一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法

技术领域

本发明涉及稀土轴承钢轧制和热处理技术领域，具体涉及一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法。

背景技术

稀土资源俗称工业维生素，是全球重要的战略资源，也是我国的优势资源。我国稀土资源储量、生产量、出口量和消费量均为世界第一。开发稀土轴承钢，不仅能够实现稀土资源平衡利用，促进稀土产业健康发展，还可以提升中国稀土轴承钢的质量水平，达到或超过国外先进企业产品质量水平，打破国外对中国高端装备关键材料的限制。

大量研究和实践证明，钢中添加稀土可以有效净化钢质，球化改性夹杂物，另外钢中添加稀土也具有一定的微合金化作用。

提高稀土轴承钢的洁净度和降低碳化物不均匀性，是延长轴承寿命的两大前提。钢中添加稀土可有效聚集去除大型夹杂物、球化小型夹杂物，从而提高钢的洁净度。稀土轴承钢中的碳化物是脆性相，常常是裂纹发源地，碳化物越小、越均匀、越圆整对轴承寿命提高贡献越大，这已成为国内轴承行业的共识。

如何系统控制EH36钢水中的P、S、N、H、O含量，提高钢水洁净度和铸坯合格率，亟需开发一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法，包括以下依次进行的步骤：1)将浇注完成制得的矩形坯入炉进行加热、2)粗轧、3)中轧、4)精轧、5)一段水冷、6)减定径、7)二段水冷、8)分段、9)收集、10)缓冷、11)等温球化退火；

其中，粗轧、中轧、精轧三阶段均采用控温轧制；

步骤4)中，精轧采用α+γ两相区轧制，将精轧阶段开轧温度控制在先共析碳化物与奥氏体两相区，终轧温度控制在750℃～850℃；

步骤7)中，控制二段水冷后钢棒表面返红温度为570℃～650℃；

步骤10)中，采用在缓冷坑中进行缓冷，进缓冷坑时钢棒的温度为510℃～630℃，出缓冷坑时钢棒的温度不高于150℃；

步骤11)等温球化退火具体为：将钢棒加热到780℃～810℃，然后保温3小时～6小时，然后以10℃/h～25℃/h的冷速随炉缓冷直至炉冷到690℃～750℃，然后保温4小时～6小时，然后将钢棒从炉中取出空冷。

优选的，等温球化退火后制得的成品的稀土轴承钢的外径为30mm～70mm；

所述稀土轴承钢包括以下质量百分数的组分：0.95％～1.05％的C，0.15％～0.35％的Si，0.25％～0.45％的Mn，1.40％～1.65％的Cr，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，0.0010％～0.0030％的RE，余量为Fe和不可避免的杂质；

RE元素为镧和/或铈。

优选的，等温球化退火后制得的成品的稀土轴承钢中的显微组织为细小均匀完全球化且不高于3.0级的珠光体组织，且稀土轴承钢中的碳化物网状、带状均不高于2.0级。

本申请取得了以下的有益的技术效果：

1).本申请采用控轧控冷，粗轧、中轧、精轧三阶段均采用控温轧制，两相区精轧完成在减定径机组前后分两段控冷；大量研究表明，轧后冷却速度是影响稀土轴承钢组织的主要因素；终轧变形后的冷却过程中，随着冷却速度增加，珠光体球团直径和片层间距减少；稀土轴承钢网状碳化物析出的温度区间650℃～850℃，大量析出集中在700℃～750℃；

采用控冷工艺对稀土轴承钢球化的影响可归纳为：

(1.1).可使奥氏体化温度降低，层状珠光体分断时间缩短，从而加速球化，缩短等温球化退火周期，降低能耗；

(1.2).提高等温球化退火质量，使碳化物颗粒尺寸、碳化物平均间距MSP变小，球形度变好，从而提高稀土轴承钢的接触疲劳寿命；

要保证组织为细小的片状珠光体并避免淬火马氏体的生成同时又要抑制网状碳化物的析出，较为合理的工艺为终轧变形后，冷却速度控制在5～10℃/s，终轧后的冷却尽量避开网状碳化物大量析出的温度区间；

两相区轧制可以有效增加奥氏体晶粒变形，分散碳化物析出；

轧后加速水冷，快速穿过碳化物大量析出的敏感温度区间，抑制碳化物析出的动力学和热力学条件，可有效减少网状碳化物的析出；

水冷区为两段，精轧机组到减定径机组之间为一段，出减定径机组后为二段；

控制二段水冷后钢棒表面返红温度不超过650℃，返红温度区间在570℃～650℃，此时，稀土轴承钢圆棒心部大约在600℃～700℃，正好是奥氏体转变为珠光体的温度区域；

