CN115094304A - 一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢及其制备方法 - Google Patents

一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢及其制备方法，该钢的化学成分按质量百分比计为C：0.30～0.39％，Si：0.45～0.65％，Mn：1.70～1.90％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：0.50～0.70％，Mo：0.55～0.65％，O≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；材料直径为：Φ20～70mm；本发明采用超大截面的连铸圆坯Φ600mm轧制，极大的压缩比结合两火成材的轧制工艺，使得最终产品的心部质量好，材料疲劳性能优，同时圆坯轧制避免了传统连铸方坯在拉矫过程中因方坯角部冷速快而产生裂纹的问题，大幅提高了材料表面探伤合格率。

Description

一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢及其制备方法。属于特种钢冶炼技术领域。
背景技术
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。由于具有很小的摩擦阻力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，滚珠丝杠被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。传统的滚珠丝杠在选材上，更多倾向于高碳铬轴承钢，该类材料可满足丝杠使用的高强度、高硬度和耐磨性的要求，但高碳铬轴承钢的弊端在于解决不了丝杠加工过程中的热处理变形和心部韧性差的问题，为解决这两个问题，近年来，更多丝杠厂家选取中碳钢作为生产丝杠的原材料，满足丝杠高强度、高硬度和耐磨性的同时，不仅解决了丝杠加工过程中的热处理变形问题，也大幅提高了丝杠心部韧性。但随着丝杠应用领域要求的不断提升，不仅要求丝杠具备滚动摩擦疲劳寿命长的特点，丝杠旋转弯曲疲劳寿命也是影响丝杠最终使用寿命的关键指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢及其制备方法，超大压缩比，大幅提高了材料心部质量，避免了连铸方坯因角部冷却速度快产生角部裂纹，最终轧材的表面质量更好，表面探伤合格率高，大大提高了材料的成材率。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢，该滚珠丝杠用钢的化学成分按质量百分比计为C：0.30～0.39％，Si：0.45～0.65％，Mn：1.70～1.90％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：0.50～0.70％，Mo：0.55～0.65％，O≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
上述滚珠丝杠用钢的直径在20～70mm范围。
本发明滚珠丝杠用钢的化学成分是这样确定的:
C：是确保钢材强度所必须的元素，但过高的C含量对钢的延性、韧性不利。本发明控制碳含量为0.30～0.39％。
Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，Si含量较高时会增加钢的脆性，并使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明控制硅含量为0.45～0.65％。
Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失，而且Mn能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，同时，还能提高材料的耐磨性。Mn含量过高又会降低材料的韧性。本发明Mn含量控制为1.70～1.90％。
Cr：是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr强烈提高淬透性。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高稳定性；一部分溶入铁素体中，起固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。本发明将其含量控制在0.50～0.70％。
Mo：存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，能改善钢的淬透性和回火稳定性，还能细化晶粒，改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性。Mo也是贵重金属，含量过高会增加成本。本发明中Mo的含量控制在0.55～0.65％。
S、P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢材的韧性(特别是心部的韧性)带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P：≤0.010％，S：≤0.010％。
O：钢中氧含量多少，直接表征氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂将严重影响产品的使用寿命，氧含量的降低对提高钢材纯净度，尤其是降低钢中氧化物脆性夹杂物的含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0010％。
本发明解决另一技术问题的技术方案为，一种制造上述超长寿命滚珠丝杠用钢的方法，整个工艺流程为：配料→铁水KR预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→连铸→入缓冷坑缓冷→冷装入炉加热→高压水除鳞→开坯轧制→中间坯入坑缓冷→冷装入炉加热→轧制成型→堆冷→退火→淬火→回火→矫直→探伤→入库。
