CN106636895A - 特种轴承钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特种轴承钢及制备方法，所述轴承钢各组分重量百分含量为：C：0.3～0.7％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.4～1.0％、Cr：14.0～17.0％、Mo：1.2～4.5％、N：0.1～0.5％；添加元素Ni≤3.0％、Co≤3.0％、W≤1.0％、V≤0.2％中的一种或几种；不可避免的杂质元素，O≤0.003％、S≤0.01％、P≤0.02％；余量为Fe。该轴承钢为含氮马氏体高温不锈轴承钢，其耐蚀性能强、耐温性能好、耐磨性能高，作为阀、轴及轴承可以服役于使用工况恶劣的宇航、海洋、风电、铁路、石化、矿山、食品、造纸、智能等领域。

Description

特种轴承钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料，特别涉及一种特种轴承钢及其制造方法。
背景技术
轴承是各类机械装备的重要零部件，在国民经济和国防领域中占有极其重要的地位，轴承材料是轴承的基础，轴承在不同的服役工况条件下，对轴承材料的要求是不同的。如：高压、冲击服役条件下要求材料具有高的力学性能；磨损疲劳服役工况要求材料耐磨抗疲劳；长寿命、高可靠性要求材料具有高均匀性、高加工精度特性；考虑材料的经济性要求材料成本低、且可加工性强；在宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸等腐蚀性环境下，不仅要求材料耐蚀不锈，而且更多要求耐压、耐磨、耐冲击，更有甚者要求长寿命、高可靠性等，因此，多样性成为轴承材料目前重点研究发展的方向之一。
轴承是各类机械装备的重要零部件，在国民经济和国防领域中占有极其重要的地位，轴承材料是轴承的基础，轴承在不同的服役工况条件下，对轴承材料的要求是不同的。如：高压、冲击服役条件下要求材料具有高的力学性能；磨损疲劳服役工况要求材料耐磨抗疲劳；长寿命、高可靠性要求材料具有高均匀性、高加工精度特性；考虑材料的经济性要求材料成本低、且可加工性强；在宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸等腐蚀性环境下，不仅要求材料耐蚀不锈，而且更多要求耐压、耐磨、耐冲击，更有甚者要求长寿命、高可靠性等，因此，多样性成为轴承材料目前重点研究发展的方向之一。
目前，耐腐蚀、耐高温轴承钢主要有：Cr14Mo4系列、Cr4Mo4V系列、高速钢系列、1Cr14Co13Mo5Ni2V系列、1Cr1Ni2Mo6V1Nb系列、9Cr18系列、7Cr14Mo系列、3Cr16MoN系列、0Cr40Ni55Al3系列、1Cr23Ni28Mo5Ti3AlV系列等，各有优缺点，可满足不同工况的使用要求。但是，随着科学的进步和机械工业的发展，对轴承钢的耐腐蚀、耐高温、耐磨损性能以及恶劣润滑条件下使用寿命提出了新的要求。
目前国内外大量的业内人员对轴承钢开展广泛的研究和生产，主要有电炉+炉外精炼(真空脱气)、真空感应熔炼、电渣重熔、真空自耗重熔等方法冶炼。然而，目前已有的轴承钢不能同时兼具耐温性能好、耐蚀性能、耐磨性能，不能适应具有较强腐蚀、温度高、润滑等恶劣工况。
发明内容
本发明的目的是提供一种特种轴承钢及其制造方法，该轴承钢为含氮马氏体高温不锈轴承钢，其耐蚀性能强、耐温性能好、耐磨性能高，作为轴及轴承可以服役于使用工况恶劣的宇航、海洋、风电、铁路、石化、矿山、食品、造纸、智能等领域。本发明所述轴承钢，C、N、Cr、Mo等合金元素含量高，保证其良好的耐蚀性能、耐温性能、耐磨性能。
本发明所述特种轴承钢，各组分重量百分含量为：C：0.3～0.7％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.4～1.0％、Cr：14.0～17.0％、Mo：1.2～4.5％、N：0.1～0.5％；
