超快冷技术在轴承钢网状碳化物控制上的应用

摘要:河钢宣钢针对轴承钢产品出现的网状碳化物问题，引进了穿水冷却工艺，并实施了 GCr15 轴承钢轧后快速冷却。通过优化冷却工艺，GCr15 轴承钢 Φ 22 ～ 32 mm 产品的网状级别≦ 2． 0 级，小规格轴承钢网状碳化物均达到国家标准要求。

0 引言

轴承钢是重要的机械基础器件，在制造行业中被广泛应用。GCr15 轴承钢是目前质量要求严格且应用广泛的钢种。近年来，随着冶炼技术的不断进步，GCr15 钢中的有害元素和夹杂物的含量明显减少，纯净度得到了很好地改善。但我国轴承钢和一些先进的生产国家相比较还有一定的差距，主要表现在表面质量差和内部质量不稳定。网状碳化物是指过剩的碳化物在晶粒边界上析出所形成的网络，即通常所称的碳化物不均匀度。网状组织是钢材内部缺陷之一，能增加钢的脆性，降低韧性。网状碳化物是影响轴承钢内在质量的关键因素之一，它的存在不仅削弱了金属晶粒间的联系，破坏了金属的连续性，使钢的机械性能尤其是冲击韧性急剧下降，而且导致工件在淬火时容易形成局部过热和欠热，从而使工件易产生变形开裂。作为轴承钢棒材生产线，对轴承钢网状组织的控制显得极为重要［1，2］。

超快速冷却技术由于其短时快速准确控温的特点受到国内外广泛的关注［3］。轧制后的钢材由终轧温度急速快冷，经过一系列精细控制的、均匀化的超快速冷却，在轧件温度达到动态相变点后，立即停止超快速冷却，随后过冷的钢材表面温度在心部热量向外传导过程中温度回升，并与心部一起缓慢冷却。

河钢宣钢棒材生产线根据轴承钢超快冷技术要求，与东北大学实验室合作，对原有棒材冷却装置进行了改造，对水箱的位置进行了重新分布，并进行了一系列实验，取得了显著效果。

1 实验方案

1.1 轴承钢轧线工艺设施布置

棒材生产线 2015 年 11 月开始生产 GCr15 轴承钢，生产工艺为: 150 t BOF→180 t LF→ＲH→CC→轧制。在炼钢、精炼、连铸等各作业区的共同努力下，精炼技术趋于成熟，轴承钢的质量有了飞速发展，轴承钢材料质量有了明显的提高。

棒材生产线共有 18 架轧机，其中粗轧 4 架、一中轧 6 架、二中轧 4 架、精轧 4 架。主要产品规格为Φ 22 ～ Φ 70 mm。在线水箱有 4 套，每套水箱有 4条不同内径的管道，可以根据不同的生产需求组合运用。水箱采用圆环喷射式冷却装置进行冷却，水箱中冷却管和反水管靠调整环缝尺寸来控制进水量，进入冷却器中的水经环形喷头以高速沿着钢材前进的方向定向喷射。1#、3#水箱长 5． 63 m( 其中 6个正吹，2 个反吹，1 个气吹) ，2 #、4 #水箱长 7． 3 m ( 其中 4 个正吹，2 个反吹，1 个气吹) ，水压 1． 5 ～ 1． 8 MPa，小时水流量最大 1 100 L，布局如图 1 所示。

1. 2 实验方案确定

GCr15 轴承钢由于导热性能较差，生产工艺中在轧前加热时速度不宜过快，并且加热温度区间比较窄，通常在1 200 ～ 1 240 ℃之间［7］，因为温度过低时变形抗力比较大，而温度过高则会出现过热或过烧缺陷。

河钢宣钢三棒使用 165 mm × 165 mm 的 GCr15轴承钢方坯，加热温度 1 220 ℃ ( 平均) ，总加热时间3 h［5，10］，出炉温度为 1 060 ～ 1 100 ℃，出炉后进入连轧机轧制 Φ 22 mm、Φ 28 mm、Φ 32 mm 3 个规格的轴承钢棒材。设定不同的终轧温度和轧后快冷温度，取样检验网状碳化物，实验方案见表 1。

具体实验方案包括:

( 1) 对 Φ 22 mm 规格圆钢进行相同的冷却工艺，但成品速度分别为 9 m /s 和 12 m /s 的冷却实验，观察最终组织中网状碳化物级别。

( 2) 对 Φ 28 mm 规格的轴承钢进行冷却，使表面冷却温度降到 550 ～ 560 ℃，并满足最高反红温度680 ℃，观察组织中网状碳化物级别。

( 3) 对 Φ 32 mm 规格轴承钢进行冷却，出水箱最低温度分别降到 420 ～ 430 ℃，480 ～ 490 ℃，观察两种冷却温度下的最终组织［9］。

2 实验结果与分析

文献［4，6，8］指出，轴承钢二次碳化物在 700 ～ 900 ℃之间析出，析出的速度在 700 ～ 750 ℃ 之间加强。因此，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速度。GCr15 轴承钢通过合理的超快速冷却工艺得到了抑制网状碳化物析出的细珠光体组织。

2.1 Φ 22 mm 轴承钢

将成品速度分别设定为 9 m /s、12 m /s，表面超快冷却最终温度均为 410 ～ 420 ℃，最高反红温度分别为 680 ℃、690 ℃。分别取不同位置的组织进行显微组织观察，如图 2、图 3 所示。

从图2、图3 可以看出，成品速度设定9 m /s 时，网状碳化物控制效果良好，没有明显的析出现象，符合国家标准; 而成品速度设定 12 m /s 时，有明显的网状碳化物析出，不符合国家标准。说明成品速度对网状碳化物有一定的影响。

2. 2 Φ 28 mm 轴承钢

Φ 28mm轴承钢控制表面超快冷却最终温度为 550 ～560 ℃，最高反红温度为 680 ℃，选取该规格棒材不同位置进行显微组织观察，结果如图 4 所示。Φ 28 mm 轴承钢网状碳化物控制效果良好，没有明显的析出现象，符合国家标准。

2.3 Φ 32 mm 轴承钢

Φ 32 mm 轴承钢控制表面超快冷却最终温度为 4#棒材480 ～ 490 ℃、5#棒材420 ～ 430 ℃，冷床最高反红温度均为 680 ℃，显微组织如图 5 所示。由于控冷设施冷却能力不足，冷床最高反红温度只能控制到 680 ℃，但金相结果显示网状碳化物控制情况良好，满足国家标准要求。与没有进行快速冷却工艺的轴承钢生产相比较，河钢宣钢生产的轴承钢网状碳化物级别的控制水平和能力得到大幅度的提高。

3 结论

( 1) 成品速度分别为 9 m /s、12 m /s 的 Φ22 mm棒材，表面超快冷却最终温度均为 410 ～ 420 ℃，最高反红温度分别为 680 ℃、690 ℃。当成品速度分别为9 m /s，网状碳化物控制效果良好，没有明显的析出现象，符合国家标准; 而成品速度设定 12 m /s 时，有明显的网状碳化物析出，不符合国家标准。

( 2) Φ28 mm 轴承钢，控制表面超快冷却最终温度为 550 ～ 560 ℃，最高反红温度为 680 ℃，轴承钢网状碳化物控制效果良好，没有明显的析出现象，符合国家标准。

( 3) Φ32 mm 轴承钢，控制表面超快冷却最终温度分别为 480 ～ 490 ℃、420 ～ 430 ℃，冷床最高反红温度均为 680 ℃。金相结果显示网状碳化物控制情况良好，满足国家标准要求。

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