一种稀土微合金化轴承钢及其制备方法与流程

本发明属于轴承钢制造
技术领域：
；具体涉及一种稀土微合金化轴承钢及其制备方法。
背景技术：
：现今轴承产业快速发展，总体规模和实力迈上新的台阶，但高端轴承的自给率低，大量依赖进口。轴承的可靠性低，性能和质量难以满足高端主机装备的需求，致使大量主机面临空壳化的困境。航空发动机轴承的技术水平落后于先进国家20～30年。高铁轴承和核主泵轴承全部依赖进口潜艇、航母推进系统水润滑轴承面临国外的市场垄断和封锁。薄弱的高端轴承产业难以支撑工业的转型升级。轴承对整个装备制造业的发展水平有着举足轻重的作用。高速、重载、精密的高性能轴承几乎制约着当前整个装备制造业整体关键技术的发展水平，这一类轴承广泛用于高速铁路机车、精密机床、风电、精密轧机、大型发电机组、核泵、石油化工设备、航空发动机、火箭发动机、舰船以及其他国防重装备等关键
技术领域：
，其原材料的性能与质量是提高这类尖端技术产品工作能力、运转精度、稳定性和使用寿命最关键和最直接的环节之一。技术实现要素：本发明目的是基于gb/t18254-2016高碳铬轴承钢，提供了一种稀土微合金化轴承钢及其制备方法。本发明通过以下技术方案实现：一种稀土微合金化轴承钢，其特征在于：所述的一种稀土微合金化轴承钢包含以下成分：碳含量为0.95～1.05wt％，硅含量为0.15～0.35wt％，锰含量为0.25～0.45wt％，铬含量为1.45～1.60wt％，镍含量为0.05～0.09wt％，钼含量为0.02～0.05wt％，铝含量为0.010～0.050wt％，铜含量为0.06～0.08wt％，铌含量为0.010～0.045wt％；磷含量小于0.01wt％，硫含量小于0.008wt％，钇含量小于0.015wt％，铈含量小于0.008wt％，钛含量小于0.0020wt％，氧含量小于0.002wt％，砷含量小于0.040wt％，锡含量小于0.030wt％，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。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，包括如下步骤：步骤1、转炉、lf-rh精炼、方坯连铸，制得的连铸坯扒皮处理后，待用；步骤2、将步骤1制得的连铸坯进行电渣重熔，然后进行罩冷或坑冷，然后进行一次加热轧制开坯，退火或缓冷后，进行检查清理，制得一次轧制钢坯，待用；步骤3、将步骤2制得的一次轧制钢坯进行二次加热轧制，堆冷或缓冷后，制得二次轧制钢坯，待用；步骤4、将步骤3制得的二次轧制钢坯进行球化退火，矫直，磨光或扒皮，探伤，清理检查后，制得所述的一种稀土微合金化轴承钢。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中电渣重熔中冶炼采用提纯渣冶炼，提纯渣冶炼工艺采用ф480*520结晶器，电极采用号钢，每炉250kg萤石；金属电极引弧，引弧电流为0～4ka，精炼电流5～6ka，精炼时间30分钟；冶炼电流9.5～11ka，加渣时间40分钟，渣化清后每2分钟加铝粒1.5kg,共计20批；加完铝粒后精炼10分钟停炉。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中的电渣重熔采用四元渣系，渣系配比为提纯氟化钙、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁的质量比为27:40:18:5。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中的电渣重熔过程用al粒持续进行扩散脱氧，冶炼提纯渣过程中每2min加铝粒1.5kg，冶炼电渣锭过程中电渣锭前半部分每次加40g，电渣锭后半部分每次加70g，每次间隔10min。电渣重熔过程中进行氩气保护，保证氩气保护效果。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中一次加热轧制开坯，采用3t电渣锭，电渣锭加热850℃以下升温速度≤75℃/h，一次加热轧制开坯的高温扩散温度为1230～1240℃，高温扩散时间≧9h，电渣锭的总加热时间≥14h。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中一次加热轧制开坯，轧制1层后需加保1小时后方可轧制下一层。当最上层≤4支时，第2层可不进行加保。加保是等待加热温度重新恢复到工艺温度保温1小时后再轧制。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤3中的二次轧制钢坯中加热2段温度为1200～1220℃，加热2段加热时间大于110分钟；均热段加热温度为1180～1200℃，加热时间大于115分钟；总加热时间大于390分钟。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤4中的等温球化退火温度为780～810℃。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，碳成分的控制区间：碳是影响钢材性能的重要元素，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。碳强化作用很高，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但却显著降低韧性，为了提高轴承钢使用的安全性与可靠性，在提高碳的同时，通过合金化来来提高强度，即由现行gcr150.93-1.05％，设计成0.95-1.05％，成分控制0.98-1.01％，按下限控制，降低铸坯碳偏析，改善碳化物的均匀性。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，mn、cr、ni、mo、al元素设计说明如下：cr元素是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，并可提高强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。