CN115874114A

CN115874114A - 一种精密导轨用钢及其生产方法

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Publication number: CN115874114A
Application number: CN202211528697.0A
Authority: CN
Inventors: 左辉; 郑力宁; 吕亮; 潘海伟; 卢煜; 石可伟; 朱小龙; 陈坤; 蒋栋初
Original assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Lihuai Steel Co ltd; Jiangsu Shagang Group Huaigang Special Steel Co Ltd
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2023-03-31

Abstract

本发明公开了一种精密导轨用钢及其生产方法，用于代替传统55钢的全新精密导轨用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.48%‑0.50%，Si：0.10%‑0.15%，Mn：0.70%‑0.80%，Cr：0.30%‑0.35%，Ni：0.35%‑0.45%，Mo≤0.05%，Cu≤0.05%，Al：0.035%‑0.050%，Ti≤0.0050%，P≤0.015%，S≤0.003%，[O]≤15ppm，余量为Fe并通过铁水KR脱硫→转炉冶炼→LF钢包精炼→RH真空脱气→软吹→方坯连铸→缓冷→加热→轧制→缓冷→精整→入库的方法生产。本发明的精密导轨用钢，相比常规的55钢，在制造精密导轨时，可经受更多次冷拔成型，其优化了钢材的综合性能，提高了表面质量和尺寸精度。本发明具有经济、稳定、质优等优点，能很好的克服传统55钢制造精密导轨的缺点，实现了高效、低成本生产，提高了市场竞争力。

Description

一种精密导轨用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁行业中的机械制造用钢，具体涉及一种精密导轨用钢及其生产方法。

背景技术

导轨是一种金属或其他材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的导向装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨主要用于直线往复运动，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时还可以承担一定的扭矩，可以实现负载情况下的高精度直线运动。导轨作为导向装置，具有导向精度、精度保持性、刚度、低速运动平稳性等性能。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨的刚度和热变形。影响导轨精度保持性的主要因素是其耐磨性。影响导轨刚度的主要因素是导轨的形状、尺寸与支承件的连接方式及受力状况。影响导轨低速运动平稳性的主要因素是导轨表面粗糙度和表面精度。一种优质导轨必须具备足够的刚度、耐磨性、加工精度和光洁度。

随着我国经济的持续增长，电力工业、数据通信、城市轨道交通、汽车、造船等行业的发展，对直线导轨的需求也迅速增长。近年，我国钢铁冶炼技术和导轨加工技术稳步提升，国产导轨质量已经达到甚至超过进口产品，呈现逐步替代进口的趋势。

目前国内普通直线导轨多使用GB/T 699-2015的55钢，国家《优质碳素结构钢》（GB/T 699-2015）标准中的55钢规定：C：0.52%～0.60%，Si：0.17%～0.37%，Mn：0.50%～0.80%，P≤0.035%，S≤0.035%，Cr≤0.25%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%。力学性能可达到：Rm≥645Mpa，Rel≥380Mpa，A≥13%，Z≥35%，热轧硬度≤255HBW。这种钢制造的精密导轨的缺点是性能不稳定、淬透性差、刚度低、表面光洁度差、低速运动平稳性差、导向精度低、综合使用成本高。随着现代工业的发展，机器人将逐渐替代人工进行标准化作业，机器人作业的精度受精密导轨的影响非常大；高端数控机床对精密导轨的要求也非常高，急需一种更加可靠的精密导轨用钢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精密导轨用钢，同时提供这种钢的生产方法。通过化学成分的全新设计、冶炼工艺的优化、控制轧制生产高纯净度、高性能稳定性、高淬透性、高刚度精密导轨用钢。

本发明设计了比较低的C、Si含量，在钢中添加适量Cr、Ni、Al等元素，在确保强度的同时，提高了钢的性能稳定性、淬透性、刚度和导轨的表面质量。通过添加少量的Cr元素，形成Cr的碳化物，确保钢的强度和刚度，同时提高钢的淬透性，确保热处理后导轨组织和性能的均匀一致；通过添加Ni元素提高钢的表面镀Ni层的形成速度和致密性，提高电镀后的光洁度，减少导轨的摩擦，提高运行时的平稳性，确保其导向的精度；通过添加少量的Al元素，细化晶粒，提高钢的强韧性；使用控制轧制来均匀钢的组织，控制钢的硬度，避免冷拔成型断裂，提高导轨的综合性能；本发明圆钢制造精密导轨时可以经受更多次冷拔成型，相比常规的55钢冷轧导轨，优化了综合性能，提高了表面质量和尺寸精度。本发明具有经济、稳定、质优等优点，能很好的克服传统55钢制造精密导轨的缺点，实现了高效、低成本生产，提高了市场竞争力。

