CN110777300B - 制作高碳铬轴承钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种制作高碳铬轴承钢的方法，属于钢铁制造领域。该方法包括在钢水结晶过程分别进行首端电磁搅拌和末端电磁搅拌，且在钢水凝固的末端控制轻压下区间的总压下量。然后通过对铸坯进行加热炉加热，使铸坯的心部和表面温度均匀化，促进铸坯中的偏析组织得到有效扩散。铸坯出炉后直接进行轧制处理。示例中通过对钢水的凝结过程、铸坯的加热炉加热以及轧制过程进行选择性的调控，使所得钢的冷加工性能、热加工性能得到改善，同时还提高轴承的疲劳寿命。

Description

制作高碳铬轴承钢的方法

技术领域

本申请涉及钢铁制造领域，具体而言，涉及一种制作高碳铬轴承钢的方法。

背景技术

高碳铬轴承钢的钢坯在冷却凝固时会发生结晶偏析，并且在热轧变形时沿轧制方向延伸形成碳化物富集带。这些碳化物富集带被称之为碳化物带状。碳化物带状的存在将会直接影响钢的冷、热加工性能，进而降低轴承的疲劳寿命。

对于碳化物带状的问题，目前主要是通过坯料的高温扩散处理抑制上述问题的发生。具体地，通过延长高温段的保温时间来改善碳化物带状。这种方法能改善带状质量，但是不能稳定控制碳化物带状级别，经常会出现高级别(≥3.0级)的碳化物带状，不能稳定满足高端客户≤2.5级，甚至≤2.0级的要求。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

基于上述的不足，本申请提供了一种制作高碳铬轴承钢的方法，以部分或全部地改善、甚至解决针对特定成分、特定截面规格的轴承钢，如何优化工艺，低成本、高效率的细化碳化物带状组织的问题。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请的示例提供了一种制作高碳铬轴承钢的方法。该高碳铬轴承钢按质量百分比计的化学成分构成如下：C：0.95～1.05％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.35～1.65％，Ti≤0.0025％，O≤0.0007％，余量的Fe及不可避免的杂质。

其制作方法包括：

在结晶器中对钢水进行结晶，结晶过程中结合进行搅拌和轻压下操作以获得断面规格为280mm×280mm的铸坯，其中，搅拌操作限定如下：首端电磁搅拌器的搅拌电流为300±20A、搅拌频率为2.5±0.2Hz，末端电磁搅拌器的搅拌电流为400±20A、搅拌频率为5.0±0.3Hz，轻压下操作限定如下：在钢水凝固的末端控制轻压下区间的总压下量为12mm至16mm。

通过对铸坯进行加热炉加热，使铸坯的心部和表面温度均匀化而促进铸坯中的碳化物带状组织扩散，其中，铸坯加热的总时间为300min至460min，热处理过程中经历了时长为150min至280min、温度为1200℃至1260℃的高温段。

铸坯在加热炉加热后趁热进行6次粗轧处理，且每次轧制的压下率25％至40％。

上述工艺中，电磁搅拌能够改善消除结晶器内钢水的过热度、提高铸坯的等轴晶率，从而改善成品的性能，以得到良好凝固组织的铸坯。轻压下的操作则可消除或减轻凝固收缩形成中心孔隙，同时轻压下所产生的凝固壳挤压作用破坏了树枝间的搭桥，使凝固末端与液相穴上部保持联通有利于补偿，从而达到使中心结构致密，以消除或减轻铸坯中心疏松和中心偏析的目的。将轻压下的总量控制在上述范围可以避免压下量过大导致裂纹，而压下量太小使偏析的改善效果减小的情况。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的实施方式中，钢水的过热度控制为10℃至30℃。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的实施方式中，钢水结晶过程中的拉速为0.85±0.1m/min。

