CN101565801A - 一种高碳铬轴承钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高碳铬轴承钢及其制造方法，其化学成分重量百分配比为C：0.90～1.05；Cr：0.90～1.20；Mn：0.90～1.25；Si：0.45～0.75；Al：0.02～0.04；氧≤0.0007；磷≤0.010；硫≤0.005；钛≤0.0025；铜≤0.15；镍≤0.10；氮≤0.0070；其余为不可避免的杂质和Fe。制造方法为：电炉冶炼→钢包炉精炼→真空炉脱气→钢液浇注成钢锭→钢锭在加热炉加热→轧钢机将钢锭轧成方坯→钢坯在加热炉加热→轧钢机将钢坯轧制成圆钢。与现有技术相比，具有高淬透性和晶粒度8级以上，工艺通用性强、适用性广。

Description

一种高碳铬轴承钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及轴承钢，特别属于高碳铬轴承钢成分及其制造工艺。

背景技术

轴承钢依据钢中碳含量和用途的不同，可分为：高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、中碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢。

随着高碳铬轴承钢的用途的不断扩大和轴承厂家对轴承，特别是大型、特殊用途的轴承的不断研究，人们在追求更高的钢的纯洁度和碳化物均匀性的同时，对高碳铬轴承钢的组织和性能的要求也在不断提高，希望高碳铬轴承钢的淬透性越高越好，同时，钢中的晶粒度越细越好。例如，人们希望高碳铬轴承钢在氧含量低于0.0007％以下和钢中晶粒度达到8级以上(ASTMA112检验标准)的前提下，J6/16(英寸)≥60HRC和10/16(英寸)≥46HRC。

钢的淬透性是指：钢被淬透的能力，或者淬火时所能得到的淬硬层深度。钢的淬透性可用淬透性指数Jd/unit，其中：J-Jominy；d-距淬火端面的距离(英寸或mm)；unit-测定淬透性指数的单位距离(英寸或mm)。影响钢的淬透性的因素主要有：钢的化学成分、奥氏体的晶粒大小、奥氏体化状态(加热温度和加热时间)、钢中碳化物原始组织。

钢的晶粒度是指单位面积上的晶粒数目。晶粒越多，晶粒度级数越高。影响钢的晶粒度的因素主要有：钢的化学成分、钢中碳化物均匀性、钢材或钢坯的加热工艺、淬火工艺。

人们为提高高碳铬轴承钢的淬透性而开发的常见钢号有：中国的GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo；日本的SUJ1、SUJ2、SUJ3、SUJ4、SUJ5；美国的A485Grade1、A485Grade2、A485Grade3、A485Grade4(见表1)。

中国的高碳铬轴承钢(GB/T18254-2002-附件1)钢号中，GCr4由于铬含量和锰含量较低，其淬透性低于GCr15；GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo的端淬硬度为61HRC的点，由于没有限定钢中的铝含量和氮含量以及其他有害元素的含量，其淬透深度在4～11mm范围内波动；晶粒度在6～8级(ASTM A112检验标准)，其中达到8级的比例为50％；6-7级的比例为50％。

日本的高碳铬轴承钢钢号中，SUJ1由于铬含量和锰含量较低，其淬透性低于SUJ2；SUJ2、SUJ3、SUJ4、SUJ5由于没有限定钢中的铝含量和氮含量以及其他有害元素的含量，氧含量难以达到0.0007％以下，其淬透性的指标J6/16(英寸)≥60HRC和10/16(英寸)≥46HRC的合格率在60％(濑户浩藏著陈洪真译：《轴承钢》，冶金工业出版社，2003年1月第一版，8)。

美国的A485～1、A485～2、A485～3、A485～4，尽管有淬透性的要求和晶粒度的要求(ASTM A485～03 Standard Specification for HighHardedability Antifriction Bearing Steel-附件2)，但对影响钢的淬透性和晶粒度的钢中氮含量和铝含量没有明确限定，导致钢的淬透性指标J10/16(英寸)≥46HRC或J20/16(英寸)≥52HRC；28/16(英寸)≥32HRC的合格率分别在60％和50％，晶粒度达到8级的比例为80％。

中国专利有2个有关《高碳铬轴承钢及其制造方法》，它们是《一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法》(CN1718817)和《减少和细化高碳铬轴承钢D类夹杂物的生产方法》(CN1621538)。《一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法》(CN1718817)专利没有规定钢的化学成分，不能保证钢的淬透性和晶粒度。《减少和细化高碳铬轴承钢D类夹杂物的生产方法》(CN1621538)专利仅仅涉及高碳铬轴承钢的纯洁度内容，没有规定钢的化学成分，也不能保证钢的淬透性和晶粒度。

