專(zhuān)利名稱：一種高速鐵路用滲碳軸承鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵路用鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高速鐵路用滲碳軸承鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著鐵路運(yùn)輸向高速化、重載化方向發(fā)展，軸承作為高速列車(chē)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件，其不僅是轉(zhuǎn)向架性能、壽命和可靠性的制約因素，同時(shí)影響整個(gè)車(chē)輛的穩(wěn)定性、安全性。隨著負(fù)載、轉(zhuǎn)速、溫度和壽命增加，特別是高速列車(chē)劇烈的蛇行運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的輪對(duì)軸承沖擊作用，要求軸承具有更高承載能力，即軸承鋼芯部高強(qiáng)韌性，表面超硬化；高速列車(chē)軸承在高速、高沖擊狀態(tài)下能夠長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定可靠的工作，鐵路軸承鋼的質(zhì)量、軸承設(shè)計(jì)以及軸承制造是影響軸承壽命的三個(gè)主要因素，其中軸承鋼質(zhì)量至關(guān)重要。軸承工作狀態(tài)為承受高的、集中的交變載荷，其接觸部分僅集中在幾個(gè)點(diǎn)或線上，兼有滾動(dòng)與滑動(dòng)，因此，要求高速列車(chē)用軸承鋼應(yīng)具備高的韌性、高的強(qiáng)度、高的硬度。日本是高速鐵路發(fā)展最早的國(guó)家，其高速列車(chē)軸承材料從高碳鉻軸承鋼發(fā)展為滲碳鋼，一直采用高潔凈度和高強(qiáng)度路線。歷經(jīng)20多年的新干線高速運(yùn)用實(shí)踐，表現(xiàn)出極高的可靠性，且故障率很低，說(shuō)明建立在堅(jiān)實(shí)研發(fā)基礎(chǔ)上的軸承材料與日本高速鐵路使用條件的匹配度良好。歐美高速鐵路軸承材料采用滲碳鋼，特別強(qiáng)調(diào)韌性，采用的是高韌性基礎(chǔ)上的高強(qiáng)度技術(shù)路線，在保證可靠性前提條件下逐漸增加軸承服役壽命。日、歐、美高速列車(chē)軸承標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)條件在鋼種水平、冶金質(zhì)量及其尺寸精度方面的要求逐漸形成共性。采用潔凈、細(xì)晶、低碳鋼進(jìn)行表面滲碳處理是提高軸承服役壽命最為有效的方法。經(jīng)過(guò)滲碳熱處理工藝，在淬硬層內(nèi)獲得非常細(xì)的馬氏體組織，使表面強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。提高軸承的耐磨性和抗疲勞性能，我國(guó)高速鐵路輪對(duì)軸承相比國(guó)外其服役環(huán)境更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，連續(xù)運(yùn)行二三十個(gè)小時(shí)，溫度變化較大，從零下30多度到零上30多度，鋼軌質(zhì)量影響作用，如鋼軌平直、磨損以及接頭特征。對(duì)輪對(duì)軸承用鋼提出更高的要求。德國(guó)和我國(guó)(專(zhuān)利ZL200610089371.7)通過(guò)提高Cr 含量，降低Ni含量，控制淬火變形，所開(kāi)發(fā)滲碳鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1400MPa、沖擊功為100J， 主要作為汽車(chē)領(lǐng)域的齒輪用鋼。國(guó)內(nèi)研究和報(bào)導(dǎo)了一些滲碳軸承鋼進(jìn)行成分范圍控制和采取加入鈮微合金化等措施。但基于成分設(shè)計(jì)與控制、微合金化與熱加工、熱處理及其滲碳工藝優(yōu)化及控制使得軸承材料獲得綜合力學(xué)性能還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。發(fā)明鋼通過(guò)降鉻增鎳和微合金化總體思路進(jìn)行化學(xué)成分設(shè)計(jì)與合金元素配比精確控制，并采取高純凈度、高均勻性和晶粒細(xì)化工藝技術(shù)的控制，并經(jīng)過(guò)與之相應(yīng)最佳滲碳表面硬化工藝以及熱處理工藝，使鋼獲得表面高硬度、芯部高強(qiáng)度與高韌性的良好配合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高速鐵路用滲碳軸承鋼及其制備方法，使其同時(shí)具備高強(qiáng)度、高硬度、高韌性。
