CN104178698A - 一种轴承钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承钢的制备方法。该方法包括冶炼及合金化、连铸、轧制、缓冷等步骤，控制钢的化学成分质量百分比含量为：C：0.95～1.05％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.30～0.35％，Mo：0.02～0.05％，Cr：1.45～1.48％，AlS：0.015～0.035％，Cu≤0.05％，S≤0.025％，P≤0.025％，Ni≤0.05％，[O]≤12×10-6，[H]≤2×10-6，余为Fe和不可避免的杂质。本发明生产的轴承钢，钢材全氧含量可稳定控制在8ppm以下，非金属夹杂含量少而分布均匀，铸坯组织均匀性，降低铸坯偏析级别，钢质稳定、抗疲劳性能均好。

Description

一种轴承钢的制备方法
技术领域
本发明涉及一种轴承钢的制备方法，属于钢铁冶炼技术领域。
背景技术
轴承钢是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的钢。轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，即非金属夹杂含量少而且分布均匀，并要求碳化物分布均匀，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。
中国专利文件CN102418041A公开了一种轴承钢的生产方法，该钢种的连铸坯断面为直径180mm的圆坯，经一火成材工艺，轧制的成品钢材为直径不超过60mm的圆钢；其化学成分及重量百分含量为：碳重量百分含量为0.95-1.05％，硅重量百分含量为0.15-0.35％，锰重量百分含量为0.25-0.45％，磷重量百分含量小于等于0.025％，硫重量百分含量小于等于0.025％，铬重量百分含量为1.40-1.65％，余量为Fe和无法检测的微量杂质元素；其生产工艺为：转炉、LF精炼炉、VD精炼炉、连铸、加热炉加热并轧制。但是，该方法制备出的轴承钢仍存在着非金属夹杂物分布不均匀的问题，钢的性能难以达到严格标准要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种轴承钢的制备方法。使得到的轴承钢非金属夹杂含量少而分布均匀，且碳化物分布均匀，钢质稳定、抗疲劳性能均好。
本发明的技术方案如下：
一种轴承钢的制备方法，包括电炉冶炼－LF/VD精炼及合金化、连铸、轧制、缓冷；控制钢的化学成分质量百分比含量为：C：0.95～1.05％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，Cr：1.40～1.65％、Mo：≤0.10％，Ni≤0.30％，Cu≤0.25％，P≤0.025％，S≤0.025％，AlS：0.015～0.035％，[O]≤12×10-6，[H]≤2×10-6，余为Fe和不可避免的杂质；
包括步骤如下：
(1)冶炼及合金化
采用电炉冶炼，终点磷≤0.012％，终点碳≥0.30％，电炉冶炼出钢温度为1600～1650℃，出钢时随钢流加入钢芯铝3～4㎏/吨钢进行预脱氧；LF炉精炼，精炼过程及时调渣，保持白渣精炼，使用石灰、碳化硅、专用调渣剂调渣，使得渣系组元控制为CaO 48～57％、SiO28～13％、Al2O315～20％、MgO 6～10％、FeO+MnO≤2.0％、CaO/SiO2＝4.0～6.0，LF炉精炼出钢温度为1560～1600℃，出钢时铝控制在0.025～0.045％之间，溶解氧≤4ppm；VD炉处理：VD炉真空度≤67Pa，保持时间15～20min，连铸第一炉上钢温度1510～1520℃，其它炉次1495～1515℃，VD炉破真空后先加0.5～1.0kg/吨钢钢包覆盖剂，再加0.3～0.5kg/吨钢的碳化稻壳进行保温，VD炉处理结束后软吹氩时间15～20min；
(2)连铸
260㎜×300㎜坯型拉速控制在0.45～0.50m/min，180㎜×220㎜坯型拉速控制在0.80～0.90m/min，钢水过热度控制在15～30℃，260mm×300mm连铸坯结晶器水流量控制在170～190m3/h，180mm×220mm连铸坯结晶器水流量控制在150～170m3/h，二冷比水量0.25～0.30L/kg，连铸坯进拉矫机温度950～1150℃，结晶器电磁搅拌控制电流300A、频率3.0HZ，末端电磁搅拌控制电流300A、频率12.0HZ；
