CN115110003A

CN115110003A - 一种掘进机主轴承用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN115110003A
Application number: CN202210771731.0A
Authority: CN
Inventors: 刘飞香; 程永亮; 胡斌; 麻成标; 逯志方; 廖金军; 许正根; 刘华
Original assignee: China Railway Construction Heavy Industry Group Co Ltd
Current assignee: China Railway Construction Heavy Industry Group Co Ltd
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2042-06-30
Also published as: CN115110003B

Abstract

本发明提供的一种掘进机主轴承用钢，以质量比计包括以下成分：C0.41％‑0.46％、Si0.15％‑0.35％、Mn0.85％‑1.15％、Cr1.20％‑1.40％、Al0.01％‑0.05％、Mo0.15％‑0.35％、Cu≤0.15％、V0.05％‑0.10％、Ni0.30％‑0.50％、RE0.0050％‑0.015％、其余为Fe。本发明提供的一种掘进机主轴承用钢，通过在传统大型风电或掘进机主轴承成分设计基础上提高Mn、Cr元素含量，以提高材料淬透性、改善轴承心部基体组织；以及通过降低Ni、P、S元素含量以及添加少量V、RE元素，以提升材料的低温冲击韧性。

Description

一种掘进机主轴承用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及掘进机主轴承技术领域，具体涉及一种掘进机主轴承用钢及其生产方法。

背景技术

掘进机主轴承工作期间承受多重载荷，且通常要求疲劳寿命高于10000小时，对材料的洁净度以及低温冲击韧性要求苛刻，普通42CrMo4材料难以满足其性能要求。如中国专利CN 104532140 A公开了一种大尺寸盾构机轴承套圈用钢及其热处理方法，在普通42CrMo的基础上，通过增加适量的Ni元素以及C元素，得到了满足大尺寸轴承套圈用钢的对于淬透性，表面淬火硬度、心部韧性和硬度的要求。但该方法未提及到对疲劳寿命影响很大的钢材的洁净度控制，同时该材料成分设计中贵重金属Ni元素含量高，但Mn、Cr元素含量低，材料合金化成本高且淬透性受限，不利于更大尺寸的掘进机主轴承的组织控制。

大型风电主轴承因其超长的服役寿命要求(通常要求寿命≥20年，海上风电轴承甚至≥25年)，在普通42CrMo4材料基础上已发展了多种材料，提高了材料的洁净度、力学性能以及低温冲击性能等，但由于风电主轴承与掘进机主轴承在服役工况差异较大，通常难以满足掘进机主轴承重载，高冲击性能等要求。如中国专利CN 11257514 A公开了一种大型轴类锻件用42CrMo4钢的冶炼工艺及其应用，通过对冶炼阶段、精炼阶段、真空精炼阶段的分布精炼工艺，提高了42CrMo4钢的纯净度，但该方法在VD真空精炼阶段前向钢水喂入Ca-Si线，会造成钢种出现大颗粒的高铝酸盐类夹杂物，对钢材的疲劳寿命不利；中国专利CN106702099 A公开了一种不小于Φ450mm风电主轴用调质钢42CrMo4制造工艺，通过添加钒、铌、镍强化元素，解决了调质后力学性能稳定性问题，但力学性能及冲击性能仍不能满足掘进机主轴承齿圈性能要求，此外同样面临非金属夹杂物保证能力不足及白点问题；以及中国专利CN 110055473 A公开了一种超长寿命的耐冲击轴承钢，通过添加元素锂和铯，显著提升了钢材在高速下的耐冲击能力，但该材料的冲击吸收功偏低，此外对疲劳寿命影响显著的氮化钛、钙铝酸盐等非金属夹杂物未提及到，且硬度偏高，难以满足掘进机主轴承用钢技术要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于生产掘进机主轴承且具有高洁净度高低温冲击韧性的钢结构及其生产方法，通过材料成分设计及过程工艺控制，大幅提升钢材的洁净度以及低温冲击韧性，提高材料的疲劳性能及耐冲击性能。

