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CN118147543B - 一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法 - Google Patents

一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法 Download PDF

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CN118147543B CN202410589493.0A CN202410589493A CN118147543B CN 118147543 B CN118147543 B CN 118147543B CN 202410589493 A CN202410589493 A CN 202410589493A CN 118147543 B CN118147543 B CN 118147543B
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Abstract

本发明涉及一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法，属于金属材料成分设计与热处理领域。本发明所制备的共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.60～1.05％，Mn：0.25～2.0％，Si：0.15～0.35％，Cr：1.20～1.85％，Nb：≤0.1％，Mo≤1％，Al：0.5～4.5％，S≤0.02％，P≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所述的共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，包括冶炼、热加工及热处理工艺，工艺简单，所述共析成分高碳铬轴承钢在较高回火温度下仍具有高强度和高硬度的同时还具有较高的韧性。

Description

一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料成分设计与热处理领域，尤其涉及一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法。
背景技术
轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。轴承广泛的应用于冶金、风电、矿山机械、航天、汽车零部件等领域。由于高碳铬轴承钢的基体为马氏体组织，具有较高的硬度和强度，因此广泛的用于制造时速＜200Km/h的普通铁路轴承，尤其是铁路用轴箱轴承。但是由于其为过共析钢，热变形冷却后存在的网状碳化物，在后续的热处理过程中很难消除，导致热处理后粗大碳化物的产生，基体中固溶的碳含量降低，对轴承钢的强度造成不利影响。此外，对于高碳铬轴承钢来说，原始奥氏体晶界处存在的粗大的碳化物容易导致裂纹的萌生和扩展，极大的降低了轴承钢的韧性。
目前，控制网状碳化物较为有效的工艺主要包括热变形后的正火处理和控轧控冷工艺。若高碳铬轴承钢在热变形后的显微组织中的网状碳化物较严重，可将其直接加热到正火温度（900~930℃），保温一定时间后空冷或风冷至室温。但正火处理需要重新加热，既会增加额外的工序，又会消耗额外的能源，导致生产成本的增加。此外，由于正火温度较高，正火处理后的显微组织通常晶粒尺寸较大，这不利于最终的韧性。因此，正火处理仅用于补救热变形后网状碳化物较严重的钢材，并且其不属于轴承钢的必须的生产流程。工业上多采用控轧控冷的方式降低网状碳化物的产生，但是截面尺寸较小的棒线材抑制效果比较显著，截面尺寸较大的棒材由于心部冷却速率较小，网状碳化物一般比较严重。此外还通过降低碳含量的方式降低先共析网状碳化物的产生，但是会对轴承钢的硬度和耐磨性造成不利影响，很难从根本上解决网状碳化物问题。此外，近年来随着高速铁路运行速率的增加，也对轴承钢的强度、硬度和韧性提出了更高的要求。因此，提高轴承钢的力学性能并抑制网状碳化物的产生可显著提高轴承寿命，并扩展其应用场景，意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法，完全抑制网状碳化物产生，在提高强度和硬度的同时提高冲击韧性。
本发明的技术方案是：一种共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.60～1.05％，Mn：0.25～2.0％，Si：0.15～0.35％，Cr：1.20～1.85％，Nb：≤0.1％，Mo≤1％，Al：0.5～4.5％，S≤0.02％，P≤0.02％，余量为 Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述共析成分高碳铬轴承钢150~400℃回火处理后硬度≥660 HV，屈服强度≥1700MPa，无缺口试样冲击功≥40J。
进一步地，所述共析成分高碳铬轴承钢回火处理后残余奥氏体含量为5~30%，碳化物含量为≤5%，其余为回火马氏体、回火马氏体与贝氏体的复合组织、贝氏体组织中的一种。
一种上述的共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，包括冶炼、热加工及热处理工艺，具体步骤如下：
（1）冶炼：真空感应熔炼+真空脱气处理，在满足所述化学成分要求后模铸或连铸成钢坯；
（2）热加工：将冶炼的轴承钢钢坯进行锻造处理或热轧处理，
（3）球化退火：热加工完成后进行球化退火处理；
