CN107904492B - 一种低硅高碳铬轴承钢及其热轧生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低硅高碳铬轴承钢，钢的化学成分按质量百分比计为C：0.80～1.10％，Si：0.01～0.15％，Mn：0.20～0.60％，Cr：1.20～1.60％，Mo：0.15～0.50％，Al≤0.05％，P≤0.025％，S≤0.020％，Ca≤0.001％，Ti≤0.003％，O≤0.0008％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。生产流程为电炉或转炉冶炼——炉外精炼——VD或RH真空脱气—连铸—连轧—剪切—堆冷—精整—探伤—包装。实现了在目前已有高碳铬轴承钢GCr15基础上采用低硅技术，重新设计了化学成分，既满足钢材强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性等要求，又改善钢材过热敏感性、脱碳及裂纹倾向。

Description

一种低硅高碳铬轴承钢及其热轧生产方法

技术领域

本发明属于特种钢冶炼技术领域，具体涉及一种低硅高碳铬轴承钢及其制造方法。

背景技术

轴承是各类装备最重要的关键基础件之一，被称为“高端装备的关节”，广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高档轿车等重大装备领域和风力发电、高速动车及航空航天等新兴产业领域。轴承破坏主要有两种形式，即接触疲劳破坏和磨损破坏。由于要承受高接触应力、多次循环接触疲劳应力以及滑动磨损的工作环境，要求轴承具有高抗塑性变形、抗摩擦磨损性能，高旋转精度及尺寸精度，高尺寸稳定性，长使用寿命和高可靠性。因此，对加工成轴承的原材料轴承钢也提出越来越高的要求，轴承钢应具备高而均匀的硬度、高弹性极限、高接触疲劳强度，还必须具备适当的韧性、一定的淬透性。对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一，因此轴承钢被炼钢届人士称为钢中之王。

高碳铬轴承钢是轴承钢中有一个大的种类，为制造轴承和轴承零件的最常用钢种。高碳铬轴承钢中最常用的有GCr15(类似国外的100Cr6、SKF3、SUJ2、52100等)、GCr15SiMn(类似国外的SKF4、100CrMnSi6-4等)，其中GCr15是我国轴承业用量最多的。目前，在高碳铬轴承钢冶炼过程中，硅作为还原剂和脱氧剂存在，所以高碳铬轴承钢有0.15％以上的硅。但是硅具有可切削性和冷成型性的副作用，同时硅使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。当前，低碳钢中低硅钢技术已得到长足的发展，生产的钢材具有良好的加工性能。而低硅技术在高碳铬轴承钢中的应用还是空白，因此，本发明在目前高碳铬轴承钢GCr15基础上对低硅技术进行研究，提出一种新的低硅高碳铬轴承钢及其热轧生产方法。

发明内容

本发明在目前高碳铬轴承钢GCr15基础上结合低硅技术，同时为满足高碳铬轴承钢的强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性要求，对钢材化学成分整体进行重新设计，发明了一种新的低硅高碳铬轴承钢及其热轧生产方法。

本发明的非金属夹杂物要求按GB/T 10561A法检验，各类夹杂物要求如下表1。

表1

钢材末端淬透性满足J1.5≥62HRC，J3.0≥60HRC，J4.5≥58HRC，成品棒材表面脱碳+裂纹≤0.5D，D为棒材直径；钢材的碳化物按GB/T 18254规定的方法进行评级，要求碳化物带状≤2.0级，碳化物网状≤2.5级，碳化物液析≤0级。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低硅高碳铬轴承钢，钢的化学成分按质量百分比计为C：0.80～1.10％，Si：0.01～0.15％，Mn：0.20～0.60％，Cr：1.20～1.60％，Mo：0.15～0.50％，Al≤0.05％，P≤0.025％，S≤0.020％，Ca≤0.001％，Ti≤0.003％，O≤0.0008％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明的高碳铬轴承钢的化学成分设计依据如下：

1)C含量的确定

高碳铬轴承钢中，碳的含量一般在1.0％左右，是保证轴承钢具有淬透性、硬度、耐磨性的最重要元素之一。为使淬回火钢的HRC大于60，至少要加入0.80％以上的碳。但碳含量再高，对硬度影响不大，反而容易产生大块，碳化物。本发明C含量的范围确定为0.80～1.10％，本发明涉及钢材属于高碳钢范畴；

