CN107119239A - 轴承钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承钢，其各组分按重量百分数计为：C：0.75～0.85％；Si：0.15～0.35％；Mn：0.25～0.40％；Cr：1.40～1.60％；Ni：0.05～0.09％；Mo：0.02～0.08％；Al：0.005～0.020％；Cu：0.02～0.08％；Ce：0.005～0.03％；P：小于等于0.010％；S：小于等于0.008％；Ti：小于等于0.0020％；O：小于等于0.0008％；As：小于等于0.012％；Sn：小于等于0.002％；Sb：小于等于0.0050％；Pb：小于等于0.0020％；Ca：小于等于≦0.0010％；余量为Fe。本发明的轴承钢比传统GCr15钢比，化学成分有明显不同，降低了碳含量，增加了微合金化元素：Ni、Mo、Cu、铈、铝五种元素，使得其技术质量指标比传统GCr15钢有明显提高，使用寿命提高了一倍。本发明还公开了一种轴承钢的制备方法。

Description

轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种轴承钢及其制备方法。

背景技术

我国精密机床、冶金设备、重型装备、高端汽车等传统重大装备和风力发电、高速铁路及航空航天等新兴战略产业等是我国工业体系的重要支柱产业，其中轴承是非常关键的部件，其使用寿命和可靠性的高低在一定程度上决定了主机性能的优劣。随着我国科学技术的飞速发展，在许多高端领域，如航空、航天、交通、能源(风电、太阳能、核电)、海洋工程对所用轴承提出了许多新的要求，其使用范围也不断扩大，因此，对所使用的轴承材料新的性能和质量上也提出了更多的要求，如航空发动机轴承需要在高温条件下工作，因此需要高温轴承制造；原子能工业需要采用抗腐蚀、耐照射以及无磁性等特殊要求，因此需要采用不锈轴承或无磁耐腐蚀不锈轴承钢材制造；各种军工产品也与轴承密不可分，如飞机、军舰、导弹、雷达、坦克大炮等现代化武器均离不开轴承，这些轴承都需要采用各种不同的轴承材料来制造，可以说轴承领域的应用越来越广泛，也越来越重要，目前已经有的特种轴承钢的种类和性能已远远不能满足其需求，因此，必须大力度研发新型高寿命轴承钢以满足轴承工业发展的需求和科技进步以及过国防工业的需求，对保障我国科学技术和国防工业的发展起着非常重要作用。

国外汽车齿轮箱用轴承使用寿命最低50万公里，国内同类轴承寿命约10万公里，且可靠性稳定性差。国外轴承高速性能指数Dn值可达到3.3×10⁶，而我国同类产品最高不超过2.5×10⁶；高速铁路用轴承目前国内轴承全部依靠进口，欧、日各50％，制约了我国高铁技术的进一步发展。因此，我国生产的关键轴承与日本、欧美国等先进国家生产的轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面存在较大的差距，已经成为制约我国装备制造业发展的瓶颈。

无论是我国国家标准，还是日本、欧美等先进国家的标准，以含C1.0％、Cr1.5％为代表的高碳铬轴承钢，从它诞生至今，化学元素几乎没有变化，但随着科学技术的迅猛发展，对轴承提出了非常苛刻的要求，在提高转动速度、提高工作温度的同时，还要求更高的可靠性和寿命；轴承尺寸的不断增大，要求更高的淬透性；办公自动化机器的出现，要求对小型轴承噪声的抑制。由于对轴承的要求越来越高，轴承材料必须具备高纯净度、高可靠性和高疲劳寿命。

发明内容

本发明目的是提供一种高寿命的轴承钢及其热处理方法，其解决了至少一个上述技术问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种轴承钢，其各组分按重量百分数计为：

C：0.75～0.85％；

Si：0.15～0.35％；

Mn：0.25～0.40％；

Cr：1.40～1.60％；

Ni：0.05～0.09％；

Mo：0.02～0.08％；

Al：0.005～0.020％；

Cu：0.02～0.08％；

Ce：0.005～0.03％；

P：小于等于0.010％；

S：小于等于0.008％；

Ti：小于等于0.0020％；

O：小于等于0.0008％；

As：小于等于0.012％；

Sn：小于等于0.002％；

Sb：小于等于0.0050％；

Pb：小于等于0.0020％；

Ca：小于等于≦0.0010％；

余量为Fe。

可选的，所述C的重量百分比为0.76-0.80％。

可选的，所述Cr的重量百分比为1.50-1.55％。

可选的，所述Mn的重量百分比为0.35-0.40％。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种轴承钢的制备方法，其包括以下步骤：

