CN114635091A - 一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁路材料领域，公开了一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料及制备方法，所述轴承钢新材料包括的成分及其质量百分数如下：C 0.19～0.23％、Si 0.25～0.40％、Mn0.70～0.90％、Cr 0.50～0.60％、Ni 1.60～1.70％、Mo 0.20～0.30％、Cu≤0.15％、P≤0.010％、S≤0.005％、Al 0.015～0.050％、Ca≤0.0006％、Ti≤0.0015％、Ce 0.005～0.015％、O≤0.0018％、N 0.008～0.012％、余量为铁。所述方法包括如下步骤：(1)电炉冶炼；(2)LF精炼；(3)VD真空精炼；(4)模铸浇铸；(5)锻造开坯；(6)电极坯料扒皮处理、电渣重熔；(7)加热轧制。本发明解决了铁路用轴承钢的强度、韧性、表面硬度低，接触疲劳寿命短，使用年限低的问题。

Description

一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料及制备方法
技术领域
本发明属于铁路材料领域，更具体地涉及一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料及制备方法。
背景技术
随着铁路列车的高速化，轴承作为高速列车的关键部件，其性能及可靠性越来越受到关注，轴承作为铁路关键部件中承受随机动载最强烈的部件，关乎列车的安全运行。
铁路轴承要求具有高强度、高韧性、高表面硬度、长接触疲劳寿命和尺寸稳定性的特性，目前现有铁路用轴承存在强度、韧性、表面硬度低，接触疲劳寿命短，使用年限低的问题亟待解决。
发明内容
为解决现有技术中铁路用轴承钢的强度、韧性、表面硬度低，接触疲劳寿命短，使用年限低的问题，本发明提供一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料及制备方法。
本发明采用的具体方案为：一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料，所述轴承钢新材料包括的成分及其质量百分数如下：C 0.19～0.23％、Si 0.25～0.40％、Mn 0.70～0.90％、Cr 0.50～0.60％、Ni 1.60～1.70％、Mo 0.20～0.30％、Cu≤0.15％、P≤0.010％、S≤0.005％、Al 0.015～0.050％、Ca≤0.0006％、Ti≤0.0015％、Ce 0.005～0.015％、O≤0.0018％、N 0.008～0.012％、余量为铁。
本发明另一方面提供一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)电炉冶炼；(2)LF精炼；(3)VD真空精炼；(4)模铸浇铸；(5)锻造开坯；(6)电极坯料扒皮处理、电渣重熔；(7)加热轧制。
所述步骤(1)的电炉冶炼中出钢的C的质量百分数为0.06～0.10％；P的质量百分数≤0.008％；出钢温度1600～1630℃，转炉出钢3/5～4/5时投入挡渣锥；出钢合金化处理，硅、锰、铬按下限控制。
所述步骤(2)中LF精炼过程分批加入铝粒或铝碳粉混合物、碳化硅，所述铝粒或铝碳粉混合物的用量≥1kg/t，所述碳化硅的用量≥1kg/t，白渣精炼时间大于20分钟；LF精炼过程末，控制S的质量百分数≤0.008％，温度≤1685℃，吊包倒渣后再入VD炉。
所述步骤(3)中VD真空精炼的时间为15～20分钟，破真空加碳化稻壳，以渣面微动，不裸露钢液为准，软吹时间25～30分钟，软吹采取氮气作为底吹气体15分钟，切换氩气软吹3分钟后取样，根据取样结果补喂氮化铬线。
所述步骤(4)模铸浇铸的过程中使用氩气保护浇注，氩气压力0.1～0.3MPa。
所述步骤(5)锻造开坯中的锻造加热温度为1160～1220℃，终锻控制在800～850℃，锻后空冷至600～700℃入坑缓冷；锻比≥3，心部锻透。