2)Si含量的确定

硅在炼钢过程中为还原剂和脱氧剂存在，所以目前高碳铬轴承钢中都添加0.15％以上的硅，如GB/T 18254中规定GCr15含硅量为0.15-0.35％，国外同类钢种100Cr6、SKF3等也规定硅含量在0.15-0.35％。但在高碳轴承钢中，硅使钢的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大，而且硅给钢材的冷切削性和可加工性带来副作用。为降低Si的不利影响，本发明Si含量的范围确定为0.01％-0.15％。

3)Mn含量的确定

Mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，Mn还能固定钢中的硫的形态并形成对钢的性能危害较小的MnS和(Fe，Mn)S，减少或抑制FeS的生产，因此钢中含有少量锰，能提高钢的纯净度和性能。但钢中Mn含量过高，会产生较明显的回火脆性现象，而且Mn有促进晶粒长大的作用，因此会导致钢的过热敏感性和裂纹倾向性增强，且尺寸稳定性降低，对客户使用产生不利影响。本发明Mn含量的范围确定为0.20-0.60％。

4)Cr含量的确定

Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能。钢中的Cr，一部分置换铁形成合金渗碳体，提高钢材的回火稳定性；一部分溶入铁素体中，产生固溶强化，提高铁素体的强度和硬度。此外，Cr还能减小钢的过热倾向和表面脱碳速度。但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降，本发明Cr含量的范围确定为1.20-1.60％。

5)Al含量的确定

Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒，但Al含量大，钢水熔炼过程中易形成Al₂O₃等脆性夹杂，降低钢水纯净度。本发明Al含量的范围确定为≤0.05％。

6)Mo含量的确定

钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。但钼是铁素体形成元素，当钼含量较多时就易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。目前的GCr15轴承钢中一般要求Mo≤0.10％，不会特意添加。但本发明从进一步提高材料淬透性以及为弥补硅含量偏低导致钢材机械性能下降的不利影响，将Mo含量的范围确定为0.15-0.50％

7)Ca含量的确定

Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本发明Ca含量的范围确定为≤0.001％。

8)Ti含量的确定

Ti对轴承危害方式是以氮化钛，碳氮化钛夹杂物的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命，特别是在纯洁度显著提高，其他氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害尤为突出。含Ti夹杂物不仅降低轴承的疲劳寿命，而且影响轴承的粗糙度。本发明Ti含量的范围确定为≤0.003％。

9)O含量的确定

大量试验表明，氧含量的降低对提高轴承疲劳寿命显著有利。本发明氧含量的范围确定为≤0.0008％。

10)P、S含量的确定

P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本发明P含量的范围确定为≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，本发明S含量的范围确定为≤0.020％。

11)As、Sn、Sb、Pb含量的确定

As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在轴承钢中的存在，引起轴承零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本发明这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％。

上述低硅高碳铬轴承钢的制备方法，生产流程为电炉或转炉冶炼——炉外精炼——VD或RH真空脱气——连铸——连轧——剪切或锯切——堆冷——精整——表面及内部探伤——包装。具体的工艺如下记载

(1)、生产过程中选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在电炉/转炉进行钢水初炼时，对电炉/转炉出钢终点C、终点P进行控制，使出钢终点C≥0.10％，P≤0.020％，并防止电炉/转炉出钢下渣，并根据终点C％，配加出钢时Al-Fe加入量，使到精炼炉第一个样Al控制在0.040～0.070％之间。

炉外精炼过程中，精炼渣采用轴承钢专用三元渣系，保持炉内微正压的气氛。取第一个样前送电过程中采用大氩气搅拌，以尽快造好渣，每次取样必须保证取样的准确性，力争2个样将成分调到内控目标。由于本发明为低硅钢，因此脱氧主要采用铝脱氧，不选用会增加钢水硅含量的含硅脱氧剂进行脱氧，炉渣中(％FeO+％MnO)＜1，这样就保证了炉渣良好的脱氧，保证过程的自由氧含量较低，发挥LF炉冶炼去除夹杂物的优势，在LF过程中,Al含量基本维持在0.025％-0.045％之间，这样基本可防止后续过程氧化物的大量生成。真空脱气可适当延长处理时间并增大真空下的气体搅拌流量，这样在保证去气的同时充分发挥其去夹杂的作用。真空脱气后经＞10min的软吹氩处理，以钢水不裸露在空气中为准。整个过程不允许添加含钙合金及线脱氧，以保证夹杂物充分上浮。连铸采用300mm×340mm或以上尺寸的矩形连铸坯。连铸全程做好保护浇注，连铸过程采用结晶器和末端电磁搅拌双联措施，并采用低过热度浇注，钢水过热度△T≤30℃，从而显著地改善了铸坯的质量，降低成分偏析。

