轧制-等温球化退火处理制备GCr15轴承钢的方法与流程

　　本发明属于冶金材料热处理技术领域，特别涉及一种轧制-等温球化退火处理制备gcr15轴承钢的方法。

　　背景技术：

　　轴承作为基础机械零件之一，素有“工业的心脏”之称，广泛应用于国民经济的各个部门；轴承质量的好坏直接影响装备的服役性能、使用寿命、精度及可靠性。作为轴承的主要原材料，轴承钢除了对耐磨性和抗疲劳强度有较高要求外，还需具有良好的抗变形强度、回转性能及尺寸稳定性等；为了保证足够的硬度和耐磨性，常用的gcr15轴承钢中碳、铬的含量均达到1％以上，含碳量的增加使得gcr15轴承钢在经过热轧空冷处理后会形成片状珠光体和网状碳化物的混合组织，这种混合组织硬度高、塑性差，并不适合进行冷加工处理；通常在机加工处理前，会对热轧态的组织进行球化处理来降低硬度，并提高塑韧性，球化处理后获得的组织为球状珠光体组织；研究表明，热轧状态下形成的粗大的网状碳化物在随后的球化退火、淬回火过程中不能完全消除，会明显增加零件的脆性，并增加淬火开裂的倾向，如何通过网状碳化物的调控降低球化退火的等温时间是现阶段国内外钢铁工作者面临的重大课题之一。

　　等温球化退火是现阶段工艺生产上广泛应用的轴承钢球化退火方法之一，其具体的球化退火工艺如下：将钢加热到略高于ac1保温一定时间，随后快冷至ar1以下某一温度范围内(680～720℃)进行等温转变，在等温转变的过程中，奥氏体相会转变为铁素体+碳化物颗粒，然后随炉冷却至650℃出炉空冷。与传统的低温球化退火和连续球化退火工艺相比，等温球化退火工艺所需时间较短，但耗时仍超过10h；以往关于轴承钢快速球化退火工艺的研究结果表明，热处理工艺的改善和网状碳化物的调控均可以缩短等温球化退火的时间；现阶段控制网状碳化物形成的方法主要有两种：一是通过合金元素成分的控制影响冷却过程中碳化物的析出，进而降低网状碳化物的形成；另一种是通过轧后的冷却方式等调控来抑制网状碳化物的析出；然而无论是添加合金元素还是增加轧后的超快冷装备都会提升实际轧制过程中的成本，不利于在企业中广泛推广应用。

　　因此，开发一种新的轧制工艺，在传统等温球化退火的基础上，实现gcr15轴承钢的快速球化，将简易的操作工艺和缩短球化时间有机的结合起来，具有非常重要的科学意义和经济效益。

　　技术实现要素：

　　针对现阶段gcr15轴承钢在等温球化处理过程中存在的球化时间过长等问题，本发明的目的在于提供一种轧制-等温球化退火处理制备gcr15轴承钢的方法，通过对轧制温度、轧制工艺的合理选取，控制轧制过程中的先共析碳化物通过形变诱导的方式析出，有效的降低等温球化退火所需的时间，提高能效。

　　本发明的方法按以下步骤进行；

　　1、按gcr15轴承钢成分冶炼钢水并浇铸制成铸坯，将铸坯在1000±5℃等温处理40～60min；

　　2、将等温处理后的铸坯在1000±5℃进行单道次热轧，压下率25～30％，制成热轧板；

　　3、将热轧板空冷至780±5℃，然后进行多道次温轧，总压下率60～70％，道次压下率15～44％，终轧温度760±5℃，制成温轧板；

　　4、在温轧板温度为760±5℃时，将温轧板置于温度为760±5℃的热处理炉中，使温轧板随炉冷却到室温，获得炉冷温轧板；

　　5、将放置有炉冷温轧板的热处理炉升温至820±5℃，进行一次等温处理40～60min；再将热处理炉降温至720±5℃，进行二次等温处理40～60min；更后将热处理炉降温至600±5℃，将炉冷温轧板取出空冷至常温，完成等温球化退火处理，获得gcr15轴承钢。