所述步骤(7)中的加热轧制的总加热时间为240分钟，预热段温度为≤800℃，加热1段的温度为880～1120℃，加热2段的温度为1200～1250℃；均热段的温度为1220～1250℃，出炉温度为1200～1220℃。
所述步骤(6)中电极坯料扒皮处理、电渣重熔的过程中，轧坯在重熔前进行表面抛丸去除氧化铁皮，采用提纯渣冶炼，提纯渣冶炼工艺采用Ф480*520结晶器，金属电极引弧，加渣时间40分钟，精炼时间30分钟。
所述电渣重熔采用四元渣系，渣系配比按重量份计CaF2 30份、Al2O3 45份、CaO20份、MgO 5份。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料，该轴承钢新材料中Mn 0.70～0.90％、Al 0.015～0.050％，Mn元素能显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中提高铁素体的硬度和强度，并且能够固定钢种S的形态并形成对钢的性能危害小的MnS等硫化物，能够减少或者抑制FeS的生成。Mn能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，并能提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度。Al的含量为0.015～0.050％，能够避免钢因晶粒度粗化温度低、粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够的细小弥散分布的难熔化合物-AlN，细小弥散的碳、氮化物一起阻止奥氏体晶粒长大，来细化晶粒。
2、本发明提供的稀土铁路渗碳轴承钢新材料中添加稀土Ce具有熔点低，并与冶金中的有害气体具有很强的亲合力，且具有极强的脱氧、脱硫作用、净化钢液和合金化作用，使钢中夹杂物变性，进而提高钢的强度、韧性、表面硬度、接触疲劳寿命。
3、本发明所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法简单，制备出的新材料强度、韧性、表面硬度低，接触疲劳寿命显著提高。
附图说明
图1为本发明铁路渗碳轴承钢低倍组织示意图；
图2为本发明铁路渗碳轴承钢微观夹杂示意图；
图3为本发明铁路渗碳轴承钢晶相图。
具体实施方式
在下文将结合附图对本发明做进一步详细地说明，显然此处应该理解的是，所描述的实施方案不是全部的实施方案，仅用于解释说明本发明，而不限制本发明。
本发明提供一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料，所述轴承钢新材料包括的成分及其质量百分数如下：C 0.19～0.23％、Si 0.25～0.40％、Mn 0.70～0.90％、Cr 0.50～0.60％、Ni 1.60～1.70％、Mo 0.20～0.30％、Cu≤0.15％、P≤0.010％、S≤0.005％、Al0.015～0.050％、Ca≤0.0006％、Ti≤0.0015％、Ce 0.005～0.015％、O≤0.0018％、N0.008～0.012％、余量为铁。
本发明中轴承钢新材料中Mn 0.70～0.90％、Al 0.015～0.050％，Mn元素能显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中提高铁素体的硬度和强度，并且能够固定钢种S的形态并形成对钢的性能危害小的MnS等硫化物，能够减少或者抑制FeS的生成。Mn能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，并能提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度。Al含量为0.015～0.050％，避免钢因晶粒度粗化温度低、粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够的细小弥散分布的难熔化合物-AlN，细小弥散的碳、氮化物一起阻止奥氏体晶粒长大，来细化晶粒。
