王瑩瑩　楊鵬遠(yuǎn)

（東北特鋼集團(tuán)大連高合金棒線材有限責(zé)任公司，遼寧大連，116105）

　　摘　要：HOE400/250罩式爐采用輻射加熱和強(qiáng)制對(duì)流相結(jié)合，避免爐料溫度出現(xiàn)局部過熱.罩式爐主要由電加熱外罩、工作底座、內(nèi)罩及導(dǎo)流屏、冷卻罩、閥座、微機(jī)控制中心組成.介紹罩式爐設(shè)備組成及主要技術(shù)參數(shù).采用罩式爐對(duì)GCr15鋼進(jìn)行球化退火，選擇GCr15鋼球化退火的Z佳加熱溫度為780℃，保溫時(shí)間4～5h，對(duì)采用普通緩冷球化退火和等溫球化退火2種工藝處理的GCr15鋼退火組織和硬度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用等溫球化退火工藝得到的球化組織級(jí)別在2.0～2.5級(jí)，組織均勻，硬度值191～198HB。

　　關(guān)鍵詞：罩式爐；GCr15；軸承鋼；碳化物；球化退火；熱處理
　　高質(zhì)量退火組織的獲得是基于先進(jìn)的熱處理設(shè)備和合理的工藝制度。近年來，隨著奧地利EBNER和德國(guó)LOI等公司世界一流裝備技術(shù)的引進(jìn)，保證了國(guó)內(nèi)軸承鋼盤條的球化退火質(zhì)量，球化、硬度和脫碳等指標(biāo)的合格率均接近100%。
　　奧地利EBNER公司的HOE400/250罩式爐采用輻射加熱和強(qiáng)制對(duì)流傳熱相結(jié)合，避免了爐料溫度出現(xiàn)局部過熱的情況。爐溫均勻后，爐料間的溫差可保持在10℃內(nèi)，從而確保組織的均勻轉(zhuǎn)變，獲得理想的組織和力學(xué)性能。同時(shí)，采用經(jīng)過高度凈化的氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，可有效防止鋼材表面氧化和脫碳。
　　筆者以GCr15鋼為例，研究其合理的球化退火工藝。GCr15鋼主要用于制造各種軸承的滾珠、滾柱和套圈等。軸承在服役過程中承受極高的交變載荷，要求其具有較高的抗接觸疲勞性能和耐磨性能，因此，軸承鋼需具有隱晶回火馬氏體+細(xì)小滲碳體顆粒組織。為獲得需要的組織，要求軸承鋼具有良好的球化珠光體組織。分別采用普通緩冷球化退火和等溫球化退火工藝對(duì)GCr15鋼進(jìn)行處理，研究GCr15鋼球化退火的行為，探索適合GCr15鋼盤條的合理球化退火工藝制度。

　　1　罩式爐設(shè)備組成及退火原理
　　1.1設(shè)備組成及主要參數(shù)
　　HOE400/250罩式爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，罩式爐主要由1個(gè)電加熱外罩、2個(gè)工作底座、2個(gè)內(nèi)罩及導(dǎo)流屏、1個(gè)冷卻罩、2個(gè)閥座、1個(gè)微機(jī)控制中心組成。其中閥座保溫階段和控冷階段溫差：±10℃，微機(jī)控制中心由西門子S5—150S編程邏輯控制器控制，HOE400/250罩式爐設(shè)備主要參數(shù)見表1。

　　HOE400/250罩式爐采用鎳鉻合金的電阻絲加熱，爐內(nèi)傳熱方式包括內(nèi)罩與盤條的輻射換熱、保護(hù)氣體與盤條及內(nèi)罩的對(duì)流換熱和盤條內(nèi)部傳熱3種。退火過程中，通過轉(zhuǎn)速1000r/min的高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)，形成爐內(nèi)保護(hù)氣體的強(qiáng)對(duì)流循環(huán)狀態(tài)，大大提高了加熱效率和爐溫均勻性，也可以實(shí)現(xiàn)非常勻速的緩冷，完全滿足GCr15鋼球化退火的要求。