国外专利有20个有关《高碳铬轴承钢及其制造方法》，专利存在的不足之处见表2所示。这些专利或者是纯洁度方面的高碳铬轴承钢的专利；或者是生产方法方面的高碳铬轴承钢的专利；或者是成分控制方面的高碳铬轴承钢的专利。它们都没有同时涉及成分控制、纯洁度、淬透性、晶粒度这4个方面的内容。

经专利检索，有关高碳铬轴承钢及其制造方法的内容，专利检索文献的汇总见表3和表4。

综上所述，现有的高碳铬轴承钢，不能满足高淬透性、细晶粒度的高碳铬轴承钢的要求，即：在氧含量低于0.0007％以下和钢中晶粒度达到8级以上(ASTM A112检验标准)的前提下，J6/16(英寸)≥60HRC和10/16(英寸)≥46HRC。

表1中国、日本、美国的高碳铬轴承钢的成分

表2国外高碳铬轴承钢及其制造方法专利存在的缺陷

专利文献编号	专利号	专利名称	不足之处
				1	US4911885 A；US89331378	一种高碳铬轴承钢	对铝含量没有规定，难以保证钢中氧含量在0.0007％以下
5	JP 2006016683 A	一种高碳铬轴承钢	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
				10	JP 7041829A	去除高碳铬轴承钢中氧化物的方法	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
15	JP3044446 A	高碳铬型轴承钢	对铝含量没有规定，难以保证钢中氧含量在0.0007％以下。

16	JP 3024246 A	高碳铬轴承钢	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
				17	JP 3002350 A	高碳铬轴承钢	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性。
18	JP 2030733 A	高碳铬轴承钢	对铝含量没有规定，难以保证钢中氧含量在0.0007％以下
				19	JP 1255650 A	高碳铬轴承钢	对铝含量没有规定，难以保证钢中氧含量在0.0007％以下
20	JP 62050403 A	高碳铬轴承钢	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
				24	JP 55041910 A	长寿命的高碳铬轴承钢	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法
26	EP 337639A1 891018	一种高碳铬轴承钢	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法
				27	EP 336701B1 930811	一种高碳铬轴承钢	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法
30	JP200600026 A	一种用于滚动轴承、含有预定的特殊氧化物数量和三氧化	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
				36	JP2006016683 A	用脸钢组元的高碳铬轴承钢材制造，涉及高碳铬轴承钢的均热铸造，这钢在一定条件下有预定的P含量，是均热的热轧钢对钢的成分没有规定不能保证钢的淬透性	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
41	JP2005147192 A	滚动支撑元件，即滚动轴承有内圈和滚动元素，由高碳铬轴承钢组成，其包括特定比率的氮、钛和氧	对钢的成分没有规定，不能保证钢的淬透性
				44	EP 1035338 A2等	用于办公自动化的耐磨轴承由特定成分和表层有特定残余奥氏体的高碳铬轴承钢	对铝含量没有规定，难以保证钢中氧含量在0.0007％以下
60	Jp3044446 a	高碳铬轴承钢含有镍和硅，用于传动轴承	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法
				62	Jp3024246 A	接触碳-铬轴承钢-含有钛和氮，其能增加残余奥氏体基体结构	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法
65	EP337639 A	高碳铬轴承钢-含有轴承的钢-提供耐塑性变形和回火，并能改善滚动疲劳寿命	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法
				66	EP336701 A等	高碳铬轴承钢-有少量的镍、硅、硫和磷	没有规定铝含量，不能保证晶粒度。没有提供制造方法

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种高碳铬轴承钢及其制造方法，它能够有效地满足高碳铬轴承钢的高淬透性要求、能够提高高碳铬轴承钢晶粒度。

为解决上述技术问题，本发明的一种高碳铬轴承钢，其化学成分重量百分配比为：C：0.90～1.05；Cr：0.90～1.20；Mn：0.90～1.25；Si：0.45～0.75；Al：0.02～0.04；氧≤0.0007；磷≤0.010；硫≤0.005；钛≤0.0025；铜≤0.15；镍≤0.10；氮≤0.0070；余量为Fe及不可避免的杂质。

该高碳铬轴承钢化学成份中主要元素的作用如下：

碳C：是使钢强度提高的主要元素，高碳铬轴承钢球化处理后淬火使残余的、未溶解的碳化物的基体马氏体化，然后低温回火必须使硬度达到HRC60以上。如果C不到0.90％，则高碳铬轴承钢不能得到充分的球化碳化物和良好的基体性能，寿命和耐磨性都下降。如果C超过1.05％，则凝固组织会出现巨大碳化物，使均匀性困难；还有淬火回火后的残余奥氏体增多，尺寸精度随时间而变化的倾向变大。

