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第一二三代轴承钢及其热处理技术的研究进展(5)​

3.2.GCr15 钢超快速冷却技术在我国的开发应

上文已经多次指出超快速冷却技术 UFC 使轧制钢板性能产生质的飞越同时使材料成本和消耗大大降低再与 ACC 配合可以实现多种冷却相变路 径控制以获得需要性能钢铁材料我国已经在这方 面给与了充分重视并已经取得了卓越的成果


轴承钢采用新一代控轧控冷技术NG-TMCP 的 实质将涉及奥氏体 在奥氏体再结晶温度区的热轧变形和热变形后进行超快速度冷却要研究保持硬化态的热变形奥氏体 在超快冷却转变中析出二次碳化物和转变成珠光体的行为这归根结底就是要着重研究热轧变形和超快冷对轴承钢连续冷却转变CCT 曲线的影响


东北大学的轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 RAL 课题组45首先利用 Gleeble 1500 热模拟试验机和实验室自主研发的 MMS-300 型热力模拟试验机进行研究测定了连续冷速为 0.5 ~ 200 ℃ /s和在 980800℃ 温度下变形 0% 20% 40% 和 50% 条件的 CCT 曲线和显微组织的变化本文对主要相 关的论述观点比较系统和简洁地进行归纳使人一 目瞭然


实验使用的 GCr15 钢的成分为 1.02C0.32Si0.34Mn1.49Cr0.07Ni0.15Cu0.02Mo0.0017Ti、 0.005Al0.009P0.003S质量分数) 。试验机配 备控制冷速和快速测定记录温度长度和时间的功 转变后得到的网状碳化物按试样通过淬回火后的相关国家标准评定通过热膨胀方法对实验结果分析得到该 GCr15 钢在 980 ℃ 时变形 0% 20% 、 40% 和 50% 时 CCT 曲线对应的连续冷却速度为 0.51234567810 和 20 ℃ /s我们选取 980 温度时变形量为 0%和 50% 的曲线示于图 21图 中为了方便理解钢在冷却过程的相变过程确定的 相区以不同淡灰色和英文字母表示随变形量增加和冷却速度改变二次碳化物析出温度形态级别以及珠光体转变温度形态相应发生的变化分析如 最后还提及对马氏体转变影响


(1二次碳化物的析出从图 21 可以看出随变形量增加时析出碳化物的温度提高当随着冷速增 加时二次碳化物析出温度对应出现降低我们可 以列出数据于下表 表中非括号中数字为作者公布的数值45括号中的数字为我们按该图约算的 数值当冷速在 0.5 ~ 2 ℃ /s 范围内增加析出温度出现降低的值较小在 > 2 ℃ /s 析出温度出现降 低的值增大说明冷却速度提高的影响在这时占主 导地位在 0% 变形量时抑制碳化物析出的临界冷速为 5 ℃ /s在 40% 和 50% 变形量下的临界冷速为 8 ℃ /s可以见得GCr15 钢在 980 ℃ 时变形 40% 和 50% 时对二次碳化物析出起到促进作用由此得GCr15 钢在冷却速度 > 8 ℃ /s 条件下不析出二次碳化物在小于抑制碳化物析出的临界冷速下的组织进入过冷奥氏体 Au + 二次碳化物 C的区 这儿Au 为 undercooled austenite


钢中析出的网状碳化物的形态由完整连续网状 逐渐变化为断裂的点条状形貌二次网状碳化物厚 度随着冷却速度的变化示于图 22同时可测定 晶 粒逐渐细化冷却速度为 和 8 ℃ /s 时的厚度分别 0.42 和 0.19 μm对应的形貌为完整的连续网状二次碳化物和断裂的点条状碳化物另外二次网 状碳化物和基体中含 Cr 量都随着冷却速度改变按 能谱分析变化近似示于图 23相应与 Cr 的扩散不同温度和不同时间下相关冷速以 1 ℃ /s 冷至 室温时二次网状碳化物中和基体中的含 Cr 量分别 4.09% 和 1.55% 相差 2.64 冷速以 5 ℃ /s 和 8 ℃ /s 冷至室温时二次网状碳化物和基体中的含Cr 量分别为 1.90% 1.62% 和 1.70% 1.70% 

