CN116837192B - 一种超细晶高温渗碳轴承钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料加工技术领域，公开了一种超细晶高温渗碳轴承钢及其制造方法，所述方法包括采用双真空熔炼制备铸锭；对铸锭进行均质化处理；对均质化处理后的铸锭进行锻造，得到锻件；对锻件进行多道次临界区轧制，得到轴承钢。本发明通过控制熔炼、均质化工艺，采用镦拔+临界区控轧控冷的方式来实现高温轴承钢晶粒细化，得到晶粒尺寸≤2μm的超细晶组织，对于提高材料强韧性及后续渗碳处理热处理组织细化均具有重要意义。

Description

一种超细晶高温渗碳轴承钢及其制造方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种超细晶高温渗碳轴承钢及其制造方法。
背景技术
随着我国航空工业的快速发展，航空用高端零部件成为制约其发展的关键因素，对于零部件用原材料也提出了更高的要求。为了满足航空轴承复杂严苛的工作环境，国内外研制出多种轴承材料，其中M50NiL钢由于具有较高的强韧性、良好的淬透性及较高的高温硬度，是目前在高温服役条件下发动机轴承的优选材料，被广泛应用于航空航天高端零部件装备的制造。
M50NiL钢的碳含量较低，具有良好的渗碳性能，主要通过表层渗碳等方式来实现表面硬化，是一种新型表层硬化型高温高强度轴承钢。由于航空发动机轴承长期处在高转速、重载荷、高温工作环境下，因此要求其不仅具有较高的表面硬度，心部还需要具有高强高韧性。但目前高温轴承钢存在的主要问题是晶粒粗大，不仅会降低材料强韧性，甚至会引起淬火变形开裂的情况，此外晶粒粗大还会导致轴承钢材料在渗碳过程中形成网状碳化物，轴承钢中网状碳化物的存在极易引起裂纹萌生并促进裂纹扩展，从而导致轴承寿命大大降低。因此M50NiL钢的晶粒细化对提高轴承强韧性和轴承寿命有着重要意义。
为保证轴承钢具有优异的综合力学性能，轴承钢显微组织控制多数集中在组织的细化上，主要包括碳化物颗粒和晶粒的细化。而组织细化目前主要通过热加工工艺的控制来实现。CN113564496A 一种长寿命铁路轴承钢及其制备方法，公开了一种长寿命铁路轴承钢及其制备方法，该发明主要提供一种低合金轴承钢的加工方法，生产流程主要涉及锻造、渗碳处理、一次淬火、回火、等温淬火，并不适用于合金含量较高的轴承钢。CN114351053A一种超细晶高韧性耐磨钢及其制造方法，该发明同样是针对低合金钢的制造方法，目前对于超细晶高合金高温轴承钢的制造方法未见相关报道。
为解决上述问题，有必要提供一种超细晶高温渗碳轴承钢及其制造方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超细晶高温渗碳轴承钢及其制造方法，通过控制熔炼、均质化工艺，采用镦拔+临界区控轧控冷的方式来实现高温轴承钢晶粒细化，得到晶粒尺寸≤2μm的超细晶组织，提高材料强韧性及后续渗碳处理热处理组织细化。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超细晶高温渗碳轴承钢的制备方法，包括：
采用双真空熔炼制备铸锭；
对铸锭进行均质化处理；
对均质化处理后的铸锭进行锻造，得到锻件；
对锻件进行多道次临界区轧制，得到轴承钢；
其中，轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.16%，Cr：3.50-4.80%，Mo：3.80-5.00%，Ni：3.00-3.90%，V：0.90-1.60%，Mn：0.12-0.45%，Si：0.10-0.28%，其余为Fe和杂质。
在本发明的一些实施例中，采用双真空熔炼制备铸锭，包括：
采用真空感应熔炼和真空自耗熔炼制备铸锭。
在本发明的一些实施例中，均质化处理的工艺参数包括：加热温度为1100-1200℃，保温时间≥24h。
在本发明的一些实施例中，对均质化处理后的铸锭进行锻造，包括：