本发明通过以下技术方案实现：

一种精密导轨用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.48%-0.50%，Si：0.10%-0.15%，Mn：0.70%-0.80%，Cr：0.30%-0.35%，Ni：0.35%-0.45%，Mo≤0.05%，Cu≤0.05%，Al：0.035%-0.050%，Ti≤0.0050%，P≤0.015%，S≤0.003%，[O]≤15ppm，余量为Fe。

下面具体说明本发明一种精密导轨用钢化学成分的限定理由：

C：能够与Mn、Cr形成碳化物，有利于提高钢的强度，但是会降低钢的塑性和冲击韧性。本发明相对于普通55钢，采用低碳设计，依靠合金元素来提高钢的强韧性，将C含量限定为0.48%-0.50%。

Si：能溶于铁素体和奥氏体中起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度，尤其是提高钢的屈服强度；硅还有脱氧的作用，但含量随着硅含量的增加，硅会增加铁素体冷变形硬化率，使钢的冷加工困难，对冷加工性能有很不利的影响，因此本发明严格限制Si的含量0.10%-0.15%。

Mn：有固溶强化的作用，可扩大奥氏体区、降低奥氏体向铁素体的转变温度，进而细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性。Mn还可以提高钢的淬透性，本发明为了提升钢的刚性，考虑到各种元素的匹配，将Mn含量控制在0.70%-0.80%之间；

Cr：在钢中以碳化物形态存在，能显著提高钢的强度，对钢的塑性、韧性影响较小，添加0.30%以上的Cr可以显著提高钢的淬透性，确保导轨热处理后组织、性能均匀。一定量的Cr还可以提高钢的耐腐蚀性，减少导轨镀层损伤后的锈蚀。结合导轨的刚性要求，将Cr元素控制在0.30%-0.35%之间；

Ni：在钢中可以稳定奥氏体，在提高强度的同时，保持良好的塑性和韧性；Ni还可以提高钢的表面镀Ni层的形成速度和致密性，提高电镀后的光洁度。但是由于Ni是贵重合金，影响生产成本，所以本钢种添加0.35%-0.45%的Ni。

Mo：能够细化钢的晶粒，提高钢的淬透性和耐磨性，Mo还能提高钢的回火稳定性，但是Mo元素非常昂贵。本发明钢种不添加Mo元素，Mo含量控制在≤0.05%。

Cu：在钢中一般作为有害元素，当Cu含量超过0.20%且钢温超过1100℃时，钢材表面产生氧化脱碳，易在脱碳层晶界富集，形成铜脆、表面龟裂，严重影响钢材质量；Cu还会引起时效硬化，影响导轨的精度，本发明将Cu含量限定为≤0.05%。

Al：作为强脱氧剂和细化晶粒元素；一般钢中Al含量不宜过高，Al含量高的钢在浇注过程非常容易结瘤，造成大量报废；Al能够抑制钢的时效，提高钢的低温韧性，还能提高钢的抗氧化性。所以本发明将Al作为细化晶粒元素，含量限定在0.035%-0.050%。

Ti：Ti和N、C元素结合形成的碳氮化钛是一种带有棱角的硬质夹杂物，对钢的冷拔性能有非常大的危害，所以本发明将Ti含量限定在≤0.0050%。

P：使钢的晶粒粗化，增加钢的冷脆性，降低钢的冲击韧性、塑性，使冷加工性能变差。因此，本发明将P含量控制在0.015％以下；

S：是易偏析元素，降低钢的延展性、韧性和耐腐蚀性。所以本发明对S含量进行了严格控制，必须≤0.003%。

O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物含量显著增加，影响钢的纯净度，严重影响导轨的表面质量，降低导轨低速运动平稳性和导向精度。本发明及生产工艺可以将O含量稳定控制在15ppm以内。

