GCr15热轧盘条脱碳层深度控制的生产实践.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.3041前言高碳铬轴承钢自1905年在德国研制成功后就以其优秀的综合使用性能得到快速的发展与广泛应用，其具有抗疲劳、耐磨损、刚度高、尺寸与形状稳定性好、一定的耐腐蚀性能等显著优点1。GCr15主要应用于制作套圈，钢球、滚针、滚柱等滚动体，为了满足零件的抗疲劳性能和耐磨损性能等要求，需要严格控制好轴承钢盘条的质量。轴承钢是特殊钢中要求最多的钢种，包括纯净度、碳化物等。脱碳同样是影响轴承钢性能与寿命的关键因素之一，脱碳的危害主要包括：损害疲劳性能、降低表面硬度以及耐磨损性能、淬火时容易发生开裂等2。GB/T18254-2016规定直径10 mm的热轧盘条脱碳层深度需0.1 mm，但是为了提高质量，越来越多的客户要求脱碳深度0.08 mm，对于高精密度级别球用轴承钢盘条脱碳甚至0.05 mm3，因此需要研究实际生产中如何尽可能降低轴承钢盘条的脱碳层深度。1轴承钢脱碳的原理脱碳是扩散作用的结果，脱碳时一方面是氧向GCr15热轧盘条脱碳层深度控制的生产实践张平 官跃辉 王猛 张林 陆长河（江阴兴澄合金材料有限公司线材研究所，江苏江阴214429）摘要:GCr15在现代工业中有着广泛的应用，脱碳是影响其使用性能的关键指标之一，影响着轴承的耐磨性、疲劳寿命等，因此需要严格控制轴承钢热轧盘条的脱碳层深度。通过分析不同的因素对GCr15脱碳层深度的影响，如剥皮，一火材、二火材的加热温度、加热时间，表面喷涂防脱碳涂料等，总结实际生产中改善一火材、二火材脱碳的措施，提高产品质量。关键词:GCr15轴承钢；脱碳；剥皮；加热；表面喷涂中图分类号：TF1文献标识码：B文章编号：1674-0971（2023）-003-04Production practice of decarburization layer depth controlfor GCr15 hot rolled wire rodZhang Ping,Guan Yuehui,Wang Meng,Zhang Lin,Lu Changhe（Wire Research Institute of Jiangyin Xingcheng Alloy Materials Co.,Ltd.,Jiangyin 214429，JiangSu，China）Abstract：GCr15 has a wide range of applications in modern industry,decarburization is one of the key indi-cators affecting its performance,affecting the wear resistance,fatigue life,etc.of bearings,so it is necessary to strictlycontrol the depth of the decarburization layer of the hot-rolled wire rod of bearing steel.By analyzing the influenceof different factors on the depth of GCr15 decarburization layer,such as peeling,heating temperature and heatingtime of direct rolling and twice-heating rolling wire rod,surface spraying,etc.,the measures to improve decarburi-zation in actual production were summarized to improve product quality.Keywords：GCr15 bearing steel,decarburization,peel,heating,surface spraying收件日期：2023-6-04作者简介：张平（1990-），男，工程师，2012年毕业于安徽工业大学冶金工程专业，目前主要从事轴承钢线材研究，Email：zhangpingcitic-。特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第116期2023年第3期Vol.29（116）2023.No.3钢内扩散，另外一方面是碳向外扩散，脱碳层只有在脱碳速度超过氧化速度时才能形成，因为当氧化速度很大时表面会产生氧化铁皮。脱碳过程发生的反应主要是坯料中碳原子接触炉内O2、H2O、CO2等生成气体离开坯料，从而导致了坯料碳含量减少。一般认为轴承钢脱碳主要与加热时间、温度、炉内气氛等因素有关。蒋国强等研究发现轴承钢加热温度在1 000 以下时总脱碳层厚度增加相对缓慢，在1 050 以上迅速增加，呈指数增长3；史学星等研究了1 100 加热温度下，不同保温时间对脱碳深度的影响，发现随着保温时间增加，轴承钢的脱碳层深度呈增大趋势，但保温时间超过一定时间后脱碳深度增加速度放缓4。