本發(fā)明的高速鐵路用滲碳軸承鋼的化學(xué)元素的重量百分配比為C :0. 18 %
0.24 %，Si ≤0. 10 %，Mn ≤0. 10 %，P ≤0. 01 %，S ≤0. 005 %，Cr :0. 5 % 2. 0 %， Ni 1. 5 % 4. 5 %，Mo :0· 3 % 1. 5 %，Nb 0. 02 % 0. 10 %，V :0· 3 % 0. 9 %，余為 Fe 及不可避免的不純物其余為狗及不可避免的雜質(zhì)。并且，控制砷錫鈦鉍鉛元素含量 As+Sn+Ti+Sb+Pb ^ 0. 060% ；真空冶煉后鋼錠中
+ [N] + [H] ^ 0. 0040%。本發(fā)明通過(guò)添加適宜數(shù)量的C-Cr-Ni-Mo-Nb-V合金元素，并經(jīng)過(guò)滲碳處理和合適的溫度淬回火，表面組織為馬氏體上分布細(xì)小、彌散碳化物；芯部組織為板條馬氏體基體上沉淀析出細(xì)小、彌散的第二相，使鋼獲得高強(qiáng)度、表面高硬度和高韌性的良好配合。C元素在加熱過(guò)程中促進(jìn)奧氏體的形成，在熱處理后使鋼獲得高硬度。C與Cr、Mo 等元素形成碳化物提高鋼的硬度和抗拉強(qiáng)度，降低鋼的屈強(qiáng)比，提高鋼的抗熱性和抗磨損性能，并有利于形成表面滲碳層。但過(guò)多的C會(huì)形成碳化物并降低鋼的斷裂韌性，本專(zhuān)利要求合金中的C含量不小于0. 18%，上限不超過(guò)0. 。Cr元素作為發(fā)明鋼中的合金元素，能夠有效提高鋼的淬透性并形成穩(wěn)定的碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性、耐蝕性。過(guò)高的Cr會(huì)導(dǎo)致鋼形成殘余奧氏體和鐵素體甚至形成網(wǎng)狀M23C6碳化物，因此，本專(zhuān)利Cr含量應(yīng)控制在0. 5 2. 0%。Ni 能夠同時(shí)有效提高基體韌性和滲碳層的淬透性，降低鋼的脆韌轉(zhuǎn)變溫度，使得材料能在低溫環(huán)境安全可靠使用。低于1.5%時(shí)韌化作用不顯著；鎳元素含量超過(guò)4. 5% 時(shí)，促進(jìn)殘余奧氏體大量形成，降低鋼的硬度且增加成本。因此，本專(zhuān)利M含量應(yīng)控制在
1.5 4. 5%。Mo能夠有效提高基體和滲碳層的淬透性以及回火穩(wěn)定性。低于0. 3%時(shí)上述作用不明顯；但含量超過(guò)1. 5%時(shí)，促進(jìn)晶界鐵素體薄膜形成，降低熱塑性和韌性，增加材料脆性。因此Mo含量限定在0.3 1.5%。Si,Mn =Si元素具有固溶強(qiáng)化和增加回火穩(wěn)定性，但當(dāng)Si、Mn元素超過(guò)0. 2%直接導(dǎo)致滲碳層易于氧化，降低滲碳層韌性，進(jìn)而降低軸承接觸疲勞強(qiáng)度。Mn元素具有強(qiáng)烈的晶界偏聚傾向，增加回火脆性，降低鋼的韌性，因此，為保證滲層和芯部的韌性，本專(zhuān)利Si、Mn 元素含量應(yīng)控制在0.1%以下。P 在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，加熱時(shí)容易發(fā)生晶界偏聚，進(jìn)而增大鋼的脆性，降低軸承鋼的抗疲勞性能，因此P含量應(yīng)控制在0.01 %以下。S 形成MnS夾雜物，并在晶界偏析從而降低鋼的韌性和疲勞性能。因此，S含量應(yīng)控制在0. 005%以下。Nb:形成彌散細(xì)小的碳氮化物能夠有效細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，抑制滲碳過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大。低于0. 02%時(shí)以上作用下降，高于0. 10%時(shí)形成大顆粒一次碳化物，降低鋼的韌性。 因此，Nb含量應(yīng)控制在0. 02 0. 10 %。V 強(qiáng)碳化物形成元素，與C結(jié)合所形成的細(xì)小彌散碳化物可阻止加熱時(shí)晶粒長(zhǎng)大，具有細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能。