稀土铁路渗碳轴承钢新材料中添加稀土Ce具有熔点低，并与冶金中的有害气体具有很强的亲合力，且具有极强的脱氧、脱硫作用、净化钢液和合金化作用，使钢中夹杂物变性，进而提高钢的强度、韧性、表面硬度、接触疲劳寿命。
本发明另一方面提供一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)电炉冶炼；(2)LF精炼；(3)VD真空精炼；(4)模铸浇铸；(5)锻造开坯；(6)电极坯料扒皮处理、电渣重熔；(7)加热轧制。
所述步骤(1)的电炉冶炼中出钢的C的质量百分数为0.06～0.10％；P的质量百分数≤0.008％；出钢温度1600～1630℃，转炉出钢3/5～4/5时投入挡渣锥；出钢合金化处理，硅、锰、铬按下限控制。通过过控制出钢碳成分、出钢温度，一方面能较少出钢碳低造成钢水的过氧化而造成的钢液纯净度降低，另一方面能够保证出钢温度，有利于出钢合金、渣料的快速熔化以及保证到精炼工位的温度，减少精炼过程的升温压力。
所述步骤(2)中LF精炼过程分批加入铝粒或铝碳粉混合物、碳化硅，所述铝粒或铝碳粉混合物的用量≥1kg/t，所述碳化硅的用量≥1kg/t，白渣精炼时间大于20分钟；LF精炼过程末，控制S的质量百分数≤0.008％，温度≤1685℃，吊包倒渣后再入VD炉。采用铝粒或铝碳粉混合物、碳化硅进行扩散脱氧，提高精炼渣脱氧、去夹杂能力。
所述步骤(3)中VD真空精炼的时间为15～20分钟，破真空加碳化稻壳，以渣面微动，不裸露钢液为准，软吹时间25～30分钟，软吹采取氮气作为底吹气体15分，切换氩气软吹3分后取样，根据取样结果补喂氮化铬线。通过氮气底吹、补喂氮线方式可稳定控制钢中所需N含量。
所述步骤(4)模铸浇铸的过程中使用氩气保护浇注，避免浇铸过程中钢水接触外接空气造成钢液二次氧化，氩气压力0.1～0.3MPa。
所述步骤(5)锻造开坯中的锻造加热温度为1160～1220℃，终锻控制在800～850℃，锻后空冷至600～700℃入坑缓冷；锻比≥3，可充分保证钢锭心部充分焊合，避免出现缩孔问题。
所述步骤(7)中的加热轧制的总加热时间为240分钟，通过长时间高温加热，促进碳元素在钢中进行扩散溶解，达到减少碳偏析的效果。预热段温度为≤800℃，加热1段的温度为880～1120℃，加热2段的温度为1200～1250℃；均热段的温度为1220～1250℃，出炉温度为1200～1220℃。
所述步骤(6)中电极坯料扒皮处理、电渣重熔的过程中，轧坯在重熔前进行表面抛丸去除氧化铁皮，减少氧化铁皮带入而造成电渣过程增氧，有利于控制电渣钢中氧含量。采用提纯渣冶炼，提纯渣冶炼工艺采用Ф480*520结晶器，金属电极引弧，加渣时间40分钟，精炼时间30分钟。
所述电渣重熔采用四元渣系，渣系配比按重量份计CaF2 30份、Al2O3 45份、CaO 20份、MgO 5份。
实施例1
本发明提供一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料，该材料包括如下组分C 0.19％、Si0.25％、Mn 0.70％、Cr 0.50％、Ni 1.60％、Mo 0.20％、Cu0.15％、P 0.010％、S 0.005％、Al 0.015％、Ca 0.0006％、Ti 0.0015％、Ce 0.005％、O 0.0018％、N 0.008％、余量为铁。
本发明另一方面提供一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)电炉冶炼；(2)LF精炼；(3)VD真空精炼；(4)模铸浇铸；(5)锻造开坯；(6)电极坯料扒皮处理、电渣重熔；(7)加热轧制。所述步骤(1)的电炉冶炼中出钢的C的质量百分数为0.06％；P的质量百分数0.008％；出钢温度1600℃，转炉出钢3/5时投入挡渣锥；出钢合金化处理，硅、锰、铬按下限控制。所述步骤(2)中LF精炼过程分批加入铝粒或铝碳粉混合物、碳化硅，所述铝粒或铝碳粉混合物的用量为1kg/t，所述碳化硅的用量为1kg/t，白渣精炼时间大于20分钟；LF精炼过程末，控制S的质量百分数0.008％，温度1685℃，吊包倒渣后再入VD炉。所述步骤(3)中VD真空精炼的时间为15分钟，破真空加碳化稻壳，以渣面微动，不裸露钢液为准，软吹时间25分钟，软吹采取氮气作为底吹气体15分，切换氩气软吹3分后取样，根据取样结果补喂氮化铬线。
