一种高碳轴承钢及其制备方法与流程

本发明涉及轴承钢的组织细化与均匀化技术领域，尤其涉及一种高碳轴承钢及其制备方法。

背景技术：

轴承几乎是所有传动装置必不可少的关键基础件，其疲劳寿命高低决定着机器与装备使用寿命的长短和可靠性。目前国内外普遍使用具有全淬透性能的高碳铬轴承钢(如gcr15、gcr15simn、gcr15simo和gcr18mo)和不锈轴承钢9cr18mo等民用轴承钢以及8cr4mo4v等军用轴承钢。国内外航空航天、矿山机械、交通运输与海洋船舶等高端装备领域均对轴承提出了长寿命和高可靠性要求。但制作轴承用的轴承钢，特别是全淬透性高碳轴承钢的接触疲劳寿命普遍比较低，无法满足高端装备长寿命与高可靠性要求。

为了提高轴承钢的疲劳寿命，国内外开展了大量提高轴承钢接触疲劳寿命的研究，主要是通过降低轴承钢中夹杂物含量、减小轴承钢中夹杂物尺寸、控制轴承钢中夹杂物类型与分布。在此思路指导下，通过将轴承钢中氧含量从30～50ppm降低到目前的3～5ppm，国内外商业化轴承钢gcr15的接触疲劳寿命从上世纪50年代的大气冶炼钢的l10≥10⁵次提高到了上世纪90年代炉外精炼钢的l10≥10⁷次级别，又经过跨世纪的近30年发展，目前炉外精炼高碳轴承钢gcr15的疲劳寿命一直停留在l10≥1～2×10⁷次，而没有取得更大进展，无法满足高端装备长寿命和高可靠性能要求。因此，通过炉外精炼工艺，进一步降低氧含量和减小夹杂物尺寸与含量，不仅大幅度增加成本和降低生产效率，也无法再取得接触疲劳寿命的大幅度提升。因此如铁路、盾构、机床等高端轴承需要使用价格昂贵的、接触疲劳寿命比较高的电渣gcr15(l10≥3.0×10⁷次)和双真空gcr15(l10≥4.5×10⁷次)。但针对轴承钢1000多万吨的产销量，电渣轴承钢与双真空轴承钢不仅不能满足产量要求，同时成本也大幅度提升(比炉外精炼轴承钢成本分别高出2～4倍)。

国内外研究结果表明，轴承钢的接触疲劳寿命不仅受到夹杂物影响，同时也取决于轴承钢基体组织粗细、碳化物尺寸及其分布以及钢中残余奥氏体含量影响。已有研究表明，通过整体双细化热处理，可以将轴承钢gcr15的晶粒尺寸和碳化物细化一倍，从而将轴承钢的疲劳寿命提升5倍以上。通过表面硬化热处理，可以将轴承钢表面奥氏体含量提升到15～30％，从而将轴承钢的接触疲劳寿命提升5～10倍。通过对轴承钢gcr15进行表面渗碳，提升轴承钢表面硬度和进行碳化物控制，可以将轴承钢的接触疲劳寿命提升10倍以上。但是以上热处理不仅增加轴承制造难度和降低轴承精度，同时大幅提升了轴承制造成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高碳轴承钢及其制备方法，无需进行特殊的热处理仅利用微合金化元素便可提高高碳轴承钢的抗疲劳寿命，满足高端装备轴承钢对长寿命、高可靠性和低成本等综合性能需求。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高碳轴承钢，化学组成为：c：0.80～1.20wt％、cr：0.40～2.0wt％、mn：0.15～0.75wt％、si：0.15～0.75wt％、nb：0～0.20wt％、mo：0～0.20wt％、v：0～0.20wt％、p≤0.015wt％、s≤0.01wt％，余量为fe及不可避免的杂质；所述nb、mo和v的含量不同时为0。

优选的，所述高碳轴承钢至少包括nb、mo和v中的两种。

优选的，所述nb、mo和v的总量为0.10～0.30wt％。

本发明提供了上述方案所述高碳轴承钢的制备方法，包括以下步骤：

将高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭；所述钢锭的化学组成对应上述方案所述高碳轴承钢的化学组成；