(3)轧制、缓冷
冷钢坯在加热炉内停留总时间4.5～6小时，其中高温扩散时间2.5～3.5小时；热钢坯在加热炉内停留总时间3.5～5小时，其中高温扩散时间2.0～3小时；同支钢坯沿长度方向的温度差20～30℃；开轧温度1100～1300℃，终轧温度850℃～940℃，缓冷时下副冷床温度500℃～600℃。
以上各步骤中所述百分含量均为质量百分含量。
根据本发明优选的，所述轴承钢，控制钢的化学成分质量百分比含量为：C：0.98％，Si：0.23％，Mn：0.31％，Mo：0.02％，Cr：1.45％，AlS：0.021％，Cu≤0.05％，S≤0.025％，P≤0.025％，Ni≤0.05％，[O]≤12×10-6，[H]≤2×10-6，余为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明，优选的，步骤(1)中电炉冶炼时按废钢和铁水质量比为(30～40)：(60～70)加入废钢和铁水，加入石灰1.6～2.4吨/炉，轻烧白云石0.2～0.4吨/炉，氧枪出口氧气压力1.2MPa，所述的石灰为12小时以内生产的新石灰；
优选的，所述调渣剂为铝酸钙；
优选的，出钢时加入高碳锰铁：0.8～1.2kg/吨钢调整锰含量、高碳铬铁：20～22kg/吨钢调整铬含量；
优选的，电炉出钢过程中钢包的自由空间高度600～800㎜。
电炉冶炼在炉役良好时期进行，冶炼过程不补炉，不使用全新包、新渣线包；冶炼前期加强脱磷操作；熔清后根据炉渣状况和分析结果，及时调渣、造好泡沫渣，电炉控制生产节奏，实现均衡生产，电炉与精炼炉之间不压钢。
根据本发明，优选的，步骤(1)中LF炉精炼时钢包使用前烘烤，烘烤温度不低于800℃，钢水到位碳含量控制在0.85～0.95％之间，到位钢水温度1520～1560℃；钢包到位调整渣况，白渣保持时间10～20min取样分析。
LF炉精炼过程在白渣流动良好情况下取一次样，取一次样前视成分情况喂入铝线；精炼周期控制在40～45min/炉之间，保持白渣精炼，精炼炉稳定生产节奏，确保VD与连铸之间压钢30min。
根据本发明，优选的，步骤(1)中VD炉处理时钢包入VD炉前进行扒渣操作，扒渣量控制在总渣量的1/2。
根据本发明，优选的，步骤(2)中连铸时控制第一炉中间包温度1480～1495℃，其他炉次中间包温度控制在1475～1485℃之间。
连铸时每个中间包连拉炉数控制在8～12炉，根据节奏拉速按下限控制，保证5炉内拉速稳定在某个固定值上；连铸异常坯必须切除干净，如烧氧、换水口等切除1.0～1.5m。
根据本发明，优选的，步骤(3)中冷钢坯的加热温度控制在：上加热温度1230℃～1260℃，下加热温度1240℃～1260℃，均热段温度1200℃～1220℃；
优选的，热钢坯的加热温度控制在：上加热温度1210℃～1250℃，下加热温度1240℃～1260℃，均热段温度1200℃～1220℃；
优选的，连铸坯装炉前用玻璃水均匀涂抹每支连铸坯的竖侧面上，涂抹长度在200～300mm。缓冷时，若为集中码垛堆缓冷，垛位底部须放热钢缓冷。
本发明所提到的百分含量均为质量百分含量。
本发明步骤(1)精炼过程中保持白渣精炼，白渣取样分析，控制碳0.98～1.0％、硅0.18～0.23％、锰0.30～0.34％、铬1.42～1.46％，其它化学成分P≤0.016％、S≤0.015％、AlS:0.025～0.045％。
本发明在冶炼以及冶金化过程中，严格控制溶解氧≤4ppm，使得非金属夹杂物含量保持在较低的水平；在连铸过程中严格控制钢水过热度在15～30℃，在轧制过程中严格控制加热炉、热钢坯和冷钢坯的温度，使得非金属夹杂物分布均匀。
本发明所用原料均为本领域常规的原料，未特别限定的工艺条件均按本领域常规操作。
本发明方法制备得到的轴承钢非金属夹杂含量少而且分布均匀，并且碳化物分布均匀，钢质稳定抗疲劳性能良好；有益效果如下：
1、本发明在电炉冶炼过程中严格控制终点磷含量和终点碳含量，可将成品磷控制在0.012％以下，减轻磷的危害，控制终点碳≥0.30％，可防止钢水过氧化，降低钢中溶解氧含量，减轻精炼过程脱氧任务。电炉出钢过程加入石灰和调渣剂，可充分利用出钢过程的动力学和热力学条件进行钢渣混冲，加快精炼顶渣的熔化，并起到提前脱氧和脱硫的作用。