一种精密导轨用钢的生产方法，包括下列步骤：铁水KR脱硫→转炉冶炼→LF钢包精炼→RH真空脱气→软吹→方坯连铸→缓冷→加热→轧制→缓冷→精整→入库。

本发明进一步改进方案是，采用KR脱硫方法，在铁水包中加入250Kg石灰、萤石作为脱硫剂，单向搅拌铁水，在搅拌过程中再向铁水漩涡处投入200Kg～250Kg石灰、萤石混合脱硫剂，持续搅拌铁水，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，使用扒渣器去除90%以上的脱硫产物，重复以上操作，确保脱硫后铁水S<0.005%，其中，石灰、萤石的比例为3～4:1。

本发明进一步改进方案是，转炉采用双渣操作，控制出钢C≥0.10%、P≤0.008%，根据出钢C添加脱氧剂铝饼，再采用硅铁、金属锰、镍板、低钛高碳铬铁、低氮增碳剂进行成分初调，最后加入380Kg石灰和400Kg精炼渣；确保到精炼炉C：0.42%～0.48%、Si：0.05%～0.10%、Mn：0.60%～0.70%、Cr：0.20%～0.30%、Ni：0.25%～0.35%、P≤0.010%。

本发明进一步改进方案是，精炼初期采用600NL/min以上大搅拌升温，均匀成分；精炼前期采用高纯合金进行化学成分微调；精炼中后期控制搅拌强度≤250NL/min，避免钢液裸露；精炼过程使用石灰：精炼渣2:1配比调整渣况，并保证精炼渣良好的流动性和碱度R：5.0～8.0；在送电、精炼过程中，加入适量电石、铝粒强化渣面脱氧，确保白渣时间≥25分钟；精炼过程Al含量控制在0.020%～0.035%。

本发明进一步改进方案是，采用RH真空脱气，确保在真空度≤67Pa的情况下保持时间20min～30min。破空后软吹前喂硅钙线：30m～80m，软吹时间保持20min～30min。软吹结束后喂入Al丝，控制钢水Al含量0.055%～0.065%。

本发明进一步改进方案是，采用150mm×150mm或200mm×200mm小方坯连铸机生产连铸坯，2.1m/min或1.3m/min恒拉速、全程保护浇注。

本发明进一步改进方案是，采用14架平立交替式连轧机组轧制圆钢，在蓄热式燃气步进加热炉中采用1030℃～1100℃均温加热，950℃～980℃控温轧制；轧制后≥350℃入坑缓冷。

按照本发明生产的精密导轨用钢，具有高纯净度、高性能稳定性、高淬透性、高刚度等特点，材料性能可以达到如下水平：Rm：750Mpa～780Mpa，Rel≥420Mpa～450Mpa，A≥20%，Z≥45%；非金属夹杂物A粗≤1.0级，A细≤1.0级，B粗≤1.0级，B细≤1.0级，C粗≤0.5级，C细≤0.5级，D粗≤1.0级，D细≤1.0级，Ds≤1.0级；热轧硬度：200HBW-210HBW；末端淬透性可达到：J1.5：60HRC-64HRC，J6：40HRC-46HRC。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明通过化学成分的全新设计，冶炼、轧制工艺的优化设计，生产高纯净度、高性能稳定性、高淬透性、高刚度的精密导轨用钢。

（2）本发明设计了比较低的C、Si含量，在钢中添加适量Cr、Ni、Al等元素，在确保强度的同时，提高了钢的性能稳定性、淬透性、刚度和导轨的表面质量。

（3）通过添加少量的Cr元素，形成Cr的碳化物，确保钢的强度和刚度，同时提高钢的淬透性，确保热处理后导轨组织和性能的均匀一致。

（4）通过添加Ni元素提高钢的表面镀Ni层的形成速度和致密性，提高电镀后的光洁度，减少导轨的摩擦，提高运行时的平稳性，确保其导向的精度。

（5）通过添加少量的Al元素，细化晶粒，提高钢的强韧性；使用控制轧制来均匀钢的组织，控制钢的硬度，避免冷拔成型断裂，提高导轨的综合性能。

（6）本发明钢种采用BOF+LF+RH+CCM工艺冶炼，保证较高的洁净度，使得材料具有优异综合力学性能。

（7）本发明圆钢制造精密导轨时可以经受更多次冷拔成型，相比常规的55钢冷轧导轨，优化了综合性能，提高了表面质量和尺寸精度。本发明具有经济、稳定、质优等优点，能很好的克服传统55钢制造精密导轨的缺点，实现了高效、低成本生产，提高了市场竞争力。

