一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺

摘要

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以质量百分比wt％计成分含有C：0.95‑1.15％、Si：0.50‑0.55％，Mn：0.55‑0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、W 0.3‑0.5％；将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①球化退火热处理+②淬火+③低温回火处理。

说明书

技术领域

本发明属于合金钢生产技术领域，具体涉及一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺。

背景技术

轴承热处理工艺与产品的具体类型存在很大的相关性，即某些特定的热处理工艺只能用于特定的轴承钢上。以目前很常见的GCr15轴承钢为例，目前仍然有不少专利在对其进行生产工艺的改进，攀钢集团江油长城特殊钢有限公司CN109680136A提供的高碳轧材的制备方法，“将钢材依次经过加热保温、轧制、冷却和退火步骤制造得到轧材。首先将钢材充分保温，控制网状碳化物充分固溶进奥氏体中；然后进行轧制，细化晶粒，破碎网状碳化物；再经过冷却步骤，保证细化晶粒，防止碳化物形核长大；最后对钢材进行退火，得到碳化物分布均匀、网状碳化物在较低水平的轧材。该方法简单，控制方便，能够缓解轧材中碳化物分布不均匀”。钢铁研究总院CN109266825A公开了使高碳铬轴承钢GCr15能够在4.5GPa高应力载荷下的接触疲劳额定疲劳寿命L10达到1.0×107次以上的工艺，即“球化退火热处理工艺：加热温度790～810℃，保温时间2～4小时，以15℃/h降低到745℃，再以5℃/h降低到680℃后空冷；(3)按照如下顺序进行淬回火热处理：第一次淬火加热温度830～850℃，保温30～60分钟后30～80℃油淬；第一次回火加热温度160～180℃，保温时间2～4h回火后空冷；第二次淬火加热温度850～870℃，保温30～60分钟后30～80℃油淬；第三次淬火加热温度830～850℃，保温30～60分钟后30～80℃油淬；第二次回火加热温度160～180℃，保温时间2～4h回火后空冷”。

可见对于同一个轴承钢钢种，都存在不同的热处理工艺/生产工艺。围绕本方案的一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢，因为产品比较少见，因此在其身上获得高硬度、高耐磨、耐腐蚀、长寿命的轴承钢必不可少的需要对其热处理工艺进行设计与改进。

发明内容

本发明在目前高碳铬轴承钢基础上通过对合金成分以及生产工艺进行调整，提供了一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢，并希望为其开发出一种获得高硬度、高耐磨、耐腐蚀、长寿命的轴承钢的热处理工艺。

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以wt％计成分含有C：0.95-1.15％、Si：0.50-0.55％，Mn：0.55-0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、W0.3-0.5％；将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①球化退火热处理+②淬火+③低温回火处理。

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以wt％计成分由以下组成：C：0.95-1.15％、Si：0.50-0.55％，Mn：0.55-0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、Cr：2-2.2％、Mo：0.1-0.20％、Nb：0.01-0.05％、Ti：0.01-0.05％，W0.3-0.5％，稀土钇0.001-0.005％，Al：0.01-0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质，且杂质含量低于0.1％；

对连铸后的高碳轴承钢铸坯进行组织结构分析时，Al2O3夹杂物面积率为0.2％以下，MnS夹杂物面积率为0.05％以下，含碳化合物面积率为0.2-0.25％，其中晶内含碳化合物平均尺寸为20-30nm，晶界上含碳化合物的平均尺寸为60-90nm，晶界上含碳化合物的尺寸≤250nm，含钨的含碳化合物面积率为(0.2-0.25％)*(30-35％)，高碳轴承钢铸坯一般疏松为0.5级，中心疏松为0.5级，偏析为0级；

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在880～900℃进行保温2-3小时后，以90-180℃/min冷却到710～720℃保温2-3小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温2-3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留30～100min；③碳配分：将淬火后试样以90-180℃/min升温到250-350℃的条件下处理1-2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温2-3小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥66HRC，屈服强度1800-1900MPa、抗拉强度2300-2500MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.85×10

更进一步的，所述含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺：其特征在于：

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在880℃进行保温3小时后，以150℃/min冷却到720℃保温3小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留70min；③碳配分：将淬火后试样以150℃/min升温到290-320℃的条件下处理2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温3小时，回火2-3次

更进一步的，所述含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺：其特征在于：

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在890℃进行保温2.5小时后，以120℃/min冷却到715℃保温2.5小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温2.5小时后开始进行油淬，在淬火油中停留50min；③碳配分：将淬火后试样以120℃/min升温到250-300℃的条件下处理1.5小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温2.5小时，回火2-3次。

更进一步的，所述含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺：其特征在于：

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在900℃进行保温2小时后，以90℃/min冷却到710℃保温2小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留30min；③碳配分：将淬火后试样以90℃/min升温到250-280℃的条件下处理2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温3小时，回火2-3次。

