CN107904497B - 一种高寿命轴承钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本发明提供了高寿命轴承钢，钢牌号XWGCr15A，包含：碳0.95～1.03％，硅0.25～0.30％，锰0.30～0.40％，铬1.48～1.58％，铝0.010～0.035％，磷≤0.012％，硫≤0.010％，钛≤0.0015％，氧≤0.0006％，氮≤0.0040％，砷≤0.03％，铅≤0.002％，钙≤0.001％，微量元素：镍0.04～0.07％，钼0.03～0.05％，铜0.02～0.06％。本发明通过独特的成分设计，保证高寿命轴承钢具有更好的、更稳定的性能，更高的使用寿命。

Description

一种高寿命轴承钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及轴承钢制造技术领域，尤其涉及一种高寿命轴承钢，钢牌号XWGCr15A的成分设计和制造方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它的主要功能是支承旋转轴或其它运动体，引导转动或移动运动并承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。它的性能、精度和可靠性对使用主体的正常工作起着决定性的作用。
轴承作为重要的基础零部件，其制造在机械工业中的地位举足轻重。现在轴承行业面对需求还存在不小的差距，主要表现为高精度、高技术含量、高附加值、长寿命产品的比例普遍偏低、产品的稳定性和创新性有待进一步改进等方面。
因此，如何设计并研发出一种具备更高洁净度、高性能稳定性和高使用寿命的新型轴承钢就成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明就是针对上述存在的缺陷而提供一种本发明提供了一种高寿命轴承钢，钢牌号XWGCr15A的成分设计和制造方法，通过重新设计、优化调整轴承钢中各元素的含量，添加微量元素进行微合金化，有效的保证轴承钢具有高的洁净度，高的性能稳定性及抗疲劳性能，达到了高寿命的使用要求。
本发明的一种高寿命轴承钢及其制造方法技术方案为，所述轴承钢成分包括：碳0.95～1.03％，硅0.25～0.30％，锰0.30～0.40％，铬1.48～1.58％，铝0.010～0.035％，磷≤0.012％，硫≤0.010％，钛≤0.0015％，氧≤0.0006％，氮≤0.0040％，砷≤0.03％，铅≤0.002％，钙≤0.001％，微量元素：镍0.04～0.07％，钼0.03～0.05％，铜0.02～0.06％。本发明通过独特的成分设计，保证高寿命轴承钢具有更好的、更稳定的性能。
优选的，所述轴承钢成分包括：碳0.96～0.98％，硅0.26～0.28％，锰0.34～0.36％，铬1.51～1.55％，铝0.018～0.025％，磷≤0.008％，硫≤0.006％，钛≤0.0015％，氧≤0.0006％，氮≤0.0040％，砷≤0.012％，铅≤0.002％，钙≤0.001％，微量元素：镍0.04～0.06％，钼0.03～0.05％，铜0.02～0.04％。
微量元素Ni的作用：镍的加入能够提高钢的强度，而又保持钢良好的塑性和韧性。镍可以降低钢低温的脆性转变温度，提高钢的低温韧性。镍对酸、碱性环境有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。因此，设计钢中镍的加入量0.04％-0.07％。
微量元素Mo的作用：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，能够提高钢的机械性能，还可以抑制由于钢的淬火而引起的脆性。
微量元素Cu的作用：铜可以提高钢的抗大气腐蚀能力，并且有利于提高钢的强度、耐磨性和屈强比。
