CN115747647A

CN115747647A - 一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法

Info

Publication number: CN115747647A
Application number: CN202211390034.7A
Authority: CN
Inventors: 樊启航; 白云; 翟蛟龙; 吴小林; 欧屹; 芦莎; 梁医; 冯虎田; 张磊; 殷加银; 庹小雨
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology; Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology; Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2042-11-08
Also published as: CN115747647B

Abstract

本发明涉及一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法，该钢的化学成分按质量百分比计为C：0.50～0.57％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.90～2.05％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Ni：0.30～0.50％，Mo：0.45～0.55％，Cr：0.40～0.50％，余量为Fe及不可避免的杂质元素；整个工艺流程为：配料→铁水KR预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→连铸→入缓冷坑缓冷→冷装入炉加热→高压水除鳞→开坯轧制→中间坯入坑缓冷→冷装入炉加热→轧制成型→轧制余温淬火→球化退火→矫直→探伤→入库。本发明采用全新的成分设计，大幅提高了最终直线导轨成品的耐磨性；采用轧制余温淬火+多段式的球化退火工艺，实现中碳钢球化率90％以上。

Description

一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼领域，具体涉及一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法。

背景技术

早在100多年前，西方就发明了钢球在螺旋传动中完成循环滚动的构想。日本THK公司于1972年首次设计出直线运动“滚动化”，直线导轨就此孕育而生。而感应淬火和精密磨削的诞生和发展，使产品的精度和档次迅速提升，大大推动了直线导轨的专业化生产，到20世纪70年代美、德、日等国家，首先从轴承行业中涌现出一批滚动功能部件专业生产企业。

在材料选用方面，绝大多数国内直线导轨生产厂家原材料还是采用S55C、GCr15等。但是经过多年实践证明：这类轴承钢仅仅能勉强满足接触刚度的性能要求，作为细长杆件，与轴承有很大差别。直线导轨的耐磨性和精密性是导轨行业最关注的两个问题，从原材料角度，一方面，采用全新的成分设计，大幅提高材料耐磨性；另一方面，提高直线导轨用钢球化率，解决导轨制造过程中的热处理变形问题，最终实现直线导轨的高精密性。

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高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法，大幅提高最终导轨成品的耐磨性，原材料高球化率，解决直线导轨变形问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢，该直线导轨用钢的化学成分按质量百分比计为C：0.50～0.57％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.90～2.05％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Ni：0.30～0.50％，Mo：0.45～0.55％，Cr：0.40～0.50％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明直线导轨用钢的化学成分是这样确定的:

C：是确保钢材强度所必须的元素，但过高的C含量对钢的延性、韧性不利。本发明控制碳含量为0.50～0.57％。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，Si含量较高时会增加钢的脆性，并使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明控制硅含量为0.17～0.37％。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并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，提高材料的耐磨性。本发明Mn含量控制为1.90～2.05％。

Ni：通过增加合金Ni可以提高材的淬透性，且在钢中加入一定量的Ni，可以增加材料的韧性。本发明将其含量控制在0.30～0.50％。

Mo：存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，能改善钢的淬透性和回火稳定性，还能细化晶粒，改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性。Mo也是贵重金属，含量过高会增加成本。本发明中Mo的含量控制在0.45～0.55％。

Cr：是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的Cr强烈提高淬透性。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高稳定性；一部分溶入铁素体中，起固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。本发明将其含量控制在0.40～0.50％。

P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢材的韧性(特别是心部的韧性)带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P：≤0.010％，S：≤0.005％。

本发明解决另一技术问题的技术方案为，一种制造上述高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的方法，整个工艺流程为：配料→铁水KR预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→连铸→入缓冷坑缓冷→冷装入炉加热→高压水除鳞→开坯轧制→中间坯入坑缓冷→冷装入炉加热→轧制成型→轧制余温淬火→球化退火→矫直→探伤→入库。

具体工艺步骤如下：

首先将冶炼原料经KR预处理，确保铁水中的五害元素、P、S含量降至最低，为转炉冶炼提供优质原料；

再经转炉冶炼，为防止后道工序回P并保证成品的P要求，转炉出钢需采用扒渣工艺，P含量务必控制在0.008％以下；

再将钢水经过LF精炼，微调合金含量，确保钢水的化成成分满足要求，并加入脱氧剂，将钢水中的氧含量降至最低；

再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，高真空时间必须大于10分钟，软吹氩时间不得短于20分钟，以促使非金属夹杂物充分上浮；

再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；

将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度不得低于630℃，缓冷时间必须大于72小时，出坑，出坑温度不得高于180℃，连铸坯缓慢冷却，避免因冷却不当导致应力开裂；

