為改善軸承鋼鍛造后的不均勻組織，獲得良好的機(jī)加工性能，并為淬火做好組織準(zhǔn)備，以便淬火、回火后獲得最佳的組織及性能，軸承鋼都要進(jìn)行球化退火處理。一般采用連續(xù)球化退火或等溫球化退火，由于連續(xù)球化退火存在碳化物不均勻、能耗高等缺點(diǎn)，而逐漸被淘汰，等溫球化退火大大縮短了工藝時(shí)間，能夠靈活控制各個(gè)溫度點(diǎn)，從而獲得穩(wěn)定均勻的球化組織。
本文主要介紹保護(hù)氣氛輥底爐的結(jié)構(gòu)特性，及其在軸承鋼等溫球化退火工藝中的控制應(yīng)用，由于設(shè)備具備抽真空系統(tǒng)，有效隔離了進(jìn)出料過程中空氣造成的工件氧化，同時(shí)爐內(nèi)通入保護(hù)氣氛，并采用氧探頭控制碳勢，有效解決了工件脫碳問題。
1.球化退火的目的及要求
（1）降低硬度，一般要求GCr15：179～207HBW；GCr15SiMn：179～217HBW。
（2）獲得細(xì)小均勻的粒狀珠光體組織，退火組織的碳化物呈球狀，按碳化物分布及形態(tài)，組織級(jí)別一般分為1級(jí)欠熱、2～4級(jí)合格、5級(jí)碳化物不均勻和6級(jí)過熱。
（3）脫碳層不大于單邊最小加工留量的2/3。
2.保護(hù)氣氛輥底爐結(jié)構(gòu)、性能及工作原理
（1）設(shè)備由三工位上料臺(tái)、前真空鎖氣室、加熱保溫區(qū)、中間門、等溫球化區(qū)、降溫區(qū)、后真空鎖氣室、三工位卸料臺(tái)組成，設(shè)備全貌見圖1。
圖1 設(shè)備全貌
裝、卸料臺(tái)是料筐的進(jìn)、出轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)。
前、后鎖氣室通過抽真空，隔離進(jìn)出料時(shí)的空氣進(jìn)入，避免對(duì)爐內(nèi)氣氛的影響。
加熱區(qū)完成工件由原始片狀珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，并將碳化物大部分熔解進(jìn)入奧氏體中，為球化轉(zhuǎn)變做好準(zhǔn)備。
中間門將加熱區(qū)與等溫區(qū)隔離開，防止互相干擾。
等溫區(qū)完成工件由奧氏體緩慢轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w組織，等溫區(qū)進(jìn)料端設(shè)計(jì)了風(fēng)冷套降溫系統(tǒng)，將工件溫度迅速降低到低于珠光體開始轉(zhuǎn)變溫度，大大縮短了工藝時(shí)間。
降溫區(qū)將結(jié)束組織轉(zhuǎn)變的工件迅速降溫至＜180℃，防止工件出爐產(chǎn)生微量氧化，降溫通過布置在爐壁兩側(cè)的水冷套和變頻循環(huán)風(fēng)扇完成。
（2）生產(chǎn)線各區(qū)配備溫度及碳勢控制儀表，所有機(jī)械動(dòng)作采用PLC自動(dòng)控制，過程參數(shù)、料盤信息及生產(chǎn)過程由上位機(jī)監(jiān)控記錄完成，永遠(yuǎn)保存?zhèn)洳?，全部生產(chǎn)過程只需配備一名操作者。
輥底爐傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻控制，能夠?qū)崿F(xiàn)不同產(chǎn)品的工藝周期可調(diào)。
工況面板顯示全部動(dòng)作過程及料盤位置，操作者管理設(shè)備一目了然，見圖2。
圖2 工況面板圖
（3）此設(shè)備是全套進(jìn)口技術(shù)，原設(shè)計(jì)不帶中間門，加熱區(qū)與球化區(qū)是相通的，由于兩個(gè)區(qū)的控制溫度差異，加熱、冷卻互相干擾，顯得有些不足。
在長期應(yīng)用過程中，國內(nèi)進(jìn)行了設(shè)計(jì)完善，增加中間門和爐底傳動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)備改進(jìn)后縮短了爐子的整體長度，從而降低了設(shè)備制造和維護(hù)成本，并降低了單位產(chǎn)品能耗。目前兩種爐型在國內(nèi)都有多個(gè)用戶使用，我們對(duì)某單位同種產(chǎn)品的能耗進(jìn)行過詳細(xì)測量對(duì)比，無中間門的爐型單位產(chǎn)品能耗為0.330kWh/kg，增加中間門后能耗降低到0.274kWh/kg，按照每天產(chǎn)量18t，每年生產(chǎn)320天計(jì)算，每年節(jié)約電量18*1000*320*（0.330-0.274）=322560度，降耗效益相當(dāng)可觀。
附表是某用戶采用增加中間門結(jié)構(gòu)輥底爐在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
總用電量：（電度表結(jié)束值—初始值）*電度表倍率 (75.4-70.4)*300=1500kW·h
每公斤產(chǎn)品能耗：總用電量/產(chǎn)品總重量=1500/5472=0.274kW·h /kg
設(shè)備生產(chǎn)能力：單盤裝料1250kg/盤（毛重），產(chǎn)量750～800kg/h（凈重），進(jìn)料周期 60～80min可調(diào)，根據(jù)產(chǎn)品種類調(diào)整選擇合適的進(jìn)料周期，料盤按照物流方向運(yùn)轉(zhuǎn)，見圖3。
