[发明专利]高等向性和长接触疲劳寿命的高碳轴承钢及制造方法

说明书

一种高等向性和长接触疲劳寿命的高碳轴承钢及制造方法，成分设计为：C：0.93‑1.05wt％、Cr：1.45‑1.60wt％、Si：0.20‑0.35wt％，Mn：0.25‑0.45wt％、P≤0.015％wt％、S≤10ppm、Nb：0.01‑0.20wt％、Mo：0.01‑0.20wt％、V：0.01‑0.20wt％，余量为Fe；其中Nb、V、Mo微合金化元素的添加的为单一或联合添加，微合金总量限制在0.05％≤Nb+Mo+V≤0.40％的范围内。优点在于，获得高等向性和超长接触疲劳寿命的高端轴承钢。

技术领域

本发明属于高端特殊钢的夹杂物、碳化物与基体组织均质化和细质化控制技术领域，特别是提供了一种高等向性和长接触疲劳寿命的高碳轴承钢及制造方法。通过超低硫化学成分和微合金化相结合的成分设计，实现高端特殊钢中硫化物的少量化和细小化，碳化物和基体组织的细化与均匀化，从而实现轴承钢的力学性能在各个方向基本一致，避免了传统轴承钢平行轧向和垂直轧向等方向力学性能的巨大差异，实现轴承钢强韧性和接触疲劳寿命的大幅度提升。发明钢的高强韧性和超高接触疲劳性能为超长接触疲劳寿命和高可靠轴承制造提供了高端材料基础。本发明所阐述的以超低硫和微合金化为主要特征的新型轴承钢可以通过冶炼、连铸、热轧和热处理等现有工艺装备进行大规模工业化生产。

技术背景

轴承是各种高端装备的关键基础件，其服役寿命与可靠性决定了主机的寿命与可靠性，而轴承钢则是轴承性能好坏的关键因素。随着主机寿命和可靠性不断提升，要求轴承钢的接触疲劳寿命与可靠性也不断提高。长寿命和高可靠性轴承钢不仅需要高的接触疲劳性能、优异的耐磨性能，还需要较高的等向性和强韧性。但传统轴承钢的冲击韧性和抗拉强度相对较低，特别是垂直轧向的冲击韧性和抗拉强度不足，导致轴承钢的接触疲劳性能和可靠性偏低，不能满足各种高端装备长寿命需求，需要开发更长接触疲劳寿命、更优异耐磨性和更高强韧性轴承钢材料。

传统轴承钢的冲击韧性和力学性能在平行与垂直轧向等方向差别较大，严重影响了轴承钢的强韧性、耐磨性和接触疲劳性能。导致传统轴承钢力学性能各向异性的主要元素至少包括三个，一是传统轴承钢中含有较高的硫含量(≤0.015％)，导致轴承钢铸造和轧制过程中形成平行于轧向的长条状硫化物(MnS)，割裂了垂直于轧向的基体组织，导致该方向的力学性能远远低于平行于轧向的力学性能；二是在铸造和轧制过程中，传统轴承钢易于形成网状碳化物和带状碳化物，严重降低了冲击韧性和力学性能；三是高碳轴承钢中原始奥氏体晶粒一般不小于20微米，不利于轴承钢强韧性提升。因此未来长寿命轴承钢需要进行等向性能和高强韧性的夹杂物、碳化物和基体组织的细化与均匀化，从而获得高等向性、高强韧性和超长接触疲劳性能的高碳轴承钢。

发明内容

本发明提供了一种高等向性和长接触疲劳寿命的高碳轴承钢及制造方法，具备等向性和长接触疲劳寿命的高碳轴承钢化学成分设计及其制造方法。

本发明提出了超低硫(S％≤10ppm)和微合金化(主要微合金化元素为Nb、V和Mo)相结合的新型轴承钢化学成分设计，降低轴承钢中的网状与带状碳化物级别，进一步提升轴承钢的等向性与强韧性。借助现有轴承钢的冶炼、铸造、热轧和热处理等生产装备和工艺实现超低硫和微合金化为特征的新型化学成分轴承钢工业化制造。基于超低硫和微合金化相结合成分设计和现有轴承钢生产装备工艺制造的新型轴承钢具有高的等向性能：垂直轧向的抗拉强度Rm≥2450MPa，且其与平行轧向的抗拉强度比值不低于0.8；垂直轧向的冲击韧性Aku≥13J，且其与平行轧向的冲击韧性比值也不低于0.8。另外更加重要的是新型轴承钢的接触疲劳性能提升5-10倍。

本发明化学成分设计思路：超低硫成分控制和Nb、Mo、V等元素微合金化相结合的新型化学成分设计，获得高等向性和超长接触疲劳寿命的高端轴承钢。