结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实施方式，在本申请的第一方面的第三种可能的实施方中，在钢水结晶制作铸坯的过程中，比水量控制为0.24±0.02L/Kg。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的实施方式中，方法包括：在粗轧处理之后进行8至16道次的连续轧机轧制，并控制终轧温度在900℃以上。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第五种可能的实施方式中，高碳铬轴承钢的碳化物带状组织的级别在2.0级以下。

有益效果：

在以上的高碳铬轴承钢制作过程中，在连铸阶段通过对钢水凝固过程的控制可以改善铸坯的整体成分的均匀性，从而减少成分偏析、改善碳化物的原始组织形貌。进一步对铸坯进行加热炉加热则可以使铸坯中的偏析组织(分布在表面和心部等区域)扩散而分布均匀。并且，经过后续的轧制操作可以使碳化物带状组织被充分挤压、破碎。结合上述工艺步骤的共同作用，最终所获得的轴承钢中的碳化物带状分布均匀、颗粒细小，且评级≤2.0级，并由此获得了好的加工性能，且有利于改善疲劳寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请实施例1中轴承钢的碳化物带状示意图；

图2为本申请实施例2中轴承钢的碳化物带状示意图；

图3为本申请对比例6中轴承钢的碳化物带状示意图；

图4为本申请对比例2中轴承钢的碳化物带状示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下针对本申请实施例的制作高碳铬轴承钢的方法进行具体说明：

由钢水凝固(结晶)为铸坯是钢材生产的重要工艺环节之一。通常地，这可以通过两种方法来实现：模铸法和连续铸钢法(简称连铸，Continuous casting)。

连铸具有可显著提高金属收得率，改善铸坯质量，节约能源等显著优势。连铸工艺一般包括将装有精炼好的钢水的钢包运至回转台，回转台转动到相应的浇注位置后，将钢水注入中间包。中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中。连铸通常由连铸机来实施，而结晶器则是连铸机的重要设备之一。在结晶器中，钢水迅速凝固、结晶并成形。拉矫机则可将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的铸坯。

不同钢种在不同的使用领域中往往存在不同的性能要求，例如，对于高碳轴承钢而言，通常希望其具有出色的冷、热加工性能，并且还应当具有高的疲劳寿命。然而，发明人发现由于其具有高的碳含量，因此，其钢坯/铸坯在形成过程会发生结晶偏析，而在热轧变形时则会沿轧制方向延伸而形成碳化物富集带/碳化物带状。这些问题都导致高碳轴承钢在上述性能方面难以取得更适用的效果。

对该问题，发明人尝试通过坯料高温扩散来控制轴承钢碳化物带状。例如，对铸坯进行加热炉加热，延长其在高温段的保温时间来改善碳化物带状。实践证明这种方法能够在一定程度上改善钢的带状质量，但是却不能稳定地控制碳化物带状级别，经常会出现高级别(≥3.0级)的碳化物带状，不能稳定满足高端客户≤2.5级，甚至≤2.0级的要求，且钢的质量也不易进一步提高。

而钢坯作为制作钢材的前端产品，控制钢坯的偏析组织将有助于最终钢产品质量的提高。有鉴于此，发明人提出了一种抑制铸坯中碳化物带状组织生长的方法。其中抑制碳化物并非意味着可能完全地避免碳化物的生产，而是能够相比于既有方案取得进步。例如，碳化物带状分布更均匀，且呈细小的颗粒状。

由于铸坯由钢水通过连铸机制作，因此，本申请示例中的方法也主要涉及对连铸机的连铸参数进行控制，且包括如下限定：

第一限定：恒温、恒拉速浇注。

第二限定：在钢水凝结过程中分别执行首端电磁搅拌和末端电磁搅拌。

第三限定：在钢水凝结的末端进行轻压下操作。

在一些具体的可选示例中，上述方法可以被用于制作具有特定化学组成的高碳轴承钢，例如高碳铬轴承钢的化学组分构成如下：C：0.95～1.05％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.35～1.65％，Ti≤0.0025％，O≤0.0007％，余量为Fe及不可避免杂质。

