CN107502810B - 一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法 - Google Patents

一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法,目的是通过选择特制的高纯工业纯铁、纯金属料和采用真空感应+真空自耗冶炼工艺，降低钢中铝和钛含量达到很低，降低钢中的气体含量，生产出超低气体含量及超纯净、超细晶的渗碳轴承钢。本发明具有如下优点：获得超低气体、超纯净的渗碳轴承钢，其中氢不大于0.0001％，氧不大于0.0006％，氮不大于0.0009％，非金属夹杂物A类、B类、D类细系夹杂不大于1.0级，Ds类0.5级，无其它类型夹杂物；在采用渗碳法处理后晶粒度级别7.0级以上。

Description

一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法
技术领域
本发明属于金属材料制造领域，涉及一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法，主要应用于动车组轴箱轴承套圈材料的生产。
背景技术
目前，我国高速铁路发展迅猛，已建成了两万公里具有世界先进水平的高速铁路，并研制生产了拥有完全自主知识产权的中国标准动车组。但是动车组轴箱用高碳铬轴承市场被进口产品垄断，目前国内主机厂生产的动车组用轴箱轴承均为欧日进口，主要供货商为瑞典SKF、德国FAG、日本NTN和日本NSK，国外企业均对中国实行严格的技术封锁，进行动车组轴箱轴承自主化研发迫在眉睫。目前日、欧、美高速列车轴承标准或者技术条件在钢种水平、冶金质量及尺寸精度方面的要求逐渐形成共性，其中采用细晶、低碳钢进行表面渗碳处理是提高轴承服役寿命最为有效的方法；而目前国内高铁相关渗碳轴承钢的冶炼专利相关内容较少，基本是渗碳轴承钢的设计方面，对工艺介绍极其少。
影响轴承寿命的主要因素除了氧化物夹杂物(主要与钢种的氧含量有关)、硫化物夹杂物(主要与钢中的硫有关)之外，还有氮化钛夹杂物，氮化钛夹杂物是一种硬而脆的夹杂物，它对钢的疲劳寿命特别有害。因此，人们开始研究减少轴承钢中的氮化钛夹杂物数量的方法，并发现：当钢中钛含量小于0.0012％时极难继续降低，极高含量的氮与钛易生成氮化钛夹杂物损害钢的疲劳寿命；另一方面也会影响钢中氮含量的下降。减少轴承钢中的夹杂物数量的方法有两种：一种是把钢中铝和钛含量降低到很低，另一方面就是降低钢中的气体含量。
公开号为CN 102226253 A，公开日期2011年10月26日，名称为“一种高速铁路用渗碳轴承钢及其制备方法”的专利公开了一种渗碳轴承钢，其特征在于，化学元素的重量百分比：碳：0.18％～0.24％，硅不大于0.10％，锰不大于0.10％，磷不大于0.01％，硫不大于0.005％，铬：0.5％～2.0％，镍：1.5％～4.5％，钼：0.3％～1.5％，铌：0.02％～0.04％，钒0.3％～0.9％，余为Fe及不可避免的不纯物，[O]+[N+[H]含量在0.0020％～0.0040％及As+Sn+Ti+Sb+Pb不大于0.060％，该专利所包含化学成份的轴承钢国内还未正式使用。而目前国内主要使用的渗碳轴承钢是G20CrNi2Mo，其冶炼方法是采用电炉+电渣工艺，其未对残余元素及气体含量进行要求，只是对钢中的钛含量(钛不大于0.005％)进行了较宽松的要求,其冶炼的渗碳轴承钢其氧含量在0.0015％以上,氮含量在0.0050％以上，非金属夹杂物不小于1.0级，晶粒度一般在6级左右，已经无法满足目前高速铁路对高质量渗碳轴承钢的要求。
发明内容
本发明提供一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法，目的是通过选择特制的原材料和冶炼工艺，降低钢中铝和钛含量达到很低，降低钢中的气体含量，生产出超低气体含量及超纯净、超细晶的渗碳轴承钢，技术指标如下：
