一种M50NiL轴承钢棒材及其制备方法

本发明涉及一种航空轴承钢制备，特别是涉及一种m50nil轴承钢棒材及其制备方法。

背景技术：

1、m50nil作为航空主要轴承钢种，经渗碳处理后具有较好的高温稳定性及耐磨性，被广泛使用，国内对应钢中为g13cr4mo4ni4v。

2、为了满足高速、高温、大载荷苛刻工况条件以及高疲劳寿命服役性能的要求，使用真空感应+真空自耗熔炼方式及锻造+轧制热变形方式制备成高品质棒材。众所周知，航空轴承对可靠性及寿命一致性要求极高，高品质棒材是高品质轴承重要保障。

3、国内航空轴承钢研究起步较晚，特别是在高品质m50nil棒材制备工艺方面的研究比较少，一直存在冲击性能不稳定、晶粒粗大问题，亟需系统研制高品质m50nil轴承钢制备方法，解决现有棒材存在的质量问题，助力实现高品质航空轴承的制备。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种m50nil轴承钢棒材及其制备方法，主要目的在于制备一种高品质m50nil轴承钢棒材，以满足高速、高温、大载荷苛刻工况条件下长寿命轴承服役性能要求。

2、为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

3、一方面，本发明的实施例提供一种m50nil轴承钢棒材的制备方法，其包括如下步骤：

4、制备自耗锭：先制备出满足设定要求的电极坯；其中，所述设定要求如下：所述电极坯中的t.o≤8ppm、s≤0.002wt％、p≤0.006wt％、ti≤0.0015wt％；对所述电极坯进行真空自耗重熔处理，得到自耗锭；其中，通过控制真空自耗重熔处理的参数，使自耗锭满足：t.o≤7ppm、s≤0.002wt％、p≤0.006wt％、ti≤0.0020wt％；

5、高温均匀化处理：对所述自耗锭进行高温均匀化处理，得到δ铁素体含量≤3％、碳化物的最大尺寸≤3μm的高温均匀化处理后的钢锭；

6、热变形处理步骤：对所述高温均匀化处理后的钢锭进行热变形处理，得到晶粒度≥5级、δ铁素体含量≤1％的热变形处理后的棒材；

7、第一退火处理：对所述热变形处理后的棒材进行第一退火处理，得到m50nil轴承钢棒材。

8、优选的，在所述制备自耗锭的步骤中：通过真空感应熔炼制备电极坯；优选的，所述真空感应熔炼制备电极坯的步骤，包括：在真空感应炉中对原料进行熔炼；其中，在精炼过程中：进行脱气，以将n控制在0.0040wt％以下、t.o控制在10ppm以下；然后，调整金属液的成分；随后，添加终脱氧元素，对金属液进行终脱氧；最后，对熔炼后的金属液进行浇注，制备成电极坯；进一步优选的，原料包括铁基原料、合金及碳；其中，所述铁基原料需满足：t.o≤25ppm、s≤0.001wt％、p≤0.004wt％、ti≤0.0010wt％；合金中的杂质元素需满足：使金属液中的s≤0.002wt％、p≤0.006wt％、ti≤0.0015wt％；进一步优选的，电极坯中的al元素需控制为0.05wt％以下；进一步优选的，通过添加合金来调节金属液的成分；添加的合金包括si、mn；进一步优选的，添加终脱氧元素时，需将金属液的温度控制在1550℃以下；在终脱氧时：精炼搅拌时间为30-50min、搅拌温度控制为1600℃以下，交替搅拌操作次数≥3次；进一步优选的，采用挡渣堰中间包对金属液进行浇注。关于上述步骤，需要说明的是：优选合金及铁基原材料，使杂质元素s、p、ti不超标，对熔炼工艺进行了优化，添加脱氧元素的温度及搅拌时间、搅拌温度，这样保证了t.o很低。在加入脱氧合金后，需要对搅拌温度及搅拌过程控制，以去除夹杂物。