对于能够用以制作具有上述特定的化学组分的铸坯而言，其对应连铸参数可被控制如下。第一限定中，恒温操作的温度为1464℃至1484℃，恒拉速操作的速度为0.75m/min至0.95m/min。第二限定中，首端电磁搅拌的条件为300±20A，2.5±0.2Hz，末端电磁搅拌的条件为400±20A，5.0±0.3Hz。第三限定中，轻压下操作的总压下量为14毫米。

进一步地，在连铸过程中，当铸坯经过二冷区时还可以对比水量进行控制，以便调整冷却强度、凝固时间，从而调整表面温度分布，控制裂纹和成分偏析。因此，另一些示例中，连铸参数还包括第四限定：比水量为0.24±0.02升/千克。

通过验证，选择上述方法可以从整体上对铸坯的质量进行控制，如使后续的钢产品中的成分更均匀、偏析的情况被削弱，从而达到从源头改善碳化物带状的原始组织。

基于上述铸坯的碳化物带状组织控制方法，其被应用于制作高碳铬轴承钢，由此，示例中公开了一种制作高碳铬轴承钢的方法。其中，高碳铬轴承钢按质量百分比计的化学成分构成如下。C：0.95～1.05％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.35～1.65％，Ti≤0.0025％，O≤0.0007％，余量的Fe及不可避免的杂质。

示例性地，高碳铬轴承钢的化学成分构成也可以是如下所示。C：0.99～1.02％，Si：0.18～0.31％，Mn：0.27～0.40％，P≤0.018％，S≤0.003％，Cu≤0.22％，Ni≤0.08％，Cr：1.36～1.60％，Ti≤0.0021％，O≤0.0005％，余量的Fe及不可避免的杂质。

或者，高碳铬轴承钢的化学成分构成也可以是如下所示。C：0.95～1.01％，Si：0.20～0.28％，Mn：0.25～0.38％，P≤0.016％，S≤0.002％，Cu≤0.20％，Ni≤0.06％，Cr：1.38～1.57％，Ti≤0.0016％，O≤0.0003％，余量的Fe及不可避免的杂质。

或者，高碳铬轴承钢的化学成分构成也可以是如下所示。C：0.98～1.01％，Si：0.22～0.25％，Mn：0.29～0.32％，P≤0.010％，S≤0.002％，Cu≤0.20％，Ni≤0.06％，Cr：1.38～1.57％，Ti≤0.0016％，O≤0.0003％，余量的Fe及不可避免的杂质。

以上仅仅是示例性地列举了高碳铬轴承钢的可选化成分构成，其它未被描述的成分构成也在所要求的范围内。

对于前述的轴承钢，本申请示例所公开的制作方法主要包括三个主要步骤，分别为铸坯制作，铸坯热处理(下述为加热)以及铸坯轧制。

其中，S101铸坯制作的步骤如下所示。

应当指出的是，在铸坯过程中，发明人发现铸坯的具体尺寸规格对其制作以及后续的处理过程具有显著的影响。换言之，在不同的铸坯尺寸规格情况下，其工艺参数条件需要进行调整，且并不能直接地由一种规格尺寸的工艺而直接推断在其它规格尺寸下的工艺。其中的尺寸规格是指制作的铸坯的断面形状尺寸，例如，在本申请示例中，铸坯规格是断面为280mm×280mm的方坯。

铸坯的生产过程中是钢水在结晶器中开始凝固。可选地对钢水的过热度进行控制，以在一定程度上控制铸坯的质量。一方面，过热度过小会使钢水容易受到夹杂物的污染，并且因此导致水口堵塞。这样的问题在连铸过程的开浇初期，中间包尚未充分“热透”时，表现的尤为明显。另一方面，太大的过热度将使铸坯出现严重的中心偏析，从而可能导致拉漏或者因使坯壳变薄且可能出现裂纹。针对本申请示例中给出的特定化学组成的高碳铬轴承钢在连铸阶段，待结晶凝结的钢水的过热度控制为10℃至30℃(如11℃、12℃、13℃、16℃、18℃、21℃、24℃、26℃或29℃等)。过热度低，会存在很大的断浇风险；过热度高，会使偏析加重。