能显著改变钢种碳化物的分布及其颗粒的大小，是含铬的神探提醒碳化物退火聚集的倾向性变小，是轴承钢碳化物变细小、分布均匀、并扩大了球化退火的温度范围。铬元素还能减小钢的给过热倾向和表面脱碳速度。cr按1.40-1.60％设计，按1.50-1.55％进行控制，能够增加钢的淬透性和耐磨性，提高尺寸稳定性或组织稳定性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用；并可以防止过高的铬含量容易形成大块碳化物；mn元素能显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中提高铁素体的硬度和强度，并且能够固定钢种s的形态并形成对钢的性能危害小的mns等硫化物，能够减少或者抑制fes的生成。mn能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，并能提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度，本钢种根据需要设计成分为0.25-0.45％，按中上限控制成分0.35-0.40％，以保证钢种残余奥氏体数量，稳定钢的过热敏感性、裂纹倾向性以及尺寸稳定性。但钢中cr与mn这些元素会使材料在250-450℃增加回火脆性敏感性，即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，这就需要增加mo元素，其含量范围为0.02-0.05％，提高淬透性、抗回火稳定性，细化退火组织，减小淬火变形、提高疲劳强度，改善力学性能；ni按照0.05-0.09％设计，是提高钢材韧性最有效的合金元素，它韧化的机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，不论对何种组织，加入ni均可提高韧性。同时cu+mo元素设计控制区间，可以得到比cu+ni更好的综合耐蚀性能,所以cu按≤0.20％设计，实际控制成分0.06-0.08％，钢的耐腐蚀稳定性增强；al含量设计成0.010-0.050％，实际控制成分0.015-0.035％，可以避免钢因晶粒度粗化温度低、粗晶组织的质量问题，使钢中形成足够的细小弥散分布的难熔化合物-aln，和细小、弥散的碳、氮化物v(c、n)一起阻止奥氏体晶粒长大，r&mgcr15晶粒度级别可以提高到≥8.5级，比gb/t18254条件下gcr15晶粒度提高1.0-1.5级别。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，nb含量设计成分0.010-0.045％，作为做主要的微合金元素之一，铌既可在奥氏体较高温度区域内溶解，也可在低温下重新析出。因此，其既可以抑制晶粒长大，又可以析出强化，是控轧控冷过程中最重要的微合金元素之一。在中高碳钢中，铌显著的晶粒细化可提高显微组织的精细程度和均匀性，起到提高钢的塑韧性的效果；微量固溶的铌显著影响珠光体相变行为，推迟珠光体相变，导致珠光体退化。相对于正常的珠光体组织而言，退化珠光体的铁素体/渗碳体界面更多，这有利于进一步提高钢的韧塑性，并可能实现真正的非调质、免球化退火处理。铌是强碳化物形成元素，对碳元素的扩散和碳化物的形成影响很大。从而影响碳化物数量、尺寸、形态和分布，降低脱碳敏感性。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，稀土ce具有熔点低，并与冶金中的有害气体具有很强的亲合力，且具有极强的脱氧、脱硫作用、净化钢液和合金化作用，使钢中夹杂物变性，进而提高钢的各项性能；但稀土含量不宜超过0.015％，否则将导致热加工性能恶化，因此ce控制在≤0.008％。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，稀土元素钇y，能够使钢材中残留的夹杂物球化，以细化晶粒，并提高轴承钢的使用寿命，y控制在≤0.015％。本发明的有益效果如下：本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，具有高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；具有高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，其硬度为：(hrc)61～65；具有一定的冲击韧性；具有良好的尺寸稳定性、组织稳定性；具有接触时抵抗化学腐蚀性；能够有效降低材料疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等现象；具有好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢，适宜制造各种轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，经过电渣重熔，提高纯净度；采用两火工艺能够充分控制碳化物分布，降低碳化物，特别是碳化物带状对寿命的影响。采用等温球化退火，形成球状珠光体组织。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，采用四元渣系电渣重熔工艺，进一步提升产品纯净度，夹杂物级别进一降低。电渣重熔过程采用氩气保护，隔绝空气，有效防止钢液二次氧化，重熔过程用al粒持续进行扩散脱氧，保证电渣钢成品氧含量≤20ppm，ds夹杂物最大0.5级。本发明所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，一次加热轧制开坯高温扩散时间9小时以上，二次加热轧制高温扩散时间115分钟以上，二次加热轧制的总加热时间≥390分钟，通过两次高温扩散，产品碳化物能得到有效扩散，碳化物水平进一步得到提升，同时低倍质量好。附图说明图1为具体实施方式一所述的一种稀土微合金化轴承钢的碳曲线图；图2为具体实施方式三所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法的加热轧制开坯工艺路线图；图3为具体实施方式五所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法的等温退火工艺曲线图。