CN108220807A - 一种低密度高铝超高碳轴承钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低密度高铝超高碳轴承钢及其制备方法，属于轴承用钢技术领域，该轴承钢的化学成分为：C：0.80‑2.50wt％、Cr:0.40‑6.0wt％、Al：2.0‑12.0％、余量为Fe及不可避免的不纯物。在此基础上可以另加：Mo:0‑0.2wt％、Nb:0‑0.2wt％、Nb:0‑0.20wt％、V：0‑0.20wt％和稀土RE：0‑0.2wt％中的一种或多种。生产工艺为冶炼、保护性浇注、热轧、球化退火、淬火、低温处理及低温回火等全工艺流程。优点在于，轴承钢的密度可以从8.0g/cm3降低到5.8g/cm3，实现减重可达25％。在3.0‑4.5GPa赫兹应力下接触疲劳寿命L10可达1×108次，远超传统GCr15轴承钢1×107次的L10接触疲劳寿命。

Description

一种低密度高铝超高碳轴承钢及其制备方法
技术领域
本发明属于轴承用钢技术领域，特别是提供了一种低密度高铝超高碳轴承钢及其制备方法，寿命长、可靠性高。
技术背景
目前我国国产关键轴承与日本、欧美等先进国家轴承相比，在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面存在较大差距，成为制约我国装备制造业发展的瓶颈。导致国内外轴承寿命、可靠性与高速度方面较大差异的一个重要原因是我国传统轴承钢质量与新型轴承钢的研发品种远远落后于国外。非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况对轴承钢的使用寿命影响很大，往往轴承失效因为微裂纹在大颗粒夹杂或碳化物周围形成和扩展所造成的。目前国外真空脱气轴承钢中氧含量已经可以稳定控制到6ppm以下，夹杂物的数量、尺寸及其分布得到大幅度改善(最大夹杂物尺寸(DS)小于11μm，即最大夹杂物评级为0级)。随着轴承钢纯净度提高，轴承钢中碳化物含量、分布及尺寸大小逐步成为影响轴承钢寿命与可靠性的关键因素。随着碳化物含量降低，轴承钢接触疲劳寿命随着碳化物含量减少而呈指数级提高。再者，随着轴承是一个转动件，其密度降低将直接降低轴承运动所消耗的能量和提高轴承动停敏感度。未来需要进一步降低轴承钢或材料的密度以利于节能减排和轴承的可靠性，需要开发低密度轴承材料来满足未来超高速轴承的需求。综上所述，如何控制轴承钢中的夹杂物、碳化物和降低轴承材料的密度成为未来长寿命、高可靠和高速率轴承的关键。
C和Al是钢材低密度化的首选材料，每1％的碳降低密度0.4g/cm3，而每1％的Al降低0.1g/cm3。本专利计划进行0.8-2.5％C和2.0-12％的Al合金化进行研究，达到密度降低5.8-7.5g/cm3，可以使轴承钢密度最高降低25％。如1.4C1.5Cr6Al钢的密度可以达到6.8g/cm3。另外最重要的是，Al是轴承钢冶炼过程中的一种主要脱氧元素，Al含量的提高可以大幅度降低钢液中的氧含量。目前，Al在钢液中的含量被控制在0.02-0.05％的超低水平以避免浇注过程的钢液氧化。可以认为，随着钢液中Al含量的提高，在良好的保护性浇注条件下(我国特钢企业已经具有40-100t的真空浇注设备，可以实现大铸锭真空浇注，从而避免浇注过程中钢液氧化，大幅度降低夹杂物含量和气体含量，为新型合金化轴承钢提供了铸造基础)，氧含量会得到大幅度降低并最终降低轴承钢的夹杂物含量。Al合金化不仅有利于钢中氧含量的降低，Al含量的高低还直接影响着钢中的组织结构。随着Al含量提高，钢的共析点大幅提升，从而改变了一定碳含量下钢中碳化物的含量。比如Al含量达到5％时，钢的共析点为1.2％，远远高于传统钢0.77％的共析点。含Al钢的这个特点，可以实现高碳钢无网状碳化物。除了Al以外，碳是本合金化设计的另外一个重要元素，它不仅可以大幅度降低轴承钢密度，同时增加碳含量可以大幅提高轴承钢中细小碳化物的数量以提高轴承钢的耐磨性。Cr是本发明的另外一个重要添加元素，添加超过0.4％Cr可以保证轴承钢的碳化物在高温淬火及球化退火过程中稳定性，避免碳化物向石墨相的转变而降低轴承钢的性能。通过以上合金化，发明钢的耐磨性、接触疲劳性能和运转速度可以得到大幅度提高。另外Cr与Al结合可以提高钢材的电极电位，从而提高轴承钢的耐蚀性能，符合目前我国舰船、飞机及其它交通运输工具由陆地应用向海洋应用需求。
