CN112680674A - 一种含稀土元素的高碳铬轴承钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含稀土元素的高碳铬轴承钢，按重量百分比计，由以下组分组成：C：0.95‑1.05％；Cr：1.4‑1.65％；Si：0.45‑0.75％；Mn：0.95‑1.25％；Ce：0.015‑0.05％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：≤0.005％；O：≤0.001％；Al：≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过对轴承钢合金成分的优化、结合制备工艺的改进，得到技术效果为：轴承钢材料具备低的氧、硫含量，且实验证明，相较于现有GCr15SiMn轴承钢，本发明的改进型GCr15SiMn轴承钢的纯净度和力学性能均得到明显提高，轴承钢的冲击性能提高最优可达70％以上，抗拉强度提高最优可达20％以上，硬度提高最优可达7％以上。

Description

一种含稀土元素的高碳铬轴承钢及制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种含稀土元素的高碳铬轴承钢及制备方法。

背景技术

高碳铬轴承钢不仅具有良好的耐磨性能和抗接触疲劳性能，而且具有一定的弹性、韧性和良好的加工性能，主要用于制造轴承和轴承零件。为了满足恶劣工作条件及高服役寿命的要求，通常要求其具有较高的纯净度和更均匀的组织形态。已有研究表明，影响轴承钢性能的因素可归纳为两个与冶金因素有关的问题：钢的纯净度和均匀性。轴承钢的纯净度是指钢中夹杂物的含量和类型，包括有害元素和气体等的种类和含量等。轴承钢的均匀性是指化学成分的均匀性和碳化物的均匀性。

国内轴承材料的性能差距主要表现在纯净度、组织均匀性与稳定性、表面硬度与芯部强韧性等方面稳定控制上和对轴承服役行为的评定上，结果导致轴承接触疲劳寿命不足，可靠性下降；但国外进口轴承具有价格高、进货渠道繁琐，订货时间长，生产厂家不确定，产品难以稳定和更新等不利因素，制约了我国高性能轴承钢及轴承技术的快速发展；因此研发高性能轴承材料及轴承具有紧迫性和重要性。与此同时，随着目前设备向大型化，特大型化发展，特别有必要在成分设计方面以及钢的纯净度控制方面进行一系列的优化改进，以满足轴承行业以及其他行业所需高性能轴承的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种含稀土元素的高碳铬轴承钢及制备方法，在GCr15SiMn钢本身低成本、高淬透性、高耐磨性优势的基础上，进一步提高轴承钢材料的纯净度和力学性能。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种含稀土元素的高碳铬轴承钢，按重量百分比计，由以下组分组成：C：0.95-1.05％；Cr：1.4-1.65％；Si：0.45-0.75％；Mn：0.95-1.25％；Ce：0.015-0.05％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：≤0.005％；O：≤0.001％；Al：≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。

高碳铬轴承钢的主要合金元素为Fe、C、Si、Cr、Mn和Ce。其中的Mo、Ni、Cu、P、S、O、Al和Ti为需要控制含量的元素。不可避免的杂质主要是原料自带的杂质，包括Ca、As、Sn、Sb和Pb等。Al在制备过程加入到熔炼炉中，用于终脱氧(控制产品最终的氧含量)。除了前述6种主要合金元素和Al之外，其他元素包括Mo、Ni、Cu、P、S、O、Ti、Ca、As、Sn、Sb、Pb等为非人为主动添加的，而是由原料所引入的杂质或制备工艺所引入的。

需说明的是，上述所列含稀土元素的高碳铬轴承钢的组成，是指最终轴承钢产品中各元素的含量；但在该轴承钢的制备工艺中，可依据该组成百分比进行各主要合金元素的原料配料，铝的配料可按照0＜Al≤0.05％的用量备料。

本发明是在GCr15SiMn钢基础上添加适量的Ce。Ce熔点低，可与冶炼中各种有害气体具有很强的亲合力，能与有害气体相结合。Ce还具有极强的脱氧脱硫作用、净化钢液和合金化作用，可使钢中夹杂物变性，进而提高钢的各项性能(包括洁净度和力学性能)。本发明使用的稀土为纯度为≥99.99％的纯稀土Ce。

其中，S元素通过电渣重熔工艺要把含量控制在50ppm以下；O元素则通过真空感应熔炼严格控制在10ppm以内。

根据本发明的较佳实施例，其中Ce的含量为0.016％-0.020％。Ce添加量在0.016％-0.020％时，可使轴承钢中氧含量降低56.5％-60％，硫含量降低51.7％-55.5％，冲击性能提高70％-74.7％，抗拉强度提高了18％-22.2％，硬度提高7.0％-8.0％；相比轴承钢，力学性能得到明显提升。