1.化学成份应符合表1规定。
表1
表1续
2.非金属夹杂物合格级别为表2规定。
表2
3.力学性能达到表3规定。
表3
4.钢的奥氏体晶粒度按照GB/T6394渗碳方法检验，级别应优于6级。
具体技术方案：
1.化学成分的重量百分比：
如表1中化学成分标准值。
2.生产工艺：真空感应炉熔炼→浇注电极→电极退火→真空自耗炉重熔→钢锭退火→钢锭锻造→棒材退火。
⑴真空感应炉冶炼：冶炼采用工业纯铁、纯金属料，其中工业纯铁碳不大于0.20％、硅不大于0.20％、硫不大于0.001％、磷不大于0.003％、钛不大于0.002％、钙不大于0.0005％；要求原材料表面无油、无锈。
在真空熔炼精炼过程中，要求熔炼室的真空度不大于5Pa，精炼温度控制在1540℃～1560℃，精炼时间不少于45min；同时向钢液中适当添加碳粉并对钢液进行多次搅拌。
⑵在真空度状态下浇注电极Φ580mm，浇注温度1550℃～1580℃。
⑶电极退火:以100℃/h升温至800℃±10℃，保温不少于30h后以不大于50℃/h炉冷至400℃出炉空冷。
⑷真空自耗炉冶炼:在真空自耗重熔过程中，熔炼稳定阶段的平均熔速为5.7kg/min～6.2kg/min，钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火。
⑸钢锭退火：以不大于100℃/h升温至660℃～700℃，保温不少于25h后以不大于50℃/h炉冷至400℃出炉空冷。
⑹钢锭锻造：钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃±10℃保温2h，又以100℃/h开始升温，当温度达到800℃～900℃时，保温时间2h，再次将温度以100℃/h升至1200℃±10℃，保温不少于3h(见图1)；
钢锭保温计时到点后开始生产，首先钢锭锻造成不小于Φ250mm后中间坯回炉重新加热，加热温度为1050℃～1100℃，保温2h～2.5h，其次坯料出炉后生产成品棒材，终锻温度为830℃～900℃。
⑺棒材退火：锻造棒材后直接红送退火炉退火，以不大于100℃/h速度升温至670℃±10℃，保温不少于15h之后出炉直接空冷。
本发明的创新点：
①采用高纯工业纯铁、纯金属料生产的轴承钢具有超低杂质元素；
②采用真空感应+真空自耗冶炼工艺生产的轴承钢，可以有效降低钢中气体含量；
本发明具有如下优点：
获得超低气体、超纯净的渗碳轴承钢，其中氢不大于0.0001％，氧不大于0.0006％，氮不大于0.0009％，非金属夹杂物A类、B类、D类细系夹杂不大于1.0级，Ds类0.5级，无其它类型夹杂物；在采用渗碳法处理后晶粒度级别7.0级以上。
附图说明
图1为钢锭锻造加热工艺曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做详细说明：
实施例1、实施例2均采用生产工艺：真空感应炉熔炼→浇注电极→电极退火→真空自耗炉重熔→钢锭退火→钢锭锻造→棒材退火。
1，生产工艺
⑴真空感应炉熔炼：采用了满足要求的工业纯铁及纯金属料，工业纯铁的元素含量碳为0.18％、硅为0.20％、硫为0.001％、磷为0.003％、钛为0.002％、钙为0.0002％；纯金属料硅、锰、铬、镍及钼，均表面无油、无锈。
①熔化期：将工业纯硅、金属铬、金属镍、金属钼以及工业纯铁在熔化期分批加入并给电熔化，留有少部分纯金属余料及全部金属锰进行后续调料使用。
⑶电极脱模后进行退火，退火以100℃/h升温至800℃保温30h后以50℃/h炉冷至400℃出炉空冷，随后对电极进行车光。
⑷真空自耗炉冶炼：正常熔炼阶段的平均熔速为6.0kg/min，重熔钢锭的规格为Φ660mm，钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火。