析出碳化物的级别在一定变形量下随着冷却速度增加呈现降低的变化如当 980 ℃变形 40% 冷却速度 0.5 ℃ /s 条件下试样中最严重区域的网 状碳化物级别为 该文作者未说明评定标准) ,5 ℃ /s 和 8 ℃ /s 时为 级和 GB /T182542002) 。这 8 ℃ /s 时的网状碳化物不再完整 连续呈出现断裂的点条形状分布在基体中对应冷 却到室温的淬火回火后经深腐蚀的组织如图 24碳 化物厚度为 0.19 μm


(2对珠光体转变 PT 影响从图 21 同样可以看 出随变形量增加时奥氏体 转变为珠光体 的温度升高当随着冷速增加时发生珠光体转变 PT 温度对应出现降低在冷速小的范围这种 A转变温度降低较小大于一定的冷速时A的转变温度降低较大


在不变形条件下完全发生珠光体转变的临界冷却速度为 3 ℃ /s随着变形量增加到 50% 时的临界冷却速度为 5 ℃ /s即当冷却速度 > 5 ℃ /s 珠 光体转变不能完成钢的组织开始进入Au + C + P区域残留的过冷奥氏体 Au 在 Ms 点时发生马氏体转变 MT得到C + P + M + 残余奥氏体 Ar组织当冷却速度 > 10 ℃ /s 钢的组织进入过冷奥氏体Au 区域在温度冷却达到 M时发生马氏体转变得 残余奥氏体 Ar + M组织为此珠光体转变的下临界冷速为 10 ℃ /s5 ℃ /s3 ℃ /s) 。关于珠 光体转变的上下临界冷速的描述可以参见资料83]。


将不同冷却速度和变形量下发生珠光体转变的开始时间和结束时间表示在图上就得到图 25图中 虚线为二次碳化物析出线比较粗的实线为不同变形量下 PT 的开始线和结束线自上至下分别表示变形量为50% 40% 20% 和 0% 开始线和结束线之 间的细实线为 PT 中止线为了更好理解钢在冷却过程的相变过程我们将图中确定的相区以淡灰色 和英文字母表示得更加明确相区之间的白色部读者可以按本文中说明加以分辨


图 25 表示变形量范围对应为0% ~ 20% 和 40% ~ 50% 和冷却速度对应为0.5 ~ 3 ℃ /s和 (0.5 ~ 5 ℃ /s相应的条件下完成转变后的组织组成全部为碳化物 C + 珠光体 组织) ; 变形量范围对应为0% ~ 20% 40% ~ 50% 和冷却速度对应为> 3 ℃ /s> 5 ℃ /s相应的条件下完成转变后的组织组成全部为Au + C + P) ,这部分过冷奥氏体 Au 在相应 M点转变为马氏体得到M + C + P组织在未冷却到 M点时还存在残余奥氏体Ar即得到M + C + P + Ar组织图上表示的信息内容与上述的一致其中珠光体形态在冷却速度6 ℃ /s 时为片层状> 6 ℃ /s 时为粗大不规则的类似片层状组织渗碳体呈断续的短片状结构有称 退化珠光体或称变态珠光体铁素体和碳化物的位向处于紊乱状态其显微硬度仍然增大


图 25 十分明确指出在一定的变形量下随着冷却曲线的冷速增大珠光体转变的开始和结束转变温度降低在一定的冷速条件下随变形量增加, 珠光体转变的开始和结束转变温度出现升高趋势, 如表 表示得到珠光体组织的片间距 和 HV 度和冷速关系示于图 26


(3对马氏体转变的影响从图 21 可以看出冷却速度相对比较缓慢条件下马氏体转变曲线在 其右側出现抬高这是因为在高温区域随着二次碳 化物的析出基体中 和 Cr 的含量降低其马氏体点对应升高


东北大学的轧制技术及连轧自动化国家重点实验室对轴承钢棒材生产的超快速度冷却技术研究进行得很深入76 - 82这一技术已经在我国投入了工业化应用在轧钢工厂原有连轧生产线上的连轧机组后增设超快速冷却系统通过调节水压喷嘴孔大小以及冷却水管数量与轧制速度等针对不同规格的轧制棒材在高温终轧后实施超快速冷却瞬时冷却速度可以增加到 400 ℃ /s 以上达到在轧制棒材整 个截面上抑制网状合金渗碳体析出和获得细层片状 珠光体组织从而得到优良的球化退火预组织


