CN114686655B - 一种GCr15钢快速球化退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种GCr15钢快速球化退火方法。该方法将退火态的GCr15钢直接放置Formastor高频感应线装置内，10s快速完成升降温，并且在高频线圈内直接完成奥氏体化和球化工艺，大大缩短了时间；同时本发明有效缩短了温度波动范围，缩减了传统工艺先正火，然后进行球化退火的工艺，而采取等温淬火的得到中温贝氏体组织然后球化退火，避免大量的升降温工艺，大大降低能耗。本发明流程简单，效率高，节省能源，通过高频快速加热和冷却，调整球化退火的保温温度、保温时间和降温速率，显著提高GCr15钢的球化退火效率，改善球化退火效果。

Description

一种GCr15钢快速球化退火方法

技术领域

本发明涉及钢铁领域，涉及一种GCr15轴承钢线材的在线快速球化退火方法。

背景技术

轴承钢凭借其良好的强韧性和较高的抗疲劳性能和耐磨性成为机械设备重要的组成部分。随着冶炼、轧制和热处理等技术设备的不断进步，对轴承钢的要求也不断提高，而作为控制碳化物质量关键环节之一的球化退火方式尤为重要。

GCr15钢是一种常见典型的轴承钢，其原始组织一般为片状珠光体，硬度高、脆性大、易开裂，不易进行切削加工，因而往往需要进行球化处理。球化处理后组织成球状珠光体，强度和硬度稍低，但是塑性、切削性和冷加工成型性，且淬火的变形和开裂倾向低，为后续热处理做好组织准备。但普通的球化退火冷却速度慢，生产周期长，因此必须考虑的一个重要问题是在生产实践中如何缩短退火时间和降低能耗以达到提高生产效率的目的。因此，如何使得钢材兼具较快的生产时间、较低能耗和较好的性能成为本领域亟待解决的技术问题。

目前对于钢铁领域的球化退火技术，研究较多的为GCr15钢、H13钢、齿轮钢、刀具钢等钢种的球化退火技术，如CN102382962B号专利，公开了一种GCr15轴承钢管快速球化退火工艺，该工序工艺比较复杂，而且升降温时间较长，大大的增加了工艺的时长和能耗。

CN201710411463.0号专利《一种GCr15轴承钢热轧后在线快速球化退火方法》采用优化的球化处理工艺，控制轧制过程中的先共析碳化物通过形变诱导的方式析出，缩短球化退火所需要的时间，提高能效；CN201810318301.7号专利《一种GCr15轴承钢的快速球化退火工艺方法》该方法有效的控制先共析碳化物的尺寸，为共析转变过程中渗碳体的析出提供更多的形核位置，从而有效地缩短球化退火所需要的时间，提高能效；CN201110354494.X号专利《GCr15轴承钢管快速球化退火工艺》该发明有效缩短网状碳化物析出区间的停留时间，达到抑制网状碳化物的析出，能够在在短时间内获得良好的球化组织，大大缩短球化时间。以上三种快速球化退火工艺仅仅停留在轧制后珠光体球化退火工艺上的改进，但珠光体球化退火工艺本身耗时就比较长，而球化退火前轴承钢一般需要正火到室温，需要大量加热和降温，浪费了很多能源，并没有从根本上解决球化退火能耗问题。

发明内容

本发明的目的为针对现有GCr15钢在球化退火技术上存在的上述问题，提供一种GCr15钢快速球化退火的方法。该方法将退火态的GCr15钢直接放置Formastor高频感应线装置内，10s快速完成升降温，并且在高频线圈内直接完成奥氏体化和球化工艺，大大缩短了时间；同时本发明有效缩短了温度波动范围，减少了传统工艺先正火消除二次碳化物，然后进行球化退火的工艺，而采取淬火的得到中温贝氏体组织然后球化退火，避免大量的升降温工艺，大大降低能耗，这也是本发明的独特之处。本发明流程简单，效率高，节省能源，通过高频快速加热和冷却，调整球化退火的保温温度、保温时间和降温速率，显著提高GCr15钢的球化退火效率，改善球化退火效果。

