CN110257716A - 一种机床用高端轴承钢材料及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机床用高端轴承钢材料及其生产工艺，属于特殊钢冶炼技术领域。为解决现有轴承钢材料耐磨性、接触疲劳强度等性能无法满足高端数控机床要求的问题，本发明提供了一种机床用高端轴承钢材料及其生产工艺，包括电炉→LF精炼及VD工艺→模铸→热送/罩冷→一次加热轧制开坯→缓冷→二次加热轧制→球化退火。本发明在现有轴承钢基础上添加了Ni、Mo及稀土元素，严格控制Al、Cu含量，为钢材料提供了良好的力学性能指标，生产的轴承钢材料具有高弹性极限、抗拉强度、接触疲劳强度和耐磨性，可有效降低材料疲劳剥落、卡死等现象，适用于制造机床用轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针。

Description

一种机床用高端轴承钢材料及其生产工艺
技术领域
本发明属于特殊钢冶炼技术领域，尤其涉及一种机床用高端轴承钢材料及其生产工艺。
背景技术
随着数控技术的迅猛发展，机床工业技术也随之迅猛发展。其中，高速加工可以有效地提高机床的加工效率、缩短工件的加工周期。这就要求机床主轴及其相关部件要适应高速加工的需求。目前，数控机床主轴轴承基本上限定在角接触球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承和圆锥滚子轴承等四种结构类型。
轴承钢材料是用于制造滚动轴承的滚珠，滚柱和套筒等的特殊钢种，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，也是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。
高碳铬轴承钢是含碳1％左右、含铬1.5％左右的钢材料，广泛应用于制造各类轴承。但随着高速加工等高端数控机床对轴承钢材料的耐磨性、接触疲劳强度、加工性能等要求越来越高，现有的高碳铬轴承钢材料已经无法满足高端数控机床的要求。
发明内容
为解决现有轴承钢材料耐磨性、接触疲劳强度等性能无法满足高端数控机床要求的问题，本发明提供了一种机床用高端轴承钢材料及其生产工艺。
本发明的技术方案：
一种机床用高端轴承钢材料，所含化学成分按质量百分含量包括C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.25～0.45％、Cr：1.45～1.60％、Ni：0.05～0.10％、Mo：0.02～0.06％、Al：0.010～0.050％、Cu：0.06～0.10％、P≤0.010％、S≤0.008％、Nb：0.010～0.045％、Y≤0.020％、Ce≤0.010％、Ti≤0.0015％、O≤0.0020％、As≤0.040％、Sn≤0.030％、Sb≤0.0050％、Pb≤0.0020％、Ca≤0.0010％，其余为Fe及不可避免杂质。
本发明提供的机床用高端轴承钢材料的生产工艺，包括电炉→LF精炼及VD工艺→模铸→热送/罩冷→一次加热轧制开坯→缓冷→二次加热轧制→球化退火；
所述电炉过程中：
电炉装入生铁、铁水或钢铁料，所述钢铁料使用非含Ti钢种组别料；当钢液温度≥1580℃且C含量≥0.30％时将氧化渣放掉，开始电炉出钢，出钢过程中随出钢钢液增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰；
所述LF精炼及VD工艺过程中：
钢液到达精炼位后升温至1550℃，加入硅铁、新型复合渣化渣，炉渣化好后分批加入扩散脱氧剂进行造渣，当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO 46～55％，SiO2≤7％，Al2O332～38％，MgO≤8％时开始控制白渣精炼时间以实现钢液脱氧；白渣精炼后，在一定真空度下控制氩气流量对钢液进行软吹，放散后加入钢包覆盖剂，继续在一定氩气流量下软吹一定时间；
所述模铸过程中：
软吹后的钢液全程在氩气保护下进行浇注，铸锭使用Ⅰ类钢锭模，模温保证在30～80℃，钢锭模内表面清理干净。坐模时，尾砖眼与模底水扣眼必须对齐，绝热板装配与帽口下沿平齐，缝隙塞严，等待浇注时钢锭模帽口上用铁板盖严，防止粉尘进入钢锭模。
浇注时钢液温度为1505～1510℃，浇注过程保证钢液平稳上升并控制一定的帽口补缩时间；
所述一次加热轧制开坯过程中：
将温度均匀恒定的钢锭以一定的升温速度加热到850℃并保温一定时间，然后在一定升温时间内加热到1230～1240℃，保温一定时间后出钢轧制开坯；
所述二次加热轧制成材过程中：
钢坯在预热段保温一定时间后进入二次加热段，其中1段加热至900～1120℃并保温100～120min，2段加热至1200～1220℃并保温110～130min，进入均热段温度为1180～1200℃并保温115～135in，出炉温度为1120～1200℃；开轧温度为1120℃，轧制过程中穿水冷却，终轧温度为780℃；
所述球化退火过程中：
根据轧制后钢材的重量设置钢材在810±10℃的保温时间，然后以一定的降温速度降至710±10℃，钢材在710±10℃的保温时间为其在810±10℃的保温时间的1.5倍，再以一定降温速度降至500℃并保温1h，最后随炉冷却3h后出炉空冷。
进一步的，电炉过程中，所述增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰的时间为：
