GCr15軸承鋼盤條高線工藝開發

劉學森

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

GCr15軸承鋼盤條高線工藝開發

劉學森

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

為滿足使用要求，通過研究加熱、控軋控冷工藝、重新設定工藝參數、控制表面質量等措施，使用150 mm×150mm的連鑄坯開發出軸承鋼GCr15盤條。該盤條的金相組織、表面脫碳層、碳化物不均勻性及表面質量等各項指標良好，可滿足國家標準要求，且能夠保證產品的加熱質量，實現安全生產。

軸承鋼；盤條；高線；碳化物；工藝

1　引言

軸承鋼GCr15盤條一般用于軸承滾針、滾珠的生產。為了滿足強韌性能、抗疲勞性能和耐磨性能的要求，對內在質量要求較高。軸承鋼含碳量高，在連鑄過程中會不同程度地析出碳化物。有研究表明這種碳化物的不均勻性對軸承的使用壽命有很大影響。為了消除上述缺陷，在軸承鋼軋制前需要較高的加熱溫度和較長的保溫時間，以達到消除碳化物不均勻性的目的。目前，我國大部分鋼鐵企業所生產的軸承鋼盤條都是采用兩火成材的生產方法（坯料為280mm×380mm），通過高溫長時間加熱及大的壓縮比來達到降低碳化物不均勻的目的。但該方法增加一道加熱開坯工序，電力、燃氣等消耗增大，生產效率低，燒損大。而小坯料直接生產軸承鋼，一般選用150 mm×150 mm的小方坯，采用高效、節能的蓄熱式步進梁式加熱爐，該類型加熱爐爐子燃料消耗量低，可節能25%～30%。但加熱時間過長，加熱方式為蓄熱式燒嘴和換向系統組成的兩端加熱，存在爐內兩端溫度高于爐內中間的情況，使得坯頭溫度過高，導致在加熱時坯頭下彎，難以出鋼，從而引發生產事故。而加熱溫度較低時又會引起碳化物不均勻難以消除的問題。為此，通過加熱、控軋控冷工藝研究，工藝參數重新設定，表面質量控制，研制出以150mm×150mm的連鑄坯生產軸承鋼GCr15盤條。

2　生產難點及質量要求

2.1生產難點

小方坯高溫加熱容易出現鋼坯側彎和下彎等難以出鋼的安全隱患。

加熱溫度及保溫時間不足時，碳化物液析及碳化物帶狀指標偏高，造成產品不合格。

軸承鋼對脫碳層要求較嚴格，高溫長時間加熱，造成盤條表面脫碳嚴重。

軋制時由于合金元素的加入，極易出現表面折疊、裂紋等缺陷。

2.2質量要求

軸承鋼盤條為保證后續加工及使用需求，高線生產過程中要保證碳化物不均勻性、脫碳層指標滿足標準GB/T18254-2002及用戶要求，還要保證良好的金相組織和表面質量，其中碳化物不均勻性及脫碳指標最為重要，其要求如表1所示。

表1　碳化物不均勻性及脫碳指標要求

3　軋制關鍵工藝控制

因軸承鋼含碳量高，在連鑄過程中會不同程度地析出碳化物［1］，在軸承鋼盤條的生產中，為了消除上述缺陷，保證安全生產，合理的加熱工藝極為關鍵。同時軸承鋼盤條在相變時，極易在奧氏體晶界出析出網狀碳化物，通過控軋控冷手段讓其快速冷卻來抑制其析出。

3.1加熱工藝

3.1.1防加熱彎鋼控制

（1）坯料的選擇

高線為蓄熱式步進梁式加熱爐，坯料兩端溫度一般高于中間溫度，因生產原因搭出步進梁的坯頭長度較長，在長時間加熱時剛度下降，在重力作用下導致坯料下彎。通過坯料長度的重新設定，縮短坯料兩端搭出步進梁的最大長度，最大值由1 200 mm縮至900mm，避免坯料下彎造成難以出鋼的生產事故。