V含量低于 0.3%,上述作用下降；V含量高于0.9%，形成大顆粒MC碳化物。因而控制V含量為0. 3 0. 9%。本發(fā)明鋼采用V、Nb多元復(fù)合微合金化處理方法。所形成Nb (C，N)、V(C，N)具有穩(wěn)定性高、彌散細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)。但過(guò)量MC析出相在奧氏體晶界析出、粗化，降低鋼的韌性，甚至導(dǎo)致材料產(chǎn)生表面裂紋。為了保證鋼的高性能，將硫、磷和砷錫鈦鉍鉛等雜質(zhì)元素等控制在下列水平 S+P+As+Sn+Ti+Sb+Pb < 0. 080 %。同時(shí)真空冶煉后氧、氮、氫含量不高于0. 0040%,即
+ [N] + [H] ( 0. 0040% ο本發(fā)明的制備方法包括以下工藝步驟(1)成分配比與控制化學(xué)元素的重量百分配比為C :0. 18 % 0. M %， Si 彡 0. 10%，Mn 彡 0. 10%，P 彡 0. 01%，S 彡 0. 005%，Cr :0. 5% 2. 0%，Ni :1. 5% 4. 5%, Mo 0. 3% 1. 5%, Nb 0. 02% 0. 10%, V 0. 3% 0. 9%，余為 Fe ；其中，硫磷控制S+P ( 0. 010% ；微合金元素釩、鈮配比V/Nb 25 ；35 ；(2)真空冶煉采用真空感應(yīng)和真空自耗重熔工藝相結(jié)合超純凈冶煉工藝；(3)鋼錠熱加工成材包括鍛造和軋制工藝，鍛造要求鋼錠加熱溫度在1000°C 1150°C，鍛后進(jìn)行500°C 700°C退火，其中，要求終鍛溫度范圍850 900°C，晶粒度細(xì)于9 級(jí)，鋼錠在鍛造過(guò)程中變形比6 10 ；(4)鋼的表面硬化處理采用強(qiáng)滲和擴(kuò)散兩步滲碳工藝進(jìn)行表面硬化處理， 900°C 940°C溫度滲碳，碳勢(shì)控制范圍1. 1 0.6%，滲碳厚度1. 5mm 2. 2mm。(5)鋼的熱處理采用880°C 940°C油淬，隨后進(jìn)行_70°C _90°C溫度范圍的深冷處理工藝，處理時(shí)間為Ih 4h ；并經(jīng)過(guò)160°C 200°C溫度的回火處理，處理時(shí)間為2h 4h，深冷與回火次數(shù)為1 3次。熱處理后達(dá)到下列性能抗拉強(qiáng)度Rm不小于1400MPa，屈服強(qiáng)度Ra2p不小于1200MPa，沖擊功Aku不小于120J，_50°C沖擊功Aku不小于80J，斷裂韌性不小于IOOMPa m1/2 ；滲碳表面室溫硬度不小于62HRC。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯效果，材料經(jīng)原材料純度、成分范圍、微合金化控制和雙真空冶煉制備工藝、滲碳工藝、熱處理工藝精確控制后的強(qiáng)韌性能指標(biāo)，可以滿足高速列車(chē)對(duì)軸承鋼的要求，達(dá)到高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的良好配合。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，在400kg真空感應(yīng)爐和真空自耗爐上冶煉了 5爐(爐號(hào)1 5)發(fā)明鋼和5爐對(duì)比鋼(爐號(hào)6 10)，其具體化學(xué)成分如表1所示，發(fā)明鋼(爐號(hào)1 5)化學(xué)成分基本相同，其N(xiāo)i量在2 3%范圍之內(nèi)變化，6號(hào)對(duì)比鋼Si、Mn 量比發(fā)明鋼較高，不加V，只加入0. 06% Nb，7號(hào)、8號(hào)對(duì)比鋼具有較高S、P，且不加V、Nb微合金元素，其中8號(hào)對(duì)比鋼具有較高的Cr、Ni合金元素。鋼經(jīng)過(guò)真空冶煉、澆注成錠，鍛造開(kāi)坯，軋制成Φ120棒料。開(kāi)始鍛造溫度為1050°C，其中終鍛溫度880°C。熱加工后進(jìn)行 600°C退火。在棒料上取樣加工成標(biāo)準(zhǔn)室溫拉伸試樣、夏比缺口沖擊試樣、硬度試樣、滲碳用金相試樣。其中9號(hào)對(duì)比鋼與1號(hào)發(fā)明鋼成分范圍和冶煉工藝一致，只是熱加工工藝和滲碳工藝不同，9號(hào)對(duì)比鋼采用熱加工工藝制度開(kāi)鍛溫度為1050°C，其終鍛溫度920°C;滲碳工藝制度960°C滲碳，碳勢(shì)控制范圍為0. 8%擴(kuò)散6小時(shí)。