CN115852265B

CN115852265B - 一种用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管及其制造方法

Info

Publication number: CN115852265B
Application number: CN202211390032.8A
Authority: CN
Inventors: 翟蛟龙; 白云; 樊启航; 吴小林; 欧屹; 芦莎; 梁医; 冯虎田; 庹小雨
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology; Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology; Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2042-11-08
Also published as: CN115852265A

Abstract

本发明涉及一种用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管及其制造方法，交货状态渗碳体以均匀的更为细小的，粒径一般0.1～0.5μm的球化状态存在，球化率达95％以上，其余组织为铁素体。组织畸变能小，加工丝杠产品过程中热处理变形小，尺寸精度高，能够满足滚珠丝杠的精度使用要求。材料在400℃环境下的屈服强度≥1490MPa、抗拉强度≥1660MPa，同时为了应对航天设备在未点火状态下经常处于低温环境，材料具有良好的低温韧性，远远满足‑20℃下夏比冲击功AKU₂≥27J的要求，具有较多的低温韧性余量。

Description

一种用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁基合金钢技术领域，尤其涉及应用于加工用于高温环境下的空心滚珠丝杠钢管及其制造方法。

背景技术

在需要精确传输动力的设备中，滚珠丝杠是不可或缺的动力和位移传递的传动零件，在一些特殊工况下的设备仪器中，比如核电设施、航空点火装置中所用到的滚珠丝杠传动件，由于服役环境常伴随200～350℃的高温，首先要求材料本身耐高温其次通常将滚珠丝杠设计成空心结构(用于冷却液循环)。这就要求本发明的钢材具有相比传统丝杠用钢材更高的强韧性、耐磨性及抗热处理变形的性能。

传统滚珠丝杠使用的是高碳铬轴承钢如GCr15、GCr15SiMn等，此类材料高温环境下的抗回火软化能力不足，且由于高碳轴承钢的热处理变形很难控制，尤其制作空心滚珠丝杠时热处理变形问题尤为突出，是导致最终滚珠丝杠研磨精度不达标的主要因素。

发明内容

本发明为满足耐高温空心滚珠丝杠用钢材的强度、耐磨性及淬透性要求，通过对钢材化学成分和制造方法进行合理设计，开发一种新的滚珠丝杠用钢管。

本发明所设计的滚珠丝杠用钢管，其具有如下特征：

本发明钢材要求的非金属夹杂物要求，GB/T 10561-2005，见下表1：

表1

本发明交货状态下(钢管交货状态，即调质态。)检测机械性能，材料在400℃高温状态下的拉伸性能及-20℃低温冲击性能要求见下表2：

表2

采用JIS G 0561法检验末端淬透性，满足J9mm硬度≥58HRC。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种滚珠丝杠用钢，化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.50％，Si：1.50～2.00％，Mn：1.20～1.60％，Cr：0.80～1.20％，S：≤0.025％，P≤0.025％，Nb：0.02～0.06％，W：1.50～2.00％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.003％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明的滚珠丝杠用钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

C是保证耐磨性所必要的元素，钢中的碳通过增加马氏体转变能力提高硬度和强度，进而提高耐磨性。但超过0.50％的C含量会增加管材加工过程的穿管及热处理裂纹敏感性。本发明控制其含量为0.25～0.50％。

2)Si含量的确定

Si是炼钢过程中的脱氧剂，并以固溶强化形式提高钢的硬度、强度、弹性极限和屈强比。它降低C在铁素体中的扩散速度使回火时析出的碳化物不易聚集，提高钢材的抗回火软化能力。另外，Si减少摩擦发热时的氧化作用和提高钢的冷变形硬化率从而提高材料的耐磨性。但是过高的Si含量会降低钢材韧性。本发明控制Si含量为1.50～2.00％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，是对钢的强化有效的元素，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。Mn能消除S(硫)的影响：Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS，进而消弱和消除S的不良影响。Mn含量高于1.60％，会显著降低钢的韧性。本发明Mn含量控制在1.20～1.60％。

