CN101186995A

CN101186995A - 一种中碳轴承钢及其制造方法

Info

Publication number: CN101186995A
Application number: CNA2007101134268A
Authority: CN
Inventors: 董杰吉; 王广连; 戈文英; 杜显彬; 翟正龙; 郑桂芸; 李猛; 张伟; 孙永喜; 张利平; 孙进
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2027-10-15
Also published as: CN100587099C

Abstract

本发明涉及一种中碳轴承钢及其制造方法，属于轴承钢材料及其生产工艺技术领域。中碳轴承钢的化学成分范围按重量百分比计为：C：0.50～1.0％、Si：0.60～1.50％、Mn：0.50～1.20％、Mo：0.15～1.0％、V：0.15～1.0％、Cr、Ni≤0.30％、Cu≤0.15％、S≤0.025％、P≤0.025％、B：0.0005～0.0035％、[O]≤15×10^－6、[H]≤2×10^－6，余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了所述轴承钢的制备方法，采用该制造方法可生产规格Φ30～260mm的圆钢。采用该轴承钢可代替G20CrNi2Mo等渗碳轴承钢及其应用，可在轧钢机等领域代替进口轴承，降低轴承生产成本和使用成本。

Description

一种中碳轴承钢及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种轴承钢及其制造方法，尤其涉及一种用于制造耐冲击重载荷的轧机轴承或冶金矿山牙轮钻头轴承、石油钻井涡轮钻具轴承、铁路车辆轴承的轴承钢及其制造方法。

背景技术

目前，轧机向着高速、重载、高强度、高刚度、高精度、连轧化和自动化方向发展，轧机轴承是轧机的关键零件，直接关系到轧机的生产效率、产品质量和生产成本。与一般用途的轴承相比，轧机轴承有以下特点：(1)工作负荷大，一般说，轧件是在被咬入时进行轧制的，即载荷是突然建立起来的，所以说冲击载荷是轴承的受载特点。通常轧机轴承所承受的单位压力，比一般用途的轴承高2-4倍，而pv值(轴承单位压力和线速度的求积)是普通轴承的3-20倍。(2)工作环境恶劣，轧机轧制时，轧辊都要用水冷却，且有氧化铁皮飞溅，轴承很容易受到污染。

目前，制造轧机、石油设备、铁路车辆用高强韧性滚动轴承的钢材主要为G20Cr2Ni4A或G20CrNi2Mo等渗碳轴承钢。渗碳轴承钢与GCr15轴承钢相比，除保持了表面的高硬度、高耐磨性外，冲击韧性值提高了7倍；表面渗碳淬火层中较大的残余压应力，提高了轴承的接触疲劳强度。但是渗碳轴承钢价格高，而且生产上需使用造价高的大型周期式渗碳炉或可控气氛连续渗碳淬火生产线，渗碳时间长(一般需30～40h)，渗层质量控制较为严格。因此，采用渗碳轴承钢制造成本高，热处理工艺周期长、操作复杂，质量稳定性差。

CN1145643公开了一种具有优良滚动疲劳特性的渗碳轴承钢，该长寿命渗碳轴承钢的组成按重量百分比计为：0.1到0.35％的C，0.3到2.0％的Mn，0.001到0.03％的S，0.4到0.5％的Cr，0.01到0.07％的Al，0.003到0.015％的N，0.0005到0.03％总含量的Mg，“0.35到0.70％的Si”或“0.05到1.70％的Si和0.30到1.20％的Mo”，特定含量的Ni或V(至少含其中一种)，以及不超过0.025％的P，不超过0.0050％的Ti和总含量不超过0.002的O，钢中所含Mg类氧化物所占数量比至少为0.8。

CN86107281公开了一种高纯度轴承钢炉外精炼方法，其特征是，浇铸前在钢包加盖的状态下，对经初炼炉冶炼的钢液，溶渣为低碱度(或酸性渣)，包底吹入惰性气体或氮气净化处理。溶渣碱度(CaO/SiO2)≤2.5，渣量1.5～3％。

CN1129465公开了一种用于滚动疲劳特性极好的轴承件的轴承钢。它包含(按重量)：0.70～1.20％的C、0.15～1.70％的Si、0.15～1.20％的Mn、0.50～2.00％的Cr、0.05～1.50％的Mo、0.001～0.03％的S、0.010～0.05％的Al、0.003～0.015％的N、0.0005～0.0300％的总Mg、不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的总O，一种或至少两种选自于特定数量的V、Nb与Ni的元素，以及钢中所含Mg的氧化物的数量比至少为0.8。

