CN102605256B - 一种掺稀土轴承钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺稀土轴承钢及其制备方法，其化学成分按重量百分比计为：由下列重量百分比的组分组成：C：0.90～1.05﹪；Cr：1.4～1.65﹪；Si：0.15～0.35﹪；Mn：0.45～0.5﹪；Mo：≤0.10﹪；Ce≤0.015﹪；Y≤0.015﹪；Ni≤0.25﹪；Cu≤0.25﹪；P≤0.004﹪；S≤0.004﹪；O≤0.0008﹪；余量为Fe和不可避免的杂质。上述一种掺稀土轴承钢的制备方法，包括以下步骤：a)、按重量百分比称取各组分；b)、真空感应熔炼；c)、浇注重熔电极棒；d)、电渣重熔获得钢锭；e)、均匀化热处理；f)、锻造轴承加工用棒材；g)、球化热处理。本发明的材料具备良好的综合力学性能,耐磨、机械加工性能好、尺寸稳定性高；由该材料加工的轴承具有高尺寸精度、高表面光洁度、高尺寸稳定性、优良的抗冲击性能、高疲劳寿命、高耐磨性。

Description

一种掺稀土轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种轴承钢，特别涉及一种掺稀土轴承钢及其制备方法。

背景技术

国内轴承材料差距主要表现在纯净度，组织均匀性与稳定性以及表面硬度与芯部强韧性等方面稳定控制上和对轴承服役行为的评定上，结果导致轴承接触疲劳寿命不足，可靠性下降；但国外进口轴承具有价格高，进货渠道繁琐，订货时间长，生产厂家不确定，产品难以稳定和更新等不利因素，制约了我国高性能轴承钢及轴承技术的快速发展；因此发明高性能轴承材料及轴承具有紧迫性和重要性。

轴承在大的冲击载荷条件和较高工作温度下使用时，材料的强韧性显得至关重要，有效方法是使用高硬度表面和高韧性心部复合的新型渗碳轴承钢，极大提高接触疲劳寿命、强韧性和耐热性及其可靠性；从而实现我国高性能轴承钢生产的重大突破，满足各种行业所需高性能轴承的要求，带动相关关键技术的集成发展。

我们目前正在致力研究的高性能轴承钢材料其成分配方及制造工艺在国内还未进行该方面的研究；通过我们前期的工作，目前已经获得很大进展，已经初步研制出了新型高性能掺稀土渗碳轴承。

我国科技工作者对材料尺寸稳定性方面作了研究；通过对工具钢、轴承钢、模具钢的研究表明，组织的不稳定性是造成尺寸不稳定的主要原因。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种组织结构稳定、加工后尺寸稳定的掺稀土轴承钢及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种掺稀土轴承钢，其特征在于：由下列重量百分比的组分组成：C：0.90～1.05﹪；Cr：1.4～1.65﹪；Si：0.15～0.35﹪；Mn：0.45～0.5﹪；Mo：≤0.10﹪；Ce≤0.015﹪；Y≤0.015﹪；Ni≤0.25﹪；Cu≤0.25﹪；P≤0.004﹪；S≤0.004﹪；O≤0.0008﹪；余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明的目的在于掺稀土渗碳轴承钢材料及轴承制造技术，填补我国在该类材料上的空白，填补国外类似材料的不足，满足国家车辆、轨道交通、航天、航空等重点工程急需；与现有的SUJ、SKF、E52100材料相比，本发明材料具有极高的尺寸稳定性，优良的力学性能、高抗冲击性能同时机械加工性能良好，具有铁磁性。