⑸退火工艺：以100℃/h升温至680℃保温25h后以50℃/h炉冷至400℃出炉空冷，并对钢锭表面进行车光，随后钢锭进行锻造加工。
实施例1：
1，生产工艺
⑴真空感应炉熔炼：
②精炼期：熔炼室的真空度抽到2Pa，并保持钢液的精炼温度1550℃，保持时间120min后对除锰外其余元素进行调料并达到控制目标要求；在整个精炼过程中添加2次碳粉，并进行多次搅拌。
⑵浇注期：根据控制目标要求，加入金属锰后并调整钢液的温度达到1567℃后浇注电极，电极规格为Φ580mm。
⑹锻造工艺：钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后又以100℃/h开始升温，当温度达到850℃时开始保温，保温时间2h，再次将温度以100℃/h升至1200℃保温3h；开始锻造，第一火对钢锭锻造开坯Φ250mm后回炉加热，加热温度为1100℃保温2.5h，第二火坯料直接出炉生产规格为Φ120mm棒材，终锻温度为880℃(见图1)。
⑺棒材退火：锻造棒材后直接红送退火炉退火，以100℃/h速度升温至670℃，保温16h之后出炉直接空冷。
2、生产检验结果
⑴化学成份检验结果见表4
表4
⑵非金属夹杂物检验结果见表5
表5
⑶晶粒度
按照GB/T6394中的渗碳法进行检验，晶粒度级别为8.0级。
实施例2：
1，生产工艺
⑴真空感应炉熔炼：②精炼期：熔炼室的真空度抽到3Pa，并保持钢液的精炼温度1560℃，保持时间120min后对除锰外其余元素进行调料并达到控制目标要求；在整个精炼过程中添加2次碳粉，并进行多次搅拌。
⑵浇注期：根据控制目标要求，加入金属锰后并调整钢液的温度达到1578℃浇注电极，电极规格为Φ580mm。
⑹锻造工艺：钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后又以100℃/h开始升温，当温度达到850℃时开始保温，保温时间2h，再次将温度以100℃/h升至1200℃保温3h；开始锻造，第一火对钢锭锻造开坯Φ250mm后回炉加热，加热温度为1100℃保温2.5h，第二火坯料直接出炉生产规格为Φ90mm棒材，终锻温度为890℃(见图1)。
⑺棒材退火：锻造棒材后直接红送退火炉退火，以100℃/h速度升温至680℃，保温16h之后出炉直接空冷。
2、生产检验结果
⑴化学成份检验结果见表6，
表6
⑵非金属夹杂物检验结果见表7，
表7
⑶晶粒度
按照GB/T6394中的渗碳法进行检验，晶粒度级别为8.5级。

Claims (3)

1.一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法，其特征在于：所述渗碳轴承钢化学成分的重量百分配比为：碳：0.20%～0.22%，锰：0.55%～0.65%，硅：0.30%～0.36%，磷不大于0.005%，硫不大于0.001%，铬：0.47%～0.53%，钼：0.24%～0.26%，镍：1.77%～1.83%，钒小于0.05%，铌：0.02%～0.03%，铜小于0.10%，钛不大于0.002%，钙不大于0.0005%，氧不大于0.0007%，氢不大于0.0001%，锡不大于0.01%，砷不大于0.005%，锑不大于0.004%，铅不大于0.001%，氮不大于0.0010%，铝不大于0.03%；
所述制造方法采用高纯工业纯铁、纯金属料生产轴承钢；采用真空感应+真空自耗冶炼工艺生产轴承钢；生产工艺：真空感应炉熔炼→浇注电极→电极退火→真空自耗炉重熔→钢锭退火→钢锭锻造→棒材退火；
所述真空感应炉冶炼：冶炼采用工业纯铁、纯金属料，其中工业纯铁碳不大于0.20%、硅不大于0.20%、硫不大于0.001%、磷不大于0.003%、钛不大于0.002%、钙不大于0.0005%；要求原材料表面无油、无锈;在真空熔炼精炼过程中，要求熔炼室的真空度不大于5Pa，精炼温度控制在1540℃～1560℃，精炼时间不少于45min；同时向钢液中适当添加碳粉并对
