（材料加工工程专业论文）大断面轴承钢的控制冷却.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 g c r l 5 轴承钢在轧后冷却过程中，有二次碳化物析出，并且在奥氏体 晶界呈网状析出，严重的网状甚至采用正火处理都难以消除，对轴承的使 用寿命有很大影响，因此，如何降低网状碳化物级别，取消轧后的正火处 理，降低生产成本是企业迫切需要的解决得问题。本文以大连金牛股份初 轧厂为依托研究了9 4 2 以上大断面g c r l 5 轴承钢通过控轧控冷来降低大断 面轴承钢中的网状碳化物级别的问题。主要研究内容包括： l ，利用热模拟试验机测定了g c r t 5 轴承钢中终轧温度分别为8 5 0 。c 、 9 0 0 0 c 时的动态c c t 曲线。 2 由热模拟机模拟现场多道次变形工艺，在9 0 0 终轧温度下，以5 。c s 的冷速基本可以消除网状碳化物，在终轧温度8 5 0 “c 下，以3 s 的速 率冷却就可达到消除网状碳化物的目的。 3 实验室自制了简易水冷设备，测定不同冷却工艺条件下的不同规格轴 承钢的温降曲线，研究表明，大断面轴承钢冷却工艺与小断面有明显 的区别。 4 结合现场条件所能采用的各种冷却工艺，利用计算机模拟方法，对冷 却工艺进行了优化分析。提出了对现场实施有参考意义的结论。也表 明对于直径在q ，6 0 m m 以下的圆钢，采用合理的冷却强度和冷却制度相 结合，完全能控制在心部平均冷速在3 。c s 以上，进而实现抑制碳化物 析出成网状的目的，对于直径在p 6 0 m m 以上的圆钢，现场实施比较困 难。 关键词：g c r l 5 轴承钢，控轧控冷，网状碳化物。热模拟，显微 组织 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fc o n t r o l l e dc o o l i n go fg c r l5b e a r i n gs t e e la f t e r r o l l i n g ，t h es e c o n d a r y c a r b i d ep r e c i p i t a t i o nf r o mg r a i nb o u n d a r yo fa u s t e n i t e b yt h ew a y o fn e t w o r kc a r b i d e ，w h i c hh a sag r e a ti n f l u e n c et ot h eu s i n gl i f eo f b e a r i n g t h e r e f o r e ，i ti sa ni m p o r t a n tp r o b l e mf o rp l a n tt os e t t l ea b o u th o wt o d e c r e a s et h el e v e lo fn e t w o r kc a r b i d e ，i m p r o v et h eq u a l i t yo fb e a r i n gs t e e la n d d e c r e a s et h ec o s t t h ep a p e rp e r f o r m e ds t u d yf o rb i gs e c t i o nb e a r i n gs t e e l g c r l 5a b o v e9 4 2o fr o u g h i n gm i l lp l a n to fd t s t e e l c o m t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a t ： 1 t h ec c tc u r v e so fg c r l 5b e a r i n gs t e e lw e r em e a s u r e da tt h ef i s h i n gr o l l i n g t e m p e r a t u r eo f8 5 0 a n d9 0 0 。cb yg l e e b l e3 8 0 0 2 t h et h e r m a lf o r c et e s ti n d i c a t et h a tn e t w o r kc a r b i d ec a nb ee l i m i n a t e da tt h e c o o l i n gs p e e di s5 p e rs e c o n da tt h ef i n a lr o l l i n gt e m p e r a t u r eo f9 0 0 ，a n d n e t w o r kc a r b i d ec a nb ee l i m i n a t e da tt h ec o o l i n gs p e e do f3 。c p e rs e c o n da n d f i n a lr o l l i n gt e m p e r a t u r eo f8 5 0 。