CN107747034A

CN107747034A - 一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢及其制备方法

Info

Publication number: CN107747034A
Application number: CN201710996967.3A
Authority: CN
Inventors: 耿克; 许晓红; 陆长河; 朱国荣; 张魁; 宗浩; 刘学文; 张�林; 陈敏
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2018-03-02

Abstract

本发明涉及一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，其特征在于：该产品元素C、Si、Mn、Cr、Al与当前铁路货车轴承用真空脱气高碳铬轴承钢技术条件的要求相同。采用塔形法检测不得有超过0.6mm长的发纹存在；采用金相法检测微观脆性夹杂物B细系≤1.5级、B粗系≤0.5级、D细系≤0.5级、D粗系≤0.5级、DS系≤1.0级；采用金相法检测不允许有显微孔隙存在；低倍组织的中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，采用金相法检测碳化物液析≤0级、碳化物带状≤2.0级、碳化物网状≤2.5级。属于一种高纯净度、高组织均匀性和高的致密度的优越轴承钢。

Description

一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及属于轴承钢生产技术领域，特别涉及一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢及其制备方法。

背景技术

目前国内使用的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢采用电渣重熔工艺生产，且已有三十多年的历史。由于电渣重熔工艺生产的钢材具有非金属夹杂物颗粒细小且分布均匀、组织均匀性高和致密度高等诸多质量优势，因此，其质量稳定性一直较好，能够满足铁路货车轴承的性能要求。但电渣重熔生产工艺也存在生产效率、产能非常低，能耗和生产成本非常高等明显的劣势，因此，电渣重熔钢的市场竞争力很低。2006年市场对铁路货车轴承用真空脱气高碳铬轴承钢技术的行业要求出现，但国内钢厂多次试制均未获得成功。

目前美国铁路货车轴承用钢主要采用真空脱气、模铸工艺生产，2015年TIMKEN 公司取得了真空脱气、连铸工艺生产铁路货车轴承用钢的资格。相对于电渣重熔生产工艺，以上两种方法可大幅度提高生产效率和产能，大幅度降低能耗和生产成本，特别是真空脱气、连铸工艺更加具有竞争优势。

发明钢是在现有铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件的基础上，通过提高钢的纯净度总体思路，对钢的有害元素、非金属夹杂物进一步设计，采取真空脱气、连铸、轧制的高效率、大产能、低成本工艺路线，对关键工序进行优化研究和控制，使钢材获得了高的纯净度、高的组织均匀性和高的致密度。

发明内容

本发明的目的是在现有铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件的基础上，针对高碳铬轴承钢，在不增加或添加极少量合金元素的前提下，主要通过提高钢的纯净度总体思路，对钢的有害元素、非金属夹杂物进一步设计，设计真空脱气、连铸、轧制的高效率、大产能、低成本工艺路线，对关键工序进行优化研究和控制，使轴承钢获得高的纯净度、高的组织均匀性和高的致密度，从而提高钢材的整体性能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，该产品的化学成分按质量百分比％计为C：0.95～1.05，Si：0.15～0.35，Mn：0.25～0.45，Cr：1.35～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Mo≤0.08，Ni≤0.25，Al≤0.05，Cu≤0.25，Ca ≤0.0010，Ti≤0.0015，O≤0.0006，余量为Fe及不可避免的杂质，元素C、Si、Mn、 Cr、Al与现在铁路货车轴承用真空脱气高碳铬轴承钢技术条件的行业要求相同。

本发明主要检验项目和优越性能的确定：

①主元素C、Si、Mn、Cr、Al满足现有铁路货车轴承用真空脱气高碳铬轴承钢技术条件。

②有害元素：Ti元素与N元素结合可形成氮化钛夹杂物，由于其硬度很高、呈尖角状，在轴承运转中易引起应力集中对轴承寿命影响较大，因此确定Ti≤ 0.0015％；国内外大量研究表明，全氧含量的降低可降低对轴承寿命影响较大的氧化物夹杂的数量，对提高轴承疲劳寿命有利，因此确定O≤0.0006％；P元素在钢的凝固时容易引起元素偏析，其溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性，因此确定P≤0.020％；S元素易使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，形成的硫化物还破坏了钢的连续性，因此确定S≤0.010％。以上要求比现有运装货车的行业要求更加严格。其它元素如Ca元素、Cu元素与当前运装货车用轴承行业要求相近。

