一种超细晶GCr15轴承钢及其制造方法与流程

本发明属于轴承钢领域，具体涉及一种超细晶gcr15轴承钢及其制造方法。

背景技术：

1、目前，我国的gcr15轴承钢的冶炼工艺较为成熟，轴承钢的纯净度可维持在较高的水平，氧的质量分数可控制在5×10-6左右。通过lf炉外精炼+rh真空脱气+保护浇铸的方式可有效细化和减少轴承钢中非金属夹杂物的尺寸，进而提高轴承的可靠性。因此，gcr15轴承钢的疲劳寿命的主要影响因素已不是非金属夹杂物的尺寸、氧含量。传统的gcr15轴承钢中的组织相对粗大，平均晶粒尺寸＞20μm。若进一步提高gcr15轴承钢的疲劳寿命及强韧性，需要对组织晶粒进行细化。

2、2021年11月30日公开的公开号为cn113718174a的专利公开了一种双细化高强韧长寿命中高碳轴承钢及制备方法，属于高强韧长寿命轴承钢制造技术领域。该专利优点在于具有组织细化、韧性高和疲劳寿命长，能够满足高端装备对高冲击、高转速、长寿命、高可靠性和低成本轴承钢组织性能需求。该轴承钢化学组成为：0.64～0.94wt％c，1.20～1.80wt％cr，≤0.65wt％si，≤0.65wt％mn，≤0.30wt％ni，≤0.25wt％cu，≤0.15wt％mo，≤0.15wt％nb，≤0.15wt％v，≤0.15wt％zr，其中nb、v、mo和zr添加总量要求0.10％≤nb+v+mo+zr≤0.30％，，余量为铁及不可避免的杂质。其成分中含nb、v、mo和zr，成本较高。

3、2019年1月25日公开的公开号为cn109266825a的专利，公开了一种高碳铬轴承钢长寿命双细化热处理工艺，属于材料热处理技术领域。热处理步骤：热处理材料为高碳铬轴承钢gcr15，球化退火热处理，第一次淬火热处理，第一次回火热处理，第二次淬火热处理，第三次淬火热处理，第二次回火热处理。经三次热处理后高碳铬轴承钢gcr15可获得晶粒度不小于10级的基体组织和最大颗粒尺寸≤2μm的残留碳化物，接触疲劳寿命l10≥5×107次。但该专利需要进行多次反复热处理，增加了时间和成本。

4、目前我国热轧gcr15轴承钢棒材经轧制、球化退火、淬回火后晶粒度一般在7～9级。组织的粗大直接影响轴承钢的使用寿命。随着轴承钢行业的发展，对轴承钢的组织要求也在不断提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超细晶gcr15轴承钢及其制造方法，成分中加入稀土元素，控制稀土元素和硫元素的比例，冶炼后，经控轧控冷工艺轧制获得的热轧规格直径φ5mm～90mm的轴承钢棒材、线材，再经双细化热处理+淬回火后制备出的轴承钢组织晶粒度＞11级，4.5gpa赫兹应力下接触疲劳寿命l10≥5.0×107次。

2、本发明具体技术方案如下：

3、一种超细晶gcr15轴承钢，包括以下质量百分比元素：c：0.95～1.05％、si：0.25～0.35％、mn：0.25～0.45％、cr：1.40～1.60％、al≤0.040％、ni≤0.10％、cu≤0.10％、mo≤0.08％、p≤0.020％、s≤0.020％、re：0.005～0.020％，其余为fe和其它不可避免的杂质。

4、稀土元素re、s的含量应满足公式：[re]/[s]≥3，[re]×[s]≤4×10-5；

5、所述re为la和ce两种元素以任意质量比例进行混合；

6、所述超细晶gcr15轴承钢的成分还满足：as≤0.030％、sn≤0.020％、sb≤0.0050％、pb≤0.0020％、ti≤0.0015％、ca≤0.0010％、o≤0.0008％、n≤0.0060％、h≤0.00015％。需要严格控制这些杂质及对钢的性能有害的元素。