然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1230-1260℃，保温7-8小时出炉；

经高压水除鳞后进行开坯轧制，粗轧采用往复式轧机，轧制15道次，采用大压下轧制，其中两道次的压下量大于10％，粗轧过程中对坯料表面喷水，适当降低坯料表面温度，使得轧制力渗透到坯料心部，改善连铸坯心部缩孔等缺陷，为避免温度降低太快，粗轧最后5道次关闭冷却水，以保证坯料进后续轧机时的温度，轧制成的尺寸为230mm*230mm，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间大于48小时；

中间坯冷装入炉加热，加热温度1230-1260℃，保温3-4小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，保证开轧温度960℃-1020℃，终轧温度880℃-920℃；

终轧结束后，利用轧制余温淬火，得到“马氏体+贝氏体+珠光体”组织，再将材料冷装入退火炉进行球化退火，球化退火采用多段式的工艺，实现球化率90％以上，具体球化工艺见附图。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)全新的成分设计，在传统的直线导轨用钢S55C基础上，大幅增加了Mn含量，同时额外增加了合金元素Cr、Ni和Mo，提高了直线导轨表面感应淬火时的淬硬层深度和硬度，最终实现了直线导轨成品的高耐磨性。本发明材料Mn含量远高于传统材料和进口材，Mn含量能提高材料的淬硬性，因此，材料在制成导轨并经过表面感应淬火后，感应层的硬度更高；与此同时，Cr、Ni、Mo合金的加入，能大大提高材料的淬透性，导轨在做感应淬火时，电磁感应参数不变的情况下，淬透层更深；本发明产品制成直线导轨并经过表面感应淬火后，淬硬层硬度更高，且淬硬层深度更深；本发明与传统材料和进口材的淬透性对比见附图；伴随着Ni、Mo的加入，表面感应层经过回火后，韧性更好，回火稳定性更强，硬度更均匀，因此，本发明产品具有高耐磨性。

2)创新的利用轧制余温进行淬火，为球化退火提供优良的组织条件。传统的直线导轨用钢的热轧态组织为“珠光体+少量的铁素体”，该组织几乎属于平衡态组织，组织畸变能小，不易发生组织转变，因此不利于球化；本发明材料轧制余温淬火，使得材料轧后金相组织为“马氏体+贝氏体+珠光体”的混合组织，马氏体和贝氏体不稳定，组织畸变能大，极易发生组织转变，球化退火时，更易析出碳化物，从而更容易球化。

3)多段式的球化退火工艺，实现中碳钢球化率90％以上。本发明材料的AC1点为728℃，经过多次试验摸索，球化退火首段加热温度应略高于AC1，若低于AC1，温度太低，为组织转变提供的能量太小，球化不充分，若温度太高，加热时得到的奥氏体更多更均匀，冷却时容易重新形成珠光体片层，得到新的珠光体组织，不利于球化，因此，本发明球化退火工艺首段加热温度选735℃；首段加热保温后，炉内需进行鼓风，加速材料冷却，使得材料温度快速降低至710℃，快冷的目的是让已经形成的奥氏体来不及转变成铁素体，从而在710℃时形成过冷奥氏体，该过冷奥氏体会以未熔渗碳体为核心形核析出，这样得到的组织珠光体片层极少，球化率更高；710℃温度保温，使得碳化物充分析出，再缓冷至680℃保温，碳化物长大，再缓冷至600℃炉冷出炉即可。另外，原材料高的球化率会使得导轨感应淬火后热处理变形小，最终导轨的精度更高，这一点的原理也在此做个说明：如果材料球化率不高，材料组织有片状珠光体、贝氏体、马氏体等组织，一方面表面感应淬火时，淬硬层部分的原始组织不同，会影响电磁感应线，且球化后的碳化物溶解更快，片状珠光体、贝氏体、马氏体在加热奥氏体化时，需要更多的时间或者更高的温度使得碳化物溶解，球化率不高会导致奥氏体不均匀，进而影响感应淬火效果；另一方面，材料球化率太低，导轨在进行感应淬火时，表面感应加热，直线导轨内部也会因热传导而受热，内部会发生组织转变，由于不同组织的比容不一样，最终会导致导轨变形。

附图说明：

图1是本发明的材料相变点示意图。

图2是本发明的材料球化退火工艺图。

图3是本发明实例1球化退火后的组织图。

图4是本发明实例2球化退火后的组织图。

图5是现有对比钢材和本发明钢材的接触疲劳试验图。

图6是现有对比钢材和本发明钢材的淬透性对比图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明内容作进一步说明。