将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材；

将所述棒材依次进行球化退火、淬火和回火，得到高碳轴承钢。

优选的，所述冶炼的方式为电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼。

优选的，所述均匀化处理的温度为1100～1250℃，保温时间为2～6小时。

优选的，所述球化退火的过程包括：将所述棒材在800～860℃进行保温0.5～12小时后，冷却到680～740℃进行0.5～12小时保温处理，最后空冷到室温。

优选的，所述淬火的温度为820～860℃，保温时间为0.10～1.0小时；所述淬火的冷却方式为油淬。

优选的，所述回火的温度为130～200℃，保温时间为0.5～3.5小时；所述回火的冷却方式为空冷。

优选的，所述棒材的加工方式为热锻或热轧，所述热锻或热轧的温度为1150～1200℃。

本发明提供了一种高碳轴承钢，化学组成为：c：0.80～1.20wt％、cr：0.40～2.0wt％、mn：0.15～0.75wt％、si：0.15～0.75wt％、nb：0～0.20wt％、mo：0～0.20wt％、v：0～0.20wt％、p≤0.015wt％、s≤0.01wt％，余量为fe及不可避免的杂质；所述nb、mo和v的含量不同时为0。本发明通过向高碳轴承钢中添加微合金化元素nb、mo和v，配合其他元素组分，可以有效细化轴承钢基体组织、细化轴承钢中碳化物，促进大量纳米碳化物析出，进而提高高碳轴承钢的力学性能和接触疲劳寿命。实施例的结果表明，本发明添加nb、mo和v的轴承钢比不添加微合金化元素轴承钢的疲劳寿命提升3～14倍。

附图说明

图1为实验室炼钢ma5在回火后的sem图。

具体实施方式

本发明提供了一种高碳轴承钢，化学组成为：c：0.80～1.20wt％、cr：0.40～2.0wt％、mn：0.15～0.75wt％、si：0.15～0.75wt％、nb：0～0.20wt％、mo：0～0.20wt％、v：0～0.20wt％、p≤0.015wt％、s≤0.01wt％，余量为fe及不可避免的杂质；所述nb、mo和v的含量不同时为0。

本发明提供的高碳轴承钢包括c：0.80～1.20wt％，优选为0.9～1.1wt％，更优选为0.95～1.05wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括cr：0.40～2.0wt％，优选为0.5～1.8wt％，更优选为1.0～1.6wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括mn：0.15～0.75wt％，优选为0.20～0.60wt％，更优选为0.3～0.5wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括si：0.15～0.75wt％，优选为0.20～0.70wt％，更优选为0.30～0.60wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括p≤0.015wt％，优选为0.001～0.015wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括s≤0.01wt％，优选为0.001～0.01wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括nb：0～0.20wt％，优选为0.03～0.20wt％，更优选为0.05～0.15wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括mo：0～0.20wt％，优选为0.03～0.20wt％，更优选为0.05～0.15wt％。

本发明提供的高碳轴承钢包括v：0～0.20wt％，优选为0.03～0.20wt％，更优选为0.05～0.10wt％。

在本发明中，所述nb、mo和v的含量不同时为0，即本发明的高碳轴承钢至少包括nb、mo和v中的一种；本发明优选至少包括nb、mo和v中的两种。在本发明中，所述nb、mo和v的总量优选为0.10～0.30wt％，更优选为0.15～0.30wt％，进一步优选为0.25～0.30wt％。

本发明通过向高碳轴承钢中添加微合金化元素nb、mo和v，配合其他元素组分，可以有效细化轴承钢基体组织、细化轴承钢中碳化物，促进大量纳米碳化物析出，进而提高高碳轴承钢的力学性能和接触疲劳寿命。

本发明提供了上述方案所述高碳轴承钢的制备方法，包括以下步骤：

将高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭；所述钢锭的化学组成对应上述方案所述高碳轴承钢的化学组成；

将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材；

将所述棒材依次进行球化退火、淬火和回火，得到高碳轴承钢。

本发明将高碳轴承钢的制备原料进行冶炼，得到钢锭。在本发明中，所述冶炼的方式优选为电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼。本发明对所述冶炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的电渣冶炼、双真空冶炼、炉外精炼或真空感应炉冶炼即可。本发明所述冶炼适用于转炉、电炉或感应炉。在本发明中，所述钢锭的化学组成对应上述方案所述高碳轴承钢的化学组成。本发明对所述各制备原料的种类和来源没有特殊要求，能够满足钢锭的成分要求即可。本发明通过冶炼实现轴承钢中氧含量不高于20ppm和大颗粒夹杂物尺寸(ds)≤40微米。