2、在精炼过程中严格控制到位碳含量，到位温度，控制到位碳可精确控制碳成分，防止精炼过程过量加增碳剂增碳增加钢中非金属夹杂物，控制到位温度1520～1560℃，可提高化渣速度和精炼效果，防止长时间化渣提温增加钢中气体含量。严格控制溶解氧含量，钢中溶解氧含量高低一定程度上决定了钢水的纯净度，对轴承钢来说精炼过程钢水中溶解氧越低，最终钢中全氧含量相对也较低，当然还要通过VD真空处理和软吹氩充分去除非金属夹杂与脱气，以及加强连铸过程保护浇注，防止二次氧化等措施来进一步降低钢中全氧含量。严格控制渣系组元范围，可保证精炼渣碱度、流动性、吸附夹杂物性能稳定，有利于脱硫、脱氧和去除夹杂物。
3、在VD炉处理过程中，严格控制上钢温度，软吹时间，可保证VD炉处理时间符合工艺要求，稳定连铸中间包钢水过热度，防止上钢温度波动造成过热度不稳定，影响铸坯质量。保证VD处理后软吹氩时间15～20分钟，可促进钢中夹杂物充分上浮，提高钢水洁净度。
4、在连铸过程，根据不同坯型工艺要求控制拉速、结晶器水流量、搅拌参数，保证铸坯冷却均匀，提高铸坯组织均匀性，降低铸坯偏析级别。
5、本发明生产的轴承钢，钢材全氧含量可稳定控制在8ppm以下，A粗夹杂物级别为0～0.5级，A细夹杂物级别为0.5～1.0级；B粗夹杂物级别为0～0.5级，B细夹杂物级别为0～1.0级；钢中C类夹杂物级别为0级；D粗夹杂物级别为0级，D细夹杂物级别为0～0.5级。钢材一般疏松0.5级，钢材中心疏松0.5～1.0级；钢材一般偏析0.5级，钢材中心偏析0.5～1.0级。
具体实施方式
实施例中所用原料均为本领域常规原料，未特别限定的工艺条件均按本领域常规操作。
所用石灰为12小时以内生产的新石灰，石灰粉化率≤5.0％。
实施例1、GCr15轴承钢的制备，包括步骤如下：
(1)冶炼及合金化
50t电炉冶炼
冶炼工艺要求：在炉役良好时期生产，冶炼过程不补炉，不使用全新包、新渣线包；钢包使用前烘烤温度≥800℃，氧枪出口氧气压力1.2MPa；
电炉配料如表1所示：
表1、配料表单位：(t)
石灰 轻烧白云石 废钢 铁水
2.0 0.3 19.60 35
电炉熔清碳：1.06％，熔清磷0.018％。
电炉终点成分：终点碳0.37％，终点磷0.008％。
出钢合金化：出钢用石灰、萤石和调渣剂(铝酸钙)造渣，加入高碳锰铁：50kg/炉、高碳铬铁：1050kg/炉、钢芯铝：170kg/炉、石灰：500kg/炉、萤石：150kg/炉、调渣剂：150kg/炉；
电炉冶炼周期46min。
出钢温度：1620℃。
50t LF炉精炼
工艺要求：碳、硅、锰、铬成分按中限控制，其他化学成分符合窄成分控制，保持白渣精炼；使用石灰、碳化硅、调渣剂调渣，使得渣系组元控制为CaO 48～57％、SiO28～13％、Al2O315～20％、MgO 6～10％、FeO+MnO≤2.0％、CaO：SiO2＝4.0～6.0；出钢时铝控制在0.025～0.045％之间，溶解氧≤4ppm；
精炼过程控制：
LF炉到位碳0.92％，到位温度1520～1560℃，到位白渣保持时间12min，取样分析碳、硅、锰、铬等成分见表2：
表2、分析样成分/％
C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti AlS
0.96 0.16 0.30 0.009 0.006 1.39 0.02 0.04 0.0030 0.025
渣系组元如表3所示：
表3、精炼渣成分及碱度(R)
钢种 ∑Fe/％ SiO2/％ P/％ S/％ CaO/％ MgO/％ Al2O3/％ R
GCr15 3.1 10.97 0.008 0.496 51.85 8.1 18.4 4.73
精炼后分析样成分如表4所示：
表4、LF炉出钢成分/％
C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti AlS
0.98 0.23 0.33 0.011 0.005 1.46 0.02 0.04 0.0030 0.028
精炼周期：44分钟
出钢温度：1596℃。
60t VD炉处理