c 3 t h es i m p l ew a t e rc o o l i n gf a c i l i t yi sd e v e l o p e di nt h el a b o r a t o r ya n dt h e t e m p e r a t u r ef a l lc u r v eo fb e a r i n gs t e e lw i t hd i f f e r e n to r d i n a n c ea tt h ed i f f e r e n t c o o l i n gr a t ei sm e a s u r e d ，t h er e s e a r c hs h o w nt h a ti th a st h eo b v i o u sd i f f e r e n t b e t w e e nt h eb i gs e c t i o nb e a r i n gs t e e la n dt h es m a l ls e c t i o nb e a r i n gs t e e l 4 t h e o p t i m i z a t i o na n a l y s i s o f c o o l i n g p r o c e s s i sd o n e u s i n g t h e c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o na s s o c i a t ew i t ht h ev a r i o u sc o o l i n gp r o c e s su s i n gi n t h ef i e l de n g i n e e r i n g t h ec o n c l u s i o nw h i c hh a st h er e f e r e n c es i g n i f i c a n c et o f i e l do p e r a t i n gi sp u tf o r w a r d t h ea v e r a g ec o o l i n gs p e e do v e r3 p e rs e c o n d f o rc e n t e rw i l lb ee n t i r e t yc o n t r o l l e da n dr e a l i z e dt oi n h i b i tt h ep r e c i p i t a t i o n o fn e t w o r kc a r b i d eb yr e a s o n a b l ec o o l i n gi n t e n s i t ya n dc o o l i n gs y s t e mf o r c o l u m n e ds t e e lu n d e r q ) 6 0 m m b u ti ts h o u l db ed i f f i c u l tt oo p e r a t ei nt h ef i e l d f o rc o l u m n e ds t e e la b o v e c p 6 0 m m k e yw o r d s ：g c r l5b e a r i n gs t e e l ，c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n g ， n e tc a r b i d e ，t h e r m a ls i m u l a t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和套圈【i 。】。由于轴承应具备长寿命、 高精度、低发热量、高速性、高刚性、低噪音、高耐磨性等特性，因此要求轴承 钢应具备：高硬度、均匀硬度、高弹性极限、高接触疲劳强度、良好的冲击韧性、 断裂韧性、一定的淬透性、防锈性能和冷热加工等性能。为了达到上述性能要求， 对轴承钢的化学成分均匀性、非金属夹杂物含量和类型、碳化物粒度和分布、脱 碳等要求严格。轴承用钢按特性及应用环境划分为：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、 高温轴承钢、不锈轴承钢及专用的特种轴承材料。 1 2 轴承钢的发展史 滚动轴承的发展卜”j ，可以追溯到文艺复兴时期之前，但是，作为球轴承和辊 子轴承专业化生产，还是在1 9 世纪末和2 0 世纪初。滚动轴承使用的材料，始于 青铜、铸铁，直到轴承专业化生产时，才开始使用轴承钢，初期多采用渗碳轴承 钢。作为滚动材料的高碳铬轴承钢g c r l 5 ，在1 9 0 1 年问世，1 9 1 3 年美国n e w d e p a r a t u r e 公司最先纳入标准( 即相当于s a e 5 2 1 0 0 ) o 一次世界大战后，随着汽车、航空工业的发展，开始建立轴承钢的检验标准。 从而推动了轴承钢质量的提高。机械工业的发展使轴承应用面拓宽。轴承设计者 要求选用不同淬透性能的轴承钢，促使高碳铬轴承钢系列化。 第二次世界大战以后，随着机械制造业，特别是汽车工业，国防工业以及航 空工业、原子能工业等的迅速发展，轴承的应用领域日益扩大，对轴承的性能要 求不断提高，需要高温、高速、高负荷、耐蚀、抗辐射等苛刻条件下工作的特种 轴承。为适应这些轴承的需求，研制和开发出一批具有特殊性能的新钢种。就世 界范围而言，形成了高温轴承钢、不锈轴承钢和渗碳轴承钢系列产品，并开发无 磁超低温等特种轴承材料。 7 0 年代以来，军工尖端技术迅速发展，扩大了轴承的应用范围，国际贸易的 发展，推动了轴承钢标准国际化和新技术及新装备的开发和应用。