铬Cr：是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性与耐腐蚀性能，并可提高强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。Cr能显著改善钢中碳化物的分布及其颗粒大小，使含Cr的渗碳体型碳化物(Fe.Cr)₃C退火聚集的倾向性变小。因此，Cr使高碳铬轴承钢碳化物变得细小、分布均匀，并扩大了球化退火的温度范围，一部分Cr熔于奥氏体中提高了马氏体回火稳定性。Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。在C含量为0.90～1.05％的前提下，Cr含量在0.90～1.20％之间，再高会因残余奥氏体量增加而降低硬度；同时过高的Cr含量容易形成大块碳化物，如Cr₇C₃这种难熔碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降。如果Cr含量低于0.90％，则基体中C和Cr之间不能达到奥氏体化温度下的平衡，从而影响钢中碳化物的分布及其颗粒大小。

锰Mn：和Cr一样是碳化物形成元素，能代替部分铬原子形成(Fe.Mn)₃C型碳化物。但是这种碳化物与铬的碳化物(Fe.Cr)₃C不同，加热时易固溶于奥氏体，回火时也易析出和聚集。所以，对于C和Cr含量分别为0.90～1.05％和0.90～1.20％的高碳铬轴承钢，Mn含量大于1.20％，会使钢中残余奥氏体量增加，钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强，且尺寸稳定性降低。但Mn能显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中，提高铁素体的硬度和强度。锰能固定钢中硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe、Mn)S，减小或抑制FeS的生成，因此，Mn不能低于0.90％。

硅Si：在高碳铬轴承钢中，硅使钢的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向性增大，使钢在球化退火状态的切削和冷加工性能变坏。所以，一般应把硅控制在0.75％以下。但钢中加入Si，可以强化钢中铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，改善抗回火软化性能。所以，应把硅控制在0.45％以上。

铝Al：铝除了能降低钢中氧含量外，能与氮形成弥散细小的氮化铝，起到细化晶粒的作用，有较强的固溶强化作用，能提高钢的抗回火稳定性和高温强度。Al低于0.02％，则难以保证Al既能起到脱氧、又能与氮生成弥散细小的氮化铝从而起到细化晶粒的双重作用。Al大于0.04％，容易形成大量的弥散细小的氮化铝和碳氮化钛夹杂物。过量的氮化铝和碳氮化钛夹杂物对高碳铬轴承钢的疲劳寿命有严重的影响。

氧O：钢中O含量通常以各种氧化物+溶解O形式出现。无论何种氧化物在钢中生成，均离不开钢中的O。O含量越高，不仅造成氧化物夹杂数量增多，而且氧化物夹杂尺寸增大，偏析严重，夹杂级别增高，因而对疲劳寿命的危害也就加剧。因此，要努力降低钢中的O。本发明的钢中氧含量控制在0.0007％以下。如果氧含量超过0.0007％，则会增加钢中氧化物夹杂总量，容易在钢坯中心形成氧化物聚集，加剧钢坯中心的碳化物偏析，最终导致钢材中心偏析严重和缩孔超标。

磷P：在低夹杂物含量的钢中，P在晶界的偏析与富集更为明显。P不仅能加剧液析碳化物的生成，而且能加剧奥氏体化时的二次碳化物的析出。因此要努力降低钢中的P。在本发明中钢中磷含量控制在0.0010％以下。如果钢中的残余磷含量大于0.010％，则增加晶界偏聚和富集并加剧液析碳化物的生成，而且能加剧奥氏体化时的二次碳化物的析出，从而影响钢的淬透性和钢的晶粒细化。

硫S：钢在凝固过程中随S含量的增加而硫化物、碳化物分布的平均尺寸增加，故纵向偏析增加。为了改善轴承钢的碳化物，必须尽可能降低S含量。在本发明中硫含量控制在0.005％以下。如果硫含量超过0.005％，则会增加钢中硫化物夹杂总量，容易在钢坯中心形成硫化物聚集，加剧钢坯中心的碳化物偏析，最终导致钢材中心偏析严重，影响钢的淬透性和钢的晶粒细化。

钛Ti：钛与溶解于钢中的氮有着极强的亲和力，多以氮化钛、碳氮化钛(Ti(C、N))夹杂物的形式残留于钢中。Ti(C、N)夹杂物具有很高的刚性，并在几何形状上呈棱角状，因而在基体中极易造成应力集中诱导疲劳裂纹，严重影响轴承的疲劳寿命，特别是在钢的纯洁度显著提高、其他氧化物数量很少的情况下尤其严重。随Ti含量增高，Ti(C、N)颗粒不仅大大增多，而且Ti(C、N)的级别也明显增高，疲劳寿命降低。因此，必须尽可能降低Ti含量。在本发明的钢中钛含量控制在0.0025％以下。如果Ti超过0.0025％，则会增加钢中氮化钛、碳氮化钛夹杂物总量，容易在钢坯中心或其他部位形成各类夹杂物聚集，并由此造成应力集中诱导疲劳裂纹，最终导致轴承的整体寿命严重下降。

