CN114134409A

CN114134409A - 一种滚珠丝母轴承用钢及其制造方法

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Publication number: CN114134409A
Application number: CN202111098406.4A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 白云; 翟蛟龙; 吴小林; 尹青; 李文彬; 徐婷; 蒋龙飞; 高亮
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-09-18
Filing date: 2021-09-18
Publication date: 2022-03-04

Abstract

本发明涉及一种滚珠丝母轴承用钢，合金成分按质量百分比计为C：0.15～0.25％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.30～0.80％，Cr：1.30～1.60％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.30％，Mo：0.05～0.15％，Cu≤0.30％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti：0.010～0.025％，O≤0.0010％，N：0.0050～0.0140％，B：0.0003～0.0025％，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、热轧、退火等。最终性能满足：表面硬度满足150‑235HBW，金相组织为铁素体+珠光体，末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，J1点满足41‑48HRC，J3点满足32‑45HRC，J5点满足25‑40HRC，J9点满足≤29HRC。产品的强度及韧性不低于20CrNiMo。

Description

一种滚珠丝母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，尤其涉及一种滚珠丝母轴承用钢。

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。

滚珠丝母作为滚珠丝杠副中关键的部件，丝母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。因此，其滚道要求通过表面改性处理以提高其表面硬度和耐磨性，保证滚珠丝杠副的定位精度。

根据滚珠丝母的使用条件，对滚珠丝母的原材料钢材也提出更高的要求，滚珠丝母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，由于用户在精加工过程中需要对材料进行热处理，因此，钢材还需具备一定的“淬透性”。另外，钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性，根据滚珠丝母的使用条件，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。为提高最终产品的使用寿命，必须提高钢材纯净度，尽可能降低钢中非金属夹杂物。

但在滚珠丝母用钢材的材料选用方面，国内很多生产厂家照搬轴承行业的经验，原材料还是采用GCr15、GCr15SiMn这些牌号。但是经过多年实践证明：这类轴承钢仅仅能勉强满足接触刚度的性能要求，由于滚珠丝母工况与传统的轴承有很大差别。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，影响最终滚珠丝母产品质量，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。

为克服上述钢材的缺点，有生产厂家采用20CrNiMo并进行渗碳淬火后用于生产滚柱丝母，采用这种工艺，产品表面进行渗碳淬火后，能够保证足够的硬度和耐磨性，心部又保持原有的钢材金相组织，具备一定的韧性，利于后续的变形控制，取得积极的效果。但20CrNiMo钢，其合金含量高，特别是添加了昂贵的Ni合金元素，生产成本高，而且由于合金含量高，热轧棒材的原始组织除“铁素体+珠光体”外，往往还有“贝氏体”组织，一定程度上降低产品的韧性。此外，从尺寸精度及减少能耗方面考虑，目前锻造一般采用冷锻，20CrNiMo中导致冷锻变形阻力的Mn和Mo元素含量较高，不利于钢材冷锻加工。

发明内容

为克服背景技术中所提到的现有滚珠丝母用钢材的缺点，本发明开发出一种新的滚柱丝母轴承用钢材，适用于冷锻加工，控制或不加昂贵的合金以降低合金原料成本，保证钢材的淬透性、韧性、耐磨性，使产品满足热处理变形量及尺寸精度等加工要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种滚珠丝母轴承用钢，元素成分质量百分含量为C：0.15～0.25％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.30～0.80％，Cr：1.30～1.60％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.30％，Mo：0.05～0.15％，Cu≤0.30％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti：0.010～0.025％，O≤0.0010％，N：0.0050～0.0140％，B：0.0003～0.0025％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的滚珠丝母轴承用钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

C是确保钢材耐磨性所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，从而提高它的硬度和强度，进而提高耐磨性。但过高的C含量对钢的韧性不利。另外，过高的C含量也会导致严重的中心C偏析从而影响钢材的芯部韧性。本发明控制其含量为0.15～0.25％。

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，且增加钢材冷锻阻力。本发明的Mn含量控制在0.30～0.80％。

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。本发明Cr含量的范围确定为1.30-1.60％。

5)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≤0.05％。

6)Ni含量的确定

Ni能够提高钢的强度、韧性和淬透性以及耐腐蚀性，但Ni金属昂贵，本发明对Ni不进行添加，Ni≤0.30％。

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，增加钢材冷锻阻力。本发明将Mo含量的范围确定为0.05～0.15％

8)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％。

9)Ti含量的确定

钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒。但Ti在钢中会形成碳氮化钛夹杂物，这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响材料的疲劳寿命，本发明Ti含量的范围确定为0.01-0.025％。

10)N含量的确定

当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe₄N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。但是氮会与钢中的合金元素生成氮化物非金属夹杂，更重要的是降低了合金元素的作用。钢中氮含量高时，钢的强度升高，冲击韧性降低。本发明的N含量确定为0.005-0.014％

11)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0.0003-0.0025％。

12)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％。

12)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％。

13)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％。

本发明滚珠丝母轴承用钢的生产流程为电炉或转炉—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连铸坯加热轧制成材(棒材)—退火—精整—打件入库。

