一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法

1.本发明属于特种钢冶炼领域，具体涉及一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法。


背景技术：

2.早在100多年前，西方就发明了钢球在螺旋传动中完成循环滚动的构想。日本thk公司于1972年首次设计出直线运动“滚动化”，直线导轨就此孕育而生。而感应淬火和精密磨削的诞生和发展，使产品的精度和档次迅速提升，大大推动了直线导轨的专业化生产，到20世纪70年代美、德、日等国家，首先从轴承行业中涌现出一批滚动功能部件专业生产企业。
3.在材料选用方面，绝大多数国内直线导轨生产厂家原材料还是采用s55c、gcr15等。但是经过多年实践证明：这类轴承钢仅仅能勉强满足接触刚度的性能要求，作为细长杆件，与轴承有很大差别。直线导轨的耐磨性和精密性是导轨行业最关注的两个问题，从原材料角度，一方面，采用全新的成分设计，大幅提高材料耐磨性；另一方面，提高直线导轨用钢球化率，解决导轨制造过程中的热处理变形问题，最终实现直线导轨的高精密性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢及其制备方法，大幅提高最终导轨成品的耐磨性，原材料高球化率，解决直线导轨变形问题。
5.本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢，该直线导轨用钢的化学成分按质量百分比计为c：0.50～0.57％，si：0.17～0.37％，mn：1.90～2.05％，p：≤0.010％，s：≤0.005％，ni：0.30～0.50％，mo：0.45～0.55％，cr：0.40～0.50％，余量为fe及不可避免的杂质元素。
6.本发明直线导轨用钢的化学成分是这样确定的:
7.c：是确保钢材强度所必须的元素，但过高的c含量对钢的延性、韧性不利。本发明控制碳含量为0.50～0.57％。
8.si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，si含量较高时会增加钢的脆性，并使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本发明控制硅含量为0.17～0.37％。
9.mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因c含量降低而引起的强度损失，而且mn能提高钢的淬透性，提高材料的耐磨性。本发明mn含量控制为1.90～2.05％。
10.ni：通过增加合金ni可以提高材的淬透性，且在钢中加入一定量的ni，可以增加材料的韧性。本发明将其含量控制在0.30～0.50％。
11.mo：存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，能改善钢的淬透性和回火稳
定性，还能细化晶粒，改善碳化物不均匀性，从而提高钢的强度和韧性。mo也是贵重金属，含量过高会增加成本。本发明中mo的含量控制在0.45～0.55％。
12.cr：是中等碳化物形成元素，加热时溶入奥氏体的cr强烈提高淬透性。钢中的cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高稳定性；一部分溶入铁素体中，起固溶强化作用，提高铁素体的强度和硬度。本发明将其含量控制在0.40～0.50％。
13.p：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢材的韧性(特别是心部的韧性)带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制p：≤0.010％，s：≤0.005％。
14.本发明解决另一技术问题的技术方案为，一种制造上述高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的方法，整个工艺流程为：配料
→
铁水kr预处理
→
转炉冶炼
→
lf精炼
→
rh真空脱气
→
连铸
→
入缓冷坑缓冷
→
冷装入炉加热
→
高压水除鳞
→
开坯轧制
→
中间坯入坑缓冷
→
冷装入炉加热
→
轧制成型
→
轧制余温淬火
→
球化退火
→
矫直
→