铜Cu：铜是低熔点有害元素，使钢加热时容易形成表面裂纹；同时也会引起钢的时效硬化，影响轴承精度。因此，必须尽可能降低Cu含量。在本发明钢中的铜含量控制在0.15％以下。如果铜含量超过0.15％，则会使钢材在被制造轴承的过程中容易在其表面形成低熔点区域，极易产生表面裂纹，最终导致轴承的整体寿命严重下降。

镍Ni：镍在高碳铬轴承钢中作为残余元素受到限制，它的存在增加淬回火后残余奥氏体量，降低硬度。因此，必须尽可能降低Ni含量。在本发明钢中镍含量控制在0.10％以下。如果镍含量超过0.10％，则将大大增加淬回火后残余奥氏体量，从而相对增加了钢中的碳化物的不均匀性，影响钢的淬透性和钢的晶粒细化。

氮N：氮含量过高，易在钢中形成非常弥散的氮化铝夹杂和较粗大的氮化钛及碳氮化钛夹杂。在本发明钢中，N含量控制在0.0070％以下。如果N含量超过0.0070％，则容易与钢中的0.02～0.04％的Al或微量的钛形成氮化铝夹杂或较粗大的氮化钛及碳氮化钛夹杂，影响钢的纯洁度。

高碳铬轴承钢的制造方法，其步骤如下：

1)按照如下化学成分重量百分配比：C：0.90～1.05；Cr：0.90～1.20；Mn：0.90～1.25；Si：0.45～0.75；Al：0.02～0.04；氧≤0.0007；磷≤0.010；硫≤0.005；钛≤0.0025；铜≤0.15；镍≤0.10；氮≤0.0070；余量为Fe及不可避免的杂质；

2)电炉冶炼：在30吨以上的直流或交流电炉中，进行初炼钢液的低磷化和低钛化，将钢中的残余磷含量和钛含量分别降至0.008％以下和0.0005％以下。如果钢中的残余磷含量大于0.008％，则增加晶界偏聚和富集并加剧液析碳化物的生成，能加剧奥氏体化时的二次碳化物的析出，而且使成品钢材中的残余磷含量超过0.010％；如果钢中的残余钛含量大于0.0005％，最终钢材中的残余钛含量必大于0.0025％；

在电炉中，通过通入电流和输入氧气，使装入的炉料熔化变成1560～1650℃温度范围内的钢液；温度分阶段变化，熔化期温度～1560℃，氧化初期温度1560～1600℃，氧化末期1600～1650℃，出钢期1640～1650℃。如果其容量小于30吨，那么，电炉出钢时，电炉中的氧化渣不易被挡住而进入钢包中从而使钢液中的残余磷含量和钛含量增高；

间歇流出氧化性炉渣，例如，组分为CaO≥20％、FeO≥30％、SiO₂≥7％、MnO≤10％、MgO≤10％的炉渣；需补充石灰；

3)钢包炉精炼：在与电炉容量相匹配的交流式钢包精炼炉上，进行精炼钢液的低氧和低钛化，使精炼钢液的氧含量降到0.0010％以下，并使钢中钛含量和硫含量分别不大于0.0020％和0.005％；

(1)盛接钢液的钢包耐火材料是Al2O3-MgO-C砖，渣线为MgO-C砖；如果使用其他含铝钢包耐火材料，则可因其耐火材料中的二氧化钛的含量高，导致钢液中钛含量增高；

(2)钢包使用前完全清理，内表面不得有冷钢和残渣；如果钢包使用前的内表面有冷钢或残渣，则因冷钢或残渣中的残余钛或二氧化钛在钢液精炼过程中溶入或进入钢液，导致钢液中钛含量增高；

(3)在电炉出钢的同时，在盛接钢液的钢包内，添加特殊渣料(包括含纯CaO 60～70％的石灰、含纯SiO₂在5～15％、含纯CaF₂在10～20％萤石)、合金(包括35～45公斤/吨钢的、钛含量不大于0.02％的中碳铬铁或等同铬含量的、钛含量不大于0.01％的低碳铬铁或微碳铬铁或金属铬、含纯Mn在0.90～1.20％的电解锰或碳锰铁合金、含纯硅在0.45～0.75％的特殊材料在内的特殊铁合金)、增碳剂(5～10公斤/吨钢的、含碳量在80％以上的焦碳)和1～3公斤/吨钢的纯铝脱氧剂；

(4)钢包底部吹入氩气(底吹氩强度分别控制在0.2～0.3Mpa)，底吹氩强度过大，导致钢渣反应、钢液对钢包耐火材料的冲刷严重，使渣中或耐火材料中的氧化物和钛化物进入钢液而使钢中氧含量和钛含量增加，底吹氩强度过小，钢液温度和成分以及钢渣反应都不均匀和充分，导致钢液的脱氧及其夹杂物不能充分上浮，合金化元素在钢中分布不均匀；