具体实施方式具体实施方式一：一种稀土微合金化轴承钢，所述的一种稀土微合金化轴承钢包含以下成分：碳含量为0.95～1.05wt％，硅含量为0.15～0.35wt％，锰含量为0.25～0.45wt％，铬含量为1.45～1.60wt％，镍含量为0.05～0.09wt％，钼含量为0.02～0.05wt％，铝含量为0.010～0.050wt％，铜含量为0.06～0.08wt％，铌含量为0.010～0.045wt％；磷含量小于0.01wt％，硫含量小于0.008wt％，钇含量小于0.015wt％，铈含量小于0.008wt％，钛含量小于0.0020wt％，氧含量小于0.002wt％，砷含量小于0.040wt％，锡含量小于0.030wt％，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。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，主要指标与gb/t18245-2016规定的gcr15材料的对比如表1所示：表1材料性能对比表从表1中能够看出，本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，主要指标明显高于gb/t18245-2016规定的gcr15材料标准，本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的c曲线如图1所示，从图1中能够看出本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的综合机械性能比原gcr15钢显著提高。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，低倍组织中心疏松、一般疏松和偏析分别按gb/t18254进行评定均不大于1.0级，没有一般斑点状偏析和边缘斑点状偏析，低倍组织检验结果如表2所示：表2低倍组织检验结果对比本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，非金属夹杂物的评定标准如表3所示：常规非金属夹杂物按gb/t18254进行评定，ds按iso-4967评定，评定结果如表4所示：表3非金属夹杂物的评定标准表4非金属夹杂物的评定结果本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，符合非金属夹杂物tin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。一个视场内没有出现2颗边长＜19μm或1颗边长≥19μm的tin夹杂物。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，碳化物不均匀性分析标准为：碳化物带状按gb/t18254进行评定，其合格级别不大于2.0，碳化物液析按gb/t18254进行评定，其合格级别不大于1.0，碳化物不均匀性分析结果如表5所示：表5碳化物不均匀性分析结果本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，通过本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢与gb/t18254条件下gcr15材料对比，对比结果从表4、5中能够看出，本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢在原材料的基础上，增加了ni、mo元素及稀土元素，严格控制al、cu含量，材料的低倍组织、非金属夹杂物、碳化物分布等性能指标全部达到设计指标。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢，超声波探伤按超声波探伤按gb/t4162－2008进行标准评定，a级合格。具体实施方式二：根据具体实施方式一所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，包括如下步骤：步骤1、转炉、lf-rh精炼、方坯连铸，制得的连铸坯扒皮处理后，待用；步骤2、将步骤1制得的连铸坯进行电渣重熔，然后进行罩冷或坑冷，然后进行一次加热轧制开坯，退火或缓冷后，进行检查清理，制得一次轧制钢坯，待用；步骤3、将步骤2制得的一次轧制钢坯进行二次加热轧制，堆冷或缓冷后，制得二次轧制钢坯，待用；步骤4、将步骤3制得的二次轧制钢坯进行球化退火，矫直，磨光或扒皮，探伤，清理检查后，制得所述的一种稀土微合金化轴承钢。具体实施方式三：根据具体实施方式二所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中电渣重熔中冶炼采用提纯渣冶炼，提纯渣冶炼工艺采用ф480*520结晶器，电极采用号钢，每炉250kg萤石；金属电极引弧，引弧电流为0～4ka，精炼电流5～6ka，精炼时间30分钟；冶炼电流9.5～11ka，加渣时间40分钟，渣化清后每2分钟加铝粒1.5kg,共计20批；加完铝粒后精炼10分钟停炉。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中的电渣重熔采用四元渣系，渣系配比为提纯氟化钙、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁的质量比为27:40:18:5，渣系配比如表6所示：表6渣系配比渣料caf2提纯al2o3caomgo渣料量合计重量kg274018590本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，采用四元渣系电渣重熔工艺，进一步提升产品纯净度，夹杂物级别进一降低。电渣重熔过程采用氩气保护，隔绝空气，有效防止钢液二次氧化，重熔过程用al粒持续进行扩散脱氧，保证电渣钢成品氧含量≤20ppm，ds夹杂物最大0.5级。