国内某特殊钢棒材生产厂的连轧机组中的粗 中轧和预精轧各为 架机组以及精轧 架机组, 共有22 架轧机生产20~80 mm 棒材相应的 轧制速度在 1.1 ~ 12 m /s 范围棒材经高温轧制成对应规格并进行分段剪切后在缓冷的冷床上实现冷 在这条生产线上安装超快速冷却装置的 1#2# 3#水箱针对不同规格的轧制棒材生产以实现抑 制轴承钢在冷却过程中出现网状渗碳体和获得细层 片状珠光体组织的超快速度冷却技术的目的


套水箱各有三条不同的内径管道供不同规格 轧材选用其中 1#超快速冷却水箱长 8 m有 喷嘴6个正喷个反喷和 个气吹2#和 3#水箱各 长 5 m有 个喷嘴个正喷个反喷和 个气吹他们的冷却水压最高可达 1.5 ~ 1.8 MPa水为循环 这种喷水方式可达到在采用喷水方法的超快速冷却过程中使棒材表面上不出现蒸汽膜阶段从而 使冷却过程中的换热系数激剧增加使该系统的超 快瞬时冷却速度最高达400 ℃ /s高换热系数下和超快速冷速条件下棒材表面的温度迅速降低棒 材心部的温度随着热传导的进行也不断降低


超快速冷却系统的布置示意图见图 27冷却系统中设置温度测定点应用红外测温仪测定轧制过 程中棒材表面温度同时可以计算不同冷却阶段的冷却速度生产棒材在超快速装置上经超快速冷却棒材表面很快冷却至一定的温度值后表 中表 ) ,在冷却水箱之间或在装置以后进入冷床的过程 中会出现返红由于棒材内部热量传递出来到一定温度见表 9) ,从而减缓冷速并在冷床的冷却过程 中完成珠光体相变等整个过程的工艺曲线示于图28 图 28 中表示规格为 200 mm × 200 mm 轴承钢方坯于650 ℃ 进入加热炉加热温度为 1200 ℃, 总加热时间为 6 h出炉温度在 1110 ~ 1150 ℃ 范围, 进入连轧机组进行粗预精和精轧工序终轧温 度为 980 ~ 1000 ℃对每种超快速冷却试验材料的具体工艺数据列于表 表中分别列出轧制速度、 终轧温度超快速 UFC 装置中工艺参量开启水箱水压冷却时间) ,冷却最后的温度冷却时间和 棒材最高的返红温度等


对于30 mm 棒材工艺编号按 30-1 执行在 轧制速度 4.5 m /s 为达到在棒材整个截面上抑 制析出网状碳化物的足够的超快速冷却速度1#2# 和 3#水箱全部开启水压为 1.3 MPa超快速冷却时 间为 4 s按三段水箱总长 18 m 计算) 。超快速冷后棒材表面温度为 459 ℃棒材内部传递出来的热能 使棒材表面返红温度为 710 ℃ 并呈均匀分布同 时使棒材心部的冷速提高至大于二次网状碳化物临界析出速度从而也抑制其心部出现网状碳化物组 在出 3#水箱后的 22 m 冷却通道和冷床中缓冷完成珠光体转变去应力及去氢退火等检验结果表明网状碳化物级别为 过冷奥氏体完全转变为珠光体


对于40 mm 棒材工艺编号按 40-1 执行在 3.3 m /s 轧制速度时1#2#3#水箱全部开启水压 为 1.3 MPa以实现棒材表面抑制网状碳化物的析 超快冷却时间为 5.6 s超快冷后棒材表面温度为 448 ℃棒材内部传递出来的热能使棒材表面返 温度为 695 ℃ 并呈均匀分布同时使棒材心部的冷速提高至大于二次网状碳化物临界析出速度, 从而抑制其心部出现网状碳化物组织在出 3#水箱 后的22 m 冷却通道和冷床中缓冷完成珠光体转变, 去应力及去氢退火等检验结果表明网状碳化物 级别为过冷奥氏体完全转变为珠光体


