一种高速动车轴承滚动体用钢及其制造方法与流程

1.本发明属于铁基合金技术领域，尤其涉及一种轴承滚动体用钢及其制造方法。


背景技术：

2.随着我国高速动车高速化发展，中国高速动车无论是在运行长度还是速度，都处于世界前列，动车各部件国产化率已达到了97％，但还存在未国产化的3％，其中就包括重要制造单元——高速动车轴承。高速动车轴承在高载荷与高速情况下承受着横向和纵向强大的多种周期交变负荷，若高速动车轴承材料质量不佳，易在轴承接触面出现龟裂剥落情形，导致轴承早期失效，影响高速动车正常运行。目前，高速动车正向着高速和高效方向发展。给高速动车轴承的设计、制造、使用、维修和检测带来了一场革命，同样也对高速动车轴承材料提出了更高的要求。作为高速动车轴承的重要组成单元——高速动车轴承滚动体。在高速动车轴承高速运转时，高速动车轴承滚动体同时与轴承内外圈接触，其工作环境更加多变复杂。高速动车轴承滚动体材料在纯净度、成分均质性、组织均匀性等性能上要比普通轴承材料的要求更高。
3.高速动车轴承主要由轴箱轴承、齿轮箱轴承和牵引电机轴承组成。高速动车轴承滚动体作为高速动车轴承的重要组成部分，由于其工作环境的复杂多变性，制造此类轴承的材料需具备高强度、高硬度、高耐磨性等特性，故对高速动车轴承滚动体原材料也提出了更高的要求。使得生产高速动车轴承滚动体用钢具有很高的技术复杂度,是公认的国产化难度最大的技术之一。目前，高速动车轴承滚动体用钢主要还是依靠进口，被国外瑞典ovako、日本山阳等轴承钢生产知名企业垄断。
4.虽然我国近些年真空脱气连铸工艺生产的轴承钢在生产质量上取得了很大进步，但与国外先进轴承钢生产企业的生产水平仍存在一定的差距，特别是在纯净度、成分均质性和组织均匀性等方面的控制技术方面还不成熟。欲使高速动车轴承国产化，就必须提升真空脱气连铸工艺的过程控制水平，让产品质量达到国外先进水平。


技术实现要素：

5.本发明的目的是要提供一种轴承滚动体用钢及其制造方法，满足高速动车轴承滚动体用钢的使用要求。
6.为了满足高速动车轴承滚动体用钢高强度、高硬度、高耐磨等性能要求，本发明为满足前述特性要求在钢材纯净度、成分均质性、组织均匀性方面都进行针对性的研究，对钢材的有害元素p、s、ti、o、as、sn、sb、pb、ca、h进行了设计：首先，选用低含量as、sn、sb、pb、ca的铁水和废钢，在冶炼过程中，在进行铁水预处理时在铁水罐中加入复合剂(脱磷硫处理)及氧化剂(脱钛处理)，在机械搅拌作用下进行化学反应脱磷、硫、钛；其次，在初炼阶段进一步去除有害元素磷(p≤0.010％)和钛(ti≤0.0020％)，同时在出钢过程中配加钢中所需元素；最后，在精炼过程中设计低钛低氧低硫控制技术将钢中氧控制在0.0005％以下，钛控制在0.0010％以下，硫控制在0.005％以下，并对合金元素的含量进行调整达到产品设计要
求，且要求每批次成品所需主元素成分波动控制在
±
0.02％；再次通过真空循环脱气炉rh或vd炉去除有害元素氢(h≤0.0002％)。
7.为了使钢材达到高组织均匀性，在连铸坯加热轧制成中间坯时，采用3道次往复翻转大压下技术(每道次压下后将钢材翻转90
°
)，三道次压下量分别为25％～30％、10％～15％、25％～30％，使钢材中心组织在大压下作用下更加致密，后续再通过加热控冷连轧，控制终轧温度，轧后快速冷却避开二次渗碳体沿晶界大量析出的温度区间，从而减少碳化网状组织大量产出。最终得到整体内部组织均匀致密的钢材。
8.为了进一步提高钢材的强度、韧性及耐磨等性能，本发明在成分中添加了cu、ni、v和nb元素。添加cu(铜)，使cu与钢中残余s形成cus，在钢材加热时，cus开始软化粘接在基体元素上，提高基体之间的连接性，从而提高钢材的韧性；添加ni(镍)，ni与钢中cr及残余p复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀性、耐磨性；添加nb(铌)，因为铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，同时还能提高钢的热强性，提高高速动车轴承滚动体在高温运转时的使用寿命；添加v(钒)，钒能够提高钢材的强度和韧性，而且钒与碳形成的碳化物，在高温下可提高抗腐蚀能力。
