CN115740007A - 一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法涉及金属轧制领域，具体涉及一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，包括以下步骤：将轧辊设置为多曲面类圆台形轧辊；构造变形区；变形区内椭圆度保持不变；轧制过程中坯料棒材从变形区的任意一端进入变形区；选材高温轴承钢坯料棒材；四个轧辊均为主动辊，四个轧辊分别绕其中心轴线转动，将坯料棒材经过配分后，送入变形区，坯料棒材在变形区内螺旋前进，并从变形区另一端输出，实现变截面轧制。采用本发明可以生产出大尺寸超细晶M50棒材，因为轧制过程中第一道次变形量可达60%以上，剧烈塑性变形将破碎其中的网状和带状碳化物并使其均匀弥散分布，使性能得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及金属轧制领域，具体涉及一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法。
背景技术
高温轴承钢M50作为第二代轴承钢中的典型代表，是一种基于高速钢改进的全淬硬型马氏体钢，由于含有Mo、Cr、V等强碳化物形成元素，在二次硬化环节形成大量细小碳化物，从而使其具有优异的力学性能及淬透性，同时该钢种还具有优异的耐磨性、高温硬度、尺寸稳定性，因此被广泛应用于航空发动机主轴轴承等中温(<315℃)条件下运行的重载、高速轴承部件。然而国内目前在M50的生产上还存在诸如组织均匀性差、晶粒度等级偏低、碳化物分布不均匀等问题，大大缩短了M50轴承的使用寿命，碳化物是解决问题的关键。细小、弥散、均匀分布的碳化物，可以有效的钉扎晶界，细化晶粒，提升M50的整体性能。
目前，关于M50轴承钢中碳化物的调控，液析碳化物的控制方法已经较为成熟（如高温扩散退火），但带状碳化物在一般的热处理过程中是不能消除的，网状碳化物可以通过控轧控冷进行抑制，但仅对截面尺寸小的钢材效果显著，对于截面尺寸较大的棒材，心部碳化物网状程度较严重。本发明针对上述问题，提出了使用四辊斜轧方式，对M50棒材进行剧烈塑性变形，在此过程中使带状组织受到充分挤压，破碎，轧后获得超细晶的M50棒材，超细晶晶界面积大，而增加晶界面积可减缓先共析碳化物的相互接触，进而抑制网状结构的形成。
相关的现有技术如下：
1 一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法【CN112251681A】
(1)在1150～1250℃保温一段时间后，快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体；
(2)对纳米板条前驱体在温度为880～960℃，应变速率为0.5～2s-1的范围内进行热变形，总应变量大于等于70％，使纳米板条前驱体转变为纳米晶结构；
(3)对纳米晶进行液氮深冷处理，并在460～500℃时效4h。
2 一种大尺寸45钢超细晶棒材的等距螺旋轧制方法【CN108480397B】
S1：选取直径尺寸D为40-150mm，长度为300-5000mm的45钢坯料；
S2：将上述45钢坯料放置加热炉内加热至860-1000℃；
S3：将加热后的45钢坯料从加热炉转运至斜轧机导料槽内，转运时间为5-20s；
S4：在斜轧机的导料槽内进行送料，45钢坯料在变形区内螺旋运动直至变形结束；
S5：重复上述S2-S4步骤，对45钢棒材进行2-12次螺旋轧制得到45钢整体超细晶棒材。
3 一种大尺寸45钢棒材的超细晶轧制方法【CN109807176B】
（1）轧制工具设计，具体包括轧辊设计和导板设计，将轧辊设置为双曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由两个曲线相连而成；将导板的一面设置为曲面；
（2）构造变形区：将两个所述导板曲面相对放置，两个轧辊放置在所述导板之间，两个导板和两个轧辊围成的区域为变形区；
（3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变，所述椭圆度为变形区同一横截面内，两个导板之间的最大距离和两个轧辊之间的距离之比；
（4）选取轧制进料方式：倒进式轧制方式，即轧制过程中坯料从轧辊的大端进入变形区；
（5）选材：选取直径60-500mm，长度300-15000mm的45钢坯料；
