轧后穿水冷却工艺对棒材组织性能的影响

轧后穿水冷却对热轧钢材组织性能的影响材料经不同的热处理工艺处理后，其内部组织组成相的比例、形态以及分布状况均会发生改变。

热轧后的钢材，在各阶段采用不同的冷却制度对其组织和性能，截面形状正确与否都有直接影响，钢材的各部位冷却不均匀将引起不同的组织变化，相变时间与轧后冷却方式不同，所得组织及粗细程度也不同，通过化学成分的适当调整，控温轧制及轧后控制冷却或形变热处理工艺可以控制钢材的组织状态与性能，而目前生产使用的多数钢材的组织控制很难达到理想目标，其使用性能和技术指标均有待进一步提高。

轧后对热轧钢材进行穿水冷却可使钢材上冷床温度降低200～400℃，在解决冷床能力不足的问题时，同时可使产品质量提高。

本文根据某科技股份有限公司棒材车间生产的热轧棒材情况，在相同的变形量、变形温度以及微量合金元素条件下，研究轧后穿水冷却对热轧钢材组织性能的影响，并与轧后空冷状态下的钢材组织性能进行比较，旨在找出穿水冷却对钢材性能的影响规律，为制定出能使该工艺在提高钢材综合性能方面发挥作用提供科学依据及降低企业生产成本提供参考。

本次生产所用的材料为低碳微Nb钢，钢中各元素的质量分数为(质量分数，%)：0.20～0.24C，1.05～1.15Mn，0.20～0.30Si，≤0.03P，≤0.03S，0. 005～0.01Nb。

生产中所用原料尺寸为160mm×160mm×9550mm，开轧温度约105 0℃，经初、中、精轧后轧成Φ22mm的热轧钢材，然后进行三段穿水冷却，第一段水压为1.6MPa，第二段为1.2MPa，第三段为0.8MPa，成品轧制速度约为9.5 m/s，经三段穿水冷却后钢材上冷床温度约为600℃，轧后空冷下的钢材制备工艺参数跟穿水冷却下的热轧钢材制备工艺参数相同。

轧后空冷状态下的钢材边部组织为铁素体+珠光体，晶粒度等级约为12.0级，心部组织也为铁素体+珠光体，其晶粒度等级约为7.0级。

轧后穿水冷却下的钢材边部组织为回火索氏体，晶粒度等级约为9.5级，心部组织为铁素体+珠光体，晶粒度等级约为8.5级，其淬透层深度为1.60mm。

轧后冷却速度对窄带钢组织性能及其温度场的影响摘要本文通过热模拟机Gleeble－1500对Q215热轧窄带钢在不同的轧后冷却速度下进行了模拟，研究了冷却速度对热轧窄带钢组织性能的影响。

同时，采用MARC对其冷却过程进行有限元数值模拟，分析了冷却速度对钢带温度场分布的影响。

为提高产品的强度及韧性，适应以后的冷轧工艺，根据现场条件，制定了合理的冷却制度。

关键词冷却速度热轧窄带钢显微组织力学性能温度场1引言热轧窄带钢与宽带相比其组织性能指标较低，产品的流向以焊管、冷弯原料为主，近几年来已开始用于冷轧带钢的原料，用户对窄带钢产品质量的要求也越来越高。

目前国内的热轧窄带钢生产大部分在轧后采用蛇型振荡的冷却方式，有的甚至轧后无任何冷却方式，直接卷取，以致卷取温度过高，组织晶粒过大，不利于后面的冷轧，最终产品质量也难以达到用户的要求。

带钢热轧以后的冷却速度对于钢带的组织与性能有着极其重要的影响，铁素体－珠关体组织的低碳钢的强化与普通热轧态钢比较是通过轧后控制冷却速率来实现的。

钢种、板厚、终轧及卷取温度和轧制规程等都相同，只是冷却速度不同就引起性能上的较大差别[1,2]。

因此，本文根据某热轧窄带钢厂车间的实际情况，采用gleeble热模拟方法加入一定的轧后冷却速度，研究其对热轧窄带钢组织性能的影响。

同时，采用MARC有限元软件对其冷却过程的温度场进行模拟计算，研究其厚度方向上的温度场分布情况。

2试验方法及结果分析2.1试验材料目前，热轧窄带厂的原料以Q195、 Q215、Q235等普碳钢为主。

本研究中的试验材料取自某热轧窄带厂的成品，其化学成分如表1。

表1 试验用钢主要化学成分元素 C Mn Si P S质量分数/% 0.09～0.15 0.25~0.55 ＜0.3 ＜0.04 ＜0.042.2试验方案及检验根据试验内容和试验方案的要求将试样加工成120×16×3mm的矩形试样。

