CN110983178A - 一种滚珠丝杠轴承用钢及其制造方法 - Google Patents

一种滚珠丝杠轴承用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种滚珠丝杠轴承用钢，合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；棒材产品的制备工艺涉及钢水冶炼、连铸、开坯、热轧、调质、去应力退火等。最终性能满足：棒材表面硬度满足220‑260HBW，棒材金相组织为均匀的索氏体组织，棒材的奥氏体晶粒度≥7级；棒材屈服强度600‑800MPa，抗拉强度800‑900MPa，延伸率≥15％。

Description

一种滚珠丝杠轴承用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及铁基合金中轴承钢的制造。
背景技术
滚珠丝杠副是传动机械中运用滚珠在丝杠与螺母间的滚动来同时实现动力传递、运动转换功能的常用传动装置之一。其同时兼具高精度、高效率和可逆性等特点，已成为各类数控机床、自动化机械以及加工中心驱动过程中的关键执行部件，被广泛应用于汽车、机械、核工业、航空、航天等领域。滚动丝杠副通常是由丝杠轴承、滚珠、螺母及滚珠循环返回装置四个部分组成。
滚珠丝杠轴承作为滚珠丝杠副中关键的部件，滚珠丝杠轴承的表面硬度和耐磨性是影响滚珠丝杠副精度保持性的重要因素。
根据滚珠丝杠轴承的使用条件，对滚珠丝杠轴承的原材料钢材也提出高的要求，滚珠丝杠轴承用钢必须具备下列性能：“高的弹性强度、屈服强度和韧性，并且具备足够的耐磨性”。此外，由于钢中的非金属夹杂物破坏会金属的连续性和均匀性，根据滚珠丝杠轴承的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，容易形成裂纹，降低导轨的使用寿命，因此为提高最终产品的使用寿命，必须提高滚珠丝杠轴承用钢材的纯净度，尽可能降低钢中非金属夹杂物。
滚珠丝杠轴承常用材料有高碳铬轴承钢、中碳钢以及渗碳钢等。高碳轴承钢如GCr15、GCr15SiMn，用于滚珠丝杠轴承生产时，整体经过预处理后，在工作部位进行淬火处理，基本可以满足工作部位所需的高强度、高硬度和耐磨性的要求，但这类轴承钢仅仅能勉强满足接触刚度的性能要求，由于滚珠丝杠轴承与传统轴承有很大差别。例如HRC60的硬化层深度、梯度以及在全行程范围的均匀度很难控制，淬火后弯曲变形难以矫直、轴向伸缩变形难以控制等缺陷，影响最终滚珠丝杠轴承产品质量，甚至导致批量报废，成为制约高精密机械制造业发展的瓶颈。而渗碳轴承钢主要用于需要同时具有表面高接触疲劳强度和心部高韧性的条件。这类钢经过渗碳淬火后表面硬度可以达到60HRC以上，有一定的耐磨性和强度，其使用性能和高碳铬轴承钢相差无几。但由于需要渗碳处理，生产工序复杂且生产成本高昂，不利于推广。而中碳钢经过表面感应加热淬火后，即主要是利用电磁感应原理，以涡流形式将滚珠丝杠轴承表面快速加热至淬火温度，然后急剧冷却，形成一定厚度的表面淬硬层，而心部仍保持原有的组织形态。因此，可以满足滚珠丝杠轴承表层具有高硬度、耐磨性而心部则具有高强韧度配合的综合力学性能要求。
目前，国内外采用的中碳滚珠丝杠轴承用钢主要为50CrMo，其合金元素含量高，属于超高强度的合金结结构钢，调质后强度和韧性高，但由于合金含量高，成本高，此外，由于合金含量高，钢材淬透性高，调质后还容易产生贝氏体组织，后续热处理容易产生变形。
发明内容
本发明以中碳钢为基础，开发一种滚珠丝杠轴承用钢，由此加工得到的滚珠丝杠轴承表面具有高硬度(即具备耐磨性)、高强度的同时，心部具有良好的韧性，满足滚珠丝杠轴承的使用要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种滚珠丝杠轴承用钢，合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明的滚珠丝杠轴承用钢以中碳钢为基础，合金元素包括Mn、Cr、B、V，控制合金的添加量，显著降低成本，成分中各元素的设计依据如下
1)C含量的确定
C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的韧性及延性能带来不利影响。本发明C含量的范围确定为0.45～0.60％，本发明涉及钢材属于中碳钢范畴；
2)Si含量的确定