S10、将包含上述元素及含量的轴承钢出钢，通过模铸锭或连铸得到钢锭或连铸坯；

S15、加热；将3-7吨钢锭或Ф310-500mm连铸坯放入加热炉中加热至1220-1250℃，保温时间大于6小时，出炉轧制；

S20、轧制；将3-7吨钢锭或Ф310mm连铸坯吊出加热炉，开轧温度1200-1220℃，终轧温度850-900℃，轧制成160mm²轧坯入坑缓冷；

S25、缓冷；轧后的160mm²轧坯入坑缓冷60小时；当轧坯温度小于等于200℃时出坑；

S30、精整；轧后的160mm²轧坯表面经砂轮扒皮清理，去掉脱碳层；

S35、二次加热；将160mm²的轧坯放入加热炉加热，加热至1160～1200℃，均热段保温，保温温度1160-1180℃，保温时间大于110分钟；所述加热和二次加热的时间之和大于330分钟；

S40、二次轧制；用加热后的160mm²轧坯，轧制成Ф5.5mm、Ф7mm、Ф14mm盘圆线材；

S45、缓冷；轧制成Ф5.5mm、Ф7mm、Ф14mm盘圆线材后，盘圆线材温度小于等于700℃时，扣保温罩缓冷；

S50、矫直；

S55、磨光；

S60、探伤；

S65、清理、检查；

S70、上交，对轧后的盘圆线材，逐捆取样进行检验后，上交。

本发明具有如下有益效果：本发明的轴承钢比传统GCr15钢比，化学成分有明显不同，降低了碳含量，增加了微合金化元素：Ni、Mo、Cu、铈、铝五种元素，使得其技术质量指标比传统GCr15钢有明显提高，使用寿命提高了一倍。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种高寿命(XWLNXP001高寿命轴承用于轧机导卫轴承的寿命可以达到10-12小时，与原GCr15轧机导卫轴承寿命4-6时间比，提高了一倍)轴承钢，其各组分按重量百分数计为：

C：0.75～0.85％；

Si：0.15～0.35％；

Mn：0.25～0.40％；

Cr：1.40～1.60％；

Ni：0.05～0.09％；

Mo：0.02～0.08％；

Al：0.005～0.020％；

Cu：0.02～0.08％；

Ce(稀土铈)：0.005～0.03％；

P：小于等于0.010％；

S：小于等于0.008％；

Ti：小于等于0.0020％；

O：小于等于0.0008％；

As：小于等于0.012％；

Sn：小于等于0.002％；

Sb：小于等于0.0050％；

Pb：小于等于0.0020％；

Ca：小于等于≦0.0010％；

余量为Fe。

耐腐蚀、耐磨、抗疲劳的元素确定：

本实施例的轴承钢耐腐蚀、耐磨、抗疲劳的元素确定如表1所示。

高寿命轴承钢材料成分设计关键在于保证获得高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度，高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，一定的冲击韧性；良好的尺寸稳定性或组织稳定性；能抵抗化学腐蚀；可有效降低材料疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等现象。

碳成分的控制区间：碳是影响钢材性能的重要元素，是保障轴承钢能够具备足够的淬透性、硬度值和耐磨性的重要元素之一。碳强化作用很高，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但却显著降低韧性，为了提高轴承钢使用的安全性与可靠性，在降低碳的同时，通过合金化来来提高强度，即由现行GCr15中的0.95～1.05％(重量)，设计成0.75～0.85％(重量)，更优选地，可以将所述碳的含量控制在0.76～0.80％(重量)，按中下限控制，降低铸坯碳偏析，改善碳化物的均匀性。

Mn、Cr、Ni、Mo、Al、铈元素设计说明：铬元素是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，并可提高强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。能显著改变钢种碳化物的分布及其颗粒的大小，使含铬的渗碳体型碳化物(Fe·Cr)3·C退火聚集的倾向性变小，是轴承钢碳化物变细小、分布均匀、并扩大了球化退火的温度范围。铬元素还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。Cr按1.40～1.60％设计，更优选地，可以将所述铬的含量控制在1.50～1.55％，能够增加钢的淬透性和耐磨性，提高尺寸稳定性或组织稳定性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用；并可以防止过高的铬含量容易形成大块碳化物。

锰显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中提高铁素体的硬度和强度，并且能够固定钢种S的形态并形成对钢的性能危害小的MnS等硫化物，能够减少或者抑制FeS的生成。Mn能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，并能提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度，实施例的轴承钢根据需要将Mn的含量设计为0.25～0.40％(重量)，按中上限控制成分，本实施例中，可以将Mn的含量控制为0.35～0.40％，以保证轴承钢残余奥氏体数量，稳定钢的过热敏感性、裂纹倾向性以及尺寸稳定性。但钢中Cr与Mn这些元素会使材料在250～450℃增加回火脆性敏感性，即脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降，为了降低锰的不利影响，这就需要增加Mo元素，其含量范围为0.02～0.05％(重量)，提高淬透性、抗回火稳定性，细化退火组织，减小淬火变形、提高疲劳强度，改善力学性能。