2).快速进缓冷坑中进行缓冷，控轧控冷后的稀土轴承钢经分段、快速收集和定尺后进缓冷坑缓冷，进缓冷坑温度大约在600℃左右，出缓冷坑温度不高于150℃；

轧后缓冷既能大大降低稀土轴承钢在加速冷却过程中产生的组织应力和热应力，能够防止白点的产生，也能有效促进珠光体转变，防止过冷产生马氏体组织。

3).等温球化退火，出缓冷坑后的稀土轴承钢进行等温球化退火，此稀土轴承钢，经考虑稀土对组织转变的影响，790℃～800℃是最佳的球化加热温度区间；若加热温度过高，大量碳化物会溶解，作为球化结晶的核心少，球化后为粗大的球状珠光体或部分片状组织；若加热温度偏低，等温球化退火后组织中仍会保留尚没转变的片状珠光体；

等温球化退火的主要目的是一是降低硬度，便于切削加工，改善热处理的综合力学性能，消除加工硬化，增加塑性；二是获得均匀分布的细颗粒珠光体、为淬火做好准备；当前综合处理效果和效率，最优的处理工艺是等温球化退火；

在稀土轴承钢中，碳化物的形状、大小、数量和分布情况对最终服役性能有很大影响，而等温球化退火后碳化物的组织形态很难通过淬火和回火改变；所以，应严格控制等温球化退火工艺以使碳化物球化完全，促进碳化物呈现较小的球粒状，且均匀地分布在铁素体基体上，这样的组织具有可加工性能好，淬、回火后的残留碳化物细小且分布均匀的特点。

综上，经过控轧控冷、缓冷坑缓冷、等温球化退火后的稀土轴承钢显微组织为细小均匀完全球化的珠光体组织，合格级别可达到GB/T18254～2016《高碳铬稀土轴承钢》中第5评级图2～3级别；碳化物网状、带状分别按第6和第8评级图均不大于2.0级，优于特级优质钢标准；形变热处理后的稀土轴承钢测试接触疲劳寿命在不大于4.5GPa接触应力下可达3～5×10

本发明稀土轴承钢具有以下主要优点：(a)采用在GCr15的成分基础上，添加0.0010％～0.0030％的RE，能有效纯净钢质、球化夹杂物、微合金化，具有高疲劳寿命；(b)采用以上成分和形变热处理工艺设计生产出的稀土轴承钢显微组织和碳化物分布更均匀，珠光体组织球化充分细小均匀；

本申请对稀土轴承钢进行控轧控冷、缓冷坑缓冷及等温球化退火，可提高稀土轴承钢组织及碳化物的均匀性，显著提高稀土轴承钢棒材等温球化退火合格率，同时可以获得从钢材中心到边缘较为均匀细小弥散分布的球化组织。采用以上工艺组合，作为钢厂供货前的主要形变热处理手段，可大幅降低稀土轴承钢的碳化物偏析分布，为下游轴承加工用户锻造热处理前提供低成本高质量坯料。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本申请提供了一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法，包括以下依次进行的步骤：1)将浇注完成制得的矩形坯入炉进行加热、2)粗轧、3)中轧、4)精轧、5)一段水冷、6)减定径、7)二段水冷、8)分段、9)收集、10)缓冷、11)等温球化退火；

其中，粗轧、中轧、精轧三阶段均采用控温轧制；

步骤4)中，精轧采用α+γ两相区轧制，将精轧阶段开轧温度控制在先共析碳化物与奥氏体两相区，终轧温度控制在750℃～850℃；

步骤7)中，控制二段水冷后钢棒表面返红温度为570℃～650℃；

步骤10)中，采用在缓冷坑中进行缓冷，进缓冷坑时钢棒的温度为510℃～630℃，出缓冷坑时钢棒的温度不高于150℃；

步骤11)等温球化退火具体为：将钢棒加热到780℃～810℃，然后保温3小时～6小时，然后以10℃/h～25℃/h的冷速随炉缓冷直至炉冷到690℃～750℃，然后保温4小时～6小时，然后将钢棒从炉中取出空冷。

在本申请的一个实施例中，等温球化退火后制得的成品的稀土轴承钢的外径为30mm～70mm；

所述稀土轴承钢包括以下质量百分数的组分：0.95％～1.05％的C，0.15％～0.35％的Si，0.25％～0.45％的Mn，1.40％～1.65％的Cr，Ti≤0.0015％，O≤0.0008％，0.0010％～0.0030％的RE，余量为Fe和不可避免的杂质；

RE元素为镧和/或铈。

在本申请的一个实施例中，等温球化退火后制得的成品的稀土轴承钢中的显微组织为细小均匀完全球化且不高于3.0级的珠光体组织，且稀土轴承钢中的碳化物网状、带状均不高于2.0级。

