CN104032221B

CN104032221B - 一种铌微合金化高碳铬轴承钢及其热轧生产方法

Info

Publication number: CN104032221B
Application number: CN201410100665.XA
Authority: CN
Inventors: 张朝磊; 周乐育; 刘翔; 刘雅政; 文新理; 蒋波; 赵帆
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: CN104032221A

Abstract

本发明涉及一种铌微合金化高碳铬轴承钢及其热轧生产方法，属于金属材料领域。所述铌微合金化高碳铬轴承钢化学成分质量百分比为：0.95~1.05%C、0.15~0.85%Si、0.15~0.45%Mn、0.35~1.95%Cr、0.010~0.040%Nb、Mo≤0.40%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cu≤0.25%，余量为Fe及不可避免杂质；其热轧工艺：加热炉均热温度1180~1260℃，总加热时间≥7h；开轧温度1060~1180℃，终轧温度800~950℃，轧后冷速≥0.5℃/s。利用铌的细化晶粒作用，以及其对碳化物的影响，该铌微合金化高碳铬轴承钢具有热轧材网状碳化物厚度薄甚至无网状碳化物；使用时，球化退火过程中脱碳敏感性低，以及淬火回火处理后无碳化物网状、碳化物带状级别低，组织细小、均匀。

Description

一种铌微合金化高碳铬轴承钢及其热轧生产方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，是一种高碳铬轴承钢，具体涉及一种铌微合金化高碳铬轴承钢及其热轧生产方法。

背景技术

轴承钢是所有合金钢中质量要求最严格及检验项目最多的钢种。轴承钢总体上向高质量、高性能和多品种方向发展。目前我国轴承钢年产量世界第一，材质水平也取得了显著的进步。但是，与国际先进水平相比，仍存在很大差距，主要表现在纯净度、组织均匀性和稳定性等方面。因此，以国家现代轨道交通和先进制造发展战略为导向，以市场需求为牵引，重大装备用轴承钢关键技术研发已经列入“十二五”国家863计划项目。

微合金化技术在高品质特殊钢研发领域中具有广阔的应用前景。此前对铌钢的深入研究和成功应用主要集中在低碳钢领域，但近几年在中高碳钢领域已经开展了一系列创新性的基础研究和应用推广工作，揭示了铌在中高碳钢中的冶金特性和积极作用。例如，研究表明适量的铌微合金化能够提高弹簧钢的强韧性、耐腐蚀、抗弹性减退和抗氢致延迟断裂等性能，降低其脱碳敏感性；能够提高硬线的强塑性和拉拔深加工性能。因此，开展了铌微合金在轴承钢中的作用机理及应用基础研究工作，确定了铌微合金的添加量，取得了很好的效果，研发出了新型高性能铌微合金化高碳铬轴承钢。

本发明就是该铌微合金化高碳铬轴承钢及其热轧生产方法。其具有热轧材网状碳化物厚度薄甚至无网状碳化物；使用时，球化退火过程中脱碳敏感性低，以及淬火回火处理后无碳化物网状、碳化物带状级别低，组织细小、均匀。从而能够满足装备制造业对轴承钢越来越高的性能要求，进一步推动铌微合金化在中高碳钢中的成功应用。

发明内容

本发明涉及一种铌微合金化高碳铬轴承钢，其特征在于，在普通高碳铬轴承钢成分基础上，添加了质量百分比为0.010~0.040%Nb。其中，Nb以铌铁合金的形式在冶金末期加入。

所述铌微合金化高碳铬轴承钢化学成分质量百分比为：0.95~1.05%C、0.15~0.85%Si、0.15~0.45%Mn、0.35~1.95%Cr、0.010~0.040%Nb、Mo≤0.40%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cu≤0.25%，余量为Fe及不可避免杂质。

钢中各主要合金元素的作用：

碳（C）：高碳铬轴承钢中，碳的含量一般在1.0%左右。其是保证轴承钢具有足够淬透性、硬度值和耐磨性的最重要的元素之一。研究指出，为使淬回火后钢HRC大于60，至少要加入0.80%以上的碳。但是再增加碳含量，硬度提高不多，反而会产生大块碳化物。

硅（Si）：钢种加入硅，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，改善回火软化性能。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。虽然有的研究认为，含硅轴承钢马氏体中的硅含量达到1.50%时，对提高疲劳寿命作用较大，并能改善钢咋淬回火状态下的韧性。但是，硅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0.85%以下，最好不要超过0.5%。

锰（Mn）：锰和铬一样是碳化物形成元素，能代替部分铁原子形成(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，加热时易溶于奥氏体，回火时也易析出和聚集。锰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，减少或抑制FeS的生成。因此，在高碳铬轴承钢中含有少量的锰，能提高钢的性能和纯洁度。但是，锰量过高，会使钢种残余奥氏体增加，钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强，且尺寸稳定降低。