利用北京科技大学Gleeble-1500热模拟试验机采集试验数据。

控制冷却工艺对热轧线材奥氏体化相变及组织性能的影响分析摘要：通过对线材生产过程中各控冷参数的控制，研究其对奥氏体相变以及组织性能的影响；并总结其影响规律。

关键词：奥氏体化吐丝温度终轧温度0前言在线材的生产过程中，对线材的相变组织以及力学性能起主要影响作用的是轧制后由高温红热状态向常温状态冷却的过程中的冷却温度以及冷却速度。

因此轧制后的冷却过程是线材质量保证的关键环节。

控制冷却的工艺技术是从七十年代后期才慢发展起来的。

在过去的三十多年，我国在控制冷却的理论研究方面有了很大的进展，并总结了不同的控制冷却工艺对不同的钢材的影响规律。

这些都对我们的实际生产产生很好的指导作用，并能够充分发挥控制冷却的工艺效果。

1线材的奥氏体化为了使线材能够获得所需组织与性能,都需要进行热处理。

而大多数热处理工艺都需要将钢件加热到Ac1Ac3以上形成单一或部分奥氏体组织,这一过程称之为奥氏体化。

奥氏体化的线材通过一定的方式进行冷却，以获得预期的组织及性能来满足工程需要。

除了热处理以外,线材的其他热加工过程也同样存在类似的奥氏体化过程以及随后冷却时发生的组织和性能的变化。

因此,加热时的组织转变是线材热处理及其他热加工过程的基础，并且热处理线材的组织和性能与其他加热时形成的奥氏体特性有直接关系。

例如过热引起的奥氏体晶粒过大,将导致线材热处理后冲击韧性降低，断口呈粗晶粒状,表现出明显的脆化倾向。

2控制冷却工艺对奥氏体的相变及组织性能的影响控制冷却的主要目的是通过控制钢材轧后的冷却速度来获得理想的室温组织，合理的冷却速度是获得理想组织的前提，为了正确制定冷却工艺，必须充分了解工艺参数对轧后奥氏体相变的影响规律。

它对线材成品的内部组织，力学性能及二次氧化等均有重要的影响。

控制冷却的实质是利用轧件热轧后的轧制余热，以一定的控制冷却速度,从而获得所需要的组织和性能，以达到提高产品内在的质量的目的。

2.1控冷工艺参数对相变的影响2.1.1工艺参数对奥氏体向铁素体转变温度Ar3的影响变形对Ar3的影响主要是由奥氏体晶粒及变形所产生的变形能所产生的。

热轧后水冷却对热轧钢材组织性能的影响摘要：本文基于微量合金元素、变形温度与变形量相同的情况下，对钢材热轧后穿水冷却影响钢材组织性能的情况进行研究，同时与钢材热轧后空冷状态的钢材组织性能情况进行对比。

实验结果显示：钢材热轧后空冷状态的边部组织与心部组织为珠光体+铁素体，其心部晶粒度约7级，而钢材热轧后在穿水冷却的边部组织则为回火素氏体，其心部组织则与空冷状态相同，心部晶粒度约8.5级，1.6毫米的淬透层深。

穿水冷却后钢材伸长率22.68%，虽然基本相近于空冷状态的24.3%，但是其抗拉强度与屈服强度相应提高了23.23%与39.2%。

关键词：热轧；水冷却；钢材组织性能；影响钢材随着不同热处理技术处理后，钢材内部组织组成相的分布情况、形态以及比例都会发生不同程度的改变。

而在钢材热轧的各个阶段采取不同的冷却方法直接影响钢材组织及其截面形状、性能等，同时相应的粗细程度也不尽相同。

通过适当调整化学成分、轧后控制、控温轧制或是形变热处理技术都能够对钢材组织性能与状态进行有效控制。

但是目前在钢材热轧实际生产过程中，大多数钢材无法达到预想的目标，因此对于热轧钢材冷却技术与性能指标都有进一步提升的空间。

穿水冷却工艺可使热轧后的钢材在上冷床时降低200至400摄氏度，不仅能够使冷床能力不足的缺陷得以解决，而且能够有效提高产品的质量。

下文以热轧棒材的生产实验作为实例，研究在同等微量合金元素、变形温度以及变形量的情况下，影响热轧穿水冷却后钢材组织性能的程度，同时将其与热轧空冷的钢材组织性能对比，意在得出穿水冷却影响钢材性能的规律，进而为能够编制出使穿水冷却有效提高钢材性能的工艺提供一定的科学与实践依据，同时为企业生产降低成本提供一定的经验。

一、材料与方法本实验中所使用的钢材为低碳微Nb钢材，表1中为该钢材各种元素质量的分数情况。

生产实验原料尺寸则为160*160*9550毫米，1050摄氏度左右的开轧温度，原料经过初、中、精轧后成为Φ22毫米的热轧钢材，随后对其实施三段穿水冷却，其中三段的水压分别为1.6MPa、1.2MPa、0.8MPa，保持约每秒9.5米的成品轧制速度，钢材经过三段穿水冷却上冷床的温度在600摄氏度左右。

