CN115198171A - 一种低密度轴承钢及其冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低密度轴承钢及其冶炼方法,轴承钢化学成分以质量百分数计含有:C:0.95~1.05wt%、Si:0.15~0.35wt%、Cr:1.40~1.65wt%、Mn:1~3wt%、Al:2~5wt%,余量为Fe和不可避免的杂质;冶炼方法包括电炉、LF炉和VD炉工序,电炉炉后出钢按序加料,包括高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼;LF精炼工序,根据低密度轴承钢化学成分目标值,进行Mn、Al元素微调。本发明通过添加低密度元素Al、Mn,开发出一种低密度同时能够保证性能的轴承钢,该轴承钢应用于汽车可节约能耗、保护环境。
Description
技术领域
本发明涉及轴承钢冶炼,具体涉及一种低密度轴承钢及其冶炼方法。
背景技术
传统轴承钢主要成分如下:在高碳铬轴承钢中,C含量一般在0.95%-1.15%,Cr主要是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能,使高碳铬轴承钢中碳化物细小、均匀,Cr含量一般在0.5%-1.65%。另一方面,汽车轻量化可有效改善汽车性能,降低汽车燃油消耗以及碳排放。数据表明,汽车自重每减轻100kg,百公里油耗将减少0.3-0.5L,碳排放减少8-11g,同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率,使汽车的动力性和承载能力提高。轴承作为各类机电产品配套机械基础件,广泛应用在汽车上,汽车轻量化目标直接影响轴承钢发展方向。如何实现轴承钢轻量化同时保证其性能是需要解决的问题。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提出一种低密度,同时能够保证性能的轴承钢;本发明的第二目的是提出该轴承钢的冶炼方法。
技术方案:本发明所述的低密度轴承钢化学成分以质量百分数计含有:C:0.95~1.05wt%、Si:0.15~0.35wt%、Cr:1.40~1.65wt%、Mn:1~3wt%、Al:2~5wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
铝是钢铁材料降低密度的最有效元素。定量的说,Al元素质量分数每增加1%,钢的比重将会下降约1.3%。这是因为Al原子具有较小的原子半径和原子量,固溶于钢中可引起较大的晶格畸变并显著降低材料的平均原子质量,从而有效地的减小材料的密度。除此之外,Al含量的变化还会影响低密度钢材料的相组成。当Al含量过高时,会与钢中Fe元素结合生成Fe3Al和FeAl相金属间化合物,对材料的力学性能产生影响。另外,Al的添加能够提髙轴承钢的共析点的碳含量,抑制网状碳化物形成。这是因为Al是铁素体形成元素,非碳化物形成元素,在奥氏体转变形成渗碳体的过程中不参与碳化物的形成。因而碳化物在形核、长大时需要排开这类非碳化物形成元素(Al)才有利于自身的形成,晶界碳化物生成的扩散动力学条件也受到晶界区域这类非碳化物形成元素原子的制约,其形成也就受到阻碍。因此,Al对奥氏体的稳定性影响具有二元性,一方面,Al元素使A3温度升高,缩小奥氏体相区;而另一方面,显著增加奥氏体的层错能,强烈抑制ε马氏体相变,起到稳定奥氏体的作用,控制钢中Al含量为2-5%较为合宜。
Mn元素的添加可扩大奥氏体相区,提高室温下残留奥氏体的含量及合金的层错能,降低Ms点,Mn具有固溶强化作用及细化晶粒的作用。同时,Mn的加入则可以有效稳定奥氏体组织,避免由于Al的添加而生成较多铁素体进而影响钢的力学性能。然而,奥氏体中Mn含量过高会导致其过于稳定,不利于TRIP效应的产生,同时容易形成带状组织,对轴承钢化学性能产生危害,因此控制钢中Mn元素为1-3%。
本发明中,采取向钢中添加低密度元素Mn、Al,含量分别为Mn:1-3%,Al:2-5%,常规轴承钢的密度是7.665g/cm3(晶体结构完全是体心立方组织(BCC)马氏体结构),通过Mn、Al对Fe原子的置换作用,降低轴承钢的密度,使得轴承钢中体心立方组织(BCC)马氏体的密度最低为7.036g/cm3,将轴承钢密度降低8.2%。
本发明还保护一种低密度轴承钢的冶炼方法,包括电炉、LF炉和VD炉工序,电炉炉后出钢按序加料,包括高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰(7-9)→改性精炼渣精炼(7-9);LF精炼工序,根据低密度轴承钢化学成分目标值,进行Mn、Al元素微调。
其中,控制电炉出钢温度≥1600℃,出钢20t开始依据钢种要求加料。
LF精炼时间≥35min,快速造白渣,造白渣时间≤20min,白渣保持时间≥25min。
LF精炼过程中,根据精炼渣况或钢水中〔S〕含量适当补加活性石灰,采用铝丝或硅铁粉进行扩散脱氧。
VD炉工序中,真空度≤1mbar,保持时间≥20min。
有益效果:本发明与现有技术相比,具有如下显著优点:本发明基于基础理论研究与试验,通过添加低密度元素Al、Mn,开发出一种低密度同时能够保证性能的轴承钢,该轴承钢应用于汽车可节约能耗、保护环境。
具体实施方式
实施例1
冶炼GCr15轴承钢,其成分以质量百分数计如下表:
C | Si | Cr | Mn(目标) | Al(目标) |
0.95-1.05 | 0.15-0.35 | 1.40-1.65 | 1% | 2% |
工艺路径为:100tEAF(电弧炉)-100tLF(精炼炉)-100tVD(真空炉)