所述步骤(4)模铸浇铸的过程中使用氩气保护浇注，氩气压力0.1MPa。所述步骤(5)锻造开坯中的锻造加热温度为1160℃，终锻控制在800℃，锻后空冷至600℃入坑缓冷；锻比为3，心部锻透。所述步骤(7)中的加热轧制的总加热时间为240分钟，预热段温度为800℃，加热1段的温度为880℃，加热2段的温度为1200℃；均热段的温度为1220℃，出炉温度为1200℃。所述步骤(6)中电极坯料扒皮处理、电渣重熔的过程中，轧坯在重熔前进行表面抛丸去除氧化铁皮，采用提纯渣冶炼，提纯渣冶炼工艺采用Ф480*520结晶器，金属电极引弧，加渣时间40分钟，精炼时间30分钟。所述电渣重熔采用四元渣系，渣系配比按重量份计CaF230kg、Al2O3 45kg、CaO 20kg、MgO 5kg。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料中的成分及其含量如下C 0.23％、Si 0.40％、Mn 0.90％、Cr 0.60％、Ni 1.70％、Mo 0.30％、Cu0.10％、P 0.010％、S 0.005％、Al 0.050％、Ca 0.0006％、Ti 0.0015％、Ce 0.015％、O0.0018％、N 0.012％、余量为铁。
所述步骤(1)的电炉冶炼中出钢的C的质量百分数为0.10％；P的质量百分数0.005％；出钢温度1630℃，转炉出钢4/5时投入挡渣锥；出钢合金化处理，硅、锰、铬按下限控制。所述步骤(3)中VD真空精炼的时间为120分钟，破真空加碳化稻壳，以渣面微动，不裸露钢液为准，软吹时间30分钟，软吹采取氮气作为底吹气体15分钟，切换氩气软吹3分钟后取样，根据取样结果补喂氮化铬线。所述步骤(4)模铸浇铸的过程中使用氩气保护浇注，氩气压力0.3MPa。所述步骤(5)锻造开坯中的锻造加热温度为1220℃，终锻控制在850℃，锻后空冷至700℃入坑缓冷；锻比为4，心部锻透。
所述步骤(7)中的加热轧制的总加热时间为240分钟，预热段温度为680℃，加热1段的温度为1120℃，加热2段的温度为1250℃；均热段的温度为1250℃，出炉温度为1220℃。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料中的成分及其含量如下C0.20％、Si0.3％、Mn0.8％、Cr 0.50％、Ni1.70％、Mo0.25％、Cu0.15％、P0.010％、S0.005％、Al 0.315％、Ca 0.0006％、Ti0.0015％、Ce 0.010～0.015％、O0.0010％、N 0.010％、余量为铁。
所述步骤(1)的电炉冶炼中出钢的C的质量百分数为0.08％；P的质量百分数0.006％；出钢温度1620℃，转炉出钢4/5时投入挡渣锥；出钢合金化处理，硅、锰、铬按下限控制。所述步骤(3)中VD真空精炼的时间为120分钟，破真空加碳化稻壳，以渣面微动，不裸露钢液为准，软吹时间25分钟，软吹采取氮气作为底吹气体30分钟，切换氩气软吹3分钟后取样，根据取样结果补喂氮化铬线。所述步骤(4)模铸浇铸的过程中使用氩气保护浇注，氩气压力0.3MPa。所述步骤(5)锻造开坯中的锻造加热温度为1200℃，终锻控制在830℃，锻后空冷至650℃入坑缓冷；锻比为5，心部锻透。
所述步骤(7)中的加热轧制的总加热时间为240分钟，预热段温度为680℃，加热1段的温度为1100℃，加热2段的温度为1220℃；均热段的温度为1220℃，出炉温度为1210℃。
本发明中对实施例1-3进行分别测试，取最优实施例1进行如下测试：
实施例1中的新材料的性能对比如下表：从下面可以明显看出，新材料与传统材料相比，低倍更致密、微观夹杂物更细小、氧含量、钛含量更低。
Figure BDA0003560056540000061
实施例1中非金属夹杂物的评定结果如下表：任意取不同支钢材，微观夹杂物最大0.5级，说明材料纯净度更高。
Figure BDA0003560056540000062
实施例1中性能测试结果如下表：
Figure BDA0003560056540000063
