專利名稱：一種滲碳軸承鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及冶金行業軸承鋼的成分設計，尤其是指一種滲碳軸承鋼的成分設計，屬黑色金屬材料制造加工技術領域。
背景技術：
滲碳軸承鋼是優質低碳或中碳合金鋼，它具有切削、冷加工性能良好、耐沖擊、滲碳后耐磨、接觸疲勞壽命高的優點。主要用于制造承受沖擊負荷較大的軸承，比如軋機、重型車輛、鐵路機車、礦山機械軸承。用滲碳軸承鋼制造的軸承，除表面具有高的硬度、耐磨，高的疲勞強度，良好的尺寸穩定性外，軸承內部還具有高的韌性。除此以外，工件表面滲碳后表面形成殘余壓應力，有利于提高軸承壽命及耐沖擊性能。
然而，滲碳軸承鋼相對于高碳軸承鋼而言，滲碳工藝復雜。為了進行表面滲碳，軸承需要在900°C以上保持較長時間，往往容易造成晶粒粗大、力學性能降低。為了細化晶粒、提高強韌性，國內外設計了一些微合金化的滲碳軸承鋼，比如添加了微量的Nb、V、B等合金元素，這些元素與[C]、[N]結合生成碳化物、氮化物和碳氮化物，這些化合物在高溫下溶解，在低溫下析出起到抑制晶粒長大以及沉淀強化作用，然而對于承受沖擊負荷較大的軸承(比如軋機、重型車輛、鐵路機車、礦山機械軸承)需要更高的強韌性，微合金化作用難以得到理想的強韌性匹配。為解決晶粒粗大問題、改善強韌性，國內外有一些添加N元素的滲碳鋼，N元素在鋼中主要起到強化作用(細晶強化和沉淀強化)。但是，近年來，新型的滲碳鋼往往采用高溫真空滲碳和碳氮共滲等技術，因此鋼中的N含量不宜過高(影響濃度梯度)。此外，過多的氮可能在鋼中產生氣孔或者是形成粗大的氮化物在晶界析出而產生脆性。綜上所述，現有滲碳軸承鋼尚存在以下不足之處(I)現有滲碳軸承鋼的強韌性難以滿足制造承受嚴重沖擊負荷的軸承(如大型軋機、重型車輛、重載鐵路機車、風電軸承、礦山機械軸承);(2)由于高溫滲碳技術的發展，現有滲碳軸承鋼難以滿足新的高溫真空滲碳或碳氮共滲工藝技術。

發明內容
本發明的目的是設計了一種滲碳軸承鋼，可以滿足沖擊載荷特別大的滲碳軸承需求。本發明的滲碳軸承鋼的設計構思為滲碳軸承鋼進行表面滲碳(或滲氮或碳氮共滲)時，軸承工件一般需要在900°C以上保持較長時間，往往容易造成晶粒粗大、力學性能降低。為了解決晶粒易粗大以及強韌性匹配問題，特別是滿足重載軸承(承受沖擊負荷較大，比如軋機、重型車輛、鐵路機車、礦山機械軸承)的強韌性匹配問題，需要考慮以下問題首先，考慮晶粒度問題。傳統的解決方案是加入微量的合金元素，比如Nb、V、Ti、B等細化合金元素，然而對于合金元素高于4%的Cr-Ni鋼效果不良，同時會對鋼材的淬透性做較大的改變。經過實驗室研究發現，添加N能改善鋼材的性能，包括晶粒度；然而N與Al有交互作用，原理基于AlN顆粒的數量以及彌散分布程度。實驗室得出，Al、N的合金元素含量以及比值的控制，能達到相應的技術目的。其次，考慮到重載軸承復雜的工況，需要一定的強韌性的匹配。一般認為，較多的Cr-Ni能同時提高強度和韌性，由于成本因素，通過實驗室確定經濟、合理的元素含量又能滿足重載軸承的安全需要。再次，滲碳軸承工件機械加工過程復雜，其原因是合金元素相對高碳鉻軸承高很多，因此需要材料易于機械加工。設計時，需要添加S元素來改善切削加工性能。但是，添加S元素可能會增加鋼中硫化物的聚集風險，影響鋼材的純潔性。因此，S元素含量的確定以及加入時機、方法等是實現改善切削性能的關鍵。軸承在工作時，易產生疲勞失效，鋼材的純凈度至關重要。然而，片面地追求純潔性(殘余有害元素含量、非金屬夾雜物、氧含量等)勢必會造成成本的上升，設計發明鋼時必須考慮并限定有害的殘余元素的最高的含量，以保證鋼材的性能指標滿足重載軸承的需 求。