(1)出钢温度1620℃,炉后出钢过程中加料如下表;
添加时间为出钢20吨,添加顺序为高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼。
(2)精炼时间为85min,造白渣时间16min,白渣保持时间69min。
(3)精炼过程中,冶炼过程中采取铝丝进行渣面脱氧,加入量为150kg。
(4)精炼过程中,依据目标值对Mn、Al元素含量进行微调整。
(5)真空工序在真空度≤1mbar以下保持20min。
(6)真空后搅拌时间55min。
(7)检测终点元素含量如下表。
C | Si | Cr | Mn | Al |
0.96 | 0.23 | 1.51 | 1.03% | 2.016% |
实施例2
冶炼GCr15轴承钢,其成分以质量百分数计如下表;
C | Si | Cr | Mn(目标) | Al(目标) |
0.95-1.05 | 0.15-0.35 | 1.40-1.65 | 1% | 5% |
工艺路径为:100tEAF(电弧炉)-100tLF(精炼炉)-100tVD(真空炉)
(1)出钢温度1639℃,炉后出钢过程中加料如下表;
添加时间为出钢20吨,添加顺序为高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼。
(2)精炼时间为96min,造白渣时间18min,白渣保持时间78min。
(3)精炼过程中,冶炼过程中采取铝丝进行渣面脱氧,加入量为150kg。
(4)精炼过程中,依据目标值对Mn、Al元素含量进行微调整。
(5)真空工序在真空度≤1mbar以下保持20min。
(6)真空后搅拌时间52min。
(7)检测终点元素含量如下表。
C | Si | Cr | Mn | Al |
0.97 | 0.24 | 1.54 | 1.05% | 4.955% |
实施例3
冶炼GCr15轴承钢,其成分以质量百分数计如下表;
C | Si | Cr | Mn | Al |
0.95-1.05 | 0.15-0.35 | 1.40-1.65 | 3% | 2% |
工艺路径为:100tEAF(电弧炉)-100tLF(精炼炉)-100tVD(真空炉)
(1)出钢温度1640℃,炉后出钢过程中加料如下表;
添加时间为出钢20吨,添加顺序为高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼。
(2)精炼时间为83min,造白渣时间16min,白渣保持时间67min。
(3)精炼过程中,冶炼过程中采取铝丝进行渣面脱氧,加入量为150kg。
(4)精炼过程中,依据目标值对Mn、Al元素含量进行微调整。
(5)真空工序在真空度≤1mbar以下保持20min。
(6)真空后搅拌时间48min。
(7)检测终点元素含量如下表。
C | Si | Cr | Mn | Al |
0.97 | 0.23 | 1.51 | 3.23% | 2.018% |
实施例4
冶炼GCr15轴承钢,其成分以质量百分数计如下表;
C | Si | Cr | Mn | Al |
0.95-1.05 | 0.15-0.35 | 1.40-1.65 | 3% | 5% |
工艺路径为:100tEAF(电弧炉)-100tLF(精炼炉)-100tVD(真空炉)
(1)出钢温度1638℃,炉后出钢过程中加料如下表;
添加时间为出钢20吨,添加顺序为高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼。
(2)精炼时间为66min,造白渣时间15min,白渣保持时间51min。
(3)精炼过程中,冶炼过程中采取铝丝进行渣面脱氧,加入量为150kg。
(4)精炼过程中,依据目标值对Mn、Al元素含量进行微调整。
(5)真空工序在真空度≤1mbar以下保持20min。
(6)真空后搅拌时间43min。
(7)检测终点元素含量如下表。
C | Si | Cr | Mn | Al |
1.02 | 0.26 | 1.56 | 3.15% | 5.023% |
Claims (6)
1.一种低密度轴承钢,其特征在于:化学成分以质量百分数计含有:C:0.95~1.05wt%、Si:0.15~0.35wt%、Cr:1.40~1.65wt%、Mn:1~3wt%、Al:2~5wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述低密度轴承钢的冶炼方法,包括电炉、LF炉和VD炉工序,其特征在于:电炉炉后出钢按序加料,包括高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼;LF精炼工序,根据低密度轴承钢化学成分目标值,进行Mn、Al元素微调。
3.根据权利要求2所述的冶炼方法,其特征在于:控制电炉出钢温度≥1600℃。
4.根据权利要求2所述的冶炼方法,其特征在于:LF精炼时间≥35min,造白渣时间≤20min,白渣保持时间≥25min。
5.根据权利要求2所述的冶炼方法,其特征在于:LF精炼过程中,采用铝丝或硅铁粉进行扩散脱氧。
6.根据权利要求2所述的冶炼方法,其特征在于:VD炉工序中,真空度≤1mbar,保持时间≥20min。
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Legal Events
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---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221018 |