冷却穿水后棒材组织性能的变化作者：李媛媛吴爱新来源：《中国科技博览》2012年第32期[摘要]：针对轧机产量提高后冷床冷却能力不足的问题，研制开发了棒材轧后穿水冷却技术。

通过对小规格20MnSiV热轧带肋钢筋进行轧后穿水冷却，钢材上冷床温度降低了90～110℃，提高了产品质量，改善了各项力学性能，抗拉强度平均提高了35～40MPa，钢材性能合格率由97.5%提高到了99.6%，解决了冷床冷却能力不足、制约生产的瓶颈问题。

[关键词]：20MnSiV 棒材轧制穿水冷却上冷床温度中图分类号：O6-333 文献标识码：O 文章编号：1009-914X（2012）32- 0351-011、前言现阶段很多钢铁企业都成功实现了橫列式轧机双线切分轧制，使产量大幅度提高，具备了年产70万t的生产能力。

而现有冷床的能力和型式仍为原设计年产15万t的水平，台面由斜辊与部分齿条构成，尺寸为12m×60m。

由于冷床冷却能力的不足，使φ12mm以上规格的钢材出现数量较大的性能改判和降级处理，造成很大的经济损失。

同时，也制约了轧机能力的发挥及Ⅲ级以上热轧带肋钢筋的开发。

针对这一问题，研制开发了“双线轧后高效冷却系统”。

以“轻穿水、低过冷、细晶化”为技术思想，以降低钢材上冷床温度，改善和提高钢材的微观组织和力学性能为目的，解决了限制生产发展的瓶颈问题，实现了在线水冷技术上的突破。

2、工艺简介小型半连轧合金棒线材生产线，几经改造后，现已具备年产70万t的生产能力，可生产φ14～32mm的中低合金钢、碳素结构钢、建筑用钢等圆钢和热轧带肋钢筋。

主体工艺线由三辊开坯轧机、粗连轧机组、橫轧机组组成，原料为断面120mm×120mm的连铸方坯。

改造后的工艺布置和主要工艺设备参数如图1。

1 加热炉2 1#轧机3 2～7#轧机4 圆盘剪5 8#、9#轧机6 10#、11#轧机7 穿水冷水箱8 倍尺飞剪3、系统原理、实施方案及效果20世纪80年代初期棒材轧后穿水冷却技术已开始在我国应用，其机理是利用钢筋的轧后余热进行淬火回火式热处理，即对奥氏体状态下热轧钢筋进行轧后快速冷却，使钢筋表面淬火形成马氏体，随后靠其芯部释放出的余热进行自回火，使马氏体转变为晶粒细小均匀的索氏体，提高强度与塑性。

棒材轧制论文：20MnSiV；棒材轧制；穿水冷却；上冷床温度论文：浅析棒材穿水冷却工艺对组织性能的影响摘要：针对轧机产量提高后冷床冷却能力不足的问题，研制开发了棒材轧后穿水冷却技术。

通过对小规格20mnsiv 热轧带肋钢筋进行轧后穿水冷却，钢材上冷床温度降低了90～110℃，提高了产品质量，改善了各项力学性能，抗拉强度平均提高了35～40mpa，钢材性能合格率由97.5%提高到了99.6%，解决了冷床冷却能力不足、制约生产的瓶颈问题。

关键词：20mnsiv；棒材轧制；穿水冷却；上冷床温度1 前言现阶段很多钢铁企业都成功实现了橫列式轧机双线切分轧制，使产量大幅度提高，具备了年产70万t的生产能力。

而现有冷床的能力和型式仍为原设计年产15万t的水平，台面由斜辊与部分齿条构成，尺寸为12m×60m。

由于冷床冷却能力的不足，使φ12mm以上规格的钢材出现数量较大的性能改判和降级处理，造成很大的经济损失。

同时，也制约了轧机能力的发挥及ⅲ级以上热轧带肋钢筋的开发。

针对这一问题，研制开发了“双线轧后高效冷却系统”。

以“轻穿水、低过冷、细晶化”为技术思想，以降低钢材上冷床温度，改善和提高钢材的微观组织和力学性能为目的，解决了限制生产发展的瓶颈问题，实现了在线水冷技术上的突破。

2 工艺简介小型半连轧合金棒线材生产线，几经改造后，现已具备年产70万t的生产能力，可生产φ14～32mm的中低合金钢、碳素结构钢、建筑用钢等圆钢和热轧带肋钢筋。

主体工艺线由三辊开坯轧机、粗连轧机组、橫轧机组组成，原料为断面120mm×120mm的连铸方坯。

改造后的工艺布置和主要工艺设备参数如图1、表1所示。

20世纪80年代初期棒材轧后穿水冷却技术已开始在我国应用，其机理是利用钢筋的轧后余热进行淬火回火式热处理，即对奥氏体状态下热轧钢筋进行轧后快速冷却，使钢筋表面淬火形成马氏体，随后靠其芯部释放出的余热进行自回火，使马氏体转变为晶粒细小均匀的索氏体，提高强度与塑性。

