針對生產軸承鋼棒材產品出現的網狀碳化物問題，以國內某廠棒材連軋生產線為依據，對GCr15軸承鋼軋后進行快速控制冷卻的溫度場進行模擬研究，并運用于實際生產中，取得了較好的效果。結合現場條件所能采用的各種冷卻工藝，利用計算機模擬方法，對冷卻工藝進行了優化分析，使得GCr15軸承鋼φ20～60的產品的網狀級別≤2.0級，解決了中小規格棒材軸承鋼網狀碳化物達不到標準要求的問題。

軸承鋼在冷卻過程中抑制網狀碳化物的析出，是改善和提高GCr15軸承鋼性能的必要條件。網狀碳化物的級別高會降低軸承的疲勞壽命，導致在軸承加工的研磨過程中產生磨裂(龜裂)；網狀碳化物嚴重，不但球化退火不能消除，甚至在以后的淬火過程中仍有保留，并易產生淬火裂紋或成為疲勞裂紋的發源地之一，作為軸承鋼棒材生產線，對軸承鋼網狀的控制顯得極其重要。

1、軋制設備與工藝

某軋制棒材車間共有22架軋機，粗、中、預精軋各6架（共18架），精軋4架，其主要生產規格為φ20～90；在線水箱有4套，每個水箱有3條不同內徑的管道，根據不同的生產規格可分別運用或組合運用。水箱采用高壓噴嘴水冷卻方式，1＃、2＃、水箱各長7m，有9個噴嘴組成（其中6個正吹，2個反吹，一個氣吹）；3A、3B水箱各長5m（其中4個正吹，2個反吹，一個氣吹）。水壓1.5～1.8MPa，每小時最大耗水量1180L。

2、軸承鋼軋后超快速冷卻分析和建模

2.1軋后快速冷卻分析

軋后控冷工藝的傳熱過程大體包括以下兩個階段：第一階段為急冷段，鋼材離開精軋機組在終軋溫度下，盡快進入快速冷卻裝置，進行快速冷卻。這個階段的傳熱按受迫對流沸騰魚湍流受迫對流傳熱兩種方式進行。鋼進入冷卻器后，由于鋼表面溫度大大高于水的飽和溫度，水溫劇增至沸點并氣化，在鋼壁上形成動態蒸汽膜。此時射流水以≥1.0MPa壓力沖擊鋼表面，全面打碎蒸汽膜，鋼外壁的移動又促進了沸騰過程的進行，這種傳熱過程具有很高的熱流量，使傳熱系數激增。第二階段為緩冷階段，鋼通過快速冷卻裝置后，在空氣中自然對流冷卻，這個階段鋼斷面上的熱量重新分布。這兩個過程都屬于軋件與外部環境之間進行的熱交換（相變熱除外）。對于軋件內部，不論軋件處于哪一階段，它們之間進行的都是導熱過程。也就是說，金屬內部的熱量通過導熱傳到金屬表面，再由金屬表面通過輻射和對流的方式傳遞給周圍的介質，從而引起軋件內各處溫度的變化。

根據冷卻導熱過程，軋后快速冷卻主要有以下兩種方式：

（1）水冷：強對流傳熱；

（2）空冷：相當于熱輻射與接觸傳熱。

2.2軋后控制冷卻的模擬

采用ANSYS有限工具軟件，在利用有限元求解軋后控冷溫度場模擬計算的過程中，需要導熱系數、比熱容、環境溫度、冷卻水溫度、材料密度等，在不同溫度下，導熱系數、比熱容不是常數，是隨材料的組織狀態和溫度而變化的，因此，也是隨時間而變化的。根據相關文獻及現場參數產生情況，控制冷卻模擬選用軸承鋼為GCr15，材料密度為7810kg/m3；空氣溫度為25℃；冷卻水溫度為20℃。

對軋件的連續冷卻過程進行了瞬態分析，模擬出不同冷卻方式的溫度變化，考慮到鋼材穿水后表面的最低溫度不能低于350℃，以免產生馬氏體組織，因此水流流量應該控制好，經模擬分析一次穿水與二次穿水差異較大，具體見原創表2。

采取一次穿水后上冷床返紅，最終最高溫度大于750℃。

采取二次穿水后上冷床返紅，最終最高溫度低于700℃。

2.3模擬結果的驗證

φ40軸承鋼進行兩段式間斷快冷的控制冷卻工藝，從終軋溫度950～1000℃進入2#水箱，出水箱后鋼溫返紅至700～750℃，再進入3#B水箱進行二次冷卻，出3#B水箱鋼的表面溫度為350～450℃，上冷床時表面溫度600～700℃，上冷床后鋼返紅最高溫度提高10～30℃。

從測溫點的預測溫度和實測值的比較可知，預測偏差基本在20℃以內，由此可見，利用數值模擬手段研究軸承鋼圓鋼冷卻過程溫度場是可行的，可以真實地反映圓鋼斷面溫度變化的趨勢及規律。

2.4軸承鋼軋后冷卻溫度場分析

模擬結果顯示軸承鋼采用一次快冷后的返紅溫度區間，會生成粗大珠光體和嚴重的網狀碳化物。前人的大量試驗結果表明，碳化物網狀的析出溫度為700～900℃之間，而且當返紅溫度小于700℃時，基本消除了原始組織中的網狀碳化物，因此應加快這一溫度的鋼材冷卻速度。軸承鋼若采用一次性快冷到終冷溫度，由于鋼材斷面大，鋼材表面將發生馬氏體相變，斷面溫差加大，造成由表面到中心的組織不同，中心部位溫度高則生成粗大珠光體和較嚴重的網狀碳化物。為防止不均勻組織的出現，應采用多次間斷快冷工藝為宜。本文結合該廠生產線實際考慮采用二次冷卻工藝，通過工藝的調整，利用ANSYS模擬，控制返紅溫度在600～680℃之間。

3、軋后超快速冷卻的組織分析

φ40軸承鋼軋后穿水后的組織為一次穿水的表面和中心組織，可見表面組織為珠光體和斷續的網狀碳化物，中心處為珠光體和連續較厚的網狀碳化物，碳化物網清晰。開啟了2#和3B水箱，表面返紅最高控制在700℃以下，表面組織為珠光體，沒有網狀碳化物，中心有少量細小的網狀碳化物。

φ40軸承鋼軋制速度為3.4m/s，軋制后立即進入2#水箱急冷至400～500℃附近，冷卻速度控制在150～260℃/s，這一溫度區間應該發生的再結晶晶粒長大受到了充分的抑制。之后經短時間返紅后，再進入3B水箱，然后上冷床空冷，控制最高返紅在700℃以下，所需總時間是30s，在這一區間的平均冷卻速度為10～20℃/s，避免了網狀碳化物的析出。

4、結論

（1）通過ANSYSY有限元軟件對軋后快速冷卻進行模擬，能較好地與實際冷卻情況相匹配，為冷卻工藝的開發提供了幫助。

（2）ANSYSY有限元模擬，可以清晰地分析表面、中心的溫度變化，制定出較好的冷卻工藝，得到最為理想的效果。

（3）棒材超快速冷卻可以較好地抑制冷卻過程中網狀碳化物的析出，為改善軸承鋼的網狀級別提供了有效手段。

（4）現場的生產實踐表明，通過軋后超快速冷卻控制，網狀級別均不大于2級，按照新的GB/T18254－2002標準，退火的網狀碳化物級別合格率達到100%。