圖3 設(shè)備各區(qū)整體布局
3.等溫球化退火工藝
首先將工件加熱至高于Ac1溫度并保溫（一般設(shè)定780～810℃），完成奧氏體轉(zhuǎn)變。
在隨后的冷卻過程中，如冷卻速度足夠緩慢或快冷至低于Ar1溫度(一般設(shè)定700～730℃)進(jìn)行等溫，在等溫過程中完成奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變，即溶入的碳化物將以粒狀在未溶碳化物上或者新位置上析出，同時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，基體上分布著粒狀碳化物。粒狀珠光體為球化退火的正常組織。典型等溫球化退火工藝見圖4。
圖4 軸承鋼等溫球化退火工藝曲線
4.保護(hù)氣氛及碳勢自動(dòng)控制
保護(hù)氣氛采用氮?dú)饧颖?，為了保持一定的爐壓，要通入適量的氮?dú)夂捅槌Ａ?，爐體上裝有氧探頭，在線測量爐內(nèi)氣氛，并通過碳控儀表控制輔助丙烷電磁閥，精確控制爐內(nèi)碳勢，產(chǎn)品全部生產(chǎn)過程在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，做到既不脫碳也不增碳。按照軸承鋼的生產(chǎn)實(shí)踐，碳控儀表設(shè)定值在950～1050mv比較合適。
產(chǎn)品經(jīng)過等溫球化退火后，外觀呈銀灰色，不允許有氧化皮，脫碳層能夠控制在＜0.03mm，表面不允許有碳黑，禁止表面增碳。產(chǎn)品外觀顏色見圖5。
圖5 保護(hù)氣氛退火產(chǎn)品外觀
5.影響產(chǎn)品組織、硬度及外觀顏色的主要因素
（1）加熱區(qū)影響因素
加熱溫度提高后，球化組織會(huì)變粗，甚至產(chǎn)生過熱組織。反之球化組織就細(xì)小。
加熱時(shí)間要保證能夠完成適當(dāng)?shù)奶蓟锶芙?，時(shí)間太短導(dǎo)致球化組織太細(xì)小，甚至殘留未轉(zhuǎn)變的鍛造組織，特別是芯部轉(zhuǎn)變滯后，更容易出現(xiàn)問題；反之時(shí)間過長造成球長大，甚至出現(xiàn)過熱組織，通過調(diào)整進(jìn)料周期可以改變加熱時(shí)間。
（2）等溫區(qū)影響因素
等溫區(qū)設(shè)定的珠光體開始轉(zhuǎn)變溫度設(shè)定值高會(huì)形成較大球化組織，反之會(huì)形成較小的球化組織。
等溫過程完成球化轉(zhuǎn)變過程，等溫球化的時(shí)間要保證足夠長，否則球化不充分。
等溫區(qū)出爐溫度，即珠光體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度高，則硬度偏低；反之硬度偏高。
總之，通過調(diào)整加熱區(qū)加熱溫度、等溫球化區(qū)開始轉(zhuǎn)變溫度、等溫區(qū)球化結(jié)束轉(zhuǎn)變溫度三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并通過改變工藝進(jìn)料周期來影響冷卻速度，從而獲得相應(yīng)的組織及硬度，即改變球狀珠光體的大小和形態(tài)。
圖6是保護(hù)氣氛輥底爐在某用戶現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，軸承鋼產(chǎn)品金相檢測結(jié)果，評(píng)判為3級(jí)，球化組織和形態(tài)非常均勻。
圖6 放大500X的球化退火組織
（3）外觀顏色
產(chǎn)品出爐后，有時(shí)工件會(huì)呈現(xiàn)五顏六色的外觀顏色，外觀顏色對(duì)產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量無影響，這往往是工件出爐溫度高造成，增加降溫區(qū)冷卻水流速、控制好水溫以及合理分配爐內(nèi)氣氛流向，一般能夠得到很好解決，圖7、圖8是典型的外觀顏色氧化色。
圖7 套圈外觀顏色氧化色
圖8 鋼球外觀顏色氧化色
6.結(jié)語
保護(hù)氣氛輥底爐很好解決了工件等溫球化退火過程中的氧化脫碳問題，球化效果好，用戶一致反映設(shè)備具有機(jī)械性能可靠、維護(hù)成本低、自動(dòng)化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及單位產(chǎn)品能耗低等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外眾多軸承廠商采用。
國產(chǎn)化改進(jìn)增加中間門，降低了設(shè)備成本和能耗，可以更精準(zhǔn)的控制各區(qū)的溫度，避免相互干擾，提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。
脫碳層可以控制在＜0.03mm，減少了機(jī)加工留量，降低了產(chǎn)品制造成本，尤其適合精鍛毛坯產(chǎn)品的生產(chǎn)。
作者：陸瑞新
單位：愛協(xié)林熱處理系統(tǒng)（唐山）有限公司
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