实施例1

本实施例涉及的高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的直径为30mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.53％，Si：0.25％，Mn：1.92％，P：0.008％，S：0.003％，Cr：0.43％，Ni：0.40％，Mo：0.51％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该直线导轨用钢的制造工艺为，按上述直线导轨用钢成品的化学成分配置冶炼原料，经KR预处理，转炉冶炼，转炉出钢P含量0.004％，再将钢水经过LF精炼，微调合金含量，并加入脱氧剂脱氧，再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，高真空时间16分钟，软吹氩时间24分钟，RH出钢氧含量0.0004％，再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度650℃，缓冷时间73小时，出坑温度170℃；然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1240-1250℃，保温7.5小时出炉；经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯轧制成的尺寸为230*230mm²，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间54小时；中间坯冷装入炉加热，加热温度1250-1260℃，保温3.5小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，开轧温度978℃，终轧温度910℃；对材料进行在线喷水，下线后，进行球化退火。

经由上述制造工艺制得的直线导轨用钢耐磨性好、球化率高，接触疲劳寿命和球化组织见附图。

实施例2

本实施例涉及的高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的直径为60mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.54％，Si：0.27％，Mn：1.95％，P：0.007％，S：0.003％，Cr：0.45％，Ni：0.41％，Mo：0.50％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该直线导轨用钢的制造工艺为，按上述直线导轨用钢成品的化学成分配置冶炼原料，经KR预处理，转炉冶炼，转炉出钢P含量0.005％，再将钢水经过LF精炼，微调合金含量，并加入脱氧剂脱氧，再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，高真空时间17分钟，软吹氩时间23分钟，RH出钢氧含量0.0005％，再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度640℃，缓冷时间75小时，出坑温度173℃；然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1235-1245℃，保温7.3小时出炉；经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯轧制成的尺寸为230*230mm²，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间55小时；中间坯冷装入炉加热，加热温度1248-1255℃，保温3.5小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，开轧温度980℃，终轧温度915℃；对材料进行在线喷水，下线后，进行球化退火。

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

1.一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢，其特征在于：该直线导轨用钢的化学成分按质量百分比计为C：0.50～0.57％，Si：0.17～0.37％，Mn：1.90～2.05％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，Ni：0.30～0.50％，Mo：0.45～0.55％，Cr：0.40～0.50％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢，其特征在于所述直线导轨用钢的金相组织为马氏体+贝氏体+珠光体的混合组织。

3.根据权利要求1所述的一种连铸圆坯生产超长寿命滚珠丝杠用钢，其特征在于所述直线导轨用钢的碳钢球化率达到90％以上。

4.一种如权利要求1所述的高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：整个工艺流程为：配料→铁水KR预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空脱气→连铸→入缓冷坑缓冷→冷装入炉加热→高压水除鳞→开坯轧制→中间坯入坑缓冷→冷装入炉加热→轧制成型→轧制余温淬火→球化退火→矫直→探伤→入库。

5.根据权利要求4所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：所述方法具体为：首先将冶炼原料经KR预处理，再经转炉冶炼，P含量控制在0.008％以下，再将钢水经过LF精炼，加入脱氧剂，将钢水中的氧含量降至最低，再将钢水运至RH工序进行真空脱气处理，然后经过连续浇铸得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，出坑；然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1230-1260℃，保温7-8小时出炉，加热完成后通过高压水除鳞后进行开坯轧制，轧制成的尺寸为230mm*230mm的中间坯；轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间大于48小时；缓冷结束后中间坯冷装入炉加热，加热后采用高精度的Kocks轧机轧制，终轧结束后，利用轧制余温淬火，得到“马氏体+贝氏体+珠光体”组织，再将材料冷装入退火炉进行球化退火。

6.根据权利要求5所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：在RH工序进行真空脱气处理时高真空时间必须大于10分钟，软吹氩时间不得短于20分钟。

7.根据权利要求5所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：所述铸坯连铸完成后第一次入缓冷坑的下线温度不得低于630℃，缓冷时间必须大于72小时，出坑温度不得高于180℃。

8.根据权利要求5所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：所述连铸大方坯开坯轧制过程中粗轧采用往复式轧机，轧制15道次，采用大压下轧制，其中两道次的压下量大于10％，粗轧过程中对坯料表面喷水，适当降低坯料表面温度，粗轧最后5道次关闭冷却水，以保证坯料进后续轧机时的温度。

9.根据权利要求5所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：所述中间坯冷装入炉加热，加热温度1230-1260℃，保温3-4小时出炉，并采用高精度的Kocks轧机轧制，保证开轧温度960℃-1020℃，终轧温度880℃-920℃。

10.根据权利要求5所述的一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的制备方法，其特征在于：所述球化退火采用多段式退火工艺，具体工艺为首段加热温度为735℃；首段加热保温后，炉内需进行鼓风，加速材料冷却，使得材料温度快速降低至710℃，710℃温度保温，使得碳化物充分析出，再缓冷至680℃保温，碳化物长大，再缓冷至600℃炉冷出炉即可。