一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法与流程

1.本发明属于冶金技术领域，涉及一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法。


背景技术：

2.传动系统是机床的核心组成部分，而丝杠又是机床传动系统中最为重要的零部件。高精密机床传动系统用丝杠，主要采用cr/mo钢滚珠丝杠。
3.我国丝杠产品主要集中于中低端，生产不集中、产品品种单一、含金量偏低、尚无一个在国际上有影响力的知名品牌，已成为国产数控机床发展的瓶颈。从产品总体水平看，我们处于发达国家名牌产品之下，发展中国家之上的中偏上水平，中低档产品与国外同类产品差距较小或基本持平，但生产效率却远远低于国外，高档产品在精度、耐磨性、疲劳性能等方面有较大差距，仍需采购。
4.国产cr/mo钢滚珠丝杠与国外同类滚珠丝杠的金相组织相比，带状较重。带状组织会导致表层硬度分布不均，在外力作用下强、弱带之间会产生应力集中。从而影响了机床的加工精度，此外国产cr/mo钢在钢水纯净度控制方面也较国外有一定差距，从而降低了材料的疲劳使用寿命。


技术实现要素：

5.针对cr/mo钢技术上存在的缺点，本发明的目的是提出一种组织均匀、抗热处理变形性能好、纯净度高、耐腐蚀性能好、切削加工性能优良的优质合金结构cr/mo钢及其生产工艺，用以生产制造滚珠丝杠，并运用于精密机床上，从而取代进口原材料。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明涉及一种精密机床传动系统用合金结构钢及其生产方法，通过元素的优化调整，并匹配合适的轧制、退火工艺，使得合金结构钢的金相组织得到均匀，钢水纯净度高，从而用以代替进口材料。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
9.一种精密机床传动系统用合金结构钢，该合金结构钢按重量百分比其成分为：c 0.47～0.56％、si 0.15～0.35％、mn 0.85～1.15％、cr 0.80～1.10％、p≤0.025％、 s≤0.020％、al 0.015～0.045％、cu≤0.25％、ni≤0.25％、mo 0.15～0.35％、 ti≤0.0025％、o≤0.0012％、n 0.0095～0.0140％，余量是fe和不可避免的杂质。
10.优选的，该合金结构钢按重量百分比其成分为：c 0.49～0.54％、si 0.17～ 0.27％、mn 0.98～1.13％、cr 0.95～1.08％、p≤0.018％、s 0.007～0.015％、al0.020～0.035％、cu 0.06～0.16％、ni 0.06～0.16％、mo 0.17～0.22％、ti≤0.0015％、 o≤0.0010％、ca≤0.0008％、n 0.0095～0.0120％，余量是fe和不可避免的杂质。
11.生产工艺包括冶炼、连铸、轧制和退火工序，其工艺流程为：
12.(1)冶炼
13.控制钢水o含量≤8ppm，ti含量≤12ppm，非金属夹杂ds级别≤0.05；
14.(2)连铸采用300
×
325mm2断面(基于该断面实现二火材生产，并提高材料压缩比)，为提高铸坯低倍质量，采用低拉速0.65-0.75m/min(优选0.70m/min)，并配合大末搅(大末搅是为了减轻铸坯偏析，提高低倍质量，控制末端搅拌电流450-500a，作为优选，控制末端搅拌电流480
±
10a)，为提高铸坯表面质量，二冷采用弱冷(优选的，控制二冷比水量0.12-0.18l/kg(优选0.15l/kg)；
15.(3)采用二火轧制工艺，第一火开坯采用高温扩散加热工艺，充分均匀材料的组织，控制加热温度1230～1260℃，加热时间600～720min。得到165*165mm2断面轧坯，然后对轧坯进行扒皮处理，单边扒皮量2～2.5mm，并进行倒角处理，倒角宽度12～15mm。
