CN116815055A

CN116815055A - 一种低成本长寿命的轴承钢及其生产方法和热处理方法

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Publication number: CN116815055A
Application number: CN202310792428.3A
Authority: CN
Inventors: 张晓瑞; 汪开忠; 尹德福; 姜婷; 丁雷; 唐鹏; 牟祖茂; 谢钊远; 郭湛; 余良其; 郝杰
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2023-06-30
Filing date: 2023-06-30
Publication date: 2023-09-29

Abstract

本发明提供了一种低成本长寿命的轴承钢及其生产方法和热处理方法，成分：C 0.95％～1.05％、Si 0.32％～0.42％、Mn 0.38％～0.58％、Cr 1.7％～1.9％、Mo 0.4～0.7％、Nb 0.05％～0.07％、V 0.015％～0.025％、Ti≤0.0015％、Alt 0.015～0.025％、P≤0.010％、S≤0.010％、T.O≤0.0015％、N≤0.0065％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；与现有技术相比，通过本发明成分、生产方法和热处理方法生产的产品，具有高耐磨性、高冲击韧性，同时具有高的抗疲劳性。

Description

一种低成本长寿命的轴承钢及其生产方法和热处理方法

技术领域

本发明属于轴承用钢技术领域，尤其涉及一种低成本长寿命的轴承钢及其生产方法和热处理方法。

背景技术

轴承是装备制造业中重要的、关键的基础零部件，轴承钢以其良好的抗疲劳性能、耐磨性能和冷热加工性能等优点，广泛应用于重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴产业领域。

近年来随着汽车、高端制造等行业的迅速发展，对轴承的要求越来越高。不仅需要高的强度、良好的塑性以及超长的使用寿命，热处理后还需要高而均匀的表层强度，低而均匀的芯部硬度，可以承受载荷和交变载荷；同时具有良好的耐腐蚀性能，在大气中不生锈或被腐蚀等性能。

2022年2月8日公开的公开号为CN114015927A的专利，名称为提供了一种含稀土高碳铬轴承钢及其制备方法，公开的含稀土高碳铬轴承钢，按重量百分比计，C 0.95-1.05，Si0.15-0.30，Mn 0.25-0.40，P≤0.010，S≤0.010，C r1.50-1.75，RE 0.015-0.035，O 3-5ppm，余量为铁和不可避免的杂质，其经过高炉炼铁、铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼以及RH精炼和连铸，稀土合金分两部分分别在转炉出钢和RH破空后两个阶段加入，与电渣重熔工艺配合后可以取得更好的效果，接触疲劳寿命L10≥6.1×10⁷次。但需要添稀土元素，成本较高，不适合大批量工业生产。

2022年2月8日公开的公开号为CN114318173A的专利，公开了一种轴承钢及其生产方法，按重量百分比该轴承钢含有：0.50％至0.60％的碳、0.30％至0.40％的硅、2.20％至2.50％的铬、1.00％至1.20％的镍、0.80％至1.00％的钴、1.10％至1.30％的钨、0.010％至0.025％的镧、0.010％至0.025％的钇、痕量至0.015％的硫、小于等于0.005％的钛、小于等于0.0015％的氧，其余为Fe和其它不可避免的杂质。本发明充分利用La和Y的夹杂改性作用和耐蚀作用，同时保证耐蚀系数I值≥2.40，钢的耐蚀性达到通用轴承钢GCr15的2.5倍以上，在500℃屈服强度Rp0.2≥1400MPa。需要添稀土元素La和Y，成本较高，不适合大批量工业生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本长寿命的轴承钢及其生产方法和热处理方法，通过成分、工艺设计，配合热处理，获得的产品硬度61-63HR，室温冲击功KV₂≥20J，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级，芯部网状碳化物级别控制在1.5级以内，具有高耐磨性、高冲击韧性，同时具有高的抗疲劳性。

本发明具体技术方案如下：

一种低成本长寿命的轴承钢，包括以下质量百分比成分：

C 0.95％～1.05％、Si 0.32％～0.42％、Mn 0.38％～0.58％、Cr 1.7％～1.9％、Mo 0.4～0.7％、Nb 0.05％～0.07％、V 0.015％～0.025％、Ti≤0.0015％、Alt 0.015～0.025％、P≤0.010％、S≤0.010％、T.O≤0.0015％、N≤0.0065％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