（6）轧制：两个轧辊分别绕其中心轴线转动，将坯料经过加热后，按照上述轧制进料方式将加热后的坯料送入变形区，坯料在变形区内螺旋前进，并从轧辊小端输出，实现变截面轧制，完成轧制过程后，进行坯料冷却。
4 一种L型高温轴承套圈成型方法【CN114589463A】
（1）将高温轴承棒材加热，运用挤压成型技术锻造成管材后，空冷，保温1h-3h，后炉冷至室温；
（2）对挤压管材在室温下切割，将切割后的试样加热进行轴向闭式辗压成型锻造，轴向闭式辗压成型锻造后空冷至室温，形成轴承套圈半成品；
（3）进行加工至要求尺寸，使其尺寸满足L型轴承套圈的使用，形成轴承套圈成品。
目前，若要通过形成超细晶的方法来调控M50轴承钢中的碳化物，需要使用剧烈塑性变形的方式。然而，像一种超高强度纳米晶40Cr16Co4W2Mo不锈钢及其制备方法【CN112251681A】，不适用于M50高碳铬轴承钢，因为其需要将钢料从高温快速冷却至室温以获得纳米板条前驱体，而高碳铬轴承钢从高温快速冷却至室温时易产生裂纹，所以无法使用这种方法；在使用其他主流的剧烈塑性变形技术制备超细晶材料时，坯料与模具接触面积大或全接触，成型载荷大，现有成型设备一般不具备工业化大尺寸制品的加载能力，所以成品尺寸小；一种大尺寸45钢超细晶棒材的等距螺旋轧制方法【CN108480397B】，采用正锥形辊对圆形坯料进行等辊距轧制，单道次直径压下率5%~15.5%，单道次变形程度小，无法实现短时剧烈塑性变形，晶粒细化不足，且存在变形不均匀的问题；一种大尺寸45钢棒材的超细晶轧制方法【CN109807176B】，虽然可以获得大尺寸的超细晶，但采用两棍+两导板的斜轧方式轧制时，两块导板与坯料之间的摩擦对金属沿轧制方向向前流动构成阻碍。在进行大变形时，随变形区横截面积的减小，产生冗余的金属，向导板方向扩展，与导板接触并产生摩擦阻力，会逐渐充满坯料与导板间的空隙然后向轧辊与导板的缝隙处流动，同时与导板接触部分的金属散热快，随温度降低其流动性变差，易导致轧制过程中，出现坯料只旋转不前进或既不旋转也不前进的现象，轧卡，使坯料变形程度受限，晶粒细化效果不能达到预期目标，生产效率降低，模具磨损增加；一种L型高温轴承套圈成型方法【CN114589463A】中，无论是挤压成形还是轴向闭式辗压成型锻造，成型载荷都很高，现有成型设备一般不具备工业化大尺寸制品的加载能力，故成品尺寸小。
针对上述问题，本发明提出了一种四辊斜轧获得大尺寸M50轴承钢超细晶棒材的方法。目的：1 获得大尺寸的M50超细晶棒材，调控其带状和网状碳化物；2 解决现有的两棍+两导板的斜轧方式中易轧卡的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种能够抑制先共析碳化物的析出，避免材料开裂，提高晶粒细化效果，最终得到合格的大尺寸超细晶棒材的一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法。
本发明一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，包括以下步骤：
1）轧辊设计，将轧辊设置为多曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由多条直线相连而成；
2）构造变形区：将四个尺寸相同的所述轧辊分为两组，分别为第一组轧辊和第二组轧辊，两组轧辊设置方向相反，同一组内的轧辊同向且对称设置；四个轧辊沿轧制线圆周方向均布，四个轧辊围成的区域为变形区；
第一组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区上方和下方，第二组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区的左右两侧；
3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；椭圆度为变形区以轧制线为法线的横截面内，第二组轧辊中两个轧辊之间的距离与第一组轧辊中两个轧辊之间的距离之比；
4）选取轧制进料方式：轧制过程中坯料棒材从变形区的任意一端进入变形区；
5）选材：选取直径250-450mm，长度300-10000mm的高温轴承钢坯料棒材；
6）配分：将选取的坯料棒材加热到1130~1150℃并保温，然后风冷到1020-1060℃，均温5~15min；
7）轧制：四个轧辊均为主动辊，四个轧辊分别绕其中心轴线转动，且旋向相同，将坯料棒材经过配分后，按照上述轧制进料方式将配分后的坯料棒材送入变形区，坯料棒材在变形区内螺旋前进，并从变形区另一端输出，实现变截面轧制；
