一种组织细质化与均质化的微合金化轴承钢铸坯的制作方法

本发明属于钢铁材料组织性能调控，具体提供了一种组织细质化与均质化的微合金化轴承钢铸坯；涉及钢铁材料的铸坯组织细质化化和均匀化的合金化设计。本发明阐述的轴承钢铸坯组织细化技术，将铸坯原始奥氏体尺寸细化5倍以上，为轴承钢产品组织性能的细质化、均质化和稳定化提供了一种简单易行的控制技术，可以大幅度提升轴承钢耐磨性能、疲劳寿命和强韧性。本发明不仅可以应用于轴承钢、齿轮钢和模具钢，也可以在其他钢铁材料组织调控中得到应用。

背景技术：

1、高接触疲劳寿命、高耐磨性能和高的强韧性是高性能轴承钢未来发展方向，轴承钢的细质化、均质化与高强化是实现轴承钢高性能化的重要途径。为了实现这一目的，传统轴承钢通过大截面铸坯实现轴承钢中晶粒尺寸和碳化物细化，没有关注到轴承钢铸坯组织的细质化、均匀化调控，导致轴承钢铸坯越来越向大型化发展。但轴承钢铸坯尺寸的大型化又进一步限制了轴承钢产品细质化与均匀化，导致轴承钢产品强韧性、疲劳寿命与耐磨性的降低。如何解决轴承钢细质化与均质化成为轴承钢的关键科学与技术问题。同时随着风电与盾构等大型轴承发展需求，大型铸坯的细质化与均质化也成为轴承钢重要发展方向。因此解决轴承钢铸坯均质化与细质化成为未来高性能轴承钢和大截面轴承钢铸坯的发展方向。

2、有研究表明，轴承钢的原始奥氏体和碳化物的双细化可以大幅度提升轴承钢的强韧性、疲劳寿命和耐磨性。通过对gcr15轴承钢产品进行双细化热处理，将轴承钢的晶粒尺寸从15-20微米细化到5-10微米，不仅可以将轴承钢gcr15的强度由2000mpa提升到2500mpa，还可以将轴承钢的疲劳寿命从l10≥1.0x107次提高到l10≥5.0x107次。同时由于组织细化也使得轴承钢的耐磨性能得到大幅度提升。因此轴承钢组织的细化和均匀化不仅提升了轴承钢的强韧性，还大幅提升了轴承钢疲劳寿命与耐磨性能。但由于轴承钢组织遗传，粗大的铸态组织无法通过后续的有限变形实现足够的组织细化和均匀化。另外传统轴承钢生产需要通过长时间高温均匀化以降低铸坯偏析实现成分轴承钢成分均匀性，导致轴承钢铸坯组织的严重粗化和最终轴承钢产品组织的粗大和不均匀。为了实现轴承钢组织细化与均匀化，国内外提出了超大规格铸坯生产高性能轴承钢产品的制造技术路线，国内轴承钢生产也从最初的180mmx220mm的小方坯连铸发展到目前的480mmx520mm大方坯，给轴承钢铸造和控轧控冷装备能力带来巨大挑战，也未能有效解决轴承钢产品的基体组织与碳化物的细质化、均质化与高强化。未来需要从轴承钢的成分设计和工艺流程上进行改进，实现轴承钢产品基体组织与碳化物的双细化，一方面降低铸坯断面大型化和轧制过程大变形化对轴承钢生产装备过高要求。另一方面，针对高功率和长寿命风电等大型装备提出了1000mm直径的轴承钢铸坯需求，远远大于传统轴承钢棒材产品直径规格，也需要通过轴承钢的合金化设计与工艺流程改进，解决大尺寸轴承钢细质化与均质化问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种组织细质化与均质化的微合金化轴承钢铸坯，解决了大尺寸轴承钢细质化与均质化问题。通过轴承钢铸坯组织细质化均质化的合金化金化设计，实现轴承钢铸坯基体组织(原奥氏体晶粒尺寸)从毫米级细化到百微米级别(细化5倍以上)，为高强韧、高疲劳性能和耐磨性能轴承钢制造提供优质铸。

2、本发明可实现轴承钢铸坯中原始奥氏体晶粒与碳化物细化的新型合金化设计。通过将nb、mo和v的合金化设计，大幅细化铸坯组织，为后续热变形和热处理提供优质铸坯，以保证轴承钢的强韧性、高的接触疲劳性能和耐磨性能。

3、1.化学成分设计

4、本发明所述组织细质化与均质化的微合金化轴承钢铸坯的成分为，c:0.93％–1.05％,si：0.20-0.50％，mn：0.20％-0.50％，cr：1.30-1.6％，s：≤0.01％，p：≤0.02％，cu：≤0.25％，mo:≤0.30％，nb：≤0.30％，v：≤0.30％，zr：0-0.30％和al≤0.05％。在此基础上，可以添加稀土(ce、la)：≤0.05％，ni：≤1.0％；余量为fe。

5、本发明各元素的作用与依据主要有两点。一是通过c、si、mn、cr和fe为轴承钢的主要合金化元素，保证轴承钢gcr15的基本性能，二是通过mo、nb、v和zr合金化实现组织细化调控，改善强韧性、疲劳性能和耐磨性能。

6、2.制造工艺及条件

7、本发明设计的轴承钢铸坯，可以通过真空感应、电炉或转炉冶炼，然后通过模铸或连铸形成铸坯，表面原始奥氏体的晶粒尺寸≤150um、心部与半径1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸≤250微米。

技术特征：

1.一种组织细质化与均质化的微合金化轴承钢铸坯：其特征在于，c:0.93％–1.05％,si：0.20-0.50％，mn：0.20％-0.50％，cr：1.30-1.6％，s：≤0.01％，p：≤0.02％，cu：≤0.25％，mo:≤0.30％，nb：≤0.30％，v：≤0.30％，zr：0-0.30％和al≤0.05％。在此基础上，可以添加稀土(ce、la)：≤0.05％，ni：≤1.0％；余量为fe；

技术总结
一种组织细质化与均质化的微合金化轴承钢铸坯，属于钢铁材料组织性能调控技术领域。成分为，C:0.93％–1.05％,Si：0.20‑0.50％，Mn：0.20％‑0.50％，Cr：1.30‑1.6％，S：≤0.01％，P：≤0.02％，Cu：≤0.25％，Mo:≤0.30％，Nb：≤0.30％，V：≤0.30％，Zr：0‑0.30％和Al≤0.05％。在此基础上，可以添加稀土(Ce、La)：≤0.05％，Ni：≤1.0％；余量为Fe。优点在于，将铸坯原始奥氏体尺寸细化5倍以上，可以大幅度提升轴承钢耐磨性能、疲劳寿命和强韧性；不仅可以应用于轴承钢、齿轮钢和模具钢，也可以在其他钢铁材料组织调控中得到应用。

技术研发人员：曹文全,徐海峰,王存宇,俞峰,梁剑雄,翁宇庆
受保护的技术使用者：中国钢研科技集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13