具体实施方式

下面描述的仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据下文获得其他的实施方式。

目前国内使用的精密导轨用钢与本发明的化学成分对比情况如下表1所示。

表1 化学成分对比 wt%

化学成分

C

Si

Mn

P

S

Cr

现有钢

0.52-0.60

0.17-0.37

0.50-0.80

≤0.035

≤0.25

本发明

0.48-0.50

0.10-0.15

0.70-0.80

≤0.015

≤0.003

0.30-035

化学成分

Ni

Cu

Mo

Al

Ti

[O]

现有钢

≤0.30

≤0.25

-

本发明

0.35-0.45

≤0.05

0.035-0.050

≤0.0050

≤0.0015

采用以下生产工艺制备：

（1）铁水预处理：采用KR脱硫方法，在铁水包中加入250Kg石灰、萤石作为脱硫剂，单向搅拌铁水，在搅拌过程中再向铁水漩涡处投入200Kg~250Kg石灰、萤石混合脱硫剂，持续搅拌铁水，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，使用扒渣器去除90%以上的脱硫产物，重复以上操作，确保脱硫后铁水S<0.005%，其中，石灰、萤石的比例为3-4:1；

（2）转炉冶炼：转炉采用双渣操作，控制出钢C≥0.10%、P≤0.008%，根据出钢C添加脱氧剂铝饼，再采用硅铁、金属锰、镍板、低钛高碳铬铁、低氮增碳剂进行成分初调，最后加入380Kg石灰和400Kg精炼渣；确保到精炼炉C：0.42%～0.48%、Si：0.05%～0.10%、Mn：0.60%～0.70%、Cr：0.20%～0.30%、Ni：0.25%～0.35%、P≤0.010%；

（3）精炼：精炼初期采用600NL/min以上大搅拌升温，均匀成分；精炼前期采用高纯合金进行化学成分微调；精炼中后期控制搅拌强度≤250NL/min，避免钢液裸露。精炼过程使用石灰：精炼渣2:1配比调整渣况，并保证精炼渣良好的流动性和碱度R：5.0~8.0。在送电、精炼过程中，加入适量电石、铝粒强化渣面脱氧，确保白渣时间≥25分钟。精炼过程Al含量控制在0.020%～0.035%。

（4）真空脱气、软吹：采用RH真空脱气，确保在真空度≤67Pa的情况下保持时间20min~30min。破空后软吹前喂硅钙线：30m～80m，软吹时间保持20min～30min。软吹结束后喂入Al丝，控制钢水Al含量0.055%~0.065%。

（5）连铸：采用150mm×150mm或200mm×200mm小方坯连铸机生产连铸坯，2.1m/min或1.3m/min恒拉速、全程保护浇注。

（6）轧钢与精整：采用14架平立交替式连轧机组轧制圆钢，在蓄热式燃气步进加热炉中采用1030℃~1100℃均温加热，950℃~980℃控温轧制；轧制后≥350℃入坑缓冷。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

所得精密导轨用钢的化学成分如表2所示，力学性能、非金属夹杂物、氧含量、末端淬透性与现有技术对比情况如表3、4、5、6所示。

表2 精密导轨用钢成分 wt%

化学成分	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Mo	Al	Ti
												本发明1	0.48	0.10	0.70	0.010	0.002	0.30	0.35	0.02	0.01	0.035	0.0026
本发明2	0.49	0.13	0.75	0.008	0.001	0.33	0.40	0.03	0.01	0.040	0.0030
												本发明3	0.50	0.15	0.80	0.012	0.001	0.35	0.45	0.05	0.01	0.050	0.0028

表3 本发明力学性能与现有技术对比

钢种	Rm/Mpa	Rel/Mpa	A/%	Z/%	热轧硬度/HBW
						本发明1	752/755	426/432	21.5/22.0	48/50	202/201/202
本发明2	765/766	429/438	20.0/21.0	45/46	204/203/205
						本发明3	774/775	444/450	20.5/20.0	46/48	208/208/210
现有精密导轨用钢	700-750	390-420	13-20	35-45	215-230