（2）布料機制

在生產不同鋼種時為避免加熱溫度相互影響，一般企業通常在兩鋼種之間采用大量空步的方式，待前面鋼種出鋼結束后進行倒空步后再進行該鋼種的軋制，但軸承鋼溫度一般高于其它鋼種，在高溫下倒空步時，由于大量空步所在爐腔處沒有吸熱源、熱量高，坯料端部靠空步側熱膨脹較大，導致坯料在步進梁上移動時端頭向空步反向彎曲，發生坯料側彎，造成難以出鋼，

采用與前鋼種空少量步并隨前鋼種加熱，待前鋼種出鋼結束后再升溫保溫，有效地抑制了坯料在高溫下倒空步時端部側彎的現象，同時能夠防止由于不空步時前幾顆坯料靠近爐口，均熱溫度難以保證問題的發生；軸承鋼小方坯全部入爐后根據后接鋼種牌號空一定步數，防止后接鋼種溫度超出規范要求甚至導致彎鋼事故。

（3）降溫及升溫機制

加熱段及均熱段超過保溫時間后采用降溫及升溫機制，待生產正常后再次升溫至要求溫度段，避免了因高溫加熱時間過長造成坯料彎曲和脫碳嚴重問題。

3.1.2碳化物不均勻性控制

鋼坯在冶煉澆鑄過程中形成的不均勻碳化物，可以在軋制的加熱時高溫擴散來環節或消除。根據軸承鋼GCr15在不同溫度的碳擴散系數近似值［2］，結合坯料尺寸，加熱彎鋼，軋制及碳化物不均勻級別等因素，選取高溫段加熱溫度1 200～1 250℃，保溫70～100 min，達到碳化物擴散均勻，碳化物不均勻性指標完全滿足標準要求，同時保證鋼坯不彎鋼，保證安全生產。

3.1.3表面脫碳控制

爐內氣氛是引起軸承鋼氧化脫碳的直接原因，要降低鋼坯的表面氧化，爐內應減少氧化性氣體H2O、CO2、O2，增加還原性氣體CO、H2。通過控制煤氣在高溫段不充分燃燒，在預熱段加大風量，補償在高溫段煤氣未燃盡所需要的風量［3］。通過增加煤氣（轉爐煤氣+高爐煤氣）中熱值較高的轉爐煤氣配比，減少爐內空氣量，同時將高溫段的空燃比控制≤0.9，爐內殘氧儀檢測控制尾煙氧含量≤2%，改善爐內氣氛，保證爐內氣氛為微還原型氣氛。通過合理安排軋制，避免坯料爐內停留時間過長等手段，控制軸承鋼盤條表面脫碳在合理范圍。

3.2控軋控冷工藝

軸承鋼GCrl5在平衡條件下網狀碳化物的析出溫度為700～900℃，大量析出碳化物的溫度在700～850℃［1］，軋制時終軋溫度在900～800℃。隨著的降低，未再結晶的奧氏體經變形，晶粒拉長，并且在晶粒內增加變形帶和位錯密度，為細化珠光體球團尺寸、分散碳化物析出創造了條件，碳化物網狀級別降低［4］。

針對高線廠的軋機、水箱等裝備特點，采取低溫軋制及低溫吐絲，控制終細化晶粒尺寸，抑制碳化物網狀的析出，提高索氏體化率。將精軋溫度控制在900℃以下，終軋后通過水箱快速冷卻，吐絲溫度控制在850℃以下。在斯太爾摩風冷線上前期采用標準型冷卻模式快冷至700℃，而后采用延遲冷卻模式進行緩慢冷卻。

4　表面質量控制

軸承鋼盤條后續加工過程中需要冷墩成球，對于盤條表面質量要求嚴格，不得有折疊，裂紋等缺陷，見圖1。但軸承鋼中合金元素的加入，使得在軋制過程中變形抗力，寬展、延伸系數與常規產品差異較大［5］，在軋制時極易出現耳子，導致盤條表面折疊和裂紋。通過優化孔型系統，經分析研究，將粗軋機組的“方-箱-方”孔型系統調整為“方-雙弧線橢圓-圓”孔型系統，重新分配各架次延伸系數、壓下量等多項技術參數，穩定軋制狀態，保證了產品表面質量。

