為了降低軸承總體生產成本，就要求在開始用于制造軸承元件之前，不需要進行任何熱處理。通常，它所需要進行的熱處理是一種軟化退火/球化退火，以使鋸切和冷剪切得以順利進行，而不會縮短此類加工設備的使用壽命。自1980年以來，對采用熱機械軋制工藝生產、用于直接拉拔或冷鍛的低合金鋼材料，進行過各種不同的試驗研究。對高碳鋼和軸承進行的其它試驗研究，則考慮到在接近于奧氏體已經開始轉變?yōu)橹楣怏w的臨界溫度下進行軋制的可能性。在現有工業(yè)生產條件下采用這種軋制方法存在一定困難，因為它需要軋機擁有很大的軋制力和較大的機架結構尺寸，因此需要使用一種專用軋機。
從而使軋制產品在鋸切或冷剪切這樣的后續(xù)加工過程中，不需要任何中間熱處理。所有的試驗研究全部在ABS鋼廠和達涅利試驗室進行。目前，在線退火處理和淬火回火已在ABS鋼廠運行正常。
ABS-Luna鋼廠年設計產能力50萬t特殊鋼，小時產能90 t/h。產品規(guī)格包括Φ20mm~Φ100mm直徑圓鋼棒材、40mm~100mm方鋼、符合用戶要求卷重的Φ15mm~Φ50mm直徑棒材大盤卷。生產鋼種包括范圍廣泛的各類機械和汽車制造用鋼。連鑄矩形坯規(guī)格為200mm×160mm，由一臺兩流高速矩形坯連鑄機生產。軋機由17架緊湊式無牌坊機架組成，采用連續(xù)式平－立無活套布置，配備有機架快速更換裝置，可在5分鐘內完成產品生產規(guī)格的更換。兩套換輥機械人設備可自動連接軋機與軋輥維修區(qū)。在軋輥維修區(qū)，新機架已經過清洗和重新組裝，處于備用狀態(tài)。為確保產品獲得良好的表面質量，軋制線配備5臺除鱗設備。其中第一臺為回轉式，布置在軋機入口側。產品最終尺寸加工精度 （可控制在DIN 1013規(guī)定公差的1/8范圍內），由一個5道次Kocks——達涅利減徑定徑軋制機組 （RSB）和用于實現加工精度自動控制的兩個外形輪廓自動檢測儀來保證。在RSB減定徑機組前面，設有一條冷卻線，用于確保軋件在進入最終精軋區(qū)之前，達到所要求的溫度范圍，并保證溫度均勻性 （LTR－低溫軋制）。
長材產品低溫軋制意味著精軋溫度應控制在700℃~820℃范圍內。而且更重要的是要確保正在軋制的軋件具有良好的均勻性，以避免因精軋溫度變化而改變材料內部組織。
低溫軋制工藝要求軋件獲得細晶粒顯微組織，以便為最終在線熱處理做好組織準備。軋制溫度是三個基本軋制參數中的一個，它在整個熱變形過程中，將影響晶粒組織細化的各個階段。晶粒組織細化和晶粒生長控制是低溫軋制工藝采用的主要手段。它能夠影響時間-溫度轉變曲線 （如CCT曲線位置），改變晶界長度，從而改變形核位置。其中溫度是影響整個工藝過程最重要的熱力學參數。
晶粒細化過程可分為不同的階段，雖然不同階段也可能出現在同一時間。原始晶粒變形將有增加錯位密度的趨勢，能夠在新生晶粒邊界形成晶核。新晶粒邊界的消失和再生與實際溫度密切相關。新晶粒的形成和生長是一個熱力學過程。在不同的階段，會發(fā)生恢復、靜態(tài)再結晶和動態(tài)再結晶，從而影響流動應力曲線。最后，晶粒生長呈現一種趨勢，那就是使晶界能量最小。正如眾所周知的各種不同化學成份的理論模型所闡述的那樣，關鍵溫度決定著晶粒細化條件和完全再結晶晶粒生長結構之間的分界線。隨著碳含量的減少，這種效應就會變得更加明顯。對于16MnCr這樣的鋼種來說，可以很容易地得到晶粒細化超過40％的顯微組織。
