CN112662944A

CN112662944A - 轴承钢及其制备方法

Info

Publication number: CN112662944A
Application number: CN202011413737.8A
Authority: CN
Inventors: 胡昭锋; 邓湘斌; 刘年富; 黄铸铭; 张正波; 王生虎; 李学保; 蒋国强; 李健; 杜欣; 戴坚辉
Original assignee: Baosteel Special Steel Shaoguan Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Shaoguan Co Ltd
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-04-16

Abstract

一种轴承钢及其制备方法，属于钢铁技术领域。轴承钢的成分按重量百分比计包括：C：0.52‑0.58％，Si：0.15‑0.35％，Mn：0.75‑0.90％，P≤0.025％，S≤0.015％，Ni≤0.20％，Cr：0.10‑0.20％，Mo≤0.10％，Cu≤0.20％，Al≤0.050％，Ti≤0.0030％，V：0.04‑0.10％，N：0.004‑0.011％，O≤0.0012％，其余为Fe及不可避免杂质。轴承钢的制备方法，依次包括：转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸以及加热轧制。本申请实施例的轴承钢中非金属夹杂物含量较少的同时机械性能良好、表面质量良好。

Description

轴承钢及其制备方法

技术领域

本申请涉及钢铁技术领域，具体而言，涉及一种轴承钢及其制备方法。

背景技术

目前国内外的碳素轮毂轴承用钢G55、C56E2等产品，由于产品质量的局限，如纯净度、机械性能等，不能完全满足高端汽车用户对轮毂轴承用钢的需求，因此，产品性能更优的轮毂轴承用钢的开发迫在眉睫。

钢中的非金属夹杂物会破坏金属的连续性和均匀性。根据轴承的使用条件，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，降低轴承的疲劳寿命。特别是对于硬脆性夹杂物，如沿轧制方向排列成串状或点链状的Al₂O₃夹杂(B类)，不变形的点状或球状夹杂(D类)以及大颗粒点状或球状夹杂(Ds类)，由于其不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。因而，为提高最终产品轮毂轴承的使用寿命，钢材的纯净度非常重要，必须尽可能降低钢中非金属夹杂物。

发明内容

本申请提供了一种轴承钢及其制备方法，其能够使得轴承钢中非金属夹杂物含量较少的同时机械性能良好。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种轴承钢，其成分按重量百分比计包括：C：0.52-0.58％，Si：0.15-0.35％，Mn：0.75-0.90％，P≤0.025％，S≤0.015％，Ni≤0.20％，Cr：0.10-0.20％，Mo≤0.10％，Cu≤0.20％，Al≤0.050％，Ti≤0.0030％，V：0.04-0.10％，N：0.004-0.011％，O≤0.0012％，其余为Fe及不可避免杂质。

第二方面，本申请实施例提供一种第一方面实施例的轴承钢的制备方法，按照轴承钢的成分设计，将原料依次进行转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸以及加热轧制以调整轴承钢的成分。

本申请实施例的轴承钢及其制备方法的有益效果包括：

本申请实施例的轴承钢中C含量为0.52-0.58％，该含量的C元素通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度。Si含量为0.15-0.35％，该含量的Si可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性。Mn含量为0.75-0.90％，该含量的Mn溶于铁素体，起到固溶强化的作用，减少了回火脆性的现象产生。Cr含量为0.10-0.20％，该含量的Cr一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性，一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度；本申请实施例的Cr含量合适，避免了Cr含量过高与钢中的碳结合形成难溶的大块碳化物降低轴承钢的韧性，且避免了轴承钢的硬度过高不利于加工。Ti含量≤0.0030％，该含量的Ti减少了含Ti夹杂物的产生，提高了轴承钢的疲劳寿命。V含量为0.04-0.10％，该含量的V能细化钢材的晶粒尺寸，提高钢的强度、韧性和耐磨性。另外，添加0.04-0.10％的V使得V与C形成高熔点的、细小的VC填充于晶体点阵的间隙中，提高轴承钢的强度、韧性，同时减少了Cr与C形成难溶的大块碳化物。N含量为0.004-0.011％，该含量的N与V、C形成V(C，N)等细化晶粒元素在晶界析出，获得细小的晶粒(奥氏体晶粒度≥8级)，从而提高轴承钢的强度。O≤0.0012％，该含量的O有利于提高轴承钢的疲劳寿命。本申请实施例的轴承钢中的各组分配比合适，能够使得轴承钢中非金属夹杂物含量较少的同时机械性能良好。