探伤
→
入库。
15.具体工艺步骤如下：
16.首先将冶炼原料经kr预处理，确保铁水中的五害元素、p、s含量降至最低，为转炉冶炼提供优质原料；
17.再经转炉冶炼，为防止后道工序回p并保证成品的p要求，转炉出钢需采用扒渣工艺，p含量务必控制在0.008％以下；
18.再将钢水经过lf精炼，微调合金含量，确保钢水的化成成分满足要求，并加入脱氧剂，将钢水中的氧含量降至最低；
19.再将钢水运至rh工序进行真空脱气处理，高真空时间必须大于10分钟，软吹氩时间不得短于20分钟，以促使非金属夹杂物充分上浮；
20.再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；
21.将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度不得低于630℃，缓冷时间必须大于72小时，出坑，出坑温度不得高于180℃，连铸坯缓慢冷却，避免因冷却不当导致应力开裂；
22.然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1230-1260℃，保温7-8小时出炉；
23.经高压水除鳞后进行开坯轧制，粗轧采用往复式轧机，轧制15道次，采用大压下轧制，其中两道次的压下量大于10％，粗轧过程中对坯料表面喷水，适当降低坯料表面温度，使得轧制力渗透到坯料心部，改善连铸坯心部缩孔等缺陷，为避免温度降低太快，粗轧最后5道次关闭冷却水，以保证坯料进后续轧机时的温度，轧制成的尺寸为230mm*230mm，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间大于48小时；
24.中间坯冷装入炉加热，加热温度1230-1260℃，保温3-4小时出炉，并采用高精度的kocks轧机轧制，保证开轧温度960℃-1020℃，终轧温度880℃-920℃；
25.终轧结束后，利用轧制余温淬火，得到“马氏体+贝氏体+珠光体”组织，再将材料冷装入退火炉进行球化退火，球化退火采用多段式的工艺，实现球化率90％以上，具体球化工艺见附图。
26.与现有技术相比，本发明的优点在于：
27.1)全新的成分设计，在传统的直线导轨用钢s55c基础上，大幅增加了mn含量，同时额外增加了合金元素cr、ni和mo，提高了直线导轨表面感应淬火时的淬硬层深度和硬度，最
终实现了直线导轨成品的高耐磨性。本发明材料mn含量远高于传统材料和进口材，mn含量能提高材料的淬硬性，因此，材料在制成导轨并经过表面感应淬火后，感应层的硬度更高；与此同时，cr、ni、mo合金的加入，能大大提高材料的淬透性，导轨在做感应淬火时，电磁感应参数不变的情况下，淬透层更深；本发明产品制成直线导轨并经过表面感应淬火后，淬硬层硬度更高，且淬硬层深度更深；本发明与传统材料和进口材的淬透性对比见附图；伴随着ni、mo的加入，表面感应层经过回火后，韧性更好，回火稳定性更强，硬度更均匀，因此，本发明产品具有高耐磨性。
28.2)创新的利用轧制余温进行淬火，为球化退火提供优良的组织条件。传统的直线导轨用钢的热轧态组织为“珠光体+少量的铁素体”，该组织几乎属于平衡态组织，组织畸变能小，不易发生组织转变，因此不利于球化；本发明材料轧制余温淬火，使得材料轧后金相组织为“马氏体+贝氏体+珠光体”的混合组织，马氏体和贝氏体不稳定，组织畸变能大，极易发生组织转变，球化退火时，更易析出碳化物，从而更容易球化。
29.3)多段式的球化退火工艺，实现中碳钢球化率90％以上。本发明材料的ac1点为728℃，经过多次试验摸索，球化退火首段加热温度应略高于ac1，若低于ac1，温度太低，为组织转变提供的能量太小，球化不充分，若温度太高，加热时得到的奥氏体更多更均匀，冷却时容易重新形成珠光体片层，得到新的珠光体组织，不利于球化，因此，本发明球化退火工艺首段加热温度选735℃；首段加热保温后，炉内需进行鼓风，加速材料冷却，使得材料温度快速降低至710℃，快冷的目的是让已经形成的奥氏体来不及转变成铁素体，从而在710℃时形成过冷奥氏体，该过冷奥氏体会以未熔渗碳体为核心形核析出，这样得到的组织珠光体片层极少，球化率更高；710℃温度保温，使得碳化物充分析出，再缓冷至680℃保温，碳化物长大，再缓冷至600℃炉冷出炉即可。另外，原材料高的球化率会使得导轨感应淬火后热处理变形小，最终导轨的精度更高，这一点的原理也在此做个说明：如果材料球化率不高，材料组织有片状珠光体、贝氏体、马氏体等组织，一方面表面感应淬火时，淬硬层部分的原始组织不同，会影响电磁感应线，且球化后的碳化物溶解更快，片状珠光体、贝氏体、马氏体在加热奥氏体化时，需要更多的时间或者更高的温度使得碳化物溶解，球化率不高会导致奥氏体不均匀，进而影响感应淬火效果；另一方面，材料球化率太低，导轨在进行感应淬火时，表面感应加热，直线导轨内部也会因热传导而受热，内部会发生组织转变，由于不同组织的比容不一样，最终会导致导轨变形。
