轴承钢棒线材控轧控冷工艺：提高质量、降低成本的创新之举

摘要：轴承钢是机械设备的重要组成部分，随着工业的不断发展，对轴承钢的需求量也越来越大，要求轴承钢的质量能够满足工业发展的要求，传统的轴承钢材料已经不能满足现代机械设备不断更新和提高的需求，使得高明轴承钢成为工业上广泛使用的基础材料。轴承钢材料具有较强的抗疲劳性能和较高的延展性，便于冷热加工，也能为机械企业节省一定的经济成本。轴承钢棒材、线材的控轧控冷工艺与传统轧制工艺相结合，可以解决传统工艺中轴承钢产品表面缺陷的问题，为企业带来更大的效益，在取得更多经济效益的同时，也能带动轴承钢取得更好的发展。

关键词：轴承；棒线材；控轧控冷工艺

轴承钢生产质量要求高，生产难度大，在轴承行业的发展中占有重要的地位。目前，我国轴承钢质量与国外存在较大差距，主要体现在轴承钢生产过程中会产生碳化物不均匀，使用寿命较短，使得轴承钢处于缓慢发展阶段。要想提高轴承钢生产质量，必须解决轴承钢生产中碳化物不均匀的问题。分析发现，轴承钢中碳化物的均匀性与轧后冷却速度、终轧温度等密切相关。本文通过对轴承钢棒、线材控轧控冷工艺进行分析，解决轴承钢生产中碳化物不均匀的问题，提高轴承钢生产质量。

1.轴承钢概述

轴承钢是机械设备中的基础零部件，滚动轴承应用十分广泛，滚动轴承由多个零件组成，如内圈、外圈等，轴承一般使用在恶劣的环境下，如高速运转、高温等，在低温环境下的应用。轴承采用滚动体，实现高速运转，在运转过程中需要承受较大的附加载荷，同时还要受到热应力或化学作用的影响。上述环境和使用条件的作用，在这样的条件下，轴承钢的使用寿命会降低，会出现疲劳磨损等情况。轴承钢的特性容易受到材料的纯净度和均匀度的影响，材料的纯净度是指材料的杂质含量、大小、气体的均匀度是指材料的化学成分和碳化物颗粒的均匀度。随着我国轴承钢的不断发展，与国外还有很大的差距，受到冶炼方法、冶炼水平等多种因素的影响。导致轴承钢生产工艺参数、过程控制质量存在一定的差异，各企业生产的轴承钢质量参差不齐[1]。近年来，轴承钢质量不断提高，生产过程中能够保证轴承钢的均匀性，减少轴承钢中杂质的存在。

在轴承钢生产过程中，应避免一味追求成品率，简化或缩短工艺流程，否则会导致轴承钢生产质量出现问题。轴承钢生产中，非金属夹杂物和碳化物颗粒较大且分布不均匀。采用气相冶炼法，轴承钢中的氧含量大大降低，轴承钢的质量明显提高。但轴承钢中的杂质和碳化物颗粒较大且分布不均匀。碳化物尺寸大小和均匀性成为轴承钢生产过程中需要改进的重点，只有降低轴承钢中的杂质和碳化物颗粒，才能延长轴承钢的使用寿命。轴承钢的表面质量对材料利用率也会有直接的影响。现阶段，生产厂家已经开始重视表面质量，采取了改进轧制工艺、增加钢材缺陷检验等措施，减少轴承钢表面裂纹，从而提高轴承钢的表面质量[2]。如表1所示。