完成一道次轧制后，根据设计的轧制道次进行后续道次的轧制，在后续道次轧制过程中，调整轧辊间距进行下一道次轧制；相邻道次中，坯料棒材进入变形区的方向相反，轧辊的旋向相反，完成设计的轧制道次后，以冷却速度不小于8℃/s快冷到600~650℃，然后沙冷至室温。
优选地，四个轧辊的辊喉直径D1与坯料棒材直径Db满足D1/Db=1.0~5.0；
轧辊的辊身长度L与轧辊的辊喉直径D1满足L/D1=3.0~7.0。
优选地，轧辊的母线由四条直线相连而成；
轧辊上直径小的一端为轧辊小端，另一端为轧辊大端；
四条直线对应轧辊的部分均为轧辊段，从轧辊小端至轧辊大端，四个轧辊段的长度分别为L1、L2、L3、L4，四个轧辊段的辊面锥角为γ1、γ2、γ3、γ4，则L1：L2：L3：L4=3:1:1:1，γ1=2.0°~5.0°，γ2=2.0°~4.0°，γ3=2.0°~3.0°，γ4=1.0°~3.0°；
辊面锥角指过轧辊轴线的任一截面上，母线与轧制线的夹角。
优选地，轧制过程中，椭圆度为1.0~1.15，送进角为8~10°度、辗轧角为7~9°度、轧辊转速为11~12r/min、直径压下率为60-75%。
优选地，坯料棒材配分的保温时间T为：T=Db×1min，其中Db为坯料棒材直径。
优选地，坯料棒材为高温轴承钢M50。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1采用本发明可以生产出大尺寸超细晶M50棒材，因为轧制过程中第一道次变形量可达60%以上，剧烈塑性变形将破碎其中的网状和带状碳化物并使其均匀弥散分布，使性能得到提高。
本发明中采用的配分工艺，先将M50棒料在高温下保温合适时间，使组织中的网状和带状碳化物溶于基体中而晶粒又不会过分长大，为后续轧制做一个良好的组织准备；然后将其冷到Acm温度点以上50℃范围内开始轧制，有利于控制轧制过程中既不析出网状碳化物，晶粒也不会在轧制完成后过分长大。采用配分工艺后，将大大增强晶粒细化效果。
2 本发明中采用四个轧辊进行坯料棒材的轧制，可以克服两辊带导板轧制过程中大变形时易出现的轧卡问题，显著增大变形程度，强化晶粒细化效果。同时，生产效率大幅提高。
3 本发明中四个轧辊两两一组，均为主动驱动辊，两组轧辊的布置方向相反，同一组内的轧辊的设置方向相同，在以轧制线为法线的截面上，使相邻的轧辊在与坯料棒材的接触位置处产生线速度差，如此可以有效的增大坯料棒材所受周向剪切作用，增强晶粒细化效果。
4 本发明可以实现往复多道次轧制且可生产多种规格产品，有效提高生效率，降低生产成本。
附图说明
图1为轧辊示意图。
图2为本发明中四个轧辊空间分布图。
图3为本发明中四个轧辊另一视角的空间分布图。
图4为高温轴承钢M50轧制前组织图。
图5为高温轴承钢M50轧制后组织图。
附图标记：1-坯料棒材，2-轧辊。
具体实施方式
本发明一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，包括以下步骤：
1）轧辊2设计，将轧辊2设置为多曲面类圆台形轧辊2，具体为：轧辊2的母线由多条直线相连而成；
2）构造变形区：将四个尺寸相同的所述轧辊2分为两组，分别为第一组轧辊和第二组轧辊，两组轧辊设置方向相反，同一组内的轧辊同向且对称设置；四个轧辊2沿轧制线圆周方向均布，四个轧辊2围成的区域为变形区；
第一组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区上方和下方，第二组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区的左右两侧；
3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；椭圆度为变形区以轧制线为法线的横截面内，第二组轧辊中两个轧辊之间的距离与第一组轧辊中两个轧辊之间的距离之比；
4）选取轧制进料方式：轧制过程中坯料棒材1从变形区的任意一端进入变形区；
5）选材：选取直径250-450mm，长度300-10000mm的高温轴承钢坯料棒材1；
6）配分：将选取的坯料棒材1加热到1130~1150℃并保温，然后风冷到1020-1060℃，均温5~15min；
7）轧制：四个轧辊2均为主动辊，四个轧辊2分别绕其中心轴线转动，且旋向相同，将坯料棒材1经过配分后，按照上述轧制进料方式将配分后的坯料棒材1送入变形区，坯料棒材1在变形区内螺旋前进，并从变形区另一端输出，实现变截面轧制；