在出钢3～5吨时依次加入碳粉、新型复合渣和铝锭；在出钢10～15吨时加入合金；在出钢20～25吨时再次加入新型复合渣和白灰；其中增碳以LF精炼位到位C含量为0.85～0.95％控制碳粉的加入量，合金的加入量以LF精炼位到位除Si之外的化学成分达到规格下限控制，LF精炼位到位铝含量为0.030～0.040％。
进一步的，所述合金包括低钛高铬和中碳锰铁；
所述低钛高铬的成分按质量百分含量包括：Cr：60.2％、C：0.18％、Si：0.7％、P：0.03％、S：0.02％、Ti：0.003％，其余为Fe及不可避免杂质；
所述中碳锰铁的成分按质量百分含量包括：Mn：79.45％、C：1.47％、Si：1.62％、P：0.191％，其余为Fe及不可避免杂质。
进一步的，电炉过程中，所述新型复合渣的成分按质量百分含量包括：CaO：46％、MgO：2.2％、Fe2O3：0.6％、Al2O3：40％、SiO2：0.2％，H2O：0.17％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
进一步的，LF精炼及VD工艺过程中，所述硅铁的成分按质量百分含量包括：Si：76.7％、C：0.01％、Ti:0.013％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质；
所述扩散脱氧剂包括铝粒、碳粉按重量比1:1组成的混合物和碳粉、硅粉按重量比1:1组成的混合物；根据精炼渣系的造渣情况在精炼前期使用铝粒、碳粉混合脱氧，后期使用碳粉、硅粉混合脱氧；所述白渣精炼时间为30～50min。
进一步的，LF精炼及VD工艺过程中，所述真空度为67Pa，所述真空下氩气流量为20～40NL/min，真空下软吹时间为20～30min；所述放散后氩气流量为10～40NL/min，放散后软吹时间为30～40min；所述钢包覆盖剂的成分按质量百分含量包括：SiO2：20.00～30.00％、CaO：23.00～33.00％、Al2O3：8.00～20.00％、C：10.00～20.00％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
进一步的，模铸过程中，保护氩气的压力为0.02～0.03MPa，使用轴承钢专用保护渣并采用吊挂方式浇注，开浇回流要及时，开浇后调整好注流，严禁在浇注过程忽大忽小的调流；
所述轴承钢专用保护渣的成分按质量百分含量包括：SiO2：34.00～44.00％、CaO：9.00～19.00％、Al2O3≤12.00％、C：11.00～21.00％、MgO≤8.00％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质；
所述吊挂的高度距模底250～300mm；所述帽口补缩时间为240s。
进一步的，一次加热轧制开坯过程中，所述温度均匀恒定的钢锭是在500～700℃保温90min达到温度均匀恒定；所述升温速度为75℃/h；所述850℃的保温时间为30min；所述升温时间为3～5h；所述1230～1240℃的保温时间为9～14h；
二次加热轧制成材过程中：所述预热段钢坯的温度为500～800℃，保温时间为75～90min。
进一步的，球化退火过程中所述钢材在810±10℃的保温时间为T，T＝10+Q/2，式中Q为钢材的重量，单位为吨；所述降温至710±10℃的降温速度为10～15℃/h；所述降温至500℃的降温速度为15～20℃/h。
本发明的有益效果：
本发明提供的机床用高端轴承钢材料在现有轴承钢材料的基础上添加了Ni、Mo元素及稀土元素，严格控制Al、Cu含量，为钢材料提供了良好的力学性能指标。与现有高碳铬轴承钢相比，本发明机床用高端轴承钢材料具有纯净度更高，碳化物分布更均匀，T[O]≤6ppm、Ti≤10ppm、Ds≤0.5级，最大夹杂物尺寸≤15μm、无显微孔隙及碳化物液析等特点。本发明对钢中氧含量、钛含量及大颗粒夹杂物的控制取得了突破性进展。
本发明机床用高端轴承钢材料生产工艺采用二次加热轧制工艺，一次加热轧制开坯高温扩散时间9～14小时，二次加热轧制高温扩散时间115分钟以上，通过两次高温扩散使碳化物得到有效扩散，碳化物水平进一步得到提升，获得更好的低倍质量。本发明还采取了球化等温退火工艺，能够消除热轧后硬而脆的片层状珠光体与网状渗碳体，形成球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，与片状珠光体比不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件也不易变形和开裂。
本发明生产的机床用高端轴承钢材料具有高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度，高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，一定的冲击韧性；良好的尺寸稳定性或组织稳定性；可有效降低材料疲劳剥落、卡死等现象。适宜制造机床用轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针。
附图说明
图1为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料的低倍照片；
图2为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下放大100倍的非金属夹杂物检验照片；
图3为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下放大100倍的非金属夹杂物检验照片；
