小直徑GCr15軸承鋼管工藝開發(fā)與應(yīng)用

王增海，溫 博，高和平，林 震

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

軸承鋼是用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈的鋼。軸承鋼有高而均勻的硬度和耐磨性，以及高的彈性極限［1］。軸承鋼對其化學(xué)成分均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分嚴(yán)格，是所有鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一［2］。

軸承鋼分為全淬透型軸承鋼、表面硬化型軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼等四類共17個鋼號。全淬透型軸承鋼采用高碳鉻的成分設(shè)計，鉻含量為0.6%～1.7%；碳含量0.45%～1.50%。目前我國采用的高碳鉻軸承鋼主要有GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo，其中應(yīng)用最廣泛的是GCr15軸承鋼，該鋼種具有高的抗疲勞性、高的延伸性、良好的耐磨性、合適的彈性和韌性、一定的防銹能力，經(jīng)過球化退火處理后具有良好的切削加工性能，因而在機械設(shè)備基礎(chǔ)件中得到廣泛的應(yīng)用，占世界軸承鋼生產(chǎn)總量的80%以上［3-4］。

國內(nèi)軸承圈套生產(chǎn)基本還是以“圓鋼鍛造+沖孔+輾壓”傳統(tǒng)鍛造工藝為主，部分為“退火+冷拔”工藝［5］。改進的軸承鋼生產(chǎn)工藝是“熱軋軸承鋼管+退火+熱輾+精密冷輾+淬火、回火”軸承套圈，改進軸承鋼的生產(chǎn)工藝是為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高軸承服役壽命。

1 GCr15軸承鋼管檢驗要求

（1）無損探傷檢驗。鋼管應(yīng)逐根進行縱向和橫向超聲波探傷，超聲波探傷按GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》執(zhí)行，合格級別為L2。

（2）鋼管幾何尺寸及允許偏差。按照軸承廠家的使用要求，熱軋的供貨規(guī)格為Φ73 mm×7.2 mm，定尺長度6.0～8.5 m，外徑允許偏差要求為0～1%D或±0.50 mm，取其中較大者；橢圓度要求不超過外徑公差的80%；對于壁厚S允許偏差，當(dāng)壁厚≤15 mm，要求為-8%S～+12.5%S；壁厚不均勻度要求不超過壁厚公差的80%；彎曲度要求≤1.5 mm/m。

2 鋼種設(shè)計

GCr15是一種高碳高鉻的過共析鋼，GCr15鋼種用作軸承鋼具有較高的淬透性，熱處理后可獲得全淬馬氏體組織；熱處理后的硬度高且均勻，有較好的耐磨性，接觸疲勞強度高，另外GCr15鋼種有較好的尺寸穩(wěn)定性和抗蝕性，但易出現(xiàn)白色的質(zhì)量缺陷［6-7］。

試制的軸承鋼管規(guī)格使用Φ150 mm連鑄坯料，材質(zhì)為GCr15，GCr15連鑄坯料的熔煉成分見表1。

表1 GCr15連鑄坯料熔煉成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 生產(chǎn)工藝流程介紹

熱連軋工藝生產(chǎn)軸承鋼管流程為：高爐鐵水→鐵水處理→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF鋼包精煉爐→VD真空脫氣爐→圓坯連鑄機→環(huán)形爐加熱→穿孔機軋制→連軋管機軋制→張力減徑機軋制→冷床冷卻→鋸切定尺→退火熱處理→熱輾→精密冷輾、打磨→淬火、回火。

采用熱連軋工藝生產(chǎn)GCr15軸承圈套用鋼集成技術(shù)，包含了“高純凈度GCr15軸承管坯冶煉工藝技術(shù)”“熱連軋機組生產(chǎn)GCr15軸承鋼管工藝技術(shù)”“連鑄坯生產(chǎn)軸承鋼管的顯微組織調(diào)控技術(shù)”“熱連軋無縫鋼管+輾壓成型工藝技術(shù)”4項技術(shù)創(chuàng)新。