同樣10號(hào)對(duì)比鋼與5號(hào)發(fā)明鋼所設(shè)計(jì)成分范圍和冶煉工藝一致，只是熱處理工藝制度不同，10號(hào)對(duì)比鋼采用較低的淬回火溫度，即淬火溫度840°C，回火溫度為140°C。本發(fā)明鋼和6、7、8、9號(hào)對(duì)比鋼采取以下熱處理制度經(jīng)過(guò)920°C左右正火后采用滲碳工藝進(jìn)行表面硬化處理，滲碳金相試樣經(jīng)920°C、 1.2% C強(qiáng)滲4h，之后在0. 9%碳勢(shì)下擴(kuò)散6h后，降溫到910°C油冷，_80°C深冷處理，經(jīng)過(guò)180°C、2小時(shí)回火處理后經(jīng)過(guò)_80°C深冷處理，最后經(jīng)過(guò)180°C、2小時(shí)回火處理后空冷。表1發(fā)明鋼和對(duì)比鋼化學(xué)成分(％ )
權(quán)利要求
1.一種高速鐵路用滲碳軸承鋼，其特征在于，化學(xué)元素的重量百分配比為C:0.18% 0. 24%,Si ^0. 10%，Mn 彡 0. 10%，P 彡 0. 01%，S 彡 0. 005%，Cr :0. 5% 2. 0%， Ni :1· 5% 4. 5%，Mo :0· 3% 1. 5%，Nb 0. 02% 0. 10%，V :0· 3% 0. 9%，余為 Fe 及不可避免的不純物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路用滲碳軸承鋼，其特征在于，控制砷錫鈦鉍鉛元素含量:As+Sn+Ti+Sb+Pb ^ 0. 060% ；真空冶煉后鋼錠中
+ [N] + [H] ^ 0. 0040%。
3.一種制備權(quán)利要求1所述的高速鐵路用滲碳軸承鋼的方法，其特征在于，包括以下工藝步驟(1)成分配比與控制化學(xué)元素的重量百分配比為c:0. 18% 0. 24%,Si彡0. 10%, Mn<0.10%，P<0.01%，S< 0.005%，Cr:0.5% 2.0%，Ni:1.5% 4.5%，Mo:0.3% 1.5%, Nb 0. 02% 0. 10%, V :0. 3% 0. 9%，余為 Fe ；其中，硫磷控制S+P 彡 0. 010% ； 微合金元素釩、鈮配比V/Nb :25 35 ；(2)真空冶煉采用真空感應(yīng)和真空自耗重熔工藝相結(jié)合超純凈冶煉工藝；(3)鋼錠熱加工成材包括鍛造和軋制工藝，鍛造要求鋼錠加熱溫度在1000°C 1150°C，鍛后進(jìn)行500°C 700°C退火，其中，要求終鍛溫度為850 900°C，晶粒度細(xì)于9 級(jí)，鋼錠在鍛造過(guò)程中變形比為6 10 ；(4)鋼的表面硬化處理采用強(qiáng)滲和擴(kuò)散兩步滲碳工藝進(jìn)行表面硬化處理，900°C 940°C溫度滲碳，碳勢(shì)控制范圍1. 1 0.6%，滲碳厚度為1.5mm 2. 2mm。(5)鋼的熱處理采用880°C 940°C油淬，隨后進(jìn)行_70°C 90°C溫度范圍的深冷處理工藝，時(shí)間為Ih 4h ；并經(jīng)過(guò)160°C 200°C的回火處理，時(shí)間濁 4h，深冷與回火次數(shù)為1 3次。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(5)中，材料抗拉強(qiáng)度不小于 1400MPa，屈服強(qiáng)度不小于1200MPa，沖擊功不小于120J，斷裂韌性不小于IOOMPa m1/2 ；滲碳表面室溫硬度不小于62HRC。
全文摘要
一種高速鐵路用滲碳軸承鋼及其制備方法，屬于鐵路用鋼技術(shù)領(lǐng)域。軸承鋼化學(xué)元素的重量百分配比為C0.18％～0.24％，Si≤0.10％，Mn≤0.10％，P≤0.01％，S≤0.005％，Cr0.5％～2.0％，Ni1.5％～4.5％，Mo0.3％～1.5％，Nb0.02％～0.10％，V0.3％～0.9％，余為Fe及不可避免的不純物。其制備包括以下工藝過(guò)程成分配比與控制→真空冶煉→鋼錠熱加工成材→鋼材表面滲碳硬化處理→鋼材熱處理。優(yōu)點(diǎn)在于，滿足高速列車(chē)用軸承鋼的服役過(guò)程中要求，實(shí)現(xiàn)表面高硬度、芯部高強(qiáng)度、高韌性的良好配合。
文檔編號(hào)C23F17/00GK102226253SQ201110156409
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者俞峰, 劉豐收, 吉傳波, 周清躍, 張斌, 李建新, 楊卯生, 趙國(guó)防 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院