9、优选的，在所述制备自耗锭的步骤中，将真空自耗重熔处理的参数控制如下：将熔池的中心深度和自耗锭的直径的比值控制为0.5-0.65。

10、优选的，在以自耗锭为原料进行后续步骤时，需将自耗锭的头端、尾端切除去掉后使用，以使所用自耗锭部分成分均匀、纯净度高。将自耗锭的头端(补缩端)去除150-180mm，将自耗锭的尾端(起弧端)去除30-50mm。

11、优选的，所述自耗锭的横截面的碳成分波动控制在≤0.04％，且所述自耗锭的横截面试样低倍组织无点状偏析。

12、优选的，在所述高温均匀化处理的步骤之前，还包括：对所述自耗锭依次进行第二退火处理、表面扒皮处理；优选的，所述第二退火处理，包括：先在820-860℃的温度下对自耗锭进行第一次保温，保温时间为1.5-2.5h/25mm，然后温度降低到730-780℃，在此温度下再对自耗锭进行第二次保温，保温时间为1-2h/25mm。

13、优选的，所述高温均匀化处理的步骤，包括：对所述自耗锭进行加热，使所述自耗锭先在500-600℃的温度下进行第一次保温处理，再在800-1000℃的温度下进行第二次保温处理，然后升温到1130-1230℃，在1130-1230℃的温度下进行高温均匀化扩散处理；优选的，所述高温均匀化扩散处理的时间≥25h；优选的，所述第一次保温处理的时间为2-6h；优选的，所述第二次保温处理的时间为2-6h。

14、优选的，在所述高温均匀化处理的步骤中：在所述第二次保温处理后、所述高温均匀化扩散处理之前，还包括：对所述自耗锭进行预变形处理，以促进铁素体转变及碳化物溶解；优选的，所述预变形处理，包括：先在1130-1150℃对自耗锭进行保温，然后进行镦粗、拔长处理；其中，锻造比≥2。在此，预变形可增加δ转变，相对温度低的情况下就能将δ进行了很好的降低。

15、优选的，在所述热变形处理的步骤中：若所需棒材的直径大于80mm，则所述热变形处理的步骤包括：对所述高温均匀化处理后的钢锭进行锻造处理，得到晶粒度≥5级、δ铁素体含量≤1％的热变形处理后的棒材；若所需棒材的直径小于等于80mm，则所述热变形处理的步骤包括：对所述高温均匀化处理后的依次钢锭进行锻造处理、轧制处理，得到晶粒度≥5级、δ铁素体含量≤1％的热变形处理后的棒材；优选的，所述锻造处理包括：采用至少两次镦粗拔长的操作；优选的，每次锻造比≥2、总锻造比≥8；优选的，每次拔长时，采用对称压下的方法，以确保所述m50nil轴承钢锭的中心位置不偏移；优选的，在变形过程中，锻造处理的温度不低于950℃；优选的，在所述轧制处理的步骤中：初轧制温度为1050-1150℃，单道次轧下量＜30％，终轧温度为950-1050℃；优选的，热变形处理后进行冷却，优选的，当棒料温度≤300℃之后，进行所述第一退火处理。在此，关于上述热变形处理：变形工艺进一步降低δ含量，并且经大变形处理，棒材致密，经高精度x射线(精度最高达到1微米)未见孔洞类缺陷。

16、优选的，对所述热变形处理后的棒材进行第一退火处理后，得到的m50nil轴承钢棒材中，碳化物的最大尺寸≤2μm。

17、优选的，所述第一退火处理，包括：先在820-860℃的温度下对热变形处理后的棒材进行第一次保温，且保温时间为1.5-2.5h/25mm；然后将温度降低到730-780℃，在此温度下再对热变形处理后的棒材进行第二次保温，且保温时间为1-2h/25mm。。

18、另一方面，本发明实施例提供一种m50nil轴承钢棒材，其中，在所述m50nil轴承钢棒材中：δ铁素体含量≤0.1％、碳化物的最大尺寸≤2μm、t.o≤6ppm、夹杂物尺寸＜10μm、夹杂物数的密度≤4个/mm2；所述m50nil轴承钢棒材的晶粒度≥5级；优选的，所述m50nil轴承钢棒材中的碳化物分布均匀，且碳化物的最大尺寸≤0.5μm；优选的，所述m50nil轴承钢棒材是由上述任一项所述的m50nil轴承钢棒材制备而成；优选的，所述m50nil轴承钢棒材经淬火、深冷、多次回火处理后，u口冲击值≥200j；进一步优选的，淬火温度为1030-1110℃；深冷温度≤-75℃；回火处理的温度为520-560℃；进一步优选的，回火处理的次数为三次。