本发明的技术方案为：

一种GCr15钢快速球化退火方法，该方法包括以下步骤：将GCr15钢的线材置入高频感应装置内，进行以下操作：

(1)用5～10s将线材升温至880℃-980℃，在此温度下保温15～30min至样品完全奥氏体化；

(2)再将线材通过5～10s快速降温至400±10℃，并保温425～445s；

(3)再将线材通过5～10s快速升温至678±10℃，并保温90～120s；

(4)用5～10s将线材快速降578±10℃，然后保温50～75s；

(5)将再次保温后的线材用5～10s快速冷却至室温，完成球化退火。

所述的GCr15钢的成分按重量百分比含C：0.95-1.10％，Si：0.15-0.35％，Mn：≤0.5％，Cr：1.30～1.60％，余量为Fe。

所述的高频感应装置为Formastor高频感应装置，所述的GCr15钢线材的直径为2.5～3.5mm。

所述的珠光体向奥氏体转变的开始温度具体为628℃。

所述的奥氏体向贝氏体转变的开始温度400℃。

本发明的实质性特点为：

当前技术中，常规球化退火工艺是先进行正火(需要冷却到室温)，然后放到退火炉中进行缓慢球化退火工艺。本次发明核心的创新点将两个工艺合并，直接将样品至于高频感应炉中奥氏体化，不进行正火(即不需要冷却到室温),直接进行中温贝氏体转变(冷却到400度左右)，然后快速降温完成两个温度的保温，性能也能达到相关要求，但大大降低了能耗。保证这一工艺快速升降温就是通过Formastor高频感应装置实现，常规退火炉达不到快速升降温。

其机理为，常规球化退火工艺：通过正火将二次碳化物破碎，然后通过长时间退火保温使二次碳化物部分融入奥氏体，保留相当数量的未溶碳化物，在随后冷却过程中，以这些残留碳化物为核心析出碳化物。

快速退火工艺：直接通过短能耗(未降到室温，需要能量少)贝氏体转变获得一定量未溶碳化物，然后通过第一个快速温度等温使少量二次碳化物破碎，第二个快速保温以未溶碳化物为核心析出碳化物，因为能实现相同的性能。

本发明中另一个创新点是物料选择为线材，在感应线圈中,通过线材移动速度控制热处理工艺的时间；其次是高频感应线圈和快速冷却的使用，可以合并常规工艺的两个工序，大大减少设备的使用和时间。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案实施GCr15钢快速球化退火工艺通过高频感应快速加热和汽/水两路快速冷却通道，使碳化物在线球化，整个工艺流程的时间仅为0.5h左右，大大缩短球化退火周期，大大降低能耗，且碳化物分布均匀，避免了碳化物聚集出现，碳化物颗粒细小，工艺简单，原理清楚，便于工业化生产。

本发明克服了当前技术中炉体设备要经过反复高低温循环，需要更多电能、损伤设备的不足，巧妙利用前驱处理(上述区别提到)，节省电能，缩短热处理时间，达到相同效果；不仅需要的时间更短(工艺对比可以看出)，所需要的的电能更少，一吨产品可以节约电约100kWh。

附图说明

图1本发明中所述的具体工艺过程示意图。

图2本发明中所述工艺的应用设备的示意图(图中：1.石英管、2.气管、3.冷却水管、4.试样、5.热电偶、6.高频感应线圈)。

图3所有实施例工艺处理前的试样金相组织。

图4实施例4中工艺处理后的试样金相组织。

具体实施方式：

下面通过具体实例，结合附图，对本发明的内容进一步具体说明。如图1所示的一种GCr15碳素工具钢在线快速球化退火工艺。图2所示为本发明中所述工艺的应用设备(高频感应装置)的示意图。将试样4放置于石英管1内，石英管1依次包围着气管2、冷却水管3和高频感应线圈6，通过热电偶5来采集样品的温度。样品加热时，通过高频感应线圈6加热达到样品快速加热的目的，通过气管2吹扫保护气体氮气达到样品快速降温的目的。图3为本发明中所述工艺处理前的试样金相组织。快速球化处理前GCr15的原始显微组织为片层状的珠光体。

本发明实施例中球化退火高频感应装置为日本富士电波工机株式会社Formaster-II型全自动相变膨胀仪，以下简称Formastor高频感应装置。该装置可以实现物料快速升温，也能使物料快速降温。