对铸锭进行多次镦拔变形，镦拔温度850-1050℃，第一火次变形量40-55%，第二火次变形量60-75%，第三火次变形量40-55%，第四火次变形量15-30%，每火次后回炉保温，保温时间≥0.5小时。
在本发明的一些实施例中，临界区轧制的工艺参数包括：轧制温度为750-900℃，每道次变形量为7%-20%，每道次变形后回炉保温10-30min，然后再进行下一道次轧制，总变形量控制在60%-80%。
在本发明的一些实施例中，对锻件进行多道次临界区轧制后，包括：
将轧制后的锻件采用超快冷的方式冷却至室温，得到轴承钢。
另一方面，本发明还公开了一种超细晶高温渗碳轴承钢，采用上述的方法制造而成。
在本发明的一些实施例中，轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.16%，Cr：3.50-4.80%，Mo：3.80-5.00%，Ni：3.00-3.90%，V：0.90-1.60%，Mn：0.12-0.45%，Si：0.10-0.28%，其余为Fe和杂质。
在本发明的一些实施例中，轴承钢的平均晶粒尺寸≤2μm。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过控制熔炼、均质化工艺，采用镦拔+临界区控轧控冷的方式来实现高温轴承钢晶粒细化，得到晶粒尺寸≤2μm的超细晶组织，对于提高材料强韧性及后续渗碳处理热处理组织细化均具有重要意义。
2、本发明通过对铸锭进行多次镦拔变形，使铸锭充分锻透，保证坯料达到锻件成形所需的尺寸，使铸锭坯料充分变形，防止锻件出现粗晶、混晶等组织不均匀的现象。
3、本发明通过对锻件进行多道次临界区轧制，将轧制温度控制在750-900℃，使锻件在750-900℃区间内变形发生动态再结晶形成细小的再结晶晶粒，获得超细晶组织，避免了轧制温度过低存在开裂风险，轧制温度过高导致变形过程中再结晶晶粒长大。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明一种超细晶高温渗碳轴承钢的制造方法流程图；
图2为实施例1制备的轴承钢的晶粒组织图；
图3为实施例2制备的轴承钢的晶粒组织图；
图4为对比例制备的轴承钢的晶粒组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种超细晶高温渗碳轴承钢的制造方法，包括：
采用双真空熔炼制备铸锭；
对铸锭进行均质化处理；
对均质化处理后的铸锭进行锻造，得到锻件；
对锻件进行多道次临界区轧制，得到轴承钢；
其中，轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.16%，Cr：3.50-4.80%，Mo：3.80-5.00%，Ni：3.00-3.90%，V：0.90-1.60%，Mn：0.12-0.45%，Si：0.10-0.28%，其余为Fe和杂质。
在本发明的一些实施例中，采用双真空熔炼制备铸锭，包括：
对铸锭进行真空感应熔炼（VIM）和真空自耗熔炼（VAR），通过双真空冶炼技术使钢中S、P、气体以及五害等杂质元素控制在极低水平，同时保证夹杂物尺寸小、数量少、分布均匀。
在本发明的一些实施例中，均质化处理的工艺参数包括：加热温度为1100-1200℃，保温时间≥24h，在此温度下保温目的是为了尽可能减少材料在凝固过程中形成的一次碳化物及析出相等微观偏析，使铸锭成分均匀，消除一次碳化物对后续热加工的影响。
在本发明的一些实施例中，对均质化处理后的铸锭进行锻造，包括：
对铸锭进行多次镦拔变形，镦拔温度850-1050℃，第一火次变形量40-55%，第二火次变形量60-75%，第三火次变形量40-55%，第四火次变形量15-30%，每火次后回炉保温，保温时间≥0.5小时。
需要说明的是，多次墩拔可以使铸锭充分锻透，保证铸锭达到锻件成形所需的尺寸，使铸锭充分变形，防止锻件出现粗晶、混晶等组织不均匀的现象。
在本发明的一些实施例中，临界区轧制的工艺参数包括：轧制温度为750-900℃，每道次变形量为7%-20%，每道次变形后回炉保温10-30min，然后再进行下一道次轧制，总变形量控制在60%-80%。