　　1.2退火工作原理
　　罩式爐主要用于對(duì)軸承鋼和彈簧鋼進(jìn)行退火處理，其目的是降低鋼材的硬度，改善切削加工性能，獲得需要的組織。
　　以GCr15鋼的球化退火為例，GCr15鋼的Ac1為745℃，Acm為900℃，Ar1為700℃。760℃是球化退火溫度的下限，奧氏體晶粒內(nèi)微區(qū)域成分均勻化溫度為840～850℃，即在加熱溫度的上限。GCr15鋼的原始組織為片狀珠光體，硬度較高，當(dāng)其被加熱到稍高于760℃時(shí)，片狀珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)變，滲碳體片開始溶解，但由于溫度低，未能完全溶解，擴(kuò)散速度也比較緩慢，因此片狀滲碳體將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樵S多細(xì)小的鏈狀或點(diǎn)狀形式，彌散地分布于奧氏體基體上。同時(shí)，由于加熱溫度較低，擴(kuò)散較慢，奧氏體的成分也不均勻。在隨后的緩冷過程中，或以未溶的碳化物小質(zhì)點(diǎn)為核心，或以?shī)W氏體中富碳區(qū)產(chǎn)生的碳化物為核心，不斷均勻地析出碳化物。由于球狀碳化物的界面積比片狀碳化物的界面積小，比較穩(wěn)定，所以形成球狀碳化物需要的界面能也較小，由于球化退火采用的冷卻速度緩慢，有充分的擴(kuò)散時(shí)間，所以析出的碳化物是球狀小顆粒，在緩冷過程中或等溫過程中隨時(shí)間的延長(zhǎng)而聚集長(zhǎng)大，Z后GCr15鋼的硬度降低為179～207HB。

　　2　GCr15鋼球化退火工藝參數(shù)的確定
　　2.1加熱溫度
　　球化退火工藝是將鋼加熱到Ac1以上20～30℃保溫，GCr15鋼的Ac1為745℃，故在760~840℃退火可以得到粒狀珠光體，但是加熱溫度低于760℃，溶于奧氏體中片狀珠光體的化學(xué)成分不均勻，冷卻過程中點(diǎn)狀碳化物在高溫停留時(shí)間短，來不及長(zhǎng)大，表現(xiàn)為細(xì)小的粒狀和少量密集點(diǎn)狀堆積。加熱溫度高于850℃，碳化物溶解過多，奧氏體成分均勻化，冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)粗片狀珠光體和少量粗粒狀碳化物。為了得到理想的金相組織及合適的硬度值，每臺(tái)設(shè)備均有Z佳退火溫度。罩式爐GCr15鋼球化退火的Z佳加熱溫度為780℃，此時(shí)退火組織2.0級(jí)及2.5級(jí)占99%，退火后平均硬度196HB，硬度均勻且全部合格。
　　2.2保溫時(shí)間
　　對(duì)HOE400/250罩式爐進(jìn)行測(cè)定，裝爐量在20t左右，升溫時(shí)間為7~8h時(shí)，爐內(nèi)盤條心部均溫時(shí)間約2h，保溫時(shí)間不足會(huì)使組織中球狀珠光體變小，因此奧氏體化應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間才能達(dá)到良好的球化效果，實(shí)際生產(chǎn)中保溫時(shí)間約為4~5h。
　　2.3冷卻速度
　　退火的冷卻方式一般分為緩冷型和等溫型2種。緩冷型適用于裝爐量大，操作方便，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)；等溫型則適用于滾動(dòng)軸承鋼等難以球化且球化質(zhì)量要求高的鋼。
　　緩冷型必須采用非常緩慢的冷卻速度如15～20℃/h才能使奧氏體在連續(xù)冷卻過程中完成珠光體轉(zhuǎn)變，否則會(huì)形成馬氏體組織，使鋼變硬，無法進(jìn)行切削加工。而冷卻速度低在實(shí)際生產(chǎn)條件下很難實(shí)現(xiàn)，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，極不經(jīng)濟(jì)。
　　等溫型是快冷至適當(dāng)溫度保溫，溫度略低于Ar1，一般冷卻速度≤30℃/h，使奧氏體在此溫度下進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變形成珠光體。由于快冷過冷度大，析出的碳化物相對(duì)彌散、細(xì)小，在保溫過程中得到細(xì)小均勻分布的球化物，這樣可以使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，完成轉(zhuǎn)變所需時(shí)間較短，縮短生產(chǎn)周期。等溫型冷卻形成的組織比較均勻，并能嚴(yán)格地控制退火后的硬度。
　　通過研究等溫轉(zhuǎn)變溫度即珠光體轉(zhuǎn)變溫度對(duì)球化過程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)若將等溫轉(zhuǎn)變溫度降低，即使在奧氏體中有大量的未溶碳化物，也將導(dǎo)致大量的片狀珠光體形成，因此珠光體在較高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫對(duì)球化組織的形成也很重要。為此筆者做了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，將軸承鋼在780℃加熱2h后在不同的溫度下等溫2h，然后以20℃/h冷卻至660℃下再空冷的試驗(yàn)，等溫轉(zhuǎn)變溫度分別為660，680，700，720℃下的硬度值分別為220，204，198，195HB。在720℃等溫球化退火比較合理。