CN1266911公开了一种适于制造厚壁环的改进的轴承钢，含有(以重量百分比计)：1.00～1.10的C；最多为0.15的Si；1.35～0.65的Mn；1.70～1.90的Cr；1.00～1.15的Ni；0.40～0.50的Mo；最多为0.30的Cu；0.015～0.050的Al，其余部分是Fe以及正常的残余元素和杂质。

CN1287183公开了一种适于大载荷、重冲击工况下的轴承钢，其化学组成为(重量百分比)：C：0.6～0.8；Cr：0.2～0.34；Mn：0.55～0.85；Si：1.0～1.3；Mo：0.4～0.6；V：0.2～0.4；S≤0.025；P≤0.025，余下为Fe。其热处理工艺为对车加工后轴承零件采用直接淬火工艺，对其钢件先进行球化退火，以期得到球状珠光体组织；然后进行直接淬火和回火处理。对车加工后轴承零件采用高频表面淬火工艺，对其钢件先进行正火和回火或调质处理，以期得到索氏体组织，然后进行高频表面淬火和回火处理。

CN1888116公开了一种高硬度高耐磨无磁轴承钢。该轴承钢的化学成分组成(重量％)为：C 0.65～0.80％，Mn 17.0～19.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 3.5～4.5％，V 1.5～2.5％，W 0.4～1.0％，Mo 0.4～1.0％，N≤0.12％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备上述无磁轴承钢的具体工艺如下：(1)冶炼工艺，(2)锻造工艺，(3)热处理工艺又分二步：A.退火热处理工艺：850℃～900℃保温3～6h后炉冷至500℃出炉空冷；B.固溶+时效热处理工艺：固溶热处理工艺：加热到奥氏体化温度为1160℃～1200℃充分保温后水冷；时效热处理工艺：加热至630℃～700℃×15～20小时，然后空冷到室温。

上述专利分别涉及在提高滚动疲劳性能、提高轴承钢纯度以及特定适用性能方面的技术，但没有涉及到解决适用于重载荷、高冲击工况下高强韧性轴承钢制造及其成本降低问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，主要解决重载荷、高冲击工况下高强韧性滚动轴承制造成本过高的问题。提供了一种具有高淬透性、高强韧性、综合性能优异的中碳高性能轴承钢及其制造方法。

本发明提供了一种中碳高性能轴承钢，其特征在于其组成按重量百分数为：

C：0.50～1.0％，Si：0.60～1.50％，Mn：0.50～1.20％，Mo：0.15～1.0％，V：0.15～1.0％，Cr、Ni≤0.30％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，B：0.0005～0.0035％，[O]≤15×10^-6，[H]≤2×10^-6，余为Fe和不可避免的杂质。

钢种成分的确定：滚动轴承工作承受着各类不同的交变应力，因而轴承材料要有高的硬度、强度、耐磨性和接触疲劳寿命，同时对于轧机轴承或冶金矿山牙轮钻头轴承、石油钻井涡轮钻具轴承、铁路车辆轴承等还要有高的韧性。轴承钢性能主要取决钢的化学成分、纯洁度和组织均匀性三个方面，其中以化学成分影响最大，为保证钢具有足够的淬透性、硬度值和耐磨性，控制碳含量在C：0.50～1.0％；Mn主要作为脱氧元素，能提高钢的性能和纯洁度，控制Mn：0.50～1.20％；为强化铁素体，提高强度、弹性极限和淬透性，改善抗回火软化性能，控制Si：0.60～1.50％；Mo的作用是提高淬透性、抗回火稳定性，减小淬火变形，提高疲劳强度，改善力学性能，控制Mo：0.15～1.0％；V是提高耐磨性最有效的元素之一，能细化晶粒，提高钢的致密度和韧性，控制V：0.15～1.0％；微量B元素主要是为了满足大规格、厚壁轴承产品淬透性要求，扩大钢种应用领域；S、P在轴承钢中视为有害元素，因此，本发明控制S≤0.025％，P≤0.025％；Cr、Ni、Cu为残余元素，为减少危害，控制Cr、Ni≤0.30％，Cu≤0.15％；为提高钢的纯净度和疲劳寿命，本发明还对氧和氢提出了控制要求：[O]≤15×10^-6，[H]≤2×10^-6。