（4）淬火或等温处理：经球化退火后，为获得马氏体组织淬火至室温或为获得贝氏体组织淬火至贝氏体等温温度；
（5）回火处理：进行回火处理，空冷至室温，得到共析成分高碳铬轴承钢。
进一步地，步骤（2）所述的锻造处理或热轧处理温度为1100～1300℃，等温时间为1～5h。
进一步地，步骤（3）所述的退火处理中，等温温度为700~820℃，等温时间为1～5h。
进一步地，步骤（4）所述淬火过程中，以50~200℃/h的速率升温到800～950℃，保温0.5~3h，淬火至室温或者贝氏体等温温度，贝氏体等温温度为150~450℃，等温时间为1~240h。
进一步地，步骤（4）淬火或等温处理后，为提高残余奥氏体稳定性进行低温处理。
进一步地，所述的低温处理的保温温度为-196~20℃，保温时间为1~240h。
进一步地，步骤（5）所述的回火处理为以50~200℃/h的速率升温到150～400℃，保温0.5~5h。
本发明的优点及有益效果是：
本发明在标准GCr15轴承钢成分基础上，添加0.5～4.5％的Al，将C含量调整到0.60～1.05％，从而设计出一种共析成分高碳铬轴承钢。此外可添加0.01～0.1％的Nb用以细化晶粒。 Al作为一种合金元素，能够使共析点碳含量增加，基体中可以溶解的碳含量增加，硬度增加。添加的Al元素在回火过程抑制碳化物析出，细化碳化物颗粒，并且促进碳元素向残余奥氏体中配分，使残余奥氏体稳定性增加。此外添加Al和Nb元素均可形成第二相颗粒，钉扎晶界细化晶粒，同时提高强度和韧性。添加0.25~2%的Mn元素使轴承钢的淬透性增加，同样能够抑制先共析碳化物（网状碳化物）的产生，并且可以提高轴承钢的强度和硬度。
化学成分的改变必然会导致制备工艺的改变，本发明对所研发的共析成分高碳铬轴承钢制备工艺进行了针对性的优化与调控，以获得最佳的性能表现，获得高强度、高硬度、高韧性和长疲劳寿命的轴承钢。
本发明所研发的共析成分高碳铬轴承钢仅需额外添加Al元素和微量合金元素，成本低廉；同时制备工艺简单，高碳铬轴承钢的常规生产工艺也可用于该成分，具有显著的社会及经济效益。
本发明所制备的共析成分高碳铬轴承钢150~400℃回火处理后硬度≥660 HV，屈服强度≥1700MPa，无缺口试样冲击功≥40J，在较高回火温度下仍具有高强度和高硬度的同时还具有较高的韧性。
附图说明
图1为实施例1共析成分高碳铬轴承钢的热轧后以1℃/s的冷速冷却后的显微组织图；
图2为实施例1共析成分高碳铬轴承钢的球化退火后的显微组织图；
图3为实施例1共析成分高碳铬轴承钢的淬火及回火处理后的显微组织图；
图4为实施例2共析成分高碳铬轴承钢的淬火处理后的显微组织图；
图5为实施例1共析成分高碳铬轴承钢与GCr15轴承钢在不同回火温度下的硬度对比图，E-GCr15为共析成分高碳铬轴承钢；
图6为实施例1共析成分高碳铬轴承钢与GCr15轴承钢在不同回火温度下的无缺口试样冲击韧性对比图，E-GCr15为共析成分高碳铬轴承钢；
图7为实施例1共析成分高碳铬轴承钢与GCr15轴承钢在不同回火温度下的压缩屈服强度对比图，E-GCr15为共析成分高碳铬轴承钢。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在具体实施过程中，本发明提出一种共析成分高碳铬轴承钢及其制备方法，包括成分设计及性能热处理，具体步骤如下：
(1)冶炼：真空感应熔炼+真空脱气处理，保证钢水的纯净度，最终满足共析成分的高碳铬轴承钢的化学成分要求，并模铸或连铸成轴承钢钢坯；化学成分上，相较于国标中的GCr15轴承钢，主要做出以下改变：C含量从1.05wt.％降低到0.6～1.05wt.％，添加0.5～4.5wt.％的Al，添加0.25～2.0 wt.％的Mn，添加0.01～0.1wt.％的Nb，添加0.01～1wt.％的Mo，其他成分与国标保持一致；
(2)热加工：将符合成分要求的轴承钢钢坯进行锻造或者热轧处理，温度控制在1100～1300℃；
(3)热加工完成后进行球化退火处理，等温温度为700~820℃，等温时间为1～5h；
(4)淬火处理：经球化退火后，以50~200℃/h的速率升温到800～950℃，保温0.5~3h，为获得马氏体组织淬火至室温或为获得贝氏体组织淬火至贝氏体等温温度；贝氏体等温温度为150~450℃，等温时间为1~240h；
(5)低温处理：低温处理保温温度为-196~20℃，保温时间为1~240h；
(6)回火处理：经淬火或低温处理后，以50~200℃/h的速率升温到150～400℃，保温0.5~5h，空冷至室温。
实施例1
本实施例中，一种共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.69％，Mn：0.31％，Si：0.20％，Cr：1.48％，Nb：0.03％，Al：1.03％，Mo：0.3％，S：0.001％，P：0.01％。
一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，具体步骤如下：
（1）高碳铬轴承钢通过真空感应熔炼+真空脱气处理进行冶炼，在满足上述成分要求后浇注成钢锭；
（2）将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1200℃，保温 3h，随后进行锻造或热轧处理，热轧后以1℃/s的冷速冷却后的显微组织见图1；
（3）锻造完成后进行球化退火处理，将锻坯加热至820℃，保温3h，之后随炉冷却至室温，退火态组织见图2；
（4）进行淬火处理，将材料以150℃/h的速率升温到860℃，保温1h，之后油淬冷却至室温；
（5）淬火结束后进行-65℃低温处理，保温1h；
（6）随后回火保温处理，保温时间结束后空冷至室温；
经150℃回火保温2h处理后，淬火及回火处理后的显微组织图见图3，所得轴承钢材料性能如下：硬度823HV，无缺口试样冲击功48J，压缩屈服强度2700MPa；
