專(zhuān)利名稱(chēng)：一種熱加工延伸件特別是高合金鋼或過(guò)共析鋼的管材或棒材的生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如獨(dú)立權(quán)利要求類(lèi)名所述的、熱加工延伸件特別是高合金鋼或過(guò)共析鋼的管材或棒材的生產(chǎn)工藝。
高合金鋼或過(guò)共析鋼、特別是象100Cr6這樣的滾動(dòng)軸承鋼在從高溫(1100℃-1250℃)開(kāi)始的冷卻過(guò)程中產(chǎn)生了晶界滲碳體和珠光體組織。成分這些組織使機(jī)加工性能、淬透性以及無(wú)屑成形加工惡化。只能在長(zhǎng)達(dá)16個(gè)小時(shí)以上的退火處理(GZK)后調(diào)制出適于深加工的粒狀滲碳體組織。過(guò)去出現(xiàn)過(guò)許多設(shè)想如可以縮短軟化退火周期或甚至完全取代這種軟化退火。
F.Mladen和E.Hornbogen關(guān)于熱機(jī)械處理對(duì)100Cr6鋼性能的影響作了研究(《鋼鐵冶金學(xué)》49(1978)Nr.2，第449-453頁(yè))。當(dāng)溫度在Fe3C全溶解臨界溫度之上時(shí)，實(shí)現(xiàn)奧氏體化，在碳含量為0.99％的情況下，上述臨界溫度略低于1100℃。在同時(shí)冷卻的情況下，從1100℃至720℃之間進(jìn)行熱軋。經(jīng)水冷淬火將產(chǎn)品從720℃冷卻到室溫。在這篇文章中沒(méi)有提及加工順序的細(xì)節(jié)。經(jīng)熱機(jī)械處理后的組織顯示出碳化物分布，得這樣細(xì)小均勻，以致達(dá)到了光學(xué)顯微鏡分率的極限。上述有利分布是通過(guò)提高位錯(cuò)密度和由位錯(cuò)引起的亞晶界而造成的，由此為碳化物提供了新的成核位置。
DE-PS2361330披露了一種由碳含量為0.7％-1.2％的鋼生產(chǎn)滾柱的工藝。在此工藝中，在1000℃下經(jīng)熱軋的鋼棒被急冷至其珠光體轉(zhuǎn)變低溫區(qū)的溫度，接著等溫轉(zhuǎn)變并在不進(jìn)行中間退火的情況下通過(guò)冷拉50HRC的硬度。通過(guò)棒材急冷以及隨后的等溫轉(zhuǎn)變獲得了細(xì)片狀珠光體組織。這樣就可以在除鱗和磷酸鹽處理后拉成棒材而無(wú)需中間退火處理。
本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)熱加工延伸件特別是高合金鋼或過(guò)共析鋼如滾動(dòng)軸承鋼的管材或棒材的、成本低廉的生產(chǎn)工藝，由此產(chǎn)生了一種組織，這種組織無(wú)需前期的軟化退火如球化退火(GZK)而非常適用于無(wú)屑深加工和最終熱處理。另一個(gè)目的是產(chǎn)生一種組織，此組織無(wú)需前期的軟化退火而同樣適用于隨后進(jìn)行最終熱處理的后續(xù)切削加工。
上述目的是通過(guò)在權(quán)利要求1特征部分中指出的特征而實(shí)現(xiàn)的。其它有利設(shè)計(jì)方案是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
彼此協(xié)調(diào)的加工步驟可以產(chǎn)生所希望的組織，其中在滾動(dòng)軸承鋼的情況下，布氏硬度不大于280HB30最好小于250HB30。這種組織還可以如在省去軟化退火的情況下直接加工熱成形管。優(yōu)化的加工工藝成本很低，這是因?yàn)槭∪チ塑浕嘶鹨约芭c退火有關(guān)的運(yùn)輸和加工程序。對(duì)本發(fā)明的熱加工延伸產(chǎn)品的加工可以是冷拉拔、皮爾格式冷軋、冷滾軋或橫軋。
以下將具體描述上述加工步驟，這些加工步驟有助于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的工藝。在第一次加工后且在為后續(xù)的連軋過(guò)程進(jìn)行再加熱之前，為了對(duì)在長(zhǎng)度和邊部上存在溫差的軋件進(jìn)行均溫處理，第一加工步驟是控制加熱或控制冷卻，其中受控制的均勻溫度低于預(yù)定的加熱爐中溫度。上述措施的目的一方面是，在考慮了對(duì)再加熱爐的調(diào)節(jié)可能性的情況下，還可以很精確地調(diào)節(jié)軋件溫度。其次利用此措施還實(shí)現(xiàn)，在管材進(jìn)入減徑軋機(jī)前為與溫度有關(guān)的壁厚測(cè)量創(chuàng)造盡可能精確和穩(wěn)定的條件。選用何種措施即加熱或冷卻與待軋件的厚度有關(guān)。在厚壁管情況下，例如在頂管軋機(jī)(Rohrstoss-bankanlage)中，在第一成形后如沖孔、延伸、頂管后的管材溫度在700℃以上。在這種情況下，通過(guò)受控地冷卻到650℃-700℃溫區(qū)內(nèi)的預(yù)定均勻溫度而實(shí)現(xiàn)均溫。在快速降溫的薄壁管情況下，溫度不得已在650℃以下，所以不得不通過(guò)變控地加熱到前面所述的650℃-700℃溫區(qū)內(nèi)的均勻溫度而實(shí)現(xiàn)均溫。