钢中各元素的作用

Cr是ZGCr15轴承钢的重要合金元素，铬元素的加入明显提高了钢的淬透性，同时也细化了晶粒，淬火后隐晶马氏体基本上颁布细小、均匀的碳化物，不会出现纤维状的碳化物；铬还提高低温的稳定性；其中铬的碳化物是重要的强化相之一，同时铬对耐蚀性起着决定作用；Cr是强铁素体形成元素和缩小奥氏体区元素，如果Cr含量过高，则均匀退火处理后将得不到全珠光体组织(含有部分铁素体组织)，而铁素体的存在则会影响钢的热塑性，降低钢的强度并恶化钢的横向韧性；在本研制轴承钢中，Cr含量控制在靠近1.6%。

是奥氏体相形成元素，扩大奥氏体稳定区，随钢中镍含量的提高，奥氏体相区向高Cr方向移动，即钢中的Cr可以提高而不至于形成单一的铁素体组织；在高碳轴承钢中，适当的镍为残余奥氏体的形成以及韧性的提高是有所贡献，但随着镍的含量增加，将降低珠光体的强度，使得轴承钢耐磨性降低；因此本项目设定镍接近，不高于0.16%。

在某些还原性介质中，能促进Cr的钝化作用，使铬的钝化膜更加坚固，特别是钝化膜被氯化物破坏时，可使其迅速再生；同时，钼还能扩大钝化范围，提高钢在还原性介质（如硫酸、有机酸和尿素等）的耐腐蚀性；因此，钼是防止点蚀、缝隙腐蚀最有效并且相对成本低廉的合金元素；少量钼能提高轴承钢回火稳定性和强化二次硬化效应，增加钢的强度，而韧性并不降低；在强化的同时保持钢的韧性中起着重要作用；钼含量的增加也会生成残余奥氏体，因此不能通过增加钼含量来保持强化作用，确定Mo含量控制在0.05%。

的加入改善钢的耐蚀性，在轴承钢中主要起到二次硬化效应；过多的铜含量会引起热加工时的铜脆，使热加工性能变坏，因此Cu控制在0.15%左右。

Mn在合金中能起到脱氧、净化合金的作用。是扩大γ相区的元素，因此Mn职能适量加入，设计范围为0.35%。

Si是缩小γ相区元素，一定的硅能起到脱氧、净化合金的作用，但Si含量偏高，将增加合金材料的脆性，使得材料的加工性能降低，因此Si在轴承钢钢中加以控制，本马氏体设计Si的含量控制在0.20%。

的影响：在铁碳合金中，碳含量超过0.77%，将发生过共析，形成珠光体和2次渗碳体，2次渗碳体对硬度、强度的提高很有帮助；在高性能轴承钢中，碳提高，生成的细小、均匀的碳化物对硬度、耐磨性、尺寸稳定性、抗冲击均有好处，而塑性降低；本项目控制C的成分在1.0%。

稀土Ce具有熔点低，并与冶金中的有害气体具有很强的亲合力，且具有极强的脱氧、脱硫作用、净化钢液和合金化作用，使钢中夹杂物变性，进而提高钢的各项性能；但稀土含量不宜超过0.015%，否则将导致热加工性能恶化，因此Ce控制在0.008%。

对于S、P等有害元素通过真空熔炼和电渣重熔要把含量控制在40PPM以下；对于严格控制在8ppm以内。

上述一种掺稀土轴承钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a)、按重量百分比称取各组分；

b)、真空感应熔炼

采用2次精炼工艺；

第一次精炼在（1530～1560）±5℃的温度下，真空度控制在3～8Pa，精炼10～20分钟；

第2次精炼在（1530～1560）±5℃的温度下，真空度控制在1×10^-1～1×10^-3Pa，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌；

c)、浇注重熔电极棒

将经过2次真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为12～18秒，浇注温度控制温度至在（1530～1560）±5℃，首次获得重熔电极棒；浇注时尽可能做到低温匀速浇注；

d)、电渣重熔获得钢锭

采用CaF-CaO-MnO-MgO-Al₂O₃五元渣系，渣系质量配比为：CaO：50%，CaF：20%，MnO：15%，MgO：5%，Al₂O₃：10%，进行电渣重熔，进一步脱氧、脱硫，改善夹杂物形态，提高钢锭冶金质量；

