CN111621703A - 一种窄成分高碳轴承钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承钢技术领域，尤其涉及一种窄成分高碳轴承钢及其制备方法。本发明的窄成分高碳轴承钢，化学组成包括：0.96～1.03wt％C，1.40～1.50wt％Cr，0.25～0.34wt％Si，0.35～0.44wt％Mn，0.02～0.09wt％Mo，0.15～0.24wt％Ni，0.15～0.24wt％Cu，余量的铁及其他不可避免的杂质。本发明通过将轴承钢的元素Si、Mn、Mo、Ni、Cu下限提高并控制在较窄范围，实现淬透性和稳定性提升，较传统轴承钢GCr15具有更高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性以及抗疲劳性能，同时性能波动性大幅度降低，特别是接触疲劳寿命L10提升了近3倍。

Description

一种窄成分高碳轴承钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及轴承钢技术领域，尤其涉及一种窄成分高碳轴承钢及其制备方法。
背景技术
高碳轴承钢GCr15是制造轴承的主要材料，占到轴承钢产销量的80％以上，是制造轴承必不可少的关键基础材料。为了保证轴承寿命提升与高可靠性，国内外提出了窄成分控制的轴承钢成分设计与轴承钢生产的理念，以保障轴承钢质量与性能的稳定性。但这种设计理念仅仅涉及到了成分的窄区间控制，没有考虑到元素含量对淬透性和强韧性的影响，导致轴承质量性能在不同季节和不同厂家生产存在较大差别，无法满足高端装备长寿命与高可靠性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种窄成分高碳轴承钢及其制备方法，本发明的高碳轴承钢具有高淬透性和良好的强韧性，能够满足高端装备对长寿命、高可靠性和低成本轴承钢组织性能需求。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种窄成分高碳轴承钢，化学组成包括：0.96～1.03wt％C，1.40～1.50wt％Cr，0.25～0.34wt％Si，0.35～0.44wt％Mn，0.02～0.09wt％Mo，0.15～0.24wt％Ni，0.15～0.24wt％Cu，余量的铁。
优选的，化学组成包括：0.97～1.01wt％C，1.45～1.50wt％Cr，0.30～0.34wt％Si，0.40～0.44wt％Mn，0.05～0.09wt％Mo，0.20～0.24wt％Ni，0.20～0.24wt％Cu，余量的铁。
优选的，化学组成包括：1.00wt％C，1.50wt％Cr，0.34wt％Si，0.44wt％Mn，0.09wt％Mo，0.24wt％Ni，0.24wt％Cu，余量的铁。
本发明提供了上述方案所述窄成分高碳轴承钢的制备方法，包括以下步骤：
将窄成分高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭；所述钢锭的化学组成对应上述方案所述窄成分高碳轴承钢的化学组成；
将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材；
将所述棒材依次进行球化退火、淬火和回火，得到窄成分高碳轴承钢。
优选的，所述冶炼的方式为电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼。
优选的，所述均匀化处理的温度为1100～1250℃，保温时间为2～6小时。
优选的，所述球化退火的过程包括：将所述棒材在800～860℃进行保温0.5～12小时后，冷却到680～740℃进行0.5～12小时保温处理，最后空冷到室温。
优选的，所述淬火的温度为820～860℃，保温时间为0.10～1.0小时；所述淬火的冷却方式为油淬。
优选的，所述回火的温度为130～200℃，保温时间为0.5～3.5小时；所述回火的冷却方式为空冷。
优选的，所述棒材的加工方式为热锻或热轧，所述热锻或热轧的温度为1150～1200℃。
本发明提供了一种窄成分高碳轴承钢，化学组成为：0.96～1.03wt％C，1.40～1.50wt％Cr，0.25～0.34wt％Si，0.35～0.44wt％Mn，0.02～0.09wt％Mo，0.15～0.24wt％Ni，0.15～0.24wt％Cu，余量的铁。本发明在轴承钢GCr15国标GB18254-2016要求的基础上，将碳含量和铬含量控制在较低范围，可以降低碳含量与铬含量高导致的轴承钢中碳化物体积分数增加和碳化物颗粒尺寸增大的危险，同时在国标范围内将元素Si、Mn、Ni、Mo和Cu的下限提高并控制在较窄范围，以提高轴承钢的淬透性和强韧性，得到的窄成分高碳轴承钢可以满足高端装备对长寿命、高可靠性和低成本轴承钢组织性能需求。实施例的结果表明，本发明通过将轴承钢各元素含量控制在上述较窄范围，较传统轴承钢GCr15具有更高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性以及抗疲劳性能，同时由于淬透性提高使性能波动性大幅度降低，特别是接触疲劳寿命L10提升了近3倍。
附图说明
图1为本发明钢N1和N3与对比钢C1的接触疲劳寿命weibull分布图。
具体实施方式