本发明提供了一种掘进机主轴承用钢，以质量比计包括以下成分：

C：0.41％-0.46％Si：0.15％-0.35％Mn：0.85％-1.15％Cr：1.20％-1.40％

Al：0.01％-0.05％Mo：0.15％-0.35％Cu≤0.15％V：0.05％-0.10％

Ni：0.30％-0.50％RE：0.0050％-0.015％其余为Fe。

本发明还提供了一种掘进机主轴承用钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

转炉冶炼工序：转炉过程中入炉铁水控制P≤0.09％、S≤0.003％、废钢比控制≤20％；出钢氧含量控制≤0.0350％、出钢碳含量控制≥0.12％，并转炉出钢过程中依次加入碳和铝块脱氧；采用微铝硅铁、低碳锰铁、低钛高碳铬铁、钒铁、镍板和碳进行钢水合金化；在钢包中加入石灰熔合成渣，熔合成渣量为1.0kg/t-1.5kg/t，熔合成渣的主要成分和重量百分含量为CaO:45％-60％、SiO2≤3％、Al2O3:35％-45％；

LF精炼工序：LF处理过程控制钢包底吹氩气流量2.5～5.0L/min·t^-1；精炼全过程采用微正压操作，LF冶炼前期，分两次加入铝粒30kg-50kg；LF冶炼中期，加入石英30kg-50kg和石灰200kg-400kg，控制精炼渣碱度为2.5-4.0；

RH真空精炼工序：真空度为67Pa-110Pa，RH真空处理时间为35min-45min，复压后加入稀土合金，控制RE含量为0.0050％-0.015％，控制软吹时间25min-50min；

浇铸工序：采用保护浇铸方式，将精炼的钢水浇铸成连铸坯或者钢锭。

可选的，所述转炉出钢初期过程中，加入碳预脱氧，碳加入量为0.15kg/t-0.25kg/t。

可选的，所述转炉出钢过程中，加入钢包中的石灰含量为1.5kg/t-3.0kg/t。

可选的，所述转炉冶炼过程中，采用挡渣锥和滑板双挡渣模式，控制出钢下渣量为≤2.0kg/t；再采用捞渣或扒渣方式，去除钢包炉内不低于一半的炉渣后，继续添加石灰熔合成渣，熔合成渣量为1.5kg/t-2.0kg/t。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种掘进机主轴承用钢，因Mn、Cr元素可有效提高钢铁材料的淬透性原理是行业公知，Mn/Cr合金元素增强了过冷奥氏体的稳定性，因此提高了材料的淬透性，本发明的掘进机主轴承用钢因掘进机主轴承的尺寸大(主轴承套圈直径一般为3m-10m)，对原材料淬透性要求更高，这样使得材料在后续调质处理(淬火+高温回火)后，材料心部基体组织全部为回火索氏体组织，若淬透性不足，心部会出现屈氏体或铁素体等异常组织，降低材料冲击性能，使轴承在服役过程出现疲劳失效，但Mn元素会增加钢中的过热敏感性，造成淬火过程中晶粒异常长大；而本发明中通过将Mn、Cr元素分别设置为0.85％-1.15％和1.20％-1.40％，以达到即提高了材料淬透性又改善了轴承心部基体组织的目的；此外本发明添加少量V和RE可某种程度上弥补提高Mn含量带来的不利影响；以及由于Cr元素过高，会造成淬火过程残余奥氏体增多，降低材料硬度；P/S等有害元素在晶界偏聚，降低晶界结合力，从而降低材料的冲击韧性，在低温环境中这种影响更加严重，Ni元素降低裂纹在材料中的扩展速率，降低材料的缺口敏感性，改善材料冲击性能；V、RE可通过细化晶粒度来提升材料的低温冲击韧性。