實際應用中，確保軋制產品在整個橫斷面上保持在規(guī)定的溫度范圍內具有十分重要的意義。特別是當軋件表面溫度低于臨界溫度值，而芯部溫度仍然在較高的溫度范圍內時，將有可能形成一種非均勻的最終組織，其中包括晶粒大小和所組成的相。
ONA退火室與冷床布置在一條線上，退火室包括一座煤氣爐。棒材層被輸送到退火室內，目的是對從軋機區(qū)已經開始的熱處理進行到底 （緩冷、軟化退火、球化退火、回火）。采用最優(yōu)化布置的燒嘴和使用能夠均勻冷卻的一組對流風機，可確保退火爐內溫度布置均勻一致，從而不僅能夠保證完全不會出現脫碳現象，而且可確保在棒材長度方向上，以及各個棒材之間，獲得均勻一致的機械性能。
棒材經過定尺切割后，將進入整個在線生產工藝過程中的最后兩道重要的生產工序，即在線檢查和精整。棒材精整作業(yè)線由一臺在線噴丸清理機、4臺砂輪鋸、一個NDT無損檢查站、一個棒材去毛刺站、一個堆垛站、多臺打捆機和一個最終收集站組成。
本試驗研究的鋼種是最常見的軸承鋼AISI52100。此外，ONA退火爐還對范圍廣泛的各類合金鋼進行了熱處理，其中包括退火和回火處理。
棒材在ONA退火室內的移動，由步進梁式輸送器完成。步進梁采用特殊的超耐熱合金鋼制造，內部沒有通水冷卻，而且設有一個專用機構，使棒材在熱處理過程中不斷翻轉，從而可有效避免產品表面形成黑印。燒嘴的合理布置，再加上專用大功率冷卻風機，可確保退火爐內溫度分布均勻。燒嘴功率通過布置在每個加熱區(qū)的高溫計實現的負反饋進行控制。
考慮到ONA退火室采用模塊結構形式，模塊基本長度為25m，因此，可容納25m、50m，直到最大長度為75m的棒材，在對Cr/CrMo鋼進行等溫退火時，其最大連續(xù)退火能力可高達125 t/h。ABS Luna鋼廠ONA退火室總長度為50m，以滿足90 t/h的設計能力要求。9個不同的縱向區(qū)和兩個橫向區(qū)，可有效控制退火爐內氣氛溫度。9個區(qū)內配備有雙燒嘴和一個強制對流風扇，以使爐內氣流分布均勻。該裝置可通過兩種方式促使室內空氣循環(huán)，既可以將熱空氣推向ONA退火室入口區(qū) （順時針空氣循環(huán)），也可以實現反向循環(huán)，為位于熱處理爐中部的棒材提供更多的熱量。這樣，就可以為滿足特定的熱處理工藝要求，形成需要的溫度梯度分布。
對于高碳鉻鋼來說，熱軋產品材料硬度要高于320HB，而這樣的硬度則不適合所有的下列作業(yè)，如冷剪、鋸切等?？紤]到珠光體組織強度主要取決于鐵素體與碳化物之間的層間距，因此，要減小軋件在軋制狀態(tài)下的硬度，一種可行的方法是拓寬層間距?？梢酝ㄟ^兩種不同途徑來實現。第一種方法是增加成核點，細化奧氏體晶粒組織，以使相變能夠在較短的時間內，在較高的溫度下開始。第二種降低冷卻速率，使材料保持在較高的溫度范圍內，以便有可能增大層間距。選擇一種或同時采用上述兩種方法，都有可能降低材料硬度，改善材料的冷剪切或鋸切性能和條件。然而遺憾的是，對硬化層深度和滾動接觸疲勞強度的最終要求，在很大程度上受到原始組織的影響?？紤]到這個原因，因此有必要開發(fā)一種新的方法，能夠在不影響材料最終機械性能的條件下，降低材料硬度。