主要生产工艺特点如下：

1、采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。加强精炼过程的脱氧，保证钢中残铝量,利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和真空脱气处理，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。

2、连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，浇注过程全程保护防止钢水氧化，并采用低过热度(20-35℃)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、本发明的产品将冶炼原料依次经电炉或转炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气和连铸，连铸出与钢材成品化学成分相符的规格为300mm×340mm及以上的连铸方坯；连铸坯应下坑缓冷，防止连铸坯开裂，缓冷时间不小于48小时，随后将连铸坯送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成材，加热温度1100-1200℃，加热时间大于3小时，轧制时开轧温度1050℃-1150℃，使其在奥氏体单相区进行轧制，终轧温度控制在730-780℃，使终轧在铁素体和奥氏体两相区热轧变形，在部分铁素体晶粒沿轧制方向伸长的过程中，通过动态恢复形成的亚晶保持等轴状生长以及组织强化，使得钢的强度大幅提高而且韧性不降低。为使轧制结束后实现由奥氏体向铁素体+珠光体组织转变，终轧结束到上冷床后，使用保温罩，使钢材在冷床上缓慢冷却，冷却速度不超过10℃/min，在保温罩时间控制在10min-15min，钢材出保温罩温度控制在500℃以上，此冷却阶段钢中AlN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，同时也可防止因冷速较快导致产生贝氏体组织，降低钢材韧性。出保温罩后钢材在冷床上正常冷却，而后再经后续矫直、探伤，制得目标棒材产品。

为保证钢材的交货硬度，需对上述钢材进行退火处理，退火温度为600-650℃，保温时间为8h以上，随后随炉冷却至200℃以下后出炉空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本申请的钢材是在20CrNiMo基础上进行的重新设计，降低了合金元素Mn、Mo的含量，减少钢材的冷锻阻力，同时降低或不添加Ni含量，降低合金原料成本。由于上述元素的降低势必影响钢材淬透性及韧性，因此同时通过添加微量的B元素并提高合金元素Cr，以此提高淬透性和韧性，同时通过控制轧制过程中金相组织的转变，确保成品钢材形成铁素体+珠光体组织，从而保证发明钢的强度及韧性不低于20CrNiMo(即本申请钢的强度和韧性能够达到20CrNiMo钢材水平)，最终满足高端滚柱丝母轴承用钢的要求。

本发明在冶炼过程中通过加强脱氧、脱氢，选用优质原料，保证钢材高的纯洁度，连铸采用低过热度浇注，并采用电磁搅拌和轻压下控制，控制钢材偏析，保证热处理后产品热处理变形小，尺寸精度高，能够满足高端滚珠丝母轴承的加工要求。

本申请滚珠丝母轴承用钢的性能满足：钢材经过退火处理后硬度满足150-235HBW。显微组织为铁素体+珠光体组织，奥氏体晶粒度要求≥5级。钢材末端淬透性按照GB/T225的方法评定满足：J1点满足41-48HRC，J3点满足32-45HRC，J5点满足25-40HRC，J9点满足≤29HRC。钢材非金属夹杂物按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≤0.5；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0。采用SEP 1927水浸高频探伤检测满足：夹杂物长度不超过5mm。采用GB/T1979对钢材低倍组织评级满足：中心疏松≤1.5级、一般疏松≤1.5级、锭型偏析≤1.0级，中心偏析≤1.0级。

附图说明

图1为本发明滚珠丝母轴承用钢的典型金相组织图(×100)；

图2为本发明滚珠丝母轴承用钢的典型金相组织图(×500)。

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。

本发明滚柱丝母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—连铸坯加热轧制成棒材—退火—精整—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0.03-0.18％，终点P要求≤0.018％。而后进行LF炉外精炼，LF精炼过程中应继续加强脱氧，加强造渣及脱氧操作，LF精炼炉采用Al+SiC进行联合脱氧，LF要尽早练成白渣，白渣保持时间在20min以上。真空脱气后经长时间的软吹氩处理，软吹氩时间≥25min，保证非金属夹杂物充分上浮。

连铸获得钢坯：连铸成300mm×340mm及以上的连铸方坯，控制中包过热度为20-35℃，连铸拉速0.5-0.75m/min，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。

将连铸坯送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成材，轧制时开轧温度1050℃-1150℃，在奥氏体单相区开始轧制，终轧温度控制在730-780℃，终轧在铁素体和奥氏体两相区热轧变形，在部分铁素体晶粒沿轧制方向伸长的过程中，通过动态恢复形成的亚晶保持等轴状生长以及组织强化；

终轧结束后钢材上冷床，使用保温罩让钢材在冷床上缓慢冷却，冷却速度不超过10℃/min，在保温罩内的缓冷时间控制在10min-15min，钢材出保温罩温度控制在500℃以上，此阶段钢中AlN质点析出，出保温罩后钢材在冷床上正常冷却。之后再经后续矫直、探伤，制得目标棒材产品。

