CN103088197B - 一种高速冷镦用轴承钢的磷皂化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速冷镦用轴承钢的磷皂化方法，该方法包括：酸洗、磷化和皂化润滑处理，其中磷化是在60-85℃的磷化液中磷化3-10分钟，所述磷化液为含磷酸锌30-40wt％和硝酸锌15-25wt％的水溶液。通过本发明的磷皂化方法处理的轴承钢，其硬度为90-100HRB，其珠光体球化组织为2-3级，适合用于高速冷镦加工。

Description

一种高速冷镦用轴承钢的磷皂化方法

技术领域

本发明涉及轴承钢盘卷材的制造方法，尤其是涉及适合高速冷镦用轴承钢的磷皂化方法，更特别是涉及适合高速冷镦用GCr15轴承钢盘卷材的制造方法。

背景技术

GCr15是轴承钢的一个品种，GCr15是用于制作轴承滚动体的关键材料之一。GCr15钢的特点是：碳含量在0.95-1.05％，铬含量在1.40-1.65％，锰含量在0.25-0.45％，硅含量在0.15-0.35％，氧含量≤10ppm，主要供钢球行业用于制造轴承滚动体。其使用的环境是在高速运转的轴承上，工作条件极为恶劣，这就要求使用的滚动体，不仅要具有较高的疲劳寿命、硬度、耐磨性，而且还要有良好的韧性及抗腐蚀性。

目前钢球制造行业有两种镦球方式：一般镦球加工与高速镦球加工。一般冷镦加工的镦球速度为小于100粒/分，而高速冷镦加工的镦球速度高达300粒/分以上，由于高速镦球具有“速度快、金属消耗低、成本低”的优势，钢球行业的发展趋势是逐步使用高速冷镦加工全部替代一般冷镦加工，从而对制造滚动体的轴承钢材料也提出了新的要求。

目前，钢铁制造商提供的GCr15轴承钢产品，能适用于一般冷镦机镦球成型加工，其特点是：

(1)通常的交货状态是：冷拉退火钢丝，其外表面涂防锈油。

(2)生产工艺流程是：线材球化退火→酸洗→拉拔→成品再结晶退火→成品上油。

(3)其主要性能要求：钢丝以球化退火线材冷拉后并成品再结晶退火交货，珠光体组织2-4级，硬度指标在80-89HRB间。

上述GCr15轴承钢产品，其不足之处是：表面缺乏润滑性能，盘形不整及材料表层硬度偏软，不能适应连续式高速冷镦加工要求。其原因是：表面状态及交货硬度在连续高速冷镦时球坯易产生开裂或粘连，且镦球时模具、拉丝模、切刀损耗大，材料利用率低，不能适应连续式高速冷镦生产的需求。

“一般镦球加工”形式与“高速镦球加工”形式，严格来说是二种不同的成型加工方式，理论上以“高速镦球加工”形式比“一般镦球加工”形式制作的产成品，具有“速度快、金属消耗低、成本低”的优势，受到下游钢球加工业制造商的青睐。

一般，冷拉退火钢丝仅能适应“一般镦球加工”，而不能适应“高速镦球加工”。

为此，需要提供能适应“高速镦球加工”成型加工的轴承钢产品。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种高速冷镦用轴承钢的磷皂化方法，特别是高速冷镦用GCr15轴承钢的磷皂化方法。

为实现上述目的，本发明的高速冷镦用轴承钢的磷皂化方法，包括：

经热轧、球化退火以及酸洗的轴承钢线材进行包括磷化和皂化的磷皂化；

其中，所述磷化是在60-85℃的磷化液中浸渍3-10分钟；磷化液是含30-40wt％磷酸锌和15-25wt％硝酸锌的水溶液，其总酸度为60-80g/100ml，游离酸度为5-10g/100ml，酸比为8-11。

优选地，所述皂化是在80-95℃的温度下在钠基固体润滑剂水溶液中浸渍3-5分钟，更优选地，所述钠基固体润滑剂水溶液中，钠基固体润滑剂浓度为5-7％，溶液pH值为7-9。

优选地，本发明所用所述钠基固体润滑剂是工业肥皂。

本发明的另一个目的是提供高速冷镦用轴承钢，特别是GCr15轴承钢盘卷材的制造方法。

为实现上述目的，本发明的高速冷镦用轴承钢盘卷材的制造方法，包括：

1)高速热轧及球化退火；

2)热轧并球化退火处理后的线材进行酸洗；

3)磷皂化润滑，包括磷化和皂化，

所述磷化是在60-85℃的磷化液中磷化3-10分钟；磷化液是包含磷酸锌30-40％和硝酸锌15-25％的水溶液，其总酸度为60-80g/100ml，游离酸度为5-10g/100ml，酸比为8-11。

