CN115094327B

CN115094327B - 一种长寿命渗碳轴承钢及其制备方法

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Publication number: CN115094327B
Application number: CN202210800070.XA
Authority: CN
Inventors: 张洋鹏; 姜海昌; 潘雪新; 胡小锋; 宋元元; 陈胜虎; 戎利建; 李依依
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-03-26
Anticipated expiration: 2042-07-06
Also published as: CN115094327A

Abstract

本发明公开了一种长寿命渗碳轴承钢及其制备方法，属于轴承钢生产技术领域。该渗碳轴承钢化学成分为：C 0.18‑0.22％，Si 0.1‑0.5％，Mn 0.5‑0.8％，Cr 0.5‑0.8％，Ni 1.6‑2.1％，Mo 0.2‑0.4％，V 0.08‑0.12％，La 0.001‑0.020％，Ce 0.001‑0.04％，余量为铁和其他不可避免的残余元素。制备流程：熔炼→热加工→热处理。本发明通过在常规渗碳轴承钢中添加一定含量的混合稀土，对夹杂物进行变性处理，提高其疲劳寿命。同时，钢中还设计添加一定量的V，降低其原奥氏体晶粒尺寸、促使合金中析出更加细小弥散的碳化物，提升轴承钢综合力学性能。

Description

一种长寿命渗碳轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及轴承钢生产技术领域，具体涉及一种长寿命渗碳轴承钢及其制备方法。

背景技术

轴承用钢可分为高碳铬轴承钢、中碳轴承钢、航空轴承钢、渗碳轴承钢四大类。渗碳轴承钢因其良好的综合力学性能和其针对不同工况的良好适应性，较早得到了广泛应用。渗碳轴承钢为优质低碳合金结构钢，主要用于制造承受较大冲击载荷和抗接触疲劳性能的轴承，如机床轴承、汽车轴承、轧机轴承、铁路机车轴承等。渗碳轴承需要在其表面进行渗碳处理以获得高强度、高硬度和高耐磨性，同时心部获得适当的强度和较好的韧性，其代表钢种有G20CrMo和G20CrNi2Mo等。

对于轴承钢，为提高其使用寿命，通常将主要精力集中在提高钢的洁净度上，具体归纳到降低钢的全氧含量、氮含量和Ti含量等杂质元素上。这是因为非金属夹杂物对钢铁材料疲劳性能的破坏性影响很大，在交变应力反复作用下，因非金属夹杂物与金属基体具有不同的响应效果，在二者交界处往往形成应力集中，或者夹杂物本身碎裂成为起裂源，进而导致轴承钢疲劳失效。目前，国内较多钢厂已经具备世界领先的轴承钢冶炼水平，高碳轴承钢全氧含量已降低至6ppm以下，渗碳轴承钢全氧含量也已控制在10ppm以下。而进一步降低全氧、全氮含量难度巨大，成本过高，因此，有必要从其他角度入手设计开发长寿命轴承钢及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长寿命渗碳轴承钢及其制备方法，通过在常规渗碳轴承钢中添加一定含量的混合稀土，对夹杂物进行变性处理，提高其疲劳寿命。同时，钢中还设计添加一定量的V，降低其原奥氏体晶粒尺寸、促使合金中析出更加细小弥散的碳化物，提升轴承钢综合力学性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种长寿命渗碳轴承钢，按重量百分含量计，该渗碳轴承钢化学成分如下：

C 0.18-0.22％，Si 0.1-0.5％，Mn 0.5-0.8％，Cr 0.5-0.8％，Ni 1.6-2.1％，Mo0.2-0.4％，V 0.08-0.12％，La 0.001-0.020％，Ce 0.001-0.04％，余量为铁和其他不可避免的残余元素。

按重量百分含量计，该渗碳轴承钢优选的化学成分如下：

C 0.20-0.22％，Si 0.2-0.4％，Mn 0.6-0.7％，Cr 0.5-0.7％，Ni 1.6-1.9％，Mo0.22-0.30％，V 0.09-0.11％，La 0.001-0.020％，Ce 0.001-0.04％，余量为铁和其他不可避免的残余元素。

