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温度和冷却速度对PGCr15轴承钢球化质量的影响
董立岩
Effect of Temperature and Cooling Rate on Spheroidizing Structure of Bearing Steel PGCr15
Dong Liyan
(Heat Treatment plant, Dalian Iron and Steel Group Co Ltd, Dalian 116031)▲
　　几年来，热处理分厂的电加热辊底炉共处理了几万吨轴承钢，其组织和硬度的一次合格率为100%。高质量的退火组织的获得是基于先进的热处理设备和合理的工艺制度。本文通过实验，观察了不同温度、不同冷却速度对轴承钢球化组织的影响，并应用球化原理阐述了产生这种变化的原因。
1　退火设备简介
1.1　辊底炉的主要结构
　　热处理分厂的电加热式辊底炉是从西德纳塞尔炉子公司引进的先进技术，由双方合作设计、制造的，可用于特殊钢的正火和退火。
　　辊底炉的主体结构如图1所示。

图1　电加热辊底连续退火炉结构示意图
Fig.1　Sketch of electric heating continuous roller hearth annealing furnace
1.2　退火工艺过程
　　钢材吊至进料台架上，快速进入前真空锁气室(抽真空至50 Pa,充保护气至室内压力200～400 Pa)，以正常速度进入炉子加热段；加热段分为9个控制区(按钢种退火要求设定每个区的温度)，钢料在加热段内完成加热、保温、控制冷却后进入快冷段及冷却段；钢料被冷却到160 ℃以下，进入已抽真空并有保护气体的后真空锁气室内并快速至出料台架，横移落入收集槽中。
2　球化退火工艺
　　GCr15钢的Ac1为735～765 ℃，Acm为900 ℃；760 ℃是球化退火温度的下限，奥氏体晶粒内微区域成分均匀化温度为840～850 ℃，即加热温度的上限。虽然在此温度范围内都可以得到粒状珠光体，但颗粒的形状、细密有很大差别，即组织的级别有很大不同。要想得到最佳组织及适中的硬度值，每一个设备均有它的最佳退火温度。热处理分厂辊底式退火炉的最佳温度为800～820 ℃，退火组织2.0级及2.5级占99%，退火硬度全部合格且很均匀(平均HB 196)。
　　图2为800 ℃时退火温度跟踪曲线与设定值曲线的比较。从图2可见，虽然辊底炉退火工艺
温度是分区设定的，且各区域之间都有20～30 ℃左右的温差，但从炉温跟踪曲线可以看出：实际炉温变化是连续的，即炉料的温度变化是连续而平缓的。每批钢材通过9个区后即完成了加热、保温、控制冷却这一普通球化退火过程。

图2　辊底式退火炉温度跟踪曲线与设定值比较
Fig.2　Comparison of fixed and real measured temperature in roller hearth annealing furnace
3　影响球化质量的因素
3.1　温度对PGCr15球化质量的影响
　　本实验对PGCr15 Φ25 mm轧材在730 ℃，760 ℃，820 ℃，850 ℃，880 ℃(辊速3 m/h)不同温度下的组织和硬度进行了观察、对比，实验温度和检验结果见表1，相应的金相组织见图3。
表1　温度对PGCr15球化组织和硬度的影响
Table 1　Effect of temperature on spheroidizing structure and hardness of bearing steel PGCr15

料号
退火温度/℃
辊速
/m.h-1
球化组织
/级
硬度(HB)
硬度(HB)
平均值
1区
2区
3区
4区
5区
6区
7区
8区
9区
1
730
730
730
730
710
690
670
650
630
3
＜1.0
231，229×3,225
228
2
760
760
760
760
750
720
690
660
640
3
1.5～2
202×2,204,203,201
202
3
820
820
810
780
750
730
710
690
660
3
2.5～3.0
188×3,193,195
190
4
850
850
840
810
780
750
720
690
660
3
5.5
201，202，204，207×2
204
5
880
880
860
830
800
770
740
710
680
3
＞6
217，223
220