(2)本发明提供的一种掘进机主轴承用钢的生产方法，大幅降低钢中Ca、Ti、O含量，降低了氧化物及氮化钛等非金属夹杂物含量，并通过对冶炼-精炼-连铸工序过程工艺的控制，降低大颗粒夹杂物数量，提高材料的疲劳寿命。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

本发明提供的一种掘进机主轴承用钢，包括以下成分：

C：0.41％-0.46％Si：0.15％-0.35％Mn：0.85％-1.15％Cr：1.20％-1.40％

Al：0.01％-0.05％Mo：0.15％-0.35％Cu≤0.15％V：0.05％-0.10％

Ni：0.30％-0.50％RE：0.0050％-0.015％其余为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明还提供了一种掘进机主轴承用钢的生产方法，包括以下步骤：

转炉冶炼工序：转炉过程中入炉铁水控制P≤0.09％、S≤0.003％、废钢比控制≤20％、出钢氧含量控制≤0.0350％、出钢碳含量控制≥0.12％；并转炉出钢过程中依次加入碳和铝块脱氧；采用微铝硅铁、低碳锰铁、低钛高碳铬铁、钒铁、镍板和碳进行钢水合金化；在钢包中加入石灰熔合成渣，熔合成渣量为1.0kg/t-1.5kg/t，熔合成渣的主要成分和重量百分含量为CaO:45％-60％、SiO2≤3％、Al2O3:35％-45％；

可选的，所述转炉冶炼过程中，脱氧的碳加入量为0.15kg/t-0.25kg/t。

可选的，所述转炉冶炼过程中，加入钢包中的石灰含量为1.5kg/t-3.0kg/t。

可选的，所述转炉冶炼过程中，采用挡渣锥和滑板双挡渣模式，控制出钢下渣量为≤2.0kg/t。

可选的，所述转炉冶炼过程中，采用捞渣或扒渣方式，去除钢包炉内不低于一半的炉渣后，继续添加石灰熔合成渣，熔合成渣量为1.5kg/t-2.0kg/t。

实施例1：

本发明提供的一种掘进机主轴承用钢的生产方法，包括以下步骤：

转炉冶炼工序：控制入炉铁水P：0.09％、S：0.005％、废钢比控制为20％、出钢氧含量为0.0250％、出钢碳含量为0.15％；出钢约5t后依次加入100kg碳电极粒和铝块脱氧；出钢约30t后依次加入微铝硅铁、低碳锰铁、低钛高碳铬铁、钒铁、镍板和碳进行钢水合金化操作；出钢后期，在钢包中加入石灰(石灰的加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点的熔合成渣(熔合成渣量为1.5kg/t)；采用挡渣锥和滑板双挡渣模式，出钢下渣量约有1.5kg/t；再采用捞渣或扒渣方式，去除钢包炉内一半的炉渣，添加石灰(石灰的加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点合成渣(熔合成渣量为2.0kg/t)。

LF精炼工序：LF处理过程控制钢包底吹氩气流量2.5L/min·t^-1；精炼全过程采用微正压操作，LF冶炼前期，首次加入铝粒30kg，第二次加入20kg；LF冶炼中期，加入石英30kg和石灰200kg，控制精炼渣碱度为2.5。