工艺步骤如下：
首先将冶炼原料经KR预处理，确保铁水中的五害元素、P、S含量降至最低，为转炉冶炼提供优质原料；
再经转炉冶炼，为防止后道工序回P并保证成品的P要求，转炉出钢需采用扒渣工艺，P含量务必控制在0.008％以下；
再将钢水经过LF精炼，微调合金含量，确保钢水的化成成分满足要求，并加入脱氧剂，将钢水中的氧含量降至最低；
再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，高真空时间必须大于10分钟，软吹氩时间不得短于20分钟，以促使非金属夹杂物充分上浮；
再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为Φ600mm的连铸圆坯；
将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度不得低于650℃，缓冷时间必须大于72小时，出坑，出坑温度不得高于200℃；
然后将Φ600mm的连铸圆坯冷装入加热炉加热，加热温度1250-1300℃，保温8-9小时出炉；
经高压水除鳞后进行开坯轧制，粗轧采用往复式轧机，轧制18道次，采用大压下轧制，其中两道次的压下量大于10％，粗轧过程中对坯料表面喷水，适当降低坯料表面温度，使得轧制力渗透到坯料心部，改善连铸坯心部缩孔等缺陷，为避免温度降低太快，粗轧最后5道次关闭冷却水，以保证坯料进后续轧机时的温度，开坯轧制成的尺寸为230*230mm2，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间大于48小时；
中间坯冷装入炉加热，加热温度1250-1300℃，保温3-4小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，保证开轧温度950℃-1000℃，终轧温度880℃-940℃，整个轧制过程压缩比＞70：1，且采用了大压下和铸坯表面喷水轧制工艺，因此，极大的压缩比和特殊的轧制工艺保证了最终材料的心部质量和致密度，从而大幅提高了材料的疲劳水平；
轧制下线缓冷后，进行退火、淬火和高温回火，退火温度690±10℃，保温时间4-5小时，炉冷，淬火温度920±10℃，保温1-2小时，水冷，回火温度720±5℃，保温时间4-5小时，水冷；材料热处理结束后，进行超声探伤和表面探伤，合格入库。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)采用大截面Φ600mm连铸圆坯轧制，且采用两次加热轧制的两火材生产工艺，极大的压缩比，使得材料心部的致密性更好，旋转弯曲疲劳性能更好。
2)本发明采用圆坯轧制，避免了传统连铸方坯在拉矫过程中因方坯角部冷速快而产生裂纹的问题，大幅提高了材料表面探伤合格率，最终材料的成材率得到提高。
3)采用“退火+高温淬火+高温回火”的热处理方式，使得材料最终的球化率达到98％以上，更好的解决了下道工序热处理变形问题。常规的球化退火工艺是将热轧材冷装进退火炉，保温一定时间后炉冷，这种传统的退火工艺因畸变能不够，很难得到高球化率组织，本发明将热轧材进行常规的退火处理后，得到“铁素体+碳化物”组织，再加热至奥氏体化，由于原始组织为“铁素体+碳化物”，铁素体与碳化物的相界面积大，奥氏体形核点多，奥氏体形核率大，奥氏体起始晶粒度细小，使得淬火后的马氏体组织更细，再经高温回火，使得碳化物颗粒充分析出，且由于马氏体组织畸变能大，更有利于组织转变，因此最终组织的球化率更高。
附图说明：
图1是本发明中实施例1和2所述采用圆坯轧制的材料探伤合格率和传统方坯生产的材料探伤合格率对比图。
图2是本发明实施例1的材料球化组织图。
图3是本发明实施例2的材料球化组织图
图4是本发明中实施例1和2的材料旋转弯曲疲劳性能示意图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明内容作进一步说明。
实施例1
本实施例涉及的超长寿命滚珠丝杠用钢的直径为65mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.33％，Si：0.55％，Mn：1.82％，P：0.007％，S：0.005％，Cr：0.59％，Mo：0.61％，O：0.0005％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该滚珠丝杠用钢的制造工艺为，按上述滚珠丝杠用钢成品的化学成分配置冶炼原料，经KR预处理，转炉冶炼，转炉出钢P含量0.005％，再将钢水经过LF精炼，微调合金含量，并加入脱氧剂脱氧，再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，高真空时间15分钟，软吹氩时间23分钟，RH出钢氧含量0.0004％，再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为Φ600mm的连铸圆坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度680℃，缓冷时间75小时，出坑温度180℃；然后将Φ600mm的连铸圆坯冷装入加热炉加热，加热温度1260-1280℃，保温8.5小时出炉；经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯轧制成的尺寸为230*230mm2，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间55小时；中间坯冷装入炉加热，加热温度1255-1270℃，保温3.5小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，开轧温度980℃，终轧温度920℃，整个轧制过程压缩比85：1；轧制下线缓冷后，进行退火、淬火和高温回火，退火温度690℃，保温时间4.5小时，炉冷，淬火温度920℃，保温1.5小时，水冷，回火温度720℃，保温时间4.5小时，水冷。
经由上述制造工艺制得的滚珠丝杠用钢表面和超声探伤合格率高，旋转弯曲疲劳性能好，交货状态的金相组织球化率高，探伤合格率、球化组织和旋转弯曲疲劳性能见附图。