本申请中的稀土轴承钢，其钢水采用LF+VD精炼，在VD抽真空前在钢中添加稀土，连铸全保护浇注，浇注制得矩形坯220×260mm，缓冷后重新加热轧制成直径为30mm～70mm的稀土轴承钢。

本发明未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

本实施例1的稀土轴承钢包括以下质量百分数的组分：C：0.98％，Si：0.25％，Mn：0.30％，Cr：1.50％，Ti：0.0012％，O：0.0006％，RE：0.0021％，其余为Fe和不可避免的杂质；制得的成品的稀土轴承钢的外径为30mm。

一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法，包括以下依次进行的步骤：

1)将浇注完成制得的矩形坯入炉进行加热、2)粗轧、3)中轧、4)精轧、5)一段水冷、6)减定径、7)二段水冷、8)分段、9)收集、10)缓冷、11)等温球化退火；

其中，粗轧、中轧、精轧三阶段均采用控温轧制；

步骤4)中，精轧采用α+γ两相区轧制，将精轧阶段开轧温度控制在先共析碳化物与奥氏体两相区，终轧温度控制在830℃；

步骤7)中，控制二段水冷后钢棒表面返红温度为630℃～650℃；

步骤10)中，采用在缓冷坑中进行缓冷，进缓冷坑时钢棒的温度为510℃～630℃，出缓冷坑时钢棒的温度为120℃；

步骤11)等温球化退火具体为：将钢材加热到790℃，然后保温3小时，然后以10℃/h～25℃/h的冷速随炉缓冷直至炉冷到690℃，然后保温4小时，然后从炉中取出空冷。

实施例2

本实施例2的稀土轴承钢包括以下质量百分数的组分：C：0.98％，Si：0.25％，Mn：0.30％，Cr：1.50％，Ti：0.0012％，O：0.0006％，RE：0.0021％，其余为Fe和不可避免的杂质；制得的成品的稀土轴承钢的外径为50mm。

一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法，包括以下依次进行的步骤：1)将浇注完成制得的矩形坯入炉进行加热、2)粗轧、3)中轧、4)精轧、5)一段水冷、6)减定径、7)二段水冷、8)分段、9)收集、10)缓冷、11)等温球化退火；

其中，粗轧、中轧、精轧三阶段均采用控温轧制；

步骤4)中，精轧采用α+γ两相区轧制，将精轧阶段开轧温度控制在先共析碳化物与奥氏体两相区，终轧温度控制在800℃；

步骤7)中，控制二段水冷后钢棒表面返红温度为600℃～630℃；

步骤10)中，采用在缓冷坑中进行缓冷，进缓冷坑时钢棒的温度为580℃～610℃，出缓冷坑时钢棒的温度为100℃；

步骤11)等温球化退火具体为：将钢材加热到790℃，然后保温4小时，然后以10℃/h～25℃/h的冷速随炉缓冷直至炉冷到700℃，然后保温5小时，然后从炉中取出空冷。

实施例3

本实施例3的稀土轴承钢包括以下质量百分数的组分：C：1.00％，Si：0.27％，Mn：0.35％，Cr：1.55％，Ti：0.0011％，O：0.0005％，RE：0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质；制得的成品的稀土轴承钢的外径为70mm。

一种制备稀土轴承钢的形变热处理方法，包括以下依次进行的步骤：1)将浇注完成制得的矩形坯入炉进行加热、2)粗轧、3)中轧、4)精轧、5)一段水冷、6)减定径、7)二段水冷、8)分段、9)收集、10)缓冷、11)等温球化退火；

其中，粗轧、中轧、精轧三阶段均采用控温轧制；

步骤4)中，精轧采用α+γ两相区轧制，将精轧阶段开轧温度控制在先共析碳化物与奥氏体两相区，终轧温度控制在780℃；

步骤7)中，控制二段水冷后钢棒表面返红温度为580℃～610℃；

步骤10)中，采用在缓冷坑中进行缓冷，进缓冷坑时钢棒的温度为560℃～600℃，出缓冷坑时钢棒的温度为110℃；

步骤11)等温球化退火具体为：将钢材加热到790℃，然后保温6小时，然后以10℃/h～25℃/h的冷速随炉缓冷直至炉冷到710℃，然后保温5小时，然后从炉中取出空冷。

对以上实施例1～3中制备的稀土轴承钢做显微组织和碳化物网状带状测试，结果如表1、2、3所示。

表1实施例制备的稀土轴承钢的显微组织的合格级别

表2实施例制备的稀土轴承钢中的碳化物网状的合格级别

表3实施例制备的稀土轴承钢中的碳化物带状的合格级别

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。