进一步优选的，本发明的中碳高性能轴承钢，其特征在于其组成按重量百分数为

C：0.50～0.70％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.50～1.00％，Mo：0.45～0.75％，V：0.15～0.35％，Cr、Ni ≤0.30％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，B：0.0015～0.0025％，[O]≤15×10^-6，[H]≤2×10^-6，余为Fe和不可避免的杂质。

本发明提供了一种中碳轴承钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制、缓冷，其特征在于，控制钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.50～1.0％，Si：0.60～1.50％，Mn：0.50～1.20％，Mo：0.15～1.0％，V：0.15～1.0％，Cr、Ni ≤0.30％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，B：0.0005～0.0035％，[O]≤15×10^-6，[H]≤2×10^-6，余为Fe和不可避免的杂质。通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气的冶炼控制，终脱氧喂入铝线，真空脱气处理后加入B铁；采用模铸或连铸；钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃；轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。

加热质量可以为轧制提供良好的组织和塑性条件，碳化物形成元素充分扩散以及降低偏析，可以提高钢材组织均匀性，设计钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃；轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。

进一步优选的，中碳轴承钢的制备方法可考虑以下工艺条件进行操作：

(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，采用炉外精炼、真空脱气处理。为保证钢中“有效硼”的含量和钢的淬透性，通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气冶炼控制，终脱氧喂入铝线，真空脱气处理后加入B铁，确保化学成分尤其是有效硼含量0.0005～0.0035％，钢中氢含量不大于2×10^-6、氧含量不大于15×10^-6，重量百分数。

(2)浇注，采用模铸或连铸，控制过热度，模铸钢包钢水过热度为70～80℃或连铸中间包为20～30℃，控制浇注速度，模铸为390～250mm/min(3吨锭)或连铸拉坯速度为0.55～1.0m/min，保证钢锭或铸坯质量。

(3)轧制，钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃。

(4)缓冷，轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。

优选的，对规格Φ120mm～260mm钢材，采用模铸浇注钢锭-加热-750轧机成材-缓冷工艺，模铸浇注速度为320～280mm/min；对规格不大于Φ30mm～120mm钢材，采用连铸浇注铸坯-加热-轧制成材-缓冷工艺生产钢材，连铸拉坯速度为0.55～1.0m/min(根据坯型优化)。采用该制造方法可生产规格Φ30～260mm的圆钢。

与现有技术相比，本发明的技术方案的有下列优点：

1、同目前广泛应用的耐冲击重载荷轴承用钢比较

(1)本发明钢控制微量元素B的含量，保证了钢的淬透性，使得该钢适于制造从中小规格轴承到大型轧机轴承。

(2)该钢吨钢成本较渗碳轴承钢约低30％，加工后经一般淬回火后具有高强度、高冲击韧性、高耐磨性能，大大降低了轴承生产企业制造成本、提高了生产效率。

(3)该钢具有高的综合性能，在以下几方面显示出优异的性能：具有高的淬透性，可以制造大规格轧机轴承；淬火后的硬度(HRC)大于下贝氏体，提高了材料的耐磨性；其冲击韧性明显高于渗碳轴承钢的冲击韧性，适用于重载荷、高冲击工况条件的轴承制造；其径向负荷与渗碳钢相当。加工后的轴承零件整体性能优异，采用该钢制造的轴承使用寿命达到甚至超过渗碳轴承钢材料。

2、本发明的中碳轴承钢的制备方法

钢的冶炼，加强钢的脱氧去气等冶炼控制，保证钢中“有效硼”的含量；钢液浇注，模铸或连铸，控制过热度、浇注速度或连铸速度，连铸结晶器采用河南西保冶材集团有限公司55SiMnVB专用保护渣，根据钢的凝固特性，设计合理的配水模型，提高连铸坯质量，保证钢锭质量；钢的轧制，钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃；采用该制造方法可生产规格Φ30～260mm的圆钢。

附图说明

图1为本发明钢热轧态金相组织100×照片

图2为Φ200mm热轧圆钢从表面至心部硬度分布规律图，其中X为距圆钢表面的距离，单位mm；Y为圆钢热轧态硬度，单位HB

具体实施方式

本发明钢是采用UHP(超过功率电炉)+LF(炉外精炼)+VD(真空脱气)工艺冶炼，对规格Φ120mm～260mm钢材，采用模铸浇注钢锭-加热-750轧机成材-缓冷工艺；对规格不大于Φ30mm～120mm钢材，采用连铸浇注铸坯-加热-轧制成材-缓冷工艺生产钢材。