图4为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅰ放大100倍的碳化物带状图片；
图5为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅱ放大100倍的碳化物带状图片；
图6为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅱ放大200倍的碳化物网状图片；
图7为本发明实施例8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅳ放大500倍的碳化物网状图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
本实施例提供了一种机床用高端轴承钢材料，其所含化学成分按质量百分含量包括C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.25～0.45％、Cr：1.45～1.60％、Ni：0.05～0.10％、Mo：0.02～0.06％、Al：0.010～0.050％、Cu：0.06～0.10％、P≤0.010％、S≤0.008％、Nb：0.010～0.045％、Y≤0.020％、Ce≤0.010％、Ti≤0.0015％、O≤0.0020％、As≤0.040％、Sn≤0.030％、Sb≤0.0050％、Pb≤0.0020％、Ca≤0.0010％，其余为Fe及不可避免杂质。
碳是影响钢材性能的重要元素，是保障轴承钢能够具备足够的淬透性、硬度值和耐磨性的重要元素之一。碳强化作用很高，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但却显著降低韧性，为了提高轴承钢使用的安全性与可靠性，在提高碳的同时，通过合金化来提高强度，即由现行GCr150.93-1.05％，设计成0.95-1.05％，成分控制0.98-1.01％，按下限控制，降低铸坯碳偏析，改善碳化物的均匀性。
Cr元素是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，并可提高强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。能显著改变钢中碳化物的分布及其颗粒的大小，铬元素还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。Cr按1.45-1.60％设计，按1.50～1.55％进行控制，能够增加钢的淬透性和耐磨性，提高尺寸稳定性或组织稳定性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用；并可以防止过高的铬含量容易形成大块碳化物。
Mn元素能显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中提高铁素体的硬度和强度，并且能够固定钢种S的形态并形成对钢的性能危害小的MnS等硫化物，能够减少或者抑制FeS的生成。Mn能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，并能提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度，本钢种根据需要设计成分为0.25-0.45％，按中上限控制成分0.35-0.40％，以保证钢种残余奥氏体数量，稳定钢的过热敏感性、裂纹倾向性以及尺寸稳定性。但钢中Cr与Mn这些元素会使材料在250-450℃增加回火脆性敏感性，即脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降，为了降低锰的不利影响，这就需要增加Mo元素，其含量范围为0.02-0.06％，提高淬透性、抗回火稳定性，细化退火组织，减小淬火变形、提高疲劳强度，改善力学性能。
Ni按照0.05-0.10％设计，是提高钢材韧性最有效的合金元素，它韧化的机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，不论对何种组织，加入Ni均可提高韧性。同时Cu+Mo元素设计控制区间，可以得到比Cu+Ni更好的综合耐蚀性能,所以Cu按≤0.20％设计，实际控制成分0.06-0.10％，钢的耐腐蚀稳定性增强。
Al含量设计成0.010-0.050％，实际控制成分0.015-0.035％，可以避免钢因晶粒度粗化温度低、粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够的细小弥散分布的难熔化合物-AlN，和细小、弥散的碳、氮化物V(C、N)一起阻止奥氏体晶粒长大，晶粒度级别可以提高到≥8.5级。
Nb含量设计成分0.010-0.045％，作为最主要的微合金元素之一，铌既可在奥氏体较高温度区域内溶解，也可在低温下重新析出。因此，其既可以抑制晶粒长大，又可以析出强化，是控轧控冷过程中最重要的微合金元素之一。在高碳钢中，铌显著的晶粒细化可提高显微组织的精细程度和均匀性，起到提高钢的塑韧性的效果；铌是强碳化物形成元素，对碳元素的扩散和碳化物的形成影响很大。从而影响碳化物数量、尺寸、形态和分布，降低脱碳敏感性。
稀土Ce具有熔点低，并与冶金中的有害气体具有很强的亲合力，且具有极强的脱氧、脱硫作用、净化钢液和合金化作用，使钢中夹杂物变性，进而提高钢的各项性能；但含量不宜超过0.015％，否则将导致热加工性能恶化，因此Ce控制在≤0.010％。
稀土元素钇Y，能够使钢材中残留的夹杂物球化，以细化晶粒，并提高轴承钢的使用寿命，Y控制在≤0.020％。