　　上述的铸坯厚度20～30mm。

　　上述的gcr15轴承钢的球化等级为1级，表面显微硬度为190～200hv。

　　本发明的方法中，控制轧制过程中的先共析碳化物通过形变诱导的方式析出，热轧处理后的缓冷组织为细片状珠光体和颗粒状形变诱导碳化物的混合组织；与传统轧制缓冷处理后的网状碳化物相比，颗粒状的形变诱导碳化物在等温球化退火中拥有更快的溶解速度，更有利于等温球化退火的进行；与传统轧制处理后形成的片状珠光体组织和网状碳化物相比，可以效的降低等温球化退火所需的时间，提高能效。

　　本发明的技术原理是：通过在碳化物的平衡析出温度ar3以上施加轧制变形处理，可以诱导碳化物以颗粒状在原奥氏体晶界和晶内析出，形成的颗粒状碳化物在随后的等温球化退火过程中可以作为新的球状碳化物析出的形核点；与传统的网状碳化物相比，颗粒状形变诱导碳化物无需溶解断开，且溶解后形成的碳化物颗粒尺寸更加均匀，更有利于后续两次等温处理过程中离异共析转变的进行；需要注意的是，必须按上述方式确定空冷温度和压下率以及相关参数，才能更有效的促使形变诱导碳化物在晶内和晶界以颗粒状析出；否则过多的形变诱导碳化物会在原奥氏体晶界除呈类网状集结，反而不利于等温球化退火过程的进行。

　　本发明的优点及有益效果是：

　　1、采用的是离线等温球化退火的方法，仅需要较短时间的等温处理即可形成较为良好的球化组织；从金相组织观察分析，球化退火后的组织为细铁素体及细小弥散的球状碳化物颗粒，球化等级可以达到1级，硬度在190～200hv，达到使用要求；

　　2、与传统的等温球化退火工艺相比，等温时间短，能耗低，生产效率高；

　　3、与双相区低温轧制相比，轧制温度较高，轧制抗力较小，具有重要的实际生产意义。

　　附图说明

　　图1为本发明实施例1的炉冷温轧板的金相组织显微图；

　　图2为本发明实施例1的gcr15轴承钢的金相组织显微图；

　　图3为本发明对比例1的炉冷温轧板的金相组织显微图；

　　图4为本发明对比例1的gcr15轴承钢产品的金相组织显微图；

　　图5为本发明对比例2中炉冷温轧板的金相组织显微图；

　　图6为本发明对比例2的gcr15轴承钢产品的金相组织显微图；

　　图7为本发明对比例3中炉冷温轧板的金相组织显微图；

　　图8为本发明对比例3的gcr15轴承钢产品的金相组织显微图；

　　图9为本发明对比例4中炉冷温轧板的金相组织显微图；

　　图10为本发明对比例4的gcr15轴承钢产品的金相组织显微图。

　　具体实施方式

　　本发明实施例中gcr15轴承钢的示例成分按质量百分比含c1％，cr1.51％，si0.22％，mn0.3％，ni0.18％，s0.002％，p0.002％，cu0.08％，ti0.005％，mo0.04％，al0.02％，余量为fe和不可避免杂质。