历经1 5 年左右 的时间，效率高、质量优、成本低的配套技术和工艺装备应运而生。日本、原西 德等组建了几条高纯度、高质量的轴承钢生产线，使钢的产量迅速增加，钢的质 量和疲劳寿命发生了划时代的突破。具有代表性的冶金质量特征一氧含量，在日 本和瑞典己被降到5 1 0 6 以下。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 如何获得球化组织是轴承钢生产中的重要问题，控轧控冷是先进轴承钢的重 要生产工艺。通过控轧或轧后快冷消除了网状碳化物，获得合适的预备组织，可 以缩短轴承钢球化退火时间，细化碳化物，提高疲劳寿命。近年来，俄罗斯和日 本采用低温控轧( 8 0 0 , 【p 4 0 m m ) 采用轧后快冷工艺来消除网状碳化物，国内外没 有相关文献。 1 3 2 轴承钢碳化物网状的形成及危害 网状碳化物是在停轧温度较高，轧后慢冷过程中在奥氏体晶界形成的，网状 碳化物一旦形成，尤其是碳化物完整地包围晶界、并且又宽厚时，就会在以后加 工和使用两方面产生不良后果。首先严重的网状碳化物并不能在以后的球化退火 过程中完全消除，这样，在轴承加工的研磨过程中就易于产生磨裂，也称龟裂； 其次，如果原先网状碳化物严重，不但球化退火不能消除，甚至在以后的淬火组 织中仍有保留，在这种情况下很容易产生淬火裂纹；即使在淬火时没产生龟裂， 在以后的使用过程中网状碳化物也将是疲劳裂纹的发源地。因此，妊须采取措施 事先消除网状碳化物。 轴承钢中存在碳化物网状组织时，将会增加钢的脆性、降低轴承零件的疲劳 寿命。碳化物网状对轴承钢的力学性能的影响见表1 ，1 【2 ”。因此，在使用状态下的 轴承钢组织中不允许有严重的碳化物网状组织存在。只是以冷切削加工成型的零 件，因为它不再进行热压力加工，钢材中的网状组织会保留到轴承零件中去，所 以在冶金厂对退火状态出厂供冷切削加工用的轴承钢材需要严格地限制碳化物网 状级别。 表1 1 碳化物网状组织对轴承钢力学性能的影响 t a b l e1 1 t h e e f f e c t o f n e tc a r b i d e o n m e c h a n i c a lp r o p e r t y o f b e a r i n gs t e e l 4 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 1 3 3 消除网状碳化物的措施 由于高碳轴承钢含碳量较高，并含有一定数量的碳化物形成元素( 女铬) 。在钢 液冷凝过程中，这些元素又易发生成分偏析，而引起钢材中碳化物分布的不均匀 性。因此，对于消除网状碳化物有很多措施。生产中采用在钢锭的凝固过程中， 降低钢中树枝状偏析消除或降低网状碳化物级别。由于化学成分的影响，因此， 在冶炼高碳铬轴承钢时，严格将碳、铬控制在标准含量的下限。 随着轧制技术的发展，现场开始采用控制低的终轧温度，并加快轧后冷却来 降低轴承钢网状碳化物级别。生产中一般采取以下措施来加速钢材的冷却，即降 低终轧温度，轧后强制鼓风或喷水雾加鼓风，或让钢材通过水槽冷却口。”。终轧 温度低至8 5 0 对于消除网状碳化物效果较好。小规格的钢材采取上述措施，并于 轧后鼓风可基本上消除网状碳化物。这是因为在终轧温度低时，奥氏体晶粒细小， 加上轧后快冷，于是在奥氏体晶界没有网状碳化物析出，整个组织为细片状的珠 光体，有时，可能因为冷速不够，或终轧温度不够低，也可能在晶界析出薄而断 续的碳化物。这种组织经球化退火是可以消除网状碳化物的。 对于大规格的( 4 0 m m ) 的钢材是难以控制较低的终轧温度的，一般是采用 轧后穿水槽的冷却方法，使钢材冷至6 0 0 左右，这样即可避免网状碳化物的形成。 也有学者试图进一步降低终轧温度来改善网状碳化物情况，但效果很不理想，这 样做是因为大规格钢材轧制时轧辊难于咬入，终轧温度过低，则更恶化了咬人条 件，且容易发生断辊事故。 通过控轧或轧后快冷消除了网状碳化物，获得合适的预备组织，可以缩短轴 承钢球化退火时间，细化碳化物，提高疲劳寿命。近年来，俄罗斯和日本采用低 温控轧( 8 0 0 c 8 5 0 。c 以下) ，轧后采用空冷加短时间退火，或完全取消球化退火 工艺，就可得到合格的轴承钢组织。轴承钢的6 5 0o c 温加工也是新型技术。共析 钢或高碳钢热加工前若具有细晶粒组织或在加工过程能形成细晶粒，则在( o 4 0 6 ) 熔化温度范围内，在一定应变速率下，呈现出超塑性。美国海军研究院( n s p ) 对5 2 1 0 0 钢进行了6 5 0 温加工试验表明，在6 5 0q c 下真应变2 5 不发生断 裂。因此，有可能以6 5 0 温加工来代替高温加工并与球化退火工艺结合起来， 这对简化设备和工序、节约能源、提高质量有重要意义。 在热处理方面，在提高球化退火质量，获得细小、均匀、球形的碳化物以及 缩短退火时间或取消球化退火工序的研究方面有了进展，即盘条生产采用两次组 织退火，将拉拔后的7 2 0 。( 2 7 3 0 。c 再结晶退火改为7 6 0 。( 2 的组织退火。这样可以 得到硬度低、球化好、无网状碳化物的组织，关键要保证中间拉拔减面率三1 4 。 该工艺使热处理炉的效率提高2 5 3 0 。连续式球化退火热处理技术是轴承钢 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 热处理的发展方向。 