本發明的滲碳軸承鋼的(%)組成為碳0. 10 0. 16% ；錳0. 40 0. 90% ；硅:0. 15 0. 40% ;鉻I. 30 1. 80% ；鎳:3. 10 3. 80% ；鑰:0. 02 0. 09% ；鋁:0. 015 0. 040% ；氮0. 0040^0. 0070% ;鋁/氮彡 3;氧彡 0. 0010% ;磷彡 0. 020% ；硫0. 005 0. 020% ；鈦(0. 0020% ;銅彡0. 15% ;錫彡0. 025% ;銻彡0. 015% ;砷彡0. 030% ;余量為Fe及不可避免的雜質。下面就本發明對成分的選擇原因和作用機理進行如下說明I)碳碳含量是決定滲碳淬火后零件心部硬度和淬透性最重要的元素之一。心部既要耐沖擊而且還要有足夠的強度，一般認為滲碳軸承鋼中碳含量應為0. 08、. 30%，零件心部硬度HRC為25 45為最好。本發明設計的碳含量為0. 1(T0. 16%，一方面得到部件的心部硬度為35±5HRC，同時又能保證滲碳工藝的穩定進行，獲得良好的強韌性。2)鉻鉻在滲碳軸承鋼中可以調整淬透性，提高滲碳層耐磨性，并改善鋼的力學性能。此外，鉻還能使鋼的熱處理工藝穩定，獲得良好的滲碳性能。一般滲碳軸承鋼的鉻含量在2%以下，重載負荷的滲碳軸承鋼鉻含量也不超過5%。本發明專利設計鉻含量為
I.3(Tl. 80%能獲得良好的淬透性及力學性能。3)錳錳和鉻一樣是碳化物形成元素，能代替部分鐵原子形成(Fe. Mn) 3C型碳化物。但是這種碳化物與鉻的碳化物(Fe. Cr)3C不同，加熱時易固溶于奧氏體，回火時也易析出和聚集。在滲碳軸承鋼中，錳對滲碳性能有顯著地影響，即隨著錳含量增加，鋼的滲碳性能大幅增加。通過實驗研究表明錳含量在1.0%以下，對沖擊疲勞、破斷韌性的作用比鉻好，但錳含量大于I. 30%時，鋼的切削性能變壞，其原因可能因為產生了纖維組織所致。本發明專利設計鉻含量錳為0. 40、. 90%能改善滲碳性能而不致產生不良組織。4)硅鋼中加入硅，可以強化鐵素體，提高強度、彈性極限和淬透性，改善回火軟化性能。在滲碳軸承鋼中，硅和錳的復合作用，能顯著提高滲碳層的抗回火能力，硅含量越高，抗回火能力越強。但是，硅含量超過I. 5%時與錳的復合作用效果變小。一般滲碳軸承鋼中，硅含量的上限為1.5%，如果硅含量在0. 6%以下，雖然有益于鋼的滲碳性能，卻顯現不出硅和錳的復合效果。通過實驗研究，本發明設計傾向于改善滲碳性能而限制硅含量0. 15 0. 40%，而對于抗回火能力，本發明專利添加Cr，Mn，Ni等合金元素均可以參與提高回火穩定性。實驗證明，發明鋼具有穩定的抗回火能力。5)鎳鎳在滲碳軸承鋼中能降低表面吸收碳原子的能力，加速碳原子在奧氏體中的擴散，減少滲碳層中碳的濃度，所以減慢滲碳速度，但鎳提高了鋼的韌性。對于重載用途的滲碳軸承鋼，本專利設計鎳含量為3. 1(T3. 80%能獲得滿意的強韌性配合。6)鑰在滲碳軸承鋼中，其作用主要是提高淬透性，改善力學性能，特別是提高韌性效果。此外，鑰可以提高耐磨性、滲碳性能，鑰一般在I. 00%以下。本專利添加0. 02、. 09%的鑰，與其他合金元素配合能起到提高韌性、改善淬透性的作用。7)鋁和氮鋁除了能降低鋼中氧含量外，能與氮形成彌散細小的氮化鋁，起到細化晶粒的作用，有較強的固溶強化作用，能提高鋼的抗回火穩定性和高溫強度。Al低于 0. 01 %，則難以保證鋁既能起到脫氧作用，又能與氮生成彌散細小的氮化鋁，起到細化晶粒的作用。