钢液进行多次搅拌；
所述浇注电极，在真空度状态下浇注Φ580mm电极，浇注温度1550℃～1580℃；
所述电极退火，以100℃/h升温至800℃±10℃，保温不少于30h后以不大于50℃/h炉冷至400℃出炉空冷；
所述真空自耗炉冶炼，在真空自耗重熔过程中，熔炼稳定阶段的平均熔速为5.7kg⁄min～6.2kg⁄min，钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火；
所述钢锭退火，以不大于100℃/h升温至660℃～700℃，保温不少于25h后以不大于50℃/h炉冷至400℃出炉空冷；
所述钢锭锻造，钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃±10℃保温2h，又以100℃/h开始升温，当温度达到800℃～900℃时，保温时间2h，再次将温度以100℃/h升至1200℃±10℃，保温不少于3h；钢锭保温计时到点后开始生产，首先钢锭锻造成不小于Φ250mm后
中间坯回炉重新加热，加热温度为1050℃～1100℃，保温2h～2.5h，其次坯料出炉后生产成品棒材，终锻温度为830℃～900℃；
所述棒材退火，锻造棒材后直接红送退火炉退火，以不大于100℃/h速度升温至670℃±10℃，保温不少于15h之后出炉直接空冷。
2.根据权利要求1所述一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法，其特征在于：所述真空感应炉熔炼：采用了满足要求的工业纯铁及纯金属料，工业纯铁的元素含量碳为0.18%、硅为0.20%、硫为0.001%、磷为0.003%、钛为0.002%、钙为0.0002%；纯金属料硅、锰、铬、镍及钼，均表面无油、无锈;精炼期熔炼室的真空度抽到2Pa，并保持钢液的精炼温度1550℃，保持时间120min后对除锰外其余元素进行调料并达到控制目标要求；在整个精炼过程中添加2次碳粉，并进行多次搅拌;
根据控制目标要求，加入金属锰后并调整钢液的温度达到1567℃后浇注电极；
电极脱模后进行退火，退火以100℃/h升温至800℃保温30h后以50℃/h炉冷至400℃出炉空冷，随后对电极进行车光；
真空自耗炉冶炼：正常熔炼阶段的平均熔速为6.0kg⁄min，重熔钢锭的规格为Φ660mm，钢锭脱模后下坑缓冷56h后进行退火；
钢锭退火工艺：以100℃/h升温至680℃保温25h后以50℃/h炉冷至400℃出炉空冷，并对钢锭表面进行车光，随后钢锭进行锻造加工；
钢锭锻造工艺：钢锭在加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h后又以100℃/h开始升温，当温度达到850℃时开始保温，保温时间2h，再次将温度以100℃/h升至1200℃保温3h；开始锻造，第一火对钢锭锻造开坯Φ250mm后回炉加热，加热温度为1100℃保温2.5h，第二火坯料直接出炉生产规格为Φ120mm棒材，终锻温度为880℃；
棒材退火：锻造棒材后直接红送退火炉退火，以100℃/h速度升温至
670℃，保温16h之后出炉直接空冷。
3.根据权利要求2所述一种高速动车组用渗碳轴承钢制造方法，其特征在于：所述真空感应炉熔炼,精炼期熔炼室的真空度抽到3Pa，并保持钢液的精炼温度1560℃，保持时间120min后对除锰外其余元素进行调料并达到控制目标要求；
钢锭锻造工艺：第二火坯料直接出炉生产规格为Φ90mm棒材，终锻温度为890℃；
棒材退火：锻造棒材后直接红送退火炉退火，以100℃/h速度升温至680℃，保温16h之后出炉直接空冷。
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