一種中碳軸承鋼及其制造方法

專利名稱：：一種中碳軸承鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種軸承鋼及其制造方法，尤其涉及一種用于制造耐沖擊重載荷的軋機(jī)軸承或冶金礦山牙輪鉆頭軸承、石油鉆井渦輪鉆具軸承、鐵路車輛軸承的軸承鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：目前，軋機(jī)向著高速、重載、高強(qiáng)度、高剛度、高精度、連軋化和自動(dòng)化方向發(fā)展，軋機(jī)軸承是軋機(jī)的關(guān)鍵零件，直接關(guān)系到軋機(jī)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。與一般用途的軸承相比，軋機(jī)軸承有以下特點(diǎn)(1)工作負(fù)荷大，一般說(shuō)，軋件是在被咬入時(shí)進(jìn)行軋制的，即載荷是突然建立起來(lái)的，所以說(shuō)沖擊載荷是軸承的受載特點(diǎn)。通常軋機(jī)軸承所承受的單位壓力，比一般用途的軸承高2-4倍，而pv值(軸承單位壓力和線速度的求積)是普通軸承的3-20倍。(2)工作環(huán)境惡劣，軋機(jī)軋制時(shí)，軋輥都要用水冷卻，且有氧化鐵皮飛濺，軸承很容易受到污染。目前，制造軋機(jī)、石油設(shè)備、鐵路車輛用高強(qiáng)韌性滾動(dòng)軸承的鋼材主要為G20Cr2Ni4A或G20CrNi2Mo等滲碳軸承鋼。滲碳軸承鋼與GCrl5軸承鋼相比，除保持了表面的高硬度、高耐磨性外，沖擊韌性值提高了7倍；表面滲碳淬火層中較大的殘余壓應(yīng)力，提高了軸承的接觸疲勞強(qiáng)度。但是滲碳軸承鋼價(jià)格高，而且生產(chǎn)上需使用造價(jià)高的大型周期式滲碳爐或可控氣氛連續(xù)滲碳淬火生產(chǎn)線，滲碳時(shí)間長(zhǎng)(一般需3040h)，滲層質(zhì)量控制較為嚴(yán)格。因此，采用滲碳軸承鋼制造成本高，熱處理工藝周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜，質(zhì)量穩(wěn)定性差。CN1145643公開了一種具有優(yōu)良滾動(dòng)疲勞特性的滲碳軸承鋼，該長(zhǎng)壽命滲碳軸承鋼的組成按重量百分比計(jì)為0.l到O.35%的(:，0.3到2.0X的Mn，0.001到0.03%的S，0.4到0.5%的0,0.01到0.07X的A1，0.003到0.015X的N，0.0005到0.03%總含量的Mg，"0.35到0.70%的Si"或"0.05到1.70%的Si和0.30到1.20%的Mo"，特定含量的Ni或V(至少含其中一種)，以及不超過(guò)0.025X的P，不超過(guò)0.0050X的Ti和總含量不超過(guò)0.002的0，鋼中所含Mg類氧化物所占數(shù)量比至少為0.8。CN86107281公開了一種高純度軸承鋼爐外精煉方法，其特征是，澆鑄前在鋼包加蓋的狀態(tài)下，對(duì)經(jīng)初煉爐冶煉的鋼液，溶渣為低堿度(或酸性渣)，包底吹入惰性氣體或氮?dú)鈨艋幚?。溶渣堿度(Ca0/Si02)《2.5，渣量1.53%。CN1129465公開了一種用于滾動(dòng)疲勞特性極好的軸承件的軸承鋼。它包含(按重量)0.701.20%的"0.151.70X的Si、0.151.20%的Mn、0.502.00%的Cr、0.051.50X的Mo、0.0010.03%的S、0.0100.05%的Al、0.0030.015%的N、0.00050.0300X的總Mg、不大于0.025X的P、不大于0.0040%的Ti、不大于0.0015%的總0，一種或至少兩種選自于特定數(shù)量的V、Nb與Ni的元素，以及鋼中所含Mg的氧化物的數(shù)量比至少為0.8。CN1266911公開了一種適于制造厚壁環(huán)的改進(jìn)的軸承鋼，含有(以重量百分比計(jì))1.001.10的C;最多為O.15的Si;1.350.65的Mn;1.701.90的Cr;1.001.15的Ni;0.400.50的Mo;最多為0.30的Cu;0.0150.050的Al，其余部分是Fe以及正常的殘余元素和雜質(zhì)。CN1287183公開了一種適于大載荷、重沖擊工況下的軸承鋼，其化學(xué)組成為(重量百分比)C:0.60.8;Cr:0.20.34;Mn:0.550.85;Si:1.01.3;Mo:0.40.6;V:0.20.4;S《0.025;P《0.025，余下為Fe。其熱處理工藝為對(duì)車加工后軸承零件采用直接淬火工藝，對(duì)其鋼件先進(jìn)行球化退火，以期得到球狀珠光體組織；然后進(jìn)行直接淬火和回火處理。