AISI52100軸承鋼碳含量為1%，鉻含量1.5 %，通常以球化退火或軟化退火狀態(tài)供貨。球化退火狀態(tài)的材料顯微組織，非常適合于象鉆孔和切削這樣的機械加工。事實上，帶有球狀碳化物、連續(xù)分布的鐵素體組織，對于此類鋼種來說，具有最好的延展性。這種組織可確保在軸承元件經過最終硬化處理后，獲得適中的硬度和良好的抗疲勞破壞性能。經過這種熱處理后的硬度標準值應為200HB。當鋼材以軟化退火狀態(tài)供貨時，其硬度應高于200HB，以便順利完成剪切，而不會產生裂紋和降低剪切刀具使用壽命。球化退火工藝用時較長，成為生產成本最高的一種退火工藝。其原因包括：①整個退火時間較長；②大量的棒材捆搬運輸送作業(yè)，造成較多的時間損失；③由于氧化鐵皮生成而造成材料損失；④存在表面脫碳現象；⑤需要在退火后進行棒材矯直。
通過試驗表明，等溫形成的一種不可分解的珠光體或貝氏體組織，可在退火過程中形成一種更快、而且更均勻的碳化物球化過程。為縮短退火時間，應形成一種組織，它能夠縮短擴散距離，從而更有利于促進碳化物球化過程。這種組織應該是一種最細小致密的組織，可通過快速冷卻，或者在低溫條件的等溫轉變來形成。試驗研究的主要目的是完善軋制工藝，確定冷卻路徑和退火工藝，而不需要材料的任何中間存放。
第一次試驗軋制用坯料是由連鑄機生產的200mm×160mm矩形坯，冷卻到室溫后，再冷裝到步進梁式加熱爐內。
只有當精軋溫度降低到720℃時，晶粒大小才有明顯變化?，F在來說在較低溫度軋制，并在冷床上空冷的棒材，材料表現出較高的硬度。其主要原因很可能與珠光體晶粒細化有關。考慮到進入ONA退火室的目標溫度為450℃~500℃，晶粒細化有助于獲得細小致密的貝氏體組織，因此將這一溫度確定為RSB減徑定徑軋制機組標準精軋溫度。
第二次試驗在RSB減徑定徑軋制機組選擇處于中間值的精軋溫度，然后在棒材進入冷床之前，由DQS直接淬火系統(tǒng)進行快速冷卻。這就是確保在細化晶粒的同時，獲得較高硬度值的保證條件。
試驗結果
在試驗過程中，選擇了不同的熱處理工藝進行試驗。試驗的首要目標是獲得一種可接受的球化組織，其硬度低于200HB，擁有規(guī)則分布的碳化物，而不是呈任何厚片狀或殘余薄片狀分布的碳化物。
考慮到合金鋼種的整個范圍，為了確保晶粒得到顯著細化，給定了與精軋機總壓下量密切相關的溫度范圍。對于碳鋼、C-Mn鋼和C-Cr鋼，720℃~800℃的溫度范圍（當碳含量降低時，溫度相應提高）應該是一個最佳值。此時，要求最小斷面收縮率應達到25％?？梢钥隙ǖ氖?，應變率將影響再結晶過程和溫度升高。此時應盡可能提高軋制速度，從而增大應變率；而最大軋制道次數則是增加壓下量的限制因素。
至于ONA退火室設定溫度如何選擇，其目標是最大限度地縮短獲得所需顯微組織的熱處理時間。對于含鉻軸承鋼來說，提高退火溫度并不能總是保證能夠縮短熱處理時間。因為有可能產生粗大的碳化物顆粒，而且最終組織會出現一種非均勻的碳化物分布。重要的是在退火初期，要擁有許多成核位置，而碳化物則出現在小而分散的多個地方。
各種組織的最終HB硬度，變化似乎并不太大。這是因為存在這樣一個事實，所有分析樣本的球化率，總是高于80％，只有某些轉變組織沒有經過充分細化的情況除外。
目前，達涅利已經開發(fā)一套完整的AISI52100不銹鋼熱處理工藝，以完善直接從軋機開始的球化退火。精軋溫度、等溫轉變啟始溫度，以及退火溫度和時間等工藝參數均得到優(yōu)化，從而使材料內部組織的球化率大于80％，而最終硬度則低于220HB。ONA退火室目前已投入到實際生產中，用于等溫退火和回火，從而使整個熱處理周期縮短到只用2個小時，而且在材料硬度和碳化物分布方面，均得到令人滿意的結果。
（來源：軸承鋼）
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