9.为满足高速动车轴承滚动体具有较长的使用寿命，钢材纯净度要求极高，由于b类和d类夹杂物属于脆性夹杂物，硬度较高，在应力的作用下不会发生变形。因此在高速动车轴承滚动体运转过程中，容易在这些脆性夹杂物附近产生应力集中，从而萌生裂纹，导致轴承滚动体提前失效，而且这类夹杂物尺寸越大，其危害越大；由于a类和c类夹杂物属于塑性夹杂物，具有较高的延展性，对轴承滚动体的使用寿命危害较小。
10.本发明的钢材满足如下条件：
11.按gb/t 10561a法检验微观非金属夹杂物，对微观非金属夹杂物评级的具体要求见下表1。
12.表1
[0013][0014]
按sep 1927水浸高频探伤方法检验宏观缺陷，采用5级灵敏度检测，检测总体积≥5dm3，宏观夹杂物达到零缺陷。
[0015]
按照jb/t10510-2005进行接触疲劳寿命试验，在室温：20℃
±
5℃和4.5gpa循环应力条件下，疲劳寿命试样块热处理质量符合gb/t34891-2017要求，接触疲劳额定寿命l
10
≥2
×
107次；
[0016]
按照gb/t 1979对钢材低倍组织评级：中心疏松≤1.0级、一般疏松≤1.0级、锭型偏析≤1.0级，中心偏析≤1.0级，并且无缩孔、裂纹及皮下气泡。
[0017]
具体的，本技术所采用的具体技术方案为：钢的化学成分在国标gb/t18254中gcr15基础上对有害元素及微量元素的质量百分含量进行设计：nb：0.03～0.06％，v：0.04～0.07％，cu：0.08～0.15％，ni：0.08～0.15％，s≤0.005％，p≤0.010％，ti≤0.0010％，o≤0.0005％，h≤0.0002％，as≤0.007％，sn≤0.005％，sb≤0.005％，pb≤0.0015％，其他
元素满足国标gb/t18254中gcr15要求，余量为fe及不可避免的杂质。
[0018]
化学成分中有害元素的含量控制以及微量合金元素的添加依据如下：
[0019]
1)nb含量的确定
[0020]
nb的溶质拖曳作用和nb(c，n)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少圆棒生产待温时间。nb且和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性，同时还能提高钢的热强性。因此确定nb：0.03～0.06％。
[0021]
2)v含量的确定
[0022]
v是有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性，而且钒与碳形成的碳化物，在高温下可提高抗腐蚀能力。因此确定v：0.04～0.07％。
[0023]
3)cu含量的确定
[0024]
cu与钢中残余s形成cus，在钢材加热时，cus开始软化粘接在基体元素上，提高基体之间的连接性，从而提高钢材的韧性。因此确定cu：0.08～0.15％。
[0025]
4)ni含量的确定
[0026]
ni是提高钢淬透性的元素，也是有效提高钢的耐磨性的最常用元素，ni与钢中cr及残余p复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀、耐磨性。因此确定ni：0.08～0.15％。
[0027]
5)ti含量的确定
[0028]
ti对轴承危害方式是与n元素结合可形成氮化钛夹杂物，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。因此确定ti≤0.0010％
