南京钢铁股份有限公司 江苏南京 210035
摘要：随着国家经济的高质量发展，轴承作为机械设备的重要组成部件，在工业生产的各个行业中得到了广泛应用。在轴承的使用环境和实际用途逐渐趋于多样化的背景下，社会和企业对于轴承质量的要求也愈发严格。对于轴承而言，轴承钢中碳化物的组织性能对轴承的使用效能和其在复杂环境下的使用寿命有着至关重要的影响，尤其是当轴承钢中的碳化物分布不均匀时会使得轴承的脆性大大增加，从而严重制约轴承的使用性能。为此，本文分析了轴承钢的凝固过程及其碳化物属性，探究了影响轴承钢碳化物不均匀性的关键因素，在此基础上，本文提出了改善轴承钢碳化物不均匀性的改进工艺，为轴承钢制造技术的发展做出了有益探索与尝试。
关键词：轴承钢；碳化物；不均匀性；改进工艺
1 绪论
轴承钢中碳化物分布是否均匀直接影响着碳化物的组织性能，若碳化物分布不均，则可能使得轴承的使用精度、使用寿命达不到预期要求。由于轴承钢中的碳化物具有明显的脆相属性，因此，在碳化物分布不均匀的地方往往会产生裂纹，从而严重影响轴承的质量。在轴承制造领域，人们普遍认为轴承钢中的碳化物其组织越细小、分布越均匀则所制造出的轴承质量越高。虽然我国的轴承制造技术已经取得了较大突破，但是在轴承钢碳化物不均匀性问题上仍存在技术缺陷，因此，针对轴承钢碳化物不均匀性的改进工艺研究就显得尤为重要。
2 轴承钢的凝固过程及其碳化物属性分析
2.1 轴承钢的凝固过程
在大量实践与研究的基础上可以发现，连铸轴承钢的凝固过程在技术特性和规律上与其他类型的合金钢基本一致，其凝固过程主要可分为以下四步：（1）柱状晶体在凝固开始时均匀生长；（2）某些特殊的柱状晶体在合适条件下优先生长；（3）不同分布区域的柱状晶体相互连接；（4）小锭逐渐发生凝固并在其中产生缩孔。
2.2 轴承钢碳化物属性分析
为了有效改善轴承钢中碳化物的不均匀性，应首先分析碳化物的属性。大量研究表明，导致轴承钢碳化物不均匀的根源在于钢液的冷却过程存在宏观偏析和微观偏析两种特殊的物理现象[1]。钢液在冷却凝固与结晶过程中，由于存在选分结晶这种特殊性质，使得优先结晶的部分区域其溶质含量低于实际要求，因而大量溶质聚集在后续的凝固区域，导致其溶质含量远远大于实际要求。这种特殊的凝固现象导致钢液在凝固后不同区域的溶质含量差别巨大，因而称之为钢液的偏析现象。通过分析晶体组织在不同区域的分析，可以区别出宏观偏析与显微偏析。一般而言若钢锭中心区域的溶质含量较其余区域明显偏高则称之为宏观偏析，若在某一晶粒组织的交界处溶质含量较高显称之为显微偏析。
3 轴承钢碳化物不均匀性的关键影响因素
3.1 加热温度
开坯是轴承钢钢锭加工中的一道必要工序，在钢锭开坯过程中，对其进行加热是必不可少的一个环节。通过加热可以使得钢锭的温度上升至合理范围，从而使得钢锭内部组织产生良好的塑性。在此过程中，钢锭的晶粒偏析程度也可以得到较好的控制。由于钢锭的凝固过程会受到诸多因素的影响，其不可能在较短的时间内迅速完成凝固过程，因此一般而言凝固完成的钢锭中出现树枝状偏析的概率非常之高。综上而言，合理的加热温度对有效提高晶粒的扩散速度、降低钢锭中晶粒的偏析度有着重要的影响。
3.2 钢材终轧温度
钢材的终轧温度对于轴承钢碳化物网状组织分布的均匀性和整体性能有着不可忽视的影响。通过合理控制终轧温度可以明显细化钢材中晶粒的大小及体型，使得析出碳化物主要集中在大晶界之上，有效增大晶粒与基体的接触面积，从而使钢锭得到较细的晶状网络，达到均匀分布的目的。
3.3 轧后冷却速度
轧后冷却速度可以有效加速碳化物的冷却，在一定程度上避免了碳化物突破晶界范围而溢出。通过观察可发现，合理控制轧后的冷却速度可以使得碳化物网络较为稀薄，在之后的退火过程中其较易被熔断，从而得到较为均匀的晶粒组织。
3.4 球化退火工艺