19、与现有技术相比，本发明的m50nil轴承钢棒材及其制备方法至少具有下列有益效果：

20、本发明实施例提供一种m50nil轴承钢棒材的制备方法，其包括如下步骤：先制备出满足设定要求的电极坯(实现的高纯净电极坯)；其中，设定要求如下：电极坯中的t.o≤8ppm、s≤0.002wt％、p≤0.006wt％、ti≤0.0015wt％；对电极坯进行真空自耗重熔处理，得到自耗锭；其中，通过控制真空自耗重熔处理的参数，使自耗锭满足：t.o≤7ppm、s≤0.002wt％、p≤0.006wt％、ti≤0.0020wt％；对自耗锭进行高温均匀化处理，得到δ铁素体含量≤3％、碳化物的最大尺寸≤3μm的高温均匀化处理后的钢锭；对高温均匀化处理后的钢锭进行热变形处理，得到晶粒度≥5级、δ铁素体含量≤1％的热变形处理后的棒材；对热变形处理后的棒材进行第一退火处理，得到m50nil轴承钢棒材。关于上述步骤需要说明的是：本发明先制备出高纯净的电极坯(通过优选原材料及真空感应炉纯净化熔炼，实现高纯净电极坯制备)，在此基础上，对电极坯进行真空自耗重熔处理，并有效控制自耗锭中氧含量及截面碳偏析(优选通过控制自耗重熔参数，以控制自耗锭中凝固组织，获得低偏析的自耗锭)；其中，自耗锭中t.o≤7ppm、s≤0.002％、p≤0.006％、ti≤0.0020％；自耗锭截面碳成分波动控制在≤0.04％。这样实现了低偏析高纯净m50nil自耗锭制备，为高品质轴承钢棒材的制备奠定了良好基础。然后，配合设定的高温均匀化处理步骤，得到δ铁素体含量≤3％，最大碳化物≤3μm的钢锭，再经过后续合理的热变形处理，制备出高品质m50nil轴承钢棒材，以满足高速、高温、大载荷苛刻工况条件下长寿命轴承服役性能要求。

21、进一步地，本发明提供的一种m50nil轴承钢棒材的制备方法，通过通过≥1130℃的高温均匀化处理工艺，并可联合高温均匀化前预变形工艺，使自耗锭中的δ铁素体含量≤3％，最大碳化物≤3μm，在此基础上，本发明再经过后续合理热变形工艺制定，棒材中δ铁素体含量≤1％，最大碳化物≤2μm，为航空、航天等领域高品质轴承制备提供了原材料，并且可以代替进口的m50nil棒材。

22、综上，本发明提供的一种m50nil轴承钢棒材的制备方法，通过真空感应与自耗双真空纯净化及低偏析处理+高温均匀化处理+热变形处理的创新工艺制定，通过关键工艺参数制定，实现了低氧纯净化控制以及低偏析控制，还将棒材中δ铁素体含量与碳化物尺寸得到最优控制，经最优性能处理后，使m50nil轴承钢u口冲击值≥200j。因此，本发明的方案将国内m50nil棒材性能大幅度提升，解决了冲击性能偏低问题，优于已有国内工艺制备的m50nil棒材及从外国进口的m50nil棒材。本发明的技术将进一步解决服役轴承的疲劳剥落问题，大大提升航空轴承寿命，有利于推动航空轴承制造进步。

23、另一方面，本发明提供一种m50nil轴承钢棒材，其中，该m50轴承钢棒材中的晶粒度为5级或更细，克服了国内棒材广泛存在部分混晶问题。由此可见，本发明实施例提供的m50nil轴承钢棒材的性能优异，为航空、航天等领域高品质轴承制备提供了原材料，并且可以代替进口的m50棒材。

24、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。