[0029]
6)o含量的确定
[0030]
氧元素在钢中以氧化物夹杂的形式存在，在应力的作用下，氧化物不会发生变形，在其附近产生应力集中，进而萌生裂纹，导致轴承的使用寿命过低，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本发明氧含量的范围确定为o≤0.0005％。
[0031]
7)p、s含量的确定
[0032]
p元素在钢的凝固时引起元素偏析，其溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性，因此确定p≤0.010％；s元素易使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，形成的硫化物还破坏了钢的连续性，因此确定s≤0.005％。
[0033]
8)h含量的确定
[0034]
h在钢中易产生氢脆现象，最终在钢中产生裂纹，从而严重影响钢材的使用寿命。
[0035]
因此确定h≤0.0002％
[0036]
9)as、sn、sb、pb含量的确定
[0037]
as、sn、sb、pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，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≤0.007％，sn≤0.005％，sb≤0.005％，pb≤0.0015％。
[0038]
另外，钢的制造方法对应的工艺流程为铁水预处理
→
初炼
→
钢包精炼
→
真空循环脱气
→
连铸
→
热送
→
轧制成中间坯
→
缓冷
→
加热轧制成材 轧后控冷
→
精整
→
表面及内部探伤
→
包装。
[0039]
主要步骤如下:
[0040]
(1)钢水冶炼；
[0041]
(1.1)铁水预处理、初炼：生产过程中优选低含量as、sn、sb、pb、ca的铁水、废钢及原辅料，在铁水预处理过程中脱磷硫及脱钛处理，优选地，采用在铁水罐中加入cao-mg复合剂实现脱磷硫，加入feo氧化剂实现脱钛，经过化学反应脱磷至p≤0.080％、脱硫至s≤0.010％、脱钛至ti≤0.0050％；其次，初炼时吹入氧气并加入石灰石(主要成分为caco3)与钢水中的p和ti进行进一步化学反应，进一步去除有害元素磷和钛(p≤0.010％、ti≤0.0020％)，控制初炼炉出钢时的终点碳≥0.12％，出钢温度≥1630℃，出钢时挡渣，在出钢过程中先加入al粒进行沉淀脱氧，再配加钢中所需的主元素，将c配至0.90％～0.95％，si配至0.15％～0.20％，mn配至0.25％～0.30％，cr配至1.40％～1.45％，cu配至0.08～0.15％，ni配至0.08～0.15％，待钢水出尽后，进行钢包扒渣控制技术，有效扒除钢中上浮的各类有害夹杂物。
[0042]
(1.2)精炼：采用低钛低氧低硫控制技术(加入cao-sio2复合脱硫氧钛剂与钢中的s、o、ti进行化学反应)深度去除钢中钛、氧、硫，将钢中氧控制在0.0005％以下，钛控制在0.0010％以下，硫控制在0.005％以下；通过分析夹杂物尺寸及分布来调整及控制钢材各类夹杂物的数量及形态，最终使各类有害夹杂物得到有效去除。在冶炼过程中，首先往钢水表面一次性加入精炼渣覆盖钢水，钢包底部接通氩气，再将电极插入渣中进行埋弧通电，并且在通电时，往钢水中加入cao-sio2复合脱硫氧钛剂与钢中的s、o、ti进行化学反应，通电15min后，对钢水进行测温及取样分析，根据取样结果通过计算机软件按照目标要求配加所需主元素(v、nb等)，再通电15min～20min后，通过电弧及底部氩气共同协同搅拌，使钢水成分均匀且深度脱氧、脱钛、脱硫及去除各类有害夹杂物，最后停止通电，调小钢包底部氩气流量至钢水不裸露在空气中为准，钢水软吹时间15min～20min，使有害夹杂物充分上浮得以去除。