原有的再加熱使溫度處于低于Ac1而高于650℃的溫區(qū)內(nèi)，或是處于高于Ac1而低于Acma(a＝碳化物溶解區(qū)的起始點(diǎn))的溫區(qū)內(nèi)。如眾所周知的那樣，還要考慮到Ac1或Acma溫度首先與所軋工件的碳含量以及加工步驟有關(guān)。在連續(xù)的時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變相圖(ZTU)中，先述溫區(qū)對(duì)應(yīng)于雙相區(qū)+Fe3C，后述溫區(qū)對(duì)應(yīng)于雙相區(qū)+Fe3C。
另一種用于所提出的協(xié)調(diào)加工步驟組合的措施與最好在張拉減徑軋機(jī)中的連續(xù)式終軋有關(guān)。與另一種軋制方法相比，在快速流動(dòng)的連軋過(guò)程中卡住的可能性很小。盡管如此，一方面在張減軋機(jī)中保持每個(gè)軋機(jī)機(jī)架具有以延伸比RW≥1.03表示的每架最小變形量，另一方面保持總變形量的最小延伸比≥1.5，這對(duì)所提出的方法是重要的。在特殊情況下，總變形量甚至可以更低一些如≥1.4。此外，在軋制中由損耗功引起的溫升或因太強(qiáng)的冷卻引起的溫降盡可能小。在各種情況下必須確保雙相區(qū)軋制以及軋件在離開(kāi)終軋機(jī)架時(shí)具有與該區(qū)相應(yīng)的溫度。當(dāng)優(yōu)選地在+Fe3C區(qū)中進(jìn)行軋制時(shí)，這意味著軋件溫度不允許超過(guò)Acma。在特殊情況下通過(guò)外部加熱裝置供熱、通過(guò)冷卻劑控制調(diào)節(jié)以及通過(guò)改變軋輥輥型、軋制速率和道次壓下量而使軋件溫度保持在所述狹窄溫區(qū)內(nèi)。在改變軋輥輥型時(shí)，尤其是壓制長(zhǎng)度起很重要的作用。
本發(fā)明的措施可普遍地用于已知的管件生產(chǎn)方法，該方法在最后步驟中具有帶張拉或不帶張拉的減徑軋機(jī)或定徑軋機(jī)。例如，上述軋管方法可以是一種在管材連軋機(jī)、芯棒軋機(jī)或阿賽爾軋機(jī)上進(jìn)行的方法。這特別適用于生產(chǎn)無(wú)縫滾動(dòng)軸承鋼管的芯棒軋制方法。可以考慮將鑄錠(經(jīng)過(guò)鍛造或軋制)或連鑄坯(方坯或圓坯)用作本發(fā)明工藝的原料。這里連鑄坯以眾所周知的方法在軋制以前先經(jīng)過(guò)變形和退火。試驗(yàn)表明，當(dāng)修正對(duì)已知滾動(dòng)軸承鋼的化學(xué)分析時(shí)，采用所述生產(chǎn)工藝是很有利的。一方面，這與磷硫含量有關(guān)，另一方面這與鉻碳比有關(guān)。為了在考慮錳硫比的情況下，通過(guò)抑制FeS生成而避免在高加工速率下可能出現(xiàn)的“晶界熔融”現(xiàn)象，磷硫含量最高分別為0.005％。當(dāng)變形速率致使溫度有所升高時(shí)，于是由在第一工步中所需的高成形溫度引起了晶界熔融危險(xiǎn)。基于此，如此選擇第一成形階段中的變形速率，以使機(jī)架內(nèi)的溫度即在最不利位置上的溫度不超過(guò)1170℃。此外，磷硫含量較低對(duì)可能隨后進(jìn)行的無(wú)屑成形程序起有利的作用。
在二次冶金學(xué)中，較低的磷硫含量對(duì)控制熔融金屬中的低含氧量是有利的，它改善了氧化物純度。鉻碳比應(yīng)該在1.35-1.52之間，最好為1.45。碳含量例如為0.94％，鉻含量為1.36％左右?？梢酝ㄟ^(guò)上述比例有利地影響不希望出現(xiàn)的帶狀碳化物組織。
在將滾動(dòng)軸承鋼作為原料的情況下，當(dāng)采用了沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何預(yù)制步驟的(即仍處于鑄態(tài))且沒(méi)有經(jīng)過(guò)前期的熱處理(擴(kuò)散處理)的連鑄坯時(shí)，因省去在其它情況下需要的軟化退火而造成的低成本優(yōu)勢(shì)可得到進(jìn)一步加強(qiáng)。
