軸承鋼棒材生產(chǎn)新技術(shù)
為了降低軸承總體生產(chǎn)成本就要求在開始用于制造軸承元件之前不需要進行任何熱處理通常它所需要進行的熱處理是一種軟化退火/球化退火以使鋸切和冷剪切得以順利進行而不會縮短此類加工設(shè)備的使用壽命自1980年以來對采用熱機械軋制工藝生產(chǎn)用于直接拉拔或冷鍛的低合金鋼材料進行過各種不同的試驗研究對高碳鋼和軸承進行的其它試驗研究則考慮到在接近于奧氏體已經(jīng)開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的臨界溫度下進行軋制的可能性在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)條件下采用這種軋制方法存在一定困難因為它需要軋機擁有很大的軋制力和較大的機架結(jié)構(gòu)尺寸因此需要使用一種專用軋機
軸承鋼棒材生產(chǎn)新技術(shù)
從而使軋制產(chǎn)品在鋸切或冷剪切這樣的后續(xù)加工過程中不需要任何中間熱處理所有的試驗研究全部在ABS鋼廠和達涅利試驗室進行目前在線退火處理和淬火回火已在ABS鋼廠運行正常
ABS-Luna鋼廠年設(shè)計產(chǎn)能力50萬t特殊鋼小時產(chǎn)能90 t/h產(chǎn)品規(guī)格包括Φ20mm~Φ100mm直徑圓鋼棒材40mm~100mm方鋼符合用戶要求卷重的Φ15mm~Φ50mm直徑棒材大盤卷生產(chǎn)鋼種包括范圍廣泛的各類機械和汽車制造用鋼連鑄矩形坯規(guī)格為200mm×160mm由一臺兩流高速矩形坯連鑄機生產(chǎn)軋機由17架緊湊式無牌坊機架組成采用連續(xù)式平－立無活套布置配備有機架快速更換裝置可在5分鐘內(nèi)完成產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)格的更換兩套換輥機械人設(shè)備可自動連接軋機與軋輥維修區(qū)在軋輥維修區(qū)新機架已經(jīng)過清洗和重新組裝處于備用狀態(tài)為確保產(chǎn)品獲得良好的表面質(zhì)量軋制線配備5臺除鱗設(shè)備其中第一臺為回轉(zhuǎn)式布置在軋機入口側(cè)產(chǎn)品最終尺寸加工精度 （可控制在DIN 1013規(guī)定公差的1/8范圍內(nèi)）由一個5道次Kocks達涅利減徑定徑軋制機組 （RSB）和用于實現(xiàn)加工精度自動控制的兩個外形輪廓自動檢測儀來保證在RSB減定徑機組前面設(shè)有一條冷卻線用于確保軋件在進入最終精軋區(qū)之前達到所要求的溫度范圍并保證溫度均勻性 （LTR－低溫軋制）
長材產(chǎn)品低溫軋制意味著精軋溫度應(yīng)控制在700℃~820℃范圍內(nèi)而且更重要的是要確保正在軋制的軋件具有良好的均勻性以避免因精軋溫度變化而改變材料內(nèi)部組織
低溫軋制工藝要求軋件獲得細(xì)晶粒顯微組織以便為最終在線熱處理做好組織準(zhǔn)備軋制溫度是三個基本軋制參數(shù)中的一個它在整個熱變形過程中將影響晶粒組織細(xì)化的各個階段晶粒組織細(xì)化和晶粒生長控制是低溫軋制工藝采用的主要手段它能夠影響時間-溫度轉(zhuǎn)變曲線 （如CCT曲線位置）改變晶界長度從而改變形核位置其中溫度是影響整個工藝過程最重要的熱力學(xué)參數(shù)
晶粒細(xì)化過程可分為不同的階段雖然不同階段也可能出現(xiàn)在同一時間原始晶粒變形將有增加錯位密度的趨勢能夠在新生晶粒邊界形成晶核新晶粒邊界的消失和再生與實際溫度密切相關(guān)新晶粒的形成和生長是一個熱力學(xué)過程在不同的階段會發(fā)生恢復(fù)靜態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)再結(jié)晶從而影響流動應(yīng)力曲線最后晶粒生長呈現(xiàn)一種趨勢那就是使晶界能量最小正如眾所周知的各種不同化學(xué)成份的理論模型所闡述的那樣關(guān)鍵溫度決定著晶粒細(xì)化條件和完全再結(jié)晶晶粒生長結(jié)構(gòu)之間的分界線隨著碳含量的減少這種效應(yīng)就會變得更加明顯對于16MnCr這樣的鋼種來說可以很容易地得到晶粒細(xì)化超過40％的顯微組織
