一种大规格轧机轴承滚动体用钢及其生产方法与流程

本发明属于冶金，更具体的是涉及轴承钢及相应的生产工艺。

背景技术：

1、轧机轴承是轧机机座中的一个重要部件，也是轧机主要易损件，其作用是支撑转动的轧辊，承受由轧辊传来的多向轧制力，并保持轧辊在机架中的正确位置。其装配、调整、维护质量对轴承寿命、产品尺寸精度、轧机作业率有直接影响。其中轧机轴承滚动体又作为轧机轴承的关键转动部件，主要有圆柱滚动轴承、深沟球轴承、角接触轴承及圆锥滚动轴承。由于轧机轴承滚动体工作条件恶劣，温度高，粉尘大，从而轧机轴承滚动体应具备高强度、高耐磨性及高寿命等特性。其质量和使用寿命直接关系到轧机的生产效率、产品质量及生产成本。因而也对轧机轴承滚动体材料提出了更高的要求。特别是针对大规格、大载荷用轧机轴承，在使用过程中需要承受更大的冲击力，故制造此类大规格轧机轴承滚动体的材料应具备高纯净度、高组织均匀性及高力学性能等特性。

2、目前，国内大规格轧机轴承滚动体大多采用高碳铬轴承钢gcrl5simn。这类高碳钢种，其冶炼工艺及热处理等加工工艺均比较成熟，最终加工成的轧机轴承滚动体整体淬透性及耐磨性均比较良好，但其整体力学性能不佳，心部塑性比较差。特别在轧机轴承滚动体使用过程承受大冲击时，很容易引起内部裂纹，最终延展至整个滚动体开裂，造成轴承早期失效，从而大大降低了轴承的使用寿命。故大规格轧机轴承滚动体不仅要求轴承材料具备高耐磨性，而且要求具备高力学性能等特性。

技术实现思路

1、根据大规格轧机轴承滚动体的使用条件，本技术的一种大规格轧机轴承滚动体用钢，通过独特的成分设计，并采用高洁净度、高组织均匀性及高力学性能的真空脱气连铸工艺路线，生产出高耐磨性、高力学性能及长寿命的钢材，是一款满足大规格轧机轴承滚动体要求的新钢材。

2、本发明为了满足大规格轧机轴承滚动体用钢的高耐磨性、高强度及高力学性能等性能要求，通过对钢材化学成分进行合理设计，发明了一种新的大规格轧机轴承滚动体用钢材。

3、本发明的大规格轧机轴承滚动体用钢的化学成分设计如下：

4、按质量百分比为c：0.2～0.25％，si：0.4～0.6％，mn：0.6～0.9％，cr：0.7～0.9％，ni：0.8～1.1％，mo：0.15～0.25％，s≤0.008％，p≤0.020％，cu≤0.25％，al≤0.05％，ti≤0.002％，o≤0.0009％，as≤0.04％，sn≤0.03％，sb≤0.005％，pb≤0.002％，余量为fe及不可避免的杂质。

5、1)c含量的确定

6、c是确保钢材耐磨性所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，从而提高它的硬度和强度，进而提高耐磨性。但过高的c含量对钢的韧性不利。本发明c含量的范围确定为0.2～0.25％。

7、2)si含量的确定

8、si固溶在铁素体相中，有较强的固溶强化作用，能提高强度、弹性极限和淬透性，但同时降低铁素体的塑性和韧性。本发明钢si含量的范围确定为0.4～0.6％。

9、3)mn含量的确定

10、mn作为炼钢过程的脱氧元素，能提高钢的淬透性，mn还能固定钢中硫的形态并形成对钢性能危害较小的mns和(fe，mn)s，减少或抑制fes的生成，因此钢中含有锰，能提高钢的纯净度和性能。同时锰在钢中起固溶强化、细化晶粒的作用来提高强度，能显著提高淬透性；但是锰含量过高，在钢中有促进奥氏体化晶粒长大缺点。本发明mn含量的范围确定为0.6～0.9％。