实施例2
本实施例提供了一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，所述生产工艺包括电炉→LF精炼及VD工艺→模铸→热送/罩冷→一次加热轧制开坯→缓冷→二次加热轧制→球化退火；
所述电炉过程中：
电炉装入生铁、铁水或钢铁料，当钢液温度≥1580℃且C含量≥0.30％时将生成的氧化渣放掉，开始电炉出钢，出钢过程中随出钢钢液增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰；
所述LF精炼及VD工艺过程中：
钢液到达精炼位后升温至1550℃，加入硅铁、新型复合渣化渣，炉渣化好后分批加入扩散脱氧剂进行造渣，当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO 46～55％，SiO2≤7％，Al2O332～38％，MgO≤8％时开始控制白渣精炼时间以实现钢液脱氧；白渣精炼后，在一定真空度下控制氩气流量对钢液进行软吹，放散后加入钢包覆盖剂，继续在一定氩气流量下软吹一定时间；
所述模铸过程中：
软吹后的钢液全程在氩气保护下进行浇注，浇注时钢液温度为1505～1510℃，浇注过程保证钢液平稳上升并控制一定的帽口补缩时间；
所述一次加热轧制开坯过程中：
将温度均匀恒定的钢锭以一定的升温速度加热到850℃并保温一定时间，然后在一定升温时间内加热到1230～1240℃，保温一定时间后出钢轧制开坯；
所述二次加热轧制成材过程中：
钢坯在预热段保温一定时间后进入二次加热段，其中1段加热至900～1120℃并保温100～120min，2段加热至1200～1220℃并保温110～130min，进入均热段温度为1180～1200℃并保温115～135min，出炉温度为1120～1200℃；开轧温度为1120℃，轧制过程中穿水冷却，终轧温度为780℃；
所述球化退火过程中：
根据轧制后钢材的重量设置钢材在810±10℃的保温时间，然后以一定的降温速度降至710±10℃，钢材在710±10℃的保温时间为其在810±10℃的保温时间的1.5倍，再以一定降温速度降至500℃并保温1h，最后随炉冷却3h后出炉空冷。
实施例3
本实施例与实施例2的区别仅在于，本实施例机床用高端轴承钢材料的生产工艺电炉过程中：
将生铁、铁水或钢铁料按照重量比4:6装入电炉，钢铁料使用非含Ti钢种组别料；当钢液温度≥1580℃且C含量≥0.30％时将氧化渣放掉，开始电炉出钢，出钢过程中电炉内留钢量在7吨以上，防止出钢过程中将氧化渣带出，若出钢过程带入氧化渣，则氧化渣中的FeO、P2O5、TiO2将在精炼过程中被还原成P、Ti，造成钢液回磷增钛，因此务必保证出钢过程中无氧化渣带出。
出钢过程中随出钢钢液增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰；
以30吨出钢量为参考，在出钢3～5吨时依次加入碳粉、100Kg新型复合渣和30Kg铝锭；在出钢10～15吨时加入合金；在出钢20～25吨时再次加入200Kg新型复合渣和300Kg白灰；其中增碳以LF精炼位到位C含量为0.85～0.95％控制碳粉的加入量，合金的加入量以LF精炼位到位除Si之外的化学成分达到规格下限控制，LF精炼位到位铝含量为0.030～0.040％。
本实施例中新型复合渣的成分按质量百分含量包括：CaO：46％、MgO：2.2％、Fe2O3：0.6％、Al2O3：40％、SiO2：0.2％，H2O：0.17％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
本实施例使用的合金包括低钛高铬FeCr55C0.25II和中碳锰铁FeMn78C2.0；
低钛高铬FeCr55C0.25II的成分按质量百分含量包括：Cr：60.2％、C：0.18％、Si：0.7％、P：0.03％、S：0.02％、Ti：0.003％，其余为Fe及不可避免杂质；
中碳锰铁FeMn78C2.0的成分按质量百分含量包括：Mn：79.45％、C：1.47％、Si：1.62％、P：0.191％，其余为Fe及不可避免杂质。
实施例4
本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例机床用高端轴承钢材料的生产工艺LF精炼及VD工艺过程中：
钢液到达精炼位后开始升温，升温过程中加入硅铁，本实施例使用的硅铁TFeSi75-A的成分按质量百分含量包括：Si：76.7％、C：0.01％、Ti:0.013％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质；
精炼位升温至1550℃，当钢液重量为30吨时加入250Kg新型复合渣化渣，炉渣化好后分批加入扩散脱氧剂进行造渣，扩散脱氧剂包括铝粒、碳粉按重量比1:1组成的混合物和碳粉、硅粉按重量比1:1组成的混合物；根据精炼渣系的造渣情况在精炼前期使用铝粒、碳粉混合脱氧，后期使用碳粉、硅粉混合脱氧；
当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO 46～55％，SiO2≤7％，Al2O332～38％，MgO≤8％时开始控制白渣精炼时间以实现钢液脱氧；白渣精炼时间为30min以上，为保证钢液在精炼位脱氧充分，可以进一步将白渣精炼时间控制在50min。
白渣精炼完成后，在67Pa真空度下控制氩气流量为20～40NL/min对钢液软吹20～30min，放散后加入钢包覆盖剂，在10～40NL/min氩气流量下软吹30～40min；