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轴承钢及其制备方法进行具体说明：

其中，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轴承钢的强度，但C过高会对轴承钢的韧性及延展性能带来不利影响。因而，本申请实施例的C含量的0.52-0.58％，例如为0.52％、0.53％、0.54％、0.55％、0.56％、0.57％或0.58％。可选地，C含量为0.53-0.57％。

另外，轴承钢中加入Si，可以强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，但是Si会使轴承钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。因而，本申请实施例的Si含量为0.15-0.35％。

Mn能溶于铁素体，起到固溶强化的作用，是保证轴承钢强度所必需的成分，同时也能显著提高轴承钢的淬透性。但如果轴承钢中的Mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象。因而，为了保证轴承钢的强度和淬透性的同时避免产生回火脆性现象，本申请实施例中的Mn含量为0.75-0.90％，例如为0.75％、0.78％、0.80％、0.82％、0.85％、0.88％或0.90％。可选地Mn含量0.80-0.86％。

Cr是碳化物的形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。本申请实施例中轴承钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。此外，Cr还能减小轴承钢的过热倾向和表面脱碳速度。但如果Cr含量过高，与轴承钢中的C结合容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物会使轴承钢的韧性降低，轴承寿命下降。而且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于加工使用。本申请的发明人综合考虑到通过在轴承钢中添加Cr元素以提高钢材的强度、硬度、耐腐蚀性和耐磨性能，通过添加Cr元素来弥补因Mn含量偏低导致钢材淬透性降低的不利影响，将Cr含量确定为0.10-0.20％。示例性地，本申请实施例中的轴承钢的Cr含量为0.10％、0.12％、0.14％、0.15％、0.16％、0.18％或0.20％。可选地，轴承钢的Cr含量为0.12-0.20％。

V是细化晶粒的元素，本申请实施例中的V含量为0.04-0.10％，该含量的V能细化轴承钢的晶粒尺寸，提高轴承钢的强度、韧性和耐磨性。V元素价格较贵，如果V含量过高，轴承钢的成本会增加。

另外，V是强碳化物形成元素，能形成高熔点的、细小的VC，属于间隙相，填充于晶体点阵的间隙中，用于提高钢的强调、韧性。而Cr是中等强度碳化物形成元素，含量为0.04-0.10％的V与C形成VC而减少Cr与C形成大块难溶性碳化物。

N元素的含量为0.004-0.011％，该含量的N与V、C形成V(C，N)等细化晶粒元素在晶界析出，获得细小的晶粒(奥氏体晶粒度≥8级)，从而提高轴承钢的强度。示例性地，N的含量为0.004％、0.005％、0.006％、0.007％、0.008％、0.009％、0.010％或0.011％。另外，申请人研究发现，N元素的含量大于0.011％时，容易造成钢材表面开裂的缺陷。

另外，本申请实施例的O≤0.0012％，O的含量较低，相应氧化物类夹杂物少，能够提高轴承钢的疲劳寿命。可选地的，O含量为≤0.0010％。

Mo具有较强的碳化物形成能力，使较低含碳量的轴承钢也具有较高的硬度。而且钼能够阻止奥氏体化的晶粒粗大。示例性地，Mo≤0.10％，例如为0.10％、0.08％、0.06％、0.05％、0.03％，可选地，Mo≤0.08％。

本申请的发明人经过创造性的思维发现，C、Si、Mn、Cr均能提高轴承钢的强度等性能，但是过高的C会降低轴承钢的韧性及延展性能、过高的Si会造成热敏感性、过高的Mn会导致回火脆性、过高的Cr会导致后续的加工不容易。加入适量的V、N，能细化晶粒尺寸，且与C会形成对轴承钢性能有利的碳化物，如VC、VN、V(C，N)，其中VC在轴承钢后续热处理过程中析出，进一步提高零件的强度。本申请的发明人结合C、Si、Mn、Cr、V、N对轴承钢的性能影响，将碳当量Ceq设置为0.90-1.23，其中碳当量Ceq＝C+Si/6+Mn/5+Cr/2+V+20N。当碳钢量过高时，会导致轴承钢硬度偏高、表面开裂、淬透性值偏高，影响后续使用；当碳当量过低，导致出现轴承钢强度不足、晶粒度变粗、硬度偏低；本申请实施例中的碳当量Ceq范围能够提高轴承钢的综合性能。示例性地，碳当量Ceq为0.90、0.92、0.93、0.95、0.96、0.98、1.00、1.04、1.05、1.08、1.10、1.13、1.15、1.18、1.20或1.23。可选地，碳当量Ceq为0.95-1.18。