圖1　盤條表面缺陷

5　軸承鋼盤條實物質量

在高線采用該工藝生產的軸承鋼GCr15盤條，各項性能指標滿足國標GB/T 18254-2002和用戶要求。以Φ5.5mm軸承鋼盤條為例，具體指標如下

5.1金相組織

盤條金相組織為索氏體+珠光體+少量碳化物網狀，無異常馬氏體或者貝氏體組織，見圖2。

5.2表面情況及脫碳

盤條尺寸精度C級，表面未見劃傷、裂紋、折疊等缺陷，見圖3。試樣表面局部存在脫碳現象，脫碳層厚度在0.025～0.052mm，滿足標準要求。脫碳為0.052mm的試樣，見圖4。

圖2　盤條金相組織

圖3　盤條表面

圖4　盤條脫碳

5.3碳化物不均勻性及顯微孔隙

對盤條試樣進行碳化物不均勻性及檢測，碳化物液析控制水平基本達到1.0級以內，碳化物帶狀級別控制在1.0～2.0級，碳化物網狀級別控制在1.5～2.5級可以看出，各項指標滿足標準要求。圖5為盤條中碳化物不均勻性，圖5（a）液析1.0級，碳化物帶狀2.0級；圖5（b）網狀2.0級。

5.4下游用戶使用情況

圖5　碳化物不均勻性

所研制的GCr15盤條相繼發往無錫、山東聊城等軸承廠家，生產滾針、滾柱。其中生產工藝為：盤條→檢測→球化退火→檢測→酸洗、磷化、皂化→拉拔→球化退火→精拉→滾針、滾柱→球磨→表面處理→成品。其實物經廠家質量部門進行了檢測，完全滿足國家標準要求及客戶需求。Φ5.5mm軸承鋼盤條經酸洗后可實現軸承鋼熱軋線材不退火直接進行30%變形量的拉拔，省去一道球化退火工序，降低了下游用戶的加工成本。

6　結論

開發的GCr15加熱工藝，采用坯料選擇、布料設計、加熱溫度及保溫時間設計、升溫降溫機制等，設計合理，且具有可操作性，既保證了產品的加熱質量，又滿足了安全生產。

軋制工藝采用控軋控冷技術，細化晶粒，保證正常晶粒組織，抑制碳化物網狀。成品盤條中金相組織、表面脫碳層、碳化物不均勻性及表面質量等各項指標良好，滿足國家標準要求。

盤條實物經下游用戶使用，完全滿足其生產要求。

［1］鐘順思，王昌生.軸承鋼［M］.北京：冶金工業出版社，2000.

［2］梁治國，孫華，趙柏杰.高標準軸承鋼線材碳化物的控制［J］.南鋼科技與管理，2012（3）：14-17.

［3］溫良英.硅錳彈簧鋼少氧化加熱的分析與模擬計算［J］.工業加熱，1999（6）：19-21.

［4］楊洪波，朱伏先，馬寶國，等.終軋溫度對GCr15軸承鋼網狀碳化物析出的影響［J］.特殊鋼，2010（1）：55-56.

［5］王延溥，齊克敏.金屬塑性加工學-軋制理論與工藝［M］.北京：冶金工業出版社，2004∶116-117.

Development of Productive Process for High Speed W ire Rod of GCr15 Bearing Steel

LIU Xue-sen
（Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

In order tomeet application demand，the wire rod of GCr15 bearing steel produced by 150 mm× 150 mm slab was developed by measures of studying heating and controlled rolling and cooling process，resetting process parameters and controlling surface quality.Indices of the said wire rod，such asmetallographic structure，surface decarburization layer，carbide non-uniformity and surface quality，could meet the requirementby the national standard.The heating quality of the productwas ensured and safe production realized.

bearing steel；wire rod；high speed wire rod；carbide；process

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.011

2016-03-07

2016-04-07

劉學森（1985—），男，甘肅白銀人，碩士，工程師，主要從事線材高新產品研發及技術改進工作。