　　本发明实施例中，热轧过程中采用的轧机为东北大学轧制技术及连轧自动化**重点实验室(ral)的400新型异步热轧实验轧机。

　　本发明实施例中，电阻炉采用苏州通用电炉厂生产的rx-36-10东、西贯通式热处理炉或苏州汇电炉有限公司生产的hl07-22高温箱式电阻炉。

　　本发明实施例中观测金相组织的设备为奥林巴斯bx53mrf型金相显微镜。

　　本发明实施例中硬度性能测试采用的设备为日本future-tech公司生产的显微硬度计，采用的载荷为50gf。

　　本发明实施例中球化效果等级评定参照gb/t18254-2002标准，采用的图像为奥林巴斯bx53mrf型金相显微镜拍摄的金相组织。

　　本发明实施例中温轧3～5道次。

　　本发明实施例中gcr15轴承钢的厚度5.6～6.9mm。

　　以下为本发明优选实施例。

　　实施例1

　　冶炼钢水并浇铸制成铸坯，铸坯厚度25mm；

　　将铸坯在1000±5℃等温处理60min；

　　将等温处理后的铸坯在1000±5℃进行单道次热轧以细化奥氏体晶粒，压下率28％，制成热轧板，厚度18mm；

　　将热轧板空冷至780±5℃，然后进行3道次温轧，总压下率67％，道次压分别为28％、31％和44％，终轧温度760±5℃，制成温轧板，厚度6mm；

　　在温轧板温度为760±5℃时，将温轧板置于温度为760±5℃的热处理炉中，使温轧板随炉冷却到室温，获得炉冷温轧板；金相组织如图1所示，组织为细片状珠光体和颗粒状形变诱导碳化物的混合组织；

　　将放置有炉冷温轧板的热处理炉升温至820±5℃，一次等温处理60min；再将热处理炉降温至720±5℃，二次等温处理60min；更后将热处理炉降温至600±5℃，将炉冷温轧板取出空冷至常温，完成等温球化退火处理，获得gcr15轴承钢；金相组织如图2所示，gcr15轴承钢的球化等级为1级，表面显微硬度为190hv。

　　实施例2

　　方法同实施例1，不同点在于；

　　(1)铸坯厚度30mm；铸坯等温处理40min；

　　(2)热轧的压下率25％，热轧板厚度22.5mm；

　　(3)进行5道次温轧，总压下率70％，道次压下率分别为20％、22％、21％、27％和15％，温轧板厚度6.9mm；

　　(4)一次等温处理40min；二次等温处理40min；

　　gcr15轴承钢的球化等级为1级，表面显微硬度为195hv。

　　实施例3

　　方法同实施例1，不同点在于；

　　(1)铸坯厚度20mm；铸坯等温处理50min；

　　(2)热轧的压下率30％，热轧板厚度14mm；

　　(3)进行4道次温轧，总压下率60％，道次压下率分别为21％、27％、15％和18％，温轧板厚度5.6mm；

　　(4)一次等温处理50min；二次等温处理50min；

　　gcr15轴承钢的球化等级为1级，表面显微硬度为198hv。

　　对比例1

　　方法同实施例1，不同点在于：

　　热轧板空冷至750℃进行温轧(空冷后温度降低)；炉冷温轧板的组织为细片状珠光体和沿着原奥氏体晶界分布的类网状的形变诱导碳化物；

　　炉冷温轧板的金相组织如图3所示，gcr15轴承钢产品的金相组织如图4所示，其球化等级为2级，显微硬度约为231hv。

　　对比例2

　　方法同实施例1，不同点在于：

　　热轧板不进行空冷，直接进行温轧；炉冷温轧板的组织为细片状珠光体和沿着原奥氏体晶界分布的网状二次碳化物；

　　炉冷温轧板的金相组织如图5所示，gcr15轴承钢产品的金相组织如图6所示，其球化等级为3级，显微硬度约为262hv。

　　对比例3

　　方法同实施例1，不同点在于：

　　热轧板空冷至900℃进行温轧(空冷后温度升高)；炉冷温轧板的的组织为细片状珠光体和沿着原奥氏体晶界分布的网状二次碳化物；

　　炉冷温轧板的金相组织如图7所示，gcr15轴承钢产品的金相组织如图8所示，其球化等级为3级，显微硬度约为262hv。

　　对比例4

　　方法同实施例1，不同点在于：

　　空冷至780℃进行单道次温轧，压下率为67％(减少轧制道次)；炉冷温轧板的组织为细片状珠光体和沿着原奥氏体晶界分布的类网状形变诱导碳化物；