鋁大于0.04%，容易形成大量的彌散細小的氮化鋁和碳氮化鈦夾雜物。碳氮化鈦夾雜物對高碳鉻軸承鋼的疲勞壽命有嚴重的影響。研究表明，鋁的行為與氮密切相關，因此本發明控制鋁0. 015^0. 040%、氮0. 004(H). 0070%、鋁/氮> 3，能滿足高溫滲碳(滲氮或碳氮共滲)工藝要求同時解決晶粒粗大和改善鋼材韌性的作用。8)氧鋼中氧含量通常以各種氧化物+溶解氧形式出現。無論何種氧化物在鋼中生成，均離不開鋼中的氧。氧含量越高，不僅造成氧化物夾雜數量增多，而且氧化物夾雜尺寸增大，偏析嚴重，夾雜級別增高，因而對疲勞壽命的危害也就加劇。因此，要努力降低鋼中的氧。本發明的鋼中氧含量控制在0. 0010%以下。9)磷磷在低夾雜物含量的鋼中，在晶界的偏析與富集更為明顯。P不僅能加劇液析碳化物的生成，而且能加劇奧氏體化時的二次碳化物的析出。要努力降低鋼中的P。在本發明中鋼中磷含量控制在0. 0020%以下。如果鋼中的殘余磷含量大于0. 020%，則增加晶界偏聚和富集并加劇液析碳化物的生成，而且能加劇奧氏體化時的二次碳化物的析出。10)硫鋼在凝固過程中隨S含量的增加而硫化物、碳化物分布的平均尺寸增加，故縱向偏析增加。一般認為為了改善軸承鋼的碳化物，必須盡可能降低S含量。在本發明中硫含量控制在0. 005、. 020%,目的是改善滲碳軸承的加工性能。如果硫含量超過0. 020%，則會增加鋼中硫化物夾雜總量，容易在鋼坯中心形成硫化物聚集，加劇鋼坯中心的碳化物偏析，最終導致鋼材中心偏析嚴重和縮孔超標。11)鈦鈦與溶解于鋼中的氮有著極強的親和力，多以氮化鈦、碳氮化鈦夾雜物的形式殘留于鋼中。這種夾雜物堅硬，呈棱角形狀，嚴重影響軸承的疲勞壽命，特別是在鋼的純潔度顯著提高、其他氧化物數量很少的情況。Ti (C、N)夾雜物具有很高的剛性，并在幾何形狀上呈棱角狀，因而在基體中極易造成應力集中誘導疲勞裂紋。隨Ti含量增高，Ti (C、N)顆粒不僅大大增多，而且Ti (C、N)的級別也明顯增高，疲勞壽命降低。因此，必須盡可能降低Ti含量。在本發明的鋼中鈦含量控制在0. 0020%以下。如果Ti超過含量0. 0020%,則會增加鋼中氮化鈦、碳氮化鈦夾雜物總量，容易在鋼坯中心或其他部位形成各類夾雜物聚集，并由此造成應力集中誘導疲勞裂紋，最終導致軸承的整體壽命嚴重下降。12)銅銅是低熔點有害元素，使鋼加熱時容易形成表面裂紋；同時也會引起鋼的時效硬化，影響軸承精度。因此，必須盡可能降低銅含量。在本發明鋼中的銅含量控制在0. 15%以下。如果銅含量超過0. 15%，則會使鋼材在被制造軸承的過程中容易在其表面形成低熔點區域，極易產生表面裂紋，最終導致軸承的整體壽命嚴重下降。13)錫、銻、砷錫屬于低熔點的微量元素，其含量過高，易引起軸承零件表面出現軟點，硬度不均。在本發明鋼中，錫含量控制在0. 025%以下。如果錫含量超過0. 025%，則對鋼的淬透性帶來不良影響。銻屬于低熔點的微量元素。銻含量過高，易引起軸承零件表面出現軟點，硬度不均。在本發明鋼中，銻含量控制在0. 015%以下。如果銻含量超過0. 015%，則對鋼的淬透性帶來不良影響。砷屬于低熔點的微量元素。砷含量過高，易引起軸承零件表面出現軟點，硬度不均。在本發明鋼中，砷含量控制在0. 030%以下。如果砷含量超過0. 030%,則對鋼的淬透性帶來不良影響。本發明提供的滲碳軸承鋼鋼的制造方法通過三步法完成第一步電爐冶煉一鋼包爐精煉一真空爐脫氣一鋼液澆注成鋼錠；第二步鋼錠開坯一軋制成圓鋼；第三步退火。第一步電爐冶煉一鋼包爐精煉一真空爐脫氣一鋼液澆注成鋼錠 ①電爐冶煉在20噸以上的直流或交流電爐中進行初煉鋼液的低磷化和低鈦化，將鋼中的殘余磷含量和鈦含量分別降至0. 