(5)将钢液的温度控制在精炼初期温度1500～1560℃，精炼中期温度1560～1600℃，精炼末期温度1600～1620℃，使钢液之上的固体渣料熔化成液态，一边使钢液和炉渣均匀化，一边通过热交换和钢包底部的氩气气泡的不断沸腾上升，使钢渣之间发生化学反应，同时，钢中的脱氧反应和脱硫反应的产物不断吸附上升，达到钢液脱氧和脱硫的目的。钢液温度低于1540℃，不利于钢液浇铸温度控制为1500～1505℃；钢液温度高于1630℃，则钢液在精炼之后要降温后才能符合浇铸温度为1500～1505℃的要求，浪费热能；

(6)精炼钢液冶炼时间在40～60分钟之内，如果时间小于40分钟，导致：钢液之上的固体渣料有可能无法完全熔化成液态；钢液中的固态合金及其他材料在钢液中分布不均匀；钢液的脱氧和脱硫不完全，其脱氧产物和脱硫产物无法充分上浮到炉渣中去，钢中氧含量和硫含量不可能分别达到0.0010％以下和0.010％以下；如果时间大于60分钟，导致：钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液，进入钢液的耐火表层中的氧化物和钛化物和炉渣中的钛化物和氧化物可能被钢中的铝还原，使钢中的钛含量大于0.0025％，钢中氧含量大于0.0010％；

4)真空脱气：在与电炉容量相匹配的真空炉上，对精炼钢液进行真空处理，使钢中的钛含量不大于0.0025％和钢中氧含量不大于0.0007％和硫含量达到0.005％以下和钢中氮含量不大于0.0070％，通过140Pa以下的高真空度(如果真空度达不到140Pa，钢液和炉渣在20～35分钟时间内不能充分均匀化和反应，钢中的脱氧产物不能充分上浮，钢中的氧和硫含量和氮含量不能分别降至0.0007％以下和0.005％以下和0.0070％以下)、真空时间为20～35分钟和钢包底部吹入氩气(真空底吹氩强度：0.1～0.2MPa)，使钢液和炉渣充分均匀化和反应，钢中的脱氧产物充分上浮，使钢中的氧含量和硫含量和氮含量分别降至0.0007％以下和0.005％以下和0.0070％以下，并使钢中钛含量不大于0.0025％，如果真空时间小于20分钟，导致：钢液脱氧产物无法充分上浮到炉渣中去，钢中氧含量不可能达到0.0007％以下和硫含量不可能达到0.005％以下和氮含量不可能达到0.0070％以下；如果时间大于35分钟，导致：钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液，进入钢液的耐火表层中的氧化物和钛化物和炉渣中的钛化物和氧化物可能被钢中的铝还原；真空炉精炼温度变化，真空前温度1600～1620℃，真空后温度1510～1520℃；

5)钢液浇铸：将钢包内的钢液浇进使用前完全清理、内表面不得有结疤、裂纹、氧化铁皮存在的钢锭模中，其浇铸速度为3.5～4.5吨钢液/分钟；同时，采用吹氩保护系统对钢流实施氩气保护；钢液浇铸温度范围为1500～1505℃；

6)加热炉加热钢锭：在均热炉中，采用燃烧介质，将钢锭加热到1210～1230℃，均热保持480分钟以上；

加热和均热温度过高，越有利于高碳铬轴承钢中的液析碳化物和带状碳化物不均匀性的改善，但同时也越容易引起钢坯轴中心高浓度带区域呈孔洞分布的过烧，导致轴心区产生显微孔隙，加热和均热温度过低，则不能保证共晶碳化物完全溶解或碳、铬等碳化物形成元素没有充分扩散均匀，从而导致钢坯中的残留的共晶碳化物在随后的轧制过程中被破碎成不规则的角状小块，沿着轧制延伸方向分布，成为液析碳化物或带状碳化物。这也同时导致钢的淬透性和晶粒度的分布的不均匀；均热炉前期加热温度500～900℃，中期加热温度900～1210℃，后期均热温度1210～1230℃；

加热和均热时间过长，碳化物不均匀性的改善程度越好，液析碳化物和带状碳化物不均匀性的评级越低，但同时势必降低均热炉和轧钢机设备的生产效率，消耗也越高。加热和均热时间过短，则不能保证共晶碳化物完全溶解或碳、铬等碳化物形成元素没有充分扩散均匀，从而导致液析碳化物和带状碳化物不均匀性的评级越高，这也同时导致钢的淬透性和晶粒度的分布的不均匀；

7)初轧机将钢锭轧成钢坯：将加热均热的钢锭分别轧制成短坯或长坯；

8)加热炉加热高碳铬轴承钢坯：在三段连续式步进加热炉中，用天然气作为燃烧介质，加热和均热钢坯；

9)轧钢机将高碳铬轴承钢钢坯轧制成圆钢；采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的钢坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品圆钢。