(2)、轧制时，将连铸坯热送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内，对连铸坯进行高温扩散，高温扩散温度在1200℃-1250℃，加热时间≥10小时，随后经高压水除磷后进行轧制，初轧温度在≥1050℃，以改善钢材的碳化物带状和液析。

(3)、为改善钢材的碳化物网状，要求在轧制过程中采用穿水冷却，并将轧钢终轧温度调控在800℃-900℃，通过将钢材快速冷却到两相区温度范围内轧制，经过两相区变形使先析出的碳化物和未再结晶的奥氏体同时受到塑性加工，增加奥氏体晶粒内的变形带，为分散碳化物析出创造条件，一定程度上改善碳化物网状。但在钢材终轧并上冷床后采用自然冷却，不再采用轧后控冷。一般高碳铬轴承GCr15在轧后进行控冷，目的是迅速跳过碳化物大量析出的温度区间，以改善碳化物网状。但该钢种由于成分与GCr15不同，特别是添加0.15—0.50％的Mo，其淬透性显著强于目前的GCr15,轧后采用穿水控冷后，钢材表面会产生明显的马氏体，在后续锻造中不易消除。

本申请的主要生产工艺特点归纳如下：

1、采用优质铁水、废钢及原辅料，降低钢水中有害元素含量。精炼过程要求加强脱氧，由于本发明要求的硅含量低，因此脱氧主要采用铝脱氧，不选用会增加钢水硅含量的含硅脱氧剂进行脱氧。在真空脱气后进行长时间软吹氩，保证夹杂物充分上浮，同时连铸全程防氧化保护来减少钢中的夹杂物数量。另外选用优质耐材减少外来夹杂对钢水污染的控制技术，强化对生产过程的控制。

2、连轧前，对连铸坯进行长时间高温扩散，高温扩散温度在1200℃以上，加热时间≥10小时，以改善钢材的偏析。

3、为改善钢材的碳化物网状，要求在轧制过程中采用穿水冷却，使轧钢终轧温度控制在800℃-900℃，通过将钢材快速冷却到两相区温度范围内轧制，经过两相区变形使先析出的碳化物和未再结晶的奥氏体同时受到塑性加工，增加奥氏体晶粒内的变形带，为分散碳化物析出创造条件，一定程度上改善碳化物网状。

但在钢材终轧并上冷床后采用自然冷却，不再采用轧后控冷。一般高碳铬轴承GCr15在轧后进行控冷，目的是迅速跳过碳化物大量析出的温度区间，以改善碳化物网状。但该钢种由于成分与GCr15不同，特别是添加0.15—0.50％的Mo，其淬透性显著强于目前的GCr15,轧后采用穿水控冷后，钢材表面会产生明显的马氏体，在后续锻造中不易消除。

与现有技术相比，本发明的优点在于：实现了1)在目前已有高碳铬轴承钢GCr15基础上采用低硅技术，重新设计了化学成分，既满足钢材强度、硬度、韧性、耐磨性及淬透性等要求，又改善钢材过热敏感性、脱碳及裂纹倾向；2)轧制前进行长时间高温扩散，轧钢过程采用控轧但不控冷技术，既改善轴承钢碳化物网状又避免钢材表面出现明显的马氏体等异常组织。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例本发明和(作为对比的)目前市场上所用的国内GCr15和国外100Cr6轴承钢的化学成分(wt％)见表2、表3。

表2

表3

各实施例的高碳铬轴承钢的制造流程为电炉或转炉---炉外精炼---真空脱气(VD或RH)---连铸---连轧---剪切或锯切---堆冷---精整---表面及内部探伤---包装。

具体的冶炼时，选用优质铁水、废钢及原辅料，选用优质脱氧剂及耐火材料。在电炉/转炉生产过程中，三个实施例的出钢终点C分别控制在0.20％、0.22％、0.32％，终点P分别控制在0.012％、0.015％、0.012％；炉外精炼LF结束后Al控制在0.028％、0.025％、0.032％，连铸过热度分别控制在22℃、24℃、20℃。轧钢加热温度控制在1200～1250℃，保温≥10小时后出炉，经高压水除鳞处理后进入连轧机组进行轧制，其中粗轧开轧温度≥1050℃，精轧终轧温度为800℃-900℃，终轧完成后经冷床自然冷却，随后下线轧经后续锯切或剪切并堆冷，并经矫直探伤后入库。

各实施例钢材的夹杂物对比见表4

表4

由表2、3、4可知，本发明以上各实施例中的低硅高碳铬轴承钢与现有国内GCr15和国外100Cr6高碳铬轴承钢相比，有害元素如氧、钛以及非金属夹杂物控制水平等控制相当甚至更好。

