高寿命轴承钢及其制造方法与流程

本发明涉及轧钢制造
技术领域：
，尤其涉及一种高寿命轴承钢及其制造方法。
背景技术：
：精密机床、冶金设备、重型装备、高端汽车制造等传统重型装备制造产业以及风力发电、高速铁路及航空航天等新兴战略产业等是我国工业体系的重要支柱产业，而在这些产业所采用或制造的设备中，往往都需要用到轴承，因此，轴承的使用寿命和可靠性的高低会在一定程度上决定了设备性能的优劣。同时，随着我国科学技术的飞速发展，在许多高端领域，如航空、航天、交通、能源(风电、太阳能、核电)、海洋工程等，往往对所用轴承提出了许多新的要求，且轴承的使用范围也在不断扩大。因此，这也对所使用的轴承材料的性能和质量上也提出了更多的新的要求，例如：在航空发动机上，轴承需要在高温条件下工作，因此需要制造抗高温轴承；在原子能工业上，轴承需要满足抗腐蚀、耐照射以及无磁性等特殊要求，因此需要采用不锈轴承或无磁耐腐蚀不锈轴承钢材制造；而各种类军工产品也与轴承密不可分，例如：飞机、军舰、导弹、雷达、坦克大炮等现代化武器均离不开轴承，而这些轴承同样由于要求的不同，都需要采用不同的轴承材料来制造。基于此，可以说轴承领域的应用越来越广泛，也越来越重要，而目前现有的特种轴承钢的种类和性能已远远不能满足不同行业的需求，因此，必须大力度研发新型的，具有高寿命性能的轴承钢，以便满足轴承工业发展的需求，进一步来满足科技进步以及过国防工业的要求，这对保障我国科学技术和国防工业的发展起着非常重要作用。当前，我国生产的关键轴承与日本、欧美国等先进国家生产的轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面存在较大的差距，已经成为制约我国装备制造业发展的瓶颈，例如：外国制造的汽车齿轮箱用轴承使用寿命为最低50万公里，而相对的，国内同类轴承寿命仅为约10万公里，且可靠性和稳定性较差；同时，外国制造的轴承的高速性能指数Dn值可达到3.3x106，而相对的，我国同类产品最高不超过2.5x106。目前，我国高速铁路所用的轴承几乎全部依靠进口，其中欧美、日本各占约50％，这严重的制约了我国高速铁路技术的进一步发展。针对于轴承钢，无论是我国的国家标准，还是日本、欧美等先进国家的标准，主要以含C1.0％、Cr1.5％为代表的高碳铬轴承钢，从其诞生至今，化学元素组成几乎没有变化，但随着科学技术的迅猛发展，对轴承提出了非常苛刻的要求，例如：在提高转动速度、提高工作温度的同时，还要求更高的可靠性和寿命；轴承尺寸的不断增大，要求其具有更高的淬透性；办公自动化机器的出现，要求对小型轴承噪声进行有效的抑制等。因此，如何设计一种具备更高纯净度、高可靠性和高抗疲劳寿命的新型轴承钢就成为了亟待解决的问题。技术实现要素：为解决现有技术轴承无法满足使用要求的问题，本发明的提供了一种高寿命轴承钢及其制造方法，通过优化调整轴承钢中各元素的含量，有效的保证轴承钢具有更高的寿命，且能够满足使用要求，同时还进一步的提供了针对于该高寿命轴承钢的制造方法。本发明的第一部分为提供一种高寿命轴承钢，其包含以下成分：碳含量为0.96～1.03wt％，硅含量为0.15～0.35wt％，锰含量为0.25～0.45wt％，铬含量为1.4～1.6wt％，镍含量为0.05～0.09wt％，钼含量为0.02～0.08wt％，铝含量为0.007～0.030wt％，铜含量为0.04～0.08wt％，稀土钇含量为0.002～0.030wt％；磷含量小于0.01wt％，硫含量小于0.008wt％，钛含量小于0.0025wt％，氧含量小于0.0008wt％，砷含量小于0.012wt％，锡含量小于0.002wt％，锑含量小于0.005wt％，铅含量小于0.002wt％，钙含量小于0.001wt％；其余成分为铁。优选的，轴承钢的金相组织为球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上。优选的，轴承钢的液相线温度为1442℃。进一步优选的，轴承钢的允许加热最高温度为1242℃。本发明的第二部分为提供一种高寿命轴承钢的制造方法，其用于制造本发明第一部分的高寿命轴承钢，包括以下步骤：S1，精炼轴承钢的原材料，得到钢锭或连铸坯；S2，加热钢锭或连铸坯后，对钢锭或连铸坯进行轧制和一次缓冷，得到一次轧制钢坯；S3，加热一次轧制钢坯后，对一次轧制钢坯进行二次轧制，得到棒材或线材，并进行二次缓冷；S4，对棒材或线材进行清理检查，得到轴承钢；其中，S2中加热温度为1230～1240℃；S3中加热温度为1200～1220℃。