2GCr15热轧盘条脱碳层的影响因素2.1坯料剥皮轴承钢热轧盘条一般由大方坯经开坯（高温扩散）成中间坯后轧制或由小方坯直接轧制，为研究坯料本身的脱碳层深度，分别取200 mm200 mm中间坯以及连铸坯片样，按照图1方式加工成6块样，观察坯料不同位置的脱碳层深度（如图2），结果如表1所示。可见无论是中间坯还是连铸坯，坯料都存在一定深度的原始脱碳层，若直接轧制极易导致盘条的脱碳层超标，因此需要对坯料进行剥皮处理。为了研究剥皮对最终盘条脱碳层的影响，对 5 支 200mm200 mm中间坯进行剥皮，另5支不剥皮，10支坯料安排在同一批次轧制成10 mm的盘条，加热时间与加热温度相同，检验盘条脱碳深度如表2所示。不经过剥皮的坯料直接轧制的盘条脱碳深度平均达到0.082 mm，而经过剥皮处理的平均深度仅为0.034 mm，可见对坯料进行剥皮处理，消除原始坯料的脱碳是降低热轧盘条脱碳层深度的有效措施。2.2加热工艺轴 承 钢 对 于 碳 化 物 要 求 较 高，根 据 GB/T18254-2016 标准，要求盘条的碳化物带状2.0级。为保证碳化物带状合格，在轧制前需要对坯料进行高温扩散，扩散温度通常为1 200 以上5。由大方坯经开坯后轧制成二火材盘条，由于在开坯时已经进行高温扩散，因此轧制时可以低温加热，加热温度通常在1 000 左右，加热时间120160min。而由小方坯直接轧制的一火材盘条，为了满足带状要求，必须在铸坯加热时进行高温扩散，加热温度需达到1 200 以上，同时保证一定的高温扩散时间,因此总的加热时间较二火材长，通常要达到160 min以上。为研究加热工艺对一火材、二火材脱碳的影响，各取3支坯料按以下生产流程轧制成盘条分别进行实验。张平 官跃辉 王猛 张林 陆长河：GCr15热轧盘条脱碳层深度控制的生产实践第29卷第3期表1 坯料各位置脱碳层深度/mmTable1 Decarburization layer depth at each position of billet/mm图1 坯料取样位置Fig.1 Blank sampling location图2 坯料脱碳组织Fig.2 Decarbonization structure of billet位置中间坯连铸坯10.610.4920.570.2330.780.2440.780.4050.610.2160.810.28表2 剥皮与不剥皮盘条脱碳层深度/mmTable 2 Depth of decarburization layer of peeling andnon-peeling wire rods/mm图3 剥皮与不剥皮处理盘条脱碳（左：剥皮，0.04 mm 右：不剥皮，0.10 mm）Fig.3 Peeling and non-peeling wire rod decarburization(left:peeling,0.04 mm Right:Non-peeling,0.10 mm)剥皮不剥皮10.030.0720.040.0930.040.1040.030.0750.030.08平均值0.0340.082 39第29卷第3期（1）一火材:小方坯（200 mm200 mm 连铸坯）-剥皮-加热（高温扩散）-轧制-成品盘条，加热温度（1 22020），加热时间分别为160 min、180min、200 min。（2）二火材:大方坯（390 mm510 mm 连铸坯）-开坯（200 mm200 mm中间坯）+高温扩散-剥皮-加热-轧制-成品盘条，加热温度（1 00020），加热时间分别为120 min、140 min、160 min。以上坯料均轧制成10 mm的盘条，每件取5支样观察脱碳层深度，结果如表3所示。可以看出，无论是一火材还是二火材，随着加热时间的增加，盘条脱碳深度都会加深。由于二火材轧制时加热温度低、加热时间短，所以脱碳深度明显比一火材低，因此对于二火材来说只需通过严格控制加热工艺，避免高温、长时间加热就可以保证盘条的脱碳层深度满足要求。但是对于一火材，在 160 min 最低加热时间下，平均脱碳深度为0.074 mm，最大深度已经达到了0.09 mm，所以对于一火材来说，在保证带状合格的前提下，不仅要控制加热温度以及时间，还需采取其他方法来进一步改善脱碳。2.3坯料涂层应用涂层是利用高温涂料均匀的涂抹在坯料表面形成一层保护膜，通过涂层材料与坯料表面生成致密的复合物来抑制碳氧相互渗透，从而减少烧损和降低脱碳的作用6。为改善一火轴承钢的脱碳，对比防脱碳涂层的具体效果，进行如下实验：（1）连铸坯（200 mm200 mm）-剥皮-加热（高温扩散）-轧制-成品盘条，加热温度（122020），加热时间分别为160 min；（2）连铸坯（200 mm200 mm）-剥皮-坯料喷涂-加热（高温扩散）-轧制-成品盘条，加热温度（122020），加热时间分别为160 min；以上 2 种坯料各轧制 1 件规格10 mm 的盘条，每件取5支样观察脱碳层深度，结果如表4所示。