当然也可以用正火的办法来消除网状碳化物瞄j ，不过，这种方法在生产中正 逐渐被淘汰。因为这样做就增加了工序，不如在热轧时立即采取措施来得方便， 而且经济。应当指出，凡是在以后的生产工序中还要进行改锻或热穿孔等热加工 的，则显然没有必要事先消除网状碳化物。另外，对于轴承钢的初轧材来说，为 了防止产生白点，轧后则必须在缓冷坑中缓冷。 目前，在轴承原材料生产中，滚动体多用热轧棒材或斜轧材，以球化状态供 货；套圈则多用球化退火后的无缝钢管。我国目前轴承用无缝钢管的生产大多集 中在( 1 ) 7 6 1 0 0 热轧机组。生产实践表明，在上述机组热穿管的条件下，管坯的壁 厚大多在l o m m 以下；但是，即使在这种情况下也必须在热穿孔之后，强制鼓风 冷却，冷速约1 5 0 1 7 0 。c m i n ，才能确保不形成网状碳化物。而且，在球化退火 前的第一次热锻“打头”( 为以后冷拔做准备) 的工序中，也需要采取同样措施避免 网状碳化物的形成，然后，才能进行球化退火。 1 4 轴承钢的控轧控冷 近年来，一些工作者研究了轴承钢的热加工性能以及形变球化和再结晶1 2 6 2 ”， 定量地确定了流变应力和破断应变与变形过程中的变量( 应变、应变率、温度和相 变) 之间的关系【2 ”；研究奥氏体加渗碳体的双相区形变球化，确定了变形温度和 变形量是控制球化的主要因素，奥氏体化后变形有利于双相区形变球化 2 9 ；借助 于热扭转实验机用停顿变形方法，研究了轴承钢热轧过程中的再结晶行为，确定 了静态和动态再结晶与变形温度、道次应变和道次间隔时间等之间的关系，以及 在双相区发生的动态软化现象f 3 0 】。这一系列的工作为正确制定轴承钢控制轧制工 艺提供了科学的依据。 轴承钢的各种生产工艺中，在9 0 0 以上奥氏体单相区轧制后快冷至8 5 0 8 0 0 的双相区内再次轧制是最有前途的新工艺口“。该工艺对控制轧制的推广应 用、改善轴承钢的质量及提高其疲劳寿命、节省能源等方面均有重要意义。 国内外以往为解决碳化物问题而采取的措施有钢锭高温扩散、低温终轧、轧 后风冷或雾冷等。近年来广泛开展了轴承钢轧后控制冷却工艺的研究1 3 2 。”】，对于 小断面轴承钢，控制冷却技术已经得到很好的现场生产应用。而对于大断面轴承 钢通过轧后控制冷却来消除网状碳化物的技术，国外还没有相关文献，国内对这 方面进行了研究。但还没有应用于大生产中。 近十年来，在国内、国外应用控制轧制和控制冷却理论解决合金钢轧制中的 钢材质量，提高性能，开发新品种等方面也取得显著效果，特别对轴承钢进行控 6 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 制轧制和控制冷却，可以使网状碳化物消除或者降低其级别。从而改善其质量、 缩短球化退火时问、提高轴承钢疲劳寿命等方面获得突破性进展，缩短了与国外 产品实物质量的差距。 1 5 本文的研究目的和意义 轴承钢的生产要求较为严格，在钢材组织方面，显微组织应具有均匀分布的 粒状珠光体，钢中碳化物网状组织不得超过规定级别，按照国际标准要求，应该 小于3 级。大连金牛股份初轧厂现场实际情况为：从7 5 0 机架到连轧机组这段时 间内，由于钢坯断面较大，为了控制轧制温度，需要在进入连轧机组前需要一段 待温时间，影响了轧制效率。而连轧机组有1 0 架轧机构成，可以生产直径在4 2 m m 到8 0 r n m 的轴承钢棒材。但在施工过程中没有考虑加入控冷系统，同时在4 架粗 轧和6 架精轧机组间，尽管留有一定的间距，大约为9 米，但两机组能力不匹配。 粗轧为6 5 0 轧机，而精轧为4 0 0 轧机，过渡差较大，造成不能给精轧机组提供低 温坯料，弱化了进行控制轧制的能力。结果造成轧后棒材温度在9 5 0 左右上冷床， 冷却缓慢，有明显的网状碳化物析出，引起级别不合。如何在现有的条件下加入 控冷系统，使轧后棒材网状碳化物级别达到合格是本文研究的重点。研究将为现 场技术改造提供理论指导。 1 6 研究内容 本文采用实验与理论分析相结合的方法，对g c r l 5 轴承钢，开展以下几个方 面的研究工作： 1 利用热模拟机对g c r l 5 轴承钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的研究； 2 利用热模拟机研究控轧控冷工艺对轴承钢显微组织的影响； 3 利用试验室自制的水冷设备，进行现场水冷实验模拟，测定大断面轴承钢 不同部位水冷过程的温降曲线，确定实验室条件下水冷热交换系数； 4 利用a n s y s 软件，进行大断面轴承钢喷水冷却过程温度场的模拟，对现 场水冷工艺进行优化。 鞍山科技大学硕士论文 第二章铜的控轧控冷技术 2 1 控轧控冷概念 第二章钢的控轧控冷技术 控制轧制( c o n 仃o h e dr o l l i n g ) 是在热轧过程中通过对金属加热制度，变形制度和 温度制度的合理控制，使塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢 材具有优异的综合力学性能的轧制工艺。对低碳钢、低合金钢来说，采用控制轧 制工艺主要是通过控制工艺参数，细化变形奥氏体晶粒，经过奥氏体向铁素体和 珠光体的相变，形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体球团，从而达到提高 钢的强度、韧性和焊接性能的目的。 