优选的，S2中一次缓冷为坑冷，且一次缓冷时长为60小时。优选的，S3中二次缓冷为球化等温退火。优选的，S3中的总加热时间大于330分钟。本发明的高寿命轴承钢通过对轴承钢的原材料进行了进一步的优化选择，同时对轴承钢中的个别化学元素的含量进行了严格的控制，使得制造出的轴承钢具有更高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；同时保证制造出的轴承具有良好的耐磨性，及高使用寿命；以及能够有效的提高轴承钢的抗化学腐蚀、抗氧化性能。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明的高寿命轴承钢的制造方法的一个实施例的流程图。图2是本发明的高寿命轴承钢的制造方法的一个实施例的流程图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。(一)高寿命轴承钢设计指标的设定本实施例中，为保证制造的高寿命轴承钢能够获得以下的优点，对轴承钢的成分进行了设计：(1)具有较高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；(2)具有较高的淬硬性和必要的淬透性；(3)具有高耐磨性和一定的冲击韧性；(4)具有良好的尺寸稳定性或组织稳定性；(5)具有良好的抗化学腐蚀性；(6)能够有效的降低轴承钢的材料疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等现象。为实现以上轴承钢的要求，针对本实施例的高寿命轴承钢提出以下设计指标：(1)低倍组织对比高寿命轴承钢低倍组织中心疏松、一般疏松和偏析分别按GB/T18254-2002第1、2、3级别图评级，均应不大于1.0级，不允许有一般斑点状偏析和边缘斑点状偏析。(2)非金属夹杂物1)常规非金属夹杂物本实施例的高寿命轴承钢非金属夹杂物合格级别如下表1所示：表12)非金属夹杂物TiN本实施例的高寿命轴承钢的判定标准：形态：方形或近似方形，四角或棱角分明的单颗粒夹杂物；一个视场内不允许出现2颗边长＜19μm或1颗边长≥19μm的TiN夹杂物。(3)碳化物均匀性1)碳化物带状高寿命轴承钢按GB/T18254-2002附录A第8级别图进行评定，其合格级别不大于2.0。2)碳化物液析高寿命轴承钢按GB/T18254-2002附录A第9级别图进行评定，其合格级别不大于1.0。(4)超声波探伤高寿命轴承钢按照SEP1921标准评定，A/a级合格。基于此，根据以上确定的高寿命轴承钢的指标，将其与国标GB/T18245-2002中规定的GCr15型钢进行主要指标对比，具体对比过程如下：(1)低倍组织对比本实施例的高寿命轴承钢低倍组织中心疏松、一般疏松和偏析分别按GB/T18254-2002第1、2、3级别图评级，均应不大于1.0级，不允许有一般斑点状偏析和边缘斑点状偏析。而GCr15低倍组织中心疏松、一般疏松和偏析分别按GB/T18254-2002第1、2、3级别图评级，均应不大于1.5级，无缩孔、裂纹、皮下起泡、过烧、白点及有害杂物。(2)非金属夹杂物1)常规非金属夹杂物本实施例的高寿命轴承钢非金属夹杂物合格级别如上述表1所示：GCr15非金属夹杂物合格级别如下表2所示：表22)非金属夹杂物TiN本实施例的高寿命轴承钢的判定标准：形态：方形或近似方形，四角或棱角分明的单颗粒夹杂物；一个视场内不允许出现2颗边长＜19μm或1颗边长≥19μm的TiN夹杂物。而GCr15中不检验评级。(3)碳化物均匀性1)碳化物带状高寿命轴承钢按GB/T18254-2002附录A第8级别图进行评定，其合格级别不大于2.0。GCr15按GB/T18254-2002附录A第8级别图进行评定。GB/T18254-2002附录A第8级别图如表3所示：表3规格/mm合格级别不大于≤302.0＞30-602.5＞60-803.0＞80-1503.52)碳化物液析高寿命轴承钢按GB/T18254-2002附录A第9级别图进行评定，其合格级别不大于1.0。GCr15按GB/T18254-2002附录A第9级别图进行评定。