工艺要求：钢包入VD炉前进行扒渣操作，扒渣量控制在总渣量的1/2；VD炉真空度≤67Pa，保持时间15～20min；第一炉上钢温度1510～1520℃，其它炉次1495～1515℃，VD炉破真空后先加0.5～1kg/吨钢的钢包覆盖剂，再加0.3～0.5kg/吨钢的碳化稻壳进行保温；VD炉处理结束后软吹氩时间15～min；VD炉实际控制参数见表5：
表5、VD过程数据
VD炉处理后氢、溶解氧含量如表6所示：
表6、定氢、定氧情况
(2)连铸
工艺要求：采用260㎜×300㎜坯型，GCr15过热度制在15～30℃，第一炉中间包温度1480～1495℃，其他炉次中间包温度控制在1475～1485℃之间；260㎜×300㎜坯型拉速控制在0.45～0.50m/min；连铸时每个中间包连拉炉数控制在8～12炉；中间包采用碱性预熔空心颗粒作为覆盖剂；260mm×300mm连铸坯结晶器水流量控制在180m3/h，二冷比水量0.25～0.30L/kg，二段下、三段水全部关掉，适当调整其它区水量；连铸坯进拉矫机温度950～1150℃；结晶器电磁搅拌控制电流300A、频率3.0HZ，末端电磁搅拌控制电流300A、频率12.0HZ；
260㎜×300㎜坯型连铸实际控制参数如表7、8所示：
表7、连铸过程控制参数
表8电磁搅拌实际控制参数
(3)轧制、缓冷
工艺要求：
连铸坯装炉前用玻璃水均匀涂抹每支连铸坯的竖侧面，涂抹长度为260mm，璃水的涂抹要均匀，全面，不得漏涂；冷钢坯在加热炉内停留总时间5小时，其中高温扩散时间3.5小时；热钢坯在加热炉内停留总时间4小时，其中高温扩散时间2.5小时；钢坯加热必须均匀烧透，最高和最低温度均不得超过规定温度的上下限；冷钢坯的加热温度控制在：上加热温度1230℃～1260℃，下加热温度1240℃～1260℃，均热段温度1200℃～1220℃；热钢坯的加热温度控制在：上加热温度1210℃～1250℃，下加热温度1240℃～1260℃，均热段温度1200℃～1220℃；
同支钢坯沿长度方向的温度差20～30℃(包括滑轨印)；开轧温度1100～1300℃，终轧温度850℃～940℃；缓冷时下副冷床温度500℃～600℃，集中码垛堆冷时，垛位底部要放热钢缓冷。
轧钢控制参数如表9所示：
表9、热坯轧钢工艺过程
表10为实施例1制备的GCr15轴承钢的化学成分，表11、表12、表13分别为实施例1的GCr15轴承钢材低倍、高倍、碳化物检测结果，测定方法为本领域常规方法。
本实施例的GCr15轴承钢的化学成分如表10所示：
表10、实施例1GCr15轴承钢的化学成分(wt％，Fe余量)
本实施例的GCr15轴承钢的非金属夹杂物如表11、12所示：
表11、非金属夹杂物
表12、非金属夹杂物
表13、碳化物带状/碳化物液析
碳化物带状 碳化物液析
标准 ≤3.0级 ≤2.0级
实际 1.0 1.5
按GB/T10561-2005检验钢材非金属夹杂物，按照夹杂物的的形态和分布检验A类硫化物类型、B类氧化铝类型、C类硅酸盐类型、D类球状氧化物类型；每类夹杂物按照厚度和直径的不同分为粗系和细系两个系列。
由表11、12、13可知，本实施例制备的轴承钢非金属夹杂物分布均匀。

Claims (10)

1.一种轴承钢的制备方法，包括冶炼及合金化、连铸、轧制、缓冷；控制钢的化学成分质量百分比含量为：
C：0.95～1.05％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.30～0.35％，Mo：0.02～0.05％，Cr：1.45～1.48％，AlS：0.015～0.035％，Cu≤0.05％，S≤0.025％，P≤0.025％，Ni≤0.05％，[O]≤12×10-6，[H]≤2×10-6，余为Fe和不可避免的杂质；
包括步骤如下：
(1)冶炼及合金化
采用电炉冶炼，终点磷≤0.012％，终点碳≥0.30％，电炉冶炼出钢温度为1600～1650℃，出钢时随钢流加入钢芯铝3～4㎏/吨钢进行预脱氧；LF炉精炼，精炼过程及时调渣，保持白渣精炼，使用石灰、碳化硅、调渣剂调渣，使得渣系组元控制为CaO 48～57％、SiO28～13％、Al2O315～20％、MgO 6～10％、FeO+MnO≤2.0％、CaO/SiO2＝4.0～6.0，LF炉精炼出钢温度为1560～1600℃，出钢时铝在0.025～0.045％之间，溶解氧≤4ppm；VD炉处理，VD炉真空度≤67Pa，保持时间15～20min，连铸第一炉上钢温度1510～1520℃，其它炉次1495～1515℃，VD炉破真空后先加0.5～1.0kg/吨钢钢包覆盖剂，再加0.3～0.5kg/吨钢的碳化稻壳进行保温，VD炉处理结束后软吹氩时间15～20min；