实施例2
本实施例涉及的超长寿命滚珠丝杠用钢的直径为30mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.54％，Mn：1.80％，P：0.008％，S：0.006％，Cr：0.60％，Mo：0.63％，O：0.0004％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该滚珠丝杠用钢的制造工艺为，按上述滚珠丝杠用钢成品的化学成分配置冶炼原料，经KR预处理，转炉冶炼，转炉出钢P含量0.006％，再将钢水经过LF精炼，微调合金含量，并加入脱氧剂脱氧，再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，高真空时间13分钟，软吹氩时间22分钟，RH出钢氧含量0.0003％，再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为Φ600mm的连铸圆坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度683℃，缓冷时间77小时，出坑温度170℃；然后将Φ600mm的连铸圆坯冷装入加热炉加热，加热温度1262-1275℃，保温8.3小时出炉；经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯轧制成的尺寸为230*230mm2，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间56小时；中间坯冷装入炉加热，加热温度1254-1266℃，保温3.8小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，开轧温度963℃，终轧温度905℃，整个轧制过程压缩比400：1；轧制下线缓冷后，进行退火、淬火和高温回火，退火温度690℃，保温时间4.5小时，炉冷，淬火温度920℃，保温1.5小时，水冷，回火温度720℃，保温时间4.5小时，水冷。
经由上述制造工艺制得的滚珠丝杠用钢表面和超声探伤合格率高，旋转弯曲疲劳性能好，交货状态的金相组织球化率高，探伤合格率、球化组织和旋转弯曲疲劳性能见附图。
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 (10)

1.一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢，其特征在于该滚珠丝杠用钢的化学成分按质量百分比计为C：0.30～0.39％，Si：0.45～0.65％，Mn：1.70～1.90％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Cr：0.50～0.70％，Mo：0.55～0.65％，O≤0.0010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢，其特征在于该滚珠丝杠用钢的直径在20～70mm范围。
3.根据权利要求1所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢，其特征在于该滚珠丝杠用钢交货态的球化率达到98％以上。
4.一种如权利要求1所述的连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：整个工艺流程为：配料→铁水KR预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→连铸→入缓冷坑缓冷→冷装入炉加热→高压水除鳞→开坯轧制→中间坯入坑缓冷→冷装入炉加热→轧制成型→堆冷→退火→淬火→回火→矫直→探伤→入库。
5.根据权利要求4所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：所述连铸圆坯的规格为Φ600mm，将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度不得低于650℃，缓冷时间必须大于72小时，出坑，出坑温度不得高于200℃。
6.根据权利要求4所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：将Φ600mm的连铸圆坯冷装入加热炉加热，加热温度1250-1300℃，保温8-9小时出炉。
7.根据权利要求4所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：经高压水除鳞后进行开坯轧制，粗轧采用往复式轧机，轧制18道次，采用大压下轧制，其中两道次的压下量大于10％，粗轧过程中对坯料表面喷水，粗轧最后5道次关闭冷却水，以保证坯料进后续轧机时的温度，轧制成的尺寸为230*230mm2，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间大于48小时。
8.根据权利要求7所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：将230*230mm2的中间坯冷装入炉加热，加热温度1250-1300℃，保温3-4小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，保证开轧温度950℃-1000℃，终轧温度880℃-940℃，整个轧制过程压缩比＞70：1。
9.根据权利要求4所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：圆坯轧制成型后下线缓冷后，进行退火、淬火和高温回火。
10.根据权利要求9所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢的制备方法，其特征在于：所述退火温度690±10℃，保温时间4-5小时，炉冷，淬火温度920±10℃，保温1-2小时，水冷，回火温度720±5℃，保温时间4-5小时，水冷。
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