经200℃回火保温2h处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度809HV，无缺口试样冲击功75 J，压缩屈服强度2550MPa；
经300℃回火保温2h处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度739HV，无缺口试样冲击功93J，压缩屈服强度2400MPa；
经400℃回火保温2h处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度689HV，无缺口试样冲击功96J，压缩屈服强度2100MPa；见图5-图7。
实施例2
本实施例中，一种共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.75％，Mn：2.0％，Si：0.21％，Cr：1.45％，Nb：0.03，Al：1.5％，Mo：0.1％, S：0.001％，P：0.01％。
一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，具体步骤如下：
（1）高碳铬轴承钢通过真空感应熔炼+真空脱气处理进行冶炼，在满足上述成分要求后浇注成钢锭；
（2）将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1200℃，保温 3h，随后进行锻造或热轧处理；
（3）锻造完成后进行球化退火处理，将锻坯加热至710℃，保温4h，之后随炉冷却至室温；
（4）进行淬火处理，将材料以150℃/h的速率升温到880℃，保温0.5h，之后淬火至300℃，保温3h后空冷至室温，其组织如图4所示；
（5）随后在200℃回火保温2h，保温时间结束后空冷至室温。经上述处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度660 HV，无缺口试样冲击功110J，压缩屈服强度1800MPa。
实施例3
本实施例中，一种共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.85％，Mn：2.0％，Si：0.21％，Cr：1.45％，Nb：0.03％，Al：2.0％，Mo：0.03％, S：0.001％，P：0.01％。
一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，具体步骤如下：
（1）高碳铬轴承钢通过真空感应熔炼+真空脱气处理进行冶炼，在满足上述成分要求后浇注成钢锭；
（2）将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1200℃，保温 3h，随后进行锻造或热轧处理；
（3）锻造完成后进行球化退火处理，将锻坯加热至750℃，保温3h，之后随炉冷却至室温；
（4）进行淬火处理，将材料以150℃/h的速率升温到900℃，保温2h，之后油淬冷却至室温；
（5）随后在400℃回火保温2h，保温时间结束后空冷至室温。经上述处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度681HV，无缺口试样冲击功91J，压缩屈服强度2400MPa。
实施例4
本实施例中，一种共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.94％，Mn：1.5％，Si：0.21％，Cr：1.35％，Nb：0.03％，Al：3.2％，Mo：0.5％, S：0.001％，P：0.01％。
一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，具体步骤如下：
（1）高碳铬轴承钢通过真空感应熔炼+真空脱气处理进行冶炼，在满足上述成分要求后浇注成钢锭；
（2）将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1200℃，保温 3h，随后进行锻造或热轧处理；
（3）锻造完成后进行球化退火处理，将锻坯加热至710℃，保温4h，之后随炉冷却至室温；
（4）进行淬火处理，将材料以100℃/h的速率升温到890℃，保温2h，之后油淬冷却至室温；
（5）随后在300℃回火保温2h，保温时间结束后空冷至室温。经上述处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度713HV，无缺口试样冲击功95J，压缩屈服强度2340MPa。
实施例5
本实施例中，一种共析成分高碳铬轴承钢，按重量百分比计，其化学成分如下：C：1.05％，Mn：1.5％，Si：0.21％，Cr：1.35％，Nb：0.03％，Al：4.2％，Mo：0.04％, S：0.001％，P：0.01％。
一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，具体步骤如下：
（1）高碳铬轴承钢通过真空感应熔炼+真空脱气处理进行冶炼，在满足上述成分要求后浇注成钢锭；
（2）将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1200℃，保温 3h，随后进行锻造或热轧处理；
（3）锻造完成后进行球化退火处理，将锻坯加热至710℃，保温4h，之后随炉冷却至室温；
（4）进行淬火处理，将材料以100℃/h的速率升温到890℃，保温2h，之后油淬冷却至室温；
（5）随后在200℃回火保温2h，保温时间结束后空冷至室温。经上述处理后，所得轴承钢材料性能如下：硬度756HV，无缺口试样冲击功55J，压缩屈服强度2670MPa。