GB/T18254-2002附录A第9级别图如表4所示：表4规格/mm合格级别不大于≤300.5＞30-601.0＞60-802.0＞80-1502.5(4)超声波探伤高寿命轴承钢按照SEP1921标准评定，A/a级合格。而GCr15中不检验评级。根据以上的对比可知，本实施例中高寿命轴承钢的指标较GCr15的指标更加严格，使得本实施例中的高寿命轴承钢能够更加满足针对轴承钢的使用需求。(二)高寿命轴承钢的成分确定根据以上的指标，本实施例中设计的高寿命轴承钢，其具体包含以下成分：碳含量为0.96～1.03wt％，硅含量为0.15～0.35wt％，锰含量为0.25～0.45wt％，铬含量为1.4～1.6wt％，镍含量为0.05～0.09wt％，钼含量为0.02～0.08wt％，铝含量为0.007～0.030wt％，铜含量为0.04～0.08wt％，稀土钇含量为0.002～0.030wt％。同时，还需控制轴承钢中以下成分的含量：磷含量小于0.01wt％，硫含量小于0.008wt％，钛含量小于0.0025wt％，氧含量小于0.0008wt％，砷含量小于0.012wt％，锡含量小于0.002wt％，锑含量小于0.005wt％，铅含量小于0.002wt％，钙含量小于0.001wt％。另，轴承钢中除以上成分外，其余成分为铁。具体的，轴承钢中各元素成分的选择如下：在轴承钢材料所包含的成分中，碳(C)是影响钢材性能的重要元素，具体说，碳是保障轴承钢能够具备足够的淬透性、硬度值和耐磨性的重要元素之一。碳的强化作用很高，因此，如钢中含碳量增加，则钢的屈服点和抗拉强度都将相应的升高，但含碳量的增加却会显著降低钢的韧性，因此，为了提高轴承钢在使用时的安全性与可靠性，在提高钢中含碳量的同时，还需通过合金化来来提高钢的强度，即将现行钢材料GCr15中的含碳量0.95～1.05wt％，进一步设计成0.96～1.03wt％，同时，更优选的将碳的成分控制在0.98～1.01wt％，且按碳成分含量的下限控制，以降低铸坯碳偏析，改善碳化物的均匀性。在钢材料中，元素铬(Cr)能够与碳形成化合物，其主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，并可提高钢的强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限，同时，铬还能显著的改变钢中碳化物的分布及其颗粒的大小，使含铬的渗碳体型碳化物(Fe·Cr)3·C退火聚集的倾向性变小，因此，铬能够有效的使轴承钢中的碳化物变细小、分布均匀，并扩大了轴承钢在进行球化退火时的温度范围，同时，铬还能减小钢的给过热倾向和表面脱碳速度。本实施例中，可将铬的成分设计在1.40～1.60wt％，进一步可优选的设计在1.50～1.55wt％。通过此种成分设计，能够有效的增加钢的淬透性和耐磨性，提高尺寸稳定性或组织稳定性，还能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用，同时，还能够防止过高的铬含量而形成大块碳化物。在钢材料中，元素锰(Mn)能显著提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度，且部分锰能溶于铁素体中，以提高铁素体的硬度和强度；同时，锰还能够固定钢中硫(S)的形态，并形成对钢的性能危害较小的MnS等硫化物，能够有效的减少或者抑制FeS的生成，以实现削弱或消除钢中硫所带来的不良影响，提高固熔强化作用。本实施例的轴承钢中，根据轴承钢的需要，将锰的成分设计在0.25～0.45wt％，按锰含量的中上限控制，锰的成分可进一步优选在0.35～0.40wt％，以此来保证轴承钢中残余奥氏体数量，稳定钢的过热敏感性、裂纹倾向性以及尺寸稳定性。但，钢中铬与锰这些元素会增加钢材料在250～450℃的回火脆性敏感性，即，在脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降，为了降低锰的不利影响，这就需要同时增加元素钼(Mo)，且可将钼设计为成分在0.02～0.08wt％，以此来提高轴承钢的淬透性、抗回火稳定性，并细化退火组织，减小淬火变形、提高疲劳强度，改善力学性能。在钢材料中，元素镍(Ni)是最有效的提高钢材韧性的合金元素，其韧化的机理是使材料的基体本身在低温下更易于交叉滑移，而不论对何种组织，加入镍均可提高韧性。因此，可将镍设计为成分在0.05～0.09wt％。