穿水工艺在棒材厂产线的应用摘要：相同变形量、变形温度以及微量合金元素条件下．研究轧后穿水冷却对热轧钢材组织性能的影响，并与轧后空冷状态下的组织性能进行比较。

结果表明：轧后空冷状态下的钢材边部组织为铁索体+珠光体，心部组织也为铁索体加珠光体，心部晶粒度等级约为7．0级：轧后穿水冷却下的钢材边部组织为回火索氏体，心部组织为铁素体+珠光体，晶粒度等级约为8．5级，其淬透层深度为1．60mm；轧后穿水冷却的热轧钢材的伸长率与空冷相等，但其屈服强度提高了6.7%，抗拉强度提高了6.4%。

关键词：穿水冷却；热轧钢材；微观组织；性能一、立项背景根据厂打造“品质棒材”的战略目标，以及工艺先进的要求，对标学习后，结合车间工艺生产特点，积极开发轧后轻穿水工艺技术，为实现棒材的品质突破打开一扇技术之门。

二、推行方案对标先进产线，穿水工艺的应用势在必行。

材料经不同的热处理工艺处理后，其内部组织组成相的比例、形态以及分布状况均会发生改变。

热轧后的钢材在各阶段采用不同的冷却制度对其组织和性能，截面形状正确与否都有直接影响，钢材的各部位冷却不均匀将引起不同的组织变化，相变时间与轧后冷却方式不同，所得组织及粗细程度也不同。

轧后对热轧钢材进行穿水冷却可使钢材上冷床温度降低200～400℃．在解决冷床能力不足的问题时，同时可使产品质量提高。

穿水工艺推行的关键在于根据一轧车间实际情况进行穿水器设计、成品出口导卫的设计、穿水器安装基础找正以及后期的参数调整。

三、推行情况1、穿水器设计优化车间前期多次前往永锋参过考察，经过多次对标学习并且与专家进行商讨研究后，绘画图纸，与设备制作厂家联系制作穿水器，经过几个月的制作周期，设备于六月末到到达车间，准备进行试验。

2、成品出口导卫设计根据水器固定位置设计成品出口导卫。

因轧机与设备距离变远为使钢筋头部顺利进入穿水器，成品出口导卫加长至600mm以便满足生产需求；考虑成品存在弯头现象，生产时有可能在穿水器内堆钢，所以对成品引导嘴内腔进行加大，减小弯头出现概率。