③因宏观夹杂物显著降低了钢的耐磨性、造成严重的应力集中易引起轴承使用过程中的的早期失效，本发明要求采用塔形法检测不得有超过0.6mm长的发纹存在，作为基本检验项目，比现有运装货车行业要求的采用塔形法检测作为特别检验项目的要求更加严格。

④微观夹杂物包括A类、C类塑性夹杂物和B类、D类脆性夹杂物。因脆性夹杂物在钢中是硬的质点，在轴承运转时产生应力集中，同时在钢的变形过程中易与基体分离产生裂纹，更加剧了应力集中易引起开裂，夹杂物颗粒越大、长度越长其危害越大；而塑性夹杂物在钢中是软的质点，在钢的变形过程中不易与基体之间产生分离，因此其危害较小。本发明要求微观脆性夹杂物细小：B细系≤1.5 级、B粗系≤0.5级、D细系≤0.5级，比现有运装货车行业要求更加优越。

⑤显微孔隙在轴承运转时产生应力集中，在高碳铬轴承钢标准中对显微孔隙均有明确规定，本发明要求不允许有显微孔隙存在。

⑥低倍组织的均匀性和致密度对轴承的寿命有影响，本发明要求低倍组织的一般疏松≤1.0级、中心疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级。

⑦碳化物不均匀性是高碳铬轴承钢的重要检验项目，本发明要求碳化物液析≤0级、碳化物带状≤2.0级、碳化物网状≤2.5级，其中碳化物液析要求比当前铁路运装货车的行业规定更加严格，其它相同。

本发明另外提供了一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢的制备方法，采用连铸、开坯、高温快轧，大压缩比的设计思路：采用了先进的高效率生产流程：材料控制→铁水预处理→初炼(电炉或转炉)→精炼(LF)→真空脱气(VD和或RH)→连铸→连铸坯开坯→中间坯轧制→球化退火→冷拉→无损检测。②与传统真空脱气轴承钢生产工艺相比，新增加铁水预处理工序，显著改进了材料、初炼、精炼、连铸、开坯、轧制成材的控制水平或参数，钢材需100％经过无损检测。

进一步地，本申请设计的高碳铬轴承钢的具体生产步骤如下：

1)材料控制：钢包、连铸中间包采用MgO含量超过90％耐火度高的优质耐火材料，选用钛含量低于0.05％的合金料、含铝量超过90％脱氧剂及合成渣料；

2)铁水预处理：采用机械搅拌式，控制终点硫含量≤0.010％；

3)初炼：吹氧脱碳，提高初炼终点碳含量，终点碳控制在0.15％～0.70％，出钢温度1600～1700℃；

4)精炼：除渣，加合成渣、电极加热、合金化、脱氧，选择后期脱氧，控制终点铝含量0.01％～0.05％；

出钢温度1550～1600℃；

5)真空脱气：全程氩气搅拌，100Pa真空下保持时间15～35分钟，终点H≤0.0002％；

6)连铸：连铸坯截面积≥10200mm²，钢包到中间包、中间包本身及中间包到结晶器全程充氩保护，中包钢钢水过热度10～30℃，拉速0.40～0.60米/分钟；

7)连铸坯开坯：均热温度1200～1260℃，均热时间≥240分钟，终轧温度≥900℃，得到中间坯；

8)中间坯轧制：均热温度1000～1150℃，均热时间≥45分钟，终轧温度825～850℃；

9)球化退火：高温轧制完成后可不水冷，监测钢坯温度，在热处理设备上，在 790-810℃温度范围内保温1.5～2.5小时、在680-760℃保温10小时、在680～690℃空冷，改善球化组织，增加硬度，提高钢材均匀性和生产质量稳定性，阶段性球化退火工艺能够逐级消除钢材径向的残余轧制应力，并有助于组织缺陷进一步弥合，实践证明，该球化退火方式能够显著减小或消除在下一道冷拉工序中微观脆性夹杂物的形成或成长；