另一種改進(jìn)措施與最終成形過(guò)程后的冷卻過(guò)程有關(guān)。當(dāng)軋件從軋機(jī)中出來(lái)后，軋件被空氣緩冷至一定溫度或通過(guò)空氣浴而被冷卻到一定溫度，所述溫度在ZTU相圖中與某種組織是對(duì)應(yīng)的，這種組織在馬氏體轉(zhuǎn)變起點(diǎn)溫度上且在貝氏體轉(zhuǎn)變曲線的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”以下。軋件被絕熱地保持在該溫區(qū)內(nèi)達(dá)數(shù)小時(shí)之久。根據(jù)設(shè)備情況如此實(shí)現(xiàn)這種冷卻，即例如在合適的位置上隔熱地罩住冷床或?qū)⒐ぜb在均熱爐或回火爐中。
其次，為了在切削加工后降低各成品的硬度建議在冷卻到600℃-700℃后，加熱軋件，隨后冷卻，最后在180℃-210℃之間回火。于是，軋件具有與所要求的成品最終硬度相應(yīng)的硬度。
所推薦的用于生產(chǎn)熱軋延伸件特別是滾動(dòng)軸承鋼管或鋼棒的新工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)a)節(jié)省了用于專(zhuān)用退火爐的投資和用于長(zhǎng)時(shí)間的GZK退火程序的運(yùn)行成本；b)省去了運(yùn)輸和加工程序(退火、矯直)，由于降低了出錯(cuò)的可能性，所以在短運(yùn)行周期內(nèi)生產(chǎn)出成本低廉的熱加工件或用于后續(xù)成形過(guò)程的低廉的原料；c)通過(guò)縮短加工程序并因省去了氧化性退火而使脫碳層厚度較小而改善了材料利用率，由此得到較小的加工余量和小切削量，并對(duì)顧客而言，得到保持彈簧卡具尺寸的可能性，d)從軋機(jī)中輸出的軋件因加工溫度降低而具有較高的剛性，軋件在冷床上足夠地直，因此一般情況下可省去矯直；e)生成的組織表現(xiàn)出細(xì)晶結(jié)構(gòu)，在調(diào)質(zhì)過(guò)程中，這導(dǎo)致高而均勻的硬度以及更好的韌性，這對(duì)成品如軸承將來(lái)的壽命產(chǎn)生積極影響；f)通過(guò)新處理技術(shù)獲得的組織可以在無(wú)需附加熱處理的條件下接受冷加工如冷拉拔、皮爾格冷軋管、冷滾軋或橫軋，冷拔管在去應(yīng)力退火后具有與冷軋管相同的特性；g)在熔煉生產(chǎn)中，較低的磷硫含量以及處于下限的鉻碳含量起節(jié)省成本的作用，減少帶狀分布碳化物和改善氧化物純度，這提高了成品使用性能。
根據(jù)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明。應(yīng)在頂管軋機(jī)中軋制材質(zhì)為100Cr6的φ40.9外徑×4.8mm壁厚熱軋管。將直徑為220mm、長(zhǎng)度為1100mm的連鑄坯切斷成約850mm長(zhǎng)的坯料。100Cr6坯料處于鑄造狀態(tài)即它未經(jīng)過(guò)熱處理或預(yù)制處理。切后的坯料被送入轉(zhuǎn)底式爐中并加熱到約1140℃。在總共為150分鐘的加熱期后，從爐中取出坯料并將其送給沖孔機(jī)的高壓水除氧化皮裝置。在沖孔機(jī)中進(jìn)行第一次成形而制成帶孔毛坯。對(duì)此實(shí)施例來(lái)說(shuō)，帶孔毛坯尺寸為外徑＝223mm，內(nèi)徑＝121mm，壁厚＝51mm。所述加工相當(dāng)于29.4％的橫截面縮小率或延伸比＝1.42。在此實(shí)施例中，變形速率為0.45/s，變形速率對(duì)最佳溫度范圍產(chǎn)生影響。
在沖孔機(jī)后進(jìn)行另一次加工即均整軋機(jī)中的延伸加工。在此加工過(guò)程中形成一個(gè)套筒，其尺寸為外徑＝192mm，內(nèi)徑＝112mm，壁厚＝40mm。橫截面縮小率為30.7％或延伸比＝1.44。在此成形階段中，軋制時(shí)在內(nèi)表面出現(xiàn)了高溫。所以，在此位置上要特別注意套筒內(nèi)表面溫度不超過(guò)1170℃，這是因?yàn)榉駝t的話(huà)就要因晶界熔融而考慮出現(xiàn)內(nèi)表面缺陷問(wèn)題。作為調(diào)節(jié)參數(shù)，可以采用軋機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的變化以及傳送角度的變化。