008%以下和0. 0005%以下。否則會使成品鋼材中的殘余磷含量超過0. 015%、殘余鈦含量必大于0. 0030%。(I)在20噸以上的直流或交流電爐中，通過通入電流和輸入氧氣，使裝入的爐料熔化變成1560 1650°C溫度范圍內的鋼液；(2)間歇流出氧化性爐渣，例如，組分為CaO彡20%、FeO彡30%、Si02彡7%、MnO ( 10%、MgO ( 10%的爐渣，及補充不大于15公斤/噸鋼的石灰；(3)向鋼液中輸入20 40立方米/噸鋼的氧氣；②鋼包爐精煉在與電爐容量相匹配的交流式鋼包精煉爐上，進行精煉鋼液的低氧和低鈦化，使精煉鋼液的氧含量降到0. 0010%以下，并使鋼中鈦含量和硫含量分別不大于 0. 0020% 和 0. 005 0. 015% ；(I)盛接鋼液的鋼包耐火材料是A1203-Mg0_C磚，渣線為MgO-C磚(2)鋼包使用前完全清理，內表面不得有冷鋼和殘渣；(3)在電爐出鋼的同時，在盛接鋼液的鋼包內，添加特殊渣料(包括含純CaO 60 70%的石灰、含純Si02在5 15%、含純CaF2在10 20%螢石)、合金、增碳劑(5 10公斤/噸鋼的含碳量在80%以上的焦碳)和I 3公斤/噸鋼的純鋁脫氧劑；(4)在與電爐容量相匹配的交流式鋼包精煉爐上，通入交流電流(電壓在240伏以下，電流在10000 35000A之間)；(5)鋼包底部吹入氬氣(底吹氬強度分別控制在0. 2 0. 3Mpa)。(6)將鋼液的溫度控制在1520 1600°C，使鋼液之上的固體渣料熔化成液態，一邊使鋼液和爐渣均勻化，一邊通過熱交換和鋼包底部的氬氣氣泡的不斷沸騰上升，使鋼渣之間發生化學反應，同時，鋼中的脫氧反應和脫硫反應的產物不斷吸附上升，達到鋼液脫氧和脫硫的目的。(7)精煉鋼液冶煉時間在40 - 60分鐘之內。③真空脫氣在與電爐容量相匹配的真空爐上，對精煉鋼液進行真空處理，使鋼中的鈦含量不大于0. 0020%、氧含量不大于0. 0010%、氮含量0. 0040、. 0070%。通過140Pa以下的真空度、真空保持時間為15 - 35分鐘和鋼包底部吹入氬氣(真空底吹氬強度0. 1-0. 2MPa)。④鋼液澆鑄將鋼包內的鋼液澆進使用前完全清理、內表面不得有結疤、裂紋、氧化鐵皮存在的鋼錠模中，其澆鑄速度為3. 0 5. 5噸鋼液/分鐘；同時，采用吹氬保護系統對鋼流實施氬氣保護。考慮鋼錠凝固組織的偏析情況，鋼錠模重量小于應能保證鋼錠一鋼材的壓縮比在16以上。第二步鋼錠開坯一軋制成圓鋼；在均熱爐中，采用天然氣或煤氣作為燃燒介質，以彡1800C /小時的升溫速度將鋼錠加熱到1230 - 1290°C，并均熱保持6(Tl50分鐘。按常規軋制工藝，將加熱均熱的鋼錠分別軋制成坯料，分別供不同成品規格的成品軋制使用，坯料緩冷12 36小時(根據坯型選擇)。采用天然氣或煤氣作為燃燒介質，將坯料加熱到1160 - 1230°C，陰陽面溫差彡40°C，加熱總時間在180分鐘以上。軋制成圓鋼后空冷。第三步退火軋制后圓鋼，以彡180°C /小時的升溫速度加熱到66(T690°C，根據圓鋼規格保溫6^20小時，爐冷至600°C以下出爐空冷。本發明由于采用了以上技術方案，使之與現有技術相比，具有以下優點和積極效果( I)所獲得滲碳軸承鋼圓鋼的晶粒度為7級或更細的級別(采用滲碳法評定)，高溫滲碳時晶粒不容易長大；(2)相對純潔度高，具有合理經濟的元素含量，接觸疲勞壽命高，氧含量、磷含量、鈦含量、銅含量、錫含量、銻含量、砷含量分別不大于0. 0010%、0. 020%,0. 0020%,0. 15%、0. 025%、0. 015%、0. 030% ；(3)滲碳軸承鋼圓鋼冶煉過程中添加0. 005、. 020%的硫元素，夾雜物級別低同時圓鋼又易于切削加工；(4)所獲得的滲碳軸承鋼具有良好的綜合機械強度，退火硬度(HB) ^ 189，抗拉強度彡1420MPa,延伸率彡12%，收縮率彡56%，沖擊功彡103J，適合制造重載、耐沖擊等環境惡劣的工作環境。