10)冷拉磨光：冷拉的减面率不超过10％；

11)无损检测：超声波探伤单个缺陷不超过φ1.2mm平底孔要求。

优选地，连铸坯规格为390mm×510mm及以上，开坯后连铸坯规格为140mm×140mm，设计大压缩比的开坯比例，为提高钢材轧制后的致密性，弥合组织缺陷，以及消除轧制过程中晶界应力，避免元素晶界偏析，更加可以在高温开坯过程中将宏观夹杂物的形成彻底遏制。

连铸坯化学成分按质量百分比％计为C：0.95～1.05，Si：0.15～0.35，Mn：0.25～0.45，Cr：1.35～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Mo≤0.08，Ni≤0.25，Al≤0.05，Cu≤0.25， Ca≤0.0010，Ti≤0.0015，O≤0.0006，余量为Fe及不可避免的杂质，元素C、Si、Mn、 Cr、Al与当前铁路货车轴承用真空脱气高碳铬轴承钢技术条件的要求相同。

与现有技术相比，本发明的技术关键在于：采用优质耐火材料、合金料、脱氧剂及合成渣，可减少材料带入的有害杂质含量，可通过提高精炼渣组成稳定性来减少夹杂物；采用铁水预处理降低硫含量可提高精炼过程的脱氧效率；提高初炼终点碳含量可减少钢中原始氧含量，在后期脱氧有利于减少夹杂物；控制精炼终点铝含量可减少钢中平衡的氧含量，减少后期随温度降低形成的夹杂物数量；控制真空脱气真空度和时间可降低气体含量及有利于夹杂物的去除；连铸全过程保护可防止钢水中脱氧元素与空气中的氧接触面产生的夹杂物等；以上是本申请钢材获得高纯净度，满足获得相应金相组织性能的关键技术。

采用大截面连铸坯可提高轧制的压缩比；控制精炼温度、中间包钢水过热度、拉速可使连铸坯形成更多的等轴晶、有利于凝固补缩；控制连铸坯及中间坯的加热温度和轧制温度可改善成分偏析、增加对钢材心部的变形及改善碳化物不均匀性；通过控制球化退火和冷拉可改善球化组织和硬度；以上是钢材获得高均匀性、高致密性的关键技术。此外，钢材无损检测是质量稳定性的重要保证。

本申请的高碳铬轴承钢适用于铁路货车轴承钢使用，尤其具有高的纯净度、高的组织均匀性和高的致密度的组织性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

根据本发明所设计的化学成分范围，在100吨铁水预处理→100吨转炉→100吨LF精炼炉→100吨RH真空脱气炉→390mm×510mm大断面连铸机上生产了2炉、4个规格发明钢，把连铸坯加热至1200～1260℃，开轧前用高压水除去连铸坯表面的氧化皮，开轧温度为1130～1200℃，终轧温度920～970℃，开坯成140mm×140mm，中间坯加热至1000～1150℃，开轧温度为860～980℃，吐丝温度825～850℃，轧制成品规格为Φ23和Φ25，球化退火后抛丸、冷拉、磨光至成品规格Φ20.9和Φ23.4，其中球化退火是在热处理设备上，在790-810℃温度范围内保温1.5～2.5小时、在680-760℃保温10 小时、在680～690℃空冷。钢的检测方法参照当前铁路货车轴承用真空脱气高碳铬轴承钢技术条件，发明钢的化学成分熔炼分析及钢材分析质量百分数见表1。与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔高碳铬轴承钢相比，发明钢有害元素Ti元素、O元素、Ca 元素含量显著降低，质量较好。