本发明提供了一种窄成分高碳轴承钢，化学组成包括：0.96～1.03wt％C，1.40～1.50wt％Cr，0.25～0.34wt％Si，0.35～0.44wt％Mn，0.02～0.09wt％Mo，0.15～0.24wt％Ni，0.15～0.24wt％Cu，余量的铁。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括0.96～1.03wt％C，优选为0.97～1.01wt％，更优选为1.00wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括1.40～1.50wt％Cr，优选为1.45～1.50wt％，更优选为1.50wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括0.25～0.34wt％Si，优选为0.30～0.34wt％，更优选为0.34wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括0.35～0.44wt％Mn，优选为0.40～0.44wt％，更优选为0.44wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括0.02～0.09wt％Mo，优选为0.05～0.09wt％，更优选为0.09wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括0.15～0.24wt％Ni，优选为0.20～0.24wt％，更优选为0.24wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括0.15～0.24wt％Cu，优选为0.20～0.24wt％，更优选为0.24wt％。
本发明提供的窄成分高碳轴承钢包括余量的铁。
此外，本发明提供的窄成分高碳轴承钢还包括不可避免的杂质，所述杂质的含量满足GB18254-2016的要求。
本发明通过将轴承钢的元素Si、Mn、Mo、Ni、Cu下限提高并控制在较窄范围，实现淬透性和稳定性提升，较传统轴承钢GCr15具有更高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性以及抗疲劳性能，同时性能波动性大幅度降低，特别是接触疲劳寿命L10提升了近3倍。
本发明提供了上述方案所述窄成分高碳轴承钢的制备方法，包括以下步骤：
将窄成分高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭；所述钢锭的化学组成对应上述方案所述窄成分高碳轴承钢的化学组成；
将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材；
将所述棒材依次进行球化退火、淬火和回火，得到窄成分高碳轴承钢。
本发明将窄成分高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭。在本发明中，所述冶炼的方式优选为电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼。本发明对所述冶炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼即可。本发明所述冶炼适用于转炉、电炉或感应炉。在本发明中，所述钢锭的化学组成对应上述方案所述窄成分高碳轴承钢的化学组成。本发明对所述各制备原料的种类和来源没有特殊要求，能够满足钢锭的成分要求即可。本发明通过冶炼实现轴承钢中氧含量不高于20ppm和大颗粒夹杂物尺寸(DS)≤40微米。
得到钢锭后，本发明将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材。
在本发明中，所述均匀化处理的温度优选为1100～1250℃，更优选为1150～1200℃；保温时间优选为2～6小时，更优选为3～5小时。完成所述均匀化处理后，本发明将所得坯料加工成棒材。在本发明中，所述加工的方式优选为热锻或热轧，所述热锻或热轧的温度优选为1150～1200℃。本发明对所述棒材的尺寸没有特殊要求，根据对轴承钢的要求进行设定。在本发明的实施例中，所述棒材的直径为60mm。本发明通过均匀化处理可以获得基体和碳化物的细化与均匀化。本发明优选将加工好的棒材空冷至室温然后再进行后续步骤。
得到棒材后，本发明将所述棒材进行球化退火，得到退火棒材。
在本发明中，所述球化退火的过程优选包括：将所述棒材在800～860℃进行保温0.5～12小时后，冷却到680～740℃进行0.5～12小时保温处理，最后空冷到室温。本发明通过球化退火获得均匀细小的碳化物。
得到退火棒材后，本发明对所述退火棒材进行淬火，得到淬火棒材。在本发明中，所述淬火的温度优选为820～860℃，更优选为840℃，保温时间优选为0.1～1.0小时，更优选为0.5小时；所述淬火的冷却方式优选油淬。本发明对所述油淬的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的油淬即可。
得到淬火棒材后，本发明将所述淬火棒材进行回火，得到窄成分高碳轴承钢。在本发明中，所述回火的温度优选为130～200℃，更优选为170℃，保温时间优选为0.5～3.5小时，更优选为3小时；所述回火的冷却方式优选为空冷。本发明利用淬火和回火获得超细的原奥氏体组织和碳化物颗粒，其中原始奥氏体晶粒度不小于10级。
