CN107904498B

CN107904498B - 一种铁路货车用渗碳轴承钢及其制备方法

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Publication number: CN107904498B
Application number: CN201710982084.7A
Authority: CN
Inventors: 耿克; 许晓红; 李锋; 范海东; 陈德; 饶立华; 黄二新; 尹青; 翟蛟龙
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: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: CN107904498A

Abstract

本发明涉及一种铁路货车用渗碳轴承钢，圆钢产品纯净度高、组织均匀性好和高的致密度，属于淬透性、拉伸性能和力学性能更优的全新渗碳轴承钢。工艺流程为材料控制→铁水预处理→初炼(电炉或转炉)→LF精炼→真空脱气(VD和或RH)→连铸→连铸坯开坯→中间坯轧制→缓冷→无损检测→按照设计要求热处理。采用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、高的组织均性和高的致密度。

Description

一种铁路货车用渗碳轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明属于铁路用钢技术领域，特别涉及一种铁路货车轴承用渗碳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渗碳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。但电渣重熔工艺生产也存在生产效率、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年铁路道部也下发了真空脱气工艺生产铁路货车轴承用渗碳轴承钢的文件——运装货车【2006】220号附件3——铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件(暂行)，但国内钢厂多次试制均未获得成功。现国内公开的专利CN102226252B披露了具有超长接触疲劳寿命的高强韧渗碳轴承钢及其制备方法，其采用真空感应炉和真空自耗炉的特种方法制备，该方法相对于电渣重熔工艺生产效率更低、产能更小、成本更高，因此，其产品不具有市场竞争力。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁路货车轴承用渗碳轴承钢及其制备方法，使其在满足铁路货车轴承用渗碳轴承钢的质量要求基础上，同时产品具有很强的市场竞争力。

本发明是在现有运装货车【2006】220号附件1——铁路货车轴承用电渣重熔渗碳轴承钢技术条件(暂行)和运装货车【2006】220号附件3——铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件(暂行)的基础上，采用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、高的组织均性和高的致密度。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种铁路货车用渗碳轴承钢，其化学成分按质量百分比％计为C：0.19～0.23，Si：0.20～0.35，Mn：0.45～0.65，Cr：0.45～0.65，Mo：0.20～0.30，Ni：1.65～2.00，Al：0.01～0.05，P≤0.020，S≤0.015，Cu≤0.20，Ca≤0.0010，Ti≤0.0015，O≤0.0010，余量为Fe及不可避免的杂质，产品纯净度高、组织均匀性好和高的致密度，属于淬透性、拉伸性能和力学性能更优的全新渗碳轴承钢。

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、Ni、Mo、Al在现有铁道部运装货车【2006】220号附件3——铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件(暂行)的基础上，为满足钢淬透性、轴承最终的心部硬度和组织的要求，适当提高了Cr元素含量至0.45～0.65％。

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，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≤0.0010％；P元素在钢的凝固时引起元素偏析，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％。以上要求比运装货车【2006】220号附件3要求更加严格。其它元素如Ca元素、Cu元素与运装货车【2006】220号附件3相同。

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，比运装货车【2006】220号附件3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。本发明要求脆性微观夹杂物细小：B细系≤1.0级、DS系≤1.0级，比运装货车【2006】220号附件3要求更加严格。

⑤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，与运装货车【2006】220号附件3要求相同。

进一步地，对于规格Φ80～120钢的淬透性试样经920℃正火、900℃淬火处理后，淬透性满足：距末端距离1.5mm硬度为44～45HRC，距末端距离3mm硬度为44～45HRC，距末端距离5mm硬度为43～44HRC，距末端距离7mm硬度为38～39HRC，距末端距离9mm硬度为34～35HRC，距末端距离11mm硬度为31～34HRC，距末端距离13mm硬度为28～31HRC，距末端距离15mm硬度为26～30HRC。

进一步地，钢的拉伸试样和冲击试样经880℃淬火、800℃淬火和200℃回火处理，力学性能满足：抗拉强度Rm 1045～1200MPa，伸长率15～18％，断面收缩率Z％50～65，冲击吸收功85～130KV2/J。

本发明另外提供铁路货车用渗碳轴承钢的制造方法，工艺流程：材料控制→铁水预处理→初炼(电炉或转炉)→LF精炼→真空脱气(VD和或RH)→连铸→连铸坯开坯→中间坯轧制→缓冷→无损检测→按照设计要求热处理。具体步骤如下：

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，要求终点硫含量≤0.010％；

3)初炼：吹氧脱碳，提高初炼终点碳含量，终点碳0.08％～0.15％，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0.02％～0.05％；出钢温度1600～1650℃；

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15～30℃，拉速0.40～0.70米/分钟；

7)连铸坯开坯：均热温度1200～1260℃，均热时间≥120分钟，终轧温度≥950℃，得到中间坯；

8)中间坯轧制：均热温度1180～1250℃，均热时间≥90分钟，终轧温度≥900℃，轧成圆钢；

9)缓冷：缓冷时间≥36小时；

10)无损检测：超声波探伤单个缺陷不超过φ2mm平底孔要求。

优选地，采用大压缩比，大断面连铸机生产的连铸坯规格为390mm×510mm，中间坯规格300mm×300mm，钢产品规格Φ80～120mm。

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；以上是钢材获得高纯净度的关键技术。

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；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。

本申请的钢缓冷后，经920℃正火、900℃淬火处理后，具有非常高的淬透性，钢的拉伸试样和冲击试样经880℃淬火、800℃淬火和200℃回火处理，力学性能满足：抗拉强度Rm 1045～1200MPa，伸长率15～18％，断面收缩率Z％50～65，冲击吸收功85～130KV2/J。