在结晶过程中结合搅拌和轻压下操作而获得前述规格的铸坯。

其中的搅拌操作主要包括首端电磁搅拌和末端电磁搅拌。首端电磁搅拌器的搅拌电流为300±20A(例如是300A、306A、311A、315A、320A、297A、293A、286A、284A或280A)、搅拌频率为2.5±0.2Hz(例如可以是2.4Hz、2.5Hz或2.6Hz)。末端电磁搅拌器的搅拌电流为400±20A(或者是386A、393A、396A、402A、407A、411A、415A或418A)、搅拌频率为5.0±0.3Hz(可选地为4.7Hz、4.9Hz、5.1Hz、5.2Hz或5.3Hz)。轻压下操作是：在钢水凝固的末端控制轻压下区间的总压下量为12mm至16mm(如11毫米、12毫米、13毫米、14毫米、15毫米或16毫米)。

进一步地，根据工艺的调整，在连铸过程中还可以对拉坯速度进行限制(拉速)，以控制铸造速度。拉速是把铸坯从结晶器中拉出的速度。钢水的凝固速度决定了铸坯脱离结晶器时的坯壳厚度。并且，随着拉速的增加，坯壳的厚度也逐渐减小，并且还易产生过大的变形，同时又会造成铸坯内部的疏松和缩孔。示例中拉速控制在0.75米/分钟至0.95米/分钟(或者为0.76米/分钟、0.79米/分钟、0.82米/分钟、0.85米/分钟、0.87米/分钟、0.91米/分钟、0.93米/分钟或0.94米/分钟等)。拉速过高则会使坯壳厚度薄、浇次过程变形大，容易出现漏钢；拉速过低会导致生产效率下降。

或者，连铸过程中还可以控制比水量以控制铸坯性能。例如比水量控制为0.24±0.02L/Kg。

其中，S102铸坯加热步骤如下。

铸坯通过加热炉加热主要是通过对铸坯选择适当的方式加热，以便使铸坯的心部和表面均匀受热，即其整体的温度均匀化。本申请示例中限定额定温度均匀化主要是指心部和表面的温度接近，且温差≤20℃。

通过使铸坯整体均匀受热，能够促进铸坯中的偏析组织扩散，因此，经过加热炉加热可以使偏析组织扩散充分。

通常地，对铸坯的加热可以由常温(室温)逐渐升温，然后在一定温度下保温一端时间。例如，通过控制加热设备的加热程序，使铸坯依次经历低温段、中温段以及高温段。其中，低温段的温度例如是由室温连续地升温至700℃，且升温时间可以控制为大于80分钟。中温段的温度例如是由700℃连续地升温至1200℃，且升温时间可以控制为大于60分钟。实践中，该加热过程的高温段对铸坯中的碳化物带状具有明显的改善作用。

本申请示例中对铸坯的加热炉加热参数条件为：加热的总时间为300min至460min(可选的加热时间为305分钟、308分钟、312分钟、315分钟、322分钟、328分钟、336分钟、349分钟、357分钟、362分钟、374分钟、385分钟、394分钟、413分钟、428分钟、439分钟、449分钟、453分钟或458分钟)。

特别地，示例中，在加热过程中铸坯还经历了时长为150min至280min(156分钟、162分钟、168分钟、172分钟、185分钟、196分钟、201分钟、213分钟、228分钟、239分钟、243分钟、256分钟、267分钟或269分钟)、温度为1200℃至1260℃(1205℃、1213℃、1226℃、1234℃、1244℃或1258℃)的高温段保温(即高温扩散)。