完成一道次轧制后，根据设计的轧制道次进行后续道次的轧制，在后续道次轧制过程中，调整轧辊间距进行下一道次轧制；相邻道次中，坯料棒材1进入变形区的方向相反，轧辊的旋向相反，完成设计的轧制道次后，以冷却速度不小于8℃/s快冷到600~650℃，然后沙冷至室温。
四个轧辊2的辊喉直径D1与坯料棒材1直径Db满足D1/Db=1.0~5.0；
轧辊2的辊身长度L与轧辊的辊喉直径D1满足L/D1=3.0~7.0。
轧辊2的母线由四条直线相连而成；
轧辊2上直径小的一端为轧辊小端，另一端为轧辊大端；
四条直线对应轧辊2的部分均为轧辊段，从轧辊小端至轧辊大端，四个轧辊段的长度分别为L1、L2、L3、L4，四个轧辊段的辊面锥角为γ1、γ2、γ3、γ4，则L1：L2：L3：L4=3:1:1:1，γ1=2.0°~5.0°，γ2=2.0°~4.0°，γ3=2.0°~3.0°，γ4=1.0°~3.0°；
辊面锥角指过轧辊轴线的任一截面上，母线与轧制线的夹角。
轧制过程中，椭圆度为1.0~1.15，送进角为8~10°度、辗轧角为7~9°度、轧辊转速为11~12r/min、直径压下率为60-75%。
坯料棒材1配分的保温时间T为：T=Db×1min，其中Db为坯料棒材1直径。坯料为高温轴承钢M50。
本发明四个轧辊2绕轧制线相互间隔90°圆周均布，上下两个轧辊2与左右两个轧辊2反向分布，四个轧辊都2是主动辊，旋转方向相同，本方法在材料高温状态下进行轧制，通过大的变形量、剧烈塑性变形获得超细晶并破碎坯料棒材1中的带状碳化物，然后快冷到600℃，抑制先共析碳化物的析出，再缓冷到室温，避免材料开裂，最终得到合格的超细晶棒材。由于在轧制过程中，每个轧辊均与坯料棒材1均只存在局部接触，与其他剧烈塑性变形技术相比，同样大的应力，四辊斜轧技术中坯料棒材1与模具接触面积小，成型载荷小，可以实现以较小的载荷成型大尺寸的超细晶M50棒材；同时四个主动轧辊2均可促使坯料棒材1金属沿轧制方向向前流动，解决了因导板阻碍作用而出现的轧卡问题，提高了轧制速度，显著提高了变形程度，强化了晶粒细化效果。本发明中轧辊小端与大端的线速度不同，增加了坯料棒材1所受的周向剪切作用，增大变形程度，提高晶粒细化效果；轧辊间距可调，椭圆度可在1.0~1.15范围内调整；轧辊2的旋转方向可调，在第一道次轧制过后，可迅速调整轧辊间距与旋转方向，使坯料棒材1沿与第一道次轧制方向相反的方向立即进行第二道次轧制，如此重复可进行往复多道次轧制。
实施例
1）轧辊2设计，将轧辊2设置为多曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊2的母线由多条直线相连而成；四个轧辊2尺寸相同，且轧辊2的辊喉直径D1与坯料棒材1直径Db满足D1/Db=2.0，如图1所示，其中D1=2R1；
轧辊2的辊身长度L与轧辊的辊喉直径D1满足L/D1=5.5；
轧辊2的母线由四条直线相连而成；
轧辊2上直径小的一端为轧辊小端，另一端为轧辊大端；
四条直线对应轧辊2的部分均为轧辊段，从轧辊小端至轧辊大端，四个轧辊段的长度分别为L1、L2、L3、L4，四个轧辊段的辊面锥角为γ1、γ2、γ3、γ4，则L1：L2：L3：L4=3:1:1:1，γ1为2.5°、γ2为2.5°、γ3为2.3°、γ4为2°；
辊面锥角指过轧辊轴线的任一截面上，母线与轧制线的夹角。
2）构造变形区：将四个尺寸相同的所述轧辊2分为两组，分别为第一组轧辊和第二组轧辊，两组轧辊设置方向相反，同一组内的轧辊同向且对称设置；四个轧辊沿轧制线圆周方向均布，四个轧辊围成的区域为变形区；
第一组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区上方和下方，第二组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区的左右两侧，如图2、图3所示；
3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变，椭圆度为1.1；椭圆度为变形区以轧制线为法线的横截面内，第二组轧辊中两个轧辊之间的距离与第一组轧辊中两个轧辊之间的距离之比；
4）选取轧制进料方式：轧制过程中坯料棒材1从变形区的任意一端进入变形区；
5）选材：选取直径250-450mm，长度300-10000mm的高温轴承钢坯料棒材1；
6）配分：将选取的坯料棒材1加热到1130~1150℃并保温一段时间后，风冷到1020-1060℃，均温5~15min；