有效的控制碳偏析。成分设计通过缩小碳元素的范围，相比于国标的要求，上限降低0.02％，有效的控制碳偏析的指数。
所述轴承钢的B类、D类夹杂物控制在≤0.5级；DS类夹杂物控制在≤0.5级，只允许出现1次。
所述轴承钢的带状组织≤2.0级，液析≤1.0级。
所述的一种高寿命轴承钢的制造方法，包括以下步骤：
S1、经过初炼、精炼过程控制轴承钢氧含量≤0.0006％，钛含量≤0.0015％；
S2、利用一次沉淀脱氧方式，结合精炼渣系及真空保持及软吹步骤，实现高寿命轴承钢的高洁净度设计要求；精炼渣系采用中碱度精炼渣系，渣碱度R＝4-7,按照出钢量85吨计算，将精炼石灰配入400公斤-800公斤/炉，高碱度高铝精炼渣300公斤/炉，配加30-50公斤碳化硅。
S3、采用脉冲磁致振荡凝固均质化技术(简称PMO)，使中心等轴晶面积显著提高，等轴晶率达到50～90％，晶粒尺寸得到显著细化，铸坯低倍组织显著改善，消除了缩孔；降低了碳偏析指数，高寿命轴承钢铸坯碳偏析指数控制在0.93-1.06。
S4、加热连铸坯后，对连铸坯进行一次轧制和缓冷；一次轧制要求钢温控制在1150℃-1220℃。轧制成二次轧制所要求的规格后，需保证坯料600℃-650℃入坑缓冷，出坑温度＜150℃。通过一次加热轧制，消除了一次碳化物、二次碳化物的存在，配合高温大压下量轧制，消除了芯部组织缺陷，改善了钢的内部组织。轧制完成后通过缓冷、精整处理，得到满足后续二次轧制所要求的一次轧制钢坯。
S5、加热一次轧制钢坯后，对一次轧制钢坯进行二次轧制和二次缓冷。具体步骤为：出坑后对坯料表面进行清理、检查，合格后对钢坯进行二次加热，二次加热后钢坯温度控制在1050℃-1100℃；轧制完成时需对其进行温度调控，即终轧后尽快进行降温，使其温度速降至700℃左右，然后进行二次入坑缓冷，出坑温度＜100℃。
区别于一次加热，二次加热轧制重点解决三次碳化物及表面脱碳等问题，通过延时轧制、控制终轧温度、优化缓冷工艺、精整检测等手段，得到最终棒材。
S2具体为，结合CaO-SiO2-Al2O3三元渣系相图，将CaO/Al2O3控制在1.2～2.0，实现了氧含量≤0.0006％；在低氧的钢水环境下，将钢水中的不规则Al2O3类氧化类夹杂物变性到球型12CaO·7Al2O3便于上浮，从而实现了钢水的高洁净度；真空保持时间为25-30min；软吹时间为20-25min。
S3中PMO技术是将脉冲电流导入缠绕在铸坯外侧的线圈，从而在固液界面前沿产生电磁感应效应，达到细化凝固组织的目的。
设备主要有脉冲电源、PMO线圈、结晶器组成。带有液芯的钢坯在结晶器脱离后穿过PMO线圈，待拉速稳定后，开启脉冲电源进行脉冲磁致振荡处理。采用的电流峰值为102KiA,放电频率为247hi Hz，脉冲宽度为34bi ms(Ki、hi、bi与电源性质有关)。
S4中一次加热时间不少于9小时；加热末段、均热段温度1230℃-1250℃，其中前四道次较常规产品压下量提高15mm-20mm；如第一道次常规压下量为115mm，则生产该钢种时压下量控制在120mm左右，以此类推至第四道次，以保证轧制力的穿透。开完坯后晾至1020℃-1050℃后进行精轧；缓冷采用坑冷，缓冷时间不少于48小时。
S5中二次加热时间控制在5.5小时左右；加热末段、均热段温度950℃-1000℃；终轧温度850℃-920℃；缓冷入坑温度≥400℃，缓冷时间不少于60小时。
本发明的有益效果为：本发明的高寿命轴承钢，钢牌号XWGCr15A，通过对成分的重新设计及微量元素合金化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的轴承钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更好的耐磨性，实现了更高的疲劳寿命，采用该技术所制造的轴承的高速性能指数Dn值可达到3.3×106。
说明书附图：