e)、均匀化热处理

锻造前将电渣棒进行均匀化热处理，均匀化热处理1140±5℃，对于直径大于200mm的钢棒，根据钢棒的直径大小，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm钢棒，保温时间为5h；

f)、锻造轴承加工用棒材

1100-1120℃保温，保温1.5h,始锻1120±5℃，终锻不低于900±5℃，棒材要经过扣圆，校直；锻造加工时，料随炉升温，热加工的范围为900～1120±5℃，由于750～900℃是碳化物、σ相、Laves相、λ1和χ相析出范围，严禁在900℃以下继续加工，否则有开裂的危险；升温至1000±5℃，保温20min，再快速升温至1120±5℃，保温15min开始锻造，单次锻造比不小于3；

g)、球化热处理

球化退火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，主要用于改善材料的切削加工性能。等温退火将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度等温保温，使过冷奥氏体转变为珠光体，空冷至室温；球化退火：将过共析碳钢加热到Ac1以上20～30℃，碳钢的AC1温度指碳钢在某具体加热规范时的相变温度,它是平衡状态下共析转变温度A1变化来的,因为相变的滞后效应导致的它的意义在于随加热速度的改变,相应的奥氏体化温度也要改变,通常要高于727度,加热速度越快,增加的温度就越高.如果钢在冷却时A1就变成了Ar1，会低于727度的；采用周期性等温球化退火，见图1、图2，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，在随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体。

根据上述目的，综合运用合金设计、熔炼、锻造、热处理等金属学的基本原理，开发研究超纯净度渗碳轴承钢添加稀土的制备技术，主要技术内容包括化学成分设计、稀土含量、纯净度、洁净冶炼工艺、加工和热处理工艺、表面渗碳、渗碳深度；本发明的技术方案为对新型轴承钢的成分进行全新的设计及加工制备工艺的技术提高；本发明轴承钢是再铁-碳基础上控制化学成分处于适量、添加有益的微量元素，掺入微量稀土。

发明的轴承钢为Fe-C-Cr-Re系，该发明材料采用高碳含铬钢添加稀土通过热处理工艺，元件渗碳等手段，从而得到高耐磨性、高抗冲击性、高疲劳寿命的轴承。

通过球化退火获得良好的可加工性能及良好性能的预热处理组织，粗加工工件进行渗碳热处理、深冷处理、回火热处理，获得良好的强韧性、耐磨性、抗冲击;钢的组织控制为马氏体组织、微量的残余奥氏体组织、细小的碳化物；再进行轴承的精磨、精加工，获得高性能轴承。

本发明钢材料进行性能试验钢的牌号命名为GCr15ReZ，其典型化学成分分析值见表1。

表1发明钢化学成分wt%

注：掺稀土元素还可掺镨、镧等元素，可单独掺入一种稀土，也可掺入混合稀土。

有害杂质元素控制的期望值而且是实际能达到的值列于表2。

前期工作氧含量可控在5-8PPM，P、S已能控于0.004%以内。

表2有害元素及杂质控制范围

本发明一种掺稀土渗碳轴承钢及其制备方法的有益效果是，发明材料不仅需具备良好的综合力学性能，而且需满足耐磨、机械加工性能良好、尺寸稳定性高等要求；且该材料加工的轴承具有高尺寸精度、高表面光洁度、高尺寸稳定性性、优良的抗冲击性能、高疲劳寿命、高耐磨性。

附图说明

图1是本发明球化退火工艺图；

图2是本发明的渗碳工艺图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

一种掺稀土轴承钢，其特征在于：由下列重量百分比的组分组成：C：0.90﹪；Cr：1.4﹪；Si：0.15﹪；Mn：0.45﹪；Mo：≤0.10﹪；Ce≤0.015﹪；Y≤0.015﹪；Ni≤0.25﹪；Cu≤0.25﹪；P≤0.004﹪；S≤0.004﹪；O≤0.0008﹪；余量为Fe和不可避免的杂质。