下面结合实施例对本发明提供的窄成分高碳轴承钢及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本发明钢由试验室真空感应炉冶炼，浇铸锭型为50kg的圆锭，共冶炼4炉钢供锻造棒状样品，化学成分见表1。N1-N3钢为本发明的窄成分高碳轴承钢，C1为根据国标GB18254-2016的Si、Mn、Mo、Ni和Cu等轴承钢成分下限设计钢。实验室真空感应冶炼的GCr15钢锭经过1200℃和6小时均匀化处理，进行锻造开坯。锻造初始温度1150℃，初始截面尺寸为120mm铸坯径向锻造成截面尺寸为60mm的圆棒，锻后空冷。直径60mm的圆棒经过球化退火处理(加热至800℃保温5h，随炉冷却至720℃等温2h，空冷至室温)后加工成拉伸、冲击和接触疲劳试样，将这些试样进行淬火(840℃保温0.5小时后油冷到室温)和低温回火处理(170℃保温3小时后空冷到室温)，最后进行力学性能、冲击韧性测定和接触疲劳试验(拉伸试验：拉伸速率为10-4/s，延伸率采用A5；冲击试验：冲击样品尺寸为10mm×10mm×55mm的U型冲击；接触疲劳试验：最大赫兹应力为4.5GPa的推力片试验)，其结果见表2。
表1本发明钢与传统钢的化学成分(wt％)
C Cr Si Mn S P Mo Ni Cu
N1 1.00 1.50 0.34 0.44 0.010 0.015 0.09 0.24 0.24
N2 0.96 1.45 0.30 0.40 0.010 0.015 0.05 0.20 0.20
N3 1.03 1.40 0.25 0.35 0.010 0.015 0.02 0.15 0.15
C1 1.02 1.41 0.15 0.25 0.010 0.015 0.01 0.01 0.01
表1中，未列出的元素为铁和其他不可避免的杂质元素。
表2本发明钢与传统钢的力学和疲劳性能
Figure BDA0002520562750000061
通过表2可以看出，N1～N3钢比C1具有更高的抗拉强度、延伸率、冲击韧性以及抗疲劳性能，同时性能波动性大幅度降低，接触疲劳寿命L10显著提升。其中N1钢的综合性能最好，N1钢的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性Aku和接触疲劳性能L10及其偏差分别为2450±33MPa，1610±21MPa、2.0±0.5％、10.0±1.4J和L10≥2.10×107次；而C1钢的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性Aku和接触疲劳性能L10及其偏差分别为2218±127MPa，1559±83MPa、1.5±1.0％、7.5±2.6J和L10≥0.75×107次。
图1为本发明钢N1和N3与对比钢C1的接触疲劳寿命weibull分布图，由图1可知晓，本发明通过将轴承钢的成分控制在较窄范围可以大幅提升轴承钢的接触疲劳寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄成分高碳轴承钢，其特征在于，化学组成包括：0.96～1.03wt％C，1.40～1.50wt％Cr，0.25～0.34wt％Si，0.35～0.44wt％Mn，0.02～0.09wt％Mo，0.15～0.24wt％Ni，0.15～0.24wt％Cu，余量的铁。
2.一种窄成分高碳轴承钢，其特征在于，化学组成包括：0.97～1.01wt％C，1.45～1.50wt％Cr，0.30～0.34wt％Si，0.40～0.44wt％Mn，0.05～0.09wt％Mo，0.20～0.24wt％Ni，0.20～0.24wt％Cu，余量的铁。
3.根据权利要求1或2所述的窄成分高碳轴承钢，其特征在于，化学组成包括：1.00wt％C，1.50wt％Cr，0.34wt％Si，0.44wt％Mn，0.09wt％Mo，0.24wt％Ni，0.24wt％Cu，余量的铁。
4.权利要求1～3任一项所述窄成分高碳轴承钢的制备方法，包括以下步骤：
将窄成分高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭；所述钢锭的化学组成对应权利要求1或2所述窄成分高碳轴承钢的化学组成；
将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材；
将所述棒材依次进行球化退火、淬火和回火，得到窄成分高碳轴承钢。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冶炼的方式为电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为1100～1250℃，保温时间为2～6小时。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述球化退火的过程包括：将所述棒材在800～860℃进行保温0.5～12小时后，冷却到680～740℃进行0.5～12小时保温处理，最后空冷到室温。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述淬火的温度为820～860℃，保温时间为0.10～1.0小时；所述淬火的冷却方式为油淬。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述回火的温度为130～200℃，保温时间为0.5～3.5小时；所述回火的冷却方式为空冷。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述棒材的加工方式为热锻或热轧，所述热锻或热轧的温度为1150～1200℃。
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