得到钢锭后，本发明将所述钢锭进行均匀化处理后，加工成棒材。

在本发明中，所述均匀化处理的温度优选为1100～1250℃，更优选为1150～1200℃；保温时间优选为2～6小时，更优选为3～5小时。完成所述均匀化处理后，本发明将所得坯料加工成棒材。在本发明中，所述加工的方式优选为热锻或热轧，所述热锻或热轧的温度优选为1150～1200℃。本发明对所述棒材的尺寸没有特殊要求，根据对轴承钢的要求进行设定。在本发明的实施例中，所述棒材的尺寸为φ60mm。本发明优选将加工好的棒材空冷至室温然后再进行后续步骤。

得到棒材后，本发明将所述棒材进行球化退火，得到退火棒材。

在本发明中，所述球化退火的过程优选包括：将所述棒材在800～860℃进行保温0.5～12小时后，冷却到680～740℃进行0.5～12小时保温处理，最后空冷到室温。本发明通过球化退火获得均匀细小的碳化物。

得到退火棒材后，本发明对所述退火棒材进行淬火，得到淬火棒材。在本发明中，所述淬火的温度优选为820～860℃，更优选为840℃，保温时间优选为0.1～1.0小时，更优选为0.5小时；所述淬火的冷却方式优选油淬。本发明对所述油淬的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的油淬即可。

得到淬火棒材后，本发明将所述淬火棒材进行回火，得到高碳轴承钢。在本发明中，所述回火的温度优选为130～200℃，更优选为170℃，保温时间优选为0.5～3.5小时，更优选为3小时；所述回火的冷却方式优选为空冷。本发明利用淬火和回火获得超细的原奥氏体组织和碳化物颗粒，其中原始奥氏体晶粒度不小于10级。

下面结合实施例对本发明提供的高碳轴承钢及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本发明钢由实验室真空感应炉冶炼，浇铸锭型为50kg的圆锭，共冶炼10炉钢供锻造棒状样品，化学成分见表1。ma1-ma10钢为本发明的微合金化轴承钢和c1-c3对比用轴承钢(其中圆锭的制备方法为：c1为实验室真空感应炉冶炼gcr15，c2为炉外精炼gcr15、c3为双真空gcr15)。

实验室真空感应冶炼的gcr15圆锭经过1200℃和5小时高温均匀化处理，进行锻造开坯，初始锻造温度为1150℃，初始截面尺寸为120mm铸坯径向锻造成截面尺寸为60mm的圆棒，锻后空冷。直径60mm的圆棒经过球化退火处理(在820℃进行保温6小时后，冷却到720℃进行6小时保温处理，最后空冷到室温)后进行淬火(840℃保温0.5小时后油淬)和低温回火处理(170℃保温3小时后空冷)，得到高碳轴承钢。

对ma1-ma10和c1-c3进行力学性能、冲击韧性测定和接触疲劳试验(拉伸试验：拉伸速率为10^-4/s，延伸率采用a5；冲击试验：冲击样品尺寸为10mm×10mm×55mm的u型冲击；接触疲劳试验：最大赫兹应力为4.5gpa的推力片试验)，其结果见表2。

表1本发明钢与传统钢化学成分(wt％)

表2本发明钢与对比钢的力学和疲劳结果

通过表2可以看出，nb、v和mo的微合金化大幅度提高了轴承钢的抗拉强度(rm)、延伸率(a5)和冲击韧性(aku)。这主要归因于超细的基体组织与超细的碳化物尺寸，如图1所示，高碳轴承钢中大量碳化物呈细小均匀分布，碳化物平均尺寸为0.28微米，比传统gcr15的碳化物细化了1倍左右。同时由于本发明钢的组织细化和力学性能提升，微合金化轴承钢的接触疲劳寿命l10比未微合金化的实验室冶炼轴承钢(c1)的l10提高了3～14倍。同时相对于工业化的炉外精炼钢gcr15(c2)和双真空gcr15(c3)的接触疲劳寿命，也得到显著提升。比如相对于炉外精炼gcr15，疲劳寿命提升2～10倍，相对于双真空gcr15寿命也达到了0.5～2.2倍。同时通过表1和表2的对比可以发现，当复合微合金化总量在0.10～0.30％之间可以更好提升接触疲劳性能。本发明钢的低成本与长寿命特点将极大提升高端装备的寿命与可靠性，将在航空航天、矿山机械、交通运输以及海洋舰船等领域具有巨大的市场应用潜力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。