冷却措施对钢材性能的影响研究随着钢材在建筑、汽车、机械等领域的广泛应用，对其性能的要求也越来越高。

冬季是钢材生产的重要季节，由于气温较低，需要进行冷却措施来确保钢材的品质。

然而，冷却措施对钢材的性能会产生一定影响，本文将探讨冷却措施对钢材性能的影响研究。

1. 研究背景钢材作为重要的建筑材料和工业材料，其品质直接关系到建筑、工业、交通等领域的安全和可靠性。

钢材的制造过程中，冷却措施是不可或缺的步骤。

在高温炉中加热后，钢材需要进行冷却才能达到一定的硬度和韧性。

然而，过于强烈的冷却会影响钢材的性能，导致其脆性增加、延展性减弱。

因此，研究冷却措施对钢材性能的影响，有助于制定科学的生产方案，保证钢材的品质。

2. 研究方法本研究选用了常见的钢材金相分析和力学性能测试方法，对采用不同冷却措施的钢材进行了对比研究。

具体方法如下：（1）样品制备。

选取不同材料的钢坯，在高温炉中加热至规定温度后，采用不同冷却方法，制备出相应的样品。

（2）金相分析。

将制备好的样品进行金相制备，观察其组织结构、晶粒尺寸和晶界分布情况。

（3）力学性能测试。

对样品进行拉伸试验，测试其屈服点、延伸率和硬度等力学性能。

3. 结果分析经过金相分析和力学性能测试，本研究得到以下结果：（1）冷却速率增加对钢材的组织结构和晶粒尺寸有较大影响。

当冷却速率增加时，钢材的晶粒尺寸变小，晶界数量增加。

（2）不同的冷却措施对钢材的硬度影响较大。

水冷却对钢材的硬度影响最大，气体冷却次之，盐水冷却对钢材的硬度影响较小。

（3）冷却措施对钢材的延展性有一定影响。

在快速冷却的情况下，钢材的延展性会减弱。

综上所述，冷却措施对钢材性能的影响是显著的，特别是在钢材的硬度和延展性方面。

对于需要高硬度和低延展性的钢材，可以增加冷却速率或采用水冷却等方式；而对于需要高延展性的钢材，应减小冷却速率或采用盐水冷却等方式。

4. 结论本研究通过金相分析和力学性能测试，探讨了冷却措施对钢材性能的影响，并得出了相应的结论。

棒材穿水研究王立丁(马钢第三钢轧总厂设备保障部)摘要穿水冷却是一套用于棒材生产线的在线热处理设备。

轧制普通钢坯经过穿水冷却处理可以使综合机械性能大大提高，获得高质量产品。

穿水冷却装置是由预冷段、喷咀段、水冷文氏管、出水段及其回水管组成。

通过调节阀对穿水文氏管水量进行调节，以达到调节冷却速度的目的。

前言马钢第三钢轧总厂棒材生产线以单线年产130余万吨的产能在国内长期独占鳌头，所生产的带肋螺纹钢筋以优秀的质量成为知名品牌。

这其中穿水冷却工艺的研究和使用功不可没，其成果也处于国内绝对领先的地位。

经研究和生产实践表明，棒材经过穿水处理后，其机械性能可以提高几个等级，轧制普碳钢坯经穿水可以达到低合金钢的机械性能。

尤其是在用HRB335钢坯生产出口三级螺纹钢筋G460时，充分利用了国际行业标准在化学成份方面的有利因素，大大降低炼钢生产的原料成本，使棒材穿水冷却成为三钢轧降本增效的一个亮点。

穿水冷却工艺原理经过成品机架轧制后，棒材已达到成品材尺寸，此时的终轧温度为1100℃左右。

在此温度下，棒材内部金相组织为奥氏体组织。

在轧制过程中，因反复挤压变形，使晶粒得到细化。

此后如不对冷却速度和上冷床温度加以控制，必然使棒材在轧后冷却过程中，内部产生晶粒粗大现象，最终导致机械性能下降，且冷却时间很长。

穿水冷却起到了对棒材进行轧后热处理，提高机械性能的作用。

实际上就是一个轧后高温淬火加自回火的热处理过程，所不同是其淬火的时间比较短，金相转变不完全。

如在用HRB335钢坯轧制出口材G460时，棒材在终轧1100℃温度下进入穿水冷却装置，先经过预冷段，将棒材温度降低至1000℃左右，再经穿水装置的喷咀段和水冷导管进行快速冷却处理，相当于进行高温淬火。

由于文氏管的强大冷却效果，使表面温度在2-3秒时间内，迅速降低至400℃以下，形成淬火马氏体。

由于淬火时间短，芯部温度仍然很高，棒材内外部温度梯度较大，因此，淬火层的厚度是有限的，实际大约有1.8mm厚，而且淬火层中的金相组织也不完全是马氏体，其中含有贝氏体等组织。