附图说明：
30.图1是本发明的材料相变点示意图。
31.图2是本发明的材料球化退火工艺图。
32.图3是本发明实例1球化退火后的组织图。
33.图4是本发明实例2球化退火后的组织图。
34.图5是现有对比钢材和本发明钢材的接触疲劳试验图。
35.图6是现有对比钢材和本发明钢材的淬透性对比图。
具体实施方式
36.下面结合实例对本发明内容作进一步说明。
37.实施例1
38.本实施例涉及的高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的直径为30mm，其化学成分按质量百分比计为：c：0.53％，si：0.25％，mn：1.92％，p：0.008％，s：0.003％，cr：0.43％，ni：0.40％，mo：0.51％，余量为fe及不可避免的杂质元素。
39.该直线导轨用钢的制造工艺为，按上述直线导轨用钢成品的化学成分配置冶炼原料，经kr预处理，转炉冶炼，转炉出钢p含量0.004％，再将钢水经过lf精炼，微调合金含量，并加入脱氧剂脱氧，再将钢水运至rh工序进行真空脱气处理，高真空时间16分钟，软吹氩时间24分钟，rh出钢氧含量0.0004％，再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度650℃，缓冷时间73小时，出坑温度170℃；然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1240-1250℃，保温7.5小时出炉；经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯轧制成的尺寸为230*230mm2，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间54小时；中间坯冷装入炉加热，加热温度1250-1260℃，保温3.5小时出炉，并采用高精度的kocks轧机轧制，开轧温度978℃，终轧温度910℃；对材料进行在线喷水，下线后，进行球化退火。
40.经由上述制造工艺制得的直线导轨用钢耐磨性好、球化率高，接触疲劳寿命和球化组织见附图。
41.实施例2
42.本实施例涉及的高耐磨性、抗热处理变形直线导轨用钢的直径为60mm，其化学成分按质量百分比计为：c：0.54％，si：0.27％，mn：1.95％，p：0.007％，s：0.003％，cr：0.45％，ni：0.41％，mo：0.50％，余量为fe及不可避免的杂质元素。
43.该直线导轨用钢的制造工艺为，按上述直线导轨用钢成品的化学成分配置冶炼原料，经kr预处理，转炉冶炼，转炉出钢p含量0.005％，再将钢水经过lf精炼，微调合金含量，并加入脱氧剂脱氧，再将钢水运至rh工序进行真空脱气处理，高真空时间17分钟，软吹氩时间23分钟，rh出钢氧含量0.0005％，再经连续浇铸，得到满足化学成分要求、规格为390mm*510mm的连铸大方坯；将铸坯高温下线入缓冷坑，下线温度640℃，缓冷时间75小时，出坑温度173℃；然后将390mm*510mm的连铸大方坯冷装入加热炉加热，加热温度1235-1245℃，保温7.3小时出炉；经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯轧制成的尺寸为230*230mm2，轧制结束后将中间坯入坑缓冷，缓冷时间55小时；中间坯冷装入炉加热，加热温度1248-1255℃，保温3.5小时出炉，并采用高精度的kocks轧机轧制，开轧温度980℃，终轧温度915℃；对材料进行在线喷水，下线后，进行球化退火。
44.经由上述制造工艺制得的直线导轨用钢耐磨性好、球化率高，接触疲劳寿命和球化组织见附图。
45.尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。