4 小批量試制工藝控制

4.1 環(huán)形爐加熱制度

環(huán)形爐加熱GCr15軸承鋼前出空爐內(nèi)坯料，出料區(qū)開始降溫到700℃，加熱區(qū)和均熱區(qū)根據(jù)該材質(zhì)的加熱制度降溫。該鋼種的加熱速度低于普碳鋼，按照11.5～12.0 min/cm進行加熱；試驗熱連軋機組使用Φ150 mm連鑄坯料，環(huán)形加熱爐144個料位，所以確定軋制該鋼種的出料節(jié)奏為75 s/支，環(huán)形爐加熱一區(qū)溫度830～870℃，加熱二區(qū)1 080～1 120℃，均熱一區(qū)1 100～1 120℃。

4.2 主要工藝參數(shù)

軋制Φ73 mm×7.2 mm軸承鋼管熱連軋工藝主要工藝參數(shù)見表2，穿孔機和連軋管機軋制該材質(zhì)鋼管時不開水，連軋管機和張力減徑機前的除鱗水打開。

表2 軋制軸承鋼管Φ73 mm×7.2 mm熱連軋工藝主要工藝參數(shù)

穿孔機軋制完成后毛管溫度1 137～1 150℃，低于普碳鋼的軋制后毛管溫度50～60℃；連軋管機開軋溫度為1 070～1 100℃；張力減徑機出口溫度860～870℃；鋼管到冷床的平均溫度764℃，用時42 s，所以這段溫度區(qū)間的溫降速度是2.52℃/s；到冷床后鋼管溫度降到700℃用時35 s，所以這段溫度區(qū)間的溫降速度是1.31℃/s。軋制該材質(zhì)軸承鋼的穿孔扭矩和連軋管機的軋制力略高于同壁厚的普碳鋼管。

5 試驗結(jié)果分析

5.1 鋼管幾何尺寸

GCr15材質(zhì)鋼管軋后長度25 m，切損率5%，隨機抽檢Φ73 mm×7.2 mm規(guī)格軸承鋼管壁厚情況，統(tǒng)計樣本10支，測量沒有分切定尺和切頭尾的熱軋后鋼管。頭端位置壁厚值是距離頭端相應(yīng)長度，對應(yīng)角度所取樣本10支鋼管壁厚平均值，尾端位置壁厚同樣如此。切成定尺后鋼管幾何尺寸見表3，成品鋼管壁厚均勻，壁厚按照上偏差控制。

表3 切成定尺后鋼管幾何尺寸

鋼管外徑73.1～73.6 mm，外徑橢圓度為0.4～0.5 mm。成品鋼管幾何尺寸在技術(shù)協(xié)議要求范圍內(nèi)。

5.2 軸承鋼管質(zhì)量

試驗軸承鋼管成材率87%，影響成材率指標(biāo)的主要因素是鋼管頭端有小的片狀內(nèi)折。

5.3 化學(xué)成分

GCr15軸承鋼軋態(tài)鋼管化學(xué)成分見表4。

表4 GCr15軸承鋼軋態(tài)鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

5.4 退火后組織

GCr15軸承鋼熱軋后的組織為片層狀珠光體加網(wǎng)狀碳化物，經(jīng)過合理的退火工藝，共析滲碳體可在鐵素體的基體上呈球狀分布，稱為球狀（或粒狀）珠光體。球狀珠光體的強度比片層狀珠光體低，但塑性、韌性有改善，為后續(xù)加工創(chuàng)造條件，退火后的球狀珠光體金相組織如圖1所示。

圖1 退火后的球狀珠光體金相組織

6 結(jié) 語

（1）此次生產(chǎn)只是小批量試軋，針對此鋼種加熱特性，下一步制定連續(xù)批量生產(chǎn)的加熱工藝制度。

（2）橫截面壁厚均勻度達到預(yù)期目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化鋼管切頭尾量，增加成材率。

（3）GCr15軸承鋼管化學(xué)成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》要求；非金屬夾雜物小于0.5級，達到技術(shù)要求；退火后的組織為球狀（粒狀）珠光體，組織均勻，硬度降低，為后續(xù)機加工創(chuàng)造條件。

（4）此次熱連軋生產(chǎn)突出質(zhì)量問題為內(nèi)折，較大可能原因是連鑄坯料有中心疏松或裂紋等缺陷，環(huán)形爐加熱制度不合理，穿孔機工藝參數(shù)設(shè)定不合理。下一步將深入研究，最終解決內(nèi)折問題。