圖I為采用滲碳法熱處理制備成的金相試樣的晶粒圖片。
具體實施例方式表I為本發明鋼種的化學成分及其材料性能。本發明的實施例采用以下的制備方法第一步電爐冶煉一鋼包爐精煉一真空爐脫氣一鋼液澆注成鋼錠；第二步鋼錠開坯一軋制成圓鋼；第三步退火。第一步冶煉 在40噸交流電爐中進行初煉鋼液的低磷化和低鈦化，將鋼中的殘余磷含量和鈦含量分別降至0. 003%和0. 0005%以下。在與電爐容量相匹配的交流式鋼包精煉爐上，進行精煉鋼液的低氧和低鈦化，使精煉鋼液的氧含量降到O. 0010%以下,并使鋼中鈦含量和硫含量分別不大于O. 0025%和O. 005、. 015% ;在與電爐容量相匹配的真空爐上，對精煉鋼液進行真空處理。以3. O 5. 5噸鋼液/分鐘的澆鑄速度澆注鋼錠第二步軋制在均熱爐中，采用天然氣作為燃燒介質，以彡180°C /小時的升溫速度將鋼錠加熱到1250 - 1290°C，并均熱保持6(Γ80分鐘。按常規軋制工藝，將加熱均熱的鋼錠分別軋制成坯料，分別供不同成品規格的成品軋制使用，坯料緩冷20小時(根據坯型選擇)。采用天然氣或煤氣作為燃燒介質，將坯料加熱到1180 - 1210°C，陰陽面溫差彡40°C，加熱總時間在220分鐘。軋制成圓鋼后空冷。第三步退火軋制后圓鋼，以彡180°C /小時的升溫速度加熱到66(T690°C，根據圓鋼規格保溫16 20小時，爐冷至600°C以下出爐空冷。表I實施例鋼棒的化學成分，Wt%
權利要求
1.一種滲碳軸承鋼，其特征在于化學元素質量百分比含量為碳0. 1(T0. 16% ；錳:0. 40 0. 90% ;硅0. 15 0. 40% ;鉻I. 30 1. 80% ；鎳:3. 10 3. 80% ；鑰:0. 02 0. 09% ；鋁0. 015 0. 040% ；氮0. 004(H). 0070% ;鋁/氮彡 3;氧彡 0. 0010% ;磷彡 0. 020% ；硫0. 005 0. 020% ;鈦彡 0. 0020% ;銅彡 0. 15% ;錫彡 0. 025% ;銻彡 0. 015% ;砷彡 0. 030% ;余量為Fe及不可避免的雜質。
全文摘要
本發明公開了一種滲碳軸承鋼，其化學元素質量百分含量為碳0.10~0.16%；錳0.40~0.90%；硅:0.15~0.40%；鉻1.30~1.80%；鎳3.10~3.80%；鉬0.02~0.09%；鋁0.015~0.040%；氮0.0040~0.0070%；鋁/氮≥3；氧≤0.0010%；磷≤0.020%；硫0.005~0.020%；鈦≤0.0020%；銅≤0.15%；錫≤0.025%；銻≤0.015%；砷≤0.030%；余量為Fe及不可避免的雜質。本發明所述滲碳軸承鋼易于滲碳表面處理，具有優良的強韌性。
文檔編號C22C38/44GK102653843SQ20121016362
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者劉湘江, 張建平, 李錚, 裘旭迪 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司