隨后作為第三個(gè)成形步驟在頂管軋機(jī)中進(jìn)行頂管軋制。為了達(dá)到所選的終軋尺寸，軋制出外徑＝122.8mm、內(nèi)徑＝112mm、壁厚＝5.4mm的管坯。在經(jīng)過(guò)多機(jī)架頂軋后，在松棒機(jī)中使管坯脫離開(kāi)作為內(nèi)模的芯棒。為此，進(jìn)一步降低管坯溫度直到抽出芯棒，在上述情況下，獲得了650℃-700℃的溫區(qū)級(jí)別。在抽出芯棒后重新露出管坯底部。根據(jù)本發(fā)明，為了在650℃-700℃溫區(qū)內(nèi)獲得均勻的溫度分布，在管坯進(jìn)入再加熱爐前，先對(duì)管坯進(jìn)行受控冷卻。在這種情況下，力求送到約670℃溫度級(jí)。借助隔熱的緩沖裝置將管坯保溫一段時(shí)間，從而熱量可以從溫度較高的管坯區(qū)流向溫度較低的管坯區(qū)。所述隔熱是為了使管坯總的溫度級(jí)數(shù)不會(huì)降低到預(yù)定的額定值下。在此實(shí)施例中，如此調(diào)節(jié)再加熱爐的溫度，即在工件上產(chǎn)生約740℃的溫度。管坯在此溫度下進(jìn)入張減軋機(jī)中。該軋機(jī)由許多架三輥機(jī)架構(gòu)成，各軋輥以交錯(cuò)120度角的方式布置在軋制線中。對(duì)于所選的終軋尺寸為φ40.9×4.8mm的實(shí)施例來(lái)說(shuō)，采用19架三輥機(jī)架。第一機(jī)架中的變形采用了7.1％-8.1％的橫截面縮小量?？傋冃螢?2.7％相當(dāng)于延伸比3.66。例如通過(guò)選擇精整和軋制速率以及控制冷卻來(lái)選擇加工條件，即允許溫度稍微升高至760℃。由此確保了張減機(jī)中的變形完全在雙相區(qū)+Fe3C中進(jìn)行。如此軋成的100Cr6管在冷卻后具有與GZK組織相似的組織。分散的細(xì)晶組織由變形滲碳體和少量珠光體構(gòu)成。如此軋成的管的布氏硬度低于250HB30。硬度值變動(dòng)小。如
圖1與圖2的對(duì)比所示，與在常見(jiàn)的GZK退火后得到的組織相比，上述管的組織由更細(xì)的晶粒構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)出的管可以在無(wú)需附加熱處理的情況下經(jīng)受無(wú)屑或切削后續(xù)加工。例如，可以是冷拔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，人們通過(guò)所選擇的方法，即-在進(jìn)入再加熱爐之前有目的的溫度控制-與常見(jiàn)方法相比降低了再加熱爐溫度-雙相區(qū)軋制-取消超過(guò)16小時(shí)的GZK退火而獲得薄很多的脫碳層。所以可以減少切削加工所需的管材加工余量。盡管在矯直后進(jìn)行去應(yīng)力退火，具有根據(jù)本發(fā)明的方法可獲得的組織的冷拔管還具有與皮爾格式冷軋管同樣的特性。
為了使新工藝與現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的區(qū)別變得更明顯，也以常規(guī)方式軋制出了具有相同終軋尺寸φ40.9×4.8mm的100Cr6管材。當(dāng)再加熱爐被調(diào)節(jié)至1000℃時(shí)，所測(cè)出的此管的硬度為328HB30。這種硬度太高，所以在后續(xù)加工前需要GZK退火。
在對(duì)熱軋厚壁管尺寸例如φ60.3×8.0mm的加工時(shí)，如此根據(jù)ZTU相圖控制冷卻，即在馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度之上但在貝氏體轉(zhuǎn)變曲線的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”下保持一段等溫時(shí)間是有利的。此溫區(qū)最好在240℃-300℃之間。在此溫區(qū)內(nèi)保持3.5小時(shí)以上后，可以冷卻到室溫。
權(quán)利要求
