一.测试方法

测试是在正常滚动条件下进行的。试验材料是GCr15轴承钢，化学成分如表1所示。

表1试验钢的化学成分/%

数字

注:试验钢为55mm圆钢。

在正常轧制条件下，φ50mm gcr 15轴承圆钢被定尺切割，然后横向移动，通过一、二次水冷器快速冷却。钢冷却时，最低温度为860 ~ 870℃，最高温度约为920℃。钢经过两次快速冷却后的断面温度曲线如图1所示。当圆钢表面温度为920℃时，进入1#水冷器，出口水冷器表面温度降至400 ~ 500℃。经过一定时间后，钢温恢复到600 ~ 700℃，进入2#水冷器进行二次冷却。从2号水冷器出来的钢材表面温度一般为400 ~ 460℃，从辊道到收集台钢材温度上升到550 ~ 650℃，然后下降。试验结果表明，每次在水冷器中快速冷却时，钢的表面温度不应低于300℃，以防止钢表面形成马氏体。

由同一轧制工艺制度轧制的空冷料和控冷料在连续退火炉中退火或模拟连续退火制度进行球化处理。比较了显微组织和性能。

图1两次水冷钢的温度曲线

二、测试结果及分析

(a)冷却水压力和钢发红温度对显微组织的影响

φ 50mm圆棒水冷后最高表面泛红温度与冷却水水压的关系如图2所示(885℃开始水冷)。当移钢速度一定时，随着冷却水压力的增加，钢的红化温度降低，冷却能力增加。

图2冷却水压力与φ50mm棒材表面泛红温度的关系

试验结果表明，当钢温为885℃并开始快速冷却时，钢的红化温度只有一次达到780℃。通过金相检验和电镜检验可以看出，在圆截面的边缘和1/4直径处可以得到片状和异常的珠光体和少量网状碳化物，而中心部分是薄的片状珠光体和网状碳化物。二次快速冷却后，轴承钢棒材的最高红化温度为630 ~ 660℃，其边缘和1/4直径为异常索氏体和部分球状或半球状碳化物。有些地方有极细的网状碳化物。核心组织为断续片状珠光体、索氏体和少量细网状碳化物。

(2)冷却水压力对轴承钢棒网状碳化物的影响

以φ55mm轴承钢圆棒为例，870℃急冷随水压增加，金相试样网状碳化物等级降低，但变化不显著。网状碳化物的等级小于2.5 (YJZ-84)，网状一般出现在心脏。

(3)初始冷却温度对棒材网状碳化物的影响

结果表明，网状碳化物的级别随初始冷却温度的升高而降低，在875℃以上，初始冷却温度对网状碳化物的析出影响不明显。这是因为轴承钢中网状碳化物在变形条件下的析出温度在960℃~ 700℃之间，高温时析出量相对较少，在700℃~ 750℃之间碳化物析出最强烈。如果钢在轧制后从较高的温度快速冷却，在该温度范围内的碳化物沉淀可以被抑制。

因此，如果棒材在轧制后立即通过水冷冷却到800℃以上，可以防止晶粒长大，并进一步细化变形奥氏体晶粒。由于变形，碳化物析出温度Arcm升高，快速冷却后，Arcm温度降低，从而碳化物析出量减少。同时，由于奥氏体晶粒的细化，碳化物析出、弥散、细化。进行二次快速冷却时，钢温可降至650℃以下，并可防止网状碳化物的进一步析出。

如果快速冷却后的泛红温度在碳化物析出的温度范围内，在此温度范围内缓慢冷却钢筋而不立即进行二次冷却，就会得到粗大的网状碳化物组织。

(4)轧后快冷停止温度对网状碳化物等级的影响

轧后快冷停止温度是一个极其重要的工艺参数，它决定了不同截面钢材冷却后的自红温度。轧制后的φ 34 ~ 55 mm轴承钢棒材宜快速冷却至表面温度450 ~ 500℃，发红后钢温可控制在550 ~ 650℃范围内，然后空冷却，可获得理想的显微组织。

大截面的圆钢必须进行多次冷却，同时两次水冷之间要间隔一定的时间，以达到使钢表面变红的目的，为下一次冷却做准备。变红温度取决于所需的受控冷却工艺系统。

例如，轧制φ55mm gcr 15轴承钢棒材时，初冷温度为893℃，一次冷却后钢材返回温度为690℃，二次冷却后返回温度为640℃。钢在893 ~ 700℃之间冷却速度较快，内外温差较小，抑制碳化物析出。轧制试样的净碳化物等级为2.5，内外比较均匀。另一轧件初冷温度为925℃，一次水冷后发红温度为760℃，二次水冷后最高发红温度为680℃。由于在一次水冷和二次冷却之间，在700 ~ 760℃停留一定时间，处于碳化物剧烈析出的温度，所以沿截面的网状碳化物等级达到4级。