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种大块的碳化物会降低钢材的接触疲劳寿命。综上分析，本发明Cr含量的范围确定为0.80-1.20％。

5)Al含量的确定

Al是冶炼过程中的脱氧剂，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量超过0.05％时，钢水的流动性大幅下降，增加浇铸难度。本发明Al含量的范围确定为≤0.05％。

6)Nb含量的确定

Nb既是一种强铁素体形成元素，又是强碳氮化物形成元素，在长时间受热时又易于形成金属化合物，除本身的固溶强化作用外，NbC、Nb(CN)在热加工中析出物质点的“钉扎”原理组织晶界移动，细化晶粒。为控制成本并达到预期效果，本发明Nb含量的范围确定为Nb：0.02～0.06％。

7)W含量的确定

W提高了钢的耐回火性，碳化物十分坚硬，因而提高了钢的耐磨性还使钢具有一定的热硬性，同时提高钢在高温时的蠕变抗力。在淬火加热时，(FeW6)C等碳化物很难溶解，起到细化晶粒的作用，在回火过程的500～600℃范围内，主要析出钨的碳化物W₂C，弥散分布在马氏体基体上，有二次硬化功能。但是因W的熔点较高，在保证高温强度的基础上尽可能的降低“夹钨”导致的应力集中，结合冶炼成本控制，本发明W含量的范围确定为1.50～2.00％。

8)Ca含量的确定

Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。同时结合冶炼成本控制。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。

9)Ti含量的确定

Ti对钢材危害方式是以氮化钛，碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响材料的疲劳寿命，特别是在纯洁度显著提高，其他氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害尤为突出。同时结合冶炼成本控制。本发明Ti含量的范围确定为≤0.003％。

10)O含量的确定

氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。同时结合冶炼成本控制。本发明氧含量的范围确定为≤0.0010％。

11)P、S含量的确定

P在钢中会严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。同时结合冶炼成本控制。本发明P含量的范围确定为≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，同时结合冶炼成本控制。本发明S含量的范围确定为≤0.025％。

12)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，同时结合冶炼成本控制。本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

本申请的另一目的是提供上述产品的制造方法，所述方法的工艺流程为电炉或转炉(初炼)—炉外精炼—(VD或RH)真空脱气—浇铸—连轧—剪切或锯切—堆冷—球化退火—精整—打件入库。

具体工艺如下：

步骤一、冶炼符合化学成分设计的钢水；

步骤二、将钢水浇铸成390mm×510mm及以上的方坯；方坯下坑缓冷防止开裂，缓冷时间不小于72小时，随后将方坯电渣重熔，制成的电渣锭，入坑缓冷，缓冷时间不小于72小时，再送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热并开坯成200mm×200mm—300mm×300mm的中间方坯，中间坯下坑缓冷，下坑温度≥500℃，缓冷时间不小于72小时；

步骤三、将中间坯重新加热，然后轧成钢管，最终钢管外径壁厚3～50mm，轧制的开轧温度为1000℃-1200℃，终轧温度≥850℃，终轧后在线穿水冷却，使钢管的温度下降至600℃～750℃，并以此温度开始堆冷，堆冷组织为贝氏体+马氏体的复合组织；

步骤四、采用亚温淬火，淬火加热时控制部分渗碳体溶于奥氏体，让基体中仍保留渗碳体质点，达到动态平衡，在淬火后获得马氏体-铁素体的双相组织；在此基础上进行二次回火，在组织中得到粒径为0.1～0.5μm的点状渗碳体，球化率达95％以上，其余组织为铁素体，钨的碳化物在二次回火过程中析出弥散分布在马氏体基体中发挥钨元素的回火强化功能。

将回火后再经后续精整(矫直、探伤)，制得目标钢管产品

优选地，步骤二中，电渣锭在加热炉内的加热温度为1020-1270℃，加热时间大于5小时，开坯轧制时开轧温度1000℃-1250℃，终轧温度≥850℃，开坯轧制压缩比大于5。