控制冷却( c o n t r o l l e dc o o i n g ) 是控制轧后钢材的冷却速度达到改善组织和 性能的目的。由于热轧变形的作用，促使变形奥氏体转变温度( a r 3 ) 的提高，相 变后的铁素体晶粒容易长大，造成力学性能降低。为了细化铁素体晶粒，减少珠 光体片层问距，阻止碳化物在高温下析出，以及提高析出强化效果而采用控制冷 却工艺。 控制轧制和控制冷却相结合能充分发挥热轧钢材的两种强化效果，进一步提 高钢材的强韧性和获得合理的综合力学性能。提高热轧钢材性能合格率；同时可 简化工序、节省能耗、节约合金，具有显著的经济效益和社会效益。 2 2 控制轧制 2 2 1 控制轧制工艺发展历程 关于轧制温度和压下率对钢材室温性能和显微组织的影响，很久以前就有人进 行过研究。例如德国的斯塔特曼( 1 9 2 9 年) 和奥伯毫夫尔( 1 9 1 3 年) 做过锻造实验。哈 诺曼等人( 1 9 2 5 年) 也进行过很有历史意义的实验研究畔】。他们用热轧后再结晶的观 点阐明了在y 区轧制时，随着轧制温度的降低，铁素体晶粒细化，在更为低的温度 区的轧制时，铁素体晶粒粗大化等问题。哈诺曼等人的实验结果表明，一般情况 下，在高于a t 3 并接近其温度下轧制时才能使晶粒细化。此外，只有最终轧制道次 才能决定铁素体晶粒的大小。 从第二次世界大战中全焊接结构船只发生脆性断裂事故以来，战后对造船用厚 钢板( 软钢) 及其它结构用钢要求有很高的断口韧性。所要求的断口韧性，通过增加 m i d c 比，用脱氧镇静钢，采用强化处理等措施得到保证是可能的。但比利时、瑞 鞍山科技大学硕士论文第二章钢的控轧拉冷技术 典等各国的钢铁厂因当时没有热处理设备，故在工业生产上采用控制轧制代替常 化处理，这就确定了今日控制轧制方法的原始基础。 1 9 5 8 年明确了添加微量的n b 在控制轧制状态下对提高钢的强度是有效的| 3 5 3 “， 进入六十年代后，含n b 高强度钢已广泛提供实际应用。六十年代中期，英国的 b i s r a 对控制轧制进行了一系列的研究。通过这些研究我们意识到，控制轧制对 研究开发新的钢种是不可缺少的，同时认识到控制轧制机理方面进行探讨也是很 必要的。 六十年代后半期，人们越来越重视控制轧制基础理论( 即奥氏体再结晶行为) 的研究。六十年代末，人们也能从基础理论方面对低温总压下量的作用进行了合 理的说明，并逐步认识到未再结晶区域内轧制的重要性。 从七十年代以来，关于控制轧制及其基础理论方面的研究很多。不仅在奥氏体 再结晶区轧制，奥氏体未完全再结晶区轧制，奥氏体未再结晶区轧制以及奥氏体 再结晶行为，n b ，v ，t i 微量元素的作用等方面的研究越来越深入口”，而且在( a + 丫) 两相区的研究越来越多。 控制轧制和控制冷却技术在我国开始应用时间不长，可以说是从七十年代后 期开始发展起来的。在近二十年的时间里，我国在控制轧制与控制冷却的理论研 究方面取得了很大的成绩【3 ”。但由于各企业的经济情况的不同，导致某些轧钢厂 的设备陈旧，缺少必要的测试手段和辅助设备，而控制轧制和控制冷却技术的运 用，不但要求轧机有很强的轧制能力，而且要求在生产车间所必需的足够大的场 地面积，同时还需先进的控制冷却设备。由于种种原因，导致了控制轧制与控制 冷却技术在我国应用受到了限制。但目前，随着科学技术的发展，国际钢铁行业 的竞争也越趋于激烈，为了在竞争中抢占先机，国内的大小轧钢厂都在设备上进 行技术革新，轧机设备有了很大的改进，先进的设备在合理的理论指导下可以发 挥更大的潜力。为了节约能源和提高产品质量，采取控制轧制与控制冷却手段见 效很大，所以近年来对于控制轧制与控制冷却区工艺的研究也广泛起来。 目前，微合金化和控制轧制的实验仍处于高潮中，根据各国的研究动向分析， 关于控制轧制的研究大致包含以下几个方面： ( 1 ) 以两相区轧制为主的控制轧制技术和通过控制轧制之后的冷却速度来控制相 变组织，以获得进一步的强韧化的轧材是发展的趋势。 ( 2 ) 对于双相钢主要是依靠相变强化，因为它的强化理论不同于析出强化和固溶强 化，因而它的变形行为也不同于后两者。扩大实验范围，完善成分来研制新 的钢种，充分利用控轧热变形所造成的亚结构强化，开发经济合金钢。 ( 3 ) 控制轧制与控制冷却的新机制和控制轧制与控制冷却相结合的最佳工艺的探 9 鞍山科技大学硕士论文第二章铜的控轧控冷技术 索。 ( 4 ) 新的模拟的实验方法及测试技术研究。 2 2 2 控制轧制三个阶段 控制轧制工艺包括把钢坯加热到最适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形 温度等工艺。控制轧制的工序一般可分为三个阶段： ( 1 ) 变形和y 再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了的y 晶粒经过在t 再结晶区域内的反复变形和再结晶而逐步得到细化的阶段； ( 2 ) 低温t 变形阶段，即当轧制变形进入y 未再结晶区域内时，变形后的y 晶 粒不再发生再结晶，而呈现加工硬化状态，这种加工硬化了的y 具有促进铁素体 相变形核作用，使相变后的晶粒细小； ( 3 ) ( y + a ) 两相区变形阶段，当轧制温度继续降低到a t 3 ( y 转变温度) 以下 时，不但y 晶粒、部分相变后的a 晶粒也要被轧制变形，从而在a 晶粒内形成亚 晶，促进晶粒的进一步细化。 