1.一種熱加工延伸件特別是高合金鋼或過(guò)共析鋼的管材或棒材的生產(chǎn)工藝，其中所選原料的段料被加熱到加工溫度，在經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)加工步驟后被再加熱到低于所述初始加工溫度之下的溫度，借助多架減徑軋機(jī)經(jīng)連軋而加工到終軋尺寸，隨后接受緩冷，其特征在于，在第一加工步驟后且在再加熱之前，通過(guò)控制加熱或控制冷卻到預(yù)定溫區(qū)內(nèi)的特定溫度而產(chǎn)生在中間產(chǎn)品的縱向和厚度方向上的溫度均勻分布，接著進(jìn)行低于Ac1但高于650℃或高于Ac1但低于雙相區(qū)中的Acma溫度的再加熱，如此調(diào)整在減徑軋機(jī)中的加工、冷卻以及可能會(huì)有的附加的外部供熱，即相對(duì)原始溫度，軋件中的溫升小，軋件在減徑軋機(jī)中的加工過(guò)程中和離開(kāi)軋機(jī)時(shí)都處于雙相溫區(qū)內(nèi)，其中由延伸比表示的、總變形的最小變形量為≥1.5，減徑軋機(jī)的各機(jī)架的最小變形量為≥1.03。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，在再加熱前，用于均溫的預(yù)定溫度為650℃-700℃。
3.如權(quán)利要求1和2所述的工藝，其特征在于，軋件被再加熱到大于650℃而小于710℃的溫區(qū)內(nèi)或是被再加熱到大于710℃而小于880℃的溫區(qū)內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，軋件在張減軋機(jī)中的溫升或溫降是通過(guò)受控的冷卻劑調(diào)節(jié)和在特殊情況下通過(guò)外部供熱裝置以及通過(guò)改變軋輥輥型、軋制速率和道次壓下量量而使上述溫升和溫降保持在狹窄范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，當(dāng)采用過(guò)共析鋼特別是滾動(dòng)軸承鋼時(shí)，磷硫含量最高為0.005％，鉻碳比在1.35-1.52的范圍內(nèi)選擇。
6.如權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于，所述鉻碳比最好為1.45。
7.如權(quán)利要求1-6中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，采用未經(jīng)過(guò)粗制的即處于鑄造狀態(tài)下的且未經(jīng)過(guò)熱處理(擴(kuò)散處理)的連鑄坯作為原料。
8.如權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，如此選擇第一加工步驟中的且在均熱前的變形速率，以使軋件內(nèi)部的最高溫度不超過(guò)1170℃。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，軋件在軋制后被冷卻到高于馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度之上但在貝氏體轉(zhuǎn)變曲線“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”(連續(xù)的ZTU相圖)下的溫度，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間保溫，隨后以公知方式冷卻到室溫。
10.如權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的工藝，其特征在于，終軋產(chǎn)品在冷卻到650℃-700℃后被加熱，保溫一定時(shí)間后再冷卻，隨后在180℃-210℃之間回火，最后緩冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱加工延伸件特別是高合金鋼或過(guò)共析鋼的管材或棒材的生產(chǎn)工藝,其中所選原料的段料被加熱到加工溫度,在經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)加工步驟后被再加熱到低于所述初始加工溫度之下的溫度,借助多架減徑軋機(jī)經(jīng)連軋而加工到終軋尺寸,隨后接受緩冷,其特征在于,在第一加工步驟后且在再加熱之前,通過(guò)控制加熱或控制冷卻到預(yù)定溫區(qū)內(nèi)的特定溫度而產(chǎn)生在中間產(chǎn)品的縱向和厚度方向上的均勻的溫度分布。
文檔編號(hào)C21D8/10GK1180382SQ96192979
公開(kāi)日1998年4月29日 申請(qǐng)日期1996年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月12日
發(fā)明者海茵茨·克龍, 卡爾海茵茨·庫(kù)策伯格, 京特·馬尼格, 古斯塔夫·朱哈爾 申請(qǐng)人:曼內(nèi)斯曼股份公司