CN109182901B

CN109182901B - 一种直线导轨用钢及其热轧生产方法

Info

Publication number: CN109182901B
Application number: CN201811082510.2A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 李锋; 许晓红; 耿克; 黄镇; 翟蛟龙; 尹青
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2038-09-17
Also published as: CN109182901A

Abstract

本发明涉及一种直线导轨用钢，化学成分为C：0.40～0.70％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.30～1.80％，Cr：0.30～0.60％，S：0.005～0.030％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Cu≤0.30％，Mo≤0.10％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.003％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢材经过调质处理后，屈服强度≥785MPa，抗拉强度≥930MPa，延伸率≥12％，常温下夏比冲击功AK_U≥50J。非金属夹杂物满足：A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系≤1.0；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0。主要流程为电炉或转炉‑炉外精炼‑VD或RH真空脱气‑连铸‑连轧‑堆冷。本申请钢板通过对化学成分优化，显著提高钢材的淬透性、强度及耐磨性。

Description

一种直线导轨用钢及其热轧生产方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种直线导轨用钢及其生产制造方法。

背景技术

在制造业中，机械制造尤其是装备制造业担负着为各行业各部门提供装备的重要任务，是国民经济发展的基础：而其中，机床制造业又是装备制造业的心脏。目前数控机床发展状况已影响到一个国家机床生产的国际竞争力。

机床从发明之日起，导轨技术就是其核心技术之一，由于现代企业机加工生产精度和强度越来越高，如何在高速情况下降低冲击载荷的影响，减少行走过程中的误差，从而保持高精度成了亟待解决的问题。作为传动功能部件，机床导轨凭借其运动阻力小、定位精度高、维护性能好等特点，已广泛应用于各类机床产品中，特别是对速度、精度、可靠性、维护性要求较高的装置。由于机床导轨作为机床上传动与定位部件，承受一定的压力和摩擦力作用，因而要求其具有高的强度、韧性和耐磨性。

(1)根据机床导轨的使用条件，对加工机床直线导轨的原材料钢材也提出高的要求，直线导轨用钢必须具备下列性能：高的弹性强度、屈服强度和韧性，并且具备足够的耐磨性。此外，由于用户需要对材料进行热处理，因此，钢材还需具备一定的淬透性。

(2)此外，钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性和均匀性。根据直线导轨的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，容易形成裂纹，降低导轨的使用寿命。为提高最终产品直线导轨的使用寿命，必须提高钢材纯净度，尽可能降低钢中非金属夹杂物。

目前的直线导轨用钢材主要有高碳铬轴承钢GCr15或者一些优质碳素结构钢如45# 或55#钢等。GCr15轴承钢淬透性好，淬火变形小，热处理后具有高硬度和高耐磨性特点，对钢材的纯净度水平控制高。但淬火后韧性相对较差，并且由于其碳含量高，锻造后硬度较高，导致其切削加工性能差，必须先进行球化退火处理，为后续淬火做好组织准备。而45#钢或55#钢属于是机械制造中广泛应用的优质碳素结构钢。它具有良好的切削加工性能。调质后进行高频或火焰表面淬火后，表面可获得高强度及高耐磨性，而心部韧性不足。在热处理时，却会出现淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感等问题。

为克服上述钢材的缺点，在提高钢材表面强度的前提下又能保证钢材心部的韧性，同时又能改善钢材的淬透性，本发明设计一种新的直线导轨用钢及相应的制造方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种新的直线导轨用钢，与传统的45#、55#相比，在韧性相当的前提下，具有高的屈服强度和抗拉强度，在钢材的淬透性、强度及耐磨性性能上得到了显著的改善。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种直线导轨用钢，该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.40～0.70％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.30～1.80％，Cr：0.30～0.60％，S：0.005～0.030％，P≤0.025％，Ni≤0.25％，Cu≤0.30％，Mo≤0.10％，Al≤0.05％，Ca≤0.0010％，Ti≤0.003％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％， Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢材要求的非金属夹杂物要求见下表1：

表1

本发明在调质处理后机械性能要求见下表2：

表2

机械性能	屈服强度	抗拉强度	延伸率	常温冲击功AKU
					要求	≥785MPa	≥930MPa	≥12％	≥50J

本发明要求钢材的末端淬透性J1.5、J3、J5≥60HRC，J7、J9、J11≥50HRC，其中J1.5代表的是具体钢表面1.5mm位置处的硬度，依次类推

本申请一种直线导轨用钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

C是确保钢材耐磨性所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，从而提高它的硬度和强度，进而提高耐磨性。但过高的C含量对钢的韧性不利。另外，过高的C含量也会导致严重的中心C偏析从而影响钢材的芯部韧性。本发明控制其含量为0.40～0.70％。