11、4)cr含量的确定

12、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。但cr含量过高，钢材的硬度过大，不利于客户加工使用，本发明cr含量的范围确定为0.7～0.9％。

13、5)ni含量的确定

14、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。本发明ni含量的范围确定为0.8％～1.1％。

15、6)mo含量的确定

16、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。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。本发明mo含量的范围确定为0.15％～0.25％。

17、7)al含量的确定

18、al作为钢中脱氧元素加入，除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可以细化晶粒。但al含量过多时，钢水熔炼过程易形成大颗粒al2o3等脆性夹杂，降低钢水纯净度，影响钢材的使用寿命。本发明al含量的范围确定为≤0.05％。

19、8)ti含量的确定

20、ti在钢中会形成碳氮化钛夹杂物，这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响材料的疲劳寿命，本发明ti含量的范围确定为≤0.002％。

21、9)o含量的确定

22、氧是在炼钢过程中自然进入钢中的，后期余留在钢中的氧，主要以feo、mno、sio2、al2o3等夹杂形式存在，特别是al2o3夹杂物影响钢材的使用寿命，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(主要是al2o3夹杂物)含量显著有利。本发明o含量的范围确定为≤0.0009％。

23、10)p、s含量的确定

24、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≤0.020％；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≤0.008％。

25、11)as、sn、sb、pb含量的确定

26、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≤0.04％，sn≤0.03％，sb≤0.005％，pb≤0.002％。

27、为了得到高耐磨性、高力学性能及长寿命的轧机轴承滚动体钢材，本发明也明确限定了钢材具有以下主要技术指标：

28、本发明钢材非金属夹杂物根据gb/t 10561a法检验，各类夹杂物级别不超过表1要求。

29、表1

30、

31、本发明钢材的宏观缺陷按sep 1927(锻轧钢棒纯净度水浸超声测定方法)水浸高频探伤方法检验，单个夹杂物长度不超过2mm，缺陷指数不超过10mm/dm3。

32、本发明钢材低倍组织按照gb/t1979对钢材进行评级，要求一般疏松、中心疏松、锭型偏析及中心偏析均不超过1.0级，并且不允许出现缩孔、裂纹及皮下气泡。

33、本发明钢材晶粒度按照gb/t6394采用渗碳法检测并对钢材进行评级，要求晶粒度≥7级。

34、本发明钢材末端淬透性按照gb/t225进行检验，要求j1.5≥50hrc，j9≥40hrc。

35、本发明钢材力学性能按照gb/t228进行检验，具体要求见下表2。

36、表2

37、

38、本发明是一种大规格轧机轴承滚动体用钢的生产方法，其工艺流程为转炉或电炉初炼→钢包精炼炉(lf炉)精炼→真空循环脱气炉rh或vd炉真空脱气→连铸ccm(大截面)→加热轧制成材→精整→表面及内部探伤→包装。

39、主要步骤如下:

40、(1)钢水冶炼：

41、转炉或电炉初炼：将优质铁水和高镍废钢(ni在废钢中质量占比50％以上)一同加入转炉或电炉进行初炼，吹入4000～5000m3氧气和1000～2000m3氩气，并加入活性石灰石(caco3)，与钢中有害元素进行反应，去除有害元素磷(p≤0.020％)和钛(ti≤0.002％)，初炼炉出钢时的终点碳0.15％～0.20％，出钢温度≥1650℃，出钢采用挡渣，出钢时并加入部分合金(初调成分)，出钢结束后立即进行扒渣处理，扒渣处理后，快速吊运至精炼lf炉进行冶炼。

42、钢包精炼炉精炼：精炼全过程采用氩气保护气氛冶炼，过程中使用sic和cao-sio2-mgo复合造渣剂对钢水脱氧及去除有害非金属夹杂物，将sic加入钢水中，进行扩散及沉淀脱氧，cao-sio2-mgo高性能复合造渣剂在钢水表面进一步扩散脱氧且吸附去除有害非金属夹杂物。在冶炼过程中，每间隔15min停电，往钢水中加入sic(30～50kg)和cao-sio2-mgo复合造渣剂(100～150kg)，并对钢水进行测温及取样分析，按照目标要求配加所需主元素，精炼炉测温取样次数控制在2～3次，直至成分达到产品要求。精炼时间控制在45min以上，钢水软吹时间15～20min。