图3　不同温度退火时的PGCr15钢球化组织　×500
(a) 1号 730 ℃＜1.0级； (b) 3号 820 ℃ 2.5级； (c) 4号 850 ℃ 5.5级
Fig.3　Structure of bearing steel spheroidizing annealing at different temperature，×500 a- 730℃, b- 820℃; c- 850℃
　　730 ℃退火，温度过低，部分原始片状珠光体未能完全溶于奥氏体，在冷却过程中使部分碳化物沿原珠光体片的方向析出，由于温度过低，已析出的碳化物来不及聚集长大，因而获得具有轧材特点的细片状珠光体(照片上的黑团)和细粒状混合物，对照YB9-68标准，评为＜1.0级的不合格组织，即欠热组织(图3a)，该组织硬度偏高，重新退火可以改善。
　　760 ℃是球化退火温度的下限，原始片状珠光体虽已溶解但奥氏体中的化学成分极不均匀，冷却过程中点状碳化物在高温停留时间短，来不及长大，表现为细小的粒状和少量密集点状堆积，组织1.5～2级，偏低。
　　820 ℃为热处理分厂辊底炉正常球化退火温度，在该温度下，原片状珠光体溶断成许多碳化物质点，这些质点或在奥氏体富碳区形成的碳化物晶核在随后的缓慢冷却过程中形成均匀分布的细粒状和少量点状，组织级别为2.5级。硬度HB188～195，是比较理想的球化组织(图3b)。
　　当温度继续升高到850 ℃时，由于温度较高，碳化物溶解过多，奥氏体成分均匀化，冷却时会出现粗片状珠光体和少量粗粒状碳化物，对照标准为5.5级(图3c)，超出合格范围，硬度尚在合格范围之内。
　　当温度升高到880 ℃时，由于接近Acm,原片状珠光体大部分溶解，奥氏体在短时间内达到均匀化，在随后的冷却过程中形成高温的粗片状珠光体和变形的颗粒碳化物。该组织为过热组织，对于过热引起的组织缺陷可先加热到900～920 ℃正火，然后再在正常温度下进行二次退火。
　　根据表1不同温度下钢材具有不同硬度，作出冷速为10～30 ℃/h时温度和硬度的关系图(图4)。由图4可看出，PGCr15钢在冷却速度一定时，球化退火温度过高或过低，钢材的硬度值都偏高，这是由于组织的形态而决定的，即球化退火温度偏低时产生的不均匀细粒状珠光体和退火温度过高时产生的粗片状珠光体都会使硬度升高造成不合，在780～820 ℃时硬度值有一最佳范围，而此时的球化组织也最佳。

图4　PGCr15钢退火温度与硬度关系(冷速10～30℃/h)
Fig 4　Relation between annealing temperature and hardness of steel PGCr15(Cooling rate 10～30 ℃/h)
3.2　冷却速度对PGCr15球化质量的影响
　　对PGCr15 Φ25 mm轧材在工艺温度不变，辊速分别为3 m/h,4 m/h,5 m/h时进行退火，工艺温度及检验结果见表2。
表2　退火炉的辊速对PGCr15轴承钢球化组织及硬度的影响
Table 2　Effect of roller speed of annealing furnace on spheroidizing structure and hardness of bearing steel PGCr15

退火温度/℃
辊速
/m.h-1
球化组织
/级
硬度(HB)
1区
2区
3区
4区
5区
6区
7区
8区
9区
820
820
810
780
750
730
710
690
660
3
4
5
2.5
2.0
1.5～2.0
183×3　193　195
194　191　192×2　191
198×5

　　冷却速度的大小，也是影响球化质量极其重要的因素，它直接影响到粒状碳化物颗粒的大小和均匀性，同时影响退火材的硬度。应当说明的是本实验辊速增加到5 m/h仍还是在正常冷却范围内(＜30 ℃/h)，其组织、硬度仍符合标准要求。
　　在退火组织和硬度合格的条件下，提高辊速对大生产具有实际意义。例如，当辊速由现行的3 m/h提高到4 m/h时，其生产效率可提高25%，节约能耗，且钢材在高温区的停留时间变短 ，有利于减少钢材表面的脱碳，这一点还有待今后在大生产中进一步检验。
4　结论
　　(1) 加热温度是影响球化质量的主要因素，球化退火温度一般控制在780～820 ℃为宜。
　　(2) 冷却速度影响碳化物颗粒大小和均匀度，一般宜控制在10～30 ℃/h。■
作者简介：董立岩，女，36岁，高级工程师。1985年毕业于东北大学金属材料热处理专业。从事热处理工艺及设备的试验研究。
作者单位：董立岩(大连钢铁集团有限责任公司热处理分厂，大连　116031)