2轴承钢棒线材控轧控冷工艺分析

2.1 控制轧制

空轧是指热轧工艺通过控制金属的加热、变形和温度，使轧制钢材满足生产条件，从而形成较小晶粒组织，提高轴承钢的综合性能。低合金钢采用控轧工艺，需要控制工艺参数，使细晶粒组织转变为奥氏体晶粒，奥氏体晶粒组织经珠光体相变后，会形成细小的珠光体球状体，有利于提高钢铁材料的强度和韧性。控冷主要是控制轧钢生产中的冷却速度，使轧制钢材性能满足生产需要，在热轧变形作用下，奥氏体温度会升高，铁素体晶粒会逐渐析出，随着温度的升高，钢材的力学性能会逐渐下降。为了避免上述情况，采用控冷工艺[3]，控轧与控冷相结合，可以增强轴承钢的韧性和综合强度。轴承钢性能合格率高，简化了生产工序，达到了节能降耗的目的，从而提高了轴承钢企业的经济效益和社会效益。控轧控冷技术应用于轴承钢生产时间不长，近年来控轧控冷技术水平有了明显的提高，取得了良好明显的效果，由于不同轴承钢企业的经济效益不一样，很多企业的生产设备过于陈旧，无法应用控轧控冷技术。控轧控冷技术要求机械设备轧制能力强，也要求企业有足够的生产空间，以满足轴承钢的生产需要。同时，控钢轧制控冷技术还能起到节能降耗、提高轧钢产品质量的作用。

传统轧制工艺主要采用奥氏体轧制，轧制结束后，钢材进行冷却，由于轧制温度高，碳原子会不断扩散，然后热轧的变形促使二氧化碳的早期分解，冷却后，导致钢材中存在较多的碳化物，影响轧制钢材的性能和强度[4]。传统轧机设备运行速度较低，轧制过程中钢材温度下降较快，导致轴承钢温度不断升高。轧机设备速度逐步提高，轧制过程中温度基本能保持在合适的范围内，温度不会下降过快，温度还有可能上升，这就为低温控轧创造了条件。，温度的提高要求轧机强度不断提高。增加功率和轧制能力消耗是提高轧机强度的主要途径。但温度降低会有效节省燃料，基本可以节省20%的燃料。若碳含量较低，则应适当降低钢材的起始温度，并在钢材变形后进行热处理，以达到细化晶粒，从而改善钢材的力学性能和焊接能力，使钢材表面更加光滑，提高轴承钢的表面质量。

控制轧制过程基本可分为三个阶段。变形与结晶同时进行，钢材增加后，晶粒体经过反复变形和结晶，使晶体得到细化，变形后的晶体进入未结晶区，变形后的晶体不会再次结晶，也呈现加工硬化状态，从而减小晶体的体积。控制轧制的主要目的是提高轴承钢在热轧条件下的韧性和强度。棒材、线材控制轧制过程如图1所示。

2.2 控制冷却

控冷就是控制轧制钢材的冷却参数，冷却参数包括始冷温度、终冷温度和冷却温度，控冷工艺参数见表2，经过控冷后，钢材的冷却速度也加快了，从而延缓了奥氏体的冷却速度，相变组织也会比单纯的轧制钢材更加细微，这样就可以根据生产需要改变轧制钢材的组织，避免冷却过程中碳化物的析出，从而达到提高轧制钢材强度、改变轧制钢材性能的目的，并达到降低轧制钢材的氧化铁含量、避免轴承钢冷却不均匀、防止轴承钢变形的目的。控冷实质上就是控制轧制后奥氏体的冷却速度，将其冷却到转变温度区域，控制冷却可以阻止奥氏体继续长大，降低晶体的相变温度，使晶粒继续细化，控冷会造成晶体减少，对已结晶的奥氏体冷却效果不大。如果不冷却，则增加轴承钢晶体的细化。

控制冷却过程可分为三个阶段，即一次冷却、二次冷却和三次冷却。一次冷却后的温度可使奥氏体晶体发生变形，随后是铁素体转变温度，再进行温度控制冷却，使奥氏体发生变形。奥氏体晶体变大后，组织中的碳化物被消除。在此过程中，应注意避免奥氏体的变形和位错。应将钢铁材料固定在适当的范围内，使相变温度保持在适当的范围内，为钢铁材料后续的变化奠定基础。相变开始后，会有一定的温度变化。冷却范围内的温度变化称为二次冷却，可以实现对钢铁材料相变的冷却速度和空冷温度的控制。，从而使轴承钢的综合力学性能和组织能力得到提高。如果轴承钢材料采用低碳钢、低合金钢等材料，则可以连续进行一次冷却和二次冷却。当温度达到珠光体相变终点后，碳化物开始消散。经过三次冷却后，相变温度较低，钢材的组织会发生改变。一次冷却的主要目的是使钢材中的奥氏体变细，并去除钢材中多余的碳化物，防止碳化物造成钢材中出现奥氏体晶体。为了提高轴承钢的性能，必须能够合理地控制冷却温度[5]。