添加元素Ni≤3.0％、Co≤3.0％、W≤1.0％、V≤0.2％中的一种或几种，其根据产品性能的需要添加；
不可避免的杂质元素，O≤0.003％、S≤0.01％、P≤0.02％；
余量为Fe。
较好的技术方案是本发明所述特种轴承钢各组分重量百分含量为：C：0.45～0.7％、Si：0.3～0.4％、Mn：0.6～0.8％、Cr：14.5～15.0％、Mo：2.0～4.0％、N：0.35～0.5％；
添加元素Ni≤3.0％、Co≤3.0％、W≤1.0％、V≤0.2％中的一种或几种，
不可避免的杂质元素，O≤0.003％、S≤0.01％、P≤0.02％；
余量为Fe。
所述组分中Cr+W+Mo为15～20％，C+N为0.5～1.0％。
上述特种轴承钢的制造方法，有以下步骤：
1)真空感应熔炼
按照上述的配比将Fe、Cr、Mo和Co、Ni、W、V放入真空感应熔炼炉中熔化后，真空度≤10Pa、温度1550～1650℃，精炼20～40分钟；充入氮气，加入C、Si、Mn，全部熔化后抽真空，真空度≤5Pa、温度1550～1600℃，精炼15～30分钟；然后充入氮气，加入FeCrN，1480～1550℃，精炼10～20分钟后，浇铸成电极棒；
2)电渣重熔
取渣料CaF2、Al2O3、CaO及MgO，将渣料加热至熔融状，去除步骤1)所得电极棒表面氧化皮等缺陷，熔融状的渣料倒入电渣炉结晶器中，电极棒缓慢下降并插入熔融渣料中，调整重熔电流、电压，保证重熔过程稳定，缓慢熔化电极棒，熔化的钢液穿过熔融渣层，在结晶器内凝固，得到电渣锭；
3)热加工
步骤2)所得的电渣锭加热至1100～1220℃，保温1～4h，1080～1220℃高温开坯，墩粗后拔长，得到锻坯；将锻坯加热至1100～1150℃，保温1～2h，锻造或热轧成型，得到热加工成品；
4)热处理
步骤3)所述的热加工成品球化退火处理，机加工后，经淬火→深冷→回火，得到特种轴承钢。
步骤2)所述渣料各组分重量百分含量为：CaF2：65～70％、Al2O3：10～20％、CaO：5～10％，MgO：5～10％。
步骤3)所述墩粗的墩粗锻造比为1.5～2。
步骤3)所述锻造成型，其总锻造比≥10。
步骤4)球化退火后，其热加工材料的硬度为207～255HBW、淬回火后硬度不低于55HRC。
步骤4)所述的淬火→深冷→回火的热处理，其各工艺参数为
A.退火工艺：800～870℃×4～8h，炉冷；
B.淬火工艺：1040～1070℃×0.1～1h，油冷；
C.深冷处理：≤-80℃×2～5h空热；
D.回火工艺：150～550℃×2～6h，油冷。
回火工艺为：耐腐蚀性能和耐磨性能的轴承钢优选150～300℃×2～6h，油冷；耐温性能和耐冲击性能的轴承钢优选300～550℃×2～6h，油冷。
本发明所述轴承钢，兼具耐温性能好、耐蚀性能、耐磨性能，能适应具有较强腐蚀、温度高、润滑恶劣等特点的工况。与传统的奥氏体不锈钢及沉淀硬化不锈钢相比，本发明所述轴承钢硬度高、耐磨好；与传统的马氏体不锈轴承钢相比，本发明所述轴承钢耐温性能好、耐腐蚀性能好；与传统的高温轴承钢相比，本发明所述轴承钢加工精度高、耐腐蚀性能好；与高合金材料相比较，本发明所述轴承钢的材料成本较低、耐磨性能好。
本发明所述轴承钢的有益效果是：采用C、N、Cr、Mo、Co、W、V等元素的共同合金化，使材料具有优良的耐腐蚀、耐磨损、耐高温性能；采用真空感应熔炼+电渣重熔的双联冶金工艺，提高了钢的纯净度，改善了夹杂物尺寸、数量及分布；锻造开坯过程中进行墩粗+拔长，可强烈的破碎钢中碳化物，改善碳化物的尺寸和均匀性。
本发明主要合金元素的作用如下：
(1)C：主要的脱氧元素，含量0.3％以上可保证淬回火后的硬度、高温性能和耐磨性，但是含量超过0.7％会增加碳化物不均匀性并导致可加工性能恶化；
(2)Si：主要的脱氧元素，提高抗回火性；
(3)Mn：主要的脱氧元素，提高N元素的收得率；