RH真空精炼工序：真空度为67Pa，RH真空处理时间为45min，复压后加入稀土合金，钢中RE含量为0.0050％，软吹时间25min。

浇铸工序：采用保护浇铸方式，将精炼的钢水浇铸成连铸坯；精炼的钢水成分与重量百分比如表1所示：

表1

元素

C

Si

Mn

Cr

Al

Mo

Cu

V

Ni

成分

0.41％

0.15％

0.85％

1.20％

0.01％

0.15％

0.06％

0.05％

0.30％

元素

RE

P

S

Ca

Ti

O

N

Fe

成分

0.005％

0.008％

0.002％

0.0001％

0.0012％

0.0006％

0.0024％

94.2507％

实施例2：

转炉冶炼工序：控制入炉铁水P：0.075％、S：0.004％、废钢比控制为15％、出钢氧含量为0.0350％、出钢碳含量为0.12％；在出钢约5t后依次加入125kg碳电极粒和铝块脱氧；在出钢约30t后依次加入微铝硅铁、低碳锰铁、低钛高碳铬铁、钒铁和镍板进行钢水合金化操作；出钢后期，在钢包中加入石灰(石灰加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点熔合成渣(熔合成渣量为1.5kg/t)；采用挡渣锥和滑板双挡渣模式，出钢下渣量约有2.0kg/t；再采用捞渣或扒渣方式，去除钢包炉内三分之二的炉渣，添加石灰(石灰的加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点熔合成渣(熔合成渣量为2.0kg/t)。

LF精炼工序：LF处理过程控制钢包底吹氩气流量5.0L/min·t^-1；精炼全过程采用微正压操作，LF冶炼前期，首次加入铝粒20kg，第二次加入10kg；LF冶炼中期，加入石英50kg和石灰400kg，控制精炼渣碱度为4.0。

RH真空精炼工序：真空度为110Pa，RH真空处理时间为35min，复压后加入稀土合金，钢中RE含量为0.015％，软吹时间50min。

浇铸工序：采用保护浇铸方式，将精炼的钢水浇铸成连铸坯，精炼的钢水成分与重量百分比如表2所示：

表2

元素

C

Si

Mn

Cr

Al

Mo

Cu

V

Ni

成分

0.46％

0.35％

0.95％

1.25％

0.05％

0.18％

0.12％

0.10％

0.35％

元素

RE

P

S

Ca

Ti

O

N

Fe

成分

0.015％

0.007％

0.001％

0.0002％

0.0008％

0.0005％

0.0032％

96.1623％

实施例3：

转炉冶炼工序：控制入炉铁水P：0.085％，S：0.003％，废钢比控制为18％，出钢氧含量为0.0230％，出钢碳含量为0.14％，出钢约5t后依次加入100kg碳电极粒和铝块脱氧；出钢约30t后依次加入；微铝硅铁、低碳锰铁、低钛高碳铬铁、钒铁和镍板进行钢水合金化操作；出钢后期，在钢包加入石灰(石灰加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点熔合成渣(熔合成渣量为1.5kg/t)；采用挡渣锥和滑板双挡渣模式，出钢下渣量约有1.0kg/t；再采用捞渣或扒渣方式，去除钢包炉内约一半的炉渣，添加石灰(石灰加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点熔合成渣(熔合成渣量为2.0kg/t)。

LF精炼工序：LF处理过程控制钢包底吹氩气流量3.0L/min·t^-1；精炼全过程采用微正压操作，LF冶炼前期，首次加入铝粒20kg，第二次加入20kg；LF冶炼中期，加入石英40kg和石灰300kg，控制精炼渣碱度为3.5。

RH真空精炼工序：真空度为80Pa，RH真空处理时间为45min，复压后加入稀土合金，钢中RE含量为0.012％，软吹时间40min。

浇铸工序：采用保护浇铸方式，将精炼的钢水浇铸成连铸坯，精炼的钢水成分与重量百分比如表3所示：

表3

元素

C

Si

Mn

Cr

Al

Mo

Cu

V

Ni

成分

0.43％

0.28％

1.15％

1.40％

0.03％

0.35％

0.15％

0.08％

0.50％

元素

RE

P

S

Ca

Ti

O

N

Fe

成分

0.012％

0.009％

0.001％

0.0001％

0.0009％

0.0007％

0.0028％

95.6035％

对比例：

转炉冶炼工序：控制入炉铁水P：0.12％、S：0.025％、废钢比控制为25％、出钢氧含量为0.0450％、出钢碳含量为0.08％；出钢过程铝块脱氧，出钢约30t后依次加入增碳剂、优质合金微铝硅铁、低碳锰铁、低钛高碳铬铁、钒铁、镍板进行钢水合金化操作；出钢后期，钢包加入石灰(石灰加入量为2.5kg/t)进行高碱度低熔点熔合成渣(熔合成渣量为3.5kg/t)，采用滑板双挡渣模式。