所述低成本长寿命的轴承钢的成分满足：1.40≤A值≤1.70；A值＝[C]+[Mo]；

所述低成本长寿命的轴承钢的成分满足：3.5≤B值≤6.0；B值＝([V]+[Nb])/[Alt]。

本发明提供的一种低成本长寿命的轴承钢的生产方法，工艺流程为：电炉冶炼→LF炉精炼+RH真空精炼→380×450方坯连铸→250轧制方坯→探伤、修磨→优棒加热炉加热→控轧控冷→圆钢成品→包装、入库。

所述电炉冶炼：电炉终点C控制在0.15～0.25％，P≤0.010％；挡渣出钢，出钢1/5-1/4钢水时加入精炼渣和石灰，出钢1/4-1/3时，加入脱氧剂和合金，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。

所述LF炉精炼：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R3-6，白渣时间≥20分钟，根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Mo、Nb含量。

所述RH真空脱气：真空前期，如真空度≤100帕则真空保持时间≥10分钟，如真空度≤200帕则真空保持时间≥15分钟；真空后期保持时间≥10分钟。根据真空前期成分分析结果，如果需要在中期进行成分调整，则调整后必须保证5分钟以上的真空保持时间。出站前进行软吹氩处理，软吹时间≥20min。

所述380×450方坯连铸：因Cr、Mo等合金元素含量较高，为获得高疲劳寿命轴承钢，采用大方坯连铸+开坯“二火成材”工艺，细化晶粒，保证组织的均匀性。采用全程保护浇铸，钢包到中间包之间采用保护套管+氩封，中间包使用钢水覆盖剂和吹氩保护，中间包到结晶器之间采用浸入式水口，采用二次冷却、末端电磁搅拌和轻重压下结合的方式，消除铸坯中心偏析，其中一次冷却水压力5.0～9.0bar，二次冷却水压力9.0～15.0bar，轻重压下量≤35mm，浇铸过程液面、拉速及过热度稳定，获得无缺陷铸坯。

所述250方坯轧制：加热炉均热段温度控制在1200～1300℃，加热总时间控制在250～350min，开轧温度控制在1100±50℃，轧后堆冷且堆冷温度≥400℃，轧后对250方进行表面和端部修磨处理，为后续优棒轧制提供来良好的表面质量，同时减少优棒表面脱碳敏感性。

优棒加热炉加热：本发明可实现φ41-80mm优棒轧制，为了使得C、Cr及Mo、V元素固溶于奥氏体中，加热温度控制在1050～1150℃，且缓慢加热，加热速率不超过20℃/min，防止加热过程中开裂，均热时间＞35min保证Cr、Mo、V元素充分固溶，同时为了防止脱碳敏感，加热温度不能超过1150℃。

所述控轧控冷：加热后的铸坯经高压水除鳞后进入连轧机组进行轧制，开轧温度950～980℃，终轧温度750～800℃，较低的终轧温度确保形成较多弥散析出的形核点和细晶，采用轧后快速穿水冷却，最高返红温度≤680℃，从而使得相变后组织中残余奥氏体分布均匀。

本发明提供的一种低成本长寿命的轴承钢的热处理方法，工艺流程为：球化退火→下料→锻造→等温淬火处理+回火→表面处理→轴承。

所述球化退火：加热至780-820℃保温8-10小时后以1.5℃/min～2.5℃/min速率冷却到680-720℃保温4-6小时，随炉冷却到650℃后出炉空冷到室温，形成高碳轴承钢的球化退火组织，球化等级2～4级。

由于轴承钢心部偏析的存在，圆钢在加热时心部比表面更容易发生“过热”或“过烧”等现象，影响高温塑性，大规格轴承钢更为明显，故采用感应加热的方法，保证芯部的高温塑性，且锻造加热温度≤1180℃，防止因过烧而产生的“显微孔隙”等缺陷，同时采用多方向锻造细化晶粒，碳化物由粗壮的鱼骨状变为弥散分布的细小的三维网状，显著提高其疲劳寿命和耐磨性能；

所述等温淬火处理：为获得高的接触疲劳寿命，尽可能获得高的残余奥氏体含量，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，故采用等温淬火工艺，同时考虑到Cr、Mo、V等合金元素含量较高，为了获得均匀碳化物，保证最终成品的疲劳强度，采用双淬火工艺，具体为：先加热到870±10℃保温40-60min，优选50min；然后降温至210℃±10℃在盐浴炉保温170-185min，优选180min后空冷；再加热至830±10℃保温40-60min，优选50min，然后降温至180℃±10℃在盐浴炉保温140-155min，优选150min后空冷至室温。具体工艺如图1所示，淬火后显微组织为贝氏体+马氏体+碳化物+残余奥氏体，且残余奥氏体含量≥20％；