實際應(yīng)用中確保軋制產(chǎn)品在整個橫斷面上保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有十分重要的意義特別是當(dāng)軋件表面溫度低于臨界溫度值而芯部溫度仍然在較高的溫度范圍內(nèi)時將有可能形成一種非均勻的最終組織其中包括晶粒大小和所組成的相
ONA退火室與冷床布置在一條線上退火室包括一座煤氣爐棒材層被輸送到退火室內(nèi)目的是對從軋機區(qū)已經(jīng)開始的熱處理進行到底 （緩冷軟化退火球化退火回火）采用最優(yōu)化布置的燒嘴和使用能夠均勻冷卻的一組對流風(fēng)機可確保退火爐內(nèi)溫度布置均勻一致從而不僅能夠保證完全不會出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象而且可確保在棒材長度方向上以及各個棒材之間獲得均勻一致的機械性能
棒材經(jīng)過定尺切割后將進入整個在線生產(chǎn)工藝過程中的最后兩道重要的生產(chǎn)工序即在線檢查和精整棒材精整作業(yè)線由一臺在線噴丸清理機4臺砂輪鋸一個NDT無損檢查站一個棒材去毛刺站一個堆垛站多臺打捆機和一個最終收集站組成
本試驗研究的鋼種是最常見的軸承鋼AISI52100此外ONA退火爐還對范圍廣泛的各類合金鋼進行了熱處理其中包括退火和回火處理
棒材在ONA退火室內(nèi)的移動由步進梁式輸送器完成步進梁采用特殊的超耐熱合金鋼制造內(nèi)部沒有通水冷卻而且設(shè)有一個專用機構(gòu)使棒材在熱處理過程中不斷翻轉(zhuǎn)從而可有效避免產(chǎn)品表面形成黑印燒嘴的合理布置再加上專用大功率冷卻風(fēng)機可確保退火爐內(nèi)溫度分布均勻燒嘴功率通過布置在每個加熱區(qū)的高溫計實現(xiàn)的負(fù)反饋進行控制
考慮到ONA退火室采用模塊結(jié)構(gòu)形式模塊基本長度為25m因此可容納25m50m直到最大長度為75m的棒材在對Cr/CrMo鋼進行等溫退火時其最大連續(xù)退火能力可高達125 t/hABS Luna鋼廠ONA退火室總長度為50m以滿足90 t/h的設(shè)計能力要求9個不同的縱向區(qū)和兩個橫向區(qū)可有效控制退火爐內(nèi)氣氛溫度9個區(qū)內(nèi)配備有雙燒嘴和一個強制對流風(fēng)扇以使?fàn)t內(nèi)氣流分布均勻該裝置可通過兩種方式促使室內(nèi)空氣循環(huán)既可以將熱空氣推向ONA退火室入口區(qū) （順時針空氣循環(huán)）也可以實現(xiàn)反向循環(huán)為位于熱處理爐中部的棒材提供更多的熱量這樣就可以為滿足特定的熱處理工藝要求形成需要的溫度梯度分布
對于高碳鉻鋼來說熱軋產(chǎn)品材料硬度要高于320HB而這樣的硬度則不適合所有的下列作業(yè)如冷剪鋸切等考慮到珠光體組織強度主要取決于鐵素體與碳化物之間的層間距因此要減小軋件在軋制狀態(tài)下的硬度一種可行的方法是拓寬層間距可以通過兩種不同途徑來實現(xiàn)第一種方法是增加成核點細(xì)化奧氏體晶粒組織以使相變能夠在較短的時間內(nèi)在較高的溫度下開始第二種降低冷卻速率使材料保持在較高的溫度范圍內(nèi)以便有可能增大層間距選擇一種或同時采用上述兩種方法都有可能降低材料硬度改善材料的冷剪切或鋸切性能和條件然而遺憾的是對硬化層深度和滾動接觸疲勞強度的最終要求在很大程度上受到原始組織的影響考慮到這個原因因此有必要開發(fā)一種新的方法能夠在不影響材料最終機械性能的條件下降低材料硬度
