CN115125436B - 一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金技术领域,公开了一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法,钢成分为C 0.49~0.54%、Si 0.17~0.27%、Mn 0.98~1.13%、Cr0.95~1.08%、P≤0.018%、S 0.007~0.015%、Al 0.020~0.035%、Cu 0.06~0.16%、Ni 0.06~0.16%、Mo 0.17~0.22%、Ti≤0.0015%、O≤0.0010%、Ca≤0.0008%、N0.0095~0.0120%,余量是Fe和不可避免的杂质。结合冶炼工艺、连铸工艺、轧制工艺的合理优化,使得材料的纯净度,组织均匀性,耐腐蚀性,切削性能等综合性能得到了有效提高,并可以取代国外材料,用于精密机床丝杠零件的制作。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域,涉及一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法。
背景技术
传动系统是机床的核心组成部分,而丝杠又是机床传动系统中最为重要的零部件。高精密机床传动系统用丝杠,主要采用Cr/Mo钢滚珠丝杠。
我国丝杠产品主要集中于中低端,生产不集中、产品品种单一、含金量偏低、尚无一个在国际上有影响力的知名品牌,已成为国产数控机床发展的瓶颈。从产品总体水平看,我们处于发达国家名牌产品之下,发展中国家之上的中偏上水平,中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平,但生产效率却远远低于国外,高档产品在精度、耐磨性、疲劳性能等方面有较大差距,仍需采购。
国产Cr/Mo钢滚珠丝杠与国外同类滚珠丝杠的金相组织相比,带状较重。带状组织会导致表层硬度分布不均,在外力作用下强、弱带之间会产生应力集中。从而影响了机床的加工精度,此外国产Cr/Mo钢在钢水纯净度控制方面也较国外有一定差距,从而降低了材料的疲劳使用寿命。
发明内容
针对Cr/Mo钢技术上存在的缺点,本发明的目的是提出一种组织均匀、抗热处理变形性能好、纯净度高、耐腐蚀性能好、切削加工性能优良的优质合金结构Cr/Mo钢及其生产工艺,用以生产制造滚珠丝杠,并运用于精密机床上,从而取代进口原材料。
本发明的目的主要是通过以下技术方案来实现的:
本发明涉及一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法,通过元素的优化调整,并匹配合适的轧制、退火工艺,使得合金结构钢的金相组织得到均匀,钢水纯净度高,从而用以代替进口材料。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种精密机床传动系统用合金结构钢,该合金结构钢按重量百分比其成分为:C0.47~0.56%、Si 0.15~0.35%、Mn 0.85~1.15%、Cr 0.80~1.10%、P≤0.025%、 S≤0.020%、Al 0.015~0.045%、Cu≤0.25%、Ni≤0.25%、Mo 0.15~0.35%、 Ti≤0.0025%、O≤0.0012%、N 0.0095~0.0140%,余量是Fe和不可避免的杂质。
优选的,该合金结构钢按重量百分比其成分为:C 0.49~0.54%、Si 0.17~0.27%、Mn 0.98~1.13%、Cr 0.95~1.08%、P≤0.018%、S 0.007~0.015%、Al 0.020~0.035%、Cu 0.06~0.16%、Ni 0.06~0.16%、Mo 0.17~0.22%、Ti≤0.0015%、 O≤0.0010%、Ca≤0.0008%、N 0.0095~0.0120%,余量是Fe和不可避免的杂质。
生产工艺包括冶炼、连铸、轧制和退火工序,其工艺流程为:
(1)冶炼
控制钢水O含量≤8ppm,Ti含量≤12ppm,非金属夹杂Ds级别≤0.05;
(2)连铸采用300×325mm2断面(基于该断面实现二火材生产,并提高材料压缩比),为提高铸坯低倍质量,采用低拉速0.65-0.75m/min(优选0.70m/min),并配合大末搅(大末搅是为了减轻铸坯偏析,提高低倍质量,控制末端搅拌电流450-500A,作为优选,控制末端搅拌电流480±10A),为提高铸坯表面质量,二冷采用弱冷(优选的,控制二冷比水量0.12-0.18L/Kg(优选0.15L/Kg);