上述一种掺稀土轴承钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a)、按重量百分比称取各组分；

b)、真空感应熔炼

采用2次精炼工艺；

第一次精炼在1530±5℃的温度下，真空度控制在3Pa，精炼10分钟；

第2次精炼在1530±5℃的温度下，真空度控制在1×10^-13Pa，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌；

c)、浇注重熔电极棒

将经过2次真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为12～18秒，浇注温度控制温度至在1530±5℃，首次获得重熔电极棒；

d)、电渣重熔获得钢锭

采用CaF-CaO-MnO-MgO-Al₂O₃五元渣系，渣系质量配比为：CaO：50%，CaF：20%，MnO：15%，MgO：5%，Al₂O₃：10%，进行电渣重熔，进一步脱氧、脱硫，改善夹杂物形态，提高钢锭冶金质量；

e)、均匀化热处理

锻造前将电渣棒进行均匀化热处理，均匀化热处理1140±5℃，对于直径大于200mm的钢棒，根据钢棒的直径大小，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm钢棒，保温时间为5h；

f)、锻造轴承加工用棒材

1100-1120℃保温，保温1.5h,始锻1120±5℃，终锻不低于900±5℃，棒材要经过扣圆，校直；锻造加工时，料随炉升温，热加工的范围为9000±5℃，升温至1000±5℃，保温20min，再快速升温至1120±5℃，保温15min开始锻造，单次锻造比不小于3；

g)、球化热处理

球化退火：将过共析碳钢加热到Ac1以上20℃，采用周期性等温球化退火，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，在随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体。

实施例2

一种掺稀土轴承钢，其特征在于：由下列重量百分比的组分组成：C：1.05﹪；Cr：1.65﹪；Si：0.35﹪；Mn：0.5﹪；Mo：≤0.10﹪；Ce≤0.015﹪；Y≤0.015﹪；Ni≤0.25﹪；Cu≤0.25﹪；P≤0.004﹪；S≤0.004﹪；O≤0.0008﹪；余量为Fe和不可避免的杂质。

上述一种掺稀土轴承钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a)、按重量百分比称取各组分；

b)、真空感应熔炼

采用2次精炼工艺；

第一次精炼在1560±5℃的温度下，真空度控制在8Pa，精炼20分钟；

第2次精炼在1560±5℃的温度下，真空度控制在1×10^-3Pa，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌；

c)、浇注重熔电极棒

将经过2次真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为18秒，浇注温度控制温度至在1560±5℃，首次获得重熔电极棒；

d)、电渣重熔获得钢锭

采用CaF-CaO-MnO-MgO-Al₂O₃五元渣系，渣系质量配比为：CaO：50%，CaF：20%，MnO：15%，MgO：5%，Al₂O₃：10%，进行电渣重熔，进一步脱氧、脱硫，改善夹杂物形态，提高钢锭冶金质量；

e)、均匀化热处理

锻造前将电渣棒进行均匀化热处理，均匀化热处理1140±5℃，对于直径大于200mm的钢棒，根据钢棒的直径大小，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm钢棒，保温时间为5h；

f)、锻造轴承加工用棒材

1100-1120℃保温，保温1.5h,始锻1120±5℃，终锻不低于900±5℃，棒材要经过扣圆，校直；锻造加工时，料随炉升温，热加工的范围为1120±5℃，升温至1000±5℃，保温20min，再快速升温至1120±5℃，保温15min开始锻造，单次锻造比不小于3；

g)、球化热处理

球化退火：将过共析碳钢加热到Ac1以上30℃，采用周期性等温球化退火，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，在随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体。