LF精炼工序：LF处理过程控制钢包底吹氩气流量3.0L/min·t^-1；LF冶炼前期，一次性加入铝粒50kg；LF冶炼中期，加入石灰300kg，控制精炼渣碱度为5.5～6.5。

RH真空精炼工序：真空度为70Pa，RH真空处理时间为45min，软吹时间40min。

浇铸工序：采用保护浇铸方式，将精炼的钢水浇铸成连铸坯，精炼的钢水成分与重量百分比如表4所示：

表4

元素

C

Si

Mn

Cr

Al

Mo

Cu

Ni

成分

0.42％

0.30％

0.80％

1.05％

0.04％

0.30％

0.10％

0.60％

元素

P

S

Ca

Ti

O

N

Fe

成分

0.015％

0.004％

0.0004％

0.0019％

0.0008％

0.0044％

96.3635％

实施实例1-3与对比例所达到的洁净度控制水平如表5所示：

表5

采用实施实例1-3以及对比例生产的钢材经锻制、机加工及热处理生产的掘进机套圈的性能如表6所示：

表6

	冲击韧性/J(-20℃，KV2)	服役时间/h	备注
				实施例1	98、102、105	14360	运行正常，下线
实施例2	103、105、99	12860	运行正常，下线
				实施例3	100、104、103	13560	运行正常，下线
对比例	86、92、88	12440	套圈滚道失效，下线

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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

1.一种掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计包括以下成分：

C：0.41％-0.46％ Si：0.15％-0.35％ Mn：0.85％-1.15％ Cr：1.20％-1.40％

Al：0.01％-0.05％ Mo：0.15％-0.35％ Cu≤0.15％ V：0.05％-0.10％

Ni：0.30％-0.50％ RE：0.0050％-0.015％其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计包括以下成分：

C：0.41％ Si：0.15％ Mn：0.85％ Cr：1.20％

Al：0.01％ Mo：0.15％ Cu：0.06％ V：0.05％

Ni：0.30％ RE：0.005％其余为Fe。

3.根据权利要求2所述的掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计还包括以下成分：

P：0.008％ S：0.002％ Ca：0.0001％ Ti：0.0012％

O：0.0006％ N：0.0024％。

4.根据权利要求1所述的掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计包括以下成分：

C：0.46％ Si：0.35％ Mn：0.95％ Cr：1.25％

Al：0.05％ Mo：0.18％ Cu：0.12％ V：0.10％

Ni：0.35％ RE：0.015％其余为Fe。

5.根据权利要求4所述的掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计还包括以下成分：

P：0.007％ S：0.001％ Ca：0.0002％ Ti：0.0008％

O：0.0005％ N：0.0032％。

6.根据权利要求1所述的掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计包括以下成分：

C：0.43％ Si：0.28％ Mn：1.15％ Cr：1.40％

Al：0.03％ Mo：0.35％ Cu：0.15％ V：0.08％

Ni：0.50％ RE：0.012％其余为Fe。

7.根据权利要求6所述的掘进机主轴承用钢，其特征在于，以质量比计还包括以下成分：

P：0.009％ S：0.001％ Ca：0.0002％ Ti：0.0009％

O：0.0007％ N：0.0028％。

8.一种掘进机主轴承用钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的掘进机主轴承用钢的生产方法，其特征在于，所述转炉出钢初期过程中，加入碳预脱氧，碳加入量为0.15kg/t-0.25kg/t；

加入钢包中的石灰含量为1.5kg/t-3.0kg/t。

10.根据权利要求9所述的掘进机主轴承用钢的生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼过程中，采用挡渣锥和滑板双挡渣模式，控制出钢下渣量为≤2.0kg/t；再采用捞渣或扒渣方式，去除钢包炉内不低于一半的炉渣后，继续添加石灰熔合成渣，熔合成渣量为1.5kg/t-2.0kg/t。