CN114959490B - 一种高碳铬超洁净轴承钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高碳铬超洁净轴承钢及其制备方法，属于轴承用钢技术领域，所述钢种的化学成分，按质量百分含量计，包括：C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.25～0.45％、Cr：1.40～1.60％、Mo：0.10～0.30％、Al：0.03～0.05％、Mg：0.002％～0.003％，P≤0.020％、S≤0.030％、O≤8×10‑4％，H≤1.5×10‑4％，Pb≤0.002％、As≤0.04％、As+Sn+Sb≤0.075％、其余为Fe和其他不可避免的杂质元素；所述制备方法极大地保证了钢材的洁净度，其中连铸工艺采用射钉实验和模拟相结合对凝固末端进行预测，降低了铸坯中心疏松和中心裂纹发生率，实现了无缺陷铸坯生产。该发明向高碳钢中加入Mo和少量Mg、Al元素，提高了钢材的洁净度、表面硬度、耐磨性和疲劳强度，延长轴承钢的使用寿命。

Description

一种高碳铬超洁净轴承钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高碳铬超洁净轴承钢及其制备方法，属于轴承用钢技术领域。
背景技术
随着我国工程机械行业和交通运输业的不断发展，轴承钢作为一种制造轴承套圈和滚珠的重要材料引起重视，对其机械性能要求越来越高。影响轴承钢寿命的最普遍的一个原因是接触疲劳，而轴承钢组织的均匀性，碳化物的含量及形状，夹杂物的大小、含量和分布以及淬透性等都是引起轴承钢接触疲劳产生裂纹的原因。
高碳铬轴承钢是轴承钢中有一个大的种类，为制造轴承和轴承零件的最常用钢种。目前国内高碳铬轴承钢牌号中GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、 GCr18Mo均为全淬透性钢，具有高的接触疲劳和耐磨性能，其中，GCr15SiMo 在GCr15基础上增加含硅量和钼的含量，用于制造大尺寸范围的滚动轴承套圈及钢球、滚柱等。但是GCr15SiMo中硅的质量百分含量为0.65～0.85％，钼的质量百分含量为0.30～0.40％，其中钼含量过高导致材料成本增加，Si的高含量会提高对钢的脆化效果，影响材料的综合性能。
本申请提供了一种高碳铬超洁净轴承钢，在降低硅和钼含量的同时保证了材料具有高淬透性、耐磨性好以及疲劳强度高等综合性能，并且本发明的超洁净轴承钢的制备方法极大地提高了钢材的洁净度，进而延长了轴承钢的使用寿命。
发明内容
基于上述不足，本发明的目的在于，提供了一种高碳铬超洁净轴承钢及其制备方法，该轴承钢相对成本低、洁净度高、耐疲劳强度高。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种高碳铬超洁净轴承钢，所述钢种的化学成分，按质量百分含量计，包括：C：0.95～1.05％、Si： 0.15～0.35％、Mn：0.25～0.45％、Cr：1.40～1.60％、Mo：0.10～0.3％、Al：0.03～ 0.05％、Mg：0.002％～0.003％，P≤0.020％、S≤0.030％、O≤8×10-4％，H≤1.5×10-4％， Pb≤0.002％、As≤0.04％、As+Sn+Sb≤0.075％、其余为Fe和其他不可避免的杂质元素；
本申请钢种Si含量的设计原因：硅元素在合金钢奥氏体化过程中能够固溶，通过固溶强化机制来提高钢的强度和硬度，不影响钢的韧塑性；并且硅在钢锭冶炼过程中不仅是较好的脱氧剂，而且还能提高钢液的流动性，提高钢锭成分的均匀性，但是过量的硅元素会表现为脆化元素的作用并且随着硅元素含量的升高对钢的脆化效果越显著。因此，试验钢成分设计中硅含量最高取为0.35％。
Al的作用：铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。
铝作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。铝还能改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能；提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能；增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。向铬钼钢中添加Al可增加其耐磨性。