对于60 mm 棒材工艺编号按 60-1 执行在 1.5 m /s 轧制速度时1#3#水箱水压1.3 MPa在水箱中的总超快冷时间为 8.6 s在 1#水箱超快速冷却使棒材表面温度达 348 ℃ > Ms) ,并使棒材心部热量向外继续传递出来使表面温度返红返红时间为 11 s至 695 ℃这一阶段冷却达到抑制棒材表面析出碳化物网随即通过 3#水箱的超快速冷却。 棒材表面温度又降低至 400 ℃ 以下这第二阶段冷却使棒材心部热量继续传递出来使心部的冷却速度提高抑制心部网状碳化物的析出冷却以后心 部和表面冷速比较接近一致以较慢冷却速度完成 珠光体转变在出 3#水箱后的 22 m 通道上和冷床中 缓冷并能去除应力和去除氢脆等按这一工艺生产 的棒材表面1 /4 处和心部的 OMSEM 显微组织可见图 29 和图 30可见得到的结果是在棒材整个面 上抑制了析出网状碳化物和实现了全部缓冷完成珠光体转变


表 中表示按工艺 60-0160-02 和 60-03 60 mm 棒材的生产与试验工艺 60-1 的情况基本相同



高温轧制后超快速冷却过程中的棒材表面和心 部的冷却温度曲线应用了建立有限元模型采用 PLANE35热单元求解利用 Ansys 前处理器进行模 型单元网格划分等进行处理45求得的 3040 和 60 mm 钢材的冷却温度-时间变化曲线分别示于图313233 a我们针对这些图应用计算机处理求得对应之温度-冷却速度曲线示于图 313233 b) 、( c) 、( d其中b为针对a作的温度-冷却速度曲线; ( c为棒材表面四分之一部位和心 部在温度达到平衡的继续冷却曲线放大这一阶段主要在冷床上进行) ,因为冷速比较接近仅以一条粗虚线表示细点线表示发生珠光体转变的下临界速度数值; ( d为二次碳化物析出的温度区域中棒材 在四分之一部位和心部的温度-冷却速度曲线放大, 图中细虚线为二次碳化物析出的临界速度数值由 这些图可以十分明白采用的超快速 UFC 冷却工艺能 在棒材整个截面上抑制析出网状碳化物组织和使过冷奥氏体全部完成珠光体转变的本质原因我们在 相对应的图上表示了二次碳化物的临界冷却速度和珠 光体转变的下临界速度说明是十分恰当的



工作进行到这里可以进一步分析30 40 mm 棒材采用相同 UFC冷却工艺参数轧制速度的不同使冷却时间发生变化进行超快速冷却时前者的冷却速度会更快棒材表面的温度返红速度也加快比较图 31 和图 32 中的b) ) 。进行比较以后可以发现工艺编号按 40-1 执行的40 mm 棒材的生产效果更好和更安全工艺编号按 30-1 执行的30 mm 棒材的生产还有可以调整的余地适当改动 UFC 冷却工艺参数可以像 40 mm 棒材一样达到更好和更安全的生产效果我们认为GCr15 棒材 采用 UFC冷却技术应该尽量达到更好和更安全的生产效果也是相当重要的工艺编号按 60-1 执行的60 mm 棒材的生产过程中在二次碳化物析出温度区域中出现的 次冷却速度低于 8 ℃ /s 的现象图 33 中的d) ) ,这估计对碳化物形貌影响不会大但 是否可以进一步改进还可以研究为此我们在 这里提出的方法可以对 UFC 工艺参数调整起到相当 方便的一定借鉴作用。 


304060mm 轴承钢棒分别经过工艺 30-1工艺40-1工艺60-1 的超快速冷却后棒材整个截面上的网状碳化物级别均不大于 GB /T 18254— 2016原来文献中为 182542002现在已经废除因 为碳化物级别图没有改动在本文中则表示为 2016 年标准) 。棒材整个截面上显微组织均为细小珠光 珠光体片间距为 0.190.19 和 0.21 μm硬度为 393.22378.22 和 373.4 HV


东北大学的轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 RAL45已经指出将轴承钢超快速冷却技术分 别成功应用于宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公江阴兴澄特殊钢有限公司及石家庄钢铁有限责 任公司等企业在不改变原有热连轧生产工艺的基础上在连轧机组后安装三组超快速冷却系统通过调节水压喷嘴孔大小以及冷却水管数量针对不同规格棒材进行高温终轧后超快速冷却瞬时冷却速度可以达到400 ℃ /s 以上经过超快速冷却后不 同规格棒材断面不同位置的冷却速度均可以达到抑 制网状碳化物析出过冷奥氏体完全发生珠光体转变的要求网状碳化物级别均达到不大于 符合轴承行业标准。 


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