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中的电渣重熔过程用al粒持续进行扩散脱氧，冶炼提纯渣过程中每2min加铝粒1.5kg，冶炼电渣锭过程中电渣锭前半部分每次加40g，电渣锭后半部分每次加70g，每次间隔10min。电渣重熔过程中进行氩气保护，保证氩气保护效果。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中一次加热轧制开坯，采用3t电渣锭，电渣锭加热850℃以下升温速度≤75℃/h，一次加热轧制开坯的高温扩散温度为1230～1240℃，高温扩散时间≧9h，电渣锭的总加热时间≥14h。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，采用3t电渣锭，初始钢锭内部的碳化物同比其他定型偏析程度小，更有利用对碳化物的控制。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤2中一次加热轧制开坯，轧制1层后需加保1小时后方可轧制下一层。当最上层≤4支时，第2层可不进行加热保温，加热轧制开坯工艺路线图如图2所示。具体实施方式四：根据具体实施方式二所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤3中的二次轧制钢坯中加热2段温度为1200～1220℃，加热2段加热时间大于110分钟；均热段加热温度为1180～1200℃，加热时间大于115分钟；总加热时间大于390分钟。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤3中的二次轧制钢坯的二次加热工艺如表7所示，轧制过程全程串水，轧制温度如表8所示。表7二次加热工艺坯料出钢周期预热段加热1段加热2段均热段出炉温度230-245mm2≥120秒/支≤800900-11201200-12201180～12001180～1200表8轧制温度加热保温温度开轧温度终轧温度1200～1220℃1120℃780℃本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，一次碳化物(fecr)3c，其熔点1227℃，高温易造成一次碳化物发生熔化而不是扩散型溶解，出现碳化物型孔洞，导致孔隙发生。因此二次加热工艺加热温度最高1220℃。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，通过两次高温扩散，产品碳化物能得到有效扩散，碳化物水平进一步得到提升，同时低倍质量好。具体实施方式五：根据具体实施方式二所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤4中的等温球化退火温度为780～810℃。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，球化等温退火为将钢加热到ac1以上20-30℃，保温7+q/2时间后，随炉以小于20℃/h的速度冷却到ar1的温度进行等温，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。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，保证尽可能低的奥氏体化温度(稍高于ac1)，尽可能高的等温温度，足够长的等温时间，使转变和球化完成，相变点温度如表9所示：表9相变点温度ac1(ar1)ac3(ar3)ms760℃(695℃)900℃(707℃)87本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法的球化等温退火工艺曲线图如图3所示。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，球化退火加热温度为ac1+(20～40)℃或accm-(20～30)℃，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，步骤4所用方法为等温球化退火，等温球化退火与普通球化退火工艺相同之处是：加热保温后随炉冷却到略高于ar1的温度进行等温(略低于a1)，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右适当保温，之后缓慢冷却一定时间出炉空冷。普通球化退火是将钢加热到ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右适当保温，之后缓慢冷却一定时间出炉空冷。和普通球化退火相比，等温球化退火可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度，提高淬火前零件的磨削加工生产效率。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，所述的一种稀土微合金化轴承钢经过轧制后坑冷，所得到的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，而且在以后的淬火过程中也易变形和开裂。但经球化等温退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，与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。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法，在淬火前经过球化等温退火(将钢加热到ac1以上20-30℃，保温7+q/2时间后，随炉以小于20℃/h的速度冷却到ar1的温度进行等温，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)后，可以达到的效果：淬火效果均一；减小淬火变形；提高淬火硬度；改善工件切削性能；提高耐磨性和抗点蚀性等。本实施方式所述的一种稀土微合金化轴承钢的制备方法制备的所述的一种稀土微合金化轴承钢，适宜制造各种轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针等。当前第1页12