所述步骤2)中加入石灰的量为不大于15公斤/吨钢，输入氧气的量为20～40立方米/吨。补充不大于15公斤/吨钢的石灰；如果石灰用量大于15公斤/吨钢，则在使钢中的残余磷含量降至0.008％以下和钛含量降至0.0005％以下的前提下，每炉钢液的冶炼时间延长10分钟以上，电耗增加5％以上；输入氧气供应量小于20立方米/吨钢，使钢中的残余磷含量在0.008％以上和残余钛含量大于0.0005％；大于40立方米/吨钢使冶炼时间延长10～15分钟，钢铁料消耗增加1～2％。

所述步骤3)(3)和(4)之间还进行如下步骤：在交流式钢包精炼炉上，通交流电，其电压为240伏以下，电流为10000～35000A。

所述步骤3)(3)中添加的合金为钛含量不大于0.02％的中碳铬铁或等同铬含量的、钛含量不大于0.01％的低碳铬铁或微碳铬铁或金属铬、含纯Mn在0.90～1.20％的电解锰或碳锰铁合金、含纯硅在0.45～0.75％的特殊材料在内的特殊铁合金，添加的量为35～45公斤/吨钢；增碳剂为含碳量在80％以上的焦碳，添加的量为5～10公斤/吨钢；脱氧剂为纯铝脱氧剂，添加的量为1～3公斤/吨钢。

所述步骤5)中钢液浇铸的钢锭模重量为3.7吨。钢锭模重量小于3.7吨，则不能保证钢锭→钢材的压缩比在16以上；钢锭模重量大于3.7吨，将增加钢锭凝固组织的偏析程度，从而提高了钢中碳化物的不均匀性；同时，增加了钢锭的均热时间。浇铸速度过快，钢液对浇注系统的耐火材料的冲刷越严重，使钢液中的耐火材料的组分增加，导致钢中氧含量和钛含量和氮含量增加。浇铸速度太慢，使浇铸时间延长，钢液的二次氧化程度增加，不利于控制钢中氧含量和和氮含量。如果不采用吹氩保护系统，钢中氧含量和氮含量将分别超过0.0007％和0.0070％。

所述步骤6)中加热炉加热的燃烧介质是天然气。

所述步骤7)中初轧机将钢锭轧成钢坯；可以是短坯为180mm×180mm×1.4-1.7m～220mm×220mm×1.4-1.7m，长坯为200mm×200mm×4.6-6.0m或160mm×160mm×8.0-10m；

所述步骤8)中加热炉加热高碳铬轴承钢坯：

(1)对于∮90～130mm热轧不退火成品材：

在三段连续式步进加热炉中，用天然气作为燃烧介质，将180mm×180mm×1.4-1.7m～220mm×220mm×1.4-1.7m的短坯加热到800～1180℃，阴阳面温差≤40℃，加热总时间在210分钟以上，三段连续式步进加热炉预热段温度≤800℃，第一加热段温度1000～1080℃，第二加热段温度1080～1160℃，均热段温度1160～1180℃；

(2)对于∮45～90mm热轧不退火成品材：

设六个温度控制段，即均热段上下段、一加热段上下、二加热段上下段的步进梁式加热炉中，用天然气作为燃烧介质，加热200mm×200mm×4.6～6.0m长坯，预热段温度≤800℃，第一加热段的温度为1000～1080℃；第二加热段的温度为1180～1230℃；均热段的温度为1170～1220℃；阴阳面温差≤30℃，总加热时间在195分钟以上；

(3)对于∮19～45mm热轧退火成品材：

设六个温度控制段，即均热段上下段、一加热段上下、二加热段上下段的步进梁式加热炉中，用天然气作为燃烧介质，加热160mm×160mm×8～10m长坯，预热段温度≤800℃，第一加热段的温度为1000～1080℃；第二加热段的温度为1180～1230℃；均热段的温度为1170～1220℃；阴阳面温差≤30℃，总加热时间在165分钟以上。

本发明所采用的化学成分及制造工艺，与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1.纯洁度高。钢中氧含量、磷含量、硫含量、钛含量、铜含量、镍含量、氮含量分别不大于0.0007％、0.010％、0.005％、0.0025％、0.15％、0.10％、0.0070％。

2.高碳铬轴承钢圆钢的淬透性在离钢材末端6/16英寸处的硬度不小于60HRC；在离钢材末端10/16英寸处的硬度不小于50HRC。

3.高碳铬轴承钢圆钢的晶粒度为8级或更细的级别。

4.装备和工艺通用性强：不须另添加专用设备；其工艺适合于一般高碳铬轴承钢的生产。

5.工艺适用性广：既适合于一般高碳铬轴承钢的生产，也适用于高淬透性、细晶粒度的高碳铬轴承钢的生产。

具体实施方式

以下实施例按照本发明的高碳铬轴承钢化学成分重量百分配比范围。其工艺流程为：电炉冶炼→钢包炉精炼→真空炉脱气→钢液浇注成钢锭→钢锭在加热炉加热→轧钢机将钢锭轧成方坯→钢坯在加热炉加热→轧钢机将钢坯轧制成圆钢。