7、以上公式中，各元素表示其含量×100。

8、本发明提供的一种超细晶gcr15轴承钢的制造方法，包括以下工艺流程：

9、电炉/转炉冶炼→lf精炼→rh精炼→连铸→连铸坯加热→控轧控冷轧制→热处理→淬回火。

10、所述连铸：采用中间包感应加热，连铸中包钢水温度控制在液相线温度以上15～25℃，全程采用保护浇铸，两段电磁搅拌和轻、重压下工艺得到连铸坯。

11、所述连铸坯加热：采用热装工艺入炉，一加段温度900～1080℃，二加段温度1220～1250℃，均热段1230～1250℃；残氧控制≤4％；总加热时间5～6h。

12、所述控轧控冷轧制：控制开轧温度1100～1200℃，经过粗轧、中轧、预精轧、精轧和kocks轧机完成轧制，终轧温度控制在780～820℃，轧制总热变形量≥4；轧后控制冷却具体为：终轧后立即进行冷却，冷却速度＞20℃/s，棒材、线材截面温度控制在650℃以下，然后进行空冷。

13、所述热处理：为充分发挥稀土元素能够在晶界形成偏析，提高再结晶激活能，强化晶界的效果，采用高温固溶+等温退火对基体晶粒和碳化物进行细化，同时大大节省了球化退火的时间，具体热处理工艺为：以10～300℃/h的加热速率加热至950～1050℃，保温0.5～5h进行高温固溶，稀土元素能够有效高温固溶时晶粒长大，以10～300℃/h的冷却速率冷却至790～820℃，保温0.5～5h，以10～300℃/h的冷却速率冷却至700～740℃，保温0.5～8h，以10～300℃/h的冷却速率冷却至650℃后，出炉空冷至室温，完成基体组织和碳化物的细化。

14、所述淬回火：820～880℃保温0.5h～4h后，油冷至室温，再在100～200℃保温0.5h～4h进行回火，然后空冷至室温。

15、以上制造方法制造的超细晶gcr15轴承钢，平均组织晶粒细化至5μm以下，组织晶粒度＞11级，4.5gpa赫兹应力下接触疲劳寿命l10≥5.0×107次。

16、本发明中，稀土元素对钢中夹杂物改性与组织性能提升均具有潜在的有利作用。稀土具有极高的化学活性，能够净化钢液、变质夹杂、细化晶粒、强化组织。稀土元素可将钢中mns和al2o3夹杂物变为尺寸与危害更小的稀土硫化物、氧化物和硫氧化物。改性生成的稀土夹杂物还可能作为凝固异质形核的基底，增加结晶的形核率，从而细化晶粒、改善钢材性能。但稀土元素的比例需满足[re]/[s]≥3，[re][s]≤4×10-5，以避免在钢中生成有害的大颗粒夹杂物。本发明中，控制连铸：中间包感应加热，低过热度控制，全程采用保护浇铸，两段电磁搅拌和轻、重压下工艺，保证了连铸坯的成分均匀和表面质量良好。

17、本发明中，控制轧制：在轧机上进行多道次轧制，终轧温度控制在780～820℃，经过两相区变形使先析出的碳化物和未再结晶的奥氏体同时受到大变形塑性加工，增加奥氏体晶粒内的变形带，为分散碳化物析出创造条件，改善网状碳化物，为轧后快速冷却创造有利条件。

18、本发明中，控制冷却：终轧后立即进行轧后控冷，冷却速度＞20℃/s，控冷后后棒材截面温度控制在650℃以下，然后进行空冷。此快速冷却的目的是抑制碳化物网状的析出，棒材温度的降低减少了c和cr元素的扩散速率，进而降低了奥氏体晶界处的碳化物聚集长大的驱动力，抑制了晶界处碳化物网状的析出。冷却完成后，棒材上冷床保温，均温后出保温罩空冷。

19、与现有技术相比，本发明gcr15轴承钢通过冶炼后，经控轧控冷工艺轧制获得的热轧规格5mm～90mm的轴承钢棒材、线材，再经高温固溶+等温退火热处理+淬回火后制备出的轴承钢组织晶粒度＞11级，4.5gpa赫兹应力下接触疲劳寿命l10≥5.0×107次。