AISI52100軸承鋼碳含量為1%鉻含量1.5 %通常以球化退火或軟化退火狀態(tài)供貨球化退火狀態(tài)的材料顯微組織非常適合于象鉆孔和切削這樣的機械加工事實上帶有球狀碳化物連續(xù)分布的鐵素體組織對于此類鋼種來說具有最好的延展性這種組織可確保在軸承元件經(jīng)過最終硬化處理后獲得適中的硬度和良好的抗疲勞破壞性能經(jīng)過這種熱處理后的硬度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為200HB當(dāng)鋼材以軟化退火狀態(tài)供貨時其硬度應(yīng)高于200HB以便順利完成剪切而不會產(chǎn)生裂紋和降低剪切刀具使用壽命球化退火工藝用時較長成為生產(chǎn)成本最高的一種退火工藝其原因包括①整個退火時間較長②大量的棒材捆搬運輸送作業(yè)造成較多的時間損失③由于氧化鐵皮生成而造成材料損失④存在表面脫碳現(xiàn)象⑤需要在退火后進行棒材矯直
通過試驗表明等溫形成的一種不可分解的珠光體或貝氏體組織可在退火過程中形成一種更快而且更均勻的碳化物球化過程為縮短退火時間應(yīng)形成一種組織它能夠縮短擴散距離從而更有利于促進碳化物球化過程這種組織應(yīng)該是一種最細(xì)小致密的組織可通過快速冷卻或者在低溫條件的等溫轉(zhuǎn)變來形成試驗研究的主要目的是完善軋制工藝確定冷卻路徑和退火工藝而不需要材料的任何中間存放
第一次試驗軋制用坯料是由連鑄機生產(chǎn)的200mm×160mm矩形坯冷卻到室溫后再冷裝到步進梁式加熱爐內(nèi)
只有當(dāng)精軋溫度降低到720℃時晶粒大小才有明顯變化現(xiàn)在來說在較低溫度軋制并在冷床上空冷的棒材材料表現(xiàn)出較高的硬度其主要原因很可能與珠光體晶粒細(xì)化有關(guān)考慮到進入ONA退火室的目標(biāo)溫度為450℃~500℃晶粒細(xì)化有助于獲得細(xì)小致密的貝氏體組織因此將這一溫度確定為RSB減徑定徑軋制機組標(biāo)準(zhǔn)精軋溫度
第二次試驗在RSB減徑定徑軋制機組選擇處于中間值的精軋溫度然后在棒材進入冷床之前由DQS直接淬火系統(tǒng)進行快速冷卻這就是確保在細(xì)化晶粒的同時獲得較高硬度值的保證條件
試驗結(jié)果
在試驗過程中選擇了不同的熱處理工藝進行試驗試驗的首要目標(biāo)是獲得一種可接受的球化組織其硬度低于200HB擁有規(guī)則分布的碳化物而不是呈任何厚片狀或殘余薄片狀分布的碳化物
考慮到合金鋼種的整個范圍為了確保晶粒得到顯著細(xì)化給定了與精軋機總壓下量密切相關(guān)的溫度范圍對于碳鋼C-Mn鋼和C-Cr鋼720℃~800℃的溫度范圍 （當(dāng)碳含量降低時溫度相應(yīng)提高）應(yīng)該是一個最佳值此時要求最小斷面收縮率應(yīng)達到25％可以肯定的是應(yīng)變率將影響再結(jié)晶過程和溫度升高此時應(yīng)盡可能提高軋制速度從而增大應(yīng)變率而最大軋制道次數(shù)則是增加壓下量的限制因素
至于ONA退火室設(shè)定溫度如何選擇其目標(biāo)是最大限度地縮短獲得所需顯微組織的熱處理時間對于含鉻軸承鋼來說提高退火溫度并不能總是保證能夠縮短熱處理時間因為有可能產(chǎn)生粗大的碳化物顆粒而且最終組織會出現(xiàn)一種非均勻的碳化物分布重要的是在退火初期要擁有許多成核位置而碳化物則出現(xiàn)在小而分散的多個地方
各種組織的最終HB硬度變化似乎并不太大這是因為存在這樣一個事實所有分析樣本的球化率總是高于80％只有某些轉(zhuǎn)變組織沒有經(jīng)過充分細(xì)化的情況除外
目前達涅利已經(jīng)開發(fā)一套完整的AISI52100不銹鋼熱處理工藝以完善直接從軋機開始的球化退火精軋溫度等溫轉(zhuǎn)變啟始溫度以及退火溫度和時間等工藝參數(shù)均得到優(yōu)化從而使材料內(nèi)部組織的球化率大于80％而最終硬度則低于220HBONA退火室目前已投入到實際生產(chǎn)中用于等溫退火和回火從而使整個熱處理周期縮短到只用2個小時而且在材料硬度和碳化物分布方面均得到令人滿意的結(jié)果