控制轧制的目的是在热轧条件下，通过细化铁素体晶粒，生产出韧性好、强度高 的钢材。例如，正常轧制工艺铁素体晶粒最好的情况是7 8 级，直径大于2 0 9 m ，而 控制轧制工艺得到的铁素体晶粒为1 2 级，其直径为5 l l t m ，这样细的晶粒是控制轧制 最突出的优点。控制轧制工艺还可以充分发挥微量元素的作用，含有微量n b 、v 、 n 等元素的普通低碳钢采用控制轧制工艺，能获得更好的综合性能1 3 。 2 3 控制冷却 2 3 1 控制冷却的实质 控制冷却是对轧后钢材的冷却工艺参数( 始冷温度、终冷温度、冷却速度) 的合 理控制。在控轧后奥氏体向铁素体相变的温度区域进行某种程度快速冷却，使相 变组织比单纯控制轧制更加微细化，从而控制、改善了钢材的组织状态，细化了 奥氏体组织，阻止或延迟了碳化物在冷却过程中过早的析出，使其在铁素体中弥 散析出，提高了强度，改善了钢材的综合力学性能和使用性能。轧后控制冷却 可以减少钢材表面的氧化铁皮生成量，防止钢材在冷却过程中由于冷却不均而产 生的不均匀变形。 来自日本的天野等几位学者认为：如果模拟控制冷却，使加工后未再结晶状 态的奥氏体进行恒温相变，温度越低，与奥氏体晶界相比，晶粒内变形带从双晶 界面产生晶核的量越大，使铁素体晶粒变细，某种程度上缓和了控制轧制。通过 l o 鞍山科技大学硕士论文 第二章钢的控轧控冷技术 添加m n 或n i 等降低相变温度对铁素体细化是有效的，但未再结晶奥氏体的控制 冷却会更为有效，通常不会破坏韧性却能使强度提高。 控制冷却的实质为对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从a t 3 以上的温 度冷却至相变温度区域，通过进行控制冷却，防止变形奥氏体晶粒长大，降低y a 的相变温度，不使铁素体晶粒长大，细化珠光体组织。控制冷却引起的a t 3 降低， 对再结晶奥氏体水冷效果并不很大，但对未再结晶奥氏体进行控冷，会明显使奥 氏体细化。控制后细化了的变形奥氏体组织经快速冷却，使相变组织发生相应变 化，钢中的析出物的大小、数量、析出部位发生变化，从而提高钢的强韧性。 2 3 2 控制冷却的三个阶段 一般把轧后控制冷却过程分为三个阶段，称为一次冷却、二次冷却、三次冷 却( 空冷) ，在这三个冷却阶段中其冷却目的和要求是不同的。 ( 1 ) 一次冷却 从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度a r a ，或二次碳化物开始 析出温度a r c 。温度范围内的冷却控制，即控制冷却的开始温度、冷却速度及终止 温度。这一阶段是控制变形奥氏体的组织状态，阻止奥氏体晶粒长大，阻止碳化 物的析出，固定因变形引起的位错，降低相变温度，为相变做组织上的准备。 ( 2 ) 二次冷却 从相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。主要是控制钢材相变时 的冷却速度和停止控冷的温度，即通过控制相变过程，保证钢材快冷后得到所要 求的金相组织和力学性能。 对低碳钢、低合金钢、微合金化低合金钢，轧后一次冷却和二次冷却可连续 进行，终了温度可达珠光体相变结束，然后空冷，所得金相组织为细铁素体和细 珠光体及弥散的碳化物。 ( 3 ) 三次冷却( 空冷) 三次冷却是相变后至室温范围内的冷却。对于低碳钢，相变后冷却速度对组 织无影响；对合金钢空冷时发生碳化物的析出，对生成的贝氏体产生轻微的回火 效果。 对于高碳钢和高碳合金钢轧后控制冷却的第一阶段( 一次冷却) 也是为了细 化变形奥氏体，降低二次碳化物的析出温度，甚至阻止碳化物由奥氏体中析出， 降低网状碳化物析出量。降低网状碳化物级别，减小珠光体球团尺寸。而二次冷 却的目的是为了改善珠光体的形貌和片层间距。 控制冷却的重要目的之一是通过控制冷却能够在不降低材料韧性的前提下进 鞍山科技大学硕士论文 第二章钢的控轧控冷技术 一步提高材料强度。控制冷却钢材的性能取决于轧制条件和冷却条件。轧材之前 的组织状态取决于控制轧制工艺参数，而控制冷却的条件( 开冷温度、冷却速度、 终冷温度等) 对相变前的组织和相变后的相变产物、析出行为、组织状态都有影响。 因此为获得理想的控制冷却后的钢材性能，就要将控制轧制和控制冷却很好的结 合起来。 2 4 轴承钢的控制轧制和控制冷却工艺的组合类型 轴承钢的控制轧制工艺在实际生产中细化奥氏体晶粒和阻止二次碳化物析 出仍然存在着一定困难。如果轧后采用空冷，由于形变诱导作用，变形促使奥氏 体在较高温度提前析出二次渗碳体，即舡。温度升高，碳化物粗大而量多。控制 轧制之后采用快冷工艺则变形奥氏体晶粒来不及长大，快冷使a r 衄温度降低，碳 化物在低温下析出，分散而细小。因此，轴承钢控制轧制与快冷相结合，才能达 到进一步细化奥氏体晶粒和阻止二次渗碳体沿奥氏体晶粒间界析出的目的。 轴承钢有不同类型的控轧工艺，而轧后与控制冷却相结合，可以形成下列组 合工艺： ( 1 )高温再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺； ( 2 )高温再结晶型和未再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺； ( 3 ) 高温再结晶型，未再结晶型和奥氏体与碳化物两相区控轧与 轧后快冷结合工艺； 2 4 1 轴承钢的高温再结晶型控制轧制与轧后快冷结合工艺 这一工艺的特点是将轴承钢的钢坯加热到1 0 3 0 1 2 0 0 ，保温使其钢坯断面 温度均匀，出炉后经粗轧和精轧，轧成【p 2 0 6 5 m m 的圆钢，终轧温度控制在 9 8 0 1 0 2 0 u 左右，奥氏体塑性变形都处在完全再结晶区的温度范围。