Ni含量设计为0.05～0.09％(重量)，Ni是提高钢材韧性最有效的合金元素，它韧化的机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，不论对何种组织，加入Ni均可提高韧性。同时Ni+Mo+Cu元素设计控制区间0.15-0.19％，可以得到比Cu+Ni更好的综合耐蚀性能,所以Cu按0.02-0.08％设计，钢的耐腐蚀稳定性增强。

Al含量设计为0.005-0.020％，可以避免钢因晶粒度粗化温度低、粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够的细小弥散分布的难熔化合物-AlN，和细小、弥散的碳、氮化物V(C、N)一起阻止奥氏体晶粒长大，晶粒度级别可以提高到≥8.5级，比GB/T18254-2002下GCr15晶粒度提高0.5级别。

稀土铈按照0.005-0.030％设计，使钢中残留的夹杂物通过稀土铈球化，细化晶粒，提高轴承钢的使用寿命。

本实施例的轴承钢能使其综合机械性能比原GCr15钢有所提高，尤其是钢中碳化物(网状等)级别显著降低，从而满足轴承钢在高寿命、高可靠性方面的需要。

本实施例的轴承钢在传统轴承钢GCr15材料的基础上，增加了Ni、Mo、Cu、铈元素，降低了碳含量，同时严格控制Al含量范围，并通过转炉或电炉+LF+VD或RH+模铸或连铸→加热→轧制→缓冷→精整→二次加热→二次轧制→缓冷→精整清理→探伤→清理、检查→上交的方法制备，从而使得轴承钢能够达到以下性能要求：

(1)高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；

(2)高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，其硬度为(HRC)62～64；

(3)较高的冲击韧性；

(4)良好的尺寸稳定性或组织稳定性；

(5)能抵抗化学腐蚀、抗氧化；

(6)可有效降低材料疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等现象。

并使得材料的低倍组织、非金属夹杂物、碳化物分布等性能指标全部达到设计指标。

本实施例的轴承钢，低倍组织中心疏松、一般疏松和偏析分别按GB/T18254-2002第1、第2和第3级别图评级，均应不大于1.0级，不允许有一般斑点状偏析和边缘斑点状偏析。

在非金属夹杂物方面：(1)常规非金属夹杂物按GB/T18254-2002附录A第4级别图进行评定，DS按ISO 4967评定，评定结果应符合表1规定。

表1 非金属夹杂物合格级别

(2)非金属夹杂物TiN的判定标准：

①形态：方形或近似方形，四角或棱角分明的单颗粒夹杂物。

②一个视场内不允许出现2颗边长＜19μm或1颗边长≥19μm的TiN夹杂物。

在碳化物不均匀性方面：(1)碳化物带状，按GB/T 18254-2002附录A第8级别图进行评定，其合格级别不大于2.0。(2)碳化物液析，按GB/T 18254-2002附录A第9级别图进行评定，其合格级别不大于1.0。

本实施例的轴承钢的研发与生产是国内外轴承钢发展的一个方向，可加快缩短我国轴承钢实物品种、质量与国外的差距，国内实现产业化后，在一定程度上可以替代进口，主要用于各知名品牌轿车发动机轴承、军工和精密机械轴承等领域，有着极好的市场前景。

实施例2

本实施例提供了一种高寿命轴承钢的生产方法，其包括：

S10、转炉或电炉+LF+VD或RH出钢，模铸锭或连铸：

S15、加热；将3-7吨钢锭或Ф310-500mm连铸坯放入加热炉中加热，高温保温温度1220-1250℃，高温扩散时间大于6小时，出炉轧制。

S20、轧制；将3-7吨钢锭或Ф310mm连铸坯吊出加热炉，开轧温度1200-1220℃，终轧温度850-900℃，轧制成160mm²入坑缓冷。

S25、缓冷；轧后的160mm²轧坯入坑缓冷60小时，进一步扩氢和去除残余应力，≤200℃出坑。

S30、精整；轧后的160mm²轧坯表面经砂轮扒皮清理，去掉脱碳层。

S35、二次加热；将160mm²轧坯放入加热炉加热，加热温度1160～1200℃，均热段保温保温温度1160-1180℃，保温时间大于110分钟；总加热时间大于330分钟。