對(duì)車加工后軸承零件采用高頻表面淬火工藝，對(duì)其鋼件先進(jìn)行正火和回火或調(diào)質(zhì)處理，以期得到索氏體組織，然后進(jìn)行高頻表面淬火和回火處理。CN1888116公開了一種高硬度高耐磨無(wú)磁軸承鋼。該軸承鋼的化學(xué)成分組成(重量％)為C0.650.80%，Mn17.019.0%，Si0.51.0%，Cr3.54.5%，V1.52.5%，W0.41.0%，Mo0.41.0%，N《0.12%,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。制備上述無(wú)磁軸承鋼的具體工藝如下(l)冶煉工藝，(2)鍛造工藝，(3)熱處理工藝又分二步A.退火熱處理工藝85(TC90(TC保溫36h后爐冷至50(rC出爐空冷；B.固溶+時(shí)效熱處理工藝固溶熱處理工藝加熱到奧氏體化溫度為116(TC120(TC充分保溫后水冷；時(shí)效熱處理工藝加熱至630°C700°CX1520小時(shí)，然后空冷到室溫。上述專利分別涉及在提高滾動(dòng)疲勞性能、提高軸承鋼純度以及特定適用性能方面的技術(shù)，但沒有涉及到解決適用于重載荷、高沖擊工況下高強(qiáng)韌性軸承鋼制造及其成本降低問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，主要解決重載荷、高沖擊工況下高強(qiáng)韌性滾動(dòng)軸承制造成本過(guò)高的問(wèn)題。提供了一種具有高淬透性、高強(qiáng)韌性、綜合性能優(yōu)異的中碳高性能軸承鋼及其制造方法。本發(fā)明提供了一種中碳高性能軸承鋼，其特征在于其組成按重量百分?jǐn)?shù)為C:0.501.0%，Si:0.601.50%,Mn:0.501.20%,Mo:0.151.0%，V:0.151.0%,Cr、Ni《0.30%，Cu《0.15%，S《0.025%，P《0.025%,B:0.00050.0035%，《15X10—6，[H]《2X1(T，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。鋼種成分的確定滾動(dòng)軸承工作承受著各類不同的交變應(yīng)力，因而軸承材料要有高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和接觸疲勞壽命，同時(shí)對(duì)于軋機(jī)軸承或冶金礦山牙輪鉆頭軸承、石油鉆井渦輪鉆具軸承、鐵路車輛軸承等還要有高的韌性。軸承鋼性能主要取決鋼的化學(xué)成分、純潔度和組織均勻性三個(gè)方面，其中以化學(xué)成分影響最大，為保證鋼具有足夠的淬透性、硬度值和耐磨性，控制碳含量在C:0.501.0%;Mn主要作為脫氧元素，能提高鋼的性能和純潔度，控制Mn:0.501.20%;為強(qiáng)化鐵素體，提高強(qiáng)度、彈性極限和淬透性，改善抗回火軟化性能，控制Si:0.601.50%;Mo的作用是提高淬透性、抗回火穩(wěn)定性，減小淬火變形，提高疲勞強(qiáng)度，改善力學(xué)性能，控制Mo:0.151.0%;V是提高耐磨性最有效的元素之一，能細(xì)化晶粒，提高鋼的致密度和韌性，控制V:0.151.0%;微量B元素主要是為了滿足大規(guī)格、厚壁軸承產(chǎn)品淬透性要求，擴(kuò)大鋼種應(yīng)用領(lǐng)域；S、P在軸承鋼中視為有害元素，因此，本發(fā)明控制S^).025。/。，P50.025%;Cr、Ni|、Cu為殘余元素，為減少危害，控制Cr、Ni《0.30%，Cu《0.15%;為提高鋼的純凈度和疲勞壽命，本發(fā)明還對(duì)氧和氫提出了控制要求^15xl(T6，[H]S2xl(T6。進(jìn)一步優(yōu)選的，本發(fā)明的中碳高性能軸承鋼，其特征在于其組成按重量百分?jǐn)?shù)為C:0.500.70%，Si:0.801.20%，Mn:0.501.00%，Mo:0.450.75%，V:0.150.35%，Cr、Ni《0.30%,Cu《0.15%,S《0.025%,P《0.025%，B:0.00150.0025%，《15X10—6,[H]《2X1(T,余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明提供了一種中碳軸承鋼的制備方法，包括冶煉及合金化、澆注、軋制、緩冷，其特征在于，控制鋼的化學(xué)成分重量百分比含量為C:0.501.0%，Si:0.601.50%，Mm0.501.20%，Mo:0.151.0%，V:0.151.0%，Cr、Ni《0.30%，Cu《0.15%,S《0.025%，P《0.025%，B:0.00050.0035%，《15X10—6，[H]《2X10—6，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。