同时，由于按照元素Cu+Mo的结构来设计控制区间，可以得到比元素Cu+Ni的结构更好的综合耐腐蚀性能,所以铜(Cu)设计为成分在0.04-0.08wt％，使得轴承钢的抗氧化性增强，避免钢材在生产过程中脱碳严重。在钢材料中，元素铝(Al)可以避免钢材因晶粒度粗化温度低、粗晶组织的质量问题，使钢材中形成足够细小的弥散分布的难熔化合物-AlN，阻止奥氏体晶粒长大，并可使晶粒度级别提高到≥8.5级。因此，可将铝设计为成分在0.007-0.030wt％，以此方案生产出的轴承钢比GB/T18254-2002标准下的GCr15钢材的晶粒度提高0.5级别。稀土元素钇(Y)能够使钢材中残留的夹杂物球化，以此来使钢材细化晶粒，并提高轴承钢的使用寿命，因此，可将本实施例轴承钢中钇设计为成分在0.002-0.03wt％。基于以上的分析，可根据钢材中各元素的特性，并如表5所示：表5因此，根据以上分析出的元素性能，本实施例中可高寿命轴承钢的成分可设计如表6中所示：表6CSiMnCrNiMoAlCuY0.960.150.251.400.050.020.0070.040.0021.030.350.451.600.090.080.0300.080.03PSTiOAsSnSbPbCa≤≤≤≤≤≤≤≤≤0.0100.0080.00250.00080.0120.0020.00500.00200.0010根据以上得出的高寿命轴承钢中元素成分，及高寿命轴承钢的评定指标来制造该高寿命轴承钢。在制造高寿命轴承钢的过程中，需要进行试样检验，具体试样检验的方法如表7所示：表7针对制造出的高寿命轴承钢进行了相变点计算，见表8：表8相变点T液Ac1(Ar1)Ac3(Ar3)Ms温度1442759℃(696℃)900℃(719℃)86上述技术参数，为高寿命轴承钢的热处理工艺设计提供了依据，按照设计成分制造出的轴承钢综合机械性能比原GCr15钢显著提高，以轧机导卫轴承为例，使用寿命由原来的GCr15轧机导卫轴承连续工作5-8小时部分失效，提高到现在的高寿命轧机导卫轴承连续工作10-15小时，使用寿命提高1倍，从而满足轴承钢在高寿命领域的需要。进一步的，根据以上确定的高寿命轴承钢的元素成分可知，本实施例中得到的高寿命轴承钢的金相组织为球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上。并且，其与轧制缓冷状态轴承钢片状珠光体比不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件也不易变形和开裂。进一步的，高寿命轴承钢的液相线温度为1442℃，由于钢材的过烧温度比熔点低100～150℃，过热温度比过烧温度低约50℃，所以钢材的加热保温最高温度一般应低于熔点(或低于状态图固相线温度)200℃，因此，本实施例中的高寿命轴承钢的允许加热最高温度为1242℃。(三)高寿命轴承钢的制造方法根据附图1所示，上述实施例的高寿命轴承钢的制造方法，具体通过以下步骤制造：S1，精炼轴承钢的原材料，得到钢锭或连铸坯。具体的，将本实施例中高寿命轴承钢的成分进行精炼，以便得到钢锭或连铸坯，用于后续制造出高寿命轴承钢钢材。针对轴承钢原料的精炼的具体流程为：首先将原料置于转炉或电炉中进行冶炼后，进入LF精炼炉中进行精炼，之后再进入VD精炼炉或RH精炼炉进行精炼，最终将精炼完成的原料入模或结晶器进行铸锭或连铸，以得到铸成的钢锭或连铸成型的连铸坯。S2，加热钢锭或连铸坯后，对钢锭或连铸坯进行轧制和一次缓冷，得到一次轧制钢坯。具体的，对步骤S1中得到的钢锭或连铸坯进行加热，然后进行轧制，将轧制后的钢坯进行一次缓冷后精整处理，以便得到一次轧制钢坯。开坯前的钢锭或连铸坯高温均质化保温温度为1230-1240℃，高温扩散时间6-8小时，经过轧机轧制后形成240mm2或160mm2轧坯，轧制钢坯一次缓冷时间为60小时。进一步的，一次缓冷采用坑冷。进一步的，对经过轧制一次缓冷后的一次轧制钢坯，进行表面精整，其目的是使一次轧制钢坯表面缺陷清除干净。S3，加热一次轧制钢坯后，对一次轧制钢坯进行二次轧制，得到棒材或线材，并进行二次缓冷。具体的，将经过精整所得到的一次轧制钢坯再次进行加热，并对加热后的一次轧制钢坯进行二次加热轧制，得到轧制棒材或线材，并对棒材或线材进行等温球化退火。