16.(4)第二火成材加热采用中低温加热，目的是控制脱碳层深度，并防止高温加热导致晶粒粗大，同时可以防止含镍钢高温产生严重氧化铁皮而带来表面缺陷，具体加热温度控制：均热段1130～1170℃，控制加热时间120～180min，轧后进坑缓冷36h以上。
17.(5)为降低圆钢硬度，便于下料，同时为消除残余应力，为材料调质淬火做准备，进行退火处理，从室温以60～80℃/h的加热速度加热至715-750℃(优选730℃)，然后保温7h)，进行退火，再以20～30℃/h冷却速度降温至635-665℃ (优选的，降温至650℃)，然后保温3h)，最后打开炉门空冷至室温。
18.进一步的，冶炼包括如下步骤：
19.(1)转炉，控制终点碳含量0.05～0.45％，防止钢水过氧化，控制终点磷含量≤0.013％，转炉出钢过程采用滑板和挡渣锥双挡出钢且出钢时间控制7～ 8min，从而防止出钢下渣；
20.(2)转炉出钢过程依次加入脱氧材料：铝饼100～150千克/炉、碳化硅1.0～ 1.5千克/吨；合金材料：低铝低钛硅铁、金属锰、低钛铬铁，并要求三种合金中 ti≤0.02％；造渣材料：石灰(更优选300-400千克/炉石灰)，出钢后扒渣，并在氩站喂入铝线进行钢水深脱氧(铝线喂入量优选150
±
30m/炉)；
21.(3)lf精炼过程，每炉加入400～450千克石灰，并加入冰晶石(na3alf6) (优选50～100千克/炉)来帮助化渣，用硅铁粉100～150千克进行钢水扩散脱氧同时降低钢水碱度，整个精炼过程采用低碱度渣冶炼(优选的，整个精炼过程炉渣碱度1.6～2.2)，低碱度渣可以提高炉渣吸附夹杂的能力，减少d类夹杂物的生成，同时低碱度渣可以降低钢水脱硫率，防止过多补喂硫铁线带来成分的波动并污染钢水。控制出lf前s含量0.008～0.015％，铝含量0.045％～ 0.055％；
22.本发明的转炉、lf精炼过程协同合金结构钢控制要求，加强对tin、d类等夹杂物的控制、rh真空处理过程去除h、o、夹杂物的同时对n含量进行调整，可以防止用氮锰增n带来锰含量的较大波动。
23.(4)rh过程加强对钢水的去气去夹杂处理，真空处理时间10～15分钟(优选的，控制真空度5.0～6.0kpa)，真空处理采用氮气作为提升气体，通过真空度、真空时间的合理控制再加上氮气作为提升气，最终实现钢水氮含量0.0095～ 0.0120％，可以防止用氮锰增氮带来锰元素的较大波动，并可以降低生产成本。
24.本发明的有益效果是：考虑国产滚珠丝杠用cr/mo钢组织均匀性差，带状级别高，材料热处理后淬透层深度不一致，变形量大，且钢水纯净度差，尤其d 类及tin夹杂物容易
超标，耐油污腐蚀性能差，严重影响材料的疲劳使用寿命。本发明做了如下工作：
25.①
、对化学成分进行了优化调整，通过添加合金si、mn、cr元素提高材料的强度，cu、ni元素的添加可以提高材料的耐腐蚀性能，此外ni元素的添加可以降低材料的脆性转变温度，s元素的添加可以提高材料的切削加工性能，此外 s可以与cu结合，生成cus，提高熔点，防止在晶界析出而产生裂纹。
26.②
、连铸过程采用慢拉速并采用较强的末端电磁搅拌，从而提高铸坯低倍质量、减轻偏析为提高材料组织均匀性提供基础。
27.③
、轧钢采用二火轧制，第一火开坯采用高温和长时间加热模式，对易偏析元素进行充分扩散，第二火采用中低温加热可以减轻材料脱碳，同时防止粗晶组织出现。轧后采用缓冷并对轧材退火处理来释放材料内部应力，防止用户在下料时及淬火热处理时出现开裂。
28.通过上述努力，均匀了材料的组织，降低了带状级别，提高了钢水纯净度，并最终提高了材料的用户使用性能。
具体实施方式
29.本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.本发明下面结合实施例作进一步详述：
31.实施例1：
32.一种精密机床传动系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：c0.52％，si 0.25％，mn 1.09％，cr 1.03％，p 0.012％，s 0.008％，al 0.033％，cu0.12％，ni 0.07％，mo 0.20％，o 0.0008％，ti 0.0012％，n 0.0113％，ca 0.0001％余为fe。