基于以上原因，本发明提出通过Fe、Cr、Al和C合金的轴承钢合金化设计，获得高纯净、细质化、均匀化和低密度的一种新型轴承钢材料。该材料在高档轴承上的使用可以大幅度提高轴承的寿命、可靠性和运转速度。本发明钢具有0.80-2.50％C、0.40-6.0％Cr和2.0-12.0％Al，具有5.8-7.5g/cm3的密度和60-64HRC的硬度。该含铝超高碳轴承钢可以通过冶炼、铸造、热轧和退火进行大规模工业化生产。含铝超高碳轴承钢的接触疲劳寿命L10远远超过传统GCr15轴承钢，实现钢材寿命提高5倍以上。该发明为未来长寿命和高可靠轴承制造提供材料基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低密度高铝超高碳轴承钢及其制备方法，通过Fe、Cr、Al和C为主要添加元素和以Mo、Zr、Nb、V和稀土RE等强碳化物析出的微合金元素的合金化设计；通过传统的冶炼、铸造、热轧和热处理等工序生产出具有低密度的轴承钢。
本发明钢的基本特征为：1、在钢的化学成分上，主要是通过0.80-2.50wt％C、0.40-6.0wt％Cr、2.0-12.0％Al的合金化成分，该成分体系可以保证在低密度、高硬度和高均匀的马氏体组织；通过Mo、Zr、Nb、V和RE等微合金元素析出强化和钉扎进一步细化和强化组织结构。2、在制备工艺上，采取传统炉外精炼、或电渣冶炼、或双真空冶炼，铸造过程中需要采用无氧化保护浇注，以保证轴承钢的成分稳定性和铸造过程无氧化导致的氧化物夹杂产生。3.在性能上，本发明钢具有5.8-7.5g/cm3的低密度、具有60-64HRC硬度，具有可以达到L10为108次的接触疲劳寿命。
本发明所述钢的化学成分为：C：0.80-2.50wt％、Cr:0.40-6.0wt％、Al：2.0-12.0％、余量为Fe及不可避免的不纯物。在此基础上可以另加以下一种或多种元素：Mo:0-0.2wt％、Nb:0-0.2wt％、Nb:0-0.20wt％、V：0-0.20wt％和稀土RE：0-0.2wt％。本发明各元素的作用及配比依据如下：
C：作为主要的间隙固溶强化元素，对新型FeCrAlC轴承钢的马氏体组织获得和马氏体组织的硬度产生决定性影响。考虑到新型轴承钢超高硬度和低密度的要求，C含量应控制在0.80-2.50wt％范围内。
Al：在本发明中Al是低密度化和超低氧冶炼的重要合金元素，可以调节轴承钢的密度和硬度匹配。同时考虑Al是抗表面氧化元素，可以大幅降提升轴承钢的表面质量。另外，Al的添加可以提高钢的耐蚀性能。但考虑到轻质化、耐蚀性和热加工抗氧化性能需要以及过高Al含量导致高温铁素体和大颗粒碳化物出现的限制，因此Al含量应该控制在2.0-12.0％的范围内。
Cr:促进碳化物稳定的元素，可以减少或防止轴承钢中石墨相的出现。同时能够有效提高钢的抗高温表面氧化能力。本发明钢中的Cr含量应控制在0.40-6.0wt％。
Mo、Zr、Nb、V和RE均是强碳化物形成的微合金化元素，可以稳定轴承钢中的碳化物和细化组织结构。但考虑到成本，应将其含量分别控制在0-0.2wt％范围内。本发明的制造工艺及条件为：
本发明钢生产工艺为冶炼、保护性浇注、热轧、球化退火、淬火、低温处理及低温回火等全工艺流程，具体制备工艺如下：
(1)钢的冶炼与凝固：适用于转炉、电炉和感应炉冶炼，采用模铸生产铸锭。
(2)铸坯或铸锭的热轧或锻造：
热轧棒材与线材：将铸坯经1150-1250℃加热，先粗轧后精轧，得到直径3-150mm的棒材或线材，轧后得到的棒材或线材，随炉冷却至室温。
(3)轧后球化退火
对热变形后的钢材进行珠光体离异球化退火：在810-900℃的范围内进行两相区奥氏体化，然后冷却到650-800℃的珠光体区进行保温1-10小时。
(4)淬火、低温处理及回火处理
球化退火后钢材在900-1100℃范围内保温5分钟-2小时后淬火冷却到室温，然后在125-275℃范围内进行低温回火或在-73～-196℃范围内进行1-10小时低温处理后再进行低温回火。
本发明的优点在于，密度在5.5-7.5g/cm3的含铝超高碳轴承钢，其主要合金元素为C：0.80-2.50％，Cr：0.40-6.0％、Al：2.0-12.0％。经过FeCrAlC合金化，轴承钢的密度可以从8.0g/cm3降低到5.8g/cm3，实现减重可达25％。该含铝超高碳轴承钢可以通过常规的冶炼、铸造、热轧和退火进行大规模工业化生产。含铝超高碳轴承钢在3.0-4.5GPa赫兹应力下接触疲劳寿命L10可达1×108次，远超传统GCr15轴承钢1×107次的L10接触疲劳寿命。
附图说明
图1为5#钢球化退火后微观组织结构图(200倍)，显示出均匀球化的碳化物颗粒与细小的基体组织。