本实施例使用的钢包覆盖剂的成分按质量百分含量包括：SiO2：20.00～30.00％、CaO：23.00～33.00％、Al2O3：8.00～20.00％、C：10.00～20.00％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。钢包覆盖剂起到保温、隔绝空气的作用，能减少钢液温降损失，防止钢液二次氧化。
本实施例采用CaO 46～55％，SiO2≤7％，Al2O332～38％，MgO≤8％的精炼渣系，能充分吸附夹杂物，进一步提升成品钢的纯净度，使非金属夹杂物级别进一步降低。
实施例5
本实施例与实施例4的区别仅在于，本实施例机床用高端轴承钢材料的生产工艺模铸过程中：
软吹后的钢液全程在压力为0.02～0.03MPa氩气保护下进行浇注，氩气保护罩下沿与喇叭嘴砖上沿距离≤200mm；
铸锭使用Ⅰ类钢锭模，模温保证在30～80℃，钢锭模内表面清理干净。坐模时，尾砖眼与模底水扣眼必须对齐，绝热板装配与帽口下沿平齐，缝隙塞严，等待浇注时钢锭模帽口上用铁板盖严，防止粉尘进入钢锭模。
浇注时钢液温度为1505～1510℃，模铸过程中，使用轴承钢专用保护渣并采用吊挂方式浇注，吊挂的高度距模底250～300mm；开浇回流要及时，开浇后调整好注流，严禁在浇注过程忽大忽小的调流，保证浇筑过程中钢液平稳上升。注意帽口补缩，在保证不散流的情况下，帽口补缩时间控制在240s。
本实施例采用模铸浇铸工艺，能充分解决连铸浇铸过程中蓄水口问题，同时采用模铸工艺浇铸钢锭，铸锭内碳化物偏析比连铸工艺小，能为轧制过程控制碳化物提供良好的组织。
实施例6
本实施例与实施例5的区别仅在于，本实施例机床用高端轴承钢材料的生产工艺一次加热轧制开坯过程中：
模铸得到的钢锭依次放入均热坑，使所有钢锭在700℃以下保温90min，使所有钢锭具有均匀恒定的温度，然后以75℃/h的升温速度将钢锭加热到850℃并保温30min，降低钢锭表面与内部的温度差，提高均热效果；然后在3～5h内将钢锭加热到1230～1240℃，保温9～14h，利用高温扩散改善碳化物偏析，提高碳化物均匀性，保温完成后出钢，将钢锭轧制开坯形成块状钢坯，开坯后钢坯截面尺寸220mm×220mm～245mm×245mm；
本实施例二次加热轧制成材过程中：
钢坯在预热段500～800℃保温75～90min，然后进入二次加热段，其中1段加热至900～1120℃并保温100～120min，2段加热至1200～1220℃并保温110～130min，进入均热段温度为1180～1200℃并保温115～135min，出炉温度为1120～1200℃；开轧温度为1120℃，轧制过程中穿水冷却，控制冷却速度，控制碳化物析出，终轧温度为780℃。
本实施例采用两次加热轧制工艺，一次加热轧制开坯高温扩散时间9～14小时，二次加热轧制高温扩散时间115分钟以上，二次加热轧制的总加热时间≥390分钟，二次轧制过程穿水冷却，控制冷却速度，控制碳化物析出。通过两次高温扩散，控冷轧制，碳化物能得到有效扩散，使碳化物水平进一步得到提升，同时低倍质量好。
实施例7
本实施例与实施例6的区别仅在于，本实施例机床用高端轴承钢材料的球化退火过程中：
根据轧制后钢材的重量设置钢材在810±10℃的保温时间，设保温时间为T，则T＝10+Q/2，式中Q为钢材的重量，单位为吨；
然后以10～15℃/h的降温速度降至710±10℃，钢材在710±10℃的保温时间为其在810±10℃的保温时间的1.5倍，再以15～20℃/h的降温速度降至500℃并保温1h，最后随炉冷却3h后出炉空冷。
本实施例经过球化等温退火，即将钢加热到AC1以上20℃，保温10+Q/2时间后，随炉以小于20℃/h的速度冷却到Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍，等温后随炉冷至500℃保温1小时，并在炉内自然冷却3小时左右出炉空冷后，能够消除热轧后硬而脆的片层状珠光体与网状渗碳体。且经球化等温退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，与片状珠光体比不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件也不易变形和开裂。
实施例8
本实施例提供了一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，所述生产工艺包括电炉→LF精炼及VD工艺→模铸→热送/罩冷→一次加热轧制开坯→缓冷→二次加热轧制→球化退火；
电炉过程中：
将30吨生铁、铁水或钢铁料装入电炉，钢铁料使用非含Ti钢种组别料；当钢液温度≥1580℃且C含量≥0.30％时将氧化渣放掉，开始电炉出钢，出钢过程中电炉内留钢量在7吨以上，防止出钢过程中将氧化渣带出；出钢过程中随出钢钢液增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰；
在出钢3～5吨时依次加入碳粉、100Kg新型复合渣和30Kg铝锭；在出钢10～15吨时加入合金；在出钢20～25吨时再次加入200Kg新型复合渣和300Kg白灰；其中增碳以LF精炼位到位C含量为0.85～0.95％控制碳粉的加入量，LF精炼位到位铝含量为0.030～0.040％。
本实施例中新型复合渣的成分按质量百分含量包括：CaO：46％、MgO：2.2％、Fe2O3：0.6％、Al2O3：40％、SiO2：0.2％，H2O：0.17％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