　　3　2種GCr15鋼球化退火工藝對(duì)比
　　3.1工藝要點(diǎn)對(duì)比
　　采用緩冷型冷卻方式的普通球火退火工藝要點(diǎn)：以15～20℃/h的緩慢冷卻速度隨爐冷卻。
　　采用等溫型冷卻方式的等溫球化退火工藝要點(diǎn)：選擇稍高于Ac1的奧氏體化溫度；選擇盡可能高的等溫溫度；足夠長(zhǎng)的等溫時(shí)間，使轉(zhuǎn)變和球化完成。
　　3.2工藝曲線對(duì)比
　　操作規(guī)程中所采用的GCr15鋼普通球化退火工藝曲線如圖2所示，試驗(yàn)研究的等溫球化退火工藝曲線如圖3所示。

　　由圖2可以看出，普通球化退火曲線包括2個(gè)階段：奧氏體化加熱和保溫；以15～20℃/h爐冷緩冷至一定溫度出爐空冷。
　　由圖3可以看出，等溫球化退火曲線包括3個(gè)階段：奧氏體化加熱和保溫；速冷至等溫溫度保溫一定時(shí)間；降至一定溫度出爐空冷。
　　3.3退火后組織和硬度結(jié)果對(duì)比
　　3.3.1試驗(yàn)過程
　　選擇GCr15鋼盤條截成長(zhǎng)度約為20cm的28支試驗(yàn)料棒，將28支料棒分成2組，每組14支系在即將球化退火的14盤GCr15鋼盤條的中間部位，分別執(zhí)行上述普通球化退火工藝和等溫球化退火工藝。退火結(jié)束后，對(duì)其取樣進(jìn)行硬度和組織檢驗(yàn)。
　　3.3.2試驗(yàn)結(jié)果
　　經(jīng)2種工藝處理后的硬度和球化組織級(jí)別見表2。

　　由表2可知，采用2種球化退火工藝得到的組織和硬度結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，2種工藝曲線都是適宜的。采用等溫球化退火工藝得到的球化組織級(jí)別在2.0～2.5級(jí)，組織均勻；硬度值在191～198HB，平均值為194HB，符合GB/T18254—2002要求的球化組織級(jí)別2～4級(jí)，硬度179～207HB，由表2可以看出此工藝能夠嚴(yán)格控制退火后的硬度，硬度值波動(dòng)較小。而普通球化退火工藝球化組織級(jí)別出現(xiàn)3.0～3.5級(jí)；硬度值相差較大，波動(dòng)范圍183～202HB。等溫球化退火工藝在組織和硬度的均勻性方面較普通球化退火優(yōu)勢(shì)更明顯。
　　4　結(jié)論
　　罩式爐采用輻射加熱和強(qiáng)制對(duì)流傳熱相結(jié)合，爐溫均勻性好，氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛可有效防止鋼材表面氧化和脫碳。
　　奧氏體化溫度的選擇對(duì)GCr15鋼球化退火效果起著決定性作用。過高或過低的加熱溫度均得不到正常的球化組織。罩式爐GCr15鋼球化退火的Z佳加熱溫度為780℃。
　　奧氏體化保溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼球化退火效果有影響，保溫時(shí)間不足會(huì)使組織中球狀珠光體變小，因此奧氏體化應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間才能使球化效果更加良好，保溫時(shí)間約為4~5h。
　　等溫球化退火的等溫溫度選擇720℃是合理的。等溫球化退火工藝在組織和硬度的均勻性方面較普通球化退火優(yōu)勢(shì)更明顯。

來源：《金屬制品》