穿水冷却对GCr15轴承钢组织和力学性能的影响韩怀宾;赵宪明;王维;万长杰【摘要】通过4种穿水冷却工艺生产?20 mm热轧GCr15轴承钢棒材,研究了穿水冷却对热轧及球化退火、淬回火热处理后轴承钢组织和力学性能的影响.结果表明:终轧前后均采用穿水冷却,控制终轧温度在800～860℃,上冷床返红温度为620℃,能明显降低先共析碳化物及珠光体相变温度,减小热轧轴承钢中先共析碳化物厚度、连续度及珠光体片层、球团大小.退火及回火组织中碳化物厚度减小,均匀性增加,防止了粗大未溶网状碳化物的遗传.热轧及热处理后轴承钢抗拉强度及面缩率均增强.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】6页(P1390-1395)【关键词】GCr15轴承钢;穿水冷却;热轧;球化退火;淬回火;组织;力学性能【作者】韩怀宾;赵宪明;王维;万长杰【作者单位】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳 110819;河南济源钢铁(集团)有限公司,河南济源 459000;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳 110819;河南济源钢铁(集团)有限公司,河南济源459000;河南济源钢铁(集团)有限公司,河南济源 459000【正文语种】中文【中图分类】TG142.41随着高端装备制造业的发展及对轴承部分小型轻量化的重视,GCr15作为在机械设备中起着重要作用的轴承钢代表钢种,对其产品质量提出了更高要求,尤其是对热轧GCr15轴承钢中网状碳化物的控制变得更加严格.沿奥氏体边界形成的先共析网状碳化物对轴承钢的强韧性及疲劳寿命等都有着非常不利的影响[1-2].在轴承钢轧制和冷却过程中抑制网状碳化物的析出,是改善和提高 GCr15轴承钢性能的必要条件.虽然在目前轴承钢生产过程中已广泛应用先进的设备和新的技术,如通过水槽穿水冷却以控制钢材终轧温度及轧后冷速速率,但实际生产过程中,仍常因冷却能力不足或冷却参数控制不当而使轴承钢中出现网状碳化物超标的情况[3],热轧轴承钢网状碳化物的析出问题仍没有得到完全解决.且近年来,报道多单独研究热轧工艺(如终轧温度、穿水冷却、超快速冷却等)[4-5]或热处理制度参数[6](如球化退火、淬火、回火温度、时间等)对轴承钢中组织及其力学性能影响,而系统研究轴承钢在控轧控冷-球化退火-淬回火整个过程中组织与力学性能遗传关系的文献却很少.因此,本文通过4种穿水冷却工艺(高温终轧快冷、低温终轧快冷)生产热轧GCr15轴承钢棒材,并对其进行球化退火及淬回火热处理.系统分析了穿水冷却对热轧及球化退火、淬回火热处理后轴承钢组织和力学性能的影响规律,意在为轴承钢的生产提供有效依据.1 试验材料与方法本试验用料分别为经过4种控冷工艺生产的GCr15轴承钢棒材(0.96%C-0.25%Si-0.28%Mn-1.4%Cr).工艺1:终轧及冷床返红温度分别为980 ℃和900 ℃;工艺2:终轧及冷床返红温度分别为980 ℃和620 ℃;工艺3:终轧及冷床返红温度分别为800 ℃和620 ℃;工艺4:终轧及冷床返红温度分别为860 ℃和620 ℃.经4种不同穿水冷却工艺获得了1#,2#,3#,4#热轧试样,检测各热轧试样的金相组织及力学性能.在各工艺热轧棒材芯部取φ6 mm×10 mm圆柱形试样,在相变仪(DIL805A/D)上模拟4种穿水冷却工艺,如图1a所示,分别对4种穿水冷却工艺下GCr15轴承钢的先共析碳化物及珠光体相变温度进行测定.使用辊底式多功能热处理炉(MRF-4000PA/4000N)进行球化退火试验,如图1b所示,检测各试样的退火组织.退火后各试样再经图1c工艺淬回火处理,检测最终热处理后试样的回火组织及力学性能.图1 各工序工艺参数Fig.1 Technology parameters in each process(a)—热轧工艺； (b)—球化退火工艺； (c)—淬回火工艺.4种穿水冷却工艺下的轴承钢热轧组织、球化退火组织及淬回火组织均经打磨抛光后用2%硝酸酒精侵蚀获得,在扫描电镜(MLA250)及电子探针(EPMA-1720H)下观察,检测各阶段的组织特性.其中,采用随机拦截法及直线拦截法通过软件Image Tool对组织中碳化物厚度Dc、珠光体片层间距Sp及珠光体球团直径Dp进行定量分析.另外,为进一步定量表征网状碳化物,过碳化物网内任意一点O作n条直线,当网状绝对完整时,理论上直线与网碳应有2n个交点,网的连续度越低则交点个数越少,如图2所示.为确保结果准确性,将图像以一定角度转动 N次,记录所有交点之和为X,定义网状碳化物的连续度系数Fc:(1)对4种穿水冷却工艺下的热轧GCr15轴承钢棒材及淬回火GCr15轴承钢棒材按国际标准ISO 6892-1—2009进行室温拉伸试验,测试各轴承钢的抗拉强度及面缩率.图2 测定网状碳化物连续度系数Fig.2 Measuring continuity coefficient of networkcarbide2 试验结果及分析2.1 组织性能4种穿水冷却工艺下轴承钢的热轧组织如图3所示,热轧轴承钢金相组织的定量分析如表1所示,4种穿水冷却工艺下轴承钢的热膨胀曲线如图4所示.图3 4种穿水冷却工艺下轴承钢的热轧组织Fig.3 Hot-rolled microstructure of bearing steels by four kinds through-water cooling process, respectively(a)—1#； (b)—2#； (c)—3#； (d)—4#.