Claims (8)

1.一种共析成分高碳铬轴承钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.60～1.05％，Mn：0.25～2.0％，Si：0.15～0.35％，Cr：1.20～1.85％，Nb：0.01~0.1％，Mo≤1％，Al：0.5～4.5％，S≤0.02％，P≤0.02％，余量为 Fe和不可避免的杂质；
所述共析成分高碳铬轴承钢回火处理后残余奥氏体含量为5~30%，碳化物含量为≤5%，其余为回火马氏体、回火马氏体与贝氏体的复合组织、贝氏体组织中的一种；
所述共析成分高碳铬轴承钢150~400℃回火处理后硬度≥660 HV，屈服强度≥1700MPa，无缺口试样冲击功≥40J。
2.一种权利要求1所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，包括冶炼、热加工及热处理工艺，具体步骤如下：
（1）冶炼：真空感应熔炼+真空脱气处理，在满足所述化学成分要求后模铸或连铸成钢坯；
（2）热加工：将冶炼的轴承钢钢坯进行锻造处理或热轧处理，
（3）球化退火：热加工完成后进行球化退火处理；
（4）淬火或等温处理：经球化退火后，为获得马氏体组织淬火至室温或为获得贝氏体组织淬火至贝氏体等温温度；
（5）回火处理：进行回火处理，空冷至室温，得到共析成分高碳铬轴承钢。
3.根据权利要求2所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的锻造处理或热轧处理温度为1100～1300℃，等温时间为1～5h。
4.根据权利要求2所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的退火处理中，等温温度为700~820℃，等温时间为1～5h。
5.根据权利要求2所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述淬火过程中，以50~200℃/h的速率升温到800～950℃，保温0.5~3h，淬火至室温或者贝氏体等温温度，贝氏体等温温度为150~450℃，等温时间为1~240h。
6.根据权利要求2所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤（4）淬火或等温处理后，为提高残余奥氏体稳定性进行低温处理。
7.根据权利要求6所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，所述的低温处理的保温温度为-196~20℃，保温时间为1~240h。
8.根据权利要求2所述的一种共析成分高碳铬轴承钢的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述的回火处理为以50~200℃/h的速率升温到150～400℃，保温0.5~5h。
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