CN109825762A - 一种高速高性能轴承钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速高性能轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.77～0.85%；硅0.7～0.9%；锰1.0～1.1%；钼0.15～0.2%；铬1.4～1.55%；铝0.01～0.015%；镧+铈0.001～0.002%；磷＜0.01%；硫＜0.005%；镍≤0.25%；铜≤0.2%；砷≤0.04%；锡≤0.03%；铅≤0.002%；钛≤0.003%；钙≤0.001%，其余为铁。该轴承钢满足如下力学性能要求：高的接触疲劳强度和高的抗压强度；高的抗疲劳剥落性；较好的冲击韧性；良好的尺寸稳定性。

Description

一种高速高性能轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种高速高性能轴承钢及其制备方法。

背景技术

轴承钢是所有合金钢中质量要求最严格、检验项目最多、生产难度最大的钢种之一，主要用于滚动轴承的制造。

国内主要用于轴承制造的轴承钢主要有高碳铬轴承钢如： G8Cr15、GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo等；中碳合金轴承钢如： 50CrVA、55SiMo、55SiMoV等；渗碳轴承钢如：G20CrNiMoA、G20Cr2Ni4A等。在使用过程中发现当高碳铬轴承钢使用在高速冲击载荷环境时，容易开裂失效，造成使用寿命低；使用中碳或渗碳轴承钢，虽然能够避免开裂失效，但往往在使用过程中容易变形卡死造成运转故障或耐磨性差，使用寿命也不高；而且中碳及渗碳轴承钢，为保证其耐磨性，制造过程必须渗碳或碳氮共渗，这样不但生产周期比较长而且大大增加了制造成本。

为提高高速空调压缩机轴承、汽车变速箱轴承、振动筛轴承、高速精密机床主轴轴承、汽车变速箱轴承、新能源汽车、各种高速泵类等轴承的长寿命、高转速、耐冲击、耐交变载荷等使用工况，本团队查阅大量技术资料，根据高速空调压缩机轴承、汽车变速箱轴承、振动筛轴承、高速精密机床主轴轴承、汽车变速箱轴承、新能源汽车、各种高速泵类等，转速高、使用寿命长、需要承载冲击载荷、工作环境可能在室外等特点，提出了上面所述轴承所需材料的力学性能要求：

⑴具有高的接触疲劳强度和高的抗压强度；

⑵具有高的抗疲劳剥落性；

⑶具有较好的冲击韧性,轴承工作中可以承受冲击载荷；

⑷良好的尺寸稳定性，防止轴承在长期使用过程中因尺寸变化降低精度和寿命。

根据材料的这些性能要求，在国内没有找到能全面满足上面要求的材料，在国外找到有满足上述要求的材料，但价格非常昂贵，轴承套圈的材料费用是原来一套轴承价格的几十倍甚至上百倍。

故本发明提供了一种新型高速高性能轴承钢，主要适用于高速空调压缩机轴承、汽车变速箱轴承、振动筛轴承、高速精密机床主轴轴承、汽车变速箱轴承、新能源汽车、各种高速泵类等。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高速高性能轴承钢及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种高速高性能轴承钢，包括以下重量百分比的成分：

碳 0.77～0.85％；

硅 0.7～0.9％；

锰 1.0～1.1％；

钼 0.15～0.2％；

铬 1.4～1.55％；

铝 0.01～0.015％；

镧+铈 0.001～0.002％；

磷 ＜0.01％；

硫 ＜0.005％；

镍 ≤0.25％；

铜 ≤0.2％；

砷 ≤0.04％；

锡 ≤0.03％；

铅 ≤0.002％；

钛 ≤0.003％；

钙 ≤0.001％；

其余为铁。

优选的，所述的高速高性能轴承钢，氧含量低于9PPM。

优选的，所述的高速高性能轴承钢，氢含量低于1PPM。

本发明所述的高速高性能轴承钢的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一，在EBT型电炉中把废钢进行钢液的初炼；待原料熔化后喷入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，并及时流渣并补加石灰100～200kg，以降低出渣时的磷含量,将磷降低到≤0.01％；钢液温度在1590～1620℃沸腾25～35min除气后采用留钢留渣方式出钢；