实施例3

一种掺稀土轴承钢，其特征在于：由下列重量百分比的组分组成：C：0.95﹪；Cr：1.5﹪；Si：0.25﹪；Mn：0.47﹪；Mo：≤0.10﹪；Ce≤0.015﹪；Y≤0.015﹪；Ni≤0.25﹪；Cu≤0.25﹪；P≤0.004﹪；S≤0.004﹪；O≤0.0008﹪；余量为Fe和不可避免的杂质。

上述一种掺稀土轴承钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a)、按重量百分比称取各组分；

b)、真空感应熔炼

采用2次精炼工艺；

第一次精炼在1550±5℃的温度下，真空度控制在5Pa，精炼15分钟；

第2次精炼在1550±5℃的温度下，真空度控制在1×10^-2Pa，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌；

c)、浇注重熔电极棒

将经过2次真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为15秒，浇注温度控制温度至在1550±5℃，首次获得重熔电极棒；

d)、电渣重熔获得钢锭

采用CaF-CaO-MnO-MgO-Al₂O₃五元渣系，渣系质量配比为：CaO：50%，CaF：20%，MnO：15%，MgO：5%，Al₂O₃：10%，进行电渣重熔，进一步脱氧、脱硫，改善夹杂物形态，提高钢锭冶金质量；

e)、均匀化热处理

锻造前将电渣棒进行均匀化热处理，均匀化热处理1140±5℃，对于直径大于200mm的钢棒，根据钢棒的直径大小，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm钢棒，保温时间为5h；

f)、锻造轴承加工用棒材

1100-1120℃保温，保温1.5h,始锻1120±5℃，终锻不低于900±5℃，棒材要经过扣圆，校直；锻造加工时，料随炉升温，热加工的范围为1000±5℃，升温至1000±5℃，保温20min，再快速升温至1120±5℃，保温15min开始锻造，单次锻造比不小于3；

g)、球化热处理

球化退火：将过共析碳钢加热到Ac1以上25℃，采用周期性等温球化退火，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，在随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种掺稀土渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于，该轴承钢由下列重量百分比的组分组成：C：0.90～1.05%；Cr：1.4～1.65%；Si：0.15～0.35%；Mn：0.45～0.5%；Mo≤0.10%；Ce≤0.015%；Y≤0.015%；Ni≤0.25%；Cu≤0.25%；P≤0.004%；S≤0.004%；O≤0.0008%；余量Fe和不可避免的杂质，其制备方法包括以下步骤：

a）按重量百分比称取各组分；

b）真空感应熔炼

采用2次精炼工艺；

第一次精炼在（1530～1560）±5℃的温度下，真空度控制在3～8Pa，精炼10～20分钟；

第2次精炼在（1530～1560）±5℃的温度下，真空度控制在1×10^-1～1×10^-3Pa，精炼10分钟，以控制成分偏析，然后进行电磁搅拌；

c）浇注重熔电极棒

将经过2次真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为12～18秒，浇注温度控制温度至在（1530～1560）±5℃，首次获得重熔电极棒；

d）电渣重熔获得钢锭

采用CaF₂-CaO-MnO-MgO-Al₂O₃五元渣系,渣系质量配比：CaO:50%，CaF₂:20%，MnO:15%，MgO:5%，Al₂O₃:10%,进行电渣重熔；

e)均匀化处理

锻造前将电渣棒进行均匀化热处理，均匀化热处理1140±5℃，对于直径大于200mm的钢棒，根据钢棒的直径大小，按1mm保温时间1.5min确定总的保温时间；对于直径小于200mm钢棒，保温时间为5h；

f）锻造轴承加工用棒材

将经过均匀化处理的钢棒在1100～1120℃温度下保温1.5h，始锻1120±5℃，终锻不低于900±5℃，棒材要经过扣圆，校直；锻造加工时，料随炉升温，热加工的范围为900～1120±5℃，升温至1000±5℃，保温20min，再快速升温至1120±5℃，保温15min开始锻造，单次锻造比不小于3；

g）球化热处理

球化退火：将过共析碳钢加热到Acl以上20～30℃，采用周期性等温球化退火。