Cr的作用：铬元素在钢中形成稳定而硬的碳化物，具有抗蚀性，能显著提高强度硬度但同时降低塑性和韧性，并能够大大提高钢的淬透性，使工件淬火和回火后的组织变得均匀化。
Mo的作用：钼元素与碳的结合能力较强，多以碳化物的形式存在，能够通过固溶强化、细晶强化和弥散强化的强化机制很好地提高钢的强韧性。为了最大限度的发挥钼元素多种强化机制的优势，同时也最大限度的降低合金成本，钼元素含量设计最高为0.3％。
Mg的作用：能使钢中夹杂物数量减少、尺寸减小、分布均匀、形态改善等。微量镁能改善轴承钢的碳化物尺寸及分布，含镁轴承钢的碳化物颗粒细小均匀。
由于本申请钢种对钢材有洁净度、表面硬度、耐磨性和疲劳强度的要求，即对低倍组织、非金属夹杂物的等级和脱碳层深度的要求，所以设计成分 P≤0.020％、S≤0.030％、O≤8×10-4％，H≤1.5×10-4％。
优选的，所述轴承钢中Mo+Mg+Al的含量为： 0.018C+0.025Si+0.043Mn+0.053Cr≤Mo+Mg+Al≤0.079C+0.093Si+0.121Mn+0.167Cr。其中考虑微合金化元素Mo+Mg+Al对轴承钢表面硬度、耐磨性及疲劳性能的贡献，需Mo+Mg+Al含量满足 0.018C+0.025Si+0.043Mn+0.053Cr≤Mo+Mg+Al≤0.079C+0.093Si+0.121Mn+0.167Cr。本发明通过控制Mo、Mg、Al微合金化元素的加入量，进一步提高钢材强度的同时，可兼顾提高钢材的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，延长轴承钢的使用寿命等特点，本公式是基于本钢种大量的现场生产成分数据拟合得到的经验不等式。
优选的，轴承钢钢坯规格为中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级，锭型偏析≤1.0级；非夹杂物等级A细系≤2.0、A粗系≤1.0、B细系≤1.5、B 粗系≤0.5、C细系≤0、C粗系≤0、D细系≤1.0、D粗系≤0.5；圆钢表面每边总脱碳层深度≤0.8％D，其中，D为钢材直径。通过控制圆钢表面每边总脱碳层深度≤0.8％D，达到提高钢材疲劳强度的效果，使材料的疲劳极限达到599MPa以上。
本发明还提供了一种高碳铬超洁净轴承钢的制备方法，所述制备方法包括：
1)电炉冶炼：为控制Ti含量，选用低钛高碳铬铁合金进行钢包合金化；
2)VD真空脱气：采用高效的钢包全过程非对称吹氩新工艺，具体参数为：最大氩气流量控制在70NL/min，真空保持时间≥22分钟，双侧软吹氩时间≥20 分钟；VD真空脱气用于控制O、H等元素含量，降低非金属夹杂物，提高钢材洁净度，本发明通过控制最大氩气流量和真空保持时间，有效保证了有害元素和非金属杂质的脱除；
3)连铸：根据射钉实验和模拟相结合的凝固末端精准预测新方法，具体的，基于模拟平台构建连铸坯连铸凝固过程的数学模型，研究结果可为连铸坯凝固末端位置的精确预报提供理论支撑，据此对现行通过射钉实验得到的连铸参数及末端电磁搅拌参数进行优化和修正，有效提升电磁搅拌效率，提升连铸坯内部质量；降低了铸坯中心疏松和中心裂纹发生率，实现了无缺陷铸坯生产；通过理论与实验相结合的方法，调整连铸工艺参数，实现无缺陷铸坯生产；
连铸拉速为1.05～1.07m/min，中间包温度为1476～1478℃，结晶器水量为 139～141m3/h，足辊段27～29L/min，一段上14～16L/min，一段下10.4～10.6L/min，二段上11.5～11.7L/min；
4)轧制：加热炉预热温度700～850℃，加热一段温度900～1100℃，加热二段温度1150～1250℃，均热段温度1180～1220℃，冷坯加热时间≥14h，热坯加热时间≥10h；开轧温度：1120～1180℃，终轧温度1050～1120℃，锯切温度≥800℃，上冷床温度≥700℃；
5)入坑缓冷：进缓冷坑，盖上缓冷罩，入坑温度≥600℃，出坑温度≤100℃，缓冷时间≥32小时。通过入坑缓冷，有助于释放轧材内部应力，防止轧材产生裂纹。