第二方面，本申请实施例提供一种本申请实施例的轴承钢的制备方法，按照轴承钢的成分设计，将原料依次进行转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸以及加热轧制以调整轴承钢的成分。

其中，转炉冶炼步骤中，在转炉出钢过程中添加炼钢调质剂以及石灰，炼钢调质剂与钢水的比例为760-840kg:120-130t，石灰与钢水的比例为370-430kg:120-130t，用于提前化好渣。示例性地，转炉出钢过程中在120t或130t的铁水中添加炼钢调质剂760kg、770kg、780kg、800kg、810kg、830kg或840kg。可选地，转炉出钢过程中在120t或130t的铁水中添加石灰为370kg、380kg、390kg、400kg、410kg、420kg或430kg。在精炼过程中，示例性地，采用LF炉进行精炼，当LF炉到站后，添加石灰，石灰与钢水的比例为370-430kg:120-130t，从而保证较好的夹杂物吸附能力。可选地，精炼过程中向120t或130t的铁水中添加的石灰为370kg、380kg、390kg、400kg、410kg、420kg或430kg。

另外，在转炉冶炼步骤和精炼步骤中还包括脱氧要求。在转炉出钢过程中添加铝96-192Kg，对钢水进行脱氧。精炼步骤中，将Al含量调整至0.030-0.055％，防止形成大量含Al夹杂物。示例性地，精炼步骤中对Al含量进行调整是在第一次取样之后，且在第二次取样之后不再加入Al。

可选地，转炉出钢过程中添加的铝为96Kg、100Kg、110Kg、120Kg、130Kg、140Kg、150Kg、160Kg、170Kg、180Kg、190Kg或192Kg。可选地，精炼步骤中，将Al含量调整至0.030％、0.033％、0.035％、0.038％、0.040％、0.042％、0.045％、0.048％、0.050％、0.052％或0.055％。

进一步地，为了保证将钢水中的氢充分去除，RH真空脱气步骤中在真空度≤266pa的处理时间≥25min。示例性地，RH真空脱气步骤中的在真空度≤266pa的处理时间为25min、30min、35min、40min或50min。

另外，RH真空脱气步骤中的软吹时间≥30min，能够保证钢水中夹杂物得到充分上浮。示例性地，RH真空脱气步骤中的软吹时间为30min、35min、40min、50min或60min。

进一步地，为了使得铸坯成分具有更好的均匀性，示例性地，连铸步骤的钢水过热度为10-35℃，该过热度能够减少成分偏析。可选地，连铸步骤的钢水过热度为10℃、13℃、15℃、18℃、20℃、22℃、25℃、30℃或35℃。

在一种可能的实施方案中，连铸步骤中，在结晶器内部采用620-640A/2.5Hz的工艺条件进行电磁搅拌，凝固末端采用590-610A/4Hz的工艺条件进行电磁搅拌。通过结晶器内部搅拌和凝固末端的搅拌，使得铸坯从表到里的成分更加均匀。示例性地，结晶器内部的电磁搅拌工艺条件620A/2.5Hz、630A/2.5Hz或640A/2.5Hz。示例性地，凝固末端的电磁搅拌工艺为490A/4Hz、500A/4Hz或510A/4Hz。

进一步地，在一种可能的实施方案中，连铸步骤中，铸坯的凝固末端轻压下总压下量为7-9mm。本申请的发明人研究发现，凝固末端的压下量太低，低倍组织质量改善效果不佳；压下量太大，会导致铸坯心部出现压下裂纹，降低铸坯质量。凝固末端轻压下总压下量为7-9mm，既能够改善低倍组织质量，又能避免压下裂纹产生。可选地，凝固末端轻压下总压下量为7mm、8mm或9mm。