[0043]
真空脱气：真空炉内最高真空度≤1.33mbar，保持钢水真空循环处理时间≥20min，确保钢中有害气体氢得到有效去除，将钢中氢控制在0.0002％以下，真空处理结束后，在钢包底部吹入氩气，控制氩气流量以钢水不裸露在空气中为准，钢水软吹时间≥15min。最终进一步去除钢种的有害气体及非金属夹杂物。
[0044]
(2)连铸：将钢水浇铸成连铸坯；优选地，连铸全程采用氩气保护浇注，防止钢水二次污染氧化；采用低过热度浇注，过热度
△
t≤25℃；中间包钢水量控制在25～30吨，采用轻压下控制技术，压下量13mm～15mm，浇注拉速0.7～0.75m/min；采用适当的钢流比水量1.0～1.1l/kg，通过以上各种控制技术，进一步改善钢材表面及内部质量。
[0045]
(3)轧制成中间坯：中间坯入炉重新加热，充分均质，出炉后的连铸坯在轧制前先经高压水除鳞，除鳞一方面去除连铸坯表面氧化铁皮，另一方面迅速降低连铸坯表面温度，(优选设计让铸坯表面温度低于心部温度100-200℃)，再采用3道次往复翻转大压下技术(每道次压下后将钢材翻转90
°
)，三道次压下量分别为25％～30％、10％～15％、25％～30％，让铸坯的心部组织在形变过程中优先发生形变和再结晶，从而使钢材中心组织在大压下作用下更加均匀致密。最终轧制开坯成中间坯150mm
×
150mm～230mm
×
230mm，中间坯(温度≥500℃)下线进入缓冷坑进行缓冷。
[0046]
(4)连轧：中间坯入炉重新加热，出炉后轧制成规格为φ20mm～φ60mm的圆钢，开
轧温度为1000℃～1100℃，终轧温度控制在830℃～850℃，圆钢穿过水箱以35-45℃/秒的冷却速度冷却到670℃以下，快速通过二次渗碳体沿晶界大量析出的温度区间(该温度区间是700-850℃)，从而减少碳化网状组织大量产出，从而避免后续因碳化物网状引起组织开裂的现象。然后上冷床堆冷。
[0047]
(5)精整：包括矫直、倒角等精整工序，确保尺寸在
±
0.2mm范围，弯曲度≤1mm/m。
[0048]
(6)表面及内部采用100％无损检测，检验合格才能成为合格品。
具体实施方式
[0049]
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0050]
各实施例的高速动车轴承滚动体用钢的制造流程为kr(铁水预处理)
→
转炉或电炉
→
钢包精炼炉lf炉
→
真空循环脱气炉rh或vd炉
→
连铸ccm(大截面)
→
热送
→
加热轧制成中间坯(大压下轧制)
→
缓冷
→
加热轧制成材(控冷轧制)
→
精整
→
表面及内部探伤
→
包装。
[0051]
具体地，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。经kr处理好的铁水，三个实施例的p≤0.080％、s≤0.010％、ti≤0.0050％；在电炉/转炉生产过程中，出钢终点c分别控制在0.12-0.15％，终点p控制在≤0.010％以下，出钢温度控制在1630℃-1650℃，出钢采用挡渣系统挡渣，在出钢过程中先加入al粒(50kg～100kg)进行沉淀脱氧，再配加钢中所需的主元素，将c配至0.90％～0.95％，si配至0.15％～0.20％，mn配至0.25％～0.30％，cr配至1.40％～1.45％，cu配至0.08～0.15％，ni配至0.08～0.15％，待钢水出尽后，进行钢包扒渣处理；在lf精炼炉，首先往钢水表面一次性加入高性能精炼合成渣300kg～500kg，钢包底部接通氩气，再将电极插入渣中进行埋弧通电，并且在通电时，通过加料孔往钢水中加入复合脱硫氧钛剂，通电15min后，对钢水进行测温及取样分析，根据取样结果通过计算机软件按照目标要求配加所需主元素(v、nb等)，再通电15min～20min后，通过电弧及底部氩气共同协同搅拌，使钢水成分均匀且深度脱氧