4)微冷拉。

上述方法中，优选所述皂化是在80-95℃的温度下在钠基固体润滑剂水溶液中浸渍3-5分钟。

上述方法中，优选所钠基固体润滑剂水溶液中，钠基固体润滑剂浓度为5-7％，溶液pH值为7-9。更优选地，本发明所用钠基固体润滑剂例如是工业钠皂，具体地，例如工业钠皂，主要由硬脂酸钠85％、碳酸钠10％、偏硅碳钠5％组成(均为重量百分数)。

上述方法中，所述步骤2)的酸洗采用常规酸洗方法，例如采用硫酸水溶液(也称硫酸单酸酸液)在60-85℃，酸洗5-15分钟。

优选地，所述硫酸单酸酸液中硫酸浓度为5-20g/100ml，硫酸亚铁含量不大于55g/L。

上述方法中，优选高速轧制的轧制速度为100-120米/分；轧制的尺寸公差控制在+0.15～0mm。

上述方法中，高速轧制的开轧温度：1100-1200℃，终轧温度：800-900℃，吐丝温度：750-860℃。

上述方法中，优选地，球化退火处理是在770-790℃，保温4-7小时，带加热罩冷却到≤20℃，再在710-730℃保温2-4小时，带加热罩以30℃/h冷却到650-600℃，带冷却罩冷却到140℃以下温度出炉。

上述方法中，优选所述步骤4)的微冷拉变形量控制在2-15％。

优选地，微冷拉中公差控制在-0.07～0mm。

为了更好地实现上述公差的控制，微冷拉优选采用的模具为：入口角45-60°、润滑锥30-36°、工作锥12-16°、定径带3-4mm、出口锥50-60°。

更优选地，微冷拉用模具的材质为YG8(钨钴类硬质合金)。

上述方法中，为了进一步确保高速轧制的公差控制，优选地，每生产最多200吨后更换一次高线辊环。

根据本发明的上述方法制造的轴承钢盘卷材，其硬度为90-100HRB，其珠光体球化组织为2-3级。适合用于高速冷墩加工轴承钢。

优选地，钠基固体润滑剂是工业钠皂，主要是硬脂酸钠、碳酸钠、偏硅碳钠)

为更好地实现上述目的，本发明优选采用了高速轧机轧制的优质盘卷，酸洗磷皂化润滑处理，再微拉处理的工艺生产方法。

通过在高速轧机轧制的优质退火盘卷，酸洗后在线材表面涂上一层磷化润滑膜，再经微拉整形处理，满足高速冷镦机对冶金材料的质量要求。磷化润滑层具有优异的性能，与线材表面结合力强，确保高速冷镦过程中的润滑、速度、质量，可大大提高冷镦速度。磷化润滑层具有很好的抗蚀能力，较均匀的通条机械性能及良好的韧性；对保证高速冷镦提供了有利条件。本发明生产的GCr15轴承钢磷皂化盘卷材产品杜绝了“GCr15冷拉退火钢材”因高速冷镦生产中的“球坯易开裂或粘连，模具损耗大，材料的利用率低，不能适应连续冷镦”的生产现象，提高了材料在高速冷镦的成材率，满足了GCr15轴承钢高速冷镦过程中生产要求。磷皂化盘卷材作为替代原来的冷拉退火钢丝产品，提高了高速冷镦的性能指标和降低了钢的冶金制造成本，提升了企业生产高速冷镦材产品价格和技术的市场竞争能力。

按照本发明的方法生产的高速冷镦用轴承钢磷皂化盘卷材产品，其特征是：

1)外形不存在死弯，表面不存在裂纹等缺陷；

2)通条尺寸精度高，且均匀一致，保证冷镦加工进料时不会出现松脱或卡料；

3)表面形成一层轻微硬化层，合适硬度在90-100HRB(洛氏硬度)之间，保证球坯下料时不会出现粘连；

4)钢材表面经磷皂化处理能保证钢材冲球后顺利脱模。

5)达到钢球行业连续式生产的高速冷镦要求。

根据本发明的上述方法制造在上述的高速冷镦用轴承钢磷皂化盘卷材产品，尺寸公差为+0.15～0mm，表面无裂纹、折叠、擦伤、雀皮、分层等缺陷。

通过酸洗磷皂化处理，将线材酸洗除去表面氧化皮后，表面再涂上一层磷化润滑膜，以达到高速冷镦生产的表面要求。

线材经磷化润滑处理后，采用微拉整形，特别是变形量控制在2-15％，达到公差通条均匀，使材料表层轻微硬化，且盘形整齐，能满足高速冷镦机连续冷镦的要求。

本发明通过线材轧制、酸洗磷皂化润滑处理、微拉处理三部分的生产方式生产的成品，解决了连续式高速冷镦中“球坯易开裂或粘连，模具损耗大，材料的利用率低，不能适应连续式高速冷镦”生产现象，提高了材料在冷镦中的成材率，满足了连续式高速冷镦过程中的生产要求。