电炉冶炼：在30吨以上的直流或交流电炉中进行，将钢中的残余磷含量和钛含量分别降至0.008％以下和0.0005％以下。

钢包炉精炼：在与电炉容量相匹配的交流式钢包精炼炉上，进行精炼钢液的低氧和低钛化，使精炼钢液的氧含量降到0.0010％以下，并使钢中钛含量和硫含量分别不大于0.0020％和0.005％；在电炉出钢的同时，在盛接钢液的钢包内，添加合金(包括35～45公斤/吨钢的、钛含量不大于0.02％的中碳铬铁或等同铬含量的、钛含量不大于0.01％的低碳铬铁或微碳铬铁或金属铬、含纯Mn在0.90～1.20％的电解锰或碳锰铁合金、含纯硅在0.45～0.75％的特殊材料在内的特殊铁合金)。

真空脱气：在与电炉容量相匹配的真空炉上，对精炼钢液进行真空处理，使钢中的钛含量不大于0.0025％和钢中氧含量不大于0.0007％和硫含量达到0.005％以下和钢中氮含量不大于0.0070％；真空炉精炼温度变化，真空前温度1600～1620℃，真空后温度1510～1520℃。

钢液浇铸：将钢包内的钢液浇进使用前完全清理、内表面不得有结疤、裂纹、氧化铁皮存在的钢锭模中，钢液浇铸温度范围为1500～1505℃。

加热炉加热钢锭：在均热炉中，采用天然气作为燃烧介质，将钢锭加热并均热。

钢锭轧成钢坯：初轧机将加热均热的钢锭分别轧制成短坯、长坯，分别供不同成品规格的成品轧制使用。

加热炉加热高碳铬轴承钢坯：对热轧不退火成品材：采用天然气作为燃烧介质，在步进加热炉加热。

轧钢机轧制轴承钢圆钢：采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的钢坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品圆钢；

对于将180mm×180mm×1.4-1.7m～220mm×220mm×1.4-1.7m的短坯，采用拉杆式预应力Φ550轧机；

对于200mm×200mm×4.6-6.0m长坯，采用22机架(包括6架粗轧、6架中轧、6架精轧和4架预应力轧机)的棒材轧机；

对于160mm×160mm×8-10m长坯，采用18机架减定径机组棒材轧机。

本发明以上海宝山钢铁股份有限公司投试10炉钢为实施例，其化学成分及工艺参数见表5实施例1-10。

表5高碳铬轴承钢圆钢的工艺参数及其理化指标数据

从表5的结果可以看出，实施本发明的方法生产出的高淬透性、细晶粒度的高碳铬轴承钢成品材的氧含量、磷含量、硫含量、钛含量、铜含量、镍含量、氮含量分别不大于0.0007％、0.010％、0.005％、0.0025％、0.15％、0.10％、0.0070％；成品材的淬透性在离钢材末端6/16英寸处的硬度不小于60HRC；在离钢材末端10/16英寸处的硬度不小于50HRC(采用GB/T225标准测定)；成品材的晶粒度为8级或更细的级别(采用ASTM E112标准测定)。

以上通过具体实施例对本发明进行了较为详细的说明，但这些实施例并不构成对本发明的任何限制，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以有更多其他等效实施例。

Claims (9)

1.一种高碳铬轴承钢，其特征在于：其化学成分重量百分配比为：C：0.90～1.05；Cr：0.90～1.20；Mn：0.90～1.25；Si：0.45～0.75；Al：0.02～0.04；氧≤0.0007；磷≤0.010；硫≤0.005；钛≤0.0025；铜≤0.15；镍≤0.10；氮≤0.0070；余量为Fe及不可避免的杂质。

2.一种高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照如下化学成分重量百分配比：C：0.90～1.05；Cr：0.90～1.20；Mn：0.90～1.25；Si：0.45～0.75；Al：0.02～0.04；氧≤0.0007；磷≤0.010；硫≤0.005；钛≤0.0025；铜≤0.15；镍≤0.10；氮≤0.0070；余量为Fe及不可避免的杂质；

2)电炉冶炼：在30吨以上的电炉中进行初炼钢液的低磷化和低钛化，将钢中的残余磷含量和钛含量分别降至0.008％以下和0.0005％以下；通入电流使炉料熔化成钢液，其钢液温度为1560～1650℃；

间歇流出氧化性炉渣时，需补充石灰；

向钢液中输入氧气；

3)钢包炉精炼：在交流式钢包精炼炉上精炼钢液的低氧和低钛化，氧含量降到0.0010％以下，钛含量和硫含量分别不大于0.0020％和0.005％；

(1)盛接钢液的钢包耐火材料是Al₂O₃-MgO-C砖，渣线为MgO-C砖；

(2)钢包使用前清理，钢包内表面无冷钢和残渣；

(3)在电炉出钢的同时，盛接钢液的钢包内，添加渣料：含CaO 60～70％wt的石灰、含纯SiO₂在5～15％wt、含纯CaF₂在10～20％wt萤石，合金，增碳剂和脱氧；