更进一步的，所述含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的生产工艺：其特征在于包括转炉冶炼、LF精炼、VD精炼和连铸工序，

(1)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉，终点碳含量在0.65％～0.85％，[P]≤0.015％，出钢温度控制在1630℃～1650℃，出钢时随流向钢水中加入铝粒或钙铁合金，控制钢中氧含量≤30ppm；

(2)LF精炼：LF进站后测温，如果转移钢水进入LF工位过程中降温超标，则在LF工位以20-40℃/min的升温速率进行温度调整，确保开始精炼的温度在1600-1620℃，钢液中[Al]为≤250ppm或者Ca≤200ppm，调整精炼渣碱度为3.5-4，全程底吹氩搅拌，钢包底吹氩流量控制在100-200NL/min以下，精炼时间控制在25-30min；在LF精炼后加入含钇稀土；LF出钢时氧含量≤15ppm，出钢温度1550℃～1600℃；对合金元素含量进行微调，确保满足目标产品成分；

(3)VD精炼：钢包入VD炉前扒渣，控制真空度≤20Pa，吹氩搅拌时间18-22min，其中软吹氩气流量控制在30-35NL/min，软吹时间控制在3-4min；

(4)连铸工序：全程保护浇注，中包钢水液面采用覆盖剂保护，避免液面裸露；连铸过热度15-25℃，拉速恒定0.7-0.85m/min，连铸坯结晶器水流量控制在200-220m3/h，二冷比水量0.35～0.40L/kg。

本发明部分元素的作用及设计思路如下：

Cr:提高轴承钢淬透性，促进碳化物形成，提高硬度和稳定碳化物的作用，Cr含量低于2％则强度硬度难以满足要求，高于2.2则碳化物尺寸增加，不利于强韧性提升，因此Cr为2-2.2；

Mo：可以改善淬透性并增加抗回火脆性，固溶强化和弥散强化。Mo≤0.1％时，发生回火脆性，≥0.2％时，降低加工性，因此Mo为0.1-0.2。

Nb：是微合金化元素，细化家里，提高强度和塑性，形成含铌碳化物，从而细化轴承钢的碳化物与原始奥氏体尺寸，进一步提升强韧性和接触疲劳性能。考虑到Nb合金化元素成本较高，因此Nb0.01-0.05％。

Ti：是在钢中生成微细的TiC、(Ti，Nb)C及TiCS等Ti系析出物、使晶粒细化。Ti含量低于0.01％时，强化效果不明显。Ti含量超过0.05％，强化效果饱和。因此Ti0.01-0.05％。

W：在本方案中是特别重要的合金元素，一方面是因为其可以提高钢的淬透性。另一方面W可以形成纳米级尺寸的W2C，这些W2C可以提高钢的耐磨性，阻止奥氏体晶粒的长大，W含量低于0.3％时，其效果不明显。而W含量太高时一方面其成本高，而且开始析出W2C的温度较高，析出物容易聚集长大，反而不利于钉扎晶界、成为裂纹起点，钨含量过高，则轴承钢硬度过高，也不利于产品的机械加工与形状的调整，因此W：0.3～0.5％。另外，本发明人最初打算利用外加增强的WC微小颗粒来提高轴承钢的耐磨性以及高硬度，但是在实际的制造过程中效果并不理想，分析可能是由于外加增强的WC微小颗粒尺寸不如本发明原位内生的含钨碳化物好控制，而且外加增强的WC微小颗粒与钢水的润湿性略差，因此后来并未采用直接添加WC微小颗粒。

稀土钇：稀土元素能够使轴承钢中的氧化铝以及MnS的形成稀土夹杂物，不仅与O、S元素结合，还与P、C形成复杂稀土夹杂物。避免硫化物变得粗大，使钢的疲劳强度降低。改善夹杂物的存在形态，减少钢中夹杂物对于裂纹的引发作用，因此，采用的稀土钇是0.001-0.005％。

本发明的有益效果在于：采用的转炉冶炼、LF精炼、VD精炼和连铸工序，有利于提高产品的洁净度水平，获得高的强度和塑性，连铸坯一般疏松为0.5级，中心疏松为0.5级，偏析为0级。采用本方案的热处理工艺后获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥66HRC，屈服强度1800-1900MPa、抗拉强度2300-2500MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.85×10

具体实施方式

实施例1

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以wt％计成分由以下组成：C：0.95-1.15％、Si：0.50-0.55％，Mn：0.55-0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、Cr：2-2.2％、Mo：0.1-0.20％、Nb：0.01-0.05％、Ti：0.01-0.05％，W0.3-0.5％，稀土钇0.001-0.005％，Al：0.01-0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质，且杂质含量低于0.1％；