优选地，步骤三中，中间坯的加热工艺：预热段温度为500-800℃，加热段温度为1050-1250℃，均热段温度为1050-1250℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在8小时以上。

优选地，步骤四中，淬火的加热温度为825±10℃，保温7小时以上，保证组织处于铁素体和奥氏体的两相区；一次回火的加热温度为680±10℃，保温3.5小时以上，水冷；二次回火的加热温度为580±10℃，保温5小时以上，空冷。

优选地，步骤一中，钢水冶炼涉及初炼、精炼、真空脱气，其中，在精炼过程中采用添加铝粒的方式进行脱氧，真空脱气的处理时间不小于1小时，真空脱气后对钢水软吹氩，吹氩时间不小于1小时，让夹杂物充分上浮。

优选地，步骤二中，采用连铸工艺将钢水浇铸成方坯，连铸过程对铸流实施电磁搅拌及轻压下，控制过热度小于80℃，铸坯拉速为0.2～2m/min。

本申请所设计的用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管的制造方法具有如下特点：

(1)钢水冶炼优选采用优质铁水、废钢及原辅料以降低钢水中有害元素含量。保证精炼过程中钢水中的残铝量加强脱氧，采用向钢水中添加铝粒的方式，利用钢水中的良好的动力学条件，进行集中提前脱氧和VD或RH真空脱气处理，真空脱气时间不小于1小时，使非金属夹杂物充分上浮并控制较低的气体含量。在真空脱气后进行长时间软吹氩，吹氩时间不小于1小时，保证夹杂物充分上浮，同时当使用连铸工艺浇铸方坯时，连铸全程应进行防氧化保护即让铸流与空气隔绝来减少钢中的夹杂物数量。

(2)当使用连铸工艺浇铸方坯时，连铸过程采用电磁搅拌及轻压下技术，并采用低过热度浇注，过热度小于80℃，设置拉速0.2～2m/min，有效改善和降低连铸坯的成分偏析，尤其地，在增加凝固末端电磁搅拌及轻压下等先进设备后，铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高，晶粒得到细化，从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析。

(3)为保证钢管在制作滚珠丝杠时只需要车加工后对辊道面激光淬火即可满足使用硬度，钢管生产采用了在线正火+亚温淬火+二次回火工艺：

在步骤三的热轧制钢管阶段，终轧后在线穿水，选择常温水，保证上冷床时钢管处于600℃～750℃的温度区间，使热轧态堆冷组织为贝氏体+马氏体的复合组织，为后续球化退火提供畸变能。通过825±10℃保温7小时以上的亚温淬火加热，保证组织在铁素体和奥氏体的两相区，部分渗碳体溶于奥氏体中，基体仍保留有后续形核的渗碳体质点(马氏体中的细碳化物)，达到动态平衡。随后(盐浴)淬火，得到马氏体-铁素体的双相组织。再先后由680±10℃保温3.5小时以上，回火水冷；580±10℃保温5小时以上，回火空冷，得到均匀的点状渗碳体(粒径为0.1～0.5μm)，同时，充分发挥钨元素的回火强化功能。最终交货状态抗拉强度可达1660MPa以上。

W元素在二次回火过程中，主要析出钨的碳化物W2C，弥散分布在马氏体基体上，有二次硬化功能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)不同于传统GCr15轴承钢，本申请钢管的化学成分进行了优化，优化的目的是显著提高钢材的淬透性、屈服强度、抗拉强度和抗高温软化能力，且裂纹倾向小。满足空心材料的机加工强度要求。

2)优于传统GCr15轴承钢粗大的球状渗碳体(一般1～3μm)，本发明材料交货状态时的渗碳体以均匀的更为细小的(0.1～0.5μm粒径)球化状态存在，球化率达95％以上，其余组织为铁素体。组织畸变能小，加工丝杠产品过程中热处理变形小，尺寸精度高，能够满足滚珠丝杠的精度使用要求。