(3)采用二火轧制工艺,第一火开坯采用高温扩散加热工艺,充分均匀材料的组织,控制加热温度1230~1260℃,加热时间600~720min。得到165*165mm2断面轧坯,然后对轧坯进行扒皮处理,单边扒皮量2~2.5mm,并进行倒角处理,倒角宽度12~15mm。
(4)第二火成材加热采用中低温加热,目的是控制脱碳层深度,并防止高温加热导致晶粒粗大,同时可以防止含镍钢高温产生严重氧化铁皮而带来表面缺陷,具体加热温度控制:均热段1130~1170℃,控制加热时间120~180min,轧后进坑缓冷36h以上。
(5)为降低圆钢硬度,便于下料,同时为消除残余应力,为材料调质淬火做准备,进行退火处理,从室温以60~80℃/h的加热速度加热至715-750℃(优选730℃),然后保温7h),进行退火,再以20~30℃/h冷却速度降温至635-665℃ (优选的,降温至650℃),然后保温3h),最后打开炉门空冷至室温。
进一步的,冶炼包括如下步骤:
(1)转炉,控制终点碳含量0.05~0.45%,防止钢水过氧化,控制终点磷含量≤0.013%,转炉出钢过程采用滑板和挡渣锥双挡出钢且出钢时间控制7~ 8min,从而防止出钢下渣;
(2)转炉出钢过程依次加入脱氧材料:铝饼100~150千克/炉、碳化硅1.0~ 1.5千克/吨;合金材料:低铝低钛硅铁、金属锰、低钛铬铁,并要求三种合金中 Ti≤0.02%;造渣材料:石灰(更优选300-400千克/炉石灰),出钢后扒渣,并在氩站喂入铝线进行钢水深脱氧(铝线喂入量优选150±30m/炉);
(3)LF精炼过程,每炉加入400~450千克石灰,并加入冰晶石(Na3AlF6) (优选50~100千克/炉)来帮助化渣,用硅铁粉100~150千克进行钢水扩散脱氧同时降低钢水碱度,整个精炼过程采用低碱度渣冶炼(优选的,整个精炼过程炉渣碱度1.6~2.2),低碱度渣可以提高炉渣吸附夹杂的能力,减少D类夹杂物的生成,同时低碱度渣可以降低钢水脱硫率,防止过多补喂硫铁线带来成分的波动并污染钢水。控制出LF前S含量0.008~0.015%,铝含量0.045%~ 0.055%;
本发明的转炉、LF精炼过程协同合金结构钢控制要求,加强对TiN、D类等夹杂物的控制、RH真空处理过程去除H、O、夹杂物的同时对N含量进行调整,可以防止用氮锰增N带来锰含量的较大波动。
(4)RH过程加强对钢水的去气去夹杂处理,真空处理时间10~15分钟(优选的,控制真空度5.0~6.0Kpa),真空处理采用氮气作为提升气体,通过真空度、真空时间的合理控制再加上氮气作为提升气,最终实现钢水氮含量0.0095~ 0.0120%,可以防止用氮锰增氮带来锰元素的较大波动,并可以降低生产成本。
本发明的有益效果是:考虑国产滚珠丝杠用Cr/Mo钢组织均匀性差,带状级别高,材料热处理后淬透层深度不一致,变形量大,且钢水纯净度差,尤其D 类及TiN夹杂物容易超标,耐油污腐蚀性能差,严重影响材料的疲劳使用寿命。本发明做了如下工作:
①、对化学成分进行了优化调整,通过添加合金Si、Mn、Cr元素提高材料的强度,Cu、Ni元素的添加可以提高材料的耐腐蚀性能,此外Ni元素的添加可以降低材料的脆性转变温度,S元素的添加可以提高材料的切削加工性能,此外 S可以与Cu结合,生成CuS,提高熔点,防止在晶界析出而产生裂纹。
②、连铸过程采用慢拉速并采用较强的末端电磁搅拌,从而提高铸坯低倍质量、减轻偏析为提高材料组织均匀性提供基础。
③、轧钢采用二火轧制,第一火开坯采用高温和长时间加热模式,对易偏析元素进行充分扩散,第二火采用中低温加热可以减轻材料脱碳,同时防止粗晶组织出现。轧后采用缓冷并对轧材退火处理来释放材料内部应力,防止用户在下料时及淬火热处理时出现开裂。
通过上述努力,均匀了材料的组织,降低了带状级别,提高了钢水纯净度,并最终提高了材料的用户使用性能。
具体实施方式
本发明不局限于下列具体实施方式,本领域一般技术人员根据本发明公开的内容,可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的,或者凡是采用本发明的设计结构和思路,做简单变化或更改的,都落入本发明的保护范围。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明下面结合实施例作进一步详述:
实施例1:
一种精密机床传动系统用合金结构钢,其化学成分按重量百分比计为:C 0.52%,Si 0.25%,Mn 1.09%,Cr 1.03%,P 0.012%,S 0.008%,Al 0.033%,Cu 0.12%,Ni0.07%,Mo 0.20%,O 0.0008%,Ti 0.0012%,N 0.0113%,Ca 0.0001%余为Fe。