表1 热轧轴承钢金相组织的定量分析Table 1 Quantitative metallographic analysis for hot-rolled bearing steels工艺先共析碳化物厚度/μm先共析碳化物连续度珠光体片层间距/μm珠光体球团直径/μm10.620.820.262820.490.750.192330.120.180.141840.110.190.1317图4 4种穿水冷却工艺下轴承钢的热膨胀曲线Fig.4 Thermal dilation curves of bearing steels by four kinds through-water cooling process, respectively(a)—1#； (b)—2#； (c)—3#； (d)—4#.由图3,图4及表1可知,1#～4#热轧轴承钢的金相组织主要由先共析碳化物及珠光体组成.980 ℃终轧后进行穿水冷却,能使轧材终轧后冷却速率由5 ℃/s(工艺1)增至40 ℃/s(2#),先共析碳化物、珠光体相变温度分别由778 ℃,568 ℃降至749 ℃,541 ℃,缩短了先共析碳化物及珠光体的析出长大时间,因而先共析碳化物的厚度、连续度、珠光体片层间距、球团尺寸分别由0.62 μm,0.82,0.26 μm,28 μm 降至0.49 μm,0.75,0.19 μm,23 μm.而进一步在终轧前进行穿水冷却,能使轧材终轧前冷却速率由7 ℃/s(工艺2)增至30 ℃/s(3#),先共析碳化物相变温度继续降至704 ℃(3#),进一步缩短了先共析碳化物的析出长大时间,先共析碳化物的厚度及连续度也继续降至0.12 μm及0.18.4#中终轧前水箱的喷嘴开口度较3#中的小,但终轧后水箱的喷嘴开口度却较工艺3中的大,因而终轧前轧材冷却速率由30 ℃/s(3#)降至20 ℃/s(4#),但终轧后轧材冷却速率却由20 ℃/s(3#)增至30 ℃/s(4#),根据热模拟结果,4#试样的先共析碳化物及珠光体相变温度分别为712 ℃及518 ℃,工艺3及工艺4下先共析碳化物及珠光体相变温度相差不大,因而4#试样中先共析碳化物厚度、连续度及珠光体片层间距、球团尺寸同样较小,分别为0.11 μm,0.19,0.13 μm,17 μm.因此,终轧前后均进行穿水冷却能显著降低先共析碳化物及珠光体相变温度,缩短先共析碳化物及珠光体析出长大时间,这对抑制先共析网状碳化物及促进细小珠光体的形成均起重要作用.对4种穿水冷却工艺下的热轧轴承钢按如图1b进行球化退火处理,得到图5中各试样的球化退火组织.可以看出:对4个试样球化退火组织中碳化物厚度进行定量统计,平均碳化物厚度分别为1.14,1.08,0.82,0.78 μm.3#和4#试样退火组织中碳化物基本呈细小均匀的球状,弥散分布在铁素体基体上.而1#和2#试样中碳化物均匀性则很差,尺寸相差较大,而且还存在许多未溶的粗大杆状碳化物,且其整体保持着网状遗传形态.研究认为[7-9],球化退火加热过程中,轴承钢发生奥氏体化,但先共析碳化物及珠光体中的渗碳体基本不会溶解.而在保温过程,珠光体中的片状碳化物基本被熔断,且珠光体越细小,熔断后形成的残余球状碳化物则越细小弥散,使退火降温时奥氏体分解的碳原子变为短程扩散,加速珠光体球化.但粗大的网状碳化物只能部分溶解,网状碳化物厚度较薄及缺陷较多的位置熔断后呈现出短杆、条链状,但整体仍呈明显的网状形态.随退火温度的降低,一方面碳化物以球状形式自发形核,球状碳化物的数量及尺寸均增加；另一方面,碳化物也会依托于未溶碳化物进行非自发形核,导致未溶条状碳化物的尺寸增加.根据此球化退火碳化物形成机理可知,轧制时终轧前后均进行穿水冷却能抑制先共析网状碳化物及促进细小珠光体的形成,进而显著降低球化退火组织中碳化物厚度及不均匀性,防止了大量网状未溶碳化物的遗传. 图5 4种穿水冷却工艺下轴承钢的退火组织Fig.5 Annealed microstructure of bearing steels by four kinds through-water cooling process, respectively(a)—1#； (b)—2#； (c)—3#； (d)—4#.进一步将4个退火轴承钢按如图1c进行淬火及回火处理,得到图6中各试样的回火组织,可以看出:4个轴承钢试样淬回火组织均主要由隐晶马氏体、碳化物及针状托氏体组成.对4个试样回火组织中碳化物厚度进行定量统计,平均碳化物厚度分别为1.12,1.05,0.75,0.73 μm.由于淬回火处理,回火组织中碳化物厚度较退火组织中碳化物厚度有所降低,但1#和2#试样中碳化物的不均匀性仍然明显.3#和4#试样回火组织中碳化物基本呈细小的球状,且较均匀地分布在马氏体和托氏体基体上.而1#和2#试样回火组织中碳化物却更加粗大,且均匀性很差,仍含较多短杆、条链状未溶碳化物,其保留着粗大网状碳化物遗传形态.轧制时终轧前后均进行穿水冷却,热轧组织中先共析网状碳化物厚度、连续性及珠光体片层、球团大小均降低,回火组织中碳化物厚度也是逐渐降低,尺寸均匀性增强,且能防止粗大的网状未溶碳化物的遗传.图6 4种穿水冷却工艺下轴承钢的回火组织Fig.6 Tempered microstructure of bearing steels by four kinds through-water coolingprocess,respectively(a)—1#； (b)—2#； (c)—3#； (d)—4#.2.2 力学性能图7为4种穿水冷却工艺下热轧轴承钢的室温拉伸断口形貌,可见含大量粗大网状碳化物及珠光体,热轧1#,2#试样断口为明显沿晶形貌,且沿晶界存在较为明显的撕裂棱;而终轧前后均进行穿水冷却的热轧3#,4#试样断口为准解理形貌.