本发明实施例中观金相显微组织采用的设备为日本Olympus金相显微镜。

本发明实施例中测量球化等级采用的国家标准为GB/T 18254-2016高碳铬轴承钢中的评级方法。

下面通过结合附图，对本发明的内容进一步具体说明。通过图4所示的GCr15快速球化退火工艺，热处理后的显微组织为铁素体基体上弥散分布着细小均匀的球状碳化物。

GCr15轴承钢的快速球化退火工艺如图1所示，具体包括快速升温，保温，快速降温Ac1以上保温和Ac₁以下保温，快冷到室温以下几个步骤：

1.快速升温过程和保温过程。球化退火最基本的问题是如何解决粒状碳化物核心的形成，组织中粒状碳化物是由加热奥氏体化时的剩余碳化物颗粒长大而成，剩余碳化物颗粒越多，获得完全球化组织越容易，因而球化时要对加热奥氏体化提出具体要求。奥氏体化时除要求保留尽可能多的剩余碳化物颗粒外，还要获得具有尽可能大的碳浓度不均匀的奥氏体，奥氏体成分的不均匀性有利于珠光体转变的形核和长大过程，而未溶碳化物质点可成为珠光体转变的非均匀形核中心，从而可使过冷奥氏体异常分解速率比均匀奥氏体快6～7倍。因此针对奥氏体化阶段需要快速升温到合适温度以及较短时间的保温。本发明采取10s快速升温至980℃，保温20min。

2.快速降温到贝氏体转变区。过共析钢球化前需要消除网状碳化物，一般采取淬火或正火工艺，使沿晶界分布链条状的网状碳化物消除。而本发明仅降低到中温的贝氏体区域，达到使碳化物达到分布均匀的效果。本发明在贝氏体开始转变温度(400℃)保温435s。

3.快速降温Ac₁以上保温。快速降温的过程增大奥氏体成分不均匀性的同时保留较多的未溶碳化物质点，适当的保温可以促进晶体缺陷和结构的不均匀性将显著增加，残留的碳化物质点更弥散细小。本发明在Ac1以上(678℃)保温102s。

4.快速降温Ac₁以下保温。在该温度范围，碳化物组织可以在线缺陷密度高的位置析出，在部分区域内形成弥散分布的颗粒状碳化物，最终形成球化组织，且形成的碳化物颗粒尺寸细小，外形较为圆整均匀，分布弥散。本发明在Ac₁以下(578℃)保温60s。

5.快速冷却到室温。本发明提供的一种GCr15轴承钢快速球化退火工艺的关键是选择合适的热处理工艺、加热温度、保温时间，该工艺可以大大缩短球化退火周期，节省能耗，获得铁素体基体上弥散分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织，硬度为28HRC。本发明能够保证被处理工件具有良好的塑形加工性和切削性能、从而提高产品的质量和使用性能。

实施例1

(1)选用的GCr15钢为直径为3mm的线材，其成分按重量百分比含C：0.95-1.10％，Si：0.15-0.35％，Mn：≤0.5％，Cr：1.30～1.60％，余量为Fe。

(2)快速升温(10s)至680℃，在此温度下保温20min至样品完全奥氏体化；

(3)快速降温(5s)至400℃，保温435s；

(4)快速升温(5s)至678℃，保温102s；

(5)快速降温(5s)至578℃，保温60s；

(6)10s冷却至室温，完成球化退火。

通过以上综合控制，获得的球化退火后的部分碳化物呈球形颗粒状，部分为片状珠光体，分布不均匀，有大量网状渗碳体区域的出现，评级为5级。

实施例2

(1)选用的GCr15钢为直径为3mm的线材，其成分按重量百分比含C：0.95-1.10％，Si：0.15-0.35％，Mn：≤0.5％，Cr：1.30～1.60％，余量为Fe。

(2)快速升温(10s)至980℃，在此温度下保温20min至样品完全奥氏体化；

(3)快速降温(5s)至室温；

(4)待样品冷却室温后，快速升温(5s)至678℃，保温102s；

(5)快速降温(5s)至578℃，保温60s；

(6)10s冷却至室温，完成球化退火。

通过以上综合控制，获得的球化退火后的碳化物呈球形颗粒状分布均匀，无大块渗碳体区域的出现，评级为3级。但是无形中增加了能耗和时间。

实施例3

(1)选用的GCr15钢为直径为3mm的线材，其成分按重量百分比含C：0.95-1.10％，Si：0.15-0.35％，Mn：≤0.5％，Cr：1.30～1.60％，余量为Fe。

(2)快速升温(10s)至980℃，在此温度下保温20min至样品完全奥氏体化；

(3)快速降温(5s)至400℃，保温435s；

(4)快速升温(5s)至678℃，保温300s；

(5)快速降温(5s)至578℃，保温60s；

(6)10s冷却至室温，完成球化退火。

通过以上综合控制，获得的球化退火后的碳化物呈球形颗粒状分布均匀，无大块渗碳体区域的出现，评级为4级。第二次保温时间过长。

实施例4

(1)选用的GCr15钢为直径为3mm的线材，其成分按重量百分比含C：0.95-1.10％，Si：0.15-0.35％，Mn：≤0.5％，Cr：1.30～1.60％，余量为Fe。