S40、二次轧制；用加热后的160mm²轧坯，轧制成Ф5.5mm、Ф7mm、Ф14mm盘圆线材。

S45、缓冷；轧制成Ф5.5mm、Ф7mm、Ф14mm盘圆线材后，盘圆线材温度≤700℃时，扣保温罩缓冷。

S50、矫直；

S55、磨光；

S60、探伤；

S65、清理、检查；

S70、上交对轧后的盘圆线材，逐捆取样进行检验后，上交。

其中，开坯前的钢锭或连铸坯高温均质化保温温度1220-1250℃，高温扩散时间大于6小时，轧制后缓冷60小时；二次线材轧制前的加热温度1160～1200℃，均热段保温保温温度1160-1180℃，保温时间大于110分钟；总加热时间大于330分钟。

本发明的高寿命轴承钢(XWLNXP002)，经过球化等温退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，与片状珠光体比不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件也不易变形和开裂。

本发明的高寿命轴承钢的主要指标明显高于GB/T 18245-2002规定的GCr15材料标准，主要指标对比如表2所示。

表2 本实施例轴承钢与GB/T 18245-2002规定的GCr15材料主要指标对比

实施例3

本实施例的轴承钢，在试验中所选择的方案以及技术效果如表3所示：

表3 试验中所选择的技术方案

根据上述成分，测得轴承钢的C曲线如表4所示：

表4 轴承钢的C曲线

相变点	T液	Ac1(Ar1)	Ac3(Ar3)	Ms
					温度	1458	762℃(698℃)	902℃(712℃)	171

对其性能进行测试，取样数量、取样部位及检验方法明细如下表5。

表5 取样数量、取样部位及检验方法

结合本实施例的轴承钢的液相线温度1458℃，允许的加热温度最高为1258℃。因为钢的过烧温度比熔点低50～100℃，过热温度比熔点低150～200℃，所以钢的加热保温最高温度一般应低于熔点(或低于状态图固相线温度)200℃。

因此，轴承钢的钢锭或连铸坯经高温均质化温度必须控制在1220-1250℃温度范围之内，保温时间6-8小时，轧后进行坑冷，防止钢坯表面裂纹。轧后表面清理。

本实施例的轴承钢与GB/T18254-2002条件下GCr15材料对比化学成分有实质性的不同，增加了Ni、Mo、Cu、铈等元素，同时对Al含量进行了规格设计，钢材综合性能有显著提高，检测结果如下：

(1)低倍组织对比如表6；

表6 低倍组织情况；

(2)夹杂物水平对比如表7；

表7 非金属夹杂物对比情况

(3)碳化物分布对比如表8；

表8 碳化物分布情况对比

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种轴承钢，其特征在于，其各组分按重量百分数计为：

C：0.75～0.85％；

Si：0.15～0.35％；

Mn：0.25～0.40％；

Cr：1.40～1.60％；

Ni：0.05～0.09％；

Mo：0.02～0.08％；

Al：0.005～0.020％；

Cu：0.02～0.08％；

Ce：0.005～0.03％；

P：小于等于0.010％；

S：小于等于0.008％；

Ti：小于等于0.0020％；

O：小于等于0.0008％；

As：小于等于0.012％；

Sn：小于等于0.002％；

Sb：小于等于0.0050％；

Pb：小于等于0.0020％；

Ca：小于等于≦0.0010％；

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的轴承钢，特征在于，

所述C的重量百分比为0.76-0.80％。

3.根据权利要求2所述的轴承钢，特征在于，

所述Cr的重量百分比为1.50-1.55％。

4.根据权利要求3所述的轴承钢，特征在于，

所述Mn的重量百分比为0.35-0.40％。

5.一种轴承钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、将包含如权利要求1所述元素及含量的轴承钢出钢，通过模铸锭或连铸得到钢锭或连铸坯；

S15、加热；将3-7吨钢锭或Ф310-500mm连铸坯放入加热炉中加热至1220-1250℃，保温时间大于6小时，出炉轧制；

S20、轧制；将3-7吨钢锭或Ф310mm连铸坯吊出加热炉，开轧温度1200-1220℃，终轧温度850-900℃，轧制成160mm²轧坯入坑缓冷；

S25、缓冷；轧后的160mm²轧坯入坑缓冷60小时；当轧坯温度小于等于200℃时出坑；

S30、精整；轧后的160mm²轧坯表面经砂轮扒皮清理，去掉脱碳层；

S35、二次加热；将160mm²的轧坯放入加热炉加热，加热至1160～1200℃，均热段保温，保温温度1160-1180℃，保温时间大于110分钟；所述加热和二次加热的时间之和大于330分钟；

S40、二次轧制；用加热后的160mm²轧坯，轧制成Ф5.5mm、Ф7mm、Ф14mm盘圆线材；

S45、缓冷；轧制成Ф5.5mm、Ф7mm、Ф14mm盘圆线材后，盘圆线材温度小于等于700℃时，扣保温罩缓冷；

S50、矫直；

S55、磨光；

S60、探伤；

S65、清理、检查；

S70、上交，对轧后的盘圆线材，逐捆取样进行检验后，上交。