、脱钛、脱硫及去除各类有害夹杂物，最后停止通电，调小钢包底部氩气流量至钢水不裸露在空气中为准，钢水软吹时间15min～20min；在rh或vd真空脱气时，真空炉内最高真空度≤1.33mbar，钢水真空循环处理时间≥20min，钢水软吹时间≥15min；连铸过热度控制在≤25℃之内，连铸拉速控制在0.7～0.75m/min，钢流比水量控制在1.0～1.1l/kg；将生产出的连铸坯热送至至中性或弱氧化性气氛的加热炉进行加热，连铸坯轧制前先经过高压水除磷，再采用3道次往复翻转大压下技术(每道次压下后将钢材翻转90
°
)，三道次压下量分别为25％～30％、10％～15％、25％～30％，最终开坯轧制成150mm
×
150mm～230mm
×
230mm的中间坯，中间坯(温度≥500℃)下线进入缓冷坑进行缓冷；中间坯起坑(温度≤200℃)后通过输送辊道进入步进式加热炉，钢材开轧温度控制在1000℃～1100℃，终轧温度控制在830℃～850℃，再通过4架水箱控制冷却速度分别是36℃/秒、38℃/秒、40℃/秒、42℃/秒，上冷床温度控制在≤670℃，轧制完成后将棒材下线堆冷至室温。而后再对棒材进行后续探伤精整等。
[0052]
本发明各实施例高速动车轴承滚动体用钢的化学成分和(作为对比的)进口材的(wt％)见表2、表3。
[0053]
表2
[0054] csimnpscrcunialh
本发明实施例10.970.210.350.0080.0021.490.100.100.0200.0001本发明实施例20.980.200.360.0070.0021.500.110.100.0180.0001本发明实施例30.970.210.350.0080.0021.510.100.110.0190.0001对比钢0.960.230.330.0150.0081.440.020.030.0310.0002
[0055]
表3
[0056] moassnsbpbnbvtio本发明实施例10.010.00430.00100.00120.00100.050.050.00080.00046本发明实施例20.010.00500.00090.00160.00100.040.050.00070.00043本发明实施例30.010.00420.00130.00150.00100.050.060.00080.00045对比钢0.020.00710.00250.00300.00100.0010.0050.00130.00055
[0057]
从成分上看，本发明与进口材的区别主要在于：本发明添加了cu、ni、v和nb元素；此外，本发明与进口材对比，其氧、钛、磷、硫等有害元素含量控制明显具有优势。
[0058]
表4各实施例钢材的夹杂物
[0059][0060]
从非金属夹杂物检测情况看，本发明比进口材指标略好。
[0061]
表5各实施例钢材的低倍数据
[0062][0063]
从低倍检测情况看，本发明比进口材指标略好。
[0064]
表6各实施例钢材的水浸高频探伤数据
次优于进口材。
[0075]
综上，本发明采用连铸工艺生产的高速动车轴承滚动体用钢及其生产方法，在纯净度方面，采取初炼炉(电炉或转炉)终点控制、lf精炼炉低钛低氧低硫控制、rh/vd炉真空循环脱氢、连铸全程氩气保护浇注，各工序有效的去除有害元素及非金属夹杂，在组织均匀性和致密度方面，采用连铸轻压下技术及中间坯大压下轧制技术，并且在冶炼时，还添加了一些细化晶粒的nb元素，在提高钢材接触疲劳寿命方面，本发明不仅提高钢水纯净度，还还添加了有利于提高接触疲劳寿命的v、cu和ni元素，从而得到一套最优生产工艺，最终获得高纯净度、高接触疲劳寿命、高组织均匀性和高致密度的钢材从而替代进口材，产生一种高效率、低成本、高质量的生产模式。
[0076]
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。