合金的加入量以LF精炼位到位除Si之外的化学成分达到规格下限控制，本实施例轴承钢的化学成分设计规格(质量百分含量％)如表1所示：
表1
元素 C Si Mn Cr Ni Mo Al Cu P S
下限 0.95 0.15 0.25 1.45 0.05 0.02 0.010 0.06 ≤ ≤
上限 1.05 0.35 0.45 1.60 0.10 0.06 0.050 0.10 0.010 0.008
元素 Nb Y Ce Ti O As Sn Sb Pb Ca
下限 0.010 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤
上限 0.045 0.020 0.010 0.0015 0.0020 0.040 0.030 0.0050 0.0020 0.0010
本实施例使用的合金包括低钛高铬和中碳锰铁；
本实施例使用的低钛高铬FeCr55C0.25II的成分按质量百分含量包括：Cr：60.2％、C：0.18％、Si：0.7％、P：0.03％、S：0.02％、Ti：0.003％，其余为Fe及不可避免杂质；
本实施例使用的中碳锰铁FeMn78C2.0的成分按质量百分含量包括：Mn：79.45％、C：1.47％、Si：1.62％、P：0.191％，其余为Fe及不可避免杂质。
以吨钢加入量单位计，低钛高铬加入量为19.5Kg/t，中碳锰铁加入量为2.3Kg/t，
LF精炼及VD工艺过程中：
钢液到达精炼位后开始升温，升温过程中加入硅铁，本实施例使用的硅铁TFeSi75-A的成分按质量百分含量包括：Si：76.7％、C：0.01％、Ti:0.013％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质，硅铁以吨钢加入量单位计，加入量为；1.8Kg/t。
精炼位升温至1550℃，加入250Kg新型复合渣化渣，炉渣化好后分批加入扩散脱氧剂进行造渣，扩散脱氧剂包括铝粒、碳粉按重量比1:1组成的混合物和碳粉、硅粉按重量比1:1组成的混合物；根据精炼渣系的造渣情况在精炼前期使用铝粒、碳粉30～40kg混合脱氧，后期使用碳粉、硅粉60～80kg混合脱氧；
当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO 46～55％，SiO2≤7％，Al2O332～38％，MgO≤8％时开始控制白渣精炼时间以实现钢液脱氧；白渣精炼时间为30min以上，为保证钢液在精炼位脱氧充分，可以进一步将白渣精炼时间控制在50min。
白渣精炼完成后，在67Pa真空度下控制氩气流量为20～40NL/min对钢液软吹20～30min，放散后加入钢包覆盖剂，在10～40NL/min氩气流量下软吹30～40min；
本实施例使用的钢包覆盖剂的成分按质量百分含量包括：SiO2：20.00～30.00％、CaO：23.00～33.00％、Al2O3：8.00～20.00％、C：10.00～20.00％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
模铸过程中：
软吹后的钢液全程在压力为0.02～0.03MPa氩气保护下进行浇注，氩气保护罩下沿与喇叭嘴砖上沿距离≤200mm；
铸锭使用Ⅰ类钢锭模，模温保证在30～80℃，钢锭模内表面清理干净。坐模时，尾砖眼与模底水扣眼必须对齐，绝热板装配与帽口下沿平齐，缝隙塞严，等待浇注时钢锭模帽口上用铁板盖严，防止粉尘进入钢锭模。
浇注时钢液温度为1505～1510℃，模铸过程中，使用轴承钢专用保护渣并采用吊挂方式浇注，吊挂的高度距模底250～300mm；开浇回流要及时，开浇后调整好注流，严禁在浇注过程忽大忽小的调流，保证浇筑过程中钢液平稳上升。注意帽口补缩，在保证不散流的情况下，帽口补缩时间控制在240s。
一次加热轧制开坯过程中：
模铸得到的钢锭依次放入加热炉，使所有钢锭在700℃以下保温90min，使所有钢锭具有均匀恒定的温度，然后以75℃/h的升温速度将钢锭加热到850℃并保温30min，降低钢锭表面与内部的温度差，提高均热效果；然后在3～5h内将钢锭加热到1230～1240℃，保温9～14h，利用高温扩散改善碳化物偏析，提高碳化物均匀性，保温完成后出钢，将钢锭轧制开坯形成块状钢坯，入缓冷坑缓冷；
二次加热轧制成材过程中：
钢坯在预热段500～800℃保温75～90min，然后进入二次加热段，其中1段加热至900～1120℃并保温100～120min，2段加热至1200～1220℃并保温110～130min，进入均热段温度为1180～1200℃并保温115～135min，出炉温度为1120～1200℃；开轧温度为1120℃，轧制过程中穿水冷却，控制冷却速度，控制碳化物析出，终轧温度为780℃。
球化退火过程中：
根据轧制后钢材的重量设置钢材在810±10℃的保温时间，设保温时间为T，则T＝10+Q/2，式中Q为钢材的重量，单位为吨；
然后以10～15℃/h的降温速度降至710±10℃，钢材在710±10℃的保温时间为其在810±10℃的保温时间的1.5倍，再以15～20℃/h的降温速度降至500℃并保温1h，最后随炉冷却3h后出炉空冷。
检验本实施例生产的成品轴承钢的化学成分(质量百分含量％)，结果如表2所示：
表2
炉次\成分 C Si Mn Cr Ni Mo Al Cu P S
1# 0.99 0.19 0.3 1.48 0.07 0.05 0.014 0.06 0.010 0.003
炉次\成分 Nb Y Ce Ti O As Sn Sb Pb Ca
1# 0.015 0.009 0.005 0.0010 0.0006 0.001 0.01 0.001 0.01 0.0005