工艺为120t转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
(1)转炉冶炼:转炉出钢碳含量0.23%,出钢磷含量0.010%,出钢时间 7min30S。
(2)转炉出钢过程加入铝饼120千克,碳化硅150千克,石灰300千克,氩站喂入铝线150米。
(3)LF精炼过程,加入造渣材料:石灰400千克,冰晶石80千克;脱氧材料:硅铁粉120千克,控制炉渣碱度1.8,精炼吊包硫含量0.011%。
(4)RH真空处理,控制真空度5.6Kpa,真空处理时间12分钟。
(5)连铸浇注:连铸断面300mm×325mm,控制连铸拉速0.7m/min,控制二冷比水量0.15L/kg,末端电磁搅拌电流480A。
(6)轧制工序:控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1245℃,加热时间670min,二火轧制时加热温度1145℃,加热时间155min。
(7)退火处理,从室温以70℃/h的加热速度加热至730℃,然后保温7h,进行退火,再以25℃/h冷却速度降温至650℃,然后保温3h,最后打开炉门空冷至室温。
实施例2
一种精密机床传动系统用合金结构钢,其化学成分按重量百分比计为:C 0.54%,Si 0.23%,Mn 1.07%,Cr 1.01%,P 0.013%,S 0.012%,Al 0.035%,Cu 0.14%,Ni0.07%,Mo 0.21%,O 0.0008%,Ti 0.0010%,N 0.0109%,Ca 0.0001%余为Fe。
工艺为120t转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
(1)转炉冶炼:转炉出钢碳含量0.20%,出钢磷含量0.010%,出钢时间 7min40S。
(2)转炉出钢过程加入铝饼140千克,碳化硅140千克,石灰300千克,氩站喂入铝线160米。
(3)LF精炼过程,加入造渣材料:石灰420千克,冰晶石90千克;脱氧材料:硅铁粉110千克,控制炉渣碱度1.9,精炼吊包硫含量0.014%。
(4)RH真空处理,控制真空度5.5Kpa,真空处理时间13分钟。
(5)连铸浇注:连铸断面300mm×325mm,控制连铸拉速0.7m/min,控制二冷比水量0.15L/kg,末端电磁搅拌电流480A。
(6)轧制工序:控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1255℃,加热时间660min,二火轧制时加热温度1135℃,加热时间165min。
(7)退火处理,从室温以75℃/h的加热速度加热至730℃,然后保温7h,进行退火,再以23℃/h冷却速度降温至650℃,然后保温3h,最后打开炉门空冷至室温。
实施例3
一种精密机床传动系统用合金结构钢,其化学成分按重量百分比计为:C 0.53%,Si 0.24%,Mn 1.07%,Cr 1.02%,P 0.014%,S 0.009%,Al 0.030%,Cu 0.13%,Ni0.08%,Mo 0.19%,O 0.0009%,Ti 0.0008%,N 0.0121%,Ca 0.0001%余为Fe。
工艺为120t转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
(1)转炉冶炼:转炉出钢碳含量0.16%,出钢磷含量0.011%,出钢时间 7min45S。
(2)转炉出钢过程加入铝饼110千克,碳化硅160千克,石灰350千克,氩站喂入铝线170米。
(3)LF精炼过程,加入造渣材料:石灰400千克,冰晶石60千克;脱氧材料:硅铁粉130千克,控制炉渣碱度1.6,精炼吊包硫含量0.012%。
(4)RH真空处理,控制真空度5.4Kpa,真空处理时间14分钟。
(5)连铸浇注:连铸断面300mm×325mm,控制连铸拉速0.7m/min,控制二冷比水量0.15L/kg,末端电磁搅拌电流480A。
(6)轧制工序:控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1235℃,加热时间690min,二火轧制时加热温度1150℃,加热时间140min。
(7)退火处理,从室温以67℃/h的加热速度加热至730℃,然后保温7h,进行退火,再以28℃/h冷却速度降温至650℃,然后保温3h,最后打开炉门空冷至室温。
实施例4
一种精密机床传动系统用合金结构钢,其化学成分按重量百分比计为:C 0.53%,Si 0.24%,Mn 1.08%,Cr 1.00%,P 0.011%,S 0.012%,Al 0.032%,Cu 0.13%,Ni0.08%,Mo 0.20%,O 0.0007%,Ti 0.0009%,N 0.0115%,Ca 0.0001%余为Fe。