(5)控制冷却工艺对球化退火工艺的影响。

轧制后立即快速冷却的目的不仅是为了降低网状碳化物的等级，而且是为了防止形变奥氏体晶粒长大，在相变后形成粗大的珠光体团。同时，过冷度增大，Arcm和Ar1温度降低，使珠光体片层间距减小，可形成退化珠光体和索氏体，有利于快速球化，缩短球化退火时间。

对GCr15轴承钢控冷材料和空冷材料的球化退火工艺进行了研究和对比。

球化退火所用的控冷材料为不同控冷条件下的钢作为试验材料和空冷试验材料，其控冷工艺如下:

1.经过二次水冷后，返红温度分别为630℃、640℃和660℃。

2.一次水冷后泛红温度为780℃的水冷材料。

3.空冷料。

以上三种钢的轧制工艺是一样的。球化退火试验在长98 m的连续退火炉中进行，球化退火在不同的喂钢速度下进行。为了改变球化退火各段的温度状态，根据连续炉各段的温度状态和不同的喂钢速度，采用箱式电加热炉模拟连续炉的球化退火过程。钢在炉内的进料速度分别为3m/h、4m/h、5m/h、6m/h和7m/h。

试验结果表明空冷料以大于4 m/h的钢速进行球化退火后不能获得合格的球化组织，采用红化温度为630℃的控冷料，以5m/h ~ 7m/h的送钢速度进行球化退火，可以获得合格的球化组织(2 ~ 2.5级)。反之，水冷后的钢以3m/h的进给速度退火，其球化组织会粗化，达到3.5 ~ 6级。水冷后返红温度高于640℃时，送钢速度大于5 m/h，球化后的球化组织不合格(小于2级)。实验表明，水冷材料的球化退火时间明显短于空冷材料。

试验方案中，球化退火加热温度由820℃降至800℃，炉尾在690℃和660℃停留时间由1 h 37 min缩短至39 min。加速冷却。当送钢速度为5 m/h时，总退火时间为6h 38min；；钢的行走速度为6 m/h，总退火时间为5 h 38 min。钢的行走速度为7m/h，总退火时间为4h46min。

结果表明，钢速大于5 m/h的空冷料的球化退火组织为2级以下，钢速为5 m/h的水冷料一次冷却后的球化组织仅为2级，但二次冷却后，以6m/h钢速进行球化退火仍可获得合格的球化组织。返回温度630℃退火前的预组织较好，即使以7m/h钢速球化，球化后的组织也为2级。

因为轧后控冷材料的显微组织是片层间距很薄的异常索氏体和珠光体。球化退火时，碳原子扩散路径短，碳化物容易破碎，破碎后残留的碳化物颗粒数量多，为冷却过程中碳化物析出提供了更多的场所，因此可以以更快的速度冷却。同时，片层间距小，片层之间的界面相应增加，界面能增大，也起到了加速原子扩散和球化退火的作用。在轧后控冷材料中，珠光体中的渗碳体呈断续状甚至半球状，有利于球化过程，缩短球化时间。

(六)控制冷却对轴承钢棒材性能的影响

退火后，对照和空冷料的硬度随着球化速度的增加而增加，如图3所示。

图3模拟试验中φ50mm轴承钢球化退火进钢速度与硬度的关系

在相同的喂钢速度条件下，通过控制冷料比空来降低冷料的硬度，因为随着喂钢速度的增加，退火时间缩短，钢的球化组织级别降低，所以钢的硬度增加，而冷料比空更容易球化，在相同的退火时间下，退火后冷料的球化组织级别比空冷料得到控制。碳化物颗粒尺寸均匀且分散，因此冷却材料的硬度被控制得较低。

控冷材料的接触疲劳寿命比空冷材料长。表2显示了φ 50mm GCR15轴承钢和空冷退火材料的接触疲劳寿命的比较结果。

表2水冷材料和空冷材料的接触疲劳寿命

三。结论

GCr15轴承圆钢，直径在φ 34 ~ 55 mm范围内，轧后采用适当的快冷工艺，可将网状碳化物的等级降至2.5级以下。缩短球化退火时间可获得符合YJZ-84标准的2 ~ 3级球化组织。因此，大截面轴承钢棒材轧后快速冷却工艺和快速球化退火工艺在理论和实践上证明是一种先进的轧制生产工艺，值得推广。