通過(guò)鋼包吹氬、真空脫氣處理加強(qiáng)鋼的脫氧去氣的冶煉控制，終脫氧喂入鋁線，真空脫氣處理后加入B鐵；采用模鑄或連鑄；鋼錠或鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130~1280°C,加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度11001250。C,終軋溫度8501000°C;軋后鋼材的冷卻速度為O.5rC/min。加熱質(zhì)量可以為軋制提供良好的組織和塑性條件，碳化物形成元素充分?jǐn)U散以及降低偏析，可以提高鋼材組織均勻性，設(shè)計(jì)鋼錠或鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130128(TC，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度11001250。C，終軋溫度8501000。C;軋后鋼材的冷卻速度為O.5rC/min。進(jìn)一步優(yōu)選的，中碳軸承鋼的制備方法可考慮以下工藝條件進(jìn)行操作(1)冶煉及合金化，電爐冶煉、出鋼，采用爐外精煉、真空脫氣處理。為保證鋼中"有效硼"的含量和鋼的淬透性，通過(guò)鋼包吹氬、真空脫氣處理加強(qiáng)鋼的脫氧去氣冶煉控制，終脫氧喂入鋁線，真空脫氣處理后加入B鐵，確?；瘜W(xué)成分尤其是有效硼含量0.00050.0035%，鋼中氫含量不大于2X10—6、氧含量不大于15X10"6，重量百分?jǐn)?shù)。(2)澆注，采用模鑄或連鑄，控制過(guò)熱度，模鑄鋼包鋼水過(guò)熱度為708(TC或連鑄中間包為2030。C，控制澆注速度，模鑄為390250mra/min(3噸錠)或連鑄拉坯速度為0.551.0m/min，保證鋼錠或鑄坯質(zhì)量。(3)軋制，鋼錠或鋼坯在加熱爐的均熱溫度為11301280'C，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度1100125(TC，終軋溫度8501000。C。(4)緩冷，軋后鋼材的冷卻速度為O.5rC/min。優(yōu)選的，對(duì)規(guī)格O120rara260mra鋼材，采用模鑄澆注鋼錠一加熱一750軋機(jī)成材一緩冷工藝，模鑄澆注速度為320280mm/min;對(duì)規(guī)格不大于①30mm120mm鋼材，采用連鑄澆注鑄坯一加熱一軋制成材一緩冷工藝生產(chǎn)鋼材，連鑄拉坯速度為0.551.0m/min(根據(jù)坯型優(yōu)化)。采用該制造方法可生產(chǎn)規(guī)格①30260mm的圓鋼。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案的有下列優(yōu)點(diǎn)1、同目前廣泛應(yīng)用的耐沖擊重載荷軸承用鋼比較(1)本發(fā)明鋼控制微量元素B的含量，保證了鋼的淬透性，使得該鋼適于制造從中小規(guī)格軸承到大型軋機(jī)軸承。(2)該鋼噸鋼成本較滲碳軸承鋼約低30%，加工后經(jīng)一般淬回火后具有高強(qiáng)度、高沖擊韌性、高耐磨性能，大大降低了軸承生產(chǎn)企業(yè)制造成本、提高了生產(chǎn)效率。(3)該鋼具有高的綜合性能，在以下幾方面顯示出優(yōu)異的性能具有高的淬透性，可以制造大規(guī)格軋機(jī)軸承；淬火后的硬度(HRC)大于下貝氏體，提高了材料的耐磨性；其沖擊韌性明顯高于滲碳軸承鋼的沖擊韌性，適用于重載荷、高沖擊工況條件的軸承制造；其徑向負(fù)荷與滲碳鋼相當(dāng)。加工后的軸承零件整體性能優(yōu)異，采用該鋼制造的軸承使用壽命達(dá)到甚至超過(guò)滲碳軸承鋼材料。2、本發(fā)明的中碳軸承鋼的制備方法鋼的冶煉，加強(qiáng)鋼的脫氧去氣等冶煉控制，保證鋼中"有效硼"的含量；鋼液澆注，模鑄或連鑄，控制過(guò)熱度、澆注速度或連鑄速度，連鑄結(jié)晶器采用河南西保冶材集團(tuán)有限公司55SiMnVB專用保護(hù)渣，根據(jù)鋼的凝固特性，設(shè)計(jì)合理的配水模型，提高連鑄坯質(zhì)量，保證鋼錠質(zhì)量；鋼的軋制，鋼錠或鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130128(TC，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度11001250'C，終軋溫度850100(TC;采用該制造方法可生產(chǎn)規(guī)格。30260mm的圓鋼。圖1為本發(fā)明鋼熱軋態(tài)金相組織IOOX照片圖2為0200mffl熱軋圓鋼從表面至心部硬度分布規(guī)律圖，其中X為距圓鋼表面的距離，單位mra;Y為圓鋼熱軋態(tài)硬度，單位HB具體實(shí)施例方式本發(fā)明鋼是采用UHP(超過(guò)功率電爐)十LF(爐外精煉)十VD(真空脫氣)工藝冶煉，對(duì)規(guī)格①120咖260mm鋼材，采用模鑄澆注鋼錠一加熱一750軋機(jī)成材一緩冷工藝；對(duì)規(guī)格不大于①30mm120mm鋼材，采用連鑄澆注鑄坯一加熱一軋制成材一緩冷工藝生產(chǎn)鋼材。