所述回火：温度180±10℃，保温120±10min，空冷至室温，显微组织为回火贝氏体+回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，且残余奥氏体含量≥20％。

热处理后，产品的奥氏体晶粒度大于等于10.0级，芯部网状碳化物级别控制在1.5级以内；产品硬度61-63HR，室温冲击功KV₂≥20J，屈服强度≥1500MPa，抗拉强度R_m≥2300MPa，断后伸长率A≥12％；接触疲劳寿命L10≥5.1×10⁷次，室温磨损30min后失重小于0.005g、350℃高温磨损30min后失重小于0.008g。

本发明设计思路如下：

C：C元素是获得高的强度、硬度所必需的。为了获得轴承钢所需要的高强度，C含量须在0.95％以上，但过高的C含量使增加碳化物的聚集现象，显著降低钢的热强性能，同时增加脆性，恶化钢的抗疲劳性能和加工性能，因此C含量宜控制为0.95％～1.05％。

Si：Si是钢中主要的脱氧元素，且作为固溶体硬化元素有助于强度的提高，可显著提高钢的变形抗力。但Si含量过高将使钢的塑性和韧性下降，并使得C的活性增加，促进钢在轧制和锻造加热过程中的脱碳和石墨化倾向，并且使冶炼困难和易形成夹杂物，恶化钢的抗疲劳性能。因此控制Si含量为0.32％～0.42％。

Mn：Mn是脱氧和脱硫的有效元素，还可以提高钢的淬透性和强度。含量小于0.3％时，难以起到上述作用。但Mn含量过高，淬火钢回火时，Mn和P有强烈的晶界共偏聚倾向，促进回火脆性，恶化钢的韧性。因而控制Mn含量在0.38％～0.58％。

Cr：Cr能够有效地提高钢的淬透性并有二次硬化的作用，是轴承钢获得高强度的主要元素之一，提高强度、硬度和耐磨性而不使钢变脆；同时Cr还可降低C的活度，可降低加热、轧制和热处理过程中的钢材表面脱碳倾向，有利用获得高的抗疲劳性能，但含量过高会恶化钢的韧性和冷加工性，因而控制Cr含量为1.70～1.90％。

Mo：Mo是较强的碳化物形成元素，能有效提高钢的淬透性，提高钢的抗回火性或回火稳定性，热处理后与碳结合形成稳定的小尺寸碳化物，提高钢的硬度和保持一定的耐磨性。但过量的Mo易出现铁素体和降低马氏体转变点，使钢难以淬硬。因此，添加Mo含量应0.40～0.70％。

Nb：Nb元素能够明显的细化晶粒，本发明为了改善大规格轴承钢芯部网状碳化物，添加Nb可细化网状碳化物尺寸，同时提高钢材的强韧性，改善钢材的低温性能。同时因为晶粒较细，还可提高耐蚀性能。Nb的范围可控制在0.05％～0.07％。

V：V元素能够明显的细化晶粒，晶粒细化不仅能提高钢材的强韧性，而且改善钢材的低温性能。同时因为晶粒较细，还可提高耐蚀性能。V含量过高成本较高，V的范围可控制在0.015％～0.025％。

Ti：钛在高碳钢中易于与氮形成钛夹杂，降低轴承钢制成轴承后的疲劳寿命，因此严格控制Ti含量，要求Ti≤0.0015％。

Alt：Alt是较强脱氧元素，同时提高钢的抗氧化性能，Alt元素还能细化奥氏体晶粒。另外Alt元素与氮结合形成AlN，减少位错的钉扎效应，显著降低蓝脆倾向，同时提高冲击韧性，但Alt含量过高，会形成粗大的碳氮化物引起脆性夹杂物含量过高，影响疲劳寿命。Alt含量控制在0.015～0.025％。

S和P：S、P等杂质元素在晶界处偏聚，将使耐延迟断裂性能大大降低。P元素能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，从而增加钢的延迟断裂敏感性；S元素形成Mn S夹杂和在晶界偏析，从而增加钢的延迟断裂敏感性，因而P、S含量控制在P≤0.010％、S≤0.010％。

T.O和N：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能特别是韧性和抗疲劳性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量控制T.O≤0.0015％；N在钢中析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，同时N还会降低钢的冷加工性能，控制N≤0.0065％。

