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AISI52100轴承钢棒材生产新技术
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-02-04
AISI52100轴承钢碳含量为1%，铬含量1.5 %，通常以球化退火或软化退火状态供货。球化退火状态的材料显微组织，非常适合于象钻孔和切削这样的机械加工。
为了降低轴承总体生产成本，就要求在开始用于制造轴承元件之前，不需要进行任何热处理。通常，它所需要进行的热处理是一种软化退火/球化退火，以使锯切和冷剪切得以顺利进行，而不会缩短此类加工设备的使用寿命。自1980年以来，对采用热机械轧制工艺生产、用于直接拉拔或冷锻的低合金钢材料，进行过各种不同的试验研究。对高碳钢和轴承进行的其它试验研究，则考虑到在接近于奥氏体已经开始转变为珠光体的临界温度下进行轧制的可能性。在现有工业生产条件下采用这种轧制方法存在一定困难，因为它需要轧机拥有很大的轧制力和较大的机架结构尺寸，因此需要使用一种专用轧机。
从而使轧制产品在锯切或冷剪切这样的后续加工过程中，不需要任何中间热处理。所有的试验研究全部在ABS钢厂和达涅利试验室进行。目前，在线退火处理和淬火回火已在ABS钢厂运行正常。
ABS-Luna钢厂年设计产能力50万t特殊钢，小时产能90 t/h。产品规格包括Φ20mm~Φ100mm直径圆钢棒材、40mm~100mm方钢、符合用户要求卷重的Φ15mm~Φ50mm直径棒材大盘卷。生产钢种包括范围广泛的各类机械和汽车制造用钢。连铸矩形坯规格为200mm×160mm，由一台两流高速矩形坯连铸机生产。轧机由17架紧凑式无牌坊机架组成，采用连续式平－立无活套布置，配备有机架快速更换装置，可在5分钟内完成产品生产规格的更换。两套换辊机械人设备可自动连接轧机与轧辊维修区。在轧辊维修区，新机架已经过清洗和重新组装，处于备用状态。为确保产品获得良好的表面质量，轧制线配备5台除鳞设备。其中第一台为回转式，布置在轧机入口侧。产品最终尺寸加工精度 （可控制在DIN 1013规定公差的1/8范围内），由一个5道次Kocks——达涅利减径定径轧制机组 （RSB）和用于实现加工精度自动控制的两个外形轮廓自动检测仪来保证。在RSB减定径机组前面，设有一条冷却线，用于确保轧件在进入最终精轧区之前，达到所要求的温度范围，并保证温度均匀性 （LTR－低温轧制）。
长材产品低温轧制意味着精轧温度应控制在700℃~820℃范围内。而且更重要的是要确保正在轧制的轧件具有良好的均匀性，以避免因精轧温度变化而改变材料内部组织。
低温轧制工艺要求轧件获得细晶粒显微组织，以便为最终在线热处理做好组织准备。轧制温度是三个基本轧制参数中的一个，它在整个热变形过程中，将影响晶粒组织细化的各个阶段。晶粒组织细化和晶粒生长控制是低温轧制工艺采用的主要手段。它能够影响时间-温度转变曲线 （如CCT曲线位置），改变晶界长度，从而改变形核位置。其中温度是影响整个工艺过程最重要的热力学参数。
晶粒细化过程可分为不同的阶段，虽然不同阶段也可能出现在同一时间。原始晶粒变形将有增加错位密度的趋势，能够在新生晶粒边界形成晶核。新晶粒边界的消失和再生与实际温度密切相关。新晶粒的形成和生长是一个热力学过程。在不同的阶段，会发生恢复、静态再结晶和动态再结晶，从而影响流动应力曲线。最后，晶粒生长呈现一种趋势，那就是使晶界能量最小。正如众所周知的各种不同化学成份的理论模型所阐述的那样，关键温度决定着晶粒细化条件和完全再结晶晶粒生长结构之间的分界线。随着碳含量的减少，这种效应就会变得更加明显。对于16MnCr这样的钢种来说，可以很容易地得到晶粒细化超过40％的显微组织。