铬（Cr）：铬是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，并可提高强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。在高碳铬轴承钢中，铬能显著改变钢中碳化物的分布及其颗粒大小，是含铬的渗碳体型碳化物(Fe·Cr)₃C退火聚集的倾向性变小。因此，铬是高碳铬轴承钢碳化物变得很细小、分布均匀，并扩大了球化退火的温度范围，一部分铬溶于奥氏体中，提高马氏体回火稳定性。铬还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。一般高碳铬轴承钢铬含量在0.5~1.65%之间，再高会因残余奥氏体量增加而降低硬度。同时过高的铬含量容易形成大块碳化物，如Cr₇C₃这种难容碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降。

铌（Nb）：作为做主要的微合金元素之一，铌既可在奥氏体较高温度区域内溶解，也可在低温下重新析出。因此，其既可以抑制晶粒长大，又可以析出强化，是控轧控冷过程中最重要的微合金元素之一。在中高碳钢中，铌显著的晶粒细化可提高显微组织的精细程度和均匀性，起到提高钢的塑韧性的效果；微量固溶的铌显著影响珠光体相变行为，推迟珠光体相变，导致珠光体退化。相对于正常的珠光体组织而言，退化珠光体的铁素体/渗碳体界面更多，这有利于进一步提高钢的韧塑性，并可能实现真正的非调质、免球化退火处理。铌是强碳化物形成元素，对碳元素的扩散和碳化物的形成影响很大。从而影响碳化物数量、尺寸、形态和分布，降低脱碳敏感性。

一种铌微合金化高碳铬轴承钢的热轧生产方法，首先选取：0.95~1.05%C、0.15~0.85%Si、0.15~0.45%Mn、0.35~1.95%Cr、0.010~0.040%Nb、Mo≤0.40%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cu≤0.25%，余量为Fe及不可避免杂质为原料，经过冶炼，浇铸成钢锭货钢坯后进行热轧；热轧工艺为，经过冶炼，浇铸成钢锭货钢坯后进行热轧；热轧工艺为所述铌微合金化高碳铬轴承钢热轧主要生产工艺流程：钢坯加热，轧制，轧后冷却至室温。其中：加热炉均热温度1180~1260℃，总加热时间≥7h；开轧温度1060~1180℃，终轧温度800~950℃，轧后冷速≥0.5℃/s。

进一步的，上述热轧工艺方案中，一方面为了消除大块共晶碳化物，减轻树枝状偏析，改善或消除液析碳化物和带状碳化物；另一方面为了铌的有效固溶，从而更有效发挥铌的作用，所述的加热炉均热温度为1180~1260℃，总加热时间≥7h。

进一步的，上述热轧工艺方案中，为了实现有效控制二次渗碳体析出和珠光体转变，所述的开轧温度1060~1180℃，终轧温度800~950℃，轧后冷速≥0.5℃/s。

通过上述方法热轧生产后获得的铌微合金化高碳铬轴承钢钢材，其有益效果是其热轧材网状碳化物厚度薄甚至无网状碳化物；并且在后续使用过程中，退火时脱碳敏感性低，淬火回火处理后无碳化物网状、碳化物带状级别低，组织细小、均匀。

附图说明

图1是球化退火工艺曲线示意图；

图2是热轧材横截面心部显微组织扫描电子显微镜照片，其中，（a）不含铌高碳铬轴承钢；（b）实施例一；（c）实施例二；

图3是退火材表面脱碳层显微组织扫描电子显微镜照片，其中，（a）不含铌高碳铬轴承钢；（b）实施例一；（c）实施例二；

图4是淬火回火处理后显微组织扫描电子显微镜照片，其中，（a）不含铌高碳铬轴承钢；（b）实施例一；（c）实施例二；

图5是淬火回火处理后原奥氏体晶粒光学显微镜照片，其中，（a）不含铌高碳铬轴承钢；（b）实施例一；（c）实施例二；

图6是淬火回火处理后横截面心部碳化物网状光学显微镜照片，其中，（a）不含铌高碳铬轴承钢；（b）实施例一；（c）实施例二；

图7是淬火回火处理后纵截面心部碳化物带状光学显微镜照片，其中，（a）不含铌高碳铬轴承钢；（b）实施例一；（c）实施例二。

具体实施方式

实施例一、实施例二及作为对比的不含铌高碳铬轴承钢合金成分如表1所示（其中，Nb以铌铁合金的形式在冶金末期加入）。三种实验钢主要热轧生产方法：加热炉均热温度1220±40℃，总加热时间7.5h；开轧温度1120±60℃，终轧温度900±50℃，轧后穿水冷却。

为了更好地说明本发明所述的铌微合金化高碳铬轴承钢的有益效果，对实施例获得的钢材进行“球化退火→淬火+低温回火”热处理：球化退火工艺曲线示意图如图1所示；淬火加热温度840℃，淬火加热时间1.5min/mm，其中尺寸按试样最薄方向计算，回火温度150℃，回火时间2h。