43、真空脱气：在rh或vd真空脱气时，真空炉内最高真空度≤1.33mbar，保持钢水真空循环处理时间≥30min，确保钢中有害气体得到有效去除，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15～20min，同时喂入30～50m的硅钙线，将钢水中al2o3夹杂物进行变性处理，将al2o3或mgo·a12o3变性为较低熔点的钙铝酸盐和复合夹杂物，保证后续顺利浇注。

44、(2)连铸：全程采用氩气保护浇注，防止钢水二次污染氧化；优选地，连铸采用大断面300mm×300mm及以上断面，采用电磁搅拌、中间包感应加热和轻压下，降低钢水过热度，改善铸坯偏析。连铸中包塞棒使用吹氩塞棒、必须保证塞棒头的密封性良好。浇注过热度△t≤18℃，轻压下压下量12mm～15mm，浇注拉速0.65～0.85m/min；钢流比水量0.4～0.6l/kg，钢包余钢量不低于6吨；通过以上各种控制技术，进一步改善钢材中心偏析，提高钢材组织均匀性。

45、(3)加热轧制：连铸坯通过辊道输送至中性或弱氧化性气氛的加热炉内加热后并轧制成圆棒材。具体的轧制工艺为：连铸坯通过输送辊道进入步进式加热炉，控制炉内煤气的空煤比在0.85～0.95以减小残氧量，钢材在加热炉加热至1080℃～1180℃，保温时间2h～3h，控制连铸坯开轧温度为960～1030℃，采用三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30％～35％、20％～30％、30％～40％，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。而后经过8架横立式轧机交替进行轧制，最后轧制规格为φ60mm～φ100mm的圆棒材。

46、(4)精整：包括矫直、倒角等精整工序，确保尺寸、弯曲度等指标满足要求。

47、(5)表面及内部采用100％无损检测，检验合格才能成为合格品。

48、本发明的优点在于：

49、1、本发明是一种新化学成分的高力学性能渗碳钢，其不仅具备传统大规格轧机轴承滚动体用钢gcrl5simn高耐磨性和高组织均匀性，还具备传统轧机轴承滚动体用钢不具备的高力学性能，从而得到长寿命的大规格轧机轴承滚动体。

50、2、特殊的冶炼工艺：

51、(1)转炉或电炉：加入优质铁水和高镍废钢(ni在废钢中占比50％)进行初炼，吹入4000～5000m3氧气和1000～2000m3氩气，并加入活性石灰石(caco3)，与钢中有害元素进行反应，去除有害元素磷(p≤0.020％)和钛(ti≤0.002％)。

52、(2)精炼炉及真空脱气炉：在lf精炼炉，使用sic和cao-sio2-mgo高性能复合造渣剂进行脱氧及去除有害非金属夹杂物，在rh或vd真空脱气炉，在真空环境中进一步去除钢中的非金属夹杂及有害气体，最终将钢中的非金属夹杂物及o含量降低至极低水平，夹杂物数量和尺寸达到世界先进水平。

53、(3)连铸采用全程氩气保护浇注，保护钢水不被二次氧化污染；采用大断面300mm×300mm及以上断面，采用电磁搅拌、中间包感应加热和轻压下，浇注过热度△t≤18℃，轻压下压下量12mm～15mm，浇注拉速0.65～0.85m/min；钢流比水量0.4～0.6l/kg，钢包余钢量不低于6吨，确保钢材具有良好的表面及内部质量。

54、3、特殊的轧制工艺：

55、采用三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30％～35％、20％～30％、30％～40％，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。而后经过8架横立式轧机交替进行轧制，最后轧制规格为φ60mm～φ100mm的圆棒材。