表1实施例涉及钢的化学成分熔炼分析 wt％

*成品钢材上取样分析

发明钢成品钢材的微观夹杂物、显微孔隙和发纹检测结果见表2。与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔高碳铬轴承钢相比，发明钢微观夹杂物B类、D类和DS类质量稳定性均相对较好，显微孔隙和发纹两者相当。

表2实施例涉及钢的微观夹杂物、显微孔隙和发纹

发明钢的低倍组织检测结果见表3，比对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔高碳铬轴承钢质量略差，但满足当前铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件要求。

表3本实施例涉及钢的低倍组织

钢类	一般疏松	中心疏松	锭型偏析
				实施例1Φ20.9	1.0	1.0	1.0
实施例2Φ20.9	1.0	1.0	1.0
				实施例3Φ23.4	1.0	1.0	1.0
实施例4Φ23.4	1.0	1.0	1.0
				对比钢	0.5	0.5	0.5

发明钢的碳化物不均匀性和显微组织检测结果见表4，与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔高碳铬轴承钢相比，碳化物液析和显微组织两者相当，碳化物网状和碳化物带状质量略差，但满足当前铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件要求。

表4实施例涉及钢的碳化物不均匀性和显微组织

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，其特征在于：该产品的化学成分按质量百分比％计为C：0.95～1.05，Si：0.15～0.35，Mn：0.25～0.45，Cr：1.35～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Mo≤0.08，Ni≤0.25，Al≤0.05，Cu≤0.25，Ca≤0.0010，Ti≤0.0015，O≤0.0006，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，其特征在于：所述钢产品采用塔形法检测不得有超过0.6mm长的发纹存在。

3.根据权利要求1所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，其特征在于：所述钢产品采用金相法检测微观脆性夹杂物，要求微观脆性夹杂物细小：B细系≤1.5级、B粗系≤0.5级、D细系≤0.5级、D粗系≤0.5级、DS系≤1.0级。

4.根据权利要求1所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，其特征在于：所述钢产品采用金相法检测不允许有显微孔隙存在。

5.根据权利要求1所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢，其特征在于：所述钢产品低倍组织的中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，采用金相法检测碳化物液析≤0级、碳化物带状≤2.0级、碳化物网状≤2.5级。

6.一种铁路货车轴承用高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于：采用了先进的高效率生产流程：材料控制→铁水预处理→初炼(电炉或转炉)→精炼(LF)→真空脱气(VD和或RH)→连铸→连铸坯开坯→中间坯轧制→球化退火→冷拉→无损检测；钢材需100％经过无损检测。

7.根据权利要求6所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

2)铁水预处理：采用机械搅拌式，控制终点硫含量≤0.010％；

4)精炼：除渣，加合成渣、电极加热、合金化、脱氧，选择后期脱氧，控制终点铝含量0.01％～0.05％；出钢温度1550～1600℃；

8)中间坯轧制：均热温度1000～1150℃，均热时间≥45分钟，终轧温度825～850℃，轧制成圆钢；

9)球化退火：高温轧制完成后可不水冷，监测钢坯温度，在热处理设备上，在790-810℃温度范围内保温1.5～2.5小时、在680-760℃保温10小时、在680～690℃空冷，改善球化组织，增加硬度，提高钢材均匀性和生产质量稳定性；

10)冷拉磨光：冷拉的减面率不超过10％；

11)无损检测：超声波探伤单个缺陷不超过φ1.2mm平底孔要求。

8.根据权利要求7所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于：连铸坯规格为390mm×510mm及以上，开坯后连铸坯规格为140mm×140mm。

9.根据权利要求7所述的铁路货车轴承用高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于：连铸坯化学成分按质量百分比％计为C：0.95～1.05，Si：0.15～0.35，Mn：0.25～0.45，Cr：1.35～1.60，P≤0.020，S≤0.015，Mo≤0.08，Ni≤0.25，Al≤0.05，Cu≤0.25，Ca≤0.0010，Ti≤0.0015，O≤0.0006，余量为Fe及不可避免的杂质。