步骤二，在容量与电炉相匹配的LF钢包精炼炉中，造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内相继加入经过计算的硅铁中间合金、铬铁中间合金、锰铁中间合金、铝、镍铁中间合金，在此工序需要不断加入铝线；在精炼全过程通过装在钢包底部的透气砖向刚也中吹氩气，使钢液获得一定搅拌动能进行精炼钢液，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用铁硅粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，控制温度在1565～1585℃，然后进入VD工序；

(磷硫等是基础钢材中就含有的,磷、硫是有害元素，在冶炼过程中要去除到要求的范围之内。)

步骤三，在VD真空炉中对钢液进行真空处理(真空处理可以很好的去气和脱氧效果，能有效地减少钢中氢氮含量，通过碳、氧反应应去除钢中的氧，通过碱性顶渣与钢水的充分反应脱硫，通过吹氩、脱氧产生的一氧化碳和氩气泡，使得夹杂物附着在气泡上，使夹杂物聚集并上浮，提高钢水的纯净度，此外还具有均匀成分和温度的功能)，在此过程中避免钢液产生大的沸腾在真空度≤67Pa后保持15～20min后吹入氩气20～25min清洗及强化钢液；当罐侧真空破至＞98Pa时，打开液压***，提升真空盖，当真空盖升到顶后，移开罐盖车，并关掉液压***，然后测温、定氢取随炉样、定氧；然后按计算量加入稀土元素镧和铈；当钢液温度在1495～1505℃时开始进行浇铸；

步骤四，浇铸，在浇铸及后期的冷却全过程中进行氩气全封闭保护浇铸；在冷却过程中，首先进行恒温冷却到910～930℃后进行模具内冷却，并加保温盖缓冷。

优选的，所述的步骤一中，留钢量为总出钢量的8～10％，出渣量尽可能的少。

优选的，所述的步骤三中，加入稀土元素的过程中需要开大氩气，稀土元素加入到钢水裸露的位置。

本发明中加入稀土的作用，包括：

1、净化钢液。稀土具有脱氧、脱硫作用，减少并细化钢中夹杂物。

2、变质夹杂。稀土加入钢中生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代长条状硫化锰夹杂，使硫化物形态得到完全控制，提高钢的韧塑性特别是横向冲击韧性，改善钢材的各向异性。稀土使高硬度的氧化铝夹杂转变成球状硫氧化物及铝酸稀土，显著地提高钢的抗疲劳性能。

3、微合金化。稀土在钢中有一定的固溶量，它在晶界的偏聚能抑制磷硫及低熔点杂质铅、锡、砷、锑、铋在晶界的偏析或与这些杂质形成熔点较高的化合物，消除低熔点杂质的有害作用；稀土净化和强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成和扩展，有利于改善塑性尤其是高温塑性；稀土能抑制动态再结晶、细化晶粒和沉淀相尺寸并促进铁素体中Nb(C、N)，(Nb、Ti)(C、N)和V(C、N)的析出；溶解的稀土可改变渗碳体的组成和结构并使碳化物球化、细化和均匀分布。

稀土既是优良的变质剂，也是一种强效微合金元素。稀土具有捕氢性，能使钢的氢致延迟断裂性能得以改善；稀土可提高耐候钢、不锈钢的抗腐蚀性能，耐热钢的抗氧化性能和高温强度，弹簧钢、齿轮钢和轴承钢的抗疲劳性能，难变形高合金钢的热塑性，钢轨及耐磨材料的耐磨性等。钢中加入稀土后，一般能使钢板、无缝钢管的横向冲击韧性提高50％以上，耐腐蚀性能提高60％，同时提高其他性能。每吨钢加稀土300克左右，但作用十分显著，真可谓四两拨千斤。

与传统技术相比较，本发明增加的效果是：

本发明通过增加硅来提高强度，硅使材料具有高的热强性和弹性极限；锰使材料具有高的强度、耐磨性、淬透性。降低碳含量减少轴承套圈及滚动体热处理后碳化物的总量，以提高轴承材料的耐冲击性能；具体的物性测试数据如对比例1所示。

由于按该方案生产的轴承的使用寿命和力学性能匹配于或稍高于普通轴承钢GCr15或GCr15SiMn，要达到轴承使用场合所需的要求，仍然还有明显差距。在对比例1的基础上提出了对比例2的设计。对比例2设计是在对比例1的基础上加入适量的稀土元素镧和铈，稀土元素镧和铈使材料非金属夹杂物数量、尺寸小和密度与钢相近，夹杂物对凝固和流场的影响明显削弱，由此导致的偏析减轻，且发现微量稀土即可对钢中最为关键元素“碳”扩散行为产生显著影响，有利于减少轴承钢热处理过程的脱碳反应，同时改善钢的组织、细化碳化物颗粒。使材料具有高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高的稳定性。