球化退火工艺是控制轴承钢碳化物组织性能的关键工艺过程。通过球化退火工艺，轴承钢中的碳化物构成的晶体网络会在局部区域发生熔断现象，而在另一些区域不同的碳化物之间会发生融合吞并的现象，从而在完成退火工艺后使晶体组织的结构变得较为细薄。
4 改善轴承钢碳化物不均匀性的改进工艺
4.1 降低偏析度
通过观察钢锭的凝固过程可发现，局部晶体从开始凝固到完成凝固过程所耗费的时间越长，则发生中心偏析现象的严重程度就越高。因此，降低偏析度的主要依据就是提高钢液中晶体组织的凝固效率、尽可能缩短凝固时长。综上所述，降低偏析度的主要措施有如下几类：（1）加速柱状晶体向等轴晶体的转化效率，尽可能多的促进等轴晶的生成；（2）减小二次结晶体的间隔距离，以尽可能提高对不均匀性影响较大的粥状区的穿透特性；（3）在凝固时拓宽粥状区的范围，并合理控制其流动性、温度及均匀性。
4.2 稳定钢液过热度
本文在大量研究的基础上发现，钢液过热度状况越低，则连铸坯的缩孔状况改善效果就越好。当过热度不高于30摄氏度时，连铸坯的缩孔评级完全可以满足高标准要求的2.0及2.0以下。大量试验表明，当压缩比受到实际条件限制而不能提升时，若钢液的过热度超出实际标准要求，会使得中心缩孔出现严重缺陷，这种缺陷的宏观表现主要为较为明显的中心裂纹，微观上则表现为严重的中心偏析现象。因此，合理控制钢液的过热度可以有效改善压缩比受限状况下的轴承钢碳化物不均匀性。
4.3 采用高温均匀化退火工艺
提高退火工艺的温度对改善轴承钢碳化物的不均匀性有着较好的效果。实践表明，较高温度状况下的退火工艺温度能明显改善碳化物的大小及形状，在高温状况下，随着退火工艺时间的延长，轴承钢内部的球状碳化物会逐渐增多，而对不均匀性存在不利影响的链状碳化物则逐渐减少。在800℃的高温退火环境下，大部分碳化物转变为球状碳化物，链状碳化物含量大大降低；在退火温度达到820℃时链状碳化物基本消失[2]。另外，在试验过程中，随着退火时间的增长，对不均匀性存在不利影响的条形状碳化物逐渐消失，颗粒状碳化物变为圆球状并逐渐趋于稳定。综上而言，当球化退火温度逐渐升高时，对碳化物组织性能影响较大的条形状及网状碳化物逐渐被溶解，轴承钢内部组织的大部分碳化物逐渐转变为球状，这使得经过高温球化退火工艺后的轴承钢碳化物组织变得更加细密且均匀。因此，可以得出结论，采用高温均匀化退火的工艺可以有效改善碳化物的组织性能、降低不均匀性，从而保证轴承钢的制造质量。
4.4 优化控轧控冷工艺
随着控轧控冷技术的突破，其被广泛应用于钢材生产之中。大量研究表明控轧控冷技术的应用可以有效改善轴承钢碳化物的不均匀性。控轧控冷技术的基本原理是将利用塑性变形改变材料外观的形变加工过程与提高材料整体力学性能的物理冶金过程充分融合[3]。在轴承钢的制造与加工过程中，可以依据实际要求，合理控制轧制温度、轧制速率、材料的变形量、轧制完成后材料的冷却温度等关键参数，从而有效溶解轴承钢内部组织中的条状及网状碳化物，实现其碳化物的均匀分布。
5 结语
随着我国机械工业的不断发展，各工业企业对于轴承的制造技术及制造质量也提出了更高的要求。目前在我国轴承的生产过程中，轴承钢中碳化物不均匀性的问题较为突出，这不仅影响了轴承钢的生产质量与使用性能，更制约着我国轴承生产技术的整体发展。在这种背景下，本文所提出的降低偏析度、优化控轧控冷等改进工艺不仅可以较好地改善轴承钢碳化物的不均匀性，更为我国轴承制造技术的整体提升奠定了坚实基础。
参考文献：
[1] 于志敏.连铸轴承钢中心偏析缺陷探讨[J].哈尔滨轴承，2019，40（04）：36-37+42.
[2] 杨修建，周建峰，郝永成.钢材退火对高碳铬轴承钢碳化物带状的影响[J].科技与企业，2015（18）：186.
[3] 韩东序，杜林秀，吴红艳，齐敏.轧后冷却速率对GCr15轴承钢球化组织的影响[J].东北大学学报（自然科学版），2019，40（10）：1392-1397.