專利名稱：高碳鉻軸承鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承鋼，并且更具體地，涉及高碳鉻軸承鋼，其能通過在鑄造材料中偏析帶(segregation band)的精煉而降低偏析的發(fā)生從而改善軸承材料的耐疲勞性,并涉及所述高碳鉻軸承鋼的制備方法。
背景技術(shù)：
通常，軸承鋼在轉(zhuǎn)爐或電爐中制造，并隨后在盛鋼桶(ladle)中通過保持強還原氣氛以降低其中非金屬內(nèi)容物的含量而進行精煉，并在氧含量(τ
)通過真空脫氣方法降低至12ppm或更低的狀態(tài)下連續(xù)精煉。隨后，軸承鋼通過鑄造過程固化為板坯(slab)或鋼錠(steel ingot)并隨后在進行均熱(soaking)從而移除偏析和材料中包含的大的碳化物后軋棍為鋼還(billets)。然后,通過在軋鋼機中進行極緩慢的冷卻操作以軟化材料而使軸承鋼坯形成鋼絲或鋼條。通過球化退火將鋼絲或鋼條加工為鋼球或滾珠(roller)、軸承鋼的滾動元件、或內(nèi)滾道圈或外滾道圈，并隨后進行淬火和回火處理作為硬化熱處理以制造軸承、通過拋光處理制造最終產(chǎn)品。關(guān)于由上文所述鑄造方法制造的軸承鋼，通常認為由于具有高碳和高鉻含量，在材料中產(chǎn)生偏析和大的碳化物是不可避免的。也就是說，由于在凝固過程中溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度之間存在差異，溶質(zhì)原子可能被排出并在固-液界面的前方邊緣堆積，且這可隨后在枝晶(dendrites)之間產(chǎn)生微偏析。在凝固完成時，枝晶之間的微偏析被吸收進在材料中心部分產(chǎn)生的凝固縮孔(solidification shrinkage cavity)的內(nèi)部,從而產(chǎn)生大量的中心偏析，并且導(dǎo)致在材料的中心偏析帶可能產(chǎn)生大的碳化物。在疲勞試驗過程中或在實際使用中這些大的碳化物可成為在大的碳化物區(qū)域中引發(fā)早期疲勞斷裂從而導(dǎo)致軸承面剝落現(xiàn)象的一個原因。圖1說明了在縮孔中產(chǎn)生的大的碳化物且可以證實縮孔的一部分可能未被填充。用于移除鑄造材料的偏析帶中最不利影響軸承鋼機械性能的大的碳化物的現(xiàn)有技術(shù)方法可包括一種通過在低壓下鑄造而防止微偏析被吸收進縮孔的方法，和一種在鑄造后通過在1000°c或更高的高溫下進行均熱(soaking)而擴散從而移除中心偏析和大的碳化物的方法。同樣，已經(jīng)進行許多嘗試以通過設(shè)備控制偏析的出現(xiàn)，例如，日本專利申請?zhí)卦S公開號1996-132205已經(jīng)提出通過在IOmm至IOOmm低壓范圍內(nèi)進行連續(xù)垂直鑄造操作減少軸承鋼中偏析的方法，和日本專利申請?zhí)卦S公開號1994-248302已經(jīng)提出在凝固部分安裝軋輥并在低壓下運行以控制偏析的技術(shù)。日本專利申請?zhí)卦S公開號1995-299550已經(jīng)提出通過在低壓下軋制板坯并且在初軋(blooming)之前在1150°C至1250°C的溫度范圍內(nèi)均熱2至5小時以移除大的碳化物的技術(shù)，日本專利申請?zhí)?許公開號2006-016683已經(jīng)提出通過使用具有磷(P)濃度為0.002重量％至0.009重量％的鋼，并將所述鋼在1150°C至1260°C的溫度范圍內(nèi)保持少于2小時而抑制大的碳化物的技術(shù)，以及日本專利申請?zhí)卦S公開號2009-127113已經(jīng)提出涉及高碳鉻軸承鋼的技術(shù)，其中通過將鋼在1050°C或更高的高溫下保持I至4小時而減少并擴散消除大的碳化物。然而，由于通過使用目前的低壓鑄造技術(shù)不可能完全防止偏析和大的碳化物的產(chǎn)生，鑄造后必須進行均熱。此外，為了抑制大的碳化物的產(chǎn)生而通過將鑄造材料保持在約1150°C或更高溫度下一碳化物的產(chǎn)生溫度一的均熱不僅會極大地增加能量消耗，而且也可能會在材料表面層發(fā)生過度脫碳。因此，在鋼坯軋制前可能需要熱火焰清理(hotscarfing)并可導(dǎo)致產(chǎn)率降低。