CN115233098B - 一种高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于炼钢技术领域,公开了一种高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法,通过采用RH高真空+低真空复合处理确保了钢液增氮、脱氢、去夹杂的效果,避免了真空后喂入氮锰线等增氮方式带来的钢液喷溅、卷渣。该工艺所生产钢洁净度高,氧化物类夹杂控制水平可满足B粗、B细≤0.5级,D细、D粗≤1.0级,Ds≤0.5级,同时可确保钢成品氮含量控制在0.0080‑0.0130%。
Description
技术领域
本发明属于炼钢技术领域,涉及一种高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法。
背景技术
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的产品,由于其在运行过程中摩擦系数低、传动效率高,是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,如在精密数控机床中常用滚珠丝杠作为传动部件。在机床中滚珠丝杠经联轴器与驱动电机连接,另一端连接支撑座;通过螺母、螺母支座与工作台连接,因此滚珠丝杠在工作过程中受到弯曲、扭转、冲击,以及与滚珠的摩擦等受力形式,相应的失效形式可分为三种:表面损伤失效,过量变形失效和断裂失效,其中表面损伤失效中的接触疲劳失效是滚珠丝杠副的主要失效形式。因此,滚珠丝杠材料要求具有高的洁净度,尤其是对表面疲劳危害大的Ds等类型夹杂。
关于Ds夹杂目前有较多的研究和专利,多为控制精炼炉渣碱度或变质夹杂物提高去除率的方式,如专利CN 105132631 A“一种重轨钢中Ds的控制方法”、专利CN 109055664A“一种无Ds类夹杂物的轴承钢钢液脱氧控制”通过控制LF精炼过程炉渣为中低碱度来控制Ds类夹杂的生成,如专利CN 110079724 A“一种超低氧中低碳钢冶炼方法”提出控制LF精炼过程炉渣碱度2.0-3.0,精炼末期采用喂铝线方式调整Al含量,将夹杂物转变为在RH真空处理过程中更容易去除的Al2O3夹杂的方式控制Ds。
对于高品质滚珠丝杠用钢而言,目前多为中碳铝脱氧合金结构钢,常添加一定含量的氮以氮化铝的形式起到细化晶粒的效果,此外,还需经过高真空的脱氢处理以降低后续产品的裂纹敏感性。对于含氮钢(含氮钢一般定义为对氮含量有最低含量要求,冶炼过程需要采取增氮或控氮措施;非含氮钢则以氮为残余元素,冶炼过程不采取额外措施对氮进行控制,一般不过真空的钢残余氮含量会在50-70ppm左右,而过真空的钢残余氮含量通常会在40ppm以下。普通滚珠丝杠一般是碳素钢或者轴承钢,冶炼过程对氮含量不做要求,一般成品氮含量会在0.0070%以下。高端滚珠丝杠目前使用中碳合金钢是一种趋势,通常会要求更高氮含量)的增氮方式,目前文献多见转炉冶炼过程、转炉出钢、LF精炼或RH过程的各种类型的吹氮工艺,但对于真空处理钢而言,真空处理前的各种增氮方式在经过高真空处理时氮随之脱除;真空过程的增氮工艺需要适当降低真空度,如专利CN 110628988 A“一种含氮钢的冶炼方法”、专利CN 114107610 A“一种真空增氮精炼的方法”提到采用降低RH真空度的方法来提升钢液中氮含量,但该方式不利于钢液脱氢,且对洁净度的影响不明,结合我们的实际经验,我们认为低真空处理不利于夹杂物的去除,会导致钢液浇注困难,钢液浇注过程结晶器液面波动较大反而加重了Ds级别;真空后采用喂入氮锰线的方式增氮目前采用较多,但由于氮锰线喂入时钢液喷溅严重,会造成炉渣的卷入,严重影响Ds夹杂物的改善。综上所述,目前已有专利均未涉及且不适用含氮钢Ds夹杂物的控制,需要采取一种更为洁净的增氮工艺。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的技术难题,本发明提供一种高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法,主要从夹杂物控制角度,针对含氮中碳钢的生产工艺进行优化,提出LF过程控制钢液中Ca含量以抑制夹杂物液态化的趋势,同时采用RH高真空+低真空复合处理,确保增氮、脱氢、去夹杂的效果,在确保夹杂物去除效率的同时满足产品对氮含量的要求,使钢材产品具有高的洁净度,满足高端数控机床滚珠丝杠用钢对洁净度的要求。氧化物类夹杂控制水平可满足B粗、B细≤1.0级,D细、D粗≤1.0级,Ds≤0.5级。