实施例1：

以Φ200mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

具体工艺步骤为：

(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，采用炉外精炼、真空脱气处理。通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气冶炼控制，终脱氧喂入铝线，真空脱气处理后加入B铁，确保化学成分尤其是有效硼含量符合要求，钢中氢含量不大于2×10^-6、氧含量不大于15×10^-6。

(2)浇注，模铸，控制过热度，模铸钢包钢水过热度为70～80℃，控制浇注速度为390～250mm/min(3吨锭)，保证钢锭质量。

(3)轧制，钢锭在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃，轧后钢材缓冷，冷却速度为0.5～1℃/min。

加热和高温扩散时间也称均热时间。

具体参数见表1和表2。

表1是实施例轴承钢化学成分，表2是钢包钢水过热度、浇注速度、钢锭加热温度、时间及变形温度。

表1轴承钢实施例化学成分(重量，％)

试样编号	C	Si	Mn	Mo	V	P	S	Cr	Ni	Cu	B	O	H	Fe
试样编号	C	Si	Mn	Mo	V	P	S	Cr	Ni	Cu	B	O	H	Fe	1	0.67	1.21	0.83	0.65	0.31	0.011	0.002	0.06	0.06	0.05	0.0015	9	1.0	余量
2	0.69	1.19	0.87	0.67	0.33	0.012	0.005	0.05	0.06	0.04	0.0020	10	1.0	余量	1	0.67	1.21	0.83	0.65	0.31	0.011	0.002	0.06	0.06	0.05	0.0015	9	1.0	余量
2	0.69	1.19	0.87	0.67	0.33	0.012	0.005	0.05	0.06	0.04	0.0020	10	1.0	余量	3	0.70	1.18	0.91	0.70	0.30	0.013	0.004	0.07	0.06	0.05	0.0022	9	1.0	余量

表2 钢包钢水过热度、浇注速度、钢锭加热温度、时间及变形温度

试样编号	钢包钢水过热度，℃	浇注速度，mm/min	钢锭均热温度，℃	均热时间，h	开轧温度，℃	终轧温度，℃	缓冷温度，℃
试样编号	钢包钢水过热度，℃	浇注速度，mm/min	钢锭均热温度，℃	均热时间，h	开轧温度，℃	终轧温度，℃	缓冷温度，℃	1	75	320	1260	11	1150	950	600
2	77	300	1240	10.5	1120	980	580	1	75	320	1260	11	1150	950	600
2	77	300	1240	10.5	1120	980	580	3	72	310	1190	10.5	1140	960	595

实施例2

以Φ100mm规格钢材的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。

具体工艺步骤为：

(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，采用炉外精炼、真空脱气处理。通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气的冶炼控制，终脱氧喂入铝线，真空脱气处理后加入B铁，确保化学成分尤其是有效硼含量符合要求，钢中氢含量不大于2×10^-6、氧含量不大于15×10^-6。

(2)浇注，连铸，控制过热度，连铸中间包过热度为20～30℃、控制连铸拉坯速度为0.55～1.0m/min(根据坯型优化)，保证铸坯质量。

(3)轧制，钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃，轧后钢材缓冷，冷却速度为0.5～1℃/min。加热和高温扩散时间也称均热时间。

具体参数见表3和表4。

表3是实施例轴承钢化学成分，表4是连铸中间包过热度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及变形温度。

表3轴承钢实施例化学成分(重量，％)

试样编号	C	Si	Mn	Mo	V	P	S	Cr	Ni	Cu	B	O	H	Fe
试样编号	C	Si	Mn	Mo	V	P	S	Cr	Ni	Cu	B	O	H	Fe	4	0.68	1.20	0.80	0.62	0.31	0.013	0.002	0.06	0.06	0.05	0.0015	9	1.0	余量
5	0.67	1.17	0.86	0.65	0.33	0.012	0.005	0.05	0.06	0.04	0.0020	10	1.0	余量	4	0.68	1.20	0.80	0.62	0.31	0.013	0.002	0.06	0.06	0.05	0.0015	9	1.0	余量
5	0.67	1.17	0.86	0.65	0.33	0.012	0.005	0.05	0.06	0.04	0.0020	10	1.0	余量	6	0.69	1.19	0.93	0.67	0.30	0.010	0.004	0.07	0.06	0.05	0.0022	9	1.0	余量

