风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造新工艺制造技术

本发明专利技术公开一种风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造新工艺，采用如下技术方案：工艺路线：炼钢（电炉）→炉外精炼（LF→VD）→模铸（电级棒Φ700mm）→电渣重熔（保护气氛）→锻造（3500吨快锻机）→热处理→矫直→磨光；通过原始配料严格控制残余元素保证钢液纯净度、采用保护气氛电渣炉及高控电极Al含量达到电渣过程中不增氧；通过控制化学成分保证电极棒重熔后成分合格；采用高控电级Al工艺，控制成品Al含量及墩拔工艺、锻后风冷达到大棒材晶粒度要求；通过采用两段退火、控制炉冷速度达到去氢解决白点问题。本发明专利技术优点在于：实现了高纯净度、低氧含量，解决了晶粒粗大及白点质量问题。

【技术实现步骤摘要】
风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造工艺
本专利技术属于金属材料制造领域，涉及一种风电用渗碳轴承钢的制造方法，主要用于Φ400mm～Φ700mm大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A的生产。
技术介绍
随着国家风电产业的发展，对风电装备中轴承的使用寿命提出了更高的要求，尤其是兆瓦级风电轴承直径甚至达到3m～5m，其使用环境恶劣，维修成本高，保