从试验结果看，使用涂料的盘条脱碳层深度显著降低，基本能降低到0.02 mm以下，所以对于一火材来说，防脱碳涂层的应用是改善脱碳层深度的有力措施。3结论（1）原始坯料表面脱碳严重，直接轧制会造成特钢技术表3 轴承钢盘条不同加热时间的脱碳层深度/mmTable 3 Decarburization layer depth of bearing steelwire rod at different heating times(mm)图4 一火材盘条不同加热时间的脱碳层深度Fig.4 The depth of the decarburization layer of direct rolling atdifferent heating times120 min 0.02 mm140 min 0.03 mm160 min 0.05 mm图5 二火材盘条不同加热时间的脱碳层深度Fig.5 Decarburization layer depth of twice-heating productionat different heating times加热时间（min）160180200120140160一火材二火材坯料类型10.050.080.130.020.020.0320.070.090.110.020.030.0430.070.110.100.010.030.0440.090.100.120.010.020.0350.090.080.110.020.030.05平均值0.0740.0920.1140.0160.0260.038表4 有涂层与无涂层处理的盘条脱碳层深度/mmTable 4 Depth of decarburization layer of coated anduncoated wire rods/mm图6 有涂层与无涂层处理的盘条脱碳层深度（左：有涂层0.02 mm，右：无涂层0.09 mm）Fig.6 Depth of decarburization layer for coated and uncoated wire rods(Left:coated 0.02 mm,Right:uncoated 0.09 mm)有涂层无涂层10.010.0720.010.0930.020.0740.010.00950.010.08平均值0.010.08 40最终盘条的脱碳层深度偏高，因此必须对坯料进行剥皮处理。（2）二火轴承钢轧制由于采用低温加热工艺，因此将加热温度控制在（1 00020）、时间控制在120160 min范围内，就可以有效的保证脱碳层深度0.05 mm。但是一火材为了满足带状要求，加热温度达到1 200，时间至少160 min，即使将加热温度、时间按照工艺下限控制，脱碳层深度最大仍达到了0.09 mm。（3）一火轴承钢使用防脱碳涂料能显著的降低盘条的脱碳层深度，因此可以在剥皮后表面喷涂防脱碳涂料，然后进行加热轧制。参考文献1 杨晓蔚.对轴承钢的一般认识和深入认识J.轴承,2012(9):54-58.2 信式奇，朱林林，刘金池等.级别球用高端轴承钢线材脱碳层的研究J.特钢技术，2019,25(98):42-44.3 蒋国强，莫杰辉，孙应军等永.不同加热温度下轴承钢脱碳的实验研究J.工业加热,2020,49(11):4-7.4 史学星，鞠新华，蔡宁等.高碳铬轴承钢加热过程中氧化与脱碳特性分析J.材料热处理学报,2017,38(3):139-147.5 余雷，田浩，李博鹏.GCr15轴承钢300 mmx400 mm连铸坯1180-1260 加热时间对60 mm材带状组织的影响J.特殊钢,2018,39(3):51-53.6 李康.轴承钢加热防脱碳研究J.冶金与材料，2020,40(2):57-58.张平 官跃辉 王猛 张林 陆长河：GCr15热轧盘条脱碳层深度控制的生产实践第29卷第3期冶金知识VAR熔炼工艺过程控制VAR熔炼最大的目的是依靠积层凝固减轻凝固过程中产生的偏析。因此，向凝固界面供应的熔融金属液要充足并且有必要使局部凝固的时间减小到一定程度，为了稳定地满足这样的条件，用均匀并且一定的速度来控制凝固是必须的。由于VAR工艺是熔炼和凝固同时进行的，为了使凝固速度均匀并且一定，必须控制作为输入热源的真空电弧能，以使熔炼速度一定，特别是弧隙控制和金属熔化速率控制（熔炼速度控制）很重要。电极前端和铸锭最上面的金属熔池之间的距离（弧隙）的变动，会引起熔炼用的电弧能量辐射分散在铜结晶器壁上的热平衡发生变化，结果导致金属熔池的形状变化，从而产生宏观偏析和铸锭表面质量不良等质量缺陷。所以该弧隙是VAR质量管理上的重要因素。一直以来都采用电压控制方式作为控制弧隙的方法。对应于弧隙变化，几乎区别不出电压的变化，因此根据电压的变化将电极控制在一定位置是困难的，为了应对用户提高的需求，有必要用精度更高的控制方式来代替电压控制方式。另外，虽然VAR使用的是真空感应炉熔炼的长尺寸自耗电极，但是由于电极内部存在孔洞和熔炼过程中产生CO气体等，因此会受到电弧区压力变化的影响，为了应对该变化，进行精度良好而恰当的控制对于质量要求是必不可少的。41