实际应用中，确保轧制产品在整个横断面上保持在规定的温度范围内具有十分重要的意义。特别是当轧件表面温度低于临界温度值，而芯部温度仍然在较高的温度范围内时，将有可能形成一种非均匀的最终组织，其中包括晶粒大小和所组成的相。
ONA退火室与冷床布置在一条线上，退火室包括一座煤气炉。棒材层被输送到退火室内，目的是对从轧机区已经开始的热处理进行到底 （缓冷、软化退火、球化退火、回火）。采用最优化布置的烧嘴和使用能够均匀冷却的一组对流风机，可确保退火炉内温度布置均匀一致，从而不仅能够保证完全不会出现脱碳现象，而且可确保在棒材长度方向上，以及各个棒材之间，获得均匀一致的机械性能。
棒材经过定尺切割后，将进入整个在线生产工艺过程中的最后两道重要的生产工序，即在线检查和精整。棒材精整作业线由一台在线喷丸清理机、4台砂轮锯、一个NDT无损检查站、一个棒材去毛刺站、一个堆垛站、多台打捆机和一个最终收集站组成。
本试验研究的钢种是最常见的轴承钢AISI52100。此外，ONA退火炉还对范围广泛的各类合金钢进行了热处理，其中包括退火和回火处理。
棒材在ONA退火室内的移动，由步进梁式输送器完成。步进梁采用特殊的超耐热合金钢制造，内部没有通水冷却，而且设有一个专用机构，使棒材在热处理过程中不断翻转，从而可有效避免产品表面形成黑印。烧嘴的合理布置，再加上专用大功率冷却风机，可确保退火炉内温度分布均匀。烧嘴功率通过布置在每个加热区的高温计实现的负反馈进行控制。
考虑到ONA退火室采用模块结构形式，模块基本长度为25m，因此，可容纳25m、50m，直到最大长度为75m的棒材，在对Cr/CrMo钢进行等温退火时，其最大连续退火能力可高达125 t/h。ABS Luna钢厂ONA退火室总长度为50m，以满足90 t/h的设计能力要求。9个不同的纵向区和两个横向区，可有效控制退火炉内气氛温度。9个区内配备有双烧嘴和一个强制对流风扇，以使炉内气流分布均匀。该装置可通过两种方式促使室内空气循环，既可以将热空气推向ONA退火室入口区 （顺时针空气循环），也可以实现反向循环，为位于热处理炉中部的棒材提供更多的热量。这样，就可以为满足特定的热处理工艺要求，形成需要的温度梯度分布。
对于高碳铬钢来说，热轧产品材料硬度要高于320HB，而这样的硬度则不适合所有的下列作业，如冷剪、锯切等。考虑到珠光体组织强度主要取决于铁素体与碳化物之间的层间距，因此，要减小轧件在轧制状态下的硬度，一种可行的方法是拓宽层间距。可以通过两种不同途径来实现。第一种方法是增加成核点，细化奥氏体晶粒组织，以使相变能够在较短的时间内，在较高的温度下开始。第二种降低冷却速率，使材料保持在较高的温度范围内，以便有可能增大层间距。选择一种或同时采用上述两种方法，都有可能降低材料硬度，改善材料的冷剪切或锯切性能和条件。然而遗憾的是，对硬化层深度和滚动接触疲劳强度的最终要求，在很大程度上受到原始组织的影响。考虑到这个原因，因此有必要开发一种新的方法，能够在不影响材料最终机械性能的条件下，降低材料硬度。