Si是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的硬度和强度。另外，Si减少摩擦发热时的氧化作用和提高钢的冷变形硬化率从而提高材料的耐磨性。但是，Si含量较高时钢材的韧性降低，而且Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明控制Si含量为0.15～0.40％。
3)Mn含量的确定
Mn作为炼钢过程的脱氧元素，是对钢的强化有效的元素，起固溶强化作用。而且Mn能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn能消除S(硫)的影响：Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS，进而消弱和消除S的不良影响。但Mn含量高，会降低钢的韧性。本发明的Mn含量控制在0.50～0.80％。
4)Cr含量的确定
Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降，本发明Cr含量的范围确定为0.15-0.40％。
5)B含量的确定
B能提高钢的淬透性，还能提高钢的高温强度，并且在钢中能起到强化晶界的作用，本发明B含量的范围确定为0.002-0.006％。
6)V含量的确定
钒是钢的优良脱氧剂。钒还可细化晶粒，提高钢材的强度和韧性。本发明V含量的范围确定为0.02-0.07％。
7)Mo含量的确定
钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。但钼是铁素体形成元素，当钼含量较多时就易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。本发明将Mo含量的范围确定≤0.10％
8)Al含量的确定
Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量过多时，钢水熔炼过程中易形成大颗粒Al2O3等脆性夹杂，降低钢水纯净度，影响成品的使用寿命。本发明Al含量的范围确定为≤0.08％。
9)Ca含量的确定
Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。
10)O含量的确定
氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0010％。
11)P、S含量的确定
P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，但S能提高钢材的切削性能，本发明S含量的范围确定为≤0.015％。
12)As、Sn、Sb、Pb含量的确定
As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。
本发明另外提供一种滚珠丝杠轴承用钢的制造方法，包括如下步骤
(1)钢水冶炼：采用优质铁水、废钢，降低钢水中有害元素含量。
(2)铸坯：将钢水浇铸成钢坯；
(3)开坯：将钢坯开方成中间坯，将钢坯热送至加热炉加热，钢坯入炉温度大于600℃，加热温度1200℃-1240℃，总加热时间不小于3小时，开轧温度在1050-1150℃，终轧温度不低于900℃，轧制压缩比≥2，轧制完成后缓慢冷却；
(4)轧制：将中间坯入炉加热使奥氏体化，轧制开轧温度控制在1000℃-1100℃，终轧温度不低于950℃，轧制成棒材，轧制压缩比≥6，对于轧制规格：直径φ≤70mm的棒材，堆冷，对于轧制规格：直径φ＞70mm的棒材，入坑缓冷24小时以上，使钢中的碳化物或氮化物质点细小、均匀、充分析出，从而细化晶粒并防止钢材出现混晶的情况；
(5)精整：矫直；
(6)调质处理：淬火+回火，其中，淬火加热温度为850-950℃，在炉时间为100-300min，使用淬火环水淬，水温控制在20-30℃；回火加热温度550-650℃，在炉时间200-300min，出炉后空冷至室温；
(7)退火：为消除调质后的内应力进行去应力退火，退火温度400-500℃，保温时间≥3h，随炉冷却至室温后出炉；
(8)车皮+表面探伤。
步骤(1)钢水冶炼流程：电炉或转炉初炼—LF炉外精炼—VD或RH真空脱气，其中，
初炼出钢终点C含量控制在0.10-0.25％，终点P要求≤0.020％，利用钢水中C和O的关系，通过对C含量的控制间接的将O含量控制在100ppm以下。