该渗碳轴承钢中控制杂质含量为：Al≤0.01％，Ti≤0.005％，P≤0.05％，S≤0.05％，N≤0.0035％，O≤0.0035％。

所述长寿命渗碳轴承钢的制备方法，包括如下步骤：

(1)铸锭制备：铸锭制备可采用转炉、电弧炉及真空感应炉，还可采用电渣重熔进行二次重熔；铸锭熔炼制备时添加La和Ce的混合稀土，La和Ce的添加重量比例为1：2；在熔炼末期出钢前2-6min加入混合稀土La和Ce，按收得率40-60％添加；

(2)热加工：进行锻造加工，锻造时的保温温度1080℃～1150℃，保温时间≥60min；锻比≥3，锻造需进行3个方向墩拔处理。

(3)经热处理获得所述长寿命渗碳轴承钢，需采用两次淬火加回火的制度进行热处理，具体如下：

(a)一次淬火：保温温度850℃～930℃，保温时间15min～120min，水淬或油淬；

(b)二次淬火：保温温度820℃～860℃，保温时间15min～90min，水淬或油淬；

(c)低温回火：保温温度150～220℃，保温时间90min～240min，空气冷却。

所制备长寿命渗碳轴承钢中夹杂物类型主要为稀土氧化物和氧硫化物，通过夹杂物改性提升其疲劳寿命。

所添加的V最终形成VC碳化物，最终态晶粒度8级以上，钢中无明显带状组织。

经步骤(c)回火后，材料室温屈服强度≥1100MPa，抗拉强度≥1400MPa，延伸率大于12％，室温冲击功AKV₂≥70J，650MPa旋转弯曲疲劳寿命大于100万次。

本发明的设计思想是：在传统渗碳轴承钢的基础上添加一定量的La、Ce混合稀土，通过La和Ce稀土的夹杂物改性作用，使钢中硬质、脆性夹杂转变为较软的稀土类夹杂，提高材料疲劳寿命，此外，混合稀土的添加还提高了材料的淬透性，使合金获得马氏体的能力增强，细化了马氏体亚结构。与此同时，本发明还设计在渗碳轴承钢中添加适量的V，通过两步淬火工艺，是VC大量弥散析出，提高材料强度的同时限制淬火时奥氏体晶粒尺寸的生长，最终获得各项力学性能优异的渗碳轴承钢。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的渗碳轴承钢添加了适量的V，通过两步淬火引入在淬火温度区间稳定存在的VC，进而限制奥氏体晶粒生长，提高其韧塑性，再通过所形成的纳米级碳化物提高材料强度，所获得的合金短时强韧性能优秀。

2、本发明主要通过少量混合稀土的添加进行夹杂物的改性处理，添加方法和工艺步骤简单，成本较低，可推广至其他轴承钢生产领域。

3、本发明所提供的二次淬火工艺制度也适用于其他低碳低合金高强度钢。

附图说明

图1为实施例1轴承钢内稀土氧硫化物夹杂物。

图2为实施例1中轴承钢内纳米级VC碳化物。

图3为实施1中轴承钢疲劳断裂源处Ca-O夹杂物。

图4为实施例2中轴承钢内稀土氧硫化物夹杂物。

图5位实施例2中轴承钢晶粒尺寸。

图6为对比例1中轴承钢内MnS夹杂物和Mg-Si-O夹杂物。

图7为对比例1中轴承钢疲劳断裂源处Mg-Si-O夹杂物。

附图1和附图4对比说明了本发明所采取的混合稀土添加量及添加方式对轴承钢起到了较好的夹杂物改性作用。附图3和附图5对比说明了本发明所提供的轴承钢服役寿命明显高于常规轴承钢，夹杂物的改性起到了较好的作用。附图2说明了本发明提供的长寿命轴承钢中V的添加主要形成了纳米尺寸碳化物颗粒。

具体实施方式

以下实施例对本发明所述一种长寿命渗碳轴承钢及其制备方法予以进一步说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1：

