軸承鋼管的熱加工生產(chǎn)工藝

新興鑄管股份有限公司 （河北邯鄲 056300） 王錦永 王 磊 李仲華 田春雷

軸承鋼管一般采用實(shí)心圓棒鍛坯或軋坯，加熱到1160～1180℃，經(jīng)穿孔生產(chǎn)為熱軋管；或者熱軋管球化退火后，再經(jīng)冷軋、冷拔工藝生產(chǎn)出規(guī)格較小且精度更高的冷軋、冷拔管。

我公司采用離心澆注工藝生產(chǎn)出空心的管坯，然后內(nèi)外壁加工適當(dāng)尺寸后，裝入環(huán)形爐加熱到一定溫度，通過斜軋穿孔機(jī)，加工出相應(yīng)規(guī)格的毛管，再通過斜軋軋管機(jī)，對(duì)毛管的外徑、壁厚、螺旋道進(jìn)行均整，最后通過微張力定徑機(jī)減小荒管外徑，生產(chǎn)出要求規(guī)格的成品管。一般熱軋的成品管規(guī)格都較大，若要生產(chǎn)規(guī)格較小的鋼管，則可通過對(duì)球化退火態(tài)的熱軋管進(jìn)行冷軋、冷拔加工，擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格。我廠采用離心澆注方式制備出空心GCr15管坯，然后通過斜軋工藝，成功試驗(yàn)出了合格的軸承無縫鋼管。

圖1 離心澆注

1.離心坯的制備

離心鑄造流程為合金熔煉→管模加熱→涂料管模→上擋板→鋼液澆注→管模冷卻→拆擋板→拔管→清渣→加工。

離心坯料的制備過程及要點(diǎn)：①起動(dòng)離心機(jī)，使管模旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。②用火焰從外壁加熱管模，預(yù)熱至200～260℃。③在管模內(nèi)表面噴涂液態(tài)涂料，涂料厚度1.8～2.2mm。④繼續(xù)對(duì)管模加熱，促使涂料中的水分完全蒸發(fā)。⑤用擋板將管模兩端堵住，形成封閉的環(huán)形型腔。⑥提高管模的旋轉(zhuǎn)速度至750～800r/min。⑦將氬氣吹入管模，清除里面存在的空氣，減小氧化、氣孔傾向。⑧澆注合金液，澆注溫度1530～1560℃，且在整個(gè)澆注過程中，保證型腔內(nèi)時(shí)刻充滿保護(hù)氣體。⑨澆注完成后，待鋼液均勻鋪開，打開冷卻水裝置，促使鋼液快速凝固，形成離心坯，離心澆注過程如圖1所示。

鋼液全部凝固后停止冷卻，并關(guān)閉離心裝置。將管模兩端的擋板打開，將管坯從管模內(nèi)推出，去除管坯內(nèi)表面的渣層，球化退火后，對(duì)管坯內(nèi)外表面進(jìn)行加工，以去除內(nèi)外表面的鑄造缺陷，制備成軋制所需管坯。

2.斜軋工藝

空心坯比實(shí)心坯容易加熱均勻，因此應(yīng)縮短加熱時(shí)間，降低加熱溫度。加熱時(shí)間系數(shù)為0.4～0.6min/mm，加熱溫度為1130～1160℃，若溫度過高、加熱時(shí)間過長(zhǎng)，則容易導(dǎo)致晶粒粗大、氧化和脫碳。

實(shí)心鑄造坯在斜軋穿孔時(shí)，毛管內(nèi)表面金屬變形劇烈，若其內(nèi)部組織不好，則容易產(chǎn)生裂紋、內(nèi)折等缺陷。采用鍛坯、軋坯可以改善鑄坯內(nèi)部組織，提高塑性，消除穿孔時(shí)內(nèi)表面的缺陷，但是無疑增大了生產(chǎn)成本。采用離心澆注工藝生產(chǎn)出的空心管坯，雖然塑性不及鍛坯優(yōu)良，但內(nèi)部組織致密，性能超過一般的空心鑄造管坯，可根據(jù)離心鑄造空心坯的特點(diǎn)，設(shè)定適當(dāng)?shù)墓に嚪桨高M(jìn)行生產(chǎn)。

變形方案采用兩次穿軋定徑流程，第一次穿軋定徑采用較小的變形比，用于改善離心坯鑄態(tài)組織，提高塑性。第二次穿軋定徑采用大的變形比，用于生產(chǎn)出合格的成品管。

空心坯穿孔時(shí)不存在二次咬入的阻力，合適的壓下量不易發(fā)生前卡現(xiàn)象。頂頭位置可以取大些，頂頭前壓下率在5%左右，減小一次咬入到坯料接觸頂頭的距離。同時(shí)，采用1.06～1.08mm小橢圓度，12°送進(jìn)角，減少管坯在變形區(qū)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，限制金屬的橫向?qū)捳梗档凸芘髦行膮^(qū)的橫向拉應(yīng)力，增大軸向延伸，使毛管承受的交變應(yīng)力大大減小，并且采用較小的軋制速度，一般為0.2～0.3m/s，保證金屬在孔型內(nèi)流動(dòng)的均勻性，杜絕了毛管內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋、內(nèi)折缺陷。