LF精炼过程中应继续加强脱氧，渣面分批(3到4批次)加入SiC粉进行扩散脱氧，同时喂Al线实行沉淀脱氧，尽快形成白渣，并保持白渣25min以上，同时在LF过程中调整化学成分进入设计范围，LF精炼结束前添加B铁，并软吹氩3min以上；
VD/RH真空脱气时，在高真空度133Pa以下时间10min以上，破空后吹氩气，软吹20min以上。
优选地，步骤(2)是将钢水连铸成方坯，连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，并采用低过热度浇注，中包过热度为15-35℃，连铸拉速0.45-0.75m/min，连铸二冷水量0.10-0.30L/kg。
优选地，步骤(3)方坯轧成中间坯后，入坑缓冷，入坑温度不低于500℃，缓冷时间48小时以上。
优选地，步骤(4)中间坯入炉加热：预热段温度控制在600-900℃，加热段温度控制在1000-1150℃，均热段温度控制在1100-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在2小时以上。
上述制造方法具有如下特点：
1、加强精炼过程的脱氧，利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧并真空脱气处理，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量。在真空脱气后进行长时间软吹氩，保证夹杂物充分上浮，同时连铸全程防氧化保护来减少钢中的夹杂物数量。另外选用优质耐材减少外来夹杂对钢水污染的控制技术，强化对生产过程的控制，提高钢水的纯净度。
2、连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，并采用低过热度浇注，有效改善和降低连铸坯的成分偏析，尤其地，在增加凝固末端电磁搅拌及轻压下等先进设备后，铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高，晶粒得到细化，从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析。
3、连铸坯、中间坯分别采用高温加热，保证坯料受热均匀，改善钢材偏析。
4、轧材进行调质处理后再进行去应力退火，消除钢材调质后的内应力，防止钢材出现开裂。将热处理后的棒材产品再经后续车皮+表面探伤处理，确保钢材表面质量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明钢材通过化学成分的合理设计，特别是添加V、B等，既能够保证表面具有足够的硬度，耐磨性好，同时心部具备一定的韧性，能够显著提高产品的使用寿命。
2)本发明钢材由于均匀度控制好，热处理后产品热处理变形小，尺寸精度高，能够满足滚柱丝杠轴承的使用要求。3)本发明钢材通过水浸高频探伤检测内部质量，能够保证滚柱丝杠轴承使用疲劳寿命的可靠性。
本申请棒材组织均匀，为索氏体组织，因此在后续热处理时不易发生因组织不均匀或多相组织导致的变形，尺寸精度高。相比其他金相组织的中碳轴承钢，本发明热处理后产品热处理变形小，尺寸精度高。
本申请的轴承用钢的性能满足：棒材表面硬度满足220-260HBW，棒材金相组织为索氏体组织，棒材的奥氏体晶粒度≥7级；棒材屈服强度600-800MPa，抗拉强度800-900MPa，延伸率≥15％；棒材的韧性通过屈服强度、延伸率来表征。
非金属夹杂物按GB/T 10561中A法评级，满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系≤1.0；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤1.0；Ds类≤1.5；采用SEP 1927水浸高频探伤检测，缺陷长度不超过5mm。
附图说明
图1为本发明实施例1的棒材金相组织图；
图2为本发明实施例2的棒材金相组织图；
图3为本发明实施例3的棒材金相组织图；
图4为本发明对比例的棒材金相组织图。
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，下面通过实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明滚柱丝杠轴承用钢的制造流程：电炉或转炉初炼—LF炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连铸坯开方成中间坯—中间坯加热轧制成材—精整—调质热处理—车光—打件入库。