轧制时的轧制及冷却工艺参数如表8所示。

为保证钢材的交货硬度，对每个实施例的钢材进行退火处理，退火温度为600-650℃，保温时间为8h以上，随后随炉冷却至200℃以下后出炉空冷至室温。

各实施例及对比例(20CrNiMo)化学成分(wt％)见表1和表2。

表1

表2

	实施例	Mo	As	Sn	Sb	Pb	Ca	Ti	N	O
											本发明	1	0.10	0.003	0.003	0.002	0.001	0.0002	0.020	0.011	0.00070
本发明	2	0.12	0.003	0.003	0.001	0.001	0.0002	0.021	0.010	0.00064
											本发明	3	0.10	0.002	0.002	0.001	0.002	0.0001	0.020	0.0105	0.00063
对比例		0.25	0.0060	0.0035	0.0016	0.001	0.0002	0.0011	0.0040	0.0010

各实施例钢材的夹杂物对比见表3

表3

各实施例的末端淬透性性能对比见表4，单位HRC

表4

	J3	J5	J9
				实施例1	41.5	39	27
实施例2	42	37	27
				实施例3	42	37	28
对比例	42.5	40	29

各实施例的机械性能见表5，力学性能样品检测的热处理工艺按照GB/T 3077-2015中的20CrNiMo的要求执行。

表5

各实施例钢材的低倍数据见表6

表6

中心疏松

一般疏松

锭型偏析

中心偏析

裂纹

缩孔

皮下气泡

实施例1

1.0

无

实施例2

1.0

无

实施例3

1.0

无

各实施例钢材的交货硬度见表7，单位HBW

表7

	交货硬度
		实施例1	167
实施例2	170
		实施例3	168

本发明滚珠丝母轴承用钢材的典型金相组织如图1、2所示，为铁素体+珠光体组织，无贝氏体组织。

表8

从上述检验结果看，本发明冲击及拉伸性能以及淬透性基本接近于对比钢，相对于对比钢，在显著降低生产成本的同时，发明钢的强度及韧性与对比钢相近，能够满足滚柱丝杠轴承用钢材要求。

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

1.一种滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：元素成分质量百分含量为C：0.15～0.25％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.30～0.80％，Cr：1.30～1.60％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni≤0.30％，Mo：0.05～0.15％，Cu≤0.30％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti：0.010～0.025％，O≤0.0010％，N：0.0050～0.0140％，B：0.0003～0.0025％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：所述钢丝经过退火处理后硬度为150-235HBW。

3.根据权利要求1所述的滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：所述钢材末端淬透性按照GB/T 225的方法评定，J1点满足41-48HRC，J3点满足32-45HRC，J5点满足25-40HRC，J9点满足≤29HRC。

4.根据权利要求1所述的滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：所述钢材组织中的非金属夹杂物按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≤0.5；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0。

5.根据权利要求1所述的滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：采用SEP 1927水浸高频探伤检测满足夹杂物长度不超过5mm。

6.根据权利要求1所述的滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：采用GB/T 1979对钢材低倍组织评级满足：中心疏松≤1.5级、一般疏松≤1.5级、锭型偏析≤1.0级，中心偏析≤1.0级。

7.根据权利要求1所述的滚珠丝母轴承用钢，其特征在于：钢材的显微组织为铁素体+珠光体，奥氏体晶粒度≥5级。

8.一种制造权利要求1-7中任一权利要求所述滚珠丝母轴承用钢的方法，其特征在于：

按照元素成分设计冶炼钢水，将钢水浇铸成连铸坯，连铸坯下坑缓冷，缓冷时间不小于48小时；

随后将连铸坯送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成材，轧制时开轧温度1050℃-1150℃，在奥氏体单相区开始轧制，终轧温度控制在730-780℃，终轧在铁素体和奥氏体两相区热轧变形，在部分铁素体晶粒沿轧制方向伸长的过程中，通过动态恢复形成的亚晶保持等轴状生长以及组织强化；

终轧结束后钢材上冷床，使用保温罩让钢材在冷床上缓慢冷却，冷却速度不超过10℃/min，在保温罩内的缓冷时间控制在10min-15min，钢材出保温罩温度控制在500℃以上，此阶段钢中AlN质点析出，出保温罩后钢材在冷床上正常冷却，后对钢材进行退火处理制得目标棒材产品。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：连铸坯在加热炉内的加热温度1100-1200℃，加热时间大于3小时。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：退火温度为600-650℃，退火保温时间为8h以上，随炉冷却至200℃以下后出炉空冷至室温。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：钢水冶炼包括电炉或转炉冶炼、LF精炼、RH或VD真空脱气，在生产过程中，对电炉或转炉出钢终点C、终点P进行控制，终点C控制在0.03-0.18％，终点P≤0.018％，并要防止出钢下渣；LF精炼过程中要加强造渣及脱氧操作，LF精炼炉采用Al+SiC进行联合脱氧，LF要尽早练成白渣，白渣保持时间在20min以上；真空脱气后经长时间的软吹氩处理，软吹氩时间≥25min。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，连铸过热度为20-35℃，连铸拉速为0.5-0.75m/min，连铸须全程采用防氧化保护浇注，防止钢水二次氧化。