實(shí)施例h以0200mm規(guī)格鋼材的生產(chǎn)工藝來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明是如何實(shí)施的。具體工藝步驟為(1)冶煉及合金化，電爐冶煉、出鋼，采用爐外精煉、真空脫氣處理。通過(guò)鋼包吹氬、真空脫氣處理加強(qiáng)鋼的脫氧去氣冶煉控制，終脫氧喂入鋁線，真空脫氣處理后加入B鐵，確?；瘜W(xué)成分尤其是有效硼含量符合要求，鋼中氫含量不大于2X10"6、氧含量不大于15X1(T6。(2)澆注，模鑄，控制過(guò)熱度，模鑄鋼包鋼水過(guò)熱度為7080。C，控制澆注速度為390250咖/min(3噸錠)，保證鋼錠質(zhì)量。(3)軋制，鋼錠在加熱爐的均熱溫度為11301280°C，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度U00125(TC，終軋溫度8501000°C，軋后鋼材緩冷，冷卻速度為0.5rC/min。加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間也稱均熱時(shí)間。具體參數(shù)見表1和表2。表1是實(shí)施例軸承鋼化學(xué)成分，表2是鋼包鋼水過(guò)熱度、澆注速度、鋼錠加熱溫度、時(shí)間及變形溫度。表l軸承鋼實(shí)施例化學(xué)成分(重量，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2鋼包鋼水過(guò)熱度、澆注速度、鋼錠加熱溫度、時(shí)間及變形溫度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例2以①100mm規(guī)格鋼材的生產(chǎn)工藝來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明是如何實(shí)施的。具體工藝步驟為(1)冶煉及合金化，電爐冶煉、出鋼，采用爐外精煉、真空脫氣處理。通過(guò)鋼包吹氬、真空脫氣處理加強(qiáng)鋼的脫氧去氣的冶煉控制，終脫氧喂入鋁線，真空脫氣處理后加入B鐵，確?；瘜W(xué)成分尤其是有效硼含量符合要求，鋼中氫含量不大于2X1(T、氧含量不大于15X10(2)澆注，連鑄，控制過(guò)熱度，連鑄中間包過(guò)熱度為203(TC、控制連鑄拉坯速度為0.551.0ni/min(根據(jù)坯型優(yōu)化)，保證鑄坯質(zhì)量。(3)軋制，鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130128(TC，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h,開軋溫度11001250°C，終軋溫度8501000°C,軋后鋼材緩冷，冷卻速度為0.5rC/min。加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間也稱均熱時(shí)間。具體參數(shù)見表3和表4。表3是實(shí)施例軸承鋼化學(xué)成分，表4是連鑄中間包過(guò)熱度、拉坯速度、鋼坯加熱溫度、時(shí)間及變形溫度。表3軸承鋼實(shí)施例化學(xué)成分(重量，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表4連鑄中間包過(guò)熱度、拉坯速度、鋼坯加熱溫度、時(shí)間及變形溫度<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>該種軸承鋼經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定有關(guān)性能數(shù)據(jù)列于表5中，測(cè)試方法采用國(guó)際通用方法。表5鋼的物理特性<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1.一種中碳高性能軸承鋼，其特征在于其組成按重量百分?jǐn)?shù)為C0.50～1.0％，Si0.60～1.50％，Mn0.50～1.20％，Mo0.15～1.0％，V0.15～1.0％，Cr、Ni≤0.30％，Cu≤0.15％，S≤0.025％，P≤0.025％，B0.0005～0.0035％，[O]≤15×10-6，[H]≤2×10-6，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。