表4 连铸中间包过热度、拉坯速度、钢坯加热温度、时间及变形温度

试样编号	连铸中间包过热度，℃	连铸拉坯速度，mm/min	钢坯均热温度，℃	均热时间，h	开轧温度，℃	终轧温度，℃	缓冷温度，℃
试样编号	连铸中间包过热度，℃	连铸拉坯速度，mm/min	钢坯均热温度，℃	均热时间，h	开轧温度，℃	终轧温度，℃	缓冷温度，℃	4	25	0.60	1220	6.5	1120	950	600
5	28	0.65	1210	6.5	1100	980	580	4	25	0.60	1220	6.5	1120	950	600
5	28	0.65	1210	6.5	1100	980	580	6	23	0.60	1190	7	1140	960	570

该种轴承钢经实验测定有关性能数据列于表5中，测试方法采用国际通用方法。

表5 钢的物理特性

试样编号	状态	硬度，HRC(淬火)	冲击值Ak(J/cm²)
试样编号	状态	硬度，HRC(淬火)	冲击值Ak(J/cm²)	1	淬、回火	表面60 62心部40 42	190 180
2	表面61 62心部41 45	200 210		1		表面60 62心部40 42	190 180
2	表面61 62心部41 45	200 210	3	表面62 62心部43 42		210 220
4	表面61 62心部45 42	220 200	3	表面62 62心部43 42		210 220
4	表面61 62心部45 42	220 200	5	表面60 62心部45 42		190 210
6	表面61 62心部43 42	220 210	5	表面60 62心部45 42		190 210
6	表面61 62心部43 42	220 210	20Cr2Ni4A	渗碳		表面59 63心部38 42	81 82

Claims

1.一种中碳高性能轴承钢，其特征在于其组成按重量百分数为：

2.如权利要求1所述的中碳高性能轴承钢，其特征在于其组成按重量百分数为：

C：0.50～0.70％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.50～1.00％，Mo：0.45～0.75％，V：0.15～0.35％，Cr、Ni≤0.30％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，B：0.0015～0.0025％，[O]≤15×10^-6，[H]≤2×10^-6，余为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的中碳高性能轴承钢的制备方法，包括冶炼及合金化、浇注、轧制、缓冷，其特征在于，控制钢的化学成分重量百分比含量为：C：0.50～1.0％，Si：0.60～1.50％，Mn：0.50～1.20％，Mo：0.15～1.0％，V：0.15～1.0％，Cr、Ni≤0.30％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，B：0.0005～0.0035％，[O]≤15×10^-6，[H]≤2×10^-6，余为Fe和不可避免的杂质；通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气冶炼控制，终脱氧喂入铝线，真空脱气处理后加入B铁；采用模铸或连铸，钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃；轧后钢材冷却速度为0.5～1℃/min。

4.如权利要求3所述的中碳高性能轴承钢的制备方法，工艺条件如下：

(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，采用炉外精炼、真空脱气处理；为保证钢中“有效硼”的含量和钢的淬透性，通过钢包吹氩、真空脱气处理加强钢的脱氧去气冶炼控制，终脱氧喂入铝线，真空脱气处理后加入B铁，确保化学成分尤其是有效硼含量0.0005～0.0035％，钢中氢含量不大于2×10^-6、氧含量不大于15×10^-6，重量百分数；

(2)浇注，采用模铸或连铸，控制过热度，模铸钢包钢水过热度为70～80℃或连铸中间包为20～30℃，控制浇注速度，模铸为390～250mm/min(3吨锭)或连铸拉坯速度为0.55～1.0m/min，保证钢锭或铸坯质量；

(3)轧制，钢锭或钢坯在加热炉的均热温度为1130～1280℃，加热和高温扩散时间为4～12h，开轧温度1100～1250℃，终轧温度850～1000℃；

(4)缓冷，轧后钢材的冷却速度为0.5～1℃/min。

5.如权利要求3或4所述的中碳高性能轴承钢的制备方法，其特征是，对规格Φ120mm～260mm钢材，采用模铸浇注钢锭-加热-750轧机成材-缓冷工艺，模铸浇注速度为320～280mm/min；对规格Φ30mm～120mm钢材，采用连铸浇注铸坯-加热-轧制成材-缓冷工艺生产钢材，连铸拉坯速度为0.55～1.0m/min。