实施例1-3是在实施例2的基础上添加钼含量及控制钛含量。钼使材料的锻件抗拉强度、屈服强度、硬度提高；同时钼可以提高马氏体体回火稳定性，与铬、镍结合可大大提高淬透性，可细化晶粒，提高韧性，提高耐腐蚀能力。研究表明钛含量＞30PPM时，容易形成尖锐的氮化钛和碳化钛，使轴承容易产生疲劳剥落，降低轴承的寿命。

综上所述，本发明提供了一种新型高速高性能轴承钢配方并结合特定的制备方法，得到的轴承钢满足如下力学性能要求：

⑴具有高的接触疲劳强度和高的抗压强度；

⑵具有高的抗疲劳剥落性；

⑶具有较好的冲击韧性,轴承工作中可以承受冲击载荷；

⑷良好的尺寸稳定性，防止轴承在长期使用过程中因尺寸变化降低精度和寿命。

具体实施方式

实施例1：

一种高速高性能轴承钢，包括以下重量百分比的成分：

碳 0.82％；

硅 0.85％；

锰 1.02％；

钼 0.18％；

铬 1.47％；

铝 0.012％；

镧 0.001％；

铈 0.0004％

磷 ＜0.01％；

硫 ＜0.005％；

镍 ≤0.25％；

铜 ≤0.2％；

砷 ≤0.04％；

锡 ≤0.03％；

铅 ≤0.002％；

钛 ≤0.003％；

钙 ≤0.001％；

其余为铁。

所述的高速高性能轴承钢，氧含量低于9PPM。

所述的高速高性能轴承钢，氢含量低于1PPM。

本发明所述的高速高性能轴承钢的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一，在EBT型电炉中把废钢进行钢液的初炼；待原料熔化后喷入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，并及时流渣并补加石灰125kg，以降低出渣时的磷含量,将磷降低到≤0.01％；钢液温度在1600℃沸腾30min除气后采用留钢留渣方式出钢，留钢量为总出钢量的8.5％，出渣量尽可能的少；

步骤二，在容量与电炉相匹配的LF钢包精炼炉中，造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内相继加入经过计算的硅铁中间合金、铬铁中间合金、锰铁中间合金、铝、镍铁中间合金，在此工序需要不断加入铝线；在精炼全过程通过装在钢包底部的透气砖向刚也中吹氩气，使钢液获得一定搅拌动能进行精炼钢液，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用铁硅粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，控制温度在1565～1585℃，然后进入VD工序；

步骤三，在VD真空炉中对钢液进行真空处理，在此过程中避免钢液产生大的沸腾在真空度≤67Pa后保持18min后吹入氩气22min 清洗及强化钢液；当罐侧真空破至＞98Pa时，打开液压***，提升真空盖，当真空盖升到顶后，移开罐盖车，并关掉液压***，然后测温、定氢取随炉样、定氧；然后按计算量加入稀土元素镧和铈；加入稀土元素的过程中需要开大氩气，稀土元素加入到钢水裸露的位置；当钢液温度在1498℃时开始进行浇铸；

步骤四，浇铸，在浇铸及后期的冷却全过程中进行氩气全封闭保护浇铸；在冷却过程中，首先进行恒温冷却到918℃后进行模具内冷却，并加保温盖缓冷。

实施例2：

一种高速高性能轴承钢，包括以下重量百分比的成分：

碳 0.85％；

硅 0.7％；

锰 1.1％；

钼 0.15％；

铬 1.55％；

铝 0.01％；

镧 0.0008％；

铈 0.0012％

磷 ＜0.01％；

硫 ＜0.005％；

镍 ≤0.25％；

铜 ≤0.2％；

砷 ≤0.04％；

锡 ≤0.03％；

铅 ≤0.002％；

钛 ≤0.003％；

钙 ≤0.001％；

其余为铁。

所述的高速高性能轴承钢，氧含量低于9PPM。

所述的高速高性能轴承钢，氢含量低于1PPM。

本发明所述的高速高性能轴承钢的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一，在EBT型电炉中把废钢进行钢液的初炼；待原料熔化后喷入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，并及时流渣并补加石灰200kg，以降低出渣时的磷含量,将磷降低到≤0.01％；钢液温度在1590～1620℃沸腾25min除气后采用留钢留渣方式出钢，留钢量为总出钢量的10％，出渣量尽可能的少；