其中，Ce含量在一个很窄的区间内(0.015-0.05％)，当Ce含量低于0.015％时不足以变质夹杂物且未能起到稀土微合金化的作用；Ce含量高于0.05％时增加了夹杂物形成元素的含量导致钢中夹杂物数量增加、尺寸变大且边缘尖角明显，严重恶化钢的性能。

第二方面，本发明提供一种含稀土元素的高碳铬轴承钢的制备方法，其包括如下步骤：

S1:根据上述合金组成中铁、铬、碳、铝、硅、锰、铈的用量称取各原料；制备过程中，铝按照0＜Al≤0.05％的用量称取原料，铈原料纯度为≥99.99％；

最终轴承钢产品中各元素含量有些微变化，但基本可忽略不计。

S2:真空感应炉熔炼，包括如下步骤:

步骤1：随炉装入纯铁、铬和部分碳；

步骤2：对炉内抽真空至≤1Pa，给电升温，向炉内通入氩气至压力达40-50KPa；

步骤3：将炉内的原料熔清后，将剩余的碳加到炉内进行熔炼脱氧，对炉内抽真空，控制真空度在0-20Pa，碳脱氧时间至少20min以上；

步骤4：再次向炉内通入氩气达到10-20KPa，将铝、硅、锰加到炉内(铝用于终脱氧)；

步骤5:3-5min后测量炉内温度，根据测量温度调整感应炉的功率使炉内温度达到1530-1550℃后，将铈加到炉内，熔炼3-5min；

S3:浇注重熔电极棒

将经过真空感应炉熔炼的钢液，采用细流中速均匀浇注，浇注时间为10-20S，浇注时钢液温度控制在1530-1550℃，获得重熔电极棒；

S4:电渣重熔

对所述重熔电极棒采用CaF₂-Al₂O₃二元渣系进行电渣重熔，得到钢锭；渣系组成为CaF₂65-75wt％，Al₂O₃25-35％；

S5:均匀化热处理

将钢锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为1150±5℃，保温3-10h(优选5h)，以保证钢锭内外温度均匀；

S6:锻造

锻造条件为：1200±40℃保温1-3h，始锻温度1150±10℃，终锻温度850±10℃，锻造比≥3，锻后采用间断式浸水，冷却到550-600℃时出水、空冷；

S7:球化退火处理；

S8:淬火、回火处理

淬火加热温度为810-835℃，回火采用低温回火，温度为150-250℃。

根据本发明较佳实施例，S6中，在锻造前，先清除钢锭表面缺陷，先低温预热一段时间后，再快速加热至1200±40℃保温1-3h。

根据本发明较佳实施例，预热温度避开200-400℃的蓝脆区；加热时，避开热脆区(800-950℃)，最高加热温度不大于1250℃(避免进入高温脆区)。

根据本发明较佳实施例，S7中，采用等温球化退火，条件为：加热到800±10℃，保温2-3.5h后，快冷到700±10℃(A1附近)，进行较长时间保温(3.5h以上)，之后以30-50℃/h的降温速度冷却到600℃以下，出炉。

根据本发明较佳实施例，所述等温球化退火条件为：加热到800℃，保温3h后，快冷到700℃(A1附近)进行4h保温，接着随炉冷到600℃以下，出炉空冷。

球化退火目的：降低硬度，便于加工，为淬火做准备。和普通球化退火相比，等温球化退火不仅可缩短周期，而且还可以使球化组织更加均匀，并能严格地控制退火后的硬度。

根据本发明较佳实施例，S8中，淬火、回火条件为：采用油淬在830℃下保温30min，然后160℃下回火保温3h，空冷。

淬火的主要目的是提升材料的综合性能(硬度、耐磨性、抗疲劳性能等)，为后续工艺提供优质的马氏体组织。回火目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。回火后得到回火马氏体，即淬火马氏体低温回火时得到的组织。经过淬火和回火，有助于轴承钢获得高的硬度和耐磨性。

本发明钢的典型化学成分分析值见表1和表2。

表1实验钢化学成分wt％

表2为有害元素控制范围

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明在GCr15SiMn轴承钢所具有的本身低成本、高淬透性、高耐磨性优势特性的基础上，通过加入适量的Ce元素，并配合利用合理的熔炼工艺以严格控制非主要元素的含量(特别是S和O含量)，进一步提高GCr15SiMn轴承钢的洁净度和力学性能，以获得一种新型的高碳铬轴承钢，从而满足高性能轴承材料的需求。

本发明通过对轴承钢合金成分的优化、结合制备工艺的改进，得到技术效果为：高碳铬轴承钢材料不仅具备低的氧、硫含量，还可得到优良的抗冲击性能、高硬度、高耐磨性及高抗拉强度。实验证明，相较于现有GCr15SiMn轴承钢，本发明的改进型GCr15SiMn轴承钢的纯净度和力学性能均得到明显提高，轴承钢的冲击性能提高最优可达70％以上，抗拉强度提高最优可达20％以上，硬度提高最优可达7％以上。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合具体实施方式，对本发明作详细描述。以下实施例中各合金元素含量以质量百分比计。