本实施例生产的轴承钢与GB/T18254条件下GCr15材料对比，在原材料的基础上，增加了Ni、Mo元素及稀土元素，严格控制Al、Cu含量，为材料提供良好的力学性能指标。
图1为本实施例生产的机床用高端轴承钢材料的低倍照片；其低倍组织中心疏松评级为1.0级，一般疏松评级为0级，偏析评级为0级。由此可知，本实施例制备的轴承钢材料具有良好的低倍组织，说明材料更致密。
将本实施例生产的机床用高端轴承钢材料按照GB/T18254-2002取样要求切取金相试样，抛光表面的宽度方向与热加工轴线平行后，将其放在高质量的金相显微镜下观察，用图像分析仪采集明场图像，放大100倍进行观察，夹杂物检验结果如表3所示，
表3
A细 A粗 B细 B粗 C细 C粗 D细 D粗 Ds TiN≤19um个数
0 0 0.5 0 0 0 0.5 0.5 0 0
0 0.5 0 0 0 0 0.5 0.5 0 0
0 0.5 0.5 0 0 0 0.5 0.5 0 0
0 0 0 0 0 0 0.5 0.5 0 0
0 0 0 0 0 0 0.5 0.5 0 0
0 0 0.5 0 0 0 0.5 0.5 0 0
图2为本实施例生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下放大100倍的非金属夹杂物检验照片；该图片中非金属夹杂物的长度为35μm，为B类夹杂物。图3为本实施例生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下放大100倍的非金属夹杂物检验照片；该图片中非金属夹杂物的长度为10μm，为DS夹杂物。
由此可以看出，本实施例工艺方法生产的轴承钢材料的非金属夹杂物尺寸较小，钢材料具有较高的纯净度，可以使钢材料的抗拉强度、坯料强度等性能得到进一步的提升。
在进行显微镜下通过观察比较特征碳化物的形状，及其与基体之间的灰度差来完成特征碳化物的鉴别与评级。
图4为本实施例生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅰ放大100倍的碳化物带状图片，该图片显示碳化物带状的评级结果为1.0级；图5为本实施例生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅱ放大100倍的碳化物带状图片，该图片显示碳化物带状的评级结果为1.0级。
图6为本实施8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅱ放大200倍的碳化物网状图片，该图片显示碳化物网状的评级结果为1.0级；图7为本实施8生产的机床用高端轴承钢材料在金相显微镜下采集到的明场图像Ⅳ放大500倍的碳化物网状图片，该图片显示碳化物网状的评级结果为1.5级。
由此可知，本实施例制备的钢材料具有较好的碳化物带状及网状评级结果，这说明钢材料中的碳化物分布较为均匀，可以使钢材料的尺寸稳定性与组织稳定性得到进一步的提升。本发明工艺生产的新材料，能够为进一步加工生产轴承套圈或滚动体等提供更高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度，高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，一定的冲击韧性；良好的尺寸稳定性或组织稳定性；可有效降低材料疲劳剥落、卡死等现象。适宜制造机床用轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针。

Claims (10)

1.一种机床用高端轴承钢材料，其特征在于，所含化学成分按质量百分含量包括C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.25～0.45％、Cr：1.45～1.60％、Ni：0.05～0.10％、Mo：0.02～0.06％、Al：0.010～0.050％、Cu：0.06～0.10％、P≤0.010％、S≤0.008％、Nb：0.010～0.045％、Y≤0.020％、Ce≤0.010％、Ti≤0.0015％、O≤0.0020％、As≤0.040％、Sn≤0.030％、Sb≤0.0050％、Pb≤0.0020％、Ca≤0.0010％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.一种如权利要求1所述的机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，所述生产工艺包括电炉→LF精炼及VD工艺→模铸→热送/罩冷→一次加热轧制开坯→缓冷→二次加热轧制→球化退火；
所述电炉过程中：
电炉装入生铁、铁水或钢铁料，当钢液温度≥1580℃且C含量≥0.30％时将氧化渣放掉，开始电炉出钢，出钢过程中随出钢钢液增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰；
所述LF精炼及VD工艺过程中：
钢液到达精炼位后升温至1550℃，加入硅铁、新型复合渣化渣，炉渣化好后分批加入扩散脱氧剂进行造渣，当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO46～55％，SiO2≤7％，Al2O332～38％，MgO≤8％时开始控制白渣精炼时间以实现钢液脱氧；白渣精炼后，在一定真空度下控制氩气流量对钢液进行软吹，放散后加入钢包覆盖剂，继续在一定氩气流量下软吹一定时间；
所述模铸过程中：