2)Si含量的确定

Si是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的硬度和强度。它降低C在铁素体中的扩散速度使回火时析出的碳化物不易聚集，增加钢的回火稳定性，使钢材在较低温度回火时既能降低材料中的内应力也使其保持高的硬度。另外，Si减少摩擦发热时的氧化作用和提高钢的冷变形硬化率从而提高材料的耐磨性。但是，Si含量较高时钢材的韧性降低，而且Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明控制Si含量为0.15～0.40％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，是对钢的强化有效的元素，起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失。而且Mn能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn能消除S(硫)的影响：Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS，进而消弱和消除S的不良影响。但Mn含量高，会降低钢的韧性。本发明的Mn含量控制在 1.30～1.80％。

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。此外，Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的韧性降低，而且Cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用，综上分析，本发明 Cr含量的范围确定为0.30-0.60％。

5)Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量过多时，钢水熔炼过程中易形成大颗粒Al₂O₃等脆性夹杂，降低钢水纯净度，影响成品的使用寿命。本发明Al含量的范围确定为≤ 0.05％。

7)Ca含量的确定

Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。

8)Ti含量的确定

Ti对钢材危害方式是以氮化钛，碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响材料的疲劳寿命，特别是在纯洁度显著提高，其他氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害尤为突出。本发明Ti含量的范围确定为≤0.003％。

9)O含量的确定

氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0010％。

10)P、S含量的确定

P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，但S能提高钢材的切削性能，本发明S含量的范围确定为0.005-0.030％

11)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

本申请的直线导轨用钢的制造流程为电炉或转炉-炉外精炼-VD或RH真空脱气 -连铸-连轧-剪切或锯切-堆冷-精整-打件入库。

主要生产步骤的具体操作如下

采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量，对电炉或转炉出钢终点C、终点P进行控制，并防止电炉或转炉出钢下渣；LF精炼过程中加强造渣及脱氧操作，LF精炼炉采用Al+SiC进行联合脱氧，保证炉渣良好的脱氧，保证过程中自由氧含量较低，发挥LF炉冶炼去除夹杂物的优势，同时LF过程中应保证钢中残铝量，防止后续过程氧化物夹杂的大量生成。真空脱气可适当延长处理时间并增大真空下的气体搅拌流量，真空脱气后经长时间的软吹氩处理，让非金属夹杂物充分上浮。

连铸须全程采用防氧化保护浇注，防止钢水二次氧化；连铸采用低过热度浇注，连铸过热度为10-35℃，连铸采用先进的末端电磁搅拌、轻压下的先进工序装备，以改善和控制钢材的偏析，从而让铸坯凝固组织的致密度得到了提高，铸坯中心疏松和缩孔得到了有效控制，而二次枝晶臂间距得到明显改善，中心等轴晶率明显提高,晶粒得到细化, 从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析保证钢材中有害元素Ti、O、Ca符合要求，同时钢中非金属夹杂物满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系≤ 1.0；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0。

所得连铸方坯，热轧工艺为，先在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在750-900℃，加热段温度控制在1050-1200℃，均热段温度控制在1100-1200℃，为保证坯料充分均匀受热，保温时间3小时以上；

经高压水除鳞处理后进行奥氏体单相区轧制，设置粗轧开轧温度950～1050℃，经多架两辊轧机轧制成目标棒材，轧终钢轧温度不宜过高，防止奥氏体晶粒粗大，但不宜低于钢材Ar₃温度区间(因为钢材在Ar₃温度以下要发生组织转变)，因此终轧温度控制在850-950℃。

轧制结束后不宜缓冷，防止出现粗大的铁素体晶粒，会降低钢材强度和韧性，但也不宜冷却过快，防止出现魏氏组织，也会降低钢材的强度和韧性，因此上冷床温度控制在650-750℃，并经矫直、探伤，制得目标棒材产品。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)较传统的优质碳素结构钢45#、55#钢基础上，化学成分进行了优化，从而显著提高钢材的淬透性、强度及耐磨性。

2)相对传统的45#、55#，本发明通过采用电炉或转炉-炉外精炼-VD或RH真空脱气-连铸-连轧的工艺路线，同时通过对生产工艺及原辅材料进行控制，将钢种有害元素0、Ti、Ca等控制在低的含量，如Ca≤0.0010％，Ti≤0.003％，O≤0.0010％，并且将钢材非金属夹杂物控制在高的水平，显著提高钢材的纯净度，提高成品零件的使用寿命。

3)传统的45#、55#的强度较低，本发明的直线导轨用钢具有高的屈服强度(≥785MPa)和抗拉强度(≥930MPa)，同时还能够保证与45#和55#钢基本相当的韧性(常温下夏比冲击功＞50J)。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例本发明和(作为对比的)目前市场上所用的45#和55#钢的化学成分(wt％)见表3、表4。

表3

	实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Al
											本发明	1	0.58	0.26	1.46	0.014	0.010	0.41	0.08	0.06	0.016
本发明	2	0.59	0.30	1.45	0.015	0.012	0.38	0.08	0.05	0.018
											本发明	3	0.60	0.27	1.48	0.015	0.010	0.40	0.07	0.05	0.012
45#	4	0.45	0.20	0.62	0.020	0.012	0.08	0.05	0.05	不要求
											55#	5	0.55	0.22	0.65	0.021	0.010	0.10	0.08	0.06	不要求

