轴承是机械设备的重要组成部分。轴承质量的好坏在一定程度上制约着国民经济、国防建设和科学技术现代化的速度和进程,轴承钢生产技术的进步直接影响着轴承工业的发展,工业发达国家都十分重视轴承钢产品质量的研究。

如何通过轧后超快冷却大大提高轴承钢的质量

要提高轴承钢的质量,确保其具有较高的疲劳强度、抗压强度、表面硬度和良好的使用寿命,就必须提高钢的纯净度和钢中碳化物的均匀性,主要是材料中的夹杂物。夹杂物的含量、种类和气体含量;以及碳化物的形状、大小和分布的均匀性是衡量轴承钢产品质量的另一个重要指标。

在热轧后的冷却过程中,形成的二次碳化物对轴承钢的性能有重要影响。因此,要求轴承钢中的网状碳化物必须小于 2.5,过多的网状碳化物会带来严重的后果:

目前,我国主要采用低温轧制工艺来控制轴承钢网状碳化物的析出,然后辅以一定的冷却速度。但这种工艺取决于轧机的生产能力,在精轧前需要足够的控制冷却能力。水冷后,在终轧前有足够的等温空间。在连轧生产线上,实现了低温轧制。由于现有冷却设备冷却能力不足,温度难以精确控制,特别是Ф30mm 以上的大规格棒材,产品质量不稳定,网状碳化物析出严重。

为了提高各种规格轴承钢的产品质量,减少轴承钢生产对轧机等设备的严重依赖,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)开展了轴承钢棒材超速冷却技术研究。对碳化物的析出条件和连续冷却过程中的相变进行了研究。

轴承钢结构的显微硬度和珠光体薄片间距受轧制后冷却速度的影响。随着热轧后冷却速度的增加,珠光体薄片间距减小,而显微硬度值增加,较小的薄片间距对下一次球化退火非常有利。

其控制原理是,在过冷奥氏体的持续冷却过程中,奥氏体将不可避免地出现在贫碳区和富碳区。一旦成核条件得到满足,在贫碳区形成铁素体的同时,富碳区也会形成雪明碳体。二者同时同步、共晶、共生,形成珠光体晶核(铁素体+雪明碳母),同时在其他部位产生新的晶核并不断长大。形成珠光体时,纵向生长是指雪明体和铁素体薄片同时不断延伸到奥氏体中,而横向生长是指雪明体和铁素体薄片交替堆积增大。

提高变形后的持续冷却速度将有助于细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒的大小对珠光体薄片间距无明显影响,但会影响珠光体颗粒的大小。奥氏体晶粒细小,单位体积的晶界面积增大,这将促进珠光体的成核。如果珠光体成核点的数量增加,珠光体颗粒的直径就会减小。

将超速冷却技术应用于轴承钢网状碳化物控制,使轴承钢在轧制后快速通过碳化物析出较强的区域,可显著减少或避免沿晶界析出二次碳化物。

采用有限元法模拟分析了不同规格轴承钢轧制后超速冷却过程的温度场,确定了合理的冷却工艺路线。在此基础上,提出了轴承钢棒材超速冷却装置及相关控制系统。

根据超速冷却工艺的要求,结合实际生产条件,设计了符合轴承钢轧后超速冷却工艺要求的冷却设备,开发了自动控制系统,建立了完整的数学模型,使轴承钢的控温精度和冷却均匀性得到了极大的提高。

采用超快冷技术生产的轴承钢规格主要为Ф15.3mm~Ф60mm。Ф30mm 及以下、2级及以下轴承钢网状碳化物的合格率由10%提高到100%;Ф30mm~Ф60mm 轴承钢网状碳化物的合格率由10%提高到100%。0 及以下的合格率由 10% 左右提高到 100%;Ф30mm~Ф60mm 轴承钢网状碳化物的合格率由 2.对于 Ф60mm~Ф120mm 的轴承钢,超速冷却后表面的划痕已得到明显改善。