工艺为120t转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
(1)转炉冶炼:转炉出钢碳含量0.13%,出钢磷含量0.009%,出钢时间 7min35S。
(2)转炉出钢过程加入铝饼140千克,碳化硅130千克,石灰330千克,氩站喂入铝线130米。
(3)LF精炼过程,加入造渣材料:石灰410千克,冰晶石65千克;脱氧材料:硅铁粉110千克,控制炉渣碱度2.0,精炼吊包硫含量0.013%。
(4)RH真空处理,控制真空度5.3Kpa,真空处理时间15分钟。
(5)连铸浇注:连铸断面300mm×325mm,控制连铸拉速0.7m/min,控制二冷比水量0.15L/kg,末端电磁搅拌电流480A。
(6)轧制工序:控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1250℃,加热时间640min,二火轧制时加热温度1140℃,加热时间165min。
(7)退火处理,从室温以68℃/h的加热速度加热至730℃,然后保温7h,进行退火,再以26℃/h冷却速度降温至650℃,然后保温3h,最后打开炉门空冷至室温。
对比例1
对比例1与实施例1相比,区别在于:成分设计不加Cu、Ni,其它操作同实施例1。
对比例2
对比例2与实施例1相比,区别在于:转炉出钢不扒渣,其它操作同实施例1。
对比例3
对比例3与实施例1相比,区别在于:整个精炼过程不使用低碱度渣,采用中高碱度渣精炼,控制碱度4.5,其它操作同实施例1。
对比例4
对比例4与实施例1相比,区别在于:连铸过程不采用大末端电磁搅拌,控制末端电磁搅拌电流200A。
对比例5
对比例5实施例1相比,不采用二火工艺,实施一火成材,其它操作同实施例1。
本发明实施例1~4,对比例1~5指标对比,如下表1、2:
表1钢水纯净度指标对比情况
表2综合性能对比情况
结果表明:通过对成分的合理优化设计,Cu、Ni、N、S等微量元素的合理控制,使得材料的力学性能完全符合用户的使用要求;冶炼过程加强钢水纯净度控制,影响材料使用寿命的Ds夹杂物控制级别为0~0.5级,材料中Ti含量不超过12ppm,Ca含量1ppm;连铸过程拉速、末搅工艺参数调整,采用二火成材,轧制过程通过高温加热,延长加热时间,使得材料的低倍质量、带状组织、都得到了有效控制,最终材料的综合力学性能指标达到了国外先进材料水平。
本发明中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式,并不用以限制本发明,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改,均包含在本发明的保护范围之内,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
Claims (8)
1.一种精密机床传动系统用合金结构钢,其特征在于:该合金结构钢按重量百分比其成分为:C 0.49~0.54%、Si 0.17~0.27%、Mn 0.98~1.13%、Cr 0.95~1.08%、P≤0.018%、S0.007~0.015%、Al 0.020~0.035%、Cu 0.06~0.16%、Ni 0.06~0.16%、Mo 0.17~0.22%、Ti≤0.0015%、O≤0.0010%、Ca≤0.0008%、N 0.0095~0.0120%,余量是Fe和不可避免的杂质,
通过如下步骤获得:
(1)冶炼
控制钢水O含量≤8ppm,Ti含量≤12ppm,非金属夹杂Ds级别≤0.05;
所述冶炼还包括如下步骤:
1)转炉冶炼
① 控制终点碳含量0.05~0.45%,控制终点磷含量≤0.013%,转炉出钢过程采用滑板和挡渣锥双挡出钢且出钢时间控制7~8min;
② 转炉出钢过程依次加入脱氧材料:铝饼100~150千克/炉、碳化硅1.0~1.5千克/吨;合金材料:低铝低钛硅铁、金属锰、低钛铬铁,且低铝低钛硅铁、金属锰、低钛铬铁三种合金中的Ti≤0.02%;造渣材料:石灰,出钢后扒渣,并在氩站喂入铝线进行钢水深脱氧;
2)LF炉精炼
LF精炼过程,每炉加入400~450千克石灰,并加入冰晶石Na3AlF6来帮助化渣,用硅铁粉100~150千克进行钢水扩散脱氧同时降低钢水碱度,整个精炼过程采用低碱度渣冶炼,控制出LF前S含量0.008~0.015%,铝含量0.045%~0.055%;精炼过程采用低碱度渣冶炼,控制炉渣二元碱度1.6~2.2;
3) RH真空处理
