小直徑GCr15軸承鋼管工藝開發與應用

王增海，溫 博，高和平，林 震

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司鋼管公司，內蒙古 包頭 014010）

軸承鋼是用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈的鋼。軸承鋼有高而均勻的硬度和耐磨性，以及高的彈性極限［1］。軸承鋼對其化學成分均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分嚴格，是所有鋼鐵生產中要求最嚴格的鋼種之一［2］。

軸承鋼分為全淬透型軸承鋼、表面硬化型軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼等四類共17個鋼號。全淬透型軸承鋼采用高碳鉻的成分設計，鉻含量為0.6%～1.7%；碳含量0.45%～1.50%。目前我國采用的高碳鉻軸承鋼主要有GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo，其中應用最廣泛的是GCr15軸承鋼，該鋼種具有高的抗疲勞性、高的延伸性、良好的耐磨性、合適的彈性和韌性、一定的防銹能力，經過球化退火處理后具有良好的切削加工性能，因而在機械設備基礎件中得到廣泛的應用，占世界軸承鋼生產總量的80%以上［3-4］。

國內軸承圈套生產基本還是以“圓鋼鍛造+沖孔+輾壓”傳統鍛造工藝為主，部分為“退火+冷拔”工藝［5］。改進的軸承鋼生產工藝是“熱軋軸承鋼管+退火+熱輾+精密冷輾+淬火、回火”軸承套圈，改進軸承鋼的生產工藝是為了提高生產效率、降低生產成本、提高軸承服役壽命。

1 GCr15軸承鋼管檢驗要求

（1）無損探傷檢驗。鋼管應逐根進行縱向和橫向超聲波探傷，超聲波探傷按GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》執行，合格級別為L2。

（2）鋼管幾何尺寸及允許偏差。按照軸承廠家的使用要求，熱軋的供貨規格為Φ73 mm×7.2 mm，定尺長度6.0～8.5 m，外徑允許偏差要求為0～1%D或±0.50 mm，取其中較大者；橢圓度要求不超過外徑公差的80%；對于壁厚S允許偏差，當壁厚≤15 mm，要求為-8%S～+12.5%S；壁厚不均勻度要求不超過壁厚公差的80%；彎曲度要求≤1.5 mm/m。

2 鋼種設計

GCr15是一種高碳高鉻的過共析鋼，GCr15鋼種用作軸承鋼具有較高的淬透性，熱處理后可獲得全淬馬氏體組織；熱處理后的硬度高且均勻，有較好的耐磨性，接觸疲勞強度高，另外GCr15鋼種有較好的尺寸穩定性和抗蝕性，但易出現白色的質量缺陷［6-7］。

試制的軸承鋼管規格使用Φ150 mm連鑄坯料，材質為GCr15，GCr15連鑄坯料的熔煉成分見表1。

表1 GCr15連鑄坯料熔煉成分（質量分數） %

3 生產工藝流程介紹

熱連軋工藝生產軸承鋼管流程為：高爐鐵水→鐵水處理→頂底復吹轉爐→LF鋼包精煉爐→VD真空脫氣爐→圓坯連鑄機→環形爐加熱→穿孔機軋制→連軋管機軋制→張力減徑機軋制→冷床冷卻→鋸切定尺→退火熱處理→熱輾→精密冷輾、打磨→淬火、回火。

采用熱連軋工藝生產GCr15軸承圈套用鋼集成技術，包含了“高純凈度GCr15軸承管坯冶煉工藝技術”“熱連軋機組生產GCr15軸承鋼管工藝技術”“連鑄坯生產軸承鋼管的顯微組織調控技術”“熱連軋無縫鋼管+輾壓成型工藝技術”4項技術創新。

4 小批量試制工藝控制

4.1 環形爐加熱制度

環形爐加熱GCr15軸承鋼前出空爐內坯料，出料區開始降溫到700℃，加熱區和均熱區根據該材質的加熱制度降溫。該鋼種的加熱速度低于普碳鋼，按照11.5～12.0 min/cm進行加熱；試驗熱連軋機組使用Φ150 mm連鑄坯料，環形加熱爐144個料位，所以確定軋制該鋼種的出料節奏為75 s/支，環形爐加熱一區溫度830～870℃，加熱二區1 080～1 120℃，均熱一區1 100～1 120℃。

4.2 主要工藝參數

軋制Φ73 mm×7.2 mm軸承鋼管熱連軋工藝主要工藝參數見表2，穿孔機和連軋管機軋制該材質鋼管時不開水，連軋管機和張力減徑機前的除鱗水打開。

表2 軋制軸承鋼管Φ73 mm×7.2 mm熱連軋工藝主要工藝參數

穿孔機軋制完成后毛管溫度1 137～1 150℃，低于普碳鋼的軋制后毛管溫度50～60℃；連軋管機開軋溫度為1 070～1 100℃；張力減徑機出口溫度860～870℃；鋼管到冷床的平均溫度764℃，用時42 s，所以這段溫度區間的溫降速度是2.52℃/s；到冷床后鋼管溫度降到700℃用時35 s，所以這段溫度區間的溫降速度是1.31℃/s。軋制該材質軸承鋼的穿孔扭矩和連軋管機的軋制力略高于同壁厚的普碳鋼管。

5 試驗結果分析

5.1 鋼管幾何尺寸

GCr15材質鋼管軋后長度25 m，切損率5%，隨機抽檢Φ73 mm×7.2 mm規格軸承鋼管壁厚情況，統計樣本10支，測量沒有分切定尺和切頭尾的熱軋后鋼管。頭端位置壁厚值是距離頭端相應長度，對應角度所取樣本10支鋼管壁厚平均值，尾端位置壁厚同樣如此。切成定尺后鋼管幾何尺寸見表3，成品鋼管壁厚均勻，壁厚按照上偏差控制。

表3 切成定尺后鋼管幾何尺寸

鋼管外徑73.1～73.6 mm，外徑橢圓度為0.4～0.5 mm。成品鋼管幾何尺寸在技術協議要求范圍內。

5.2 軸承鋼管質量

試驗軸承鋼管成材率87%，影響成材率指標的主要因素是鋼管頭端有小的片狀內折。

5.3 化學成分

GCr15軸承鋼軋態鋼管化學成分見表4。

表4 GCr15軸承鋼軋態鋼管化學成分（質量分數） %

5.4 退火后組織

GCr15軸承鋼熱軋后的組織為片層狀珠光體加網狀碳化物，經過合理的退火工藝，共析滲碳體可在鐵素體的基體上呈球狀分布，稱為球狀（或粒狀）珠光體。球狀珠光體的強度比片層狀珠光體低，但塑性、韌性有改善，為后續加工創造條件，退火后的球狀珠光體金相組織如圖1所示。

圖1 退火后的球狀珠光體金相組織

6 結 語

（1）此次生產只是小批量試軋，針對此鋼種加熱特性，下一步制定連續批量生產的加熱工藝制度。

（2）橫截面壁厚均勻度達到預期目標，在此基礎上優化鋼管切頭尾量，增加成材率。

（3）GCr15軸承鋼管化學成分符合GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》要求；非金屬夾雜物小于0.5級，達到技術要求；退火后的組織為球狀（粒狀）珠光體，組織均勻，硬度降低，為后續機加工創造條件。

（4）此次熱連軋生產突出質量問題為內折，較大可能原因是連鑄坯料有中心疏松或裂紋等缺陷，環形爐加熱制度不合理，穿孔機工藝參數設定不合理。下一步將深入研究，最終解決內折問題。