本实施例采用25kg真空感应炉冶炼，化学成分为(wt.％)：C：0.21％，Si：0.3％，Mn：0.66％，Cr：0.58％，Ni：1.74％，Mo：0.26％，V：0.1％，La：0.009％，Ce：0.017％，N：0.0023％，O：0.0010％；

实施例1中轴承钢添加的稀土为La和Ce的混合稀土，混合稀土中二者比例为1:2，在熔炼末期出钢前约3min加入，按收得率约50％添加。

实施例1中轴承钢锻造时的保温温度1130℃，保温时间60min。锻比约为5，锻造进行了3个方向墩拔处理。

实施例1中轴承钢热处理时采用两次淬火工艺加回火的工艺处理，具体制度如下：

1)一次淬火，保温温度900℃，保温时间45min，油淬；

2)二次淬火，保温温度820℃，保温时间45min，油淬；

3)低温回火，保温温度160℃，保温时间120min，空气冷却。

实施例1中轴承钢夹杂物主要为稀土氧化物和氧硫化物，其形貌如图1所示。

实施例1中轴承钢添加的V经所述热处理后最终形成了VC碳化物，其主要存在状态如图2所示。

实施例1中轴承钢晶粒度等级为9级。

实施例1中轴承钢室温抗拉强度≥1455MPa，屈服强度≥1117MPa，延伸率大于13.7％，室温冲击功AKV₂为73J。

实施例1中轴承钢在650MPa旋转弯曲疲劳寿命超过100万次，断裂源为及少量的Ca-O，稀土夹杂并未引起疲劳失效。断裂源如图3所示。

实施例2：

本实施例采用50kg真空感应炉冶炼，化学成分为(wt.％)：C：0.21％，Si：0.31％，Mn：0.67％，Cr：0.57％，Ni：1.74％，Mo：0.26％，V：0.098％，La：0.017％，Ce：0.035％，N：0.0026％，O：0.0013％；

实施例2中轴承钢添加的稀土为La和Ce的混合稀土，混合稀土中二者比例为1:2，在熔炼末期出钢前约5min加入，按收得率约50％添加。

实施例2中轴承钢锻造时的保温温度1130℃，保温时间90min。锻比约为6，锻造进行了3个方向墩拔处理。

实施例2中轴承钢热处理时采用两次淬火工艺加回火的工艺处理，具体制度如下：

1)一次淬火，保温温度900℃，保温时间45min，油淬；

2)二次淬火，保温温度820℃，保温时间45min，油淬；

3)低温回火，保温温度160℃，保温时间120min，空气冷却。

实施例2中轴承钢夹杂物主要为稀土氧化物和氧硫化物，其形貌如图4所示。

实施例2中轴承钢晶粒度等级为9级，其晶粒尺寸如图5所示。

实施例2中轴承钢室温抗拉强度为1425MPa，屈服强度为1078MPa，延伸率为13.2％，室温冲击功AKV₂为85J。

实施例2中轴承钢在650MPa旋转弯曲疲劳寿命超过100万次，断裂源处未发现稀土夹杂。

实施例3：

本实施例采用500kg真空感应炉+500kg电渣重熔炉冶炼，其化学成分为(wt.％)：C：0.22％，Si：0.26％，Mn：0.64％，Cr：0.53％，Ni：1.6％，Mo：0.23％，V：0.09％，La：0.0018％，Ce：0.0030％，N：0.0029％，O：0.0012％；