3)传统的GCr15轴承钢回火抗性较差，长期的高温环境会使钢材强度降低导致变形丧失精度，本发明的滚珠丝杠用钢在400℃环境下的屈服强度≥1490MPa、抗拉强度≥1660MPa，同时为了应对航天设备在未点火状态下经常处于低温环境，材料具有远超轴承钢的低温韧性：-20℃下夏比冲击功AKU₂≥27J。

附图说明

图1为本发明实施例1的材料交货状态的组织图；

图2为本发明实施例2的材料交货状态的组织图；

图3为本发明实施例3的材料交货状态的组织图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1-3对本发明滚珠丝杠用钢的化学成分和制造方法分别举例，并于市场上通用的GCr15轴承钢对比。

各实施例的化学成分(wt％)参见表2、3

表2

表3

	实施例	As	Sn	Sb	Pb	Ca	Ti	O
									本发明	1	0.0031	0.012	0.0013	0.001	0.0001	0.0012	0.00056
本发明	2	0.0034	0.011	0.0012	0.001	0.0001	0.0011	0.00051
									本发明	3	0.0026	0.012	0.0011	0.001	0.0001	0.0012	0.00049
GCr15	4	0.0051	0.021	0.0023	0.001	0.0001	0.0023	0.00071

各实施例钢材的夹杂物见表4

表4

各实施例的机械性能(交货状态)对比，在400℃高温拉伸性能及-20℃低温冲击性能见表5

表5

各实施例钢材的末端淬透性数据见表6

表6

	实施例	J9mm(HRC)
			本发明	1	60.12
本发明	2	60.11
			本发明	3	60.56
GCr15	4	43.33

各实施例钢材的微观组织参见图1-3，不同于传统GCr15轴承钢粗大的球状渗碳体，本发明材料交货状态渗碳体以均匀的更为细小的(一般0.1～0.5μm)球化状态存在，球化率达95％以上，其余组织为铁素体。组织畸变能小，加工丝杠产品过程中热处理变形小，尺寸精度高，能够满足滚珠丝杠的精度使用要求。另外，钢管的末端淬透性实验硬度，和激光淬火无关，激光淬火的硬度是指材料加工成的滚珠丝杠的成品硬度(一般为59-63HRC)。

各实施例的滚珠丝杠用钢的制造流程为电炉或转炉—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸(390mm×510mm)—电渣重熔(φ600-800mm)—电渣锭开方成中间坯(200mm×200mm—300mm×300mm)—中间坯加热轧制成材(外径φ30-300mm，壁厚3～50mm)—热处理(亚温淬火+二次回火)—精整—打件入库。

具体冶炼时，选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在电炉/转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C分别控制在0.05-0.35％，终点P要求≤0.025％，连铸过热度控制在15℃～35℃。

各实施例的连铸坯进行开坯轧制工艺如下表7所示

表7

4)将中间坯(200mm×200mm—300mm×300mm)送至加热炉内轧制成目标钢管，具体的轧制工艺为：设置预热段温度控制在500-800℃，加热段温度控制在1050-1250℃，均热段温度控制在1050-1250℃，为保证坯料充分均匀受热，总加热时间在8小时及以上。轧制开轧温度控制在1000-1200℃，終轧温度控制在850℃以上，热轧制钢管时，终轧后在线穿水，保证上冷床温度区间为600～750℃，轧制完成后堆冷，使热轧态堆冷组织为贝氏体+马氏体的混合状态。将轧制的在线正火的成品钢管进行亚温淬火+二次回火处理，通过825±10℃保温7小时加热，保证在铁素体和奥氏体的两相区，部分渗碳体溶于奥氏体中，基体留有后续形核的渗碳体质点，达到动态平衡。随后盐浴(10wt％以上氯化钠)淬火，得到马氏体-铁素体的双相组织。再先后由680±10℃保温3.5小时回火水冷+580±10℃保温5小时回火空冷。将回火后再经后续矫直、探伤，制得目标钢管产品，最终打件入库。