(4)Cr：含量14％以上可保证材料的硬度、耐磨性能、耐高温性能、耐腐蚀性能、氮元素的收得率，但是含量超过17％会增加碳化物不均匀性并导致可加工性能恶化；
(5)Mo：含量2％以上可保证材料的硬度、耐磨性能、耐高温性能、耐腐蚀性能、抗回火性，但是含量超过4％会增加碳化物不均匀性并导致可加工性能恶化；
(6)N：提高材料耐腐蚀性能的主要元素，本发明添加0.5％，合金的耐蚀性能较好；
(7)Co、Ni可提高材料的耐盐雾腐蚀性能，但含量太高会恶化可加工性能或降低材料的硬度；
(8)W、V可提高材料的耐磨性能，但含量太高增加碳化物不均匀性并导致可加工性能恶化；
(9)O、P、S是材料中不可避免的有害元素，越低越好。
下面结合具体实施方式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。
具体实施方式
(1)配方成分如下：
表1特种轴承钢配方成分wt.％
(2)真空熔炼
按照表1的配比将Fe、Cr、Mo、Ni、W、Co、V放入500kg真空感应熔炼炉中，熔化后，真空度2Pa左右、温度1600～1630℃，高温精炼30分钟；充入氮气，加入C、Si、Mn，全部熔化后抽真空，真空度1Pa左右、温度1560～1590℃，精炼20分钟；充入氮气，加入FeCrN，温度1490～1520℃，低温精炼20分钟，然后浇铸成Φ160mm电渣电极棒。
(2)电渣重熔
砂磨去除电渣电极棒表面的氧化皮等缺陷。将重量百分含量为CaF2：Al2O3：CaO：MgO＝70：18：7：5的渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，将电极棒缓慢下降并插入熔融渣料中，调整重熔电流、电压，保证重熔过程稳定，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，在铜结晶器内凝固，电渣锭尺寸为Φ275mm×990mm。特种轴承钢的冶炼成分如表2所示。
表2特种轴承钢冶炼成分wt.％
元素 C Si Mn S P Cr Mo Ni Co W V N O Fe
配方1 0.56 0.26 0.52 0.001 0.008 15.1 2.05 0.02 0.01 0.32 0.05 0.19 0.0025 余量
配方2 0.67 0.36 0.71 0.001 0.007 15.7 4.08 0.02 1.03 0.01 0.11 0.21 0.0017 余量
配方3 0.42 0.25 0.66 0.001 0.008 14.4 3.31 1.55 2.04 0.52 0.01 0.24 0.0021 余量
(3)热加工
将电渣锭加热至1180℃，保温2h，用快锻机锻造开坯，先墩粗至约Φ350mm×600mm，然后拔长至Φ100mm×L，下料；将锻坯加热至1140℃，保温1h，用空气锤锻成Φ50mm的棒材，砂冷；
(4)热处理
热加工完成后，进行球化退火处理，退火工艺为：860℃×6h炉冷，退火硬度为227HBW左右。切成Φ50mm×15mm的圆饼后，进行淬火和深冷处理，淬火工艺为1060℃×0.33h油冷，然后进行深冷处理，深冷处理工艺为-80℃×2h空热，根据不同的性能要求选择不同的回火工艺，典型回火工艺及性能如下：200℃×4h油冷回火后，硬度为60.5HRC；400℃×4h油冷回火后，硬度为60.0HRC；550℃×4h油冷回火后，硬度为58.0HRC；500℃×4h油冷回火后，350℃硬度不低于500HV；500℃×4h油冷回火后，10％盐酸常温下的平均腐蚀速率约为27.9mm/a；500℃×4h油冷回火后，5.0％NaCl溶液168h交替盐雾试验，无明显腐蚀现象。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述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，这都落入本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种特种轴承钢，其特征在于，各组分重量百分含量为：