即对经过轧制后得到的240mm2或160mm2轧坯，通过步进式加热炉进行加热，且在二次轧制前的加热温度为1200～1220℃，均热段保温温度为1220-1220℃，保温时间为110-150分钟；总加热时间大于330分钟。进一步的，步骤S3中得到轧制棒材或线材，对其进行球化等温退火。因为轧制所得到的钢材组织为片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，而且在之后的淬火过程中也易变形和开裂；而如果经过轧制的钢材经过球化等温退火处理的话，则可得到钢材组织为球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，且弥散分布在铁素体基体上，与片状珠光体比，其不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件也不易变形和开裂，因此，步骤S3采用球化等温退火工艺。S4，对棒材或线材进行清理检查，得到轴承钢。具体的，对经过球化等温退火处理后得到的棒材或线材进行矫直、清理、检查，以便得高寿命轴承钢成品棒材或线材。该清理检查具体包括：对棒材进行磨光或扒皮处理，之后进行探伤检查、理化检验，检验合格的钢材可以判定交付，最终得到所需的高寿命轴承钢。本实施例中采用的球化等温退火工艺可参考图2所示，其中，球化等温退火具体为：将钢材加热到AC1以上20-30℃，即800℃，保温10+Q/2时间后，随炉以小于20℃/h的速度冷却到略低于Ar1的温度720℃进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍，等温后随炉冷至500℃保温1小时，并在炉内自然冷却3小时左右出炉空冷。其中，Q代表装炉的钢材总重量，单位为吨。制造轴承钢的棒材或线材在淬火前经过球化等温退火后，具体可以达到的效果为：①淬火效果均一、②减小淬火变形、③提高淬火硬度、④改善工件切削性能、⑤提高耐磨性和抗点蚀性等；并且该棒材或线材适宜制造各种轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针等。通过以上的高寿命轴承钢的制造方法制造高寿命轴承钢，且制造出的高寿命轴承钢符合上表7中试样检验，对制造出的高寿命轴承钢的成分进行检测，具体监测结果如表9所示：根据表9中记载的高寿命轴承钢成分检测结果可知，根据本实施例中高寿命轴承钢的制造方法制造出的高寿命轴承钢符合要求。进一步的，步骤S2和S3中针对钢坯的加热及轧制的工艺要求具体如下：经过步骤S1处理后得到的钢锭或连铸坯经高温均质化处理的温度必须控制在1220-1240℃温度范围之内，保温时间6-8小时，轧后进行坑冷，以防止钢坯表面裂纹，最后对轧后的一次轧制钢坯进行表面清理。对一次轧制钢坯经过表面清理后，装入步进式加热炉进行再次加热，对一次轧制钢坯进行二次轧制得到棒材或线材，并对棒材或线材进行球化等温退火，最终清理检查后得到所需轴承钢。上述过程中，针对钢材两次加热过程的工艺要求具体如表10所示：表10而轴承钢在进行轧制过程中，其开轧温度与终轧温度如表11所示表11并且，轴承钢在轧制过程中需要全程穿水。(四)高寿命轴承钢与GCr15型钢对比本实施例的高寿命轴承钢与GCr15型钢对比，其包含的化学元素成分有实质性的不同，具体为，高寿命轴承钢中增加了镍、钼、铜、钇等元素，同时对元素铝的含量进行了严格限制的设计，这使得得到的轴承钢的综合性能有显著提高，具体的检测结果如下：低倍组织对比如表12所示：表12非金属夹杂物对比如表13所示：表13碳化物分布对比如表14所示：表14通过以上的对比可知，本实施例的高寿命轴承钢相较现有的GCr15型钢，具有更长的使用寿命，其具体表现在：①经过现场使用数据对比验证，使用寿命比现有的GCr15型轴承钢提高1倍；②稀土钇球化后的高寿命轴承钢，使钢中残留的夹杂物球化，质量稳定性提高；③高寿命轴承钢的纯净度比现有的GCr15型轴承钢纯净度指标显著提高。本发明的高寿命轴承钢通过对轴承钢的原材料进行了进一步的优化选择，同时对轴承钢中个别元素的含量进行严格的控制，使得制造出的轴承钢具有更高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；同时保证制造出的轴承具有良好的耐磨性；以及能够有效的提高轴承钢的抗化学腐蚀、抗氧化性能。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3