33.工艺为120t转炉冶炼、lf精炼、rh真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
34.(1)转炉冶炼：转炉出钢碳含量0.23％，出钢磷含量0.010％，出钢时间 7min30s。
35.(2)转炉出钢过程加入铝饼120千克，碳化硅150千克，石灰300千克，氩站喂入铝线150米。
36.(3)lf精炼过程，加入造渣材料：石灰400千克，冰晶石80千克；脱氧材料：硅铁粉120千克，控制炉渣碱度1.8，精炼吊包硫含量0.011％。
37.(4)rh真空处理，控制真空度5.6kpa，真空处理时间12分钟。
38.(5)连铸浇注：连铸断面300mm
×
325mm，控制连铸拉速0.7m/min，控制二冷比水量0.15l/kg，末端电磁搅拌电流480a。
39.(6)轧制工序：控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1245℃，加热时间670min，二火轧制时加热温度1145℃，加热时间155min。
40.(7)退火处理，从室温以70℃/h的加热速度加热至730℃，然后保温7h，进行退火，再以25℃/h冷却速度降温至650℃，然后保温3h，最后打开炉门空冷至室温。
41.实施例2
42.一种精密机床传动系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：c0.54％，
si 0.23％，mn 1.07％，cr 1.01％，p 0.013％，s 0.012％，al 0.035％，cu0.14％，ni 0.07％，mo 0.21％，o 0.0008％，ti 0.0010％，n 0.0109％，ca 0.0001％余为fe。
43.工艺为120t转炉冶炼、lf精炼、rh真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
44.(1)转炉冶炼：转炉出钢碳含量0.20％，出钢磷含量0.010％，出钢时间 7min40s。
45.(2)转炉出钢过程加入铝饼140千克，碳化硅140千克，石灰300千克，氩站喂入铝线160米。
46.(3)lf精炼过程，加入造渣材料：石灰420千克，冰晶石90千克；脱氧材料：硅铁粉110千克，控制炉渣碱度1.9，精炼吊包硫含量0.014％。
47.(4)rh真空处理，控制真空度5.5kpa，真空处理时间13分钟。
48.(5)连铸浇注：连铸断面300mm
×
325mm，控制连铸拉速0.7m/min，控制二冷比水量0.15l/kg，末端电磁搅拌电流480a。
49.(6)轧制工序：控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1255℃，加热时间660min，二火轧制时加热温度1135℃，加热时间165min。
50.(7)退火处理，从室温以75℃/h的加热速度加热至730℃，然后保温7h，进行退火，再以23℃/h冷却速度降温至650℃，然后保温3h，最后打开炉门空冷至室温。
51.实施例3
52.一种精密机床传动系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：c0.53％，si 0.24％，mn 1.07％，cr 1.02％，p 0.014％，s 0.009％，al 0.030％，cu0.13％，ni 0.08％，mo 0.19％，o 0.0009％，ti 0.0008％，n 0.0121％，ca 0.0001％余为fe。
53.工艺为120t转炉冶炼、lf精炼、rh真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
54.(1)转炉冶炼：转炉出钢碳含量0.16％，出钢磷含量0.011％，出钢时间 7min45s。