图8为经球化退火及淬回火热处理的4个轴承钢的室温拉伸断口形貌,可见含大量粗大网状碳化物及珠光体初始组织的1#,2#回火试样断口仍为大量沿晶和少量准解理形貌,撕裂棱同样清晰可见;而含细小条状碳化物及珠光体初始组织的3#,4#回火试样断口为准解理形貌,且断口上可以明显看到大量细小碳化物,其一方面抑制了纯脆性解理平面的出现,另一方面也能抑制裂纹的直线扩展.图7 热轧轴承钢拉伸断口Fig.7 Morphology of tensile fracture for hot-rolledbearing steels(a)—1#； (b)—2#； (c)—3#； (d)—4#.图8 热处理轴承钢拉伸断口Fig.8 Morphology of tensile fracture for heat-treated bearing steels(a)—1#； (b)—2#； (c)—3#； (d)—4#.由表2知，轧制时终轧前后均进行穿水冷却，热轧轴承钢强塑性得到显著增强，热轧轴承钢组织中先共析碳化物厚度、连续度及珠光体片层、球团大小均降低，避免了先共析网状碳化物在外力作用下在原奥氏体晶界上成为薄弱环节形成裂纹源.并且形成的小且弥散的先共析碳化物，能防止发生沿晶开裂，形成的细小珠光体能够提高强度.终轧前后均经穿水冷却的热轧轴承钢，热处理后其强塑性也明显增加,力学遗传性显著.轧制时的穿水冷却对热处理后轴承钢力学性能的影响主要是通过以下两方面来起作用的:一方面其防止了退火及回火组织中未溶网状碳化物的形成.严重的网状碳化物会改变奥氏体的固溶成分,不同位置奥氏体的C，Cr浓度相差大.热轧态组织中先共析碳化物厚度及连续度越大,在靠近先共析碳化物和远离碳化物处的C，Cr浓度相差就越大,两个位置奥氏体中C，Cr浓度相差也就越大,球化退火中由自发和非自发形核两种方式产生的碳化物尺寸相差就会越大,碳化物均匀性变差.且这一规律将继续保留至接下来的淬回火过程,再次奥氏体化淬火后基体C，Cr 浓度相差仍很大,回火后析出碳化物尺寸相差仍较大,均匀性仍很差[10-12].另一方面,越细小的珠光体加热后更容易溶解、熔断和形成均匀弥散分布的细小球状碳化物颗粒,这些粒状碳化物细小且有很大分散度,它能使奥氏体分解时的碳原子为短程扩散,形成了原子迁移的最有利条件,加速珠光体球化过程.球化退火及淬回火后碳化物尺寸及均匀性均取决于热轧组织中先共析碳化物厚度、连续度及珠光体片层、球团大小[13].因此,对于1#和2#试样,一方面严重的网状碳化物在奥氏体化过程很难完全溶解,导致其一直保留至回火组织；另一方面,退火及最终回火过程中还会析出尺寸相差大、均匀性差的球状碳化物,这两点导致了淬回火后1#和2#轴承钢仍发生了大量的沿晶开裂,其强度和韧性显著降低.表2 热轧及淬回火轴承钢室温拉伸试验结果Table 2 Results of tensile tests for hot-rolled and heat-treated bearing steels工艺抗拉强度/MPa面缩率/%热轧淬回火热轧淬回火1121520029.82.521242207515.85.931496235823.69.841501240221.18.73 结论1) 终轧前后均采用穿水冷却生产GCr15轴承钢棒材,控制终轧温度在800～860 ℃,上冷床返红温度为620 ℃,能明显降低先共析碳化物及珠光体相变温度,减小热轧轴承钢中先共析碳化物厚度、连续度及珠光体片层、球团大小.热轧轴承钢抗拉强度及面缩率均增强,使拉伸断口呈准解理形貌.2) 终轧前后均采用穿水冷却,能促使热轧轴承钢中形成细小的珠光体,有利于球化退火过程中珠光体球化;还能抑制先共析网状碳化物的形成.因而退火及回火组织中碳化物厚度减小,均匀性增强,且避免了粗大未溶网状碳化物的遗传.热处理后轴承钢强度及面缩率同样增强,拉伸断口仍为准解理形貌.参考文献：【相关文献】[1] Stickels C A.Carbide refining heat treatments for 52100 bearing steel[J].Metallurgical and Materials Transactions B,1974,5(4):865-874.[2] Xu X,Yu Z.Failure analysis of GCr15SiMn steel bearing sleeve[J].Engineering Failure Analysis,2006,13(5):857-865.[3] 赵宪明,孙艳坤,王永红.轴承钢棒材超快速冷却的试验研究[J].东北大学学报(自然科学版),2010,31(7):947-952.(Zhao Xian-ming,Sun Yan-kun,Wang mercial test of ultra-fast cooling for bearing steel bar[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2010,31(7):947-952.)[4] Sun Y K,Wu D.Effect of ultra-fast cooling on microstructure of large section bars ofbearing steel[J].Journal of Iron and Steel Research International,2009,16(5):61-80.[5] Lee K O,Hong S K,Kang Y K,et al.Grain refinement in 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