各实施例的末端淬透性及表面缺陷性能指标见表5

表5

由表5可知，由于本发明的成分特殊设计，与现有国内GCr15和国外100Cr6高碳铬轴承钢相比，末端淬透性数据基本相当，且表面脱碳及缺陷指标要更优。

各实施例的碳化物检验指标见表6

见表6

	实施例	碳化物网状	碳化物带状	碳化物液析
					本发明	1	2.0	2.0	0
本发明	2	1.5	2.0	0
					本发明	3	1.5	1.5	0
国内GCr15	4	2.5	2.5	0.5
					国外100Cr6	5	2.5	2.0	0

由表6可知，通过轧钢工艺的控制，本发明的碳化物控制水平与现有国内GCr15和国外100Cr6高碳铬轴承钢相比，甚至更优。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低硅高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于：所述轴承钢的化学成分按质量百分比计为C：0.80～1.10%，Si：0.01～0.15%，Mn：0.20～0.60%，Cr：1.20～1.60%，Mo：0.15～0.50%，Al≤0.05%，P≤0.025%，S≤0.020%，Ca≤0.001%，Ti≤0.003%，O≤0.0008%，As≤0.04%，Sn≤0.03%，Sb≤0.005%，Pb≤0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质，生产流程为电炉或转炉冶炼——炉外精炼——VD或RH真空脱气——连铸——连轧——剪切或锯切——堆冷——精整——表面及内部探伤——包装；

冶炼原料选用优质铁水、废钢及原辅料，并选用优质耐材，在生产过程中，对电炉/转炉出钢终点C、终点P进行控制，使出钢终点C≥0.10％，P≤0.020%，并根据终点C含量，配加出钢时Al-Fe 加入量，防止电炉/转炉出钢下渣；LF精炼过程中加强造渣及脱氧操作，脱氧的方式要适应低硅钢的生产要求，采用铝脱氧，保证炉渣良好的脱氧，确保过程中的自由氧含量较低，发挥LF炉冶炼去除夹杂物的优势，同时LF过程中应保证钢中残铝量，残Al含量在0.025%-0.045%之间，防止后续过程氧化物夹杂的大量生成；真空脱气延长处理时间并增大真空下的气体搅拌流量，这样在保证去气的同时充分发挥其去夹杂的作用，真空脱气后经长时间的软吹氩处理，软吹氩时间≥10min，保证夹杂物充分上浮；连铸须全程采用防氧化保护浇注，防止钢水二次氧化，通过前述一系列措施，从而保证钢材中有害元素Ti、O、Ca符合要求，同时保证钢中非金属夹杂物满足A类细系≤2.0；A类粗系≤1.5；B类细系≤1.5；B类粗系≤0.5；C类细系 = 0；C类粗系 = 0；D类细系≤1.0；D类粗系≤0.5；Ds类≤1.0；

连铸采用300mm×340mm或以上尺寸的连铸矩形坯，连铸出与钢材成品化学成分相符的连铸方坯；将连铸坯热送至中性或弱氧化性气氛的加热炉加热至1200℃—1250℃，并延长高温扩散时间，尔后出炉，经高压水除鳞处理后进入连轧机组进行轧制，其中初轧开轧温度≥1050℃，在轧制过程中，采用穿水控制冷却，将钢材快速冷却到两相区温度范围内轧制，经过两相区变形使先析出的碳化物和未再结晶的奥氏体同时受到塑性加工，并控制轧钢终轧温度在800℃-900℃，轧后采用不控冷技术，直接送到冷床冷却，轧制完成后进行锯切堆冷，并经后续精整，制得目标棒材产品。

2.根据权利要求1所述的低硅高碳铬轴承钢的制造 方法，其特征在于：钢材末端淬透性满足J1.5≥62HRC，J3.0≥60HRC，J4.5≥58HRC，成品棒材表面脱碳+裂纹≤0.5D，D为棒材直径；钢材的碳化物按GB/T 18254规定的方法进行评级，要求碳化物带状≤2.0级，碳化物网状≤2.5级，碳化物液析≤0级。

3.根据权利要求1所述的低硅高碳铬轴承钢的制造 方法，其特征在于：所述高温扩散的时间在10小时以上。

4.根据权利要求1所述的低硅高碳铬轴承钢的制造 方法，其特征在于：精炼过程要求加强脱氧，脱氧采用铝脱氧。

5.根据权利要求1所述的低硅高碳铬轴承钢的制造 方法，其特征在于：连铸时，钢水过热度△T≤30℃。