C：0.3～0.7％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.4～1.0％、Cr：14.0～17.0％、Mo：1.2～4.5％、N：0.1～0.5％；
添加元素Ni≤3.00％、Co≤3.00％、W≤1.0％、V≤0.2％中的一种或几种；
不可避免的杂质元素，O≤0.003％、S≤0.01％、P≤0.02％；
余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的特种轴承钢，其特征在于，各组分重量百分含量为：C：0.45～0.7％、Si：0.3～0.7％、Mn：0.6～0.8％、Cr：14.5～15.0％、Mo：2.0～4.0％、N：0.2～0.5％、Ni：≤1％、Co≤2.0％、W≤1.0％、V≤0.2％、余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的特种轴承钢，其特征在于：所述组分中Cr+W+Mo为15～20％，C+N为0.5～1.0％。
4.特种轴承钢的制造方法，其特征在于，有以下步骤：
1)真空感应熔炼
按照权利要求1～2所述的配比将Fe、Cr、Mo、Co、Ni、W、V放入真空感应熔炼炉中熔化后，真空度≤10Pa、温度1550～1650℃，精炼20～40分钟；充入氮气，加入C、Si、Mn，全部熔化后抽真空，真空度≤5Pa、温度1550～1600℃，精炼15～30分钟；然后充入氮气，加入FeCrN，1480～1550℃，精炼10～20分钟后，浇铸成电极棒；
2)电渣重熔
取渣料CaF2、Al2O3、CaO及MgO加热至熔融状，去除步骤1)所得电极棒表面氧化皮后，缓慢下降并插入熔融渣料中，缓慢熔化电极棒，熔化的钢液在结晶器内凝固，得到电渣锭；
3)热加工
步骤2)所得的电渣锭加热至1100～1220℃，保温1～4h，1080～1220℃高温开坯，墩粗后拔长，得到锻坯；将锻坯加热至1100～1150℃，保温1～2h，锻造或热轧成型，得到热加工成品；
4)热处理
步骤3)所述的热加工成品球化退火处理，机加工后，经淬火→深冷→回火，得到特种轴承钢。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤2)所述渣料各组分重量百分含量为：CaF2：65～70％、Al2O3：10～20％、CaO：5～10％，MgO：5～10％。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤3)所述墩粗的墩粗锻造比为1.5～2。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤3)所述锻造成型，其总锻造比≥10。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤4)球化退火后，其热加工材料的硬度为207～255HBW、淬回火后硬度不低于55HRC。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤4)所述的淬火→深冷→回火的热处理，其各工艺参数为
A.退火工艺：800～870℃×4～8h，炉冷；
B.淬火工艺：1040～1070℃×0.1～1h，油冷；
C.深冷处理：≤-80℃×2～5h空热；
D.回火工艺：150～550℃×2～6h，油冷。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，回火工艺的选择为：耐腐蚀性能和耐磨性能的轴承钢优选150～300℃×2～6h，油冷；耐温性能和耐冲击性能的轴承钢优选300～550℃×2～6h，油冷。
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