实施例1

本实施例提供一种新型含稀土高碳铬轴承钢，设计其合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.56％；Si：0.56％；Mn：1.09％；Ce：0.016％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0014％；O：0.0007％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。

新型高碳铬轴承钢的制备工艺如下：

(1)按上述组分中铁、铬、碳、铝、硅、锰、铈的用量称取各原料；铝按照0.03％称取原料，铈纯度为≥99.99％。

按照前述组分称取各原料进行熔炼、浇注重熔电极棒、电渣重熔、均匀化热处理、锻造、球化退火处理、淬火、回火处理之后，最终所得轴承钢产品中各元素含量有微小变化，但基本可忽略不计。

(2)真空感应炉熔炼，按照如下步骤操作：

①装料：随炉装入纯铁+Cr+1/2C；料仓：1/2C+Al+Si+Mn+稀土Ce；

②抽真空至≤1Pa，给电升温，向炉内通入氩气至50KPa；

③熔清后，将料仓中的C加入，抽真空、控制真空度在20Pa以下，碳脱氧时间30分钟；

④再次向炉内通入氩气至10KPa，依次将料仓中的Al、Si、Mn加入；

⑤3-5分钟后测量温度，调整功率使温度达到1530-1550℃，加入稀土Ce；

(3)浇注重熔电极棒

将经过真空感应熔炼的钢水采用细流中速均匀浇注，浇注时间为20秒，浇注温度控制温度至在1540-1550℃，首次获得重熔电极棒；

(4)电渣重熔

采用CaF₂-Al₂O₃二元渣系进行电渣重熔，得到钢锭。渣系质量配比：CaF₂:70％，Al₂O₃:30％。

(5)均匀化热处理

锻造前将钢锭进行均匀化处理，均匀化处理温度1150±5℃，保温5h，目的是保证钢锭内外温度均匀。

(6)锻造

在1200℃保温2h，始锻温度1150℃，终锻温度850℃，锻造比不小于3，锻后采用间断式浸水，冷却到600℃时出水，空冷。

锻造过程注意事项：

①锻造前清除表面缺陷，尽量预热后在快速加热。

②温加工(预热)时，应避免200-400℃的蓝脆区。热加工(加热升温)时，应尽量避免进入热脆区800-950℃和高温脆区(大于1250℃)。

(7)球化退火处理

球化退火工艺为等温球化退火：加热到800℃，保温3h后快冷到700℃(A1附近)再进行4h保温，接着随炉冷到600℃以下，出炉空冷。

f)淬火、回火处理

淬、回火为：先采用油淬，在830℃保温30min，在160℃保温3h进行回火，然后空冷。

实施例2

本实施例提供一种新型含稀土高碳铬轴承钢，设计其合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.55％；Si：0.59％；Mn：1.09％；Ce：0.029％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0012％；O：0.0006％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中，高碳铬轴承钢的制备过程参见实施例1。

实施例3

本实施例提供一种新型含稀土高碳铬轴承钢，设计其合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.56％；Si：0.59％；Mn：1.10％；Ce：0.048％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0009％；O：0.0004％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中，高碳铬轴承钢的制备过程参见实施例1。

对比例1

对比例1的高碳铬轴承钢的合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.56％；Si：0.56％；Mn：1.07％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0029％；O：0.0016％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法各步骤及条件均和实施例1相同。

对比例2

对比例2的高碳铬轴承钢的合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.56％；Si：0.56％；Mn：1.09％；Ce：0.08％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0014％；O：0.0007％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法各步骤及条件均和实施例1相同。

对比例3

对比例3的高碳铬轴承钢的合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.56％；Si：0.56％；Mn：1.09％；Ce：0.15％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0014％；O：0.0007％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法各步骤及条件均和实施例1相同。

对比例4

对比例4的高碳铬轴承钢的合金元素组成为：C：1.02％；Cr：1.56％；Si：0.56％；Mn：1.09％；Ce：0.010％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：0.0014％；O：0.0007％；Al≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法各步骤及条件均和实施例1相同。

以上各实施例的轴承钢测定其中氧、硫含量，回火硬度、抗拉强度、抗冲击性能(夏比无缺口冲击功)，结果如下表：

由实施例1可知，添加0.016％Ce时，轴承钢中有害元素含量及性能为：与对比例1相比，氧含量降低了56.3％，硫含量降低了51.7％，冲击性能提高了73.6％，抗拉强度提高了25.4％，硬度提高了7.6％。本实施例的新型含稀土高碳铬轴承钢的纯净度和力学性能均优于对比例1。