步骤S103、对加热后铸坯进行轧制。

通过本步骤的轧制处理，铸坯被充分轧透，以使铸坯由表面到心部带状充分挤压、破碎，形成细小、均匀的碳化物带状。轧制结束后，形成分布均匀、颗粒细小的碳化物带状。

示例中，将加热炉加热后的铸坯直接进行6次粗轧处理，且每次轧制的压下率25％至40％(如26％、28％、29％、33％、35％、38％或39％)。进一步地，在上述轧制(粗轧)之后，上述方法还可以进行轧制处理。即制作高碳铬轴承钢的方法还步骤S104，即在粗轧处理之后进行8至16道次(9道次、10道次、11道次、12道次、13道次、14道次或15道次)的连续轧机轧制，并控制终轧温度在900℃以上(需说明的是，终轧温度不会超过1020℃)。

通过上述工艺步骤，能够得到碳化物带状组织级别在2.0级以下的高碳铬轴承钢，且级别相对比较稳定，钢质量也相对较佳。

以下结合实施例对本申请的高碳铬轴承钢作进一步的详细描述。

实施例1

高碳铬轴承钢组成构成如下。C(碳):1.01％；Si(硅):0.24％；Mn(锰):0.35％；P(磷):0.012％；S(硫):0.002％；Cu(铜):0.02％；Ni(镍):0.04％；Cr(铬):1.48％；Ti(钛):0.0013％；O(氧):0.0006％，余量为铁和不可避免的杂质。

其制作方法如下：

1、连铸工艺。

采取恒温(1474℃-1478℃)、恒拉速控制，钢水过热度控制在20至24℃，拉速恒定0.85m/min，结晶器电磁搅拌(M-EMS)参数控制为300A/2.5Hz，末端搅电磁搅拌(F-EMS)参数为400A/5.0Hz，比水量0.24L/Kg。

同时采用末端轻压下工艺，根据钢种特性设定凝固末端轻压下总压下量为14mm。最终获得断面规格为280×280mm铸坯。

2、铸坯加热工艺

对上述步骤制备的铸坯进行适当的高温(1230±30℃)扩散，得到粗坯。高温段加热温度控制在1216℃，其中高温段时间162min，加热总时间323min。

3、粗轧工艺。

对粗坯进行轧制，在此轧制过程中其温度逐渐由1162℃下降至1048℃。设定粗坯进行6道次轧制，且在6道次的粗轧过程中每一道次的压下率为25-40％(具体为34％、35％、38％、36％、27％、26％)。

轧制结束后，通过检测钢中的形成分布均匀、颗粒细小的碳化物带状，且碳化物带状级别≤2.0级。

本申请的其它示例和对比例中的高碳铬轴承钢的制作流程按照实施例1的方法实施，区别在于具体的钢种的化学成分构成和工艺参数，并且分别列于下述表1中。

表1钢材主要化学成分(/％)

成分	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Ti	O
											实施例1	1.01	0.24	0.35	0.012	0.002	0.02	0.04	1.48	0.0013	0.0006
实施例2	1.01	0.24	0.35	0.009	0.003	0.02	0.02	1.49	0.0015	0.0005
											实施例3	1	0.24	0.35	0.008	0.002	0.02	0.05	1.48	0.0016	0.0005
对比例1	1	0.24	0.37	0.015	0.002	0.02	0.04	1.47	0.0016	0.0006
											对比例2	1	0.24	0.36	0.01	0.002	0.02	0.06	1.48	0.0014	0.0007
对比例3	1.01	0.25	0.36	0.011	0.002	0.02	0.01	1.5	0.0016	0.0006
											对比例4	1	0.24	0.36	0.012	0.002	0.02	0.01	1.48	0.0015	0.0004
对比例5	0.98	0.23	0.35	0.018	0.002	0.01	0.01	1.48	0.0019	0.0006
											对比例6	0.99	0.21	0.34	0.009	0.001	0.03	0.04	1.49	0.0013	0.0005
对比例7	1	0.21	0.35	0.009	0.002	0.07	0.04	1.47	0.0015	0.0004
											对比例8	1	0.2	0.35	0.014	0.003	0.03	0.04	1.49	0.0013	0.0005