(2)连铸
260㎜×300㎜坯型拉速控制在0.45～0.50m/min，180㎜×220㎜坯型拉速控制在0.80～0.90m/min，钢水过热度控制在15～30℃，260mm×300mm连铸坯结晶器水流量控制在170～190m3/h，180mm×220mm连铸坯结晶器水流量控制在150～170m3/h，二冷比水量0.25～0.30L/kg，连铸坯进拉矫机温度950～1150℃，结晶器电磁搅拌控制电流300A、频率3.0HZ，末端电磁搅拌控制电流300A、频率12.0HZ；
(3)轧制、缓冷
冷钢坯在加热炉内停留总时间4.5～6小时，其中高温扩散时间2.5～3.5小时；热钢坯在加热炉内停留总时间3.5～5小时，其中高温扩散时间2.0～3小时；同支钢坯沿长度方向的温度差20～30℃；开轧温度1100～1300℃，终轧温度850℃～940℃，缓冷时下副冷床温度500℃～600℃。
2.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述轴承钢，控制钢的化学成分质量百分比含量为：C：0.95～1.05％，Si：0.20～0.30％，Mn：0.30～0.35％，Mo：0.02～0.05％，Cr：1.45～1.48％，AlS：0.015～0.035％，Cu≤0.05％，S≤0.025％，P≤0.025％，Ni≤0.05％，[O]≤12×10-6，[H]≤2×10-6，余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述轴承钢，控制钢的化学成分质量百分比含量为：C：0.98％，Si：0.26％，Mn：0.31％，Mo：0.02％，Cr：1.46％，Al：0.021％，Cu≤0.05％，S≤0.005％，P≤0.016％，Ni≤0.05％，[O]≤12×10-6，[H]≤2×10-6，余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中电炉冶炼时按废钢和铁水质量比为(30～40)：(60～70)加入废钢和铁水，加入石灰1.6～2.4吨/炉，轻烧白云石0.2～0.4吨/炉，氧枪出口氧气压力1.2MPa。
5.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中电炉冶炼时所述调渣剂为铝酸钙；
出钢时加入高碳锰铁：0.8～1.2kg/吨钢调整锰含量、高碳铬铁：20～22kg/吨钢调整铬含量。
6.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中LF炉精炼时钢包使用前烘烤，烘烤温度不低于800℃，钢水到位碳含量控制在0.85～0.95％之间，到位钢水温度1520～1560℃；钢包到位调整渣况，白渣保持时间10～20min取样分析。
7.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中VD炉处理时钢包入VD炉前进行扒渣操作，扒渣量控制在总渣量的1/2。
8.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中连铸时控制第一炉中间包温度1480～1495℃，其他炉次中间包温度控制在1475～1485℃之间。
9.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中冷钢坯的加热温度控制在：上加热温度1230℃～1260℃，下加热温度1240℃～1260℃，均热段温度1200℃～1220℃。
10.根据权利要求1所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中热钢坯的加热温度控制在：上加热温度1210℃～1250℃，下加热温度1240℃～1260℃，均热段温度1200℃～1220℃。
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