7）轧制：四个轧辊2均为主动辊，四个轧辊2分别绕其中心轴线转动，且旋向相同，将坯料棒材1进行配分后，按照上述轧制进料方式将配分后的坯料棒材1送入变形区，坯料棒材1在变形区内螺旋前进，并从变形区另一端输出，实现变截面轧制；轧制过程中，送进角为8°度、辗轧角为7°度、轧辊转速为12r/min、直径压下率为70%；
只做一道次轧制，轧制完成后，坯料棒材1以冷却速度不小于8℃/s快冷至坯料棒材1表面600℃，然后沙冷到室温。
高温轴承钢M50轧制前组织如图4所示，轧制后组织如图5所示，轧制前的组织中，碳化物尺寸大，发生了偏聚，且部分呈线状排布，造成材料性能不均匀，使用过程中，大块碳化物附近往往易萌生裂纹；轧制后的组织中，碳化物细小，且均匀弥散分布，将大幅提高M50的各项力学性能，图中发亮的是碳化物。
Claims (6)
1.一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）轧辊设计，将轧辊设置为多曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由多条直线相连而成；
2）构造变形区：将四个尺寸相同的所述轧辊分为两组，分别为第一组轧辊和第二组轧辊，两组轧辊设置方向相反，同一组内的轧辊同向且对称设置；四个轧辊沿轧制线圆周方向均布，四个轧辊围成的区域为变形区；
第一组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区上方和下方，第二组轧辊中的两个轧辊分别位于变形区的左右两侧；
3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；椭圆度为变形区以轧制线为法线的横截面内，第二组轧辊中两个轧辊之间的距离与第一组轧辊中两个轧辊之间的距离之比；
4）选取轧制进料方式：轧制过程中坯料棒材从变形区的任意一端进入变形区；
5）选材：选取直径250-450mm，长度300-10000mm的高温轴承钢坯料棒材；
6）配分：将选取的坯料棒材加热到1130~1150℃并保温，然后风冷到1020-1060℃，均温5~15min；
7）轧制：四个轧辊均为主动辊，四个轧辊分别绕其中心轴线转动，且旋向相同，将坯料棒材经过配分后，按照上述轧制进料方式将配分后的坯料棒材送入变形区，坯料棒材在变形区内螺旋前进，并从变形区另一端输出，实现变截面轧制；
完成一道次轧制后，根据设计的轧制道次进行后续道次的轧制，在后续道次轧制过程中，调整轧辊间距进行下一道次轧制；相邻道次中，坯料棒材进入变形区的方向相反，轧辊的旋向相反，完成设计的轧制道次后，以冷却速度不小于8℃/s快冷到600~650℃，然后沙冷至室温。
2.如权利要求1所述一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，其特征在于，四个轧辊的辊喉直径D1与坯料棒材直径Db满足D1/Db=1.0~5.0；
轧辊的辊身长度L与轧辊的辊喉直径D1满足L/D1=3.0~7.0。
3.如权利要求2所述一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，其特征在于，所述轧辊的母线由四条直线相连而成；
轧辊上直径小的一端为轧辊小端，另一端为轧辊大端；
四条直线对应轧辊的部分均为轧辊段，从轧辊小端至轧辊大端，四个轧辊段的长度分别为L1、L2、L3、L4，四个轧辊段的辊面锥角为γ1、γ2、γ3、γ4，则L1：L2：L3：L4=3:1:1:1，γ1=2.0°~5.0°，γ2=2.0°~4.0°，γ3=2.0°~3.0°，γ4=1.0°~3.0°；
辊面锥角指过轧辊轴线的任一截面上，母线与轧制线的夹角。
4.如权利要求3所述一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，其特征在于，轧制过程中，椭圆度为1.0~1.15，送进角为8~10°度、辗轧角为7~9°度、轧辊转速为11~12r/min、直径压下率为60-75%。
5.如权利要求4所述一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，其特征在于，坯料棒材配分的保温时间T为：T=Db×1min，其中Db为坯料棒材直径。
6.如权利要求5所述一种高温轴承钢棒材带状和网状碳化物的调控方法，其特征在于，所述坯料棒材为高温轴承钢M50。
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