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《东北大学》 2009年
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轴承钢热轧组织控制机理与超快速冷却研究

孙艳坤  
【摘要】:本文针对国内某特殊钢棒材厂连铸连轧机改造后,GCr15轴承钢棒材交货状态网状碳化物大量析出、网状级别超标问题,通过实验室热模拟实验、热轧实验和不同冷却工艺控冷实验,对热轧GCrl5轴承钢组织与性能进行研究。重点分析了不同轧制工艺和冷却工艺参数对其先共析二次碳化物的析出和珠光体转变的影响,探讨了得到抑制网状二次碳化物析出的细珠光体组织工艺方法。并在不改变特殊钢棒材厂原有连轧生产线设置的基础上,安装超快速冷却系统,高温终轧后进行超快速冷却工业实验和大批量工业化生产。论文的主要工作如下: 1在实验室自主研发的热力模拟实验机上对GCr15轴承钢进行热模拟实验。 高温变形促进GCr15轴承钢在连续冷却过程中二次碳化物的析出和珠光体的转变,随着变形量增加,二次碳化物和珠光体的开始析出温度升高,珠光体球团直径减小,但变形量变化对二次碳化物厚度影响甚微;低温变形促进晶界处二次碳化物的碎断,珠光体球团直径和片层间距减小。 GCr15轴承钢在连续冷却过程中,从高温到低温的相变产物主要有二次碳化物、珠光体和马氏体,随着冷却速度减小,马氏体转变曲线右侧发生抬高现象;晶界处二次碳化物为(Fe·Cr)3C型碳化物,抑制网状二次碳化物析出的临界冷却速度为8℃/s;完全发生珠光体转变的临界冷却速度为5℃/s,在756-510℃温度范围内保温20-200s就可以完全发生珠光体转变;随着连续冷却速度增加,二次碳化物和珠光体开始析出温度降低,晶界处二次碳化物由紧密的网状分布转变为半网状、短条状最后弥散析出,二次碳化物厚度减小,晶界处二次碳化物中C、Cr含量减小,珠光体球团直径和片层间距减小,显微硬度值增大,并有退化珠光体生成。 2在热力模拟实验机上对GCr15轴承钢进行高温变形后控冷工艺模拟。 GCr15轴承钢高温变形后以一定冷却速度快速冷却到不同温度的等温过程中,随等温时间延长,室温组织中珠光体含量增多的同时,晶界处二次碳化物析出趋势增大。随快速冷却阶段冷却速度的增加和等温温度的降低,二次碳化物沿晶界析出减弱,珠光体球团直径减小,珠光体片层结构变细变短,并有退化珠光体生成。以一定冷却速度快速冷却到不同温度的缓慢冷却过程中,随缓慢冷却速度的增加,珠光体球团直径减小,晶界处二次碳化物析出减少,缓慢冷却速度过大,将有淬火马氏体生成,晶界处无网状二次碳化物析出,珠光体组织大部分为铁素体和渗碳体层叠生长的片层状结构,有少量退化珠光体生成。通过制定不同温度区间的冷却工艺,增大快冷阶段冷却速度并配合以合理的缓冷阶段冷却速度,就可以达到抑制网状碳化物析出并得到细片层珠光体的目的。 3在实验室条件下对高温终轧后GCr15轴承钢板材进行新型冷却工艺实验,分析不同冷却工艺参数对轴承钢组织性能影响。 轴承钢板材热轧后常规冷却过程中,表面冷却速度较大,得到了抑制网状碳化物析出的珠光体组织,但内部由于冷却能力不足,室温组织为沿粗大晶界析出的网状二次碳化物和珠光体组织。轴承钢板材热轧后经过表面瞬时冷却速度可达到200℃/s的超快速冷却,整个断面均为抑制了网状二次碳化物析出的细珠光体组织,说明其内外部均达到了抑制网状碳化物析出的理想冷却速度;由于其心部冷却能力相对表面减弱,因此心部珠光体片层间距较表层有一定程度增大;随着终冷温度的降低,珠光体球团直径和片层间距减小,网状碳化物级别降低,其球化退火后冲击韧性值和硬度增大。 4对不同规格轴承钢棒材高温保温后超快速冷却过程温度场进行模拟,分析超快速冷却过程中,棒材断面不同位置温度和冷却速度变化。 在运用ANSYS软件对超快速冷却过程中棒材断面进行温度场分析时,采用计算超快速冷却终冷温度与实测终冷温度一致时停止计算的途径来确认换热系数的较精确值,不断修改传热模型,并对其温度场进行求解;空冷换热系数的确认,按照经验公式来处理。 针对Φ60mm棒材,根据超快速冷却后棒材表面温度不低于马氏体转变温度、而返红后最高温度不超过700℃原则进行一次超快速冷却,棒材断面不同位置冷却速度均达到抑制网状碳化物析出、过冷奥氏体完全发生珠光体转变的冷却速度要求;针对Φ≥60mm棒材,运用分段式二次超快速冷却,在不延长超快速冷却总时间前提下,解决了大断面棒材内部不易冷却的难题,提高了棒材内部的冷却速度,棒材断面不同位置冷却速度均可以达到抑制网状碳化物析出、过冷奥氏体完全发生珠光体转变的冷却速度要求,达到了进行超快速冷却的目的;在超快速冷却总时间相同条件下,对棒材进行分段多次超快速冷却,其内部冷却强度明显高于一次超快速冷却,内部冷却速度提高。 5在不改变钢厂原有热连轧生产工艺的基础上,在连轧机组后安装三组超快速冷却系统,通过调节水压、喷嘴孔大小以及开水箱个数,针对不同规格棒材进行高温终轧后超快速冷却,其瞬时冷却速度可达到400℃/s以上。经过超快速冷却后,不同规格棒材断面不同位置冷却速度均可以达到抑制网状碳化物析出、过冷奥氏体完全发生珠光体转变的冷却速度要求,网状碳化物级别均≤2级,达到轴承行业标准。 GCr15轴承钢棒材超快速冷却工艺的应用解决了其高温终轧后网状碳化物级别超标问题,不仅可以得到抑制网状碳化物析出的细珠光体组织,利于下一步球化退火工艺,而且保证了连轧生产线的轧制速度和避免待温工序,提高生产效率,使企业取得较大经济效益。“GCr15轴承钢热轧组织控制机理与超快速冷却研究”这一课题,对于提高我国轴承钢棒材质量、促进我国经济和社会发展具有着重要的指导意义。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG335.11

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