图2为5#钢球化退火后微观组织结构图(500倍)，显示出均匀球化的碳化物颗粒与细小的基体组织。
图3为5#钢球化淬火+低温处理+低温回火后的微观组织结构图(200倍)，显示出均匀细小的马氏体组织和基体上分布的均匀细小的碳化物。
图4为5#钢球化淬火+低温处理+低温回火后的微观组织结构图(500倍)，显示出均匀细小的马氏体组织和基体上分布的均匀细小的碳化物。
具体实施方式
实施例：
本实施例主要针对于铸坯热轧、逆相变退火后进行热温轧获得高强度高塑性的钢板。试验过程模拟钢板的热连轧、逆相变退火和热温轧工艺(部分热温轧后退火)。但该工艺同样适用于型材和棒线材的生产。
本发明钢由试验室真空感应炉冶炼，浇铸锭型为50kg的圆锭。共冶炼10炉钢，其中化学成分见表1。
表1发明钢的化学成分(wt％)，余量Fe
本发明钢制备工艺流程实施事例如下：
步骤1：钢的冶炼
根据表1化学成分，利用真空感应炉冶炼1-10#钢材，浇铸锭型为50kg圆锭。
步骤2：钢的锻造和热轧模拟
1-10#钢的钢锭经过1200-1250℃加热，保温2-5h，进行锻造开坯。锻造温度范围为800-1250℃，锻造成尺寸为200mm×200mm截面的方坯坯料，锻后空冷。然后将上述上述锻造坯料经1200-1250℃加热，保温2-5h后，由试验热轧机模拟轧制，轧制终了温度不低于750℃，轧制后空冷到室温形成直径为3-150mm的棒线材，得到一种系列化低密度高铝超高碳热轧态轴承钢。
步骤3：轧制棒线材的软球化退火
将1-10#钢在810-900℃范围内进行奥氏体-碳化物的两相区奥氏体化保温，然后冷却到650-800℃的珠光体区进行保温1-10小时，得到一种系列低密度高铝超高碳退火态轴承钢。球化退火组织结构如图1、图2所示。
步骤4：热处理与接触疲劳性能测定
将步骤3处理后的1-10#钢在900-1100℃范围内保温5分钟-2小时后淬火冷却到室温，然后在125-275℃范围内进行低温回火或-73～-196℃进行1-10小时低温处理后再进行低温回火。经过上述热处理后得到的回火马氏体组织见图3和图4。将热处理后的发明钢和对比钢等试样采用与推力球轴承相似的推力片式接触方式，在4.0GPa的赫兹应力下进行接触疲劳寿命参数测定，1-10#钢接触疲劳性能见表2
正是图3-图4所示的细小均匀基体组织和基体上分布的大量细小碳化物赋予了发明钢优异的接触疲劳性能。相对于传统GCr15轴承钢，发明钢的硬度最高达到64.3HRC，远远高于60.5HRC的基体硬度。传统GCr15轴承钢中碳化物含量达到7％，而发明钢中碳化物含量最高可达30％，从而赋予了发明钢更好的耐磨性能。从表2可以看出，发明钢的接触疲劳寿命L10比传统GCr15轴承钢提高了10倍左右。因此发明钢的超长疲劳性能主要来源于发明钢的超高基体硬度和超大量的碳化物，这种组织的获得不仅与钢的高碳高铝合金化密切相关，而且与发明钢的低温处理等新型热处理有密切关系。
表2 1-10#钢的硬度与接触疲劳性能

Claims (3)

1.一种低密度高铝超高碳轴承钢，其特征在于，化学成分为：C：0.80-2.50wt％、Cr：0.40-2.50wt％、Al：2.0-12.0％、余量为Fe及不可避免的不纯物。
2.根据权利要求1所述的低密度高铝超高碳轴承钢，其特征在于，另加以下一种或多种元素：Mo:0-0.2wt％、Zr：0-0.2wt％、Nb:0-0.20wt％、V：0-0.20wt％和稀土RE：0-0.2wt％。
3.一种权利要求1或2所述低密度高铝超高碳轴承钢的制备方法，其特征在于，生产工艺为冶炼、保护性浇注、热轧、球化退火、淬火、低温处理及低温回火等全流程制备过程，工艺中控制的技术参数如下：
(1)钢的冶炼与凝固：适用于转炉、电炉或感应炉冶炼，采用模铸生产铸锭；
(2)铸坯或铸锭的热轧或锻造：
热轧棒材与线材：将铸坯经1150-1250℃加热，先粗轧后精轧，得到直径3-150mm直径的棒线材，轧后得到的棒材或线材，随炉冷却至室温；
(3)轧后球化退火
对热变形后的钢材进行珠光体离异球化退火:在810-900℃的范围内进行两相区奥氏体化，然后冷却到650-800℃的珠光体区进行保温1-10小时；
(4)淬火、低温处理及回火处理
球化退火钢材在900-1100℃范围内保温5分钟-2小时后淬火冷却到室温，然后在125-275℃范围内进行低温回火或在-73～-196℃范围进行1-10小时低温处理后再进行低温回火。
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