生產(chǎn)過程中，必須確保工模具的表面質(zhì)量，隨時(shí)檢查，加強(qiáng)潤滑，確保鋼管表面不會(huì)因工模具粘鋼或凸起導(dǎo)致管子表面劃傷、凹坑等缺陷。定徑機(jī)前開高壓水除鱗，壓力為14～15MPa，消除外壁的氧化皮、麻點(diǎn)。定徑機(jī)各機(jī)架變形量分配要均勻，起始機(jī)架減徑率要小些，工作機(jī)架減徑率最大，均整機(jī)架減徑率從最大值逐漸變小。各機(jī)架間的張力系數(shù)也要合理分配，伴隨機(jī)架減徑量特點(diǎn)，從小變大，再從最大變最小，與機(jī)架減徑率變形節(jié)奏類似，確保金屬軸向流動(dòng)和橫向流動(dòng)的均勻穩(wěn)定，預(yù)防壁厚不均。

采用小的變形比，離心鑄造坯料經(jīng)過第一次穿、軋、定后，原始組織狀態(tài)得到改善，晶粒破碎，組織致密性提高，穿軋塑性得到大大改善，隨后進(jìn)行第二次穿軋定徑工序。

3.熱軋正火態(tài)的組織及硬度

GCr15無縫鋼管的終軋溫度為790～840℃。軋制冷卻過程中，二次滲碳體沿著奧氏體晶界首先析出，碳化物呈細(xì)小彌散分布的網(wǎng)狀，隨后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體和鐵素體片層相間的細(xì)小珠光體。

終軋溫度越低，網(wǎng)狀碳化物被打碎，變形的奧氏體晶粒來不及再結(jié)晶，晶粒越細(xì)小，碳化物分布越彌散細(xì)小，軋后空冷組織為細(xì)小的珠光體+滲碳體+細(xì)小網(wǎng)狀碳化物，熱軋空冷態(tài)的組織如圖2所示。組織決定性能，細(xì)小的珠光體導(dǎo)致熱軋空冷態(tài)軸承鋼具有較高的硬度，較大的脆性，矯直時(shí)管子產(chǎn)生脆性斷裂，硬度值如表1所示，管子矯直斷裂照片如圖3所示。

表1 熱軋態(tài)鋼管硬度（HRC）

圖3 GCr15無縫鋼管熱軋態(tài)的矯直裂紋

4.球化退火工藝及球化后的組織、性能

（1）球化退火工藝及組織 軸承鋼的球化退火冷卻采用兩種方式：一類是保溫后隨爐連續(xù)冷卻，冷卻速度30～35℃/h，冷卻到500～600℃，出爐空冷；另一類是保溫后快速冷卻到720℃左右，再保溫2～4h，爐冷到500～600℃，出爐空冷。

本次試驗(yàn)采用第一種冷卻方式，球化退火工藝：加熱到790～810℃，保溫4～5h，然后關(guān)閉爐子，隨爐冷卻到500℃左右，出爐空冷。球化后的顯微組織如圖4所示。

圖4 GCr15無縫鋼管球化退火后的組織

圖2 GCr15無縫鋼管熱軋態(tài)的組織

（2）彎曲、壓扁性能 由圖4可以看出，球形碳化物均勻分布在鐵素體基體上，球化效果良好，為驗(yàn)證球化后的性能，從球化退火態(tài)的管子上進(jìn)行取樣檢測(cè)，取全壁厚、寬25mm、長(zhǎng)150mm樣條，置于壓力試驗(yàn)機(jī)上，內(nèi)壁受壓，彎曲角度為90°。彎曲后，沒有出現(xiàn)裂紋，取65mm長(zhǎng)的管環(huán)進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，壓扁后，樣環(huán)沒有出現(xiàn)裂紋。

（3）球化后硬度 對(duì)球化后的管子進(jìn)行取測(cè)量其布氏硬度，結(jié)果如表2所示。

可以看出，均勻的球化組織大幅降低了硬度，有利于切削加工，提高管子的塑性，有利于成品管的熱處理，淬火時(shí)不易造成過熱現(xiàn)象，利于保證成品管性能的一致性，為淬火組織做準(zhǔn)備。

表2 球化處理后鋼管硬度（HBW）

5.淬火回火工藝

（1）淬火工藝 加熱到830～840℃，保溫40min，油淬，淬火組織為馬氏體+顆粒狀碳化物+殘留奧氏體。在富碳、富鉻區(qū)，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)較低，形成的馬氏體穩(wěn)定，不易被腐蝕，呈白色分布，針狀。在貧碳、貧鉻區(qū)，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度高，形成的馬氏體易被腐蝕，呈黑色分布。

（2）低溫回火工藝 加熱到165～175℃，保溫3～4h，出爐空冷。經(jīng)過回火的組織，白區(qū)呈團(tuán)絮狀分布，回火后馬氏體發(fā)生分解，隱針馬氏體向回火馬氏體轉(zhuǎn)變。低溫回火組織為回火馬氏體+未溶碳化物+殘留奧氏體，黑區(qū)是板條馬氏體為主的隱晶馬氏體，白區(qū)是以孿晶為主的隱針馬氏體。

淬火后鋼管硬度較高（見表3），具有優(yōu)異的耐磨性。

表3 淬火及回火后鋼管硬度 （HRC）

6.結(jié)語

成品管內(nèi)外表面光潔平整，沒有出現(xiàn)裂紋、折疊、結(jié)疤等缺陷。晶粒細(xì)小，組織致密，碳化物細(xì)小且彌散均勻，內(nèi)外壁脫碳層厚度都小于0.5mm，符合GB/T18254－2002標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)彎曲、壓扁試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)裂紋，符合GB/T246標(biāo)準(zhǔn)。

（20121110）