为了实现本发明目的所采用的技术方案为:一种高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法,包括依次进行的如下工序:转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸。
转炉冶炼工序包括:转炉出钢加入1.0kg/t铝块预脱氧;加入低钛合金(进一步的,低钛合金包括但不限于低钛低铝硅铁,低钛高碳铬铁,低碳锰铁,钼铁等种的任意一种或多种);加入4.2kg/t石灰和5.0kg/t护炉剂
LF精炼工序包括:LF精炼过程采用铝粒和SiC脱氧造白渣,炉渣二元碱度(CaO/SiO2)控制在4.0-6.0之间;使用低铝低钛硅铁取代硅铁调整Si含量;控制LF过程钢液中Ca≤5ppm。
RH真空处理工序包括:RH真空处理采用氮气作为提升气体,提升气体流量95-120Nm3/h;采用先高真空、后低真空复合处理,其中高真空要求真空度≤50Pa,处理时间5-10min,低真空要求真空度4.0-7.0kPa,处理时间15-20min;RH破空后禁止喂线。
本发明涉及钢种质量成分包括:C 0.30-0.60%,Si 0.10-0.50%,Mn 0.50-1.50%,N 0.0080-0.0130%,Al 0.015-0.040%,Ti≤0.0050%,H≤1.5ppm,本发明钢种包括但不限于上述种类元素,根据钢种应用可适当添加一定含量的Cr、Mo、Ni、Cu、S等元素。
本发明的技术方案原理:
(1)Ds夹杂物主要包括内生及外来夹杂,对于内生夹杂物可通过真空处理的方式大比例的去除,在此过程中固态夹杂去除效率要高于液态夹杂,因此控制LF精炼过程中的Ca可以提高夹杂物的去除率。但是外来的夹杂物对于Ds夹杂物的控制更为重要,生产过程多次调整成分,尤其是氮锰线的喂入带来的剧烈的喷溅会增加外来夹杂物的产生几率。
(2)RH真空处理过程随着真空度的变化夹杂物及气体的控制效果相差较大,本专利通过多次研究发现真空度越高,脱气、去夹杂物的效率越高,而真空度越低,虽然对夹杂物的去除效率降低,但在氮气作为提升气体时,有助于钢液增氮。因此,结合钢种特点,综合考虑洁净度及气体氮含量的要求下,本专利采用高真空+低真空处理方式,针对钢种对洁净度和氮含量的要求合理匹配真空度和处理时间,在即满足钢种对洁净度的要求的同时,满足对氮含量的要求。
附图说明
图1为实施例与对比例RH过程夹杂物变化(电镜统计尺寸≥1μm)。
图2为对比例2中2.5级Ds夹杂物形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施方法对本发明进行进一步详细说明,但本发明的保护范围并不仅限于所述内容。
本实例以滚珠丝杠用中碳结构钢的冶炼过程予以说明本发明对夹杂物及气体的综合控制效果,钢种熔炼成分C 0.50%,Si 0.23%,Mn 0.85%,Cr 1.00%,Mo 0.16%,N0.0100%,Al 0.025%,Ti 0.0023%。
(1)120t转炉,出钢加入150kg铝粒;加入低钛高碳铬铁,低铝低钛硅铁,低碳锰铁,钼铁,增碳剂,石灰500kg+护炉剂600kg,转炉挡渣塞+滑板双档出钢。
(2)LF精炼过程使用铝粒+SiC脱氧造白渣,终渣二元碱度(CaO/SiO2)检测值4.6;使用低铝低钛硅铁调整Si含量;LF过程钢液中Ca光谱检测结果3-4ppm。
(3)RH采用氮气作为提升气体,提升气体流量100Nm3/h,高真空+低真空复合处理,其中高真空实测真空度12Pa,处理时间6min,低真空真空度5.7kPa,处理时间17min;RH破空后无喂线操作。破空后定H 1.3ppm。RH真空处理前后氮含量分别为0.0065%、0.0097%,增氮效果显著。