进一步地，为了提高轴承钢的洁净度，示例性地，钢水从结晶器液面下的100-140mm进入结晶器，即是说，结晶器的浸入式水口的插入深度为100-140mm，能够避免钢水与空气直接接触。示例性地，钢水从结晶器液面下的100mm、110mm、120mm、130mm或140mm进入结晶器。

可选地，控制结晶器液面波动为±5mm以内，能够避免卷渣风险。

以下结合实施例对本申请的轴承钢及其制备方法作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种轴承钢，其成分列在表1中，该轴承钢的制备方法包括以下步骤：

(1)转炉冶炼步骤：转炉出钢过程中在钢水中添加有效铝120kg对钢水进行脱氧，并添加800kg炼钢调质剂以及400kg石灰进行化渣。

(2)LF炉精炼步骤：当LF炉到站后，添加404kg石灰；在第一次取样之后，将Al含量调整至0.040％。

(3)RH真空脱气步骤：钢水在真空度≤266pa的环境下的处理时间为25min，软吹时间为41min。

(4)连铸步骤：将钢水过热度控制为28℃，在结晶器内部采用630A/2.5Hz的工艺条件进行电磁搅拌，凝固末端采用600A/4Hz的工艺条件进行电磁搅拌，结晶器的浸入式水口插入深度为130mm，并控制结晶器液面波动在±5mm以内。同时将钢坯的凝固末端轻压下总压下量控制为8mm。

实施例2

(2)LF炉精炼步骤：当LF炉到站后，添加414kg石灰；在第一次取样之后，将Al含量调整至0.040％。

(3)RH真空脱气步骤：钢水在真空度≤266pa的环境下的处理时间为25min，软吹时间为34min。

(4)连铸步骤：将钢水过热度控制为32℃，在结晶器内部采用630A/2.5Hz的工艺条件进行电磁搅拌，凝固末端采用600A/4Hz的工艺条件进行电磁搅拌，结晶器的浸入式水口插入深度为125mm，并控制结晶器液面波动在±5mm以内。同时将钢坯的凝固末端轻压下总压下量控制为8mm。

实施例3

本实施例提供一种轴承钢，其成分列在表1中，该轴承钢的制备方法与实施例1的轴承钢的制备方法相同。

实施例4

实施例5

实施例6

对比例1

对比例1提供一种轴承钢，其成分列在表1中，该轴承钢的制备方法与实施例1的轴承钢的制备方法相同。

对比例2

对比例2提供一种轴承钢，其成分列在表1中，该轴承钢的制备方法与实施例1的轴承钢的制备方法相同。

表1.实施例1-实施例6以及对比例1-对比例2的轴承钢的化学成分

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	对比例1	对比例2
									C(wt％)	0.54	0.56	0.54	0.56	0.53	0.58	0.54	0.53
Si(wt％)	0.24	0.25	0.24	0.25	0.2	0.33	0.27	0.25
									Mn(wt％)	0.83	0.85	0.83	0.85	0.8	0.89	0.84	0.82
P(wt％)	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
									S(wt％)	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001
Ni(wt％)	0.05	0.02	0.05	0.02	0.05	0.02	0.05	0.02
									Cr(wt％)	0.17	0.17	0.16	0.17	0.12	0.19	0.17	0.14
Mo(wt％)	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
									Cu(wt％)	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03
Al(wt％)	0.20	0.017	0.2	0.017	0.2	0.017	0.2	0.017
									V(wt％)	0.06	0.07	0.08	0.04	0.06	0.09	0.08	0.02
N(wt％)	0.0067	0.0070	0.004	0.0075	0.0045	0.010	0.015	0.005
									Ceq	1.03	1.07	0.99	1.05	0.93	1.20	1.22	0.93
O/(wt％)	0.00064	0.00067	0.0005	0.00057	0.0006	0.00056	0.00068	0.00064

试验例1

将实施例1-实施例6以及对比例1-2制得的轴承钢进行机械性能检测，检测前，先将Φ25mm的轴承钢毛坯样按照淬火温度825±25℃，回火温度600±50℃进行热处理，然后检测热处理样的强度、断后伸长率、及布氏硬度，其结果记录在表2中。

试验例2

将实施例1-实施例6以及对比例1-2制得的轴承钢进行淬透性测试：将轴承钢试样经过825±20℃正火后加工成标准端淬试样，在825±15℃温度下进行端淬试验，其结果记录在表2中。