AISI52100轴承钢碳含量为1%，铬含量1.5 %，通常以球化退火或软化退火状态供货。球化退火状态的材料显微组织，非常适合于象钻孔和切削这样的机械加工。事实上，带有球状碳化物、连续分布的铁素体组织，对于此类钢种来说，具有最好的延展性。这种组织可确保在轴承元件经过最终硬化处理后，获得适中的硬度和良好的抗疲劳破坏性能。经过这种热处理后的硬度标准值应为200HB。当钢材以软化退火状态供货时，其硬度应高于200HB，以便顺利完成剪切，而不会产生裂纹和降低剪切刀具使用寿命。球化退火工艺用时较长，成为生产成本最高的一种退火工艺。其原因包括：①整个退火时间较长；②大量的棒材捆搬运输送作业，造成较多的时间损失；③由于氧化铁皮生成而造成材料损失；④存在表面脱碳现象；⑤需要在退火后进行棒材矫直。
通过试验表明，等温形成的一种不可分解的珠光体或贝氏体组织，可在退火过程中形成一种更快、而且更均匀的碳化物球化过程。为缩短退火时间，应形成一种组织，它能够缩短扩散距离，从而更有利于促进碳化物球化过程。这种组织应该是一种最细小致密的组织，可通过快速冷却，或者在低温条件的等温转变来形成。试验研究的主要目的是完善轧制工艺，确定冷却路径和退火工艺，而不需要材料的任何中间存放。
第一次试验轧制用坯料是由连铸机生产的200mm×160mm矩形坯，冷却到室温后，再冷装到步进梁式加热炉内。
只有当精轧温度降低到720℃时，晶粒大小才有明显变化。现在来说在较低温度轧制，并在冷床上空冷的棒材，材料表现出较高的硬度。其主要原因很可能与珠光体晶粒细化有关。考虑到进入ONA退火室的目标温度为450℃~500℃，晶粒细化有助于获得细小致密的贝氏体组织，因此将这一温度确定为RSB减径定径轧制机组标准精轧温度。
第二次试验在RSB减径定径轧制机组选择处于中间值的精轧温度，然后在棒材进入冷床之前，由DQS直接淬火系统进行快速冷却。这就是确保在细化晶粒的同时，获得较高硬度值的保证条件。
试验结果
在试验过程中，选择了不同的热处理工艺进行试验。试验的首要目标是获得一种可接受的球化组织，其硬度低于200HB，拥有规则分布的碳化物，而不是呈任何厚片状或残余薄片状分布的碳化物。
考虑到合金钢种的整个范围，为了确保晶粒得到显著细化，给定了与精轧机总压下量密切相关的温度范围。对于碳钢、C-Mn钢和C-Cr钢，720℃~800℃的温度范围 （当碳含量降低时，温度相应提高）应该是一个最佳值。此时，要求最小断面收缩率应达到25％。可以肯定的是，应变率将影响再结晶过程和温度升高。此时应尽可能提高轧制速度，从而增大应变率；而最大轧制道次数则是增加压下量的限制因素。
至于ONA退火室设定温度如何选择，其目标是最大限度地缩短获得所需显微组织的热处理时间。对于含铬轴承钢来说，提高退火温度并不能总是保证能够缩短热处理时间。因为有可能产生粗大的碳化物颗粒，而且最终组织会出现一种非均匀的碳化物分布。重要的是在退火初期，要拥有许多成核位置，而碳化物则出现在小而分散的多个地方。
各种组织的最终HB硬度，变化似乎并不太大。这是因为存在这样一个事实，所有分析样本的球化率，总是高于80％，只有某些转变组织没有经过充分细化的情况除外。
目前，达涅利已经开发一套完整的AISI52100不锈钢热处理工艺，以完善直接从轧机开始的球化退火。精轧温度、等温转变启始温度，以及退火温度和时间等工艺参数均得到优化，从而使材料内部组织的球化率大于80％，而最终硬度则低于220HB。ONA退火室目前已投入到实际生产中，用于等温退火和回火，从而使整个热处理周期缩短到只用2个小时，而且在材料硬度和碳化物分布方面，均得到令人满意的结果。
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