55.(2)转炉出钢过程加入铝饼110千克，碳化硅160千克，石灰350千克，氩站喂入铝线170米。
56.(3)lf精炼过程，加入造渣材料：石灰400千克，冰晶石60千克；脱氧材料：硅铁粉130千克，控制炉渣碱度1.6，精炼吊包硫含量0.012％。
57.(4)rh真空处理，控制真空度5.4kpa，真空处理时间14分钟。
58.(5)连铸浇注：连铸断面300mm
×
325mm，控制连铸拉速0.7m/min，控制二冷比水量0.15l/kg，末端电磁搅拌电流480a。
59.(6)轧制工序：控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1235℃，加热时间690min，二火轧制时加热温度1150℃，加热时间140min。
60.(7)退火处理，从室温以67℃/h的加热速度加热至730℃，然后保温7h，进行退火，再以28℃/h冷却速度降温至650℃，然后保温3h，最后打开炉门空冷至室温。
61.实施例4
62.一种精密机床传动系统用合金结构钢，其化学成分按重量百分比计为：c0.53％，si 0.24％，mn 1.08％，cr 1.00％，p 0.011％，s 0.012％，al 0.032％，cu0.13％，ni 0.08％，mo 0.20％，o 0.0007％，ti 0.0009％，n 0.0115％，ca 0.0001％余为fe。
63.工艺为120t转炉冶炼、lf精炼、rh真空处理、连铸浇注、轧制和材料退火工序
64.(1)转炉冶炼：转炉出钢碳含量0.13％，出钢磷含量0.009％，出钢时间 7min35s。
65.(2)转炉出钢过程加入铝饼140千克，碳化硅130千克，石灰330千克，氩站喂入铝线
130米。
66.(3)lf精炼过程，加入造渣材料：石灰410千克，冰晶石65千克；脱氧材料：硅铁粉110千克，控制炉渣碱度2.0，精炼吊包硫含量0.013％。
67.(4)rh真空处理，控制真空度5.3kpa，真空处理时间15分钟。
68.(5)连铸浇注：连铸断面300mm
×
325mm，控制连铸拉速0.7m/min，控制二冷比水量0.15l/kg，末端电磁搅拌电流480a。
69.(6)轧制工序：控制一火开坯加热炉温度最高的均热段温度1250℃，加热时间640min，二火轧制时加热温度1140℃，加热时间165min。
70.(7)退火处理，从室温以68℃/h的加热速度加热至730℃，然后保温7h，进行退火，再以26℃/h冷却速度降温至650℃，然后保温3h，最后打开炉门空冷至室温。
71.对比例1
72.对比例1与实施例1相比，区别在于：成分设计不加cu、ni，其它操作同实施例1。
73.对比例2
74.对比例2与实施例1相比，区别在于：转炉出钢不扒渣，其它操作同实施例1。
75.对比例3
76.对比例3与实施例1相比，区别在于：整个精炼过程不使用低碱度渣，采用中高碱度渣精炼，控制碱度4.5，其它操作同实施例1。
77.对比例4
78.对比例4与实施例1相比，区别在于：连铸过程不采用大末端电磁搅拌，控制末端电磁搅拌电流200a。
79.对比例5
80.对比例5实施例1相比，不采用二火工艺，实施一火成材，其它操作同实施例1。
81.本发明实施例1～4，对比例1～5指标对比，如下表1、2：
82.表1钢水纯净度指标对比情况
[0083][0084][0085]
表2综合性能对比情况
[0086][0087]
结果表明：通过对成分的合理优化设计，cu、ni、n、s等微量元素的合理控制，使得材料的力学性能完全符合用户的使用要求；冶炼过程加强钢水纯净度控制，影响材料使用寿命的ds夹杂物控制级别为0～0.5级，材料中ti含量不超过12ppm，ca含量1ppm；连铸过程拉速、末搅工艺参数调整，采用二火成材，轧制过程通过高温加热，延长加热时间，使得材料的低倍质量、带状组织、都得到了有效控制，最终材料的综合力学性能指标达到了国外先进材料水平。
[0088]
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。