表2轴承钢连铸、加热、轧制生产工艺

上述表2中，各个实施例和对比例中的粗轧温度均以范围值的形式给出。由于粗轧过程中，温度是逐步降低的，因此，前述的温度范围记载了6个道次中的最高温度(第一道次的温度)及最低温度(第6道次的温度)。上述表2中，单道次压下率给出的是6道次的压下率范围，各实施例和对比例中的压下率方式相同，表2未单独给出。

对上述各个示例的轴承钢的碳化物带状的检测结果如表3所示，且部分在附图中被公开。其中，实施例1如图1所示；实施例2如图2所示；对比例2如图4所示；对比例6如图3所示。

表3碳化物带状性质

为了进一步证实和展示本申请示例的制作高碳铬轴承钢的方法的优势，本申请中还进行如实施例4和对比例9-18的高碳铬轴承钢制作。实施例4和对比例9-18所涉及的工艺按照实施例1的方式实施，区别在于具体的钢的化学组成和工艺参数的调整，分别列在表4、表5，而由其获得高碳铬轴承钢的碳化物带状检测结果如表6。

表4钢的主要化学成分(/％)

成分	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Ti	O
											实施例4	1.00	0.3	0.30	0.010	0.002	0.02	0.05	1.5	0.002	0.0005
对比例9	1.00	0.3	0.30	0.010	0.002	0.02	0.05	1.5	0.002	0.0005

对比例10-18的钢的主要化学成分与对比例9相同，表4中不进行赘述。

表5轴承钢连铸、加热、轧制生产工艺

表6碳化物带状性质

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制作高碳铬轴承钢的方法，所述高碳铬轴承钢按质量百分比计的化学成分构成如下：C：0.95～1.05％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.005％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.35～1.65％，Ti≤0.0025％，O≤0.0007％，余量的Fe及不可避免的杂质，其特征在于，所述方法包括：

在结晶器中对钢水进行结晶，结晶过程中进行搅拌和轻压下操作以获得断面规格为280mm×280mm的铸坯，其中，所述搅拌操作限定如下：首端电磁搅拌器的搅拌电流为300±20A、搅拌频率为2.5±0.2Hz，末端电磁搅拌器的搅拌电流为400±20A、搅拌频率为5.0±0.3Hz，所述轻压下操作限定如下：在钢水凝固的末端控制轻压下区间的总压下量为12至16mm；

通过对所述铸坯进行加热炉加热，使铸坯的心部和表面温度均匀化，促进铸坯中的偏析组织得到有效扩散，其中，铸坯加热的总时间为300min至460min，加热过程中经历了时长为150min至280min、温度为1200℃至1260℃的高温段；

所述铸坯在加热炉加热后趁热进行6次粗轧处理，且每次轧制的压下率25％至40％。

2.根据权利要求1所述的制作高碳铬轴承钢的方法，其特征在于，所述钢水的过热度控制为10℃至30℃。

3.根据权利要求1所述的制作高碳铬轴承钢的方法，其特征在于，钢水结晶过程中的拉速为0.85±0.1m/min。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的制作高碳铬轴承钢的方法，其特征在于，在钢水结晶制作所述铸坯的过程中，比水量控制为0.24±0.02L/Kg。

5.根据权利要求1所述的制作高碳铬轴承钢的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述粗轧处理之后进行8至16道次的连续轧机轧制，并控制终轧温度在900℃以上。

6.根据权利要求1所述的制作高碳铬轴承钢的方法，其特征在于，所述高碳铬轴承钢的碳化物带状组织的级别在2.0级以下。

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