为满足大规格轴承钢的强度和塑韧性，本发明对化学成分重新进行优化设计(1)适当提高Cr、Mo元素含量，一方面提高淬透性，可用来生产大规格轴承钢，同时保证大规格轴承钢的强度化学成分需满足1.40≤A＝[C]+[Mo]≤1.70；(2)添加Mo元素，利用Mo的碳化物提高轴承钢的耐热性，获得良好的红硬性，另外Mo元素还可减少钢表面侵入的氢量，抑制腐蚀坑生成，提高耐蚀性；(3)为改善大规格轴承钢的网状碳化物不均匀性，通过提高Nb含量至0.05-0.07％，细化晶粒从而保证二次渗碳体的析出有较多的形核点使其较为弥散析出且间断不连续，最终轴承钢芯部网状碳化物级别控制在1.5级以内；(4)添加适量的V元素和Alt元素，细化原奥氏体晶粒尺寸，在提高强度的同时，还可以提高韧性，获得高的接触疲劳强度，另外细晶粒还可以提高耐蚀性，化学成分需满足3.5≤B＝([V]+[Nb])/[Alt]≤6.0。

与现有技术相比，通过本发明成分、生产方法和热处理方法生产的产品，硬度61-63HR，室温冲击功KV2≥20J，钢材的奥氏体晶粒度大于等于10.0级，芯部网状碳化物级别控制在1.5级以内，具有高耐磨性、高冲击韧性，同时具有高的抗疲劳性，接触疲劳寿命L₁₀可达到5.1×10⁷以上，同时具有良好的耐磨损性能，室温磨损30min后失重小于0.005g、350℃高温磨损30min后失重小于0.008g。

附图说明

图1为本发明双淬火工艺示意图。

具体实施方式

实施例1-实施例5

一种低成本长寿命的轴承钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

对比例1-对比例3

表1各实施例和对比例化学成分(wt％)

案例	C	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	V	Ti	Alt	P	S	T.O	N	A值	B值
																实施例1	0.95	0.42	0.58	1.80	0.65	0.050	0.015	0.0009	0.015	0.005	0.005	0.0009	0.0045	1.60	4.33
实施例2	1.00	0.35	0.38	1.70	0.70	0.063	0.018	0.0008	0.020	0.006	0.006	0.0008	0.0038	1.70	4.05
																实施例3	1.05	0.36	0.55	1.82	0.40	0.062	0.015	0.0007	0.020	0.006	0.005	0.0010	0.0043	1.45	3.85
实施例4	1.05	0.32	0.45	1.90	0.58	0.070	0.020	0.0007	0.025	0.008	0.005	0.0010	0.0050	1.63	3.60
																实施例5	1.03	0.40	0.53	1.85	0.63	0.058	0.025	0.0008	0.018	0.010	0.006	0.0009	0.0046	1.66	4.61
对比例1	0.95	0.38	0.38	1.78	0.40	0.068	0.025	0.0006	0.023	0.007	0.007	0.0010	0.0043	1.35	4.04
																对比例2	1.02	0.39	0.47	1.75	0.59	0.056	0.020	0.0010	0.023	0.007	0.006	0.0011	0.0045	1.61	3.30
对比例3	0.95	0.42	0.58	1.80	0.65	0.050	0.015	0.0009	0.015	0.005	0.005	0.0009	0.0045	1.60	4.33

以上实施例和对比例所述低成本长寿命的轴承钢的生产方法，工艺流程为：电炉冶炼→LF炉精炼+RH真空精炼→380×450方坯连铸→250轧制方坯→探伤、修磨→优棒加热炉加热→控轧控冷→圆钢成品→包装、入库。

各实施例和对比例的具体生产工艺参数如表2所示。

表2各实施例和对比例的具体生产工艺参数

按照以上方法生产的低成本长寿命的轴承钢进行热处理，工艺流程为：球化退火→下料→锻造→等温淬火处理+回火→表面处理→轴承，控制如下：

1)球化退火工艺：为780-820℃保温8-10小时后以1.5℃/min～2.5℃/min速率冷却到680-720℃保温4-6小时，随炉冷却到650℃后出炉空冷到室温，形成高碳轴承钢的球化退火组织，球化等级2～4级。2)由于轴承钢心部偏析的存在，圆钢在加热时心部比表面更容易发生“过热”或“过烧”等现象，影响高温塑性，大规格轴承钢更为明显，故采用感应加热的方法，保证芯部的高温塑性，且锻造加热温度≤1180℃，防止因过烧而产生的“显微孔隙”等缺陷，同时采用多方向锻造细化晶粒，碳化物由粗壮的鱼骨状变为弥散分布的细小的三维网状，显著提高其疲劳寿命和耐磨性能；3)等温淬火：为获得高的接触疲劳寿命，尽可能获得高的残余奥氏体含量，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，故采用等温淬火工艺，同时考虑到Cr、Mo、V等合金元素含量较高，为了获得均匀碳化物，保证最终成品的疲劳强度，采用双淬火工艺，先加热到870±10℃保温40-60min，优选50min；然后降温至210℃±10℃在盐浴炉保温170-185min，优选180min后空冷；再加热至830±10℃保温40-60min，优选50min，然后降温至180℃±10℃在盐浴炉保温140-155min，优选150min后空冷至室温，具体工艺如图1所示，淬火后显微组织为贝氏体+马氏体+碳化物+残余奥氏体，且残余奥氏体含量≥20％，4)回火，温度180-200℃，保温120±10min，空冷，显微组织为回火贝氏体+回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，且残余奥氏体含量≥20％。