钢水冶炼：冶炼时，选用优质铁水、废钢，选用优质脱氧剂及耐火材料。在初炼生产过程中，出钢终点C分别控制在0.10-0.25％，终点P要求≤0.020％，利用钢水中C和O的关系，通过对C含量的控制间接的将O含量控制在100ppm以下。而后进行LF炉外精炼，LF精炼过程中应继续加强脱氧，渣面分批加入SiC粉实行扩散脱氧，同时喂Al线实行沉淀脱氧，尽快形成白渣，并保持白渣25min以上，LF精炼结束前加B铁，并软吹氩气3min后送真空脱气处理，真空处理时在高真空度133Pa以下时间10min以上，破空后吹氩气，软吹20min以上，保证非金属夹杂物充分上浮。
连铸获得钢坯：连铸成390mm×510mm及以上的连铸方坯，控制中包过热度为15-35℃，连铸拉速0.45-0.75m/min，连铸二冷水量0.10-0.30L/kg。为控制材料偏析，连铸采用电磁搅拌、轻压下等先进装备及工艺。
各实施例及对比例化学成分(wt％)见表1。
表1
Figure BDA0002308534080000061
Figure BDA0002308534080000071
表1(续)
实施例 Mo As Sn Sb Pb Ca O
本发明 1 0.02 0.0040 0.0023 0.0010 0.001 0.0001 0.0007
本发明 2 0.02 0.0033 0.0017 0.0007 0.001 0.0001 0.0006
本发明 3 0.03 0.0021 0.0025 0.0009 0.001 0.0002 0.0007
对比例 50CrMo 0.18 0.0020 0.0015 0.0008 0.001 0.0002 0.0010
备注：O是在成品材上检验
开坯：将连铸坯热送至加热炉加热开坯成200mm×200mm～300mm×300mm的中间坯，铸坯入炉温度大于600℃，轧制完成后应缓慢冷却，防止中间坯应力过大而出现开裂。连铸坯开坯轧制及后续冷却工艺的实施例如下表2所示。
表2
Figure BDA0002308534080000072
轧制：将中间坯送至加热炉内加热：预热段温度控制在600-900℃，加热段温度控制在1000-1150℃，均热段温度控制在1100-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在2小时以上。具体的轧制工艺为，轧制开轧温度控制在1000℃-1100℃，終轧温度控制在950℃以上，轧制成棒材φ20-80mm的棒材，轧制规格≤70mm堆冷，＞70mm入坑缓冷24小时以上，使钢中的碳化物或氮化物质点细小、均匀、充分析出，从而细化晶粒并防止钢材出现混晶的情况，再经后续矫直、探伤，制得目标棒材产品。
而后对上述精整合格的钢材进行调质处理，其中，淬火加热温度为850-950℃，在炉时间为100-300min，使用淬火环水淬，水温控制在20-30℃，回火加热温度550-650℃，在炉时间200-300min，出炉后空冷至室温。调质后钢板的组织为索氏体。
将热处理后的棒材产品再经后续车皮+表面探伤处理，其中，车皮单边车皮量不低于0.5mm，并最终打件入库。
对实施例1-3生产的产品性能进行检验，非金属夹杂物、力学性能、硬度、晶粒度、组织及高频探伤结果见表3-6。
各实施例及对比例钢材的夹杂物见表3
表3
Figure BDA0002308534080000081
各实施例钢材及对比例的硬度及机械性能数据见表4
各实施例钢材及对比例的硬度及机械性能数据见表4
表4
实施例 硬度(HBW) 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
本发明 1 247 680 878 18.5
本发明 2 253 695 880 18
本发明 3 245 677 885 18.5
对比例 50CrMo 256 705 905 18.5
各实施例钢材及对比例的晶粒度数据见表5
表5
实施例 调质金相组织 晶粒度(级)
本发明 1 索氏体 7
本发明 2 索氏体 7
本发明 3 索氏体 7
对比例 50CrMo 贝氏体+索氏体 7
各实施例钢材及对比例的调质组织参见图1-4。
实施例1-3的金相组织均为索氏体，对比例的金相组织为贝氏体+索氏体，这是因为对比例合金元素含量高，在调质后容易出现贝氏体。
各实施例钢材的水浸高频探伤数据见表6
表6
实施例 水浸高频探伤检出缺陷长度(mm)
本发明 1 0
本发明 2 0
本发明 3 0
对比例 50CrMo 3mm