RH过程加强对钢水的去气去夹杂处理、采用轻处理,真空处理时间10~15分钟,真空处理采用氮气作为提升气体,最终实现钢水氮含量0.0095~0.0120%;
(2)连铸采用300×325mm2断面,采用低拉速:0.65-0.75m/min,并配合大末搅:450-500A,二冷采用弱冷,控制二冷比水量0.12 -0.18L/Kg;
(3)轧制,采用二火轧制方法
① 第一火开坯采用高温扩散加热工艺,控制加热温度1230~1260℃,加热时间600~720min,得到165×165mm2断面轧坯,然后对轧坯进行扒皮处理,单边扒皮量2~2.5mm,并进行倒角处理,倒角宽度12~15mm;
② 第二火成材时加热采用中低温加热,具体加热温度控制:均热段1130~1170℃,控制加热时间120~180min,轧后进坑缓冷36h以上;
(4)退火
从室温以60~80℃/h的加热速度加热至715-750℃,然后保温7h,进行退火,再以20~30℃/h冷却速度降温至635-665℃,然后保温3h,最后打开炉门空冷至室温。
2.一种如权利要求1所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于:制备过程包括如下步骤:
(1)冶炼
控制钢水O含量≤8ppm,Ti含量≤12ppm,非金属夹杂Ds级别≤0.05;
(2)连铸采用300×325mm2断面,采用低拉速:0.65-0.75m/min,并配合大末搅:450-500A,二冷采用弱冷,控制二冷比水量0.12 -0.18L/Kg;
(3)轧制,采用二火轧制方法
① 第一火开坯采用高温扩散加热工艺,控制加热温度1230~1260℃,加热时间600~720min,得到165×165mm2断面轧坯,然后对轧坯进行扒皮处理,单边扒皮量2~2.5mm,并进行倒角处理,倒角宽度12~15mm;
② 第二火成材时加热采用中低温加热,具体加热温度控制:均热段1130~1170℃,控制加热时间120~180min,轧后进坑缓冷36h以上;
(4)退火
从室温以60~80℃/h的加热速度加热至715-750℃,然后保温7h,进行退火,再以20~30℃/h冷却速度降温至635-665℃,然后保温3h,最后打开炉门空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于:所述冶炼包括如下步骤:
1)转炉冶炼
① 控制终点碳含量0.05~0.45%,控制终点磷含量≤0.013%,转炉出钢过程采用滑板和挡渣锥双挡出钢且出钢时间控制7~8min;
② 转炉出钢过程依次加入脱氧材料:铝饼100~150千克/炉、碳化硅1.0~1.5千克/吨;合金材料:低铝低钛硅铁、金属锰、低钛铬铁,且低铝低钛硅铁、金属锰、低钛铬铁三种合金中的Ti≤0.02%;造渣材料:石灰,出钢后扒渣,并在氩站喂入铝线进行钢水深脱氧;
2)LF炉精炼
LF精炼过程,每炉加入400~450千克石灰,并加入冰晶石Na3AlF6来帮助化渣,用硅铁粉100~150千克进行钢水扩散脱氧同时降低钢水碱度,整个精炼过程采用低碱度渣冶炼,控制出LF前S含量0.008~0.015%,铝含量0.045%~0.055%;
3) RH真空处理
RH过程加强对钢水的去气去夹杂处理、采用轻处理,真空处理时间10~15分钟,真空处理采用氮气作为提升气体,最终实现钢水氮含量0.0095~0.0120%。
4.根据权利要求3所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于,步骤1)转炉出钢过程加入造渣材料为:石灰300~400千克/炉。
5.根据权利要求3所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于,步骤2)精炼过程加入50~100千克/炉冰晶石帮助化渣,该冰晶石Na3AlF6纯度≥95%。
6.根据权利要求3所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于,步骤2)精炼过程采用低碱度渣冶炼,控制炉渣二元碱度1.6~2.2。
7.根据权利要求3所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于,步骤3)RH过程采用轻处理,控制真空度5.0~6.0Kpa。
8.根据权利要求3所述的精密机床传动系统用合金结构钢的生产方法,其特征在于,步骤(4)连铸过程控制拉速 0.70m/min,末端电磁搅拌强度选用:电流480±10A。
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