由实施例2可知，添加0.029％Ce时，轴承钢中有害元素含量及性能为：与对比例1相比，氧含量降低了62.5％，硫含量降低了58.6％，冲击性能提高了47.2％，抗拉强度提高了13.9％，硬度提高了6.5％。本实施例的新型含稀土高碳铬轴承钢的纯净度和力学性能均优于对比例1。

由实施例3可知，添加0.048％Ce时，轴承钢中有害元素含量及性能为：与对比例1相比，氧含量降低了75％，硫含量降低了69％，冲击性能提高了18.9％，抗拉强度提高了13.5％，硬度提高了5.6％。本实施例的新型含稀土高碳铬轴承钢的纯净度和力学性能均优于对比例1。

由实施例1-3与对比例2-4相比可知，当Ce含量高于0.05％时，轴承钢中有害元素含量虽然降低明显，但轴承钢的冲击性能、抗拉强度、硬度却没有明显提高，甚至开始出现下降趋势。而当Ce含量低于0.015％时，轴承钢中有害元素含量降低不明显，同时轴承钢的冲击性能、抗拉强度、硬度也没有明显提高。由此可见，本发明在现有GCr15SiMn轴承钢基础上添加Ce0.015-0.05％时，才能有效降低轴承钢产品中有害合金元素，并显著提高轴承钢的各项力学性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种含稀土元素的高碳铬轴承钢，其特征在于，按重量百分比计，由以下组分组成：C：0.95-1.05％；Cr：1.4-1.65％；Si：0.45-0.75％；Mn：0.95-1.25％；Ce：0.015-0.05％；Mo：≤0.10％；Ni≤0.30％；Cu≤0.25％；P≤0.025％；S：≤0.005％；O：≤0.001％；Al：≤0.05％；Ti≤0.003％；余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述含稀土元素的高碳铬轴承钢，其特征在于，Ce的含量为0.016％-0.020％。

3.一种含稀土元素的高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1:根据权利要求1-2所述含稀土元素的高碳铬轴承钢的合金组成中铁、铬、碳、铝、硅、锰、铈的用量称取各原料；其中，铝按照0＜Al≤0.05％的用量称取原料；

S2:真空感应炉熔炼，包括:

步骤1：随炉装入纯铁、铬和部分碳；

步骤2：对炉内抽真空至≤1Pa，给电升温，向炉内通入氩气至压力达40-50KPa；

步骤3：将炉内的原料熔清后，将剩余的碳加到炉内进行熔炼脱氧，对炉内抽真空，控制真空度在0-20Pa，碳脱氧时间至少20min以上；

步骤4：再次向炉内通入氩气达到10-20KPa，将铝、硅、锰加到炉内；

步骤5:3-5min后测量炉内温度，根据测量温度调整感应炉的功率使炉内温度达到1530-1550℃后，将铈加到炉内，熔炼3-5min；

S3:浇注重熔电极棒

将经过真空感应炉熔炼的钢液，采用细流中速均匀浇注，浇注时间为10-20S，浇注时钢液温度控制在1530-1550℃，获得重熔电极棒；

S4:电渣重熔

对所述重熔电极棒采用CaF₂-Al₂O₃二元渣系进行电渣重熔，得到钢锭；渣系组成为CaF₂65-75wt％，Al₂O₃25-35％；

S5:均匀化热处理

将钢锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为1150±5℃，保温3-10h，以保证钢锭内外温度均匀；

S6:锻造

锻造条件为：1200±40℃保温1-3h，始锻温度1150±10℃，终锻温度850±10℃，锻造比≥3，锻后采用间断式浸水，冷却到550-600℃时出水、空冷；

S7:球化退火处理；

S8:淬火、回火处理

淬火加热温度为810-835℃，回火采用低温回火，温度为150-250℃。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S6中，在锻造前，先清除钢锭表面缺陷，先低温预热一段时间后，再快速加热至1200±40℃保温1-3h。

5.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，预热温度避开200-400℃的蓝脆区；加热时避开800-950℃，最高加热温度不大于1250℃。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于S7中，采用等温球化退火，条件为：加热到800±10℃，保温2-3.5h后，快冷到700±10℃，进行3.5h以上保温，之后以30-50℃/h的降温速度冷却到600℃以下，出炉。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述等温球化退火条件为：加热到800℃，保温3h后，快冷到700℃进行4h保温，接着随炉冷到600℃以下，出炉空冷。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S8中，淬火、回火条件为：采用油淬在830℃下保温30min，然后160℃下回火保温3h，空冷。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，真空感应炉熔炼过程中，先随炉加入1/2的碳，在步骤3中再加入另外1/2的碳进行脱氧。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，真空感应炉熔炼过程中，使用的铈原料纯度为≥99.99％。