本发明通过盘卷磷皂化加工工艺的实施，使GCr15冷镦用钢材达到了高效生产，替代传统的冷拉退火钢丝生产工艺流程长的模式，工序成本费用大幅度下降，同时也解决了高速冷镦生产过程中连续化作业生产的需求。

按照本发明方法制造的轴承钢，特别是GCr15轴承钢，其质量和性能完全满足连续式高速冷镦用户的使用要求。

具体实施方式

以下通过结合实施例对本发明进行更详细的说明。

实施例

本发明中，除非另有指明，一般含量均为重量百分比含量。

以GCr15轴承钢为例，生产连续式高速冷镦用轴承钢磷皂化盘卷材。

规格：Φ12.5mm，其主要化学成分见下表1。

表1 GCr15钢材的主要化学成分

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Ti	O
											含量％	1.01	0.24	0.34	0.007	0.001	1.4	0.05	0.03	0.001	0.0009

GCr15磷皂化盘卷材的制备工艺流程：150t电炉→LF→VD→连铸320×425mm→初轧坯160×160×(8000-10000)mm→精整检验、表面缺陷修磨清理→轧制线材→精整检验→球化退火→合格→酸洗磷皂化→微拉→检验→包装→成品入库→出厂。

GCr15磷皂化盘卷材加工生产工艺，主要包括线材高速轧制、酸洗磷皂化润滑处理、微拉处理三部分。具体内容如下：

1.高速轧制工艺

具体地，本实施例中160×160方坯轧制成12.5mm线材，其中开轧温度：1180℃，吐丝温度：860℃，按轧制要点控制公差为+0.15～0mm及表面无缺陷；

为保证辊环的精度水平，高线辊环每生产200吨后进行一次更换。

2.酸洗磷皂化润滑处理

1)硫酸酸洗工艺

线材经热轧并球化退火处理后，表面存在着氧化皮，硫酸酸洗目的是去除表面氧化皮，清洁钢材表面；采用硫酸单酸酸洗，酸洗后表面洁净。

硫酸单酸酸液的成分控制：硫酸浓度为5-20％(单位g/100ml)，硫酸亚铁含量不大于55g/L；

硫酸酸洗温度和时间：酸液温度控制60-85℃，硫酸酸洗时间5-15分钟。具体地，本实施例中硫酸酸洗液的硫酸浓度为6％(单位g/100ml)，硫酸亚铁含量8g/L，温度控制65℃，浸渍15分钟；

2)磷皂化润滑工艺

对盘卷磷化层要求表面光滑且均匀。磷皂化质量的好坏是保证材料高速冷镦的关键，因此对磷皂化操作的质量进行如下控制。

磷皂化工艺流程：磷化→冲洗→皂化→干燥

磷化液：含磷酸锌30-40wt％，硝酸锌15-25wt％，其总酸度：60-80g/100ml，游离酸度：5-10g/100ml，酸比(游离酸度/总酸度)：8-11；

磷化液温度：60-85℃，磷化时间：3-10分；

皂化润滑剂溶液的控制：钠基固体润滑剂水液浓度5-7％(重量)，溶液pH值为7-9；

润滑剂浸渍温度和时间：润滑剂温度控制在80-95℃，浸渍时间3-5分钟。

具体地，本实施例中磷化液含磷酸锌35wt％和硝酸锌20wt％，总酸度(TA)：65g/100ml，游离酸度(FA)：8.5g/100ml，温度：60℃，浸渍时间3分钟；上润滑剂LS-2(昆山浩洋有限公司生产的型号为LS-2的钠基固体类干式润滑剂)水溶液溶度6％(重量)，温度控制在85℃，浸渍时间3分钟；

经过表面润滑处理的GCr15钢线材，在润滑剂浸渍吊出后直接风干处理。

3.微拉工艺

磷皂化润滑后采用合适变形量微拉整形工艺，一是保证盘形整齐，二是使磷皂化材表面轻微硬化，保证硬度90-100HRB以达到连续式高速冷镦的材料要求。微拉处理要保证表面拉拔过程中不发生拉毛，同时确保弯曲收卷时卷形的整齐。因变形量相对较小为2-15％，拉拔时要控制好公差及表面质量，对模具要求高，生产时最好采用专用模具。