为了阻止晶 粒长大和碳化物析出，终轧后进行快速冷却，达到定温度后必须停止快冷，以 免在表面形成马氏体组织或形成裂纹。快冷后进行空冷到室温。 这一轴承钢轧制和控冷组合工艺所获得的钢材组织为细片状珠光体或索氏体 与轻微网状碳化物。 大量试验结果表明，轴承钢的网状碳化物析出的温度范围一般在9 0 0 7 0 0 c ， 大量析出碳化物的温度在7 0 0 8 5 0 c 。为了防止网状碳化物析出，应加快这一区间 的钢材冷却速度】。 1 2 鞍山科技大学硕士论文 第二章钢的控轧拉冷技术 2 4 2 高温再结晶型和未再结晶型控轧与轧后快冷结合工艺 这一工艺的特点是在高温再结晶区轧制一定道次后，在部分再结晶区进行待温 或者进行快冷，当钢温度达到未再结晶区温度再进行轧制，直到所要求的尺寸。 终轧温度仍处在未再结晶区温度，以致不在晶界析出二次碳化物，具体的终轧温 度取决于道次变形量的大小。 在轴承钢未再结晶区轧制，应有较大的道次变形量，以增加变形奥氏体晶粒内 部的变形带。这样，碳化物不仅在奥氏体晶界上，同时也在奥氏体晶粒内的变形 带部位析出，碳化物析出变得弥散，形成细化珠光体或退化珠光体( 也称变态珠 光体) ，组织得到进一步改善。 当轧后进行快速冷却时，可以阻止碳化物析出，降低碳化物析出温度，将会降 低网状碳化物级别，甚至消除网状碳化物。 2 4 3 高温再结晶型、未再结晶型和奥氏体与碳化物两相区控制轧制同轧后快冷结 合工艺 这一工艺特点是在上一工艺基础上，将终轧温度降低到奥氏体与碳化物两相区 范围，即在两相区轧制一定道次，使已经析出的一部分网状碳化物塑性变形，碳 化物沿位错密度高的位错线溶解、扩散、直到熔断，形成小条状或半球化碳化物， 最终碳化物得到细化。轧后快冷，能降低奥氏体的相变温度，改善珠光体形态， 细化珠光体尺寸。 2 5 轴承钢轧后控制冷却工艺参数对轧材组织的影响 轴承钢轧后控制冷却多采用轧后快冷。由于圆钢断面的大小不同则轧后快冷工 艺也不相同。 棒材直径小于3 2 m m 的轴承钢，终轧温度为9 8 0 1 0 0 0 。c ，轧后立即经过两组 或三组湍流管式高效冷却装置进行快冷，快冷后在冷床上进行空冷。钢材的表面 冷却曲线如图2 1 所示。 鞍山科技大学硕士论文 第二章铜的控轧控冷技术 。u 蠢”o 赠 葵 蜜8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 012345 6 时间m i n 图2 1 ( p 3 2 m m 轴承钢棒材不同轧后冷却制度的温降曲线 f i g 2 1t h et e m p e r a t u r ec u r v ei nd i f f e r e n tc o o l i n gs y s t e ma f t e rr o l l i n go f t a 3 2 m mb e a t i n gs t e e l 图2 1 中的曲线分别是热轧后空冷条件下钢材表面的冷却曲线、低温终轧工艺 时轧后空冷的钢材表面温度的变化曲线、轧后快冷材的冷却曲线。通过控制冷却 的轴承钢棒材，钢材出水冷器后，表面温度达5 0 0 。c 左右，由于其发生相变的原因， 在空冷时，依靠钢材心部的热量使表面回升到一定温度，经过数秒后，钢温度开 始下降。在相同的条件下，控冷材的组织为细珠光体或索氏体加薄的网状碳化物 【4 2 】。轧后控冷时钢材返红温度的高低取决于钢材的开始快冷温度，即终轧温度、 水冷时问、冷却水的水压、水量和快冷的终止冷却温度。钢材返红温度不同，则 所得到的组织也不同。返红温度高则网状碳化物严重，珠光体粗大。随返红温度 降低，钢材组织越来越细小，碳化物网也越薄。但是，返红温度过低会出现混合 组织。 当轧到q 0 3 2 m m 以上大断面轴承钢钢棒材时，所采用的轧后快冷工艺，其特点 又有所不同。由于钢材断面大，采用一次快冷到终冷温度则钢材表面将发生马氏 体相变，断面温度差加大，造成由表面到中心的组织不同，中心部位温度高则生 成粗大珠光体和较严重的网状碳化物。 大连钢厂初轧厂从7 5 0 机架到连轧机组这段时间内，由于钢坯断面较大，为了 控制轧制温度，需要在进入连轧机组前需要一段待温时间，影响了轧制效率。而 连轧机组有1 0 架轧机构成，可以生产直径在4 2 m m 到8 0 m m 的轴承钢棒材。但在 施工过程中没有考虑加入控冷系统，同时在4 架粗轧和6 架精轧机组间，尽管留 有一定的间距，大约为9 米，但两机组能力不匹配，粗轧为6 5 0 轧机，而精轧为 1 4 鞍山科技大学硕士论文 第二章钢的控轧拉冷技术 4 0 0 轧机，过渡差较大，造成不能给精轧机组提供低温坯料，弱化了进行控制轧制 的能力。结果造成轧后棒材温度在9 5 0 。c 左右上冷床，冷却缓慢，有明显的网状碳 化物析出，引起级别不合，心部组织不均的现象。 对于大钢在现有的条件下，考虑加入控冷系统，使轧后棒材网状碳化物级别达 到合格，防止出现这种组织不均匀现象。因此，对大断面轴承钢轧后则需采取多 次间断快冷工艺。 鞍山科技大学硕士论文第三章动态c c t 曲线测定 第三章动态c c t 曲线测定 研究变形奥氏体相变规律的基本方法是测定钢的过冷奥氏体连续冷却曲线( 动 态c c t ) 曲线。