因此，由于在軸承鋼鑄造材料的偏析帶中，通過枝晶之間的微偏析長成偏析可能產(chǎn)生大的碳化物，需要從根本上解決前述局限的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的一個方面通過降低偏析的出現(xiàn)并抑制大的碳化物在偏析帶中的產(chǎn)生而提供具有優(yōu)異的耐疲勞性的軸承鋼，及其制造方法。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供高碳鉻軸承鋼，其包含:0.5重量％至1.2重量％的碳(C) ；0.15重量％至2.0重量 ％的硅(Si) ；0.05重量％至0.45重量％的錳(Mn) ；0.025重量％或更少(排除O重量％)的磷⑵；0.025重量％或更少(排除O重量％)的硫⑶；0.1重量％至1.6重量％的鉻(Cr) ；0.01重量％至0.3重量％的鈰(Ce)；以及作為余量的鐵(Fe)和其他不可避免的雜質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種通過在精煉熔融鐵后進行鑄造而制造高碳鉻軸承鋼的方法，其包括使用鈰(Ce)化合物作為孕育劑(inoculant)以制造軸承鋼。有益效果根據(jù)本發(fā)明，可以提供替代常規(guī)軸承鋼的軸承鋼，其中可減少錳(Mn)的加入，并且因為可以不需要單獨均熱而可以實現(xiàn)更高程度的經(jīng)濟效率，并且可通過促進偏析帶中等軸晶粒的精煉而減少偏析的出現(xiàn)，并且可通過顯著減少大的碳化物的尺寸而得到優(yōu)異的疲
勞壽命。


本發(fā)明的上述和其他方面、特征和其他優(yōu)勢將由以下的詳細描述結(jié)合附圖得到更清楚地理解，其中:圖1是表明縮孔中形成的大的碳化物的微觀結(jié)構(gòu)的顯微圖；圖2 (a)和2 (b)是分別表明對比實施例和本發(fā)明實施例2中偏析帶的等軸微觀結(jié)構(gòu)的顯微圖；圖3 (a)和3 (b)是分別表明對比實施例和本發(fā)明實施例2中偏析帶等軸晶粒尺寸分布的圖；圖4(a)和4(b)分別表明對比實施例和本發(fā)明實施例2中偏析帶的電子探針X射線微觀分析的結(jié)果；圖5是在本發(fā)明實施例2中奧氏體晶粒的三晶交點(triple junction)處CeO2氧化物的顯微圖；和圖6 (a)和6 (b)是分別表明對比實施例和本發(fā)明實施例2中偏析帶中大的碳化物的微觀結(jié)構(gòu)的顯微圖。最佳方式本發(fā)明將在下文詳細描述。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)以下事實:在偏析帶形成大量精細等軸晶粒的方法一其中偏析可在鑄造過程中出現(xiàn)一通過使軸承鋼鑄造過程中的偏析最小化并減少偏析帶中大的碳化物的產(chǎn)生，可有效地得到具有優(yōu)異耐疲勞性的軸承鋼，從而完成了本發(fā)明。在本發(fā)明中，偏析帶表示一個部分，其中由于鑄造而在鑄造材料中出現(xiàn)偏析，且根據(jù)鑄造類型和方法，甚至在相同鑄造類型中，偏析帶也可能不同。例如，在鋼錠鑄造過程中偏析帶可在鋼錠頂部形成，且在連續(xù)鑄造過程中偏析帶可在鑄造材料的中心部位形成。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)明一種使用孕育劑以在鑄造軸承鋼中形成大量等軸晶粒的方法。孕育劑促進非均勻成核，其中孕育劑中的具體組分可快速形成與凝固相具有低晶格錯配度(lattice misfit)的化合物或沉淀,這些化合物或沉淀可使固-液界面的界面能的增加最小化從而促進非均勻成核，并因此，可以促進精細等軸晶粒的形成。需要以與奧氏體具有低晶格錯配度的化合物或沉淀作為孕育劑，且AlCe03、CeO2,Ce2O3> Ce2O2S, CeS、Ce2S3、TiC、TiN、TiO2、或Al2O3可以用作孕育劑。孕育劑的優(yōu)選實例可以是CeO2和Ce203。由于例如CeO2與奧氏體的晶格錯配度為6.7%，而Ce2O3與奧氏體的晶格錯配度為11.0%，例如CeO2可以在軸承鋼鑄造過程中用作用于促進精細等軸晶粒形成的孕育劑。在下文中，將詳細描述本發(fā)明的軸承鋼的組成，按重量百分比計(下文中，重量％)。碳(C):0.5重量％至1.2重量％碳對于確保軸承鋼的強度是非常重要的元素。