采用实施例1新材料制备而成的标准铁路渗碳轴承钢、熔炼样、265方轧坯、轧材的具体成分如下：
Figure BDA0003560056540000071
本发明提供的稀土铁路渗碳轴承钢新材料纯净度高，氧含量低，晶粒度高，力学性能稳定，制备该材料的制备方法简便，易操作。
本发明提供的稀土铁路渗碳轴承钢新材料，主要技术指标高于传统渗碳轴承钢材料标准。低倍质量更致密、氧含量、钛含量更低，微观夹杂物更细小，力学性能更稳定，产品实物满足高速铁路客车、货车轴承实物质量需求。
以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种稀土铁路渗碳轴承钢新材料，其特征在于，所述轴承钢新材料包括的成分及其质量百分数如下：C 0.19～0.23％、Si 0.25～0.40％、Mn 0.70～0.90％、Cr 0.50～0.60％、Ni 1.60～1.70％、Mo 0.20～0.30％、Cu≤0.15％、P≤0.010％、S≤0.005％、Al0.015～0.050％、Ca≤0.0006％、Ti≤0.0015％、Ce 0.005～0.015％、O≤0.0018％、N0.008～0.012％、余量为铁。
2.一种如权利要求1所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)电炉冶炼；(2)LF精炼；(3)VD真空精炼；(4)模铸浇铸；(5)锻造开坯；(6)电极坯料扒皮处理、电渣重熔；(7)加热轧制。
3.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的电炉冶炼中出钢的C的质量百分数为0.06～0.10％；P的质量百分数≤0.008％；出钢温度1600～1630℃，转炉出钢3/5～4/5时投入挡渣锥；出钢合金化处理，硅、锰、铬按下限控制。
4.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中LF精炼过程分批加入铝粒或铝碳粉混合物、碳化硅，所述铝粒或铝碳粉混合物的用量≥1kg/t，所述碳化硅的用量≥1kg/t，白渣精炼时间大于20分钟；LF精炼过程末，控制S的质量百分数≤0.008％，温度≤1685℃，吊包倒渣后再入VD炉。
5.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中VD真空精炼的时间为15～20分钟，破真空加碳化稻壳，以渣面微动，不裸露钢液为准，软吹时间25～30分钟，软吹采取氮气作为底吹气体15分钟，切换氩气软吹3分钟后取样，根据取样结果补喂氮化铬线。
6.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)模铸浇铸的过程中使用氩气保护浇注，氩气压力0.1～0.3MPa。
7.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)锻造开坯中的锻造加热温度为1160～1220℃，终锻控制在800～850℃，锻后空冷至600～700℃入坑缓冷；锻比≥3，心部锻透。
8.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中的加热轧制的总加热时间为240分钟，预热段温度为≤800℃，加热1段的温度为880～1120℃，加热2段的温度为1200～1250℃；均热段的温度为1220～1250℃，出炉温度为1200～1220℃。
9.根据权利要求2所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中电极坯料扒皮处理、电渣重熔的过程中，轧坯在重熔前进行表面抛丸去除氧化铁皮，采用提纯渣冶炼，提纯渣冶炼工艺采用Ф480*520结晶器，金属电极引弧，加渣时间40分钟，精炼时间30分钟。
10.根据权利要求9所述的稀土铁路渗碳轴承钢新材料的制备方法，其特征在于，所述电渣重熔采用四元渣系，渣系配比按重量份计CaF2 30份、Al2O3 45份、CaO 20份、MgO 5份。
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