(4)钢包底部吹入氩气，强度控制在0.2～0.3Mpa；

(5)将钢液的温度控制在1500～1620℃，使钢液之上的固体渣料熔化成液态，一边使钢液和炉渣均匀化，一边通过热交换和钢包底部的氩气气泡的不断沸腾上升，使钢渣之间发生化学反应，同时，钢中的脱氧反应和脱硫反应的产物不断吸附上升，达到钢液的脱氧和脱硫；

(6)精炼钢液冶炼时间为40～60分钟；

4)真空脱气：在与电炉容量相匹配的真空炉上，对精炼钢液进行真空处理，使钢中的钛含量不大于0.0025％和钢中氧含量不大于0.0007％和硫含量达到0.005％以下和钢中氮含量不大于0.0070％，通过140Pa以下的高真空度、真空时间为20～35分钟、钢包底部吹入氩气强度：0.1～0.2MPa，使钢液和炉渣充分均匀化和反应，钢中的脱氧产物充分上浮，使钢中的氧含量和硫含量和氮含量分别降至0.0007％以下和0.005％以下和0.0070％以下，并使钢中钛含量不大于0.0025％；真空前温度1600～1620℃，真空后温度1510～1520℃；

5)钢液浇铸：将钢包内的钢液浇进钢锭模中，其浇铸速度为3.5～4.5吨钢液/分钟；温度为1500～1505℃；同时，采用吹氩保护系统对钢流实施氩气保护；

6)加热炉加热钢锭：加热温度为500～1210℃，在均热炉中，采用燃烧介质，将钢锭均热，温度为1210～1230℃，均热保持480分钟以上；

7)初轧机将钢锭轧成钢坯；

8)加热炉加热高碳铬轴承钢坯；

9)轧钢机将高碳铬轴承钢钢坯轧制成圆钢。

3.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤2)中加入石灰的量为不大于15公斤/吨钢，输入氧气的量为20～40立方米/吨。

4.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤3(3)和(4)之间还进行如下步骤：在交流式钢包精炼炉上，通交流电，其电压为240伏以下，电流为10000～35000A。

5.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤3)(3)中添加的合金为钛含量不大于0.02％的中碳铬铁或等同铬含量的、钛含量不大于0.01％的低碳铬铁或微碳铬铁或金属铬、含纯Mn在0.90～1.20％的电解锰或碳锰铁合金、含纯硅在0.45～0.75％的特殊材料在内的特殊铁合金，添加的量为35～45公斤/吨钢；增碳剂为含碳量在80％以上的焦碳，添加的量为5～10公斤/吨钢；脱氧剂为纯铝脱氧剂，添加的量为1～3公斤/吨钢。

6.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤5)中钢液浇铸的钢锭模重量为3.7吨。

7.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤6)中加热炉加热的燃烧介质是天然气。

8.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤7)中初轧机将钢锭轧成钢坯可以是短坯为180mm×180mm×1.4-1.7m～220mm×220mm×1.4-1.7m，长坯为200mm×200mm×4.6-6.0m或160mm×160mm×8.0-10m。

9.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于所述步骤8)中加热炉加热高碳铬轴承钢坯：

(1)对于∮90～130mm热轧不退火成品材：

在三段连续式步进加热炉中，用天然气作为燃烧介质，将180mm×180mm×1.4-1.7m～220mm×220mm×1.4-1.7m的短坯加热到800～1180℃，阴阳面温差≤40℃，加热总时间在210分钟以上，其中，预热段加热温度≤800℃，第一加热段温度1000～1080℃，第二加热段温度1080～1160℃，均热段温度1160～1180℃；

(2)对于∮45～90mm热轧不退火成品材：

设六个温度控制段，即均热段上下段、一加热段上下、二加热段上下段的步进梁式加热炉中，用天然气作为燃烧介质，加热200mm×200mm×4.6-6.0m长坯，预热段温度≤800℃，第一加热段的温度为1000～1080℃；第二加热段的温度为1180～1230℃；均热段的温度为1170～1220℃；阴阳面温差≤30℃，总加热时间在195分钟以上；

(3)对于∮19～45mm热轧退火成品材：

设六个温度控制段，即均热段上下段、一加热段上下、二加热段上下段的步进梁式加热炉中，用天然气作为燃烧介质，加热160mm×160mm×8-10m长坯，预热段温度≤800℃，第一加热段的温度为1000～1080℃；第二加热段的温度为1180～1230℃；均热段的温度为1170～1220℃；阴阳面温差≤30℃，总加热时间在165分钟以上。