优选的，步骤2)中钢包全过程非对称吹氩新工艺具体为，在钢包两侧设置两个非对称的氩气吹口。VD炉通过在钢包两侧设置两个非对称的氩气吹口，能够更好的促进夹杂物上浮，起到去气去夹杂的目的，此处非对称指相对于钢包轴线非对称。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明运用合理的成分设计，通过控制Mo、Mg、Al微合金化元素的加入量，进一步提高钢材强度的同时，可兼顾提高钢材的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，延长轴承钢的使用寿命等特点；并且本发明通过控制冶炼、连铸和轧制缓冷工序等简单操作工艺的参数，使钢坯规格为的轴承钢的中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级，锭型偏析≤1.0级；非金属夹杂物等级A 细系≤2.0、A粗系≤1.0、B细系≤1.5、B粗系≤0.5、C细系≤0、C粗系≤0、D细系≤1.0、D粗系≤0.5；圆钢表面每边总脱碳层深度≤0.8％D，D为钢材直径，达到提高钢材疲劳强度的效果，疲劳极限提高到599MPa以上。因此本发明制备的钢材具有良好的机械性能，耐疲劳性、制造成本低等优点，能够用于制造轴承套圈和滚珠等汽车零部件，特别是用于制造大尺寸范围的滚动轴承套圈及钢球、滚柱等零部件。
2)本发明的制备方法规定了电炉冶炼钢包合金化合金种类，VD真空脱气钢包全过程非对称吹氩新工艺参数，确保了钢水的洁净度；本发明采用射钉实验和模拟相结合对凝固末端进行预测，提高了对凝固末端位置确定的准确性，即轻压下技术实施位置更加精确，降低了铸坯中心疏松和中心裂纹发生率，实现了无缺陷铸坯生产；还给出了轧制参数，入坑缓冷等指标，为后续钢材的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和使用寿命提供了保证。
3)本发明的钢种很好地适应了使用在轴承套圈和滚珠等汽车零部件的高洁净度高硬度耐疲劳的需求，为开发具有高表面硬度、耐磨性、耐疲劳和长寿命的轴承钢提供了技术支撑。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。
下面列举采用本发明的高碳铬超洁净轴承钢的三种化学成分配比按照本发明的制备方法进行工艺生产和性能测试，即实施例1、实施例2和实施例3，三个实施例中高碳铬超洁净轴承钢化学成分配比参见表1，具体生产工艺参数见表2，生产的高碳铬超洁净轴承钢的性能见表3、4。
实施例1-3
一种高碳铬超洁净轴承钢的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：为控制Ti含量，选用低钛高碳铬铁合金进行钢包合金化。
2)VD真空脱气：采用高效的钢包全过程非对称吹氩新工艺，钢包全过程非对称吹氩新工艺是在钢包两侧设置两个非对称的氩气吹口，具体参数为：最大氩气流量控制在70NL/min，真空保持时间22～23分钟，双侧软吹氩时间21～22 分钟。
3)连铸：根据射钉实验和模拟相结合的凝固末端精准预测新方法，降低了铸坯中心疏松和中心裂纹发生率，实现了无缺陷铸坯生产。
连铸拉速为1.06～1.07m/min，中间包温度为1477～1478℃，结晶器水量为 140～141m3/h，足辊段28～29L/min，一段上15～16L/min，一段下10.5～10.6L/min，二段上11.6～11.7L/min。
4)轧制：加热炉预热温度810～820℃，加热一段温度950～960℃，加热二段温度1170～1180℃，均热段温度1190～1200℃，冷坯加热时间14h，热坯加热时间10h；开轧温度：1150～1160℃，终轧温度1160～1170℃，锯切温度810～820℃，上冷床温度709～710℃。
5)入坑缓冷：进缓冷坑，盖上缓冷罩，入坑温度608～615℃，出坑温度 95～97℃，缓冷时间32～33小时。
表1实施例1-3圆钢的化学成分组成
表2实施例1-3圆钢的VD真空脱气和连铸工序参数
表3实施例1-3圆钢的轧制工序和入坑缓冷参数
表4实施例1-3圆钢的低倍、非金属夹杂物和耐疲劳性
综上，本发明所得轴承钢中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级，锭型偏析≤1.0级；非夹杂物等级A细系≤2.0、A粗系≤1.0、B细系≤1.5、B粗系≤0.5、C细系≤0、C粗系≤0、D细系≤1.0、D粗系≤0.5；脱碳层0.94～1.23mm，疲劳极限599Mpa 以上。