2.如權(quán)利要求l所述的中碳高性能軸承鋼，其特征在于其組成按重量百分?jǐn)?shù)為C:0.500.70%，Si:0.801.20%，Mn:0.501.00%，Mo:0.450.75%，V:0.150.35%,Cr、Ni《0.30%,Cu《0.15%,S《0.025%，P《0.025%,B:0.00150.0025%，《15X10、[H]《2X10"6，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。3.如權(quán)利要求l所述的中碳高性能軸承鋼的制備方法，包括冶煉及合金化、澆注、軋制、緩冷，其特征在于，控制鋼的化學(xué)成分重量百分比含量為C:0.501.0%,Si:0.601.50%，Mn:0.501.20%，Mo:0.151.0%，V:0.151.0%，Cr、Ni《0.30%,Cu《0.15%,S《0.025%,P《0.025%，B:0.00050.0035%，《15X10—6，[H]《2X10一6，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；通過(guò)鋼包吹氬、真空脫氣處理加強(qiáng)鋼的脫氧去氣冶煉控制，終脫氧喂入鋁線，真空脫氣處理后加入B鐵；采用模鑄或連鑄，鋼錠或鋼坯在加熱爐的均熱溫度為11301280°C，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度11001250°C，終軋溫度850~1000°C;軋后鋼材冷卻速度為0.5rC/min。4.如權(quán)利要求3所述的中碳高性能軸承鋼的制備方法，工藝條件如下(1)冶煉及合金化，電爐冶煉、出鋼，采用爐外精煉、真空脫氣處理；為保證鋼中"有效硼"的含量和鋼的淬透性，通過(guò)鋼包吹氬、真空脫氣處理加強(qiáng)鋼的脫氧去氣冶煉控制，終脫氧喂入鋁線，真空脫氣處理后加入B鐵，確保化學(xué)成分尤其是有效硼含量0.00050.0035%，鋼中氫含量不大于2X10—6、氧含量不大于15X10—6，重量百分?jǐn)?shù)；(2)澆注，采用模鑄或連鑄，控制過(guò)熱度，模鑄鋼包鋼水過(guò)熱度為7080。C或連鑄中間包為2030。C,控制澆注速度，模鑄為390250mm/min(3噸錠)或連鑄拉坯速度為0.551.0m/min，保證鋼錠或鑄坯質(zhì)量；(3)軋制，鋼錠或鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130128(TC，加熱和高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為412h，開軋溫度11001250。C，終軋溫度8501000。C;(4)緩冷，軋后鋼材的冷卻速度為O.5rC/min。5.如權(quán)利要求3或4所述的中碳高性能軸承鋼的制備方法，其特征是，對(duì)規(guī)格O)120mm260mm鋼材，采用模鑄澆注鋼錠一加熱一750軋機(jī)成材一緩冷工藝，模鑄澆注速度為320280mm/min;對(duì)規(guī)格①30面120mm鋼材，采用連鑄澆注鑄坯一加熱一軋制成材一緩冷工藝生產(chǎn)鋼材，連鑄拉坯速度為O.551.0m/min。全文摘要本發(fā)明涉及一種中碳軸承鋼及其制造方法，屬于軸承鋼材料及其生產(chǎn)工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
。中碳軸承鋼的化學(xué)成分范圍按重量百分比計(jì)為C0.50～1.0％、Si0.60～1.50％、Mn0.50～1.20％、Mo0.15～1.0％、V0.15～1.0％、Cr、Ni≤0.30％、Cu≤0.15％、S≤0.025％、P≤0.025％、B0.0005～0.0035％、[O]≤15×10^-6、[H]≤2×10^-6，余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明還提供了所述軸承鋼的制備方法，采用該制造方法可生產(chǎn)規(guī)格Φ30～260mm的圓鋼。采用該軸承鋼可代替G20CrNi2Mo等滲碳軸承鋼及其應(yīng)用，可在軋鋼機(jī)等領(lǐng)域代替進(jìn)口軸承，降低軸承生產(chǎn)成本和使用成本。文檔編號(hào)C22C38/12GK101186995SQ20071011342公開日2008年5月28日申請(qǐng)日期2007年10月15日優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日發(fā)明者進(jìn)孫,孫永喜,偉張,張利平,戈文英,猛李,杜顯彬,王廣連,翟正龍,董杰吉,鄭桂蕓申請(qǐng)人:萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司