表4 本发明非金属夹杂物控制水平与现有技术对比

钢种

A粗

A细

B粗

B细

C粗

C细

D粗

D细

Ds

本发明1

0.5/0.5

0.5/1.0

0/0.5

0/0

1.0/1.0

0/0

本发明2

1.0/0.5

1.0/1.0

0/0

1.0/1.0

0/0.5

本发明3

0.5/1.0

0.5/0.5

0/0

0.5/1.0

1.0/1.0

0/0

现有钢种

1.5/2.0

1.5/1.5

2.0/2.0

表5 本发明氧含量控制水平与现有技术对比

钢种	[O]/ppm
		本发明1	8.1
本发明2	10.5
		本发明3	9.3
现有精密导轨用钢	15-20

表6 本发明末端淬透性控制水平与现有技术对比

钢种	J1.5/HRC	J6/HRC
			本发明1	61.9	40.3
本发明2	62.5	43.5
			本发明3	63.5	46
现有精密导轨用钢	55-60	35-38

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种精密导轨用钢，其特征在于：其化学成分质量百分比为：C：0.48%-0.50%，Si：0.10%-0.15%，Mn：0.70%-0.80%，Cr：0.30%-0.35%，Ni：0.35%-0.45%，Mo≤0.05%，Cu≤0.05%，Al：0.035%-0.050%，Ti≤0.0050%，P≤0.015%，S≤0.003%，[O]≤0.0015%，余量为Fe。

2.一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的精密导轨用钢进行生产，包括步骤：铁水KR脱硫→转炉冶炼→LF钢包精炼→RH真空脱气→软吹→方坯连铸→缓冷→加热→轧制→缓冷→精整→入库。

3.根据权利要求2所述的一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，铁水KR脱硫：在铁水包中加入250Kg石灰、萤石作为脱硫剂，单向搅拌铁水，在搅拌过程中再向铁水漩涡处投入200Kg~250Kg石灰、萤石混合脱硫剂，持续搅拌铁水，使脱硫剂与铁水中的硫充分反应，使用扒渣器去除90%以上的脱硫产物，重复以上操作，确保脱硫后铁水S<0.005%，

其中，石灰、萤石的比例为3-4:1。

4.根据权利要求2所述的一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，转炉冶炼：转炉采用双渣操作，控制出钢C≥0.10%、P≤0.008%，根据出钢C添加脱氧剂铝饼，再采用硅铁、金属锰、镍板、低钛高碳铬铁、低氮增碳剂进行成分初调，最后加入380Kg石灰和400Kg精炼渣；确保到精炼炉C：0.42%~0.48%、Si：0.05%~0.10%、Mn：0.60%～0.70%、Cr：0.20%～0.30%、Ni：0.25%～0.35%、P≤0.010%。

5.根据权利要求2所述的一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，LF钢包精炼：精炼初期采用600NL/min以上大搅拌升温，均匀成分；精炼前期采用高纯合金进行化学成分微调；精炼中后期控制搅拌强度≤250NL/min，避免钢液裸露；精炼过程使用石灰：精炼渣2:1配比调整渣况，并保证精炼渣良好的流动性和碱度R：5.0~8.0；在送电、精炼过程中，加入适量电石、铝粒强化渣面脱氧，确保白渣时间≥25分钟；精炼过程Al含量控制在0.020%～0.035%。

6.根据权利要求2所述的一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，RH真空脱气：采用RH真空脱气，确保在真空度≤67Pa的情况下保持时间20min~30min；破空后软吹前喂硅钙线：30m～80m，软吹时间保持20min～30min；软吹结束后喂入Al丝，控制钢水Al含量0.055%~0.065%。

7.根据权利要求2所述的一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，方坯连铸：采用150mm×150mm或200mm×200mm小方坯连铸机生产连铸坯，2.1m/min或1.3m/min恒拉速、全程保护浇注。

8.根据权利要求2所述的一种精密导轨用钢的生产方法，其特征在于，轧制：采用14架平立交替式连轧机组轧制圆钢，在蓄热式燃气步进加热炉中采用1030℃~1100℃均温加热，950℃~980℃控温轧制；轧制后≥350℃入坑缓冷。