软吹后的钢液全程在氩气保护下进行浇注，浇注时钢液温度为1505～1510℃，浇注过程保证钢液平稳上升并控制一定的帽口补缩时间；
所述一次加热轧制开坯过程中：
将温度均匀恒定的钢锭以一定的升温速度加热到850℃并保温一定时间，然后在一定升温时间内加热到1230～1240℃，保温一定时间后出钢轧制开坯；
所述二次加热轧制成材过程中：
钢坯在预热段保温一定时间后进入二次加热段，其中1段加热至900～1120℃并保温100～120min，2段加热至1200～1220℃并保温110～130min，进入均热段温度为1180～1200℃并保温115～135min，出炉温度为1120～1200℃；开轧温度为1120℃，轧制过程中穿水冷却，终轧温度为780℃；
所述球化退火过程中：
根据轧制后钢材的重量设置钢材在810±10℃的保温时间，然后以一定的降温速度降至710±10℃，钢材在710±10℃的保温时间为其在810±10℃的保温时间的1.5倍，再以一定降温速度降至500℃并保温1h，最后随炉冷却、出炉空冷。
3.根据权利要求2所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，电炉过程中，所述增碳、加新型复合渣、铝锭、合金和白灰的时间为：
在出钢3～5吨时依次加入碳粉、新型复合渣和铝锭；在出钢10～15吨时加入合金；在出钢20～25吨时再次加入新型复合渣和白灰；其中增碳以LF精炼位到位C含量为0.85～0.95％控制碳粉的加入量，合金的加入量以LF精炼位到位除Si之外的化学成分达到规格下限控制，LF精炼位到位铝含量为0.030～0.040％。
4.根据权利要求2或3所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，所述合金包括低钛高铬和中碳锰铁；
所述低钛高铬的成分按质量百分含量包括：Cr：60.2％、C：0.18％、Si：0.7％、P：0.03％、S：0.02％、Ti：0.003％，其余为Fe及不可避免杂质；
所述中碳锰铁的成分按质量百分含量包括：Mn：79.45％、C：1.47％、Si：1.62％、P：0.191％，其余为Fe及不可避免杂质。
5.根据权利要求4所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，电炉过程中，所述新型复合渣的成分按质量百分含量包括：CaO：46％、MgO：2.2％、Fe2O3：0.6％、Al2O3：40％、SiO2：0.2％，H2O：0.17％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
6.根据权利要求5所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，LF精炼及VD工艺过程中，所述硅铁的成分按质量百分含量包括：Si：76.7％、C：0.01％、Ti:0.013％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质；
所述扩散脱氧剂包括铝粒、碳粉按重量比1:1组成的混合物和碳粉、硅粉按重量比1:1组成的混合物；根据精炼渣系的造渣情况在精炼前期使用铝粒、碳粉混合脱氧，后期使用碳粉、硅粉混合脱氧；所述白渣精炼时间为30～50min。
7.根据权利要求6所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，LF精炼及VD工艺过程中，所述真空度≤67Pa，所述真空下氩气流量为20～40NL/min，真空下软吹时间为20～30min；所述放散后氩气流量为10～40NL/min，放散后软吹时间为30～40min；所述钢包覆盖剂的成分按质量百分含量包括：SiO2：20.00～30.00％、CaO：23.00～33.00％、Al2O3：8.00～20.00％、C：10.00～20.00％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质。
8.根据权利要求7所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，模铸过程中，保护氩气的压力为0.02～0.03MPa，使用轴承钢专用保护渣并采用吊挂方式浇注，
所述轴承钢专用保护渣的成分按质量百分含量包括：SiO2：34.00～44.00％、CaO：9.00～19.00％、Al2O3≤12.00％、C：11.00～21.00％、MgO≤8.00％，其余为其他金属氧化物及不可避免杂质；
所述吊挂的高度距模底250～300mm；所述帽口补缩时间为240s。
9.根据权利要求8所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，一次加热轧制开坯过程中，所述温度均匀恒定的钢锭是在500～700℃保温90min达到温度均匀恒定；所述升温速度为75℃/h；所述850℃的保温时间为30min；所述升温时间为3～5h；所述1230～1240℃的保温时间为9～14h；
二次加热轧制成材过程中：所述预热段钢坯的温度为500～800℃，保温时间为75～90min。
10.根据权利要求9所述一种机床用高端轴承钢材料的生产工艺，其特征在于，球化退火过程中所述钢材在810±10℃的保温时间为T，T＝10+Q/2，式中Q为钢材的重量，单位为吨；所述降温至710±10℃的降温速度为10～15℃/h；所述降温至500℃的降温速度为15～20℃/h。
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