微拉所使用的模具内表面质量要求：无砂眼、无金属嵌入、无凹坑、环形沟槽等缺陷，选用湿式润滑的冷拉模具，其表面光洁度达到镜面要求。

冷拉用模具的几何尺寸最好是：

入口角45-60°、润滑锥30-36°、工作锥12-16°、定径带3-4mm、出口锥50-60°；

冷拉用模具的材质最好是：YG8。

具体地，一个冷拉用模具的例子是模具入口角60°、润滑锥36°、工作锥16°、定径带4mm、出口锥60°。微拉12.5mm，拉后公差-0.07～0mm，

得到的GCr15磷皂化盘卷材的性能：

硬度为：HRB 99；珠光体球化组织：2级；均符合交货标准要求。

通过本发明方法生产高速冷镦用GCr15磷皂化盘卷材，其生产过程流畅，工艺流程简明，能适应连续式高速冷镦成型材料大批量生产的需要。

比较例

现有冷拉退火钢丝生产工艺流程是：线材球化退火→酸洗→拉拔→成品再结晶退火→成品上油。

球化退火：球化退火处理是在770-790℃，保温4-7小时，带加热罩冷却到≤20℃，再在710-730℃保温2-4小时，带加热罩以30℃/h冷却到650-600℃，带冷却罩冷却到140℃以下温度出炉。

酸洗：硫酸浓度为10-20％，酸液温度控制60-80℃，硫酸酸洗时间10-15分钟。

拉拔：拉拔1-2道次，每道次拉拔变形量控制40-55％。

再结晶退火：再结晶退火处理是在660-680℃，保温4-6小时，带加热罩以30℃/h冷却到带冷却罩冷却到140℃以下温度出炉。

成品上油：成品表面涂上防锈油。

本发明磷皂化盘卷材及现有冷拉退火钢丝的各种副件冲球使用时间的比较结果见表2。

表2冲球使用时间对比表(单位：小时)

本发明方法生产的GCr15磷皂化盘卷材应用于镦球速度高达300粒/分以上的高速冷墩加工，完全满足前述的高速冷镦轴承钢的要求，与冷拉退火钢丝比较，其成品率提高2-3％，钢球冷镦生产效率提高2.5-3倍。具体见表3

表3冲球成品率及生产效率对比表

本发明方法生产的GCr15磷皂化盘卷材应用于高速冷墩加工，高速生产流畅，其高速冷镦使用的镦球模具、切刀及拉丝模等副件损耗明显降低，其使用时间提高了5倍以上。

Claims (15)

1.一种高速冷镦用轴承钢的制造方法，包括：

1)高速热轧及球化退火，其中，每生产最多200吨后更换一次高线辊环，尺寸公差控制在+0.15～0mm；

2)热轧并球化退火处理后的线材进行酸洗；

3)磷皂化，包括磷化和皂化；

其中，所述磷化是在60-85℃的磷化液中浸渍3-10分钟；磷化液是含30-40wt％磷酸锌和15-25wt％硝酸锌的水溶液，其总酸度为60-80g/100ml，游离酸度为5-10g/100ml，酸比为8-11；

4)微冷拉，其中变形量控制在2-15％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述皂化是在80-95℃的温度下在钠基固体润滑剂水溶液中浸渍3-5分钟。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钠基固体润滑剂水溶液中，钠基固体润滑剂浓度为5-7％，溶液pH值为7-9。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述钠基固体润滑剂是工业肥皂。

5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述轴承钢是GCr15轴承钢。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)的酸洗中，采用硫酸水溶液在60-85℃，酸洗5-15分钟。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硫酸水溶液中硫酸浓度为5-20g/100ml，硫酸亚铁含量不大于55g/L。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，高速轧制中轧制速度为100-120米/分。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，高速轧制中，开轧温度：1100-1200℃，终轧温度：800-900℃，吐丝温度：750-860℃。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，球化退火处理是在770-790℃，保温4-7小时，带加热罩冷却到≤20℃，再在710-730℃保温2-4小时，带加热罩以30℃/h冷却到650-600℃，带冷却罩冷却到140℃以下温度出炉。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，微冷拉中公差控制在-0.07～0mm。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，微冷拉所用模具为：入口角45-60°、润滑锥30-36°、工作锥12-16°、定径带3-4mm、出口锥50-60°。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，微冷拉用模具的材质为YG8。

14.如权利要求1-13任一所述的方法制造的轴承钢，其硬度为90-100HRB，其珠光体球化组织为2-3级。

15.如权利要求14所述的轴承钢在高速冷墩加工轴承钢中的用途。