(2)快速升温(10s)至980℃，在此温度下保温20min至样品完全奥氏体化；

(3)快速降温(5s)至400℃，保温435s；

(4)快速升温(5s)至678℃，保温102s；

(5)快速降温(5s)至578℃，保温60s；

(6)10s冷却至室温，完成球化退火。

通过以上综合控制，本实施例得到的试样金相组织照片如图4所示，从照片上可以看出，获得的球化退火后的碳化物呈球形颗粒状分布均匀，无大块渗碳体区域的出现，评级为2级。且所用工艺时间最短。

快速升温到完全奥氏体区域这是保证后期完全贝氏体或马氏体转变的关键，如果没有完全奥氏体化容易造成网状渗碳体区域形成(实施例1)，网状渗碳体在后期球化退火中不能消除，会带到后期产品中，网状渗碳体是后期材料使用中材料开裂的主要原因。本专利巧妙运用珠光体形成先驱项碳化物(实施例3和实施例4均可获得)，为后期球状珠光体形成提供先决条件。实施例3和4样品奥氏体化，不进行正火(即不需要冷却到室温),直接进行中温贝氏体转变(冷却到400度左右)，避免了样品反复加热对设备造成的(实施例2)，而且减少了能耗。虽然在贝氏体区适当保温增加了时间(实施例4)，但是避免了降到室温样品趋于完全平衡的长等待时间和能量损失(实施例2)。实施例3为贝氏体完全转变完成，碳化物断裂完成，如果再额外增加转变时间，只会额外增加能耗。

本发明通过采用快速感应加热和短时间加热/保温，快速降温到中温转变区贝氏体区，将原始退火态的层片状球状珠光体中的碳化物迅速打断溶解并析出细小球状碳化物形核核心，为后续两个温度段短时间保温，完成球化过程。这种短时间快速感应加热处理缩短了GCr15钢材总体的球化退火时间，提高了球化率，大大降低能耗，且碳化物尺寸和分布比常规球化退火热处理的到的要细小和均匀。

本发明GCr15球化退火热处理工艺与对比球化退火热处理工艺参数见表1。

表1本发明球化退火热处理工艺与现有常规球化退火热处理工艺参数比较

从以上实施例我们可以看出，为了能控制升降温速度，GCr15钢只能为棒材；而且棒材直径不能过大；直径过大(超过3.5mm),快速短时间感应加热,只能达到表面处理的效果,并不能够对样品心部组织达到热处理的效果,造成样品组织分布不均匀，本次发明只针对直径为3mm的线材,短时间感应加热很容易达到心部组织,既节省时间又减少了工艺，这也是本次发明的巧妙之处。

图1中的Ac1线又叫做共析线，是指含碳量在0.77％-2.11％的铁碳合金冷却到此线时，在727度恒温下发生共析转变，即A_0.77％→F_0.0218％+Fe₃C。Ac3是加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度。由于含碳量的不同和合金元素的改变，其AC1和AC3就会发生改变，热处理温度一般介于AC1和AC3之间，因此热处理温度随之发生变化，该工艺也就需要重新进行研究。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于此，因此任何依据本发明范围所作的同等替换或改变，都在本发明的保护范围之内。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (4)

1.一种GCr15钢快速球化退火方法，其特征为该方法包括以下步骤：将GCr15钢的线材置入高频感应装置内，进行以下操作：

(1)用5～10s将棒材升温至880℃-980℃，在此温度下保温15～30min至样品完全奥氏体化；

(2)再将线材通过5～10s快速降温至400±10℃，并保温425～445s；

(3)再将线材通过5～10s快速升温至678±10℃，并保温90～120s；

(4)用5～10s将线材快速降578±10℃，然后保温50～75s；

(5)将再次保温后的线材用5～10s快速冷却至室温，完成球化退火。

2.如权利要求1所述的GCr15钢快速球化退火方法，其特征为所述的GCr15钢的成分按重量百分比含C：0.95-1.10％，Si：0.15-0.35％，Mn：≤0.5％，Cr：1.30～1.60％，余量为Fe。

3.如权利要求1所述的GCr15钢快速球化退火方法，其特征为所述的高频感应装置为Formastor高频感应装置。

4.如权利要求1所述的GCr15钢快速球化退火方法，其特征为所述的GCr15钢线材的直径为2.5～3.5mm。