[发明专利]一种低密度轴承钢及其冶炼方法

说明书

本发明公开了一种低密度轴承钢及其冶炼方法，轴承钢化学成分以质量百分数计含有：C：0.95～1.05wt％、Si：0.15～0.35wt％、Cr：1.40～1.65wt％、Mn：1～3wt％、Al：2～5wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；冶炼方法包括电炉、LF炉和VD炉工序，电炉炉后出钢按序加料，包括高纯石墨碳材→铝丸→高纯石墨碳材→金属锰→铬铁→活性石灰→改性精炼渣精炼；LF精炼工序，根据低密度轴承钢化学成分目标值，进行Mn、Al元素微调。本发明通过添加低密度元素Al、Mn，开发出一种低密度同时能够保证性能的轴承钢，该轴承钢应用于汽车可节约能耗、保护环境。

技术领域

本发明涉及轴承钢冶炼，具体涉及一种低密度轴承钢及其冶炼方法。

背景技术

传统轴承钢主要成分如下：在高碳铬轴承钢中，C含量一般在0.95％-1.15％，Cr主要是提高钢的淬透性和耐腐蚀性能，使高碳铬轴承钢中碳化物细小、均匀，Cr含量一般在0.5％-1.65％。另一方面，汽车轻量化可有效改善汽车性能，降低汽车燃油消耗以及碳排放。数据表明，汽车自重每减轻100kg，百公里油耗将减少0.3-0.5L，碳排放减少8-11g，同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率，使汽车的动力性和承载能力提高。轴承作为各类机电产品配套机械基础件，广泛应用在汽车上，汽车轻量化目标直接影响轴承钢发展方向。如何实现轴承钢轻量化同时保证其性能是需要解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种低密度，同时能够保证性能的轴承钢；本发明的第二目的是提出该轴承钢的冶炼方法。

技术方案：本发明所述的低密度轴承钢化学成分以质量百分数计含有：C：0.95～1.05wt％、Si：0.15～0.35wt％、Cr：1.40～1.65wt％、Mn：1～3wt％、Al：2～5wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

铝是钢铁材料降低密度的最有效元素。定量的说，Al元素质量分数每增加1％，钢的比重将会下降约1.3％。这是因为Al原子具有较小的原子半径和原子量，固溶于钢中可引起较大的晶格畸变并显著降低材料的平均原子质量，从而有效地的减小材料的密度。除此之外，Al含量的变化还会影响低密度钢材料的相组成。当Al含量过高时，会与钢中Fe元素结合生成Fe₃Al和FeAl相金属间化合物，对材料的力学性能产生影响。另外，Al的添加能够提髙轴承钢的共析点的碳含量，抑制网状碳化物形成。这是因为Al是铁素体形成元素，非碳化物形成元素，在奥氏体转变形成渗碳体的过程中不参与碳化物的形成。因而碳化物在形核、长大时需要排开这类非碳化物形成元素(Al)才有利于自身的形成，晶界碳化物生成的扩散动力学条件也受到晶界区域这类非碳化物形成元素原子的制约，其形成也就受到阻碍。因此，Al对奥氏体的稳定性影响具有二元性，一方面，Al元素使A3温度升高，缩小奥氏体相区；而另一方面，显著增加奥氏体的层错能，强烈抑制ε马氏体相变，起到稳定奥氏体的作用，控制钢中Al含量为2-5％较为合宜。

Mn元素的添加可扩大奥氏体相区，提高室温下残留奥氏体的含量及合金的层错能，降低Ms点，Mn具有固溶强化作用及细化晶粒的作用。同时，Mn的加入则可以有效稳定奥氏体组织，避免由于Al的添加而生成较多铁素体进而影响钢的力学性能。然而，奥氏体中Mn含量过高会导致其过于稳定，不利于TRIP效应的产生，同时容易形成带状组织，对轴承钢化学性能产生危害，因此控制钢中Mn元素为1-3％。

本发明中，采取向钢中添加低密度元素Mn、Al，含量分别为Mn:1-3％，Al:2-5％，常规轴承钢的密度是7.665g/cm3(晶体结构完全是体心立方组织(BCC)马氏体结构)，通过Mn、Al对Fe原子的置换作用，降低轴承钢的密度，使得轴承钢中体心立方组织(BCC)马氏体的密度最低为7.036g/cm3，将轴承钢密度降低8.2％。