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、6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1100℃～1180℃，终轧温度960℃～1010℃，轧制成300mm×300mm中间坯；中间坯加热至1180℃～1250℃，开轧温度为1050℃～1130℃，终轧温度910℃～950℃，轧制成品规格为Φ80、Φ95和Φ120，轧后入坑缓冷。钢的检测方法按铁道部运装货车【2006】220号附件3——铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件(暂行)相关规定，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渗碳轴承钢相比，发明钢有害元素Ti元素、Ca元素含量显著降低，钢水质量较好。

表1发明钢的化学成分熔炼分析 wt％

钢类	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	Al	P	S	Cu	Ca	Ti	O*
														实施例1	0.20	0.31	0.55	0.54	0.26	1.74	0.04	0.008	0.002	0.01	0.0003	0.0007	0.00071
实施例2	0.20	0.29	0.55	0.54	0.26	1.74	0.04	0.011	0.002	0.01	0.0003	0.0007	0.00064
														对比钢	0.21	0.31	0.63	0.54	0.26	1.78	0.02	0.008	0.002	0.11	0.0001	0.0020	0.0029

*成品钢材上取样分析

发明钢成品钢材的微观夹杂物、发纹和晶粒度检测结果见表2。与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔渗碳轴承钢相比，发明钢微观夹杂物A类、B类、D类、DS类质量稳定性均相对较好，发纹质量稳定性明显好，其它项目两者相当。

表2发明钢的微观夹杂物、发纹和晶粒度

*发现了长2mm的发纹。

发明钢的拉伸试样和冲击试样经880℃淬火、800℃淬火和200℃回火处理,力学性能检测结果见表3。与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔渗碳轴承钢相比，两者力学性能相当。

表3发明钢的力学性能

发明钢的淬透性试样经920℃正火、900℃淬火处理,淬透性检测结果见表4。与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔渗碳轴承钢J11点不符合铁道部运装货车【2006】220号附件3——铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件(暂行)要求相比，发明钢的淬透性完全符合要求，质量更稳定。

表4发明钢的淬透性

*此数值超出了铁道部运装货车【2006】220号附件3——铁路货车轴承用真空脱气渗碳轴承钢技术条件(暂行)J11＝26～36的规定。

发明钢的低倍组织检测结果见表5，与对比钢——现铁路货车轴承用电渣重熔渗碳轴承钢相比，两者相当。

表5发明钢的低倍组织

钢类	一般疏松	中心疏松	锭型偏析
				实施例1Φ80	0.5	0.5	0.5
实施例2Φ80	0.5	0.5	0.5
				实施例3Φ95	0.5	0.5	0.5
实施例4Φ95	0.5	0.5	0.5
				实施例5Φ120	0.5	0.5	0.5
实施例6Φ120	0.5	0.5	0.5
				对比钢	0.5	0.5	0.5

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

1.一种铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：其化学成分按质量百分比%计为C：0.19～0.23，Si：0.20～0.35，Mn：0.45～0.65，Cr：0.45～0.65，Mo：0.20～0.30，Ni：1.65～2.00，Al：0.01～0.05，P≤0.020，S≤0.015，Cu≤0.20，Ca≤0.0010，Ti≤0.0015，O≤0.0010，余量为Fe及不可避免的杂质，产品纯净度高、组织均匀性好和高的致密度，属于淬透性、拉伸性能和力学性能更优的全新渗碳轴承钢；

规格为Φ80～120mm钢的淬透性试样经920℃正火、900℃淬火处理后，淬透性满足：距末端距离1.5mm硬度为44～45 HRC，距末端距离3mm硬度为44～45 HRC，距末端距离5mm硬度为43～44HRC，距末端距离7mm硬度为38～39 HRC，距末端距离9mm硬度为34～35 HRC，距末端距离11mm硬度为31～34 HRC，距末端距离13mm硬度为28～31 HRC，距末端距离15mm硬度为26～30HRC；

钢的拉伸试样和冲击试样经880℃淬火、800℃淬火和200℃回火处理，力学性能满足：抗拉强度Rm 1045～1200 MPa，伸长率15～18%，断面收缩率Z %50～65，冲击吸收功85～130KV2/ J。

2.根据权利要求1所述的铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：产品按照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所述的铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：产品脆性微观夹杂物细小： B细系≤1.0级、DS系≤1.0级，晶粒度级别为6.0～6.5。

4.根据权利要求1所述的铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：产品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。

5.根据权利要求1所述的铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：该渗碳轴承钢的生产工艺流程为材料控制→铁水预处理→电炉或转炉初炼→LF精炼→VD或RH真空脱气→连铸→连铸坯开坯→中间坯轧制→缓冷→无损检测→按照设计要求热处理。

6.根据权利要求5所述的铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：该渗碳轴承钢的生产工艺具体步骤如下：

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，要求终点硫含量≤0.010%；

3）初炼：吹氧脱碳，提高初炼终点碳含量，终点碳0.08%～0.15%，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0.02%～0.05%；出钢温度1600～1650℃；

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15～30℃，拉速0.40～0.70米/分钟；

7）连铸坯开坯：均热温度1200～1260℃，均热时间≥120分钟，终轧温度≥950℃，得到中间坯；

8）中间坯轧制：均热温度1180～1250℃，均热时间≥90分钟，终轧温度≥900℃，轧成圆钢；

9）缓冷：缓冷时间≥36小时；

10）无损检测：超声波探伤单个缺陷不超过φ2mm平底孔要求。

7.根据权利要求6所述的铁路货车用渗碳轴承钢，其特征在于：大断面连铸机生产的连铸坯规格为390mm×510mm，中间坯规格300mm×300mm。