从检验结果看，通过V、B微合金化调整后，在显著降低合金元素Cr、Mo前提下，本发明的机械性能略低于对比钢，但也能够完全满足滚柱丝杠轴承用钢的要求，本发明经过调质处理后的组织优于对比钢(对比钢中存在贝氏体组织)，同时本发明纯洁度控制水平也要优于对比钢。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滚珠丝杠轴承用钢，其特征在于：合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述轴承用钢的性能满足：棒材表面硬度满足220-260HBW，棒材金相组织为索氏体组织，棒材的奥氏体晶粒度≥7级；棒材屈服强度600-800MPa，抗拉强度800-900MPa，延伸率≥15％。
2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠轴承用钢，其特征在于：非金属夹杂物按GB/T 10561中A法评级，满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系≤1.0；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤1.0；Ds类≤1.5；
采用SEP 1927水浸高频探伤检测，缺陷长度不超过5mm。
3.一种制造权利要求1或2所述的滚珠丝杠轴承用钢的方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)钢水冶炼；
(2)铸坯：将钢水浇铸成钢坯；
(3)开坯：将钢坯开方成中间坯，将钢坯热送至加热炉加热，钢坯入炉温度大于600℃，加热温度1200℃-1240℃，总加热时间不小于3小时，开轧温度在1050-1150℃，终轧温度不低于900℃，轧制压缩比≥2，轧制完成后缓慢冷却；
(4)轧制：将中间坯入炉加热使奥氏体化，轧制开轧温度控制在1000℃-1100℃，终轧温度不低于950℃，并轧制成目标棒材，轧制压缩比≥6，轧制的φ≤70mm的棒材堆冷，轧制的φ＞70mm的棒材入坑缓冷24小时以上：
(5)精整：矫直；
(6)调质处理：淬火+回火，其中，淬火加热温度为850-950℃，在炉时间为100-300min，使用淬火环水淬，水温控制在20-30℃；回火加热温度550-650℃，在炉时间200-300min，出炉后空冷至室温；
(7)退火：为消除调质后的内应力进行去应力退火，退火温度400-500℃，保温时间≥3h，随炉冷却至室温后出炉；
(8)车皮+表面探伤。
4.根据权利要求3所述的滚珠丝杠轴承用钢的制造方法，其特征在于：步骤(1)钢水冶炼采用优质铁水、废钢，降低钢水中有害元素含量。
5.根据权利要求3所述的滚珠丝杠轴承用钢的制造方法，其特征在于：步骤(1)钢水冶炼流程：电炉或转炉初炼—LF炉外精炼—VD或RH真空脱气，其中，
初炼出钢终点C含量控制在0.10-0.25％，终点P要求≤0.020％，利用钢水中C和O的关系，通过对C含量的控制间接的将O含量控制在100ppm以下；
LF精炼过程中应继续加强脱氧，渣面分批加入SiC粉实行扩散脱氧，同时喂Al线实行沉淀脱氧，尽快形成白渣，并保持白渣25min以上，同时在LF过程中调整化学成分进入范围，LF精炼结束前添加B铁，并软吹氩3min以上；
VD/RH真空脱气时，在高真空度133Pa以下，保持时间10min以上，破空后吹氩气，软吹20min以上。
6.根据权利要求3所述的滚珠丝杠轴承用钢的制造方法，其特征在于：步骤(2)是将钢水连铸成方坯，连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，并采用低过热度浇注，中包过热度为15-35℃，连铸拉速0.45-0.75m/min，连铸二冷水量0.10-0.30L/kg。
7.根据权利要求3所述的滚珠丝杠轴承用钢的制造方法，其特征在于：步骤(3)方坯轧成中间坯后，入坑缓冷，入坑温度不低于500℃，缓冷时间48小时以上。
8.根据权利要求3所述的滚珠丝杠轴承用钢的制造方法，其特征在于：步骤(4)中间坯入炉加热：预热段温度控制在600-900℃，加热段温度控制在1000-1150℃，均热段温度控制在1100-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在2小时以上。
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