各实施例和对比例热处理工艺参数如表3所示。

表3各实施例和对比例热处理参数

试样热处理后进行耐磨试验，耐磨试验在MM200磨损试验机上进行，试验条件：负荷50N，线速度0.40m/s，干摩擦30min，然后用天平测定材料损耗量。参照GB/T 12444-2006《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》标准规定，对MM-200磨耗试验机材料耐磨性试验结果用称重法进行质量磨损评定，实施例与对比例相比，实施例室温磨损30min后失重小于0.005g、350℃高温磨损30min后失重小于0.008g。按照GB/T 228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法进行性能检测，结果如表4。

表4本发明实施例热处理后性能

对比例1是A值不在本发明之内，淬透性不足，无法满足大规格轴承钢的生产；对比例2是B值不在本发明之内，疲劳强度和耐磨性达不到设计要求。对比例2采用满足本发明要求的热处理工艺残余奥氏体含量偏低。对比例3是采用实施例1的成分采用常规淬回火工艺(即不经过盐浴炉保温)显微组织以马氏体为主，且疲劳寿命明显低于实施例。

Claims

1.一种低成本长寿命的轴承钢，其特征在于，所述低成本长寿命的轴承钢包括以下质量百分比成分：

C 0.95％～1.05％、Si 0.32％～0.42％、Mn 0.38％～0.58％、Cr 1.7％～1.9％、Mo0.4～0.7％、Nb 0.05％～0.07％、V 0.015％～0.025％、Ti≤0.0015％、Alt 0.015～0.025％、P≤0.010％、S≤0.010％、T.O≤0.0015％、N≤0.0065％，其余为Fe和其它不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低成本长寿命的轴承钢，其特征在于，所述低成本长寿命的轴承钢的成分满足：1.40≤A值≤1.70；A值＝[C]+[Mo]。

3.根据权利要求1或2所述的低成本长寿命的轴承钢，其特征在于，所述低成本长寿命的轴承钢的成分满足：3.5≤B值≤6.0；B值＝([V]+[Nb])/[Alt]。

4.一种权利要求1-3任一项所述低成本长寿命的轴承钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下工艺流程：电炉冶炼→LF炉精炼+RH真空精炼→380×450方坯连铸→250轧制方坯→探伤、修磨→优棒加热炉加热→控轧控冷→圆钢成品→包装、入库。

5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述380×450方坯连铸：采用全程保护浇铸，钢包到中间包之间采用保护套管+氩封，中间包使用钢水覆盖剂和吹氩保护，中间包到结晶器之间采用浸入式水口，采用二次冷却、末端电磁搅拌和轻重压下结合的方式，其中一次冷却水压力5.0～9.0bar，二次冷却水压力9.0～15.0bar，轻重压下量≤35mm。

6.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述250方坯轧制：加热炉均热段温度控制在1200～1300℃，加热总时间控制在250～350min，开轧温度控制在1100±50℃，轧后堆冷且堆冷温度≥400℃。

7.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述优棒加热炉加热：加热温度控制在1050～1150℃，均热时间＞35min；所述控轧控冷：开轧温度950～980℃，终轧温度750～800℃，最高返红温度≤680℃。

8.一种权利要求1-3任一项所述低成本长寿命的轴承钢的热处理方法，其特征在于，所述热处理工艺流程为：球化退火→下料→锻造→等温淬火处理+回火→表面处理→轴承。

9.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，所述球化退火：加热至780-820℃保温8-10小时后冷却到680-720℃保温4-6小时，随炉冷却到650℃后出炉空冷到室温。

10.根据权利要求8或9所述的热处理方法，其特征在于，所述等温淬火处理：采用双淬火工艺，具体为：先加热到870±10℃保温40-60min，然后降温至210℃±10℃在盐浴炉保温170-185min后空冷；再加热至830±10℃保温40-60min，然后降温至180℃±10℃在盐浴炉保温140-155min后空冷至室温。