在碳含量低的情況下，因為軸承鋼可能會由于導(dǎo)致軸承的低強度和低耐疲勞性而不適用于用作軸承的部件，添加的碳含量可大于0.5重量％或更大。相比之下，在其中碳含量相對較高的情況下，由于存在未溶解的大的碳化物，不僅疲勞強度降低，淬火前的可加工性也會受損。因此，其上限可以為1.2重量％。硅(Si):0.15 重量 ％ 至 2.0 重量 ％硅是影響淬透性(hardenability)的元素，且由于在硅含量相對低的情況下可能出現(xiàn)淬透性上的限制，其含量可以為0.15重量％或更高。然而，在硅含量相對較高的情況下，由于與碳的位點競爭可發(fā)生脫碳，而且不僅像碳的情況一樣淬火前可加工性可受損，且偏析也會增加，因此其上限可以為2.0重量％。錳(Mn):0.05 重量 ％ 至 0.45 重量 ％錳是通過改善鋼的淬透性而確保強度的重要元素且其含量可以為0.05重量％或更多。然而，在其中錳含量相對較高的情況下，由于不僅淬火前可加工性會受損，而且不利地影響偏析和疲勞壽命的MnS沉淀也會增多，其含量可以為0.45重量％或更少。磷⑵:0.025重量％或更少(排除O)磷由于在晶界的偏析是降低鋼韌性的元素。因此，其含量可被積極地限制。因此，考慮到裝料如鋼制造過程， 其含量可限制為0.025重量％或更少。
硫(S):0.025重量%或更少(排除O)硫用于提高機械加工性。然而，由于硫不僅一如磷的情況一由于在晶界的偏析而降低韌性，且也通過與錳結(jié)合形成MnS硫化物而具有降低耐疲勞性的不利影響，可以限制其含量。因此，考慮到裝料如鋼制造過程，其含量可限制為0.025重量％或更少。鉻(Cr):0.1 重量 ％ 至 1.6 重量 ％由于鉻改善鋼的淬火性而提供淬透性且是用于精煉鋼結(jié)構(gòu)的有效元素，鉻的加入量可以為0.1重量％或更多。然而，由于在鉻含量過多的情況下鉻的作用飽和，其含量可以為1.6重量％或更少。鈰(Ce):0.01 重量 ％ 至 0.3 重量 ％鋪是通過作為孕育劑加入而精煉鋼結(jié)構(gòu)的有效元素。然而，在其中鋪含量過多的情況下，鋼制造過程的穩(wěn)定性可能顯著降低且氧化物的形成會快速進行，從而使促進等軸晶粒形成的作用飽和。因此，其含量可以為0.3重量％或更少。除了前述成分，還可包括鐵(Fe)以及其他不可避免的雜質(zhì)作為余量。然而，除了前述成分以外也可包括其他成分。如上文所述，Ce可以作為孕育劑，通過在本發(fā)明軸承鋼制造過程中形成Ce化合物而促進奧氏體晶粒的非均勻成核。所述Ce化合物可以是Ce氧化物、Ce碳化物、Ce氮化物、或Ce硫化物，且具體地，可以為AlCe03、CeO2, Ce2O3> Ce2O2S, CeS、Ce2S3等。其中Ce化合物可以為CeO2和Ce2O3，且例如可以為CeO2。Ce化合物與通過鑄造形成的鑄造結(jié)構(gòu)的晶格錯配度可以為15%或更小。由于在Ce化合物中引發(fā)的奧氏體晶粒的非均勻成核在其中晶格錯配度大于15%的情況下會很困難，無法預(yù)期精煉等軸晶粒的效果。因此，與鑄造結(jié)構(gòu)的晶格錯配度可以為15%或更小。為了使Ce化合物顆粒作為奧氏體晶粒的非均勻成核位點，其形狀可以為球形且其平均直徑可以為20 μ m或更小。同樣，Ce化合物可以在5/mm2至200/mm2范圍內(nèi)的數(shù)濃度(number concentration)均勻分布。在Ce化合物平均直徑大于20 μ m的情況下，孕育劑作為奧氏體晶粒的非均勻成核位點的作用可能不顯著。同樣，在Ce化合物數(shù)濃度小于5/_2的情況下，產(chǎn)生的等軸晶?？赡懿皇蔷珶挼亩谴只模以谄鋽?shù)濃度大于200/mm2的情況下，其效果可能重疊并飽和。因此，其數(shù)濃度可以為200/mm2或更小。制造本發(fā)明軸承鋼的方法將在下文詳細描述。在精煉熔融鐵后進行鑄造而制造本發(fā)明軸承鋼的方法中，Ce化合物用作孕育劑以制造軸承鋼。Ce化合物在軸承鋼制造過程中作為孕育劑以通過奧氏體晶粒的非均勻成核而確保晶粒的精煉。在本發(fā)明中，在熔融鐵的精煉過程中加入含Ce化合物以制造包含0.5重量％至