2.3 控轧控冷相结合

轴承钢轧制控制工艺不方便工人操作，如果采用空冷控制，会诱导钢材变形，使二氧化碳温度反映碳化量，温度升高后碳化物体积增大，数量增多。控轧后采用冷却工艺，奥氏体晶粒变形后不长大，温度下降时晶体弥散变小。轴承钢棒材、线材控轧控冷工艺，可加速晶粒细化。轴承钢工艺种类繁多，与轧后控冷相结合，形成轴承钢制造新工艺。高温再结晶控轧与轧后快速冷却相结合，形成轴承钢制造新工艺。对钢材加热，保证钢材加热温度比较均匀，再经过粗轧、精轧，合理控制终轧温度，保证晶体变形完全在结晶区，防止晶粒长大。终轧后必须加快冷却速度，避免轴承钢表面出现裂纹。轴承钢中碳化物的析出必须保证在一定的温度范围内，因此需要加快钢的冷却速度。在结晶与未再结晶型控轧和轧后快速结合工艺中，高温再结晶区温度轧制，在结晶区等待或冷却，钢温达到结晶区温度后再轧制，从而使碳化物在轴承钢未再结晶区轧制，增加了晶粒内部的变形，碳化物不仅在奥氏体晶体上析出，而且在晶体变形的部位也会析出，使晶体体积不断减小，从而改善轴承钢组织。轧后快速冷却可以阻断碳化物的析出，降低温度可以保证轴承钢的质量[6]。

终轧温度降低到晶体与碳化物两相区范围，使碳化物发生变形，形成半球状碳化物，使碳化物更加细化。钢材轧后快速冷却，可降低晶体温度，使其形态发生变化。轧后快速冷却可延长轴承钢的使用寿命，对轴承钢本身的性能影响不大，并可使碳化物更加均匀，从而增强轴承钢的抗疲劳性能。轧后快速冷却可使轧件温度快速通过碳化物析出温度区，可达到控制碳化物的目的。终轧温度较低时，可保证细晶粒组织的均匀性，随着终轧温度的继续降低，碳化物晶粒将变得更细。

控轧控冷工艺对轴承钢棒材、线材球化退火过程会产生一定的影响，终轧温度降低后，钢组织和晶粒得到充分细化，碳化物水平降低，操作人员不能保证将温度控制在可控范围内，对钢材的性能影响很大。在同样的变化条件下，如果冷却速度更快，钢组织会更加细化，从而降低钢组织的碳化物水平。对于轴承钢棒材，降低目标碳化物网状水平，采用低温控制轧制，控制其他温度，延长冷却时间，从而提高轴承钢质量[7]。

3 结论

综上所述，轴承钢棒材、线材的控轧控冷工艺，通过控轧控冷可以提高轴承钢的使用寿命和质量。轴承钢在轧制过程中，钢材会随着轧制而产生变形，提高轧制温度，降低温度会使晶粒增大，而后降低钢材温度，使其快速冷却，晶粒又会快速变小，这样轴承钢表面就会更加光滑，避免轴承钢表面产生裂纹，保证轴承钢质量。

参考

［1］刘强. 提高轴承钢棒材GCr15质量的措施探讨［J］. 冶金与材料，2022, 14(1): 25-26。

［2］徐彦东,何春雨,刘涛,等.热轧控轧控冷技术装备的应用与发展［J］.冶金设备,2022,(1)1-6.

［3］王盼盼，唐立志，隋凤丽. 大规格轴承钢棒材轧制工艺优化［J］. 金属材料与冶金工程，2021, 49(5): 39-44。

［4］周月林,顾铁.控轧控冷对轴承钢网状碳化物的影响［J］.中小企业管理与科技（上半月），2017,(10):180-182。

［5］李胜利, 徐建中, 王国栋, 等. 大断面轴承钢控轧控冷过程模拟与分析［J］. 东北大学学报, 2006, (6): 658-661.

［6］ 李胜利, 王国栋, 李胜利, 等. 大断面轴承钢控轧控冷节能技术研究［J］. 冶金能源, 2005, (5): 59-61.

［7］张武林.轴承钢棒材、线材生产技术的研究与应用［J］.特钢技术，1997,(3):7-10.