图1所示为CaO-SiO2-Al2O3三元渣系相图；
图2所示为Al2O3类夹杂物形貌；
图3所示为12CaO·7Al2O3类夹杂物形貌；
图4所示为B类夹杂物形貌；
图5所示为D类夹杂物形貌；
图6所示为碳化物带状形貌；
图7所示为碳化物液析形貌。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例1
(一)高寿命轴承钢成分设计及控制
本实施例中设计的高寿命轴承钢，其具体包含以下成分：
碳0.95～1.03％，硅0.25～0.30％，锰0.30～0.40％，铬1.48～1.58％，铝0.010～0.035％，磷≤0.012％，硫≤0.010％，钛≤0.0015％，氧≤0.0006％，氮≤0.0040％，砷≤0.03％，铅≤0.002％，钙≤0.001％，微量元素：镍0.04～0.07％，钼0.03～0.05％，铜0.02～0.06％。
因此，根据以上的成份设计，实施过程中的成分控制实测值见表1：
表1实测化学成分控制范围％
在制造高寿命轴承钢的过程中，实际控制成分的过程能力控制指数Cpk≥1.67，达到A+级水平，达到了设计要求，具体试验炉号成分见表2。
表2实测化学成分控制范围％
(二)高寿命轴承钢的制造方法
S1，利用不同金属氧化还原原理，通过精密的初炼、精炼操作，实现高寿命轴承钢氧含量≤0.0006％，钛含量≤0.0015％。
具体的，首先利用初炼炉初期制造高碱度、高氧化性，结合前期低温特点，将初炼炉出钢的钛含量控制在≤0.0005％；结合金属氧化还原原理，根不同金属氧化先后顺序，转炉出钢过程随钢流将合金一步到位，按中上线控制，利用“富氧势”，[O]＞200ppm，将钢水及合金中的钛元素氧化成TiO2，并伴随底吹氩吹浮至渣面。
LF精炼开始前，先进行倒渣或扒渣处理，将含有TiO2的渣一次排除；重新造渣，将脱氧剂一次加到位，避免后期补加，保持整个精炼过程的吹氩；真空精炼过程将真空保持时间稳定在25-30min，软吹时间20-25min，从而实现了高寿命轴承钢钛含量≤0.0015％，氧含量≤0.0006％。
S2，用一次沉淀脱氧方式，结合良好的精炼渣系及足够的真空保持及软吹时间，实现了高寿命轴承钢的高洁净度设计要求。
具体的，结合步骤S1中的脱氧方式，将脱氧剂Al的一次到位量控制在0.055％-0.065％，后期采用20-30公斤的碳化硅进行渣面扩散脱氧；结合CaO-SiO2-Al2O3三元渣系相图中的铝镇静钢的脱氧理想区域(见说明书附图图1)，将A值(CaO/Al2O3)控制在1.2～2.0，实现了氧含量≤0.0006％。在低氧的钢水环境下，将钢水中的不规则Al2O3类氧化类夹杂物变性到球型12CaO·7Al2O3便于上浮(见说明书附图图2)，从而实现了钢水的高洁净度。
通过步骤S1及S2的实现，实测高寿命轴承钢的夹杂物级别见表3，具体的金相形貌见说明书附图图3。
表3高寿命轴承钢实测值
S3，采用脉冲磁致振荡凝固均质化技术(简称PMO)，使中心等轴晶面积显著提高，等轴晶率达到50～90％，晶粒尺寸得到显著细化，铸坯低倍组织显著改善，消除了缩孔；降低了碳偏析指数，高寿命轴承钢铸坯碳偏析指数控制在0.93-1.06。
脉冲磁致振荡(简称PMO)是将脉冲电流导入缠绕在铸坯外侧的线圈，从而在固液界面前沿产生特定的电磁感应效应，达到细化凝固组织的目的。脉冲电流在连铸坯固液界面前沿形成感应脉冲磁场；磁场导致钢水过冷，促进形核；晶核在电磁力和重力作用下脱落、下沉，形成“结晶雨”，从而打碎了原有的形核方式，扩大了等轴晶的面积，降低了碳偏析指数。通过采用碳硫仪对铸坯进行碳偏析值进行分析，高寿命轴承钢铸坯碳偏析指数控制在0.93-1.06。
S4、加热连铸坯后，对连铸坯进行一次轧制和缓冷。
一次加热轧制采用高温扩散工艺，即加热时间不少于9小时，加热末段、均热温度1230℃-1250℃，配合高温大压下量开坯轧制，消除了一次碳化物、二次碳化物的存在，消除了芯部组织缺陷，改善了钢的内部组织。