实施例3中轴承钢添加的稀土为La和Ce的混合稀土，混合稀土中二者比例为1:2，在感应熔炼末期出钢前约6min加入，按收得率约50％添加。

实施例3中轴承钢锻造时的保温温度1150℃，保温时间180min。锻比约为8，锻造进行了3个方向墩拔处理。

实施例3中轴承钢热处理时采用两次淬火工艺加回火的工艺处理，具体制度如下：

1)一次淬火，保温温度900℃，保温时间45min，油淬；

2)二次淬火，保温温度820℃，保温时间45min，油淬；

3)低温回火，保温温度160℃，保温时间120min，空气冷却。

实施例3中轴承钢晶粒度等级为9级。

实施例3中轴承钢室温屈服强度≥1405MPa，抗拉强度≥1067MPa，延伸率大于13.0％，室温冲击功AKV₂为70J。

实施例3中轴承钢在650MPa旋转弯曲疲劳寿命超过100万次，断裂源处未发现稀土夹杂。

对比例1：

对比例1采用25kg真空感应炉冶炼，化学成分为(wt.％)：C：0.21％，Si：0.3％，Mn：0.66％，Cr：0.63％，Ni：1.81％，Mo：0.27％，N：0.0024％，O：0.0011％；对比例1与实施例1的成分主要区别为不含V和不含稀土。

对比例1采用与实施例1采用相同工艺进行锻造和热处理。

对比例1中轴承钢夹杂物主要为MnS和MgO-SiO₂，其形貌如图6所示。

对比例1中轴承钢晶粒度等级为7级。

对比例1中轴承钢室温屈服强度≥1428MPa，抗拉强度≥1054MPa，延伸率13.5％，室温冲击功AKV₂为66J。

对比例1中轴承钢在650MPa旋转弯曲疲劳寿命9.98万次，其疲劳断口形貌如图7所示，断裂源为MgO-SiO₂夹杂物。

Claims

1.一种长寿命渗碳轴承钢，其特征在于：按重量百分含量计，该渗碳轴承钢化学成分如下：

C 0.20-0.22%，Si 0.2-0.4%，Mn 0.6-0.7%，Cr 0.5-0.7%，Ni 1.6-1.9%，Mo 0.22-0.30%，V 0.09-0.11%，La 0.001-0.020%，Ce 0.001-0.04%，余量为铁和其他不可避免的残余元素；

所述长寿命渗碳轴承钢中夹杂物类型为稀土氧化物和氧硫化物，通过夹杂物改性提升其疲劳寿命；

所述长寿命渗碳轴承钢制备方法包括如下步骤：

（1）铸锭制备：在熔炼末期出钢前2-6 min加入混合稀土La和Ce，按收得率40~60%添加，所加入La和Ce的重量比例为1：（1.7-2.2）；

（2）热加工：进行锻造加工；

（3）经热处理获得所述长寿命渗碳轴承钢；

步骤（3）中，需采用两次淬火并按照如下制度进行热处理：

（a）一次淬火：保温温度850℃ ~ 930℃，保温时间15 min ~ 120 min，水淬或油淬；

（b）二次淬火：保温温度820℃ ~ 860℃，保温时间15 min ~ 90 min，水淬或油淬；

（c）低温回火：保温温度150 ~ 220℃，保温时间90 min ~ 240 min，空气冷却；

添加的V最终形成VC碳化物，最终态晶粒度8级以上，钢中无明显带状组织。

2.根据权利要求1所述的长寿命渗碳轴承钢，其特征在于：该渗碳轴承钢中控制杂质含量为：Al≤0.01%，Ti≤0.005%，P≤0.05%，S≤0.05%，N≤0.0035%，O≤0.0035%。

3.按照权利要求1所述的长寿命渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：

（2）热加工：进行锻造加工；

（3）经热处理获得所述长寿命渗碳轴承钢；

步骤（3）中，需采用两次淬火并按照如下制度进行热处理：

4.按照权利要求3所述的长寿命渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于：步骤（1）铸锭制备可采用转炉、电弧炉及真空感应炉。

5.按照权利要求4所述的长寿命渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于：步骤（1）铸锭制备采用电渣重熔进行二次重熔。

6.按照权利要求3所述的长寿命渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于：步骤（2）锻造时的保温温度1080℃~1150℃，保温时间≥60 min；锻比≥3，锻造需进行3个方向墩拔处理。

7.按照权利要求3所述的长寿命渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于：步骤（c）回火后，材料室温屈服强度≥1100 MPa，抗拉强度≥1400 MPa，延伸率大于12%，室温冲击功AKV₂≥70 J，650 MPa旋转弯曲疲劳寿命大于100万次。