不含铌高碳铬轴承钢、实施例一和实施例二热轧材横截面心部显微组织扫描电子显微镜照片如图2所示，定量金相分析二次渗碳体厚度分别为0.25±0.06μm、0.23±0.04μm和0.20±0.04μm，并且不含铌高碳铬轴承钢二次渗碳体呈完整网状，实施例一二次渗碳体呈破碎网状，实施例二二次渗碳体析出很少，未成网状。这表明本发明所述的铌微合金化高碳铬轴承钢热轧材具有网状碳化物厚度薄甚至无网状碳化物特征。

表1不含铌高碳铬轴承钢和实施例合金成分（质量百分比，%）

	C	Si	Mn	Cr	Nb	Mo	P	S	Cu
										不含铌高碳铬轴承钢	1.0	0.24	0.36	1.50	/	0.01	0.008	0.002	0.09
实施例一	1.0	0.28	0.35	1.54	0.018	0.01	0.010	0.002	0.07
										实施例二	1.0	0.32	0.39	1.52	0.040	0.02	0.014	0.003	0.07

不含铌高碳铬轴承钢、实施例一和实施例二退火材表面脱碳层显微组织扫描电子显微镜照片如图3所示，金相法测定表面脱碳层厚度分别为250±15μm、180±15μm和130±15μm。这表明本发明所述的铌微合金化高碳铬轴承钢使用时球化退火过程中具有低的脱碳敏感性。

不含铌高碳铬轴承钢、实施例一和实施例二淬火回火处理后显微组织扫描电子显微镜照片如图4所示，均主要为隐晶马氏体+未溶碳化物，其中未溶碳化物定量分析结果如表2所示。可见实施例未溶碳化物平均直径和未溶碳化物直径分布标准差均明显小于不含铌高碳铬轴承钢，表明铌微合金细化了未溶碳化物，提高了其均匀性。此外，淬火回火处理后原奥氏体晶粒光学显微镜照片和尺寸定量分析结果分别如图5和表3所示，可见实施例原奥氏体晶粒平均直径和直径分布标准差均明显小于不含铌高碳铬轴承钢。这表明铌微合金化在热处理过程中细化了原奥氏体晶粒，提高了其均匀性。因此，上述实施效果表明本发明所述的铌微合金化高碳铬轴承钢使用时组织细小、均匀。

不含铌高碳铬轴承钢、实施例一和实施例二淬火回火处理后横截面心部碳化物网状与纵截面心部碳化物带状光学显微镜照片分别如图6和图7所示。可以看出，高碳铬轴承钢、实施例一和实施例二均没有碳化物网状，碳化物带状分别为2.5级、1级和1级。这表明本发明所述的铌微合金化高碳铬轴承钢使用时淬火回火处理后具有无碳化物网状，碳化物带状级别低的特征。

表2未溶碳化物定量分析结果

	未溶碳化物平均直径，μm	未溶碳化物直径分布标准差，μm
			不含铌高碳铬轴承钢	0.58	0.25
实施例一	0.45	0.18
			实施例二	0.39	0.16

表3原奥氏体晶粒尺寸定量分析结果

	原奥氏体晶粒平均直径，μm	原奥氏体晶粒直径分布标准差，μm
			不含铌高碳铬轴承钢	11.5	3.3
实施例一	11.0	3.2
			实施例二	8.6	2.7

Claims

1.一种铌微合金化高碳铬轴承钢，其特征在于，所述铌微合金化高碳铬轴承钢的化学成分质量百分比为：0.95~1.05%C、0.15~0.85%Si、0.15~0.45%Mn、0.35~1.95%Cr、0.010~0.040%Nb、Mo≤0.40%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cu≤0.25%，余量为Fe及不可避免杂质；所述铌微合金化高碳铬轴承钢的热轧生产方法，包括步骤：钢坯加热；轧制；轧后冷却至室温；其中，所述热轧工艺包括：原料选取：按上述铌微合金化高碳铬轴承钢的化学成分质量百分比选取，经过冶炼，浇铸成钢锭货钢坯后进行热轧；热轧工艺为加热炉均热温度1180~1260℃，总加热时间≥7h；开轧温度1060~1180℃，终轧温度800~950℃，轧后冷速≥0.5℃/s。

2.根据权利要求1所述的铌微合金化高碳铬轴承钢，其特征在于，所述铌微合金化高碳铬轴承钢的热轧生产方法制得的铌微合金化高碳铬轴承钢具有热轧材网状碳化物厚度薄甚至无网状碳化物；使用时，球化退火过程中脱碳敏感性低，以及淬火回火处理后无碳化物网状、碳化物带状级别低，组织细小、均匀。