轧制完成后通过缓冷、精整处理，得到满足后续二次轧制所要求的一次轧制钢坯。
S5、加热一次轧制钢坯后，对一次轧制钢坯进行二次轧制和二次缓冷。区别于一次加热，二次加热轧制重点解决三次碳化物及表面脱碳等问题，通过延时轧制、控制终轧温度、优化缓冷工艺、精整检测等手段，得到最终棒材。
本发明的高寿命轴承钢，钢牌号XWGCr15A，通过对成分的重新设计及微量元素合金化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的轴承钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更好的耐磨性，实现了更高的疲劳寿命，采用该技术所制造的轴承的高速性能指数Dn值可达到3.3×106。

Claims (4)

1.一种高寿命轴承钢，其特征在于，所述轴承钢成分包括：碳0.96～0.98％，硅0.26～0.28％，锰0.34～0.36％，铬1.51～1.55％，铝0.018～0.025％，磷≤0.008％，硫≤0.006％，钛≤0.0015％，氧≤0.0006％，氮≤0.0040％，砷≤0.012％，铅≤0.002％，钙≤0.001％，微量元素：镍0.04～0.06％，钼0.03～0.05％，铜0.02～0.04％；
上述高寿命轴承钢的制造方法，包括以下步骤：
S1、经过初炼、精炼过程控制轴承钢氧含量≤0.0006％，钛含量≤0.0015％；
S2、利用一次沉淀脱氧方式，结合精炼渣系及真空保持及软吹步骤，实现高寿命轴承钢的高洁净度设计要求；所述的精炼渣系采用中碱度精炼渣系，渣碱度R＝4-7；
S3、采用脉冲磁致振荡凝固均质化技术，使中心等轴晶面积显著提高，等轴晶率达到50～90％，晶粒尺寸得到显著细化，铸坯低倍组织显著改善，消除了缩孔；降低了碳偏析指数，高寿命轴承钢铸坯碳偏析指数控制在0.93-1.06；
S4、加热连铸坯后，对连铸坯进行一次轧制和缓冷；一次轧制钢温1150℃-1220℃；轧制成二次轧制所要求的规格后，坯料600℃-650℃入坑缓冷，出坑温度＜150℃；
S5、加热一次轧制钢坯后，对一次轧制钢坯进行二次轧制和二次缓冷；步骤为：出坑后对坯料表面进行清理、检查，合格后对钢坯进行二次加热，二次加热后钢坯温度在1050℃-1100℃；
轧制完成时需对其进行温度调控，即终轧后尽快进行降温，使其温度速降至700℃，然后进行二次入坑缓冷，出坑温度＜100℃；
其中，S2具体为，结合CaO-SiO2-Al2O3三元渣系相图，将CaO/Al2O3控制在1.2～2.0，实现了氧含量≤0.0006％；在低氧的钢水环境下，将钢水中的不规则Al2O3类氧化类夹杂物变性到球型12CaO·7Al2O3便于上浮，从而实现了钢水的高洁净度；真空保持时间为25-30min；软吹时间为20-25min；
S5中二次加热时间控制在5.5小时；加热末段、均热段温度950℃-1000℃；终轧温度850℃-920℃；缓冷入坑温度≥400℃，缓冷时间不少于60小时。
2.根据权利要求1所述的一种高寿命轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的B类、D类夹杂物控制在≤0.5级；DS类夹杂物控制在≤0.5级，只允许出现1次。
3.根据权利要求1所述的一种高寿命轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的带状组织≤2.0级，液析≤1.0级。
4.根据权利要求1所述的一种高寿命轴承钢，其特征在于，S4中一次加热时间不少于9小时；加热末段、均热段温度1230℃-1250℃，开完坯后晾至1020℃-1050℃后进行精轧；缓冷采用坑冷，缓冷时间不少于48小时。
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