试验例3

对实施例1-实施例6以及对比例1-2制得的轴承钢的奥氏体晶粒度以及低倍组织等级进行检测，其结果记录在表2中。

表2.实施例1-6以及对比例1-2的轴承钢的性能测试结果

结果分析：从表2的结果可以看出，本申请实施例1-实施例6的轴承钢的性能均满足要求。其中，实施例1和实施例2的轴承钢综合性能情况较好。另外，比较实施例1和实施例3发现，实施例3的其他成分与实施例1基本相同，N含量与实施例1不同，实施例3的N含量控制在0.004％，屈服强度及抗拉强度比实施例1低；对比实施例2和实施例4发现，实施例3的其他成分与实施例2基本相同，V含量与实施例2不同，实施例4的V含量控制在0.04％，导致屈服强度及抗拉强度降低及晶粒变粗。再者，实施例5的Ceq控制在接近下限0.93，导致屈服强度及抗拉强度降低及晶粒变粗；实施例6的Ceq控制在接近上限1.20，导致硬度变高。

通过对比实施例1和对比例1发现，对比例1的N含量控制在0.015％，导致在材料表面出现开裂；通过对比实施例2和对比例2发现，对比例2的V含量控制0.02％，导致抗拉强度和晶粒度不满足要求。

试验例4

对实施例1-实施例6以及对比例1-2制得的轴承钢的按照GB/T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定》对非金属夹杂物的等级进行测定，按照SEP1927标准对宏观夹杂物进行测定，其结果记录在表3中。

表3.实施例1-6以及对比例1-2的轴承钢的夹杂物等级

需要说明的是，非金属夹杂物是通过冶炼过程进行控制的，实施例3-6及对比例1-2的制备方法均相同，其只是成分的变化，对最终制成的轴承钢的夹杂物结果没有明显的影响，并且本申请实施例1-6制成的轴承钢均没有宏观夹杂物。

以上所述仅为本申请的具体实施例而已，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

1.一种轴承钢，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：C：0.52-0.58％，Si：0.15-0.35％，Mn：0.75-0.90％，P≤0.025％，S≤0.015％，Ni≤0.20％，Cr：0.10-0.20％，Mo≤0.10％，Cu≤0.20％，Al≤0.050％，Ti≤0.0030％，V：0.04-0.10％，N：0.004-0.011％，O≤0.0012％，其余为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的碳当量Ceq为0.90-1.23；其中，所述碳当量Ceq＝C+Si/6+Mn/5+Cr/2+V+20N；

可选地，所述碳当量Ceq为0.95-1.18。

3.根据权利要求1或2所述的轴承钢，其特征在于，按重量百分比计，所述C为0.53-0.57％，所述Mn为0.80-0.86％，所述Cr为0.12-0.20％，所述Mo≤0.08％。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，按照所述轴承钢的成分设计，将原料依次进行转炉冶炼、精炼、RH真空脱气、连铸以及加热轧制以调整所述轴承钢的成分。

5.根据权利要求4所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述转炉冶炼步骤中，在转炉出钢过程中添加炼钢调质剂以及石灰，所述炼钢调质剂与钢水的比例为760-840kg:120-130t，所述石灰与所述钢水的比例为370-430kg:120-130t；在所述精炼步骤中添加石灰，所述石灰与所述钢水的比例为370-430kg:120-130t。

6.根据权利要求4所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述转炉冶炼步骤中，在转炉出钢过程中添加铝96-192Kg，对钢水进行脱氧；所述精炼步骤中，将Al含量调整至0.030-0.055％。

7.根据权利要求4所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述RH真空脱气步骤中，在真空度≤266pa的处理时间≥25min；可选地，所述RH真空脱气步骤中的软吹时间≥30min。

8.根据权利要求4所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述连铸步骤的钢水过热度为10-35℃。

9.根据权利要求4所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述连铸步骤中，铸坯的凝固末端轻压下总压下量为7-9mm；

和/或，所述连铸步骤中，在结晶器内部采用620-640A/2.5Hz的工艺条件进行电磁搅拌，凝固末端采用590-610A/4Hz的工艺条件进行电磁搅拌。

10.根据权利要求4所述的轴承钢的制备方法，其特征在于，所述连铸步骤中，钢水从结晶器液面下的100-140mm进入所述结晶器；可选地，控制结晶器液面波动为±5mm以内。