需要说明的是，轧制温度过低存在开裂风险，轧制温度过高会导致变形过程中再结晶晶粒长大，通过将轧制温度控制在750-900℃，采用临界区轧制，锻件在750-900℃区间内变形会发生动态再结晶，形成细小的再结晶晶粒，从而获得超细晶组织。
在本发明的一些实施例中，对锻件进行多道次临界区轧制后，包括：
将轧制后的锻件采用超快冷的方式冷却至室温，得到轴承钢。
另一方面，本发明还公开了一种超细晶高温渗碳轴承钢，采用上述的方法制造而成。
在本发明的一些实施例中，轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.16%，Cr：3.50-4.80%，Mo：3.80-5.00%，Ni：3.00-3.90%，V：0.90-1.60%，Mn：0.12-0.45%，Si：0.10-0.28%，其余为Fe和杂质。
在本发明的一些实施例中，轴承钢的平均晶粒尺寸≤2μm。
为了更好的说明本方案，提供如下实施例和对比例。
实施例1
S1：采用真空感应（VIM）+真空自耗（VAR）双真空熔炼工艺生产铸锭，锭型Ø225mm。真空感应（VIM）熔炼时，保持真空度≤5Pa，熔化期时间≥3h，待炉料完全熔化后精炼15分钟~30分钟出钢，出钢温度为1540℃~1560℃。真空自耗（VAR）时，保持真空度≤1Pa，熔炼稳弧阶段控制熔化速度为1.2kg/min~2.0kg/min，熔炼结束后采用循环水冷却，冷却时间≥6小时；
S2：对铸锭进行均质化处理，将铸锭在1100℃下保温24h；
S3：对均质化处理后的铸锭进行多道次镦拔，镦拔温度850℃-1050℃，第一火次变形量40-45%，第二火次变形量65-70%，第三火次变形量40-45%，第四火次变形量15-20%，每火次后回炉保温，保温时间0.5小时，总变形量控制75%-90%，得到锻件；
S4：对锻件进行轧制，采用临界区轧制，轧制温度900℃，三道次轧制，第一道次变形量17-20%，第二道次变形量12-17%，第三道次变形量7-15%，每道次变形后回炉保温10min，轧制总变形量60%，轧制完成后采用超快冷的方式冷却至室温，超快冷装置布置于精轧机组出口，该装置由密集排布喷嘴组成的多个喷水枕组成，增加供水压力和排布高密度的出水口，通过增大水流对气膜的冲击力使得单位时间内新水和热态钢板表面进行高效热交换，实现超快速冷却，冷却速度≥100℃/s，得到的轴承钢的晶粒组织图如图2所示，平均晶粒尺寸≤1.4μm。
轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.14%，Cr：4.10%，Mo：4.20%，Ni：3.36%,V：1.10%,Mn：0.23%，Si：0.18%，其余为Fe和不可避免杂质。
实施例2
S1：采用真空感应（VIM）+真空自耗（VAR）双真空熔炼工艺生产铸锭，锭型Ø225mm。真空感应（VIM）熔炼时，保持真空度≤5Pa，熔化期时间≥3h，待炉料完全熔化后精炼15分钟~30分钟出钢，出钢温度为1540℃~1560℃。真空自耗（VAR）时，保持真空度≤1Pa，熔炼稳弧阶段控制熔化速度为1.2kg/min~2.0kg/min，熔炼结束后采用循环水冷却，冷却时间≥6小时；
S2：对铸锭进行均质化处理，将铸锭在1100℃下保温48h；
S3：对均质化处理后的铸锭进行多道次镦拔，镦拔温度850℃-1050℃，第一火次变形量40-45%，第二火次变形量65-75%，第三火次变形量45-50%，第四火次变形量20-30%，每火次后回炉保温，保温时间0.5小时，总变形量控制80%-95%，得到锻件；
S4：对锻件进行轧制，采用临界区轧制，轧制温度800℃，四道次轧制，第一道次变形量17-20%，第二道次变形量12-17%，第三道次变形量7-15%，每道次变形后回炉保温15min，轧制总变形量70%，轧制完成后采用超快冷的方式冷却至室温，超快冷装置布置于精轧机组出口，该装置由密集排布喷嘴组成的多个喷水枕组成，增加供水压力和排布高密度的出水口，通过增大水流对气膜的冲击力使得单位时间内新水和热态钢板表面进行高效热交换，实现超快速冷却，冷却速度≥100℃/s，得到的轴承钢的晶粒组织图如图3所示，平均晶粒尺寸≤1.9μm。
轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.14%，Cr：4.10%，Mo：4.20%，Ni：3.36%,V：1.10%,Mn：0.23%，Si：0.18%，其余为Fe和不可避免杂质。
对比例
S1：采用真空感应（VIM）+真空自耗（VAR）双真空熔炼工艺生产铸锭，锭型Ø225mm。
S2：对铸锭进行均质化处理，将铸锭在1100℃下保温48h；
S3：对均质化处理后的铸锭进行多道次锻击，各道次变形量控制在7%-20%，锻造总变形量80%-90%，得到的轴承钢的晶粒组织图如图4所示，平均晶粒尺寸≤88μm。
轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C:0.12%，Cr:3.96%，Mo:4.22%，Ni:3.53%，V:1.09%，Mn:0.16%，Si：0.27%，其余为Fe和不可避免杂质。
综上，对比例制造的轴承钢的平均晶粒尺寸≤88μm，而本发明的方法实现了高温轴承钢晶粒细化，得到晶粒尺寸≤2μm的超细晶组织，对于提高材料强韧性及后续渗碳处理热处理组织细化均具有重要意义。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (5)

1.一种超细晶高温渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于，包括：
采用双真空熔炼制备铸锭；
对所述铸锭进行均质化处理；
对均质化处理后的所述铸锭进行锻造，得到锻件；
对所述锻件进行多道次临界区轧制，得到轴承钢；
所述轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.16%，Cr：3.50-4.80%，Mo：3.80-5.00%，Ni：3.00-3.90%，V：0.90-1.60%，Mn：0.12-0.45%，Si：0.10-0.28%，其余为Fe和杂质；
所述均质化处理的工艺参数包括：加热温度为1100-1200℃，保温时间≥24h；
所述的对均质化处理后的所述铸锭进行锻造，包括：
对所述铸锭进行多次镦拔变形，镦拔温度850-1050℃，第一火次变形量40-55%，第二火次变形量60-75%，第三火次变形量40-55%，第四火次变形量15-30%，每火次后回炉保温，保温时间≥0.5小时；
所述临界区轧制的工艺参数包括：轧制温度为750-900℃，每道次变形量为7%-20%，每道次变形后回炉保温10-30min，然后再进行下一道次轧制，总变形量控制在60%-80%；
所述的对所述锻件进行多道次临界区轧制后，包括：
将轧制后的所述锻件采用超快冷的方式冷却至室温，得到轴承钢。
2.根据权利要求1所述的一种超细晶高温渗碳轴承钢的制备方法，其特征在于，所述的采用双真空熔炼制备铸锭，包括：
采用真空感应熔炼和真空自耗熔炼制备铸锭。
3.一种超细晶高温渗碳轴承钢，其特征在于，所述轴承钢采用权利要求1-2任意一项所述的方法制造而成。
4.根据权利要求3所述的一种超细晶高温渗碳轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的化学成分及其重量百分比为：C：0.10-0.16%，Cr：3.50-4.80%，Mo：3.80-5.00%，Ni：3.00-3.90%，V：0.90-1.60%，Mn：0.12-0.45%，Si：0.10-0.28%，其余为Fe和杂质。
5.根据权利要求3所述的一种超细晶高温渗碳轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的平均晶粒尺寸≤2μm。
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