(4)钢液经连铸成坯后,轧制棒材φ70mm,成品氮含量N 0.0100%。
RH前后夹杂物变化如图1(a)所示,可见夹杂物去除较高。轧制棒材同批号不同支棒材进行夹杂物评级,结果如表1所示,B类、D类及Ds类夹杂评级均较好。
对比例1
以相近钢种作为对比例,其生产过程如下:
(1)120t转炉,出钢加入150kg铝粒;加入低钛高碳铬铁,低铝低钛硅铁,低碳锰铁,钼铁,增碳剂,石灰500kg+护炉剂600kg,转炉挡渣塞+滑板双档出钢。
(2)LF精炼过程使用铝粒+SiC脱氧造白渣,终渣二元碱度(CaO/SiO2)控制在5.1;使用低铝低钛硅铁调整Si含量;LF过程钢液中Ca光谱检测结果3-4ppm。
(3)RH采用氮气作为提升气体,提升气体流量100Nm3/h,全程采用低真空处理,真空度5.6kPa,处理时间15min;RH破空后无喂线操作。破空后定氧1.9ppm,RH真空处理前后氮含量分别为0.0061%、0.0103%。
(4)钢液经连铸成坯后,轧制棒材φ70mm。成品氮含量0.0105%。
RH前后夹杂物变化如图1(b)所示,夹杂物去除效果较差,真空处理后仍保留较多夹杂物,这些夹杂物可能会导致后续的氧化物类夹杂评级较高。轧制棒材同批号不同支棒材进行夹杂物评级,结果如表1所示,可见B类及Ds类夹杂评级不稳定,均有较高的情况出现。
对比例2
以相近钢种作为对比例,其生产过程如下:
(1)120t转炉,出钢加入150kg铝粒;加入低钛高碳铬铁,低铝低钛硅铁,低碳锰铁,钼铁,增碳剂,石灰500kg+护炉剂600kg,转炉挡渣塞+滑板双档出钢。
(2)LF精炼过程使用铝粒+SiC脱氧造白渣,终渣二元碱度(CaO/SiO2)控制在4.6;使用低铝低钛硅铁调整Si含量;LF过程钢液中Ca光谱检测结果3-5ppm。
(3)RH采用氩气作为提升气体,提升气体流量100Nm3/h,全程高真空处理,真空度23Pa,处理时间15min;RH破空后喂入氮锰线增氮。破空后定H1.2ppm。RH真空处理前后氮含量分别为0.0055%、0.0043%,破空喂线后氮含量0.0113%。
(4)钢液经连铸成坯后,轧制棒材φ70mm。成品氮含量0.0109%。
RH前后夹杂物变化如图1(c)所示,夹杂物去除效果最好,但是后续喂入氮锰线时钢液搅动、喷溅严重。对轧制棒材同批号不同支棒材进行夹杂物评级,结果如表1所示,Ds类夹杂评级差,甚至出现2.5级情况,其形貌可见图2。
表1实施例与对比例棒材夹杂物评级
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法,其特征在于:钢种质量成分包括:C 0.30-0.60%,Si 0.10-0.50%,Mn 0.50-1.50%,N 0.0080-0.0130%,Al 0.015-0.040%,Ti≤0.0050%,H≤1.5ppm;包括依次进行的如下工序:转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理和连铸工序;
LF精炼工序包括:LF精炼过程采用铝粒和SiC脱氧造白渣,炉渣二元碱度CaO/SiO2控制在4.0-6.0之间;使用低铝低钛硅铁取代硅铁调整Si含量;控制LF过程钢液中Ca≤5ppm;
RH真空处理工序包括:RH真空处理采用氮气作为提升气体,提升气体流量95-120 Nm3/h;采用先高真空、后低真空复合处理,其中高真空要求真空度为12-50Pa,处理时间5-10min,低真空要求真空度4.0-7.0kPa,处理时间15-20min ;RH破空后禁止喂线。
2.根据权利要求1所述的高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法,其特征在于:转炉冶炼工序包括:转炉出钢加入1.0kg/t 铝块预脱氧;加入低钛合金;加入4.2kg/t石灰和5.0kg/t护炉剂。
3.根据权利要求2所述的高洁净度滚珠丝杠用中碳合金结构钢的制备方法,其特征在于:低钛合金包括低钛低铝硅铁,低钛高碳铬铁,低碳锰铁,钼铁中的任意一种或多种。
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