而GBT3885-2020超高洁净高碳铬轴承钢通用技术条件中，对低倍缺陷的合格要求和非金属夹杂物合格级别的要求详见表5和表6。
表5低倍缺陷的合格要求
缺陷类型 合格级别，不大于，级
中心疏松 1.0
一般疏松 1.0
锭型偏析 1.0
表6非金属夹杂物合格级别
本发明高碳铬超洁净轴承钢制备的尺寸直径大于等于120mm的圆钢，低倍缺陷达到了GBT3885-2020超高洁净高碳铬轴承钢通用技术条件中的要求，而 C、D类非金属夹杂以及A、B类粗系非金属夹杂均满足了技术条件的要求；并且具有优异的耐疲劳强度，本发明在控制Mo元素最大含量的同时，通过加入微量的微合金元素Al和Mg，改善了轴承钢中碳化物尺寸及分布，保证了本发明高碳铬超洁净轴承钢具有较好的综合力学性能，降低了制造成本。
其中微观夹杂物包括A类、C类塑性夹杂物和B类、D类脆性夹杂物。因脆性夹杂物在钢中是硬的质点，在轴承运转时产生应力集中，同时在钢的变形过程中易与基体分离产生裂纹，更加剧了应力集中易引起开裂，夹杂物颗粒越大、长度越长其危害越大；而塑性夹杂物在钢中是软的质点，在钢的变形过程中不易与基体之间产生分离，因此其危害较小。针对轴承钢在钢坯规格为内，本发明仍然有效控制B类、D类粗系脆性夹杂物的级别维持在GBT3885-2020超高洁净高碳铬轴承钢通用技术条件的标准范围内，保证了材料良好的力学性能。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高碳铬超洁净轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的化学成分，按质量百分含量计，包括：C：0.95～1.05%、Si：0.15～0.35%、Mn：0.25～0.45%、Cr：1.40～1.60%、Mo：0.10~0.3%、Al：0.03～0.05%、Mg：0.002%～0.003%，P≤0.020%、S≤0.030%、O≤8×10-4%，H≤1.5×10-4%，Pb≤0.002%、As≤0.04%、As+Sn+Sb≤0.075%、其余为Fe和其他不可避免的杂质元素；
所述轴承钢中Mo+Mg+Al的含量为：0.018C+0.025Si+0.043Mn+0.053Cr≤Mo+Mg+Al≤0.079C+0.093Si+0.121Mn+0.167Cr；
轴承钢钢坯中心疏松≤1.0级，一般疏松≤1.0级，锭型偏析≤1.0级；非夹杂物等级A细系≤2.0、A粗系≤1.0、B细系≤1.5、B粗系≤0.5、C细系≤0、C粗系≤0、D细系≤1.0、D粗系≤0.5；圆钢表面每边总脱碳层深度≤0.8%D，其中，D为钢材直径。
2.根据权利要求1所述的高碳铬超洁净轴承钢，其特征在于：轴承钢钢坯规格为φ120~φ310mm。
3.一种权利要求1或2所述的高碳铬超洁净轴承钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）电炉冶炼：为控制Ti含量，选用低钛高碳铬铁合金进行钢包合金化；
2）VD真空脱气：采用高效的钢包全过程非对称吹氩新工艺，具体参数为：最大氩气流量控制在70NL/min，真空保持时间≥22分钟，双侧软吹氩时间≥20分钟；
3）连铸：根据射钉实验和模拟相结合对凝固末端进行预测；
连铸拉速为1.05~1.07m/min，中间包温度为1476~1478℃，结晶器水量为139~141m3/h，足辊段27~29L/min，一段上14~16L/min，一段下10.4~10.6L/min，二段上11.5~11.7L/min；
4）轧制：加热炉预热温度700~850℃，加热一段温度900~1100℃，加热二段温度1150~1250℃，均热段温度1180~1220℃，冷坯加热时间≥14h，热坯加热时间≥10h；开轧温度：1120~1180℃，终轧温度1050~1120℃，锯切温度≥800℃，上冷床温度≥700℃；
5）入坑缓冷：进缓冷坑，盖上缓冷罩，入坑温度≥600℃，出坑温度≤100℃，缓冷时间≥32小时。
4.根据权利要求3所述的高碳铬超洁净轴承钢的制备方法，其特征在于：步骤2）中钢包全过程非对称吹氩新工艺具体为，在钢包两侧设置两个非对称的氩气吹口。
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