步骤二，在容量与电炉相匹配的LF钢包精炼炉中，造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内相继加入经过计算的硅铁中间合金、铬铁中间合金、锰铁中间合金、铝、镍铁中间合金，在此工序需要不断加入铝线；在精炼全过程通过装在钢包底部的透气砖向刚也中吹氩气，使钢液获得一定搅拌动能进行精炼钢液，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用铁硅粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，控制温度在1565～1585℃，然后进入VD工序；

步骤三，在VD真空炉中对钢液进行真空处理，在此过程中避免钢液产生大的沸腾在真空度≤67Pa后保持20min后吹入氩气20min 清洗及强化钢液；当罐侧真空破至＞98Pa时，打开液压***，提升真空盖，当真空盖升到顶后，移开罐盖车，并关掉液压***，然后测温、定氢取随炉样、定氧；然后按计算量加入稀土元素镧和铈；加入稀土元素的过程中需要开大氩气，稀土元素加入到钢水裸露的位置；当钢液温度在1505℃时开始进行浇铸；

步骤四，浇铸，在浇铸及后期的冷却全过程中进行氩气全封闭保护浇铸；在冷却过程中，首先进行恒温冷却到910℃后进行模具内冷却，并加保温盖缓冷。

实施例3：

一种高速高性能轴承钢，包括以下重量百分比的成分：

碳 0.77％；

硅 0.9％；

锰 1.0％；

钼 0.2％；

铬 1.4％；

铝 0.015％；

镧 0.0004％；

铈 0.0006％；

磷 ＜0.01％；

硫 ＜0.005％；

镍 ≤0.25％；

铜 ≤0.2％；

砷 ≤0.04％；

锡 ≤0.03％；

铅 ≤0.002％；

钛 ≤0.003％；

钙 ≤0.001％；

其余为铁。

所述的高速高性能轴承钢，氧含量低于9PPM。

所述的高速高性能轴承钢，氢含量低于1PPM。

本发明所述的高速高性能轴承钢的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一，在EBT型电炉中把废钢进行钢液的初炼；待原料熔化后喷入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，并及时流渣并补加石灰100kg，以降低出渣时的磷含量,将磷降低到≤0.01％；钢液温度在1590～1620℃沸腾35min除气后采用留钢留渣方式出钢，留钢量为总出钢量的8％，出渣量尽可能的少；

步骤二，在容量与电炉相匹配的LF钢包精炼炉中，造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内相继加入经过计算的硅铁中间合金、铬铁中间合金、锰铁中间合金、铝、镍铁中间合金，在此工序需要不断加入铝线；在精炼全过程通过装在钢包底部的透气砖向刚也中吹氩气，使钢液获得一定搅拌动能进行精炼钢液，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用铁硅粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，控制温度在1565～1585℃，然后进入VD工序；

步骤三，在VD真空炉中对钢液进行真空处理，在此过程中避免钢液产生大的沸腾在真空度≤67Pa后保持15min后吹入氩气25min 清洗及强化钢液；当罐侧真空破至＞98Pa时，打开液压***，提升真空盖，当真空盖升到顶后，移开罐盖车，并关掉液压***，然后测温、定氢取随炉样、定氧；然后按计算量加入稀土元素镧和铈；加入稀土元素的过程中需要开大氩气，稀土元素加入到钢水裸露的位置；当钢液温度在1495℃时开始进行浇铸；

