线正火（常化）处理。为防止碳化物沿晶缓慢析出，而锤头后，喷水雾化处理。
　　目的：防止网状组织出现，降低晶界强度。
　　正火温度：900～920℃，时间30～40min后，待毛管颜色变褐黑色放入料槽中，保证雾化均匀。
　　3.4.2球化退火。为了消除正火后的片状组织，球化处理后圆球状的珠光体组织，即得到细而均匀的球粒状组织，为淬火处理创造条件。
　　球化退火温度：780～800在辊底箱状炉或连续炉上进行。
　　球化退火时间：辊底炉20～24小时；连续炉12～14小时。
　　由于辊底炉操作麻烦、晶粒不均匀难免，且时间长，所以除小厂子使用外，基本已经淘汰；连续炉投资大、占地广（一般炉长80～120米），但因机械化、自动化水平较高，电脑控制、加热时间短、加热均匀等优点而广为应用。
　　3.4.3淬火。淬火温度：820～840℃，油淬成细针状马氏体；Rc=64～85；时间：2.5小时。
　　3.4.4回火（套圈）。回火温度：150～170℃，组织：极细回火马氏体。
　　回火时间：2小时左右，Rc=61～65。
　　3.4.5组织。GCr15经上述热处理后，其组织应满足：a低倍组织。经酸侵的试样应无缩孔裂纹，皮下气泡、过烧、白点及有害夹杂。b高倍（显微）组织。钢管的球化退火显微组织应在2～4级别范围内。
　　4　结论
　　①GCr15钢管虽然塑性差、变形抗力大，生产难度大，但只要严格按照上述工艺要点去做，是完全可以正常生产的。②GCr15的关键是热处理，特别是球化处理，Z好在100米左右的连续炉中处理为佳。③雾化冷却在生产线上，锤头后及时进行，确保冷却均匀。