表4

各实施例钢材的夹杂物对比见表5

表5

各实施例钢材的机械性能(经调质处理后)参见表6

表6

各实施例钢材的末端淬透性性能参见表7，单位HRC

表7

	J1.5	J3	J5	J7	J9	J11	J13	J15
									本发明实施例1	64	63.5	63.5	60	57	53	51	49
本发明实施例2	64	63	62.5	59.5	58	54	51	48
									本发明实施例3	64	63.5	63	61	58.5	53.5	52	45
55	63	58	43	33	30	28	27	26
									45	57	56	40	30	30	27	25	25.5

从淬透性看，本发明的淬透性显著高于对比钢45及55钢。反映出客户在对材料进行表面淬火后，能获得更高的硬度，从而产品达到更好的耐磨性能。

各实施例的直线导轨用钢的制造流程为电炉或转炉—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连轧—剪切或锯切—堆冷—精整—打件入库。

具体的冶炼时，选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在电炉/转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C分别控制在0.10-0.40％之内，终点P控制在0.020％以下，连铸过热度控制在10-35℃之内。

轧钢工艺的实施例如下表8所示。

表8

由表5-7可知，本发明以上各实施例中的直线导轨用钢与传统的45#和55#钢相比，有害元素如氧、钛以及非金属夹杂物控制水平明显要好。在机械性能方面，本发明的末端淬透性显著高于传统的45#和55#钢，本发明的屈服强度和抗拉强度要明显优于传统的45#和55#钢，屈服强度提高将近300MPa以上，抗拉强度提高200MPa以上，从而使产品获得更好的耐磨性能。此外，本发明由C含量和Mn及Cr含量高于传统45#和55# 钢，从理论上讲，在提高材料强度及硬度的前提下会显著降低钢材的韧性，具体表现在延伸率及冲击性能要明显差于传统的45#及55#钢，为了克服该难题，本发明通过控制钢材的纯净度并且设计了控温轧制+冷却工艺，确保本发明的延伸率及冲击性能基本接近传统45#和55#钢的水平，消除了差异，完全能够满足材料的韧性要求。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种直线导轨用钢，其特征在于：该钢材的化学成分按质量百分比计为C：0.40～0.70%，Si：0.15～0.40%，Mn：1.30～1.80%，Cr：0.30～0.60%， S：0.005～0.030%，P≤0.025%，Ni≤0.25%，Cu≤0.30%，Mo≤0.10%，Al≤0.05%，Ca≤0.0010%，Ti≤0.003%，O≤0.0010%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质；

钢材经过调质处理后，屈服强度≥785MPa，抗拉强度≥930MPa，延伸率≥12%，常温下夏比冲击功AK_U≥50J，钢材的末端淬透性J1.5、J3、J5≥60HRC，J7、J9、J11≥50HRC，其中J1.5代表的是具体钢表面1.5mm位置处的硬度，依次类推；

钢材的非金属夹杂物满足：A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系 ≤1.0；C类细系 = 0；C类粗系 = 0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0。

2.一种直线导轨用钢的热轧生产方法，其特征在于：主要流程为电炉或转炉—炉外精炼—VD或RH真空脱气—连铸—连轧—堆冷；

冶炼原料选用优质铁水、废钢及原辅料，冶炼钢水的目标成分为C：0.40～0.70%，Si：0.15～0.40%，Mn：1.30～1.80%，Cr：0.30～0.60%， S：0.005～0.030%，P≤0.025%，Ni≤0.25%，Cu≤0.30%，Mo≤0.10%，Al≤0.05%，Ca≤0.0010%，Ti≤0.003%，O≤0.0010%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质；

对电炉或转炉出钢终点C、终点P进行控制，并防止电炉或转炉出钢下渣；

LF精炼过程中加强造渣及脱氧操作，LF精炼炉采用Al+SiC进行联合脱氧，保证炉渣良好的脱氧，保证过程中自由氧含量较低，发挥LF炉冶炼去除夹杂物的优势，同时LF过程中应保证钢中残铝量，防止后续过程氧化物夹杂的大量生成；

真空脱气可适当延长处理时间并增大真空下的气体搅拌流量，真空脱气后经长时间的软吹氩处理，让非金属夹杂物充分上浮；

连铸须全程采用防氧化保护浇注，防止钢水二次氧化；连铸采用低过热度浇注，连铸过热度为10-35℃，连铸采用先进的末端电磁搅拌、轻压下的先进工序装备，以控制钢材的偏析，保证连铸方坯中有害元素Ti、O、Ca符合要求，同时钢中非金属夹杂物满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系 ≤1.0；C类细系 = 0；C类粗系 = 0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0；

热轧工艺为，先在步进式加热炉中将坯料加热，预热段温度控制在750-900℃，加热段温度控制在1050-1200℃，均热段温度控制在1100-1200℃，保温3小时以上；

经高压水除鳞处理后进行奥氏体单相区轧制，设置粗轧开轧温度950～1050℃，经多架两辊轧机轧制成目标棒材，终轧温度控制在850-950℃；轧制结束后上冷床温度控制在650-750℃。