[发明专利]一种基于强对流保护性气氛下的GCr15轴承钢球化退火工艺

说明书

 技术领域

本发明属于金属材料热处理技术领域，涉及一种GCr15轴承钢球化退火工艺，尤其是轴承滚动体材料大炉量情况下退火组织均一性技术。

 背景技术　　

所述GCr15轴承钢组成元素以Fe为基体：同时含C：0.95～1.05％；Cr：1.40～1.65； Mn：0.25～0.45； Si：0.15～0.35； S≤0.025、P≤0.025、Mo≤0.10、Ni≤0.30、Cu≤0.25、Ni+Cu≤0.50；其他微量元素钛(Ti)、钒(V)、钨(W)、硼(B)、氮(N)、氧（Ｏ）等及稀土类(Xt)亦加以控制（执行标准: GB/T18254-2002）。GCr15是高铬轴承钢的典型牌号，占铬轴承钢产量的９０％左右，其线材主要用于制造轴承滚动体。

轴承钢球化退火的目的，一是获得合适硬度，以利于后续冷拉拔、冷镦及切削加工；二是获得铁素体基体上均匀分布着细小球状碳化物颗粒的组织，为最终高温淬火和回火提供组织准备。碳化物的组织形态(形状、大小、数量和分布)对最终性能影响很大，但因淬火时有相当多的碳化物不能溶解，所以淬火后碳化物的组织形态基本上仍由球化退火所决定，因此球化退火是轴承滚动体生产中极其重要的工艺技术.

目前，GCr15轴承钢球化退火最常用的两种传统工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1（约为735～760℃）以上20～50℃，保温适当时间，然后随炉冷却(50℃／h)至600℃左右出炉空冷；等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度(690～720℃)进行等温，等温后随炉冷至600℃左右出炉空冷；此外，实践中有的单位开发了诸如周期球化退火（循环球化退火）、快速退火等工艺技术，如在Ac1点附近的温度反复进行加热和冷却，一般进行3～4个周期，使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中，碳化物得以球化。

上述球化退火工艺存在的不足之处是：

传统球化退火工艺是在早期基于炉型简单、炉容量较小的背景下出现的，目前许多关于球化退火的研究工作也往往是在实验室条件下进行的，随着现代大型工业加热炉的出现，影响球化退火质量的因素也越来越多、愈来愈复杂，许多在单件、小件退火背景下不起作用的因素常常在新条件下变为必须十分注意控制的因素，但这方面的研究还很不够。如普通球化退火在大炉容量时,材料热均匀性差，常出现碳化物的颗粒不均匀,材料局部可能过烧，而有的地方却欠热，硬度不一致，影响以后的冷加工及最终淬回火的组织和性能；等温球化退火工艺是利用不均匀奥氏体中未溶碳化物或奥氏体中高浓度碳偏聚区的非自发形核作用来加速球化，由于一般情况下等温时间较长（为其加热保温时间的1.5倍），对于细珠光体组织，往往会转变为粗大珠光体组织，其结果不利于碳化物的球化；至于重复摆动球化退火，其工艺操作繁杂，很不经济，只适用于小型和少量工件的热处理。也有少数钢厂进行了热轧过程中的控轧控冷实验，以期达到使热轧钢丝内部组织球化的目的，但这种方式严重影响钢厂生产效率，且球化质量不高，难以完全替代专业化的球化退火工艺技术。

GCr15盘条一般每盘质量在２.5Ｔ左右，为提高效率、节省能源，实践中多采用十余或数十吨材料一次处理。上述传统球化退火工艺条件下，在炉型较大、装炉量较多和需要拼炉装料时，由于材料规格、化学成分（主要是微量元素）的差异、加热炉有效加热区温度与保温时间的不一致、炉料吨位较大时热惯性亦较大等因素影响，很难保证材料处理后的质量均一性，实践中往往会造成同一炉次球化退火质量明显不均匀、不同炉次的质量重复性较差，从而造成后续加工生产的轴承滚动体质量分散度较高。

球化退火属于不完全退火，它之所以能使渗碳体球化，在因为相变时奥氏体化是“不完全”的，其加热温度只高于Ac1不多，在片状珠光体转变成奥氏体的同时，有少量碳化物溶解，还有大量碳化物保留着，在冷却的时候，成为溶于奥氏体中碳化物的结晶核心。另外溶于奥氏体中的碳化物，其成分并不均匀，在碳化物原先存在的地方，含碳浓度高，由此造成奥氏体中各处碳浓度的差别，于是，当浓度不均匀的奥氏体冷却到Ar1以下时，未溶的碳化物及浓度不均匀的奥氏体，便析出碳化物，同时由于表面张力的作用形成了球粒状珠光体。