这种曲线不但可以系统地表示出热轧变形工艺参数、轧后在线冷却 速度等对相变开始温度、相变进行速度和最终组织的影响情况，而且是选用合适 的控轧钢种成分，衡量与之配合的热轧变形工艺是否恰当，建立各种热处理工艺 与组织性能预报系统最重要的技术依据。本实验就是通过测定g c r l 5 轴承钢的动 态c c t 陆线，用以制定合理的轧后控制冷却工艺。 3 1 实验方法 测定钢在热轧后冷却过程中奥氏体相变温度的方法可以分为两类。一类是利 用钢在相变过程中发生的物理量变化来测定相变点，如测定相变时钢的体积膨胀 ( 或收缩) 、电阻的变化、因相变放热面造成钢的冷速的变化等，另一类是利用在奥 氏体区和在0 + a ) 两相区轧制时钢中产生的织构特点和力学性能的变化来测定相变 点，如测定轧制织构的变化，测定钢的强度的变化等。本次实验我们采用热膨胀 法测定g c r l 5 轴承钢的c c t 眙线。 3 1 1 热膨胀法及其原理 热膨胀法是目前最常用的一种测定变形奥氏体相变温度的方法，它是利用热 加工模拟实验机( 如热压缩变形模拟实验机，动态热力学模拟实验机，热变形再现 模拟实验机) 对试样进行热变形后立即采取控温和惰性气体保护，以不同冷速进行 恒速冷却，测量出试样的温度一膨胀量变化曲线，根据这种曲线上的特征点来确 定奥氏体的各种相变温度( 如f s 铁素体开始转变点、p 5 珠光体开始转变点、p f 珠光 体转变结束点、b 。贝氏体开始转变点和m s 马氏体开始转变点) 的一种方法。 热膨胀法的测定原理是根据钢的各相有不同的热膨胀系数与比热容。热膨胀 系数按由大到小的顺序排列为：奥氏体 铁素体 珠光体 上、下贝氏体 马氏体； 而比容的排列顺序是：马氏体 铁素体 珠光体 奥氏体 碳化物。铬和钒的碳化物 比热容大于奥氏体。所以在钢的组织中，凡发生铁素体析出、奥氏体分解为珠光 体或马氏体的过程都将伴随着体积膨胀。 ( 1 ) 相变点的确定 相变开始点和相变终了点的确定并无统一的准则，一般多采用温度一膨胀量 曲线上最先与直线偏离的那点所对应的温度来标定。但是试样在高温相变时因为 1 6 鞍山科技大学硕士论文 第三章动态c c t 曲线测定 1 0 5 0 8 5 0 t s v 冷= 0 2 ，0 5 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 和1 0 i s 图3 28 5 0 。c 终轧温度下，不同冷速模拟工艺 f i g 3 2 s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nd i f f e r e mc o o l i n gv e l o c i t ya tf i n i s h i n gt e m p e r a t u r eo f8 5 0 u 1 0 5 0 9 1 3 0 t s v 冷= 0 2 ，0 5 ，1 ，2 ，3 ，5 ，6 ，7 ，8 和1 0 i s 图3 39 0 0 。c 终轧温度下，不同冷速模拟工艺 f i g 3 3 s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nd i f f e r e n tc o o l i n gv e l o c i t ya tf i n i s h i n gt e m p e r a t u r eo f9 0 0 3 3 实验用钢种及热模拟实验试样 试验用钢为g c r l 5 轴承钢，化学成分见表3 1 。热模拟试样为( p 6 mm x l 5 m m 的圆棒试样，见图3 4 。 1 8 鞍山科技大学硕士论文 第三章动态c c t 曲线测定 表31 g - c r l 5 轴承钢的化学成分( ) ： 兰型! j ：! ! ! 堂型! 塑! ! 业婴篁鱼鱼! 堕! 堕驾! 幽 元素 cs ips c rm o n i c u 含量 1 0 20 20 0 10 0 0 3l _ 4 30 0 10 0 6 0 1 6 、， 亡i l 4 0 ，1 i 4 0 图3 4 热模拟试样尺寸 f i g ，3 4 t h es i z eo f t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s ts a m p l e 3 4 热模拟实验机介绍 本热模拟实验是在g l e e b l e 一3 8 0 0 热模拟实验机上进行，g l e e b l e 一3 8 0 0 是一种由 计算机控制的具有急( 慢) 速加热、保温、急( 慢) 速冷却，并能给试样以各种速率 加压、拉伸变形同时能记录变形过程中温度、力、应力、应变等参数变化曲线的 试验装置。它能利用小试样再现材料的各种受热、受力过程，揭示其在热加工过 程中组织与性能的变化规律，用于研究材料的热变形行为，是优化现有冶金生产 工艺、开发新产品、开发新的生产技术的有利工具。 试验机的控制系统主要由三部分构成，即：加热系统、机械系统和数字控制 系统。g l e e b l e 一3 8 0 0 独创的电阻加热系统能以1 0 0 0 0 。c s 的速度加热试样，或保持 不变的稳态温度。高导热率的夹具使g l e e b l e 一3 8 0 0 具有高速冷却能力。另外选配 的淬火系统可以在试样表面达到