1.2重量％的C、0.15重量％至2.0重量％的S1、0.05重量％至0.45重量％的Μη、0.025重量％或更少 除O)的P、0.025重量％或更少 除O)的S、0.1重量％至1.6重量％的Cr,0.01重量％至0.3重量％的Ce、以及作為余量的Fe和其他不可避免的雜質(zhì)的熔融鋼。含Ce化合物不同于作為孕育劑描述的Ce化合物。含Ce化合物可以是用作孕育劑的Ce化合物，并且具體地，可以是Ce 氧化物、Ce碳化物、Ce氮化物、或Ce硫化物。含Ce化合物甚至可以包括在精煉過程中加入的可通過反應(yīng)形成Ce化合物的材料。所述材料可為各種類型且其一個具體實例是Fe-Al-Ce-基鐵合金。同樣，F(xiàn)e-Al-Ce-基鐵合金的類型可根據(jù)其含量而改變。所述方法可包括鑄造滿足上述組成的熔融鋼。采用制造常規(guī)軸承鋼的方法進行鑄造且該方法不受特殊限制。為此可以使用常用的鋼錠鑄造和連續(xù)鑄造方法。本發(fā)明的實施例將在下文詳細描述。
實施例鑄造滿足下表I的組成的軸承鋼。使用常規(guī)的連續(xù)鑄造方法進行鑄造。對比實施例代表最廣泛使用的常規(guī)軸承鋼。對于本發(fā)明實施例1至3，相比于對比實施例，Mn含量降低并加入Ce，但為了減少偏析和MnS沉淀的量而加入較少量的Mn。[表 I]
權(quán)利要求
1.高碳鉻軸承鋼，包含: 0.5重量％至1.2重量％的碳(C)； 0.15重量％至2.0重量％的硅(Si)； 0.05重量％至0.45重量％的錳(Mn)； 0.025重量％或更少(排除O重量％)的磷(P)； 0.025重量％或更少(排除O重量％)的硫(S)； 0.1重量％至1.6重量％的鉻(Cr)； 0.01重量％至0.3重量％的鈰(Ce)；以及 鐵(Fe)和其他不可避免的雜質(zhì)作為余量。
2.權(quán)利要求1的高碳鉻軸承鋼，其中軸承鋼包含孕育劑且包含Ce化合物作為所述孕育劑。
3.權(quán)利要求2的高碳鉻軸承鋼，其中Ce化合物是選自Ce氧化物、Ce氮化物和Ce碳化物中的一種或多種。
4.權(quán)利要求2的高碳鉻軸承鋼，其中Ce化合物是選自AlCe03、Ce203、Ce202S、Ce2S3、CeS和CeO2中的一種或多種。
5.權(quán)利要求2的高碳鉻軸承鋼，其中的Ce化合物與軸承鋼鑄造結(jié)構(gòu)的晶格錯配度為15%或更小。
6.權(quán)利要求2的高碳鉻軸承鋼`，其中Ce化合物具有球形形狀且Ce化合物的平均晶粒直徑為20 μ m或更小。
7.權(quán)利要求2的高碳鉻軸承鋼，其中Ce化合物以5/mm2至200/mm2范圍內(nèi)的數(shù)濃度分布。
8.—種通過在精煉熔融鐵后進行鑄造而制造高碳鉻軸承鋼的方法，該方法包括使用鈰(Ce)化合物作為孕育劑以制造所述軸承鋼。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括: 在精煉過程中加入含Ce化合物以制造包含0.5重量％至1.2重量％的碳(C)、0.15重量％至2.0重量％的硅(Si)、0.05重量％至0.45重量％的錳(Mn)、0.025重量％或更少(排除O重量％)的磷⑵、0.025重量％或更少(排除O重量％)的硫⑶、0.1重量％至1.6重量％的鉻(Cr) ,0.01重量％至0.3重量％的鈰(Ce)、以及作為余量的鐵(Fe)和其他不可避免的雜質(zhì)的熔融鋼；以及鑄造所述熔融鋼。
10.權(quán)利要求8的方法，其中含Ce化合物是選自Ce氧化物、Ce氮化物、Ce碳化物和Fe-Al-Ce-基鐵合金中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明通過在軸承鋼鑄造中使偏析最小化并減少偏析區(qū)域中大的碳化物的產(chǎn)生而提供具有優(yōu)異疲勞壽命的高碳鉻軸承鋼。本發(fā)明提供了高碳鉻軸承鋼，其包含0.5-1.2%的C；0.15-2.0%的Si；0.05-0.45%的Mn；等于或小于0.025%(排除0)的量的P；等于或小于0.025%(排除0)的量的S；0.1-1.6%的Cr；0.01-0.3%的Ce；以及作為余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)(以重量計)，并且提供了其制造方法。
文檔編號C22C38/18GK103201399SQ201180037580
公開日2013年7月10日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者金寬鎬 申請人:Posco公司