由表2、3、4、5、6可知，本发明以上各实施例中的用于高温环境下的空心滚珠丝杠钢管与传统的GCr15轴承钢相比，有害元素如氧、钛以及非金属夹杂物控制水平明显要好。特别是在高温环境下机械性能方面，本发明的屈服强度、抗拉强度、低温冲击和抗高温软化能力要明显优于传统的GCr15轴承钢，屈服强度提高将近600MPa以上，抗拉强度提高600MPa，低温冲击性能提高近60J以上，硬度提高近15HRC。淬透性也明显优于传统的GCr15轴承钢。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管，其特征在于：材料的化学成分按质量百分比计为C：0.25～0.50%，Si：1.50～2.00%，Mn：1.20～1.60%，Cr：0.80～1.20%， S：≤0.025%，P≤0.025%，Nb：0.02～0.06%，W：1.50～2.00%，Al≤0.05%，Ca≤0.0010%，Ti≤0.003%，O≤0.0010%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质；

步骤一、冶炼符合化学成分设计的钢水；

步骤二、将钢水浇铸成390mm×510mm以上的方坯；方坯下坑缓冷防止开裂，缓冷时间不小于72小时，随后将方坯电渣重熔，制成ϕ600mm-800mm的电渣锭，入坑缓冷，缓冷时间不小于72小时，再送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热并开坯成200mm×200mm—300mm×300mm的中间方坯，电渣锭在加热炉内的加热温度为1020-1270℃，加热时间大于5小时，开坯轧制时开轧温度1000℃-1250℃，终轧温度≥850℃，开坯轧制压缩比大于5，中间方坯下坑缓冷，下坑温度≥500℃，缓冷时间不小于72小时；

步骤三、将中间方坯重新加热，中间方坯的加热工艺：预热段温度为500-800℃，加热段温度为1050-1250℃，均热段温度为1050-1250℃，总加热时间在8小时以上，然后轧成钢管，最终钢管外径ϕ30-300mm，壁厚3～50mm，轧制的开轧温度为1000℃-1200℃，终轧温度≥850℃，终轧后在线穿水冷却，使钢管的温度下降至600℃～750℃，并以此温度开始堆冷，堆冷组织为贝氏体+马氏体的复合组织；

步骤四、采用亚温淬火，淬火加热时控制部分渗碳体溶于奥氏体，让基体中仍保留渗碳体质点，达到动态平衡，在淬火后获得马氏体-铁素体的双相组织；在此基础上进行二次回火，在组织中得到粒径为0.1～0.5μm的点状渗碳体，球化率达95%以上，其余组织为铁素体，钨的碳化物在二次回火过程中析出弥散分布在马氏体基体中发挥钨元素的回火强化功能；淬火的加热温度为825±10℃，保温7小时以上，保证组织处于铁素体和奥氏体的两相区；第一次回火的加热温度为680±10℃，保温3.5小时以上，水冷；第二次回火的加热温度为580±10℃，保温5小时以上，空冷。

2.根据权利要求1所述的用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管，其特征在于：材料的交货态，组织中渗碳体以粒径为0.1～0.5μm的球化状态存在，球化率达95%以上，其余组织为铁素体。

3.根据权利要求1所述的用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管，其特征在于：材料在400℃高温状态下的屈服强度≥1490MPa、抗拉强度≥1660MPa、延伸率≥5%、-20℃下夏比冲击功AKU₂≥27J；按照JIS G 0561法检验末端淬透性，满足J9mm硬度≥58HRC。

4.一种制造权利要求1所述的用于高温环境下的空心滚珠丝杠用钢管的方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤一、冶炼符合化学成分设计的钢水；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤一中，钢水冶炼涉及初炼、精炼、真空脱气，其中，在精炼过程中采用添加铝粒的方式进行脱氧，真空脱气的处理时间不小于1小时，真空脱气后对钢水软吹氩，吹氩时间不小于1小时，让夹杂物充分上浮。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤二中，采用连铸工艺将钢水浇铸成方坯，连铸过程对铸流实施电磁搅拌及轻压下，控制过热度小于80℃，铸坯拉速为0.2～2m/min。