对连铸后的高碳轴承钢铸坯进行组织结构分析时，Al2O3夹杂物面积率为0.2％以下，MnS夹杂物面积率为0.05％以下，含碳化合物面积率为0.2-0.25％，其中晶内含碳化合物平均尺寸为20-30nm，晶界上含碳化合物的平均尺寸为60-90nm，晶界上含碳化合物的尺寸≤250nm，含钨的含碳化合物面积率为(0.2-0.25％)*(30-35％)，高碳轴承钢铸坯一般疏松为0.5级，中心疏松为0.5级，偏析为0级；

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在880～900℃进行保温2-3小时后，以90-180℃/min冷却到710～720℃保温2-3小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温2-3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留30～100min；③碳配分：将淬火后试样以90-180℃/min升温到250-350℃的条件下处理1-2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温2-3小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥66HRC，屈服强度1800-1900MPa、抗拉强度2300-2500MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.85×10

实施例2

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以wt％计成分由以下组成：C：0.95-1.15％、Si：0.50-0.55％，Mn：0.55-0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、Cr：2-2.2％、Mo：0.1-0.20％、Nb：0.01-0.05％、Ti：0.01-0.05％，W0.3-0.5％，稀土钇0.001-0.005％，Al：0.01-0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质，且杂质含量低于0.1％；

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在880℃进行保温3小时后，以150℃/min冷却到720℃保温3小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留70min；③碳配分：将淬火后试样以150℃/min升温到290-320℃的条件下处理2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温3小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥66HRC，屈服强度1800-1900MPa、抗拉强度2300-2500MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.85×10

实施例3

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以wt％计成分由以下组成：C：0.95-1.15％、Si：0.50-0.55％，Mn：0.55-0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、Cr：2-2.2％、Mo：0.1-0.20％、Nb：0.01-0.05％、Ti：0.01-0.05％，W0.3-0.5％，稀土钇0.001-0.005％，Al：0.01-0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质，且杂质含量低于0.1％；

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在890℃进行保温2.5小时后，以120℃/min冷却到715℃保温2.5小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温2.5小时后开始进行油淬，在淬火油中停留50min；③碳配分：将淬火后试样以120℃/min升温到250-300℃的条件下处理1.5小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温2.5小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥66HRC，屈服强度1800-1900MPa、抗拉强度2300-2500MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.85×10

实施例4

一种含W高硬度耐腐蚀的高碳轴承钢的热处理工艺，其特征在于，以wt％计成分由以下组成：C：0.95-1.15％、Si：0.50-0.55％，Mn：0.55-0.65％、P≤0.01％、S≤0.005％、Cr：2-2.2％、Mo：0.1-0.20％、Nb：0.01-0.05％、Ti：0.01-0.05％，W0.3-0.5％，稀土钇0.001-0.005％，Al：0.01-0.05％,余量为Fe和不可避免的杂质，且杂质含量低于0.1％；

将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在900℃进行保温2小时后，以90℃/min冷却到710℃保温2小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留30min；③碳配分：将淬火后试样以90℃/min升温到250-280℃的条件下处理2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为210-220℃，保温3小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥66HRC，屈服强度1800-1900MPa、抗拉强度2300-2500MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.85×10

对比例1

与实施例2的区别仅仅在于热处理工艺是：采用本领域常见的GCr15热处理工艺即于790℃球化退火热处理+820℃淬火+150℃低温回火处理后，获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥63HRC，屈服强度1700-1800MPa、抗拉强度2200-2400MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.8×10

对比例2

与实施例2的区别仅仅在于热处理工艺是：将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在880℃进行保温3小时后，以150℃/min冷却到720℃保温3小时，最后空冷到室温；②淬火，先在880～900℃保温3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留70min；③回火：回火温度为210-220℃，保温3小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥64HRC，屈服强度1750-1850MPa、抗拉强度2250-2400MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.7×10

对比例3

与实施例2的区别仅仅在于热处理工艺是：将连铸后的高碳轴承钢铸坯按照成品目标尺寸机加工后进行热处理：①先进行球化退火：将试样在850℃进行保温3小时后，以150℃/min冷却到720℃保温3小时，最后空冷到室温；②淬火，先在840～860℃保温3小时后开始进行油淬，在淬火油中停留70min；③碳配分：将淬火后试样以150℃/min升温到290-320℃的条件下处理2小时，然后冷却至室温；④回火：回火温度为150-200℃，保温3小时，回火2-3次；

获得球状碳化物均匀分布在马氏体基体上的高硬度和高强韧的组织结构，表面硬度≥64HRC，屈服强度1720-1850MPa、抗拉强度2200-2380MPa、延伸率2-4％、接触疲劳性能L10≥1.71×10

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。