步骤四，浇铸，在浇铸及后期的冷却全过程中进行氩气全封闭保护浇铸；在冷却过程中，首先进行恒温冷却到930℃后进行模具内冷却，并加保温盖缓冷。

对比例1：

与实施例1相比，制备过程中不加入稀土元素镧和铈；同时不添加钼含量并控制钛含量；经检测，此时稀土元素镧+铈的含量＜1PPM，钼含量为5PPM，钛含量为50PPM。

对比例2：

与实施例1相比，制备过程中不加入稀土元素镧和铈，经检测，此时稀土元素镧+铈的含量＜1PPM。

以下对实施例1和对比例1-2的轴承钢样品的力学性能进行对比测试，具体的测试数据见表1。

表1：实施例1和对比例1-2的轴承钢样品的力学性能测试数据；

同时将实施例1和对比例1-2的轴承钢样品进行使用寿命测试，具体的测试条件和数据见表2。

表2：实施例1和对比例1-2的轴承钢样品的使用寿命测试数据；

由以上测试数据可以知道，本发明实施例1技术方案相比于对比例1-2，在力学性能和使用寿命方面具有显著的提升。

以下对本发明的轴承钢制备方法与目前使用的中碳或渗碳轴承钢的制备方法的区别在于：

目前使用中碳或渗碳轴承钢，虽然能够避免开裂失效，但往往在使用过程中容易变形卡死造成运转故障或耐磨性差，使用寿命也不高。而且中碳及渗碳轴承钢，为保证其耐磨性，制造过程必须渗碳或碳氮共渗，这样不但生产周期比较长而且大大增加了制造成本，渗碳或碳氮共渗一般热处理周期需要25小时左右；生产成本大约每公斤4元左右，其中热处理的成本约为每公斤2.7元(以2018年 12月的市场价计算，以下相同)。

本发明实施例1的热处理周期8小时左右(对比例1-2的时间更短)，热处理成本为每公斤1.5元左右，相比传统的工艺每公斤节约 1.2元左右。

以每年生产轴承钢10万吨计算，在热处理生产方面可为节约成本约1.2亿元。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速高性能轴承钢，其特征在于，包括以下重量百分比的成分：

碳 0.77～0.85%；

硅 0.7～0.9%；

锰 1.0～1.1%；

钼 0.15～0.2%；

铬 1.4～1.55%；

铝 0.01～0.015%；

镧+铈 0.001～0.002%；

磷 ＜0.01%；

硫 ＜0.005%；

镍 ≤0.25%；

铜 ≤0.2%；

砷 ≤0.04%；

锡 ≤0.03%；

铅 ≤0.002%；

钛 ≤0.003%；

钙 ≤0.001%；

其余为铁。

2.如权利要求1所述的高速高性能轴承钢，其特征在于，氧含量低于9PPM。

3.如权利要求1所述的高速高性能轴承钢，其特征在于，所述的高速高性能轴承钢，氢含量低于1PPM。

4.如权利要求1-3任一所述的高速高性能轴承钢，其特征在于，其制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一，在EBT型电炉中把废钢进行钢液的初炼；待原料熔化后喷入焦炭粉造泡沫渣，造渣高度为550～650mm，并及时流渣并补加石灰100～200kg，以降低出渣时的磷含量,将磷降低到≤0.01%；钢液温度在1590～1620℃沸腾25～35min除气后采用留钢留渣方式出钢；

步骤二，在容量与电炉相匹配的LF钢包精炼炉中，造渣脱氧、脱硫、脱除杂物；同时向钢包内相继加入经过计算的硅铁中间合金、铬铁中间合金、锰铁中间合金、铝、镍铁中间合金，在此工序需要不断加入铝线；在精炼全过程通过装在钢包底部的透气砖向刚也中吹氩气，使钢液获得一定搅拌动能进行精炼钢液，在吹氩气过程中控制钢液不裸露渣面，并采用铁硅粉、碳粉进行顶渣的钢液扩散脱氧，控制温度在1565～1585℃，然后进入VD工序；

步骤三，在VD真空炉中对钢液进行真空处理，在此过程中避免钢液产生大的沸腾在真空度≤67Pa后保持15～20min后吹入氩气20～25min清洗及强化钢液；当罐侧真空破至＞98Pa时，打开液压***，提升真空盖，当真空盖升到顶后，移开罐盖车，并关掉液压***，然后测温、定氢取随炉样、定氧；然后按计算量加入稀土元素镧和铈；当钢液温度在1495～1505℃时开始进行浇铸；

步骤四，浇铸，在浇铸及后期的冷却全过程中进行氩气全封闭保护浇铸；在冷却过程中，首先进行恒温冷却到910～930℃后进行模具内冷却，并加保温盖缓冷。

5.如权利要求4所述的高速高性能轴承钢，其特征在于，所述的步骤一中，留钢量为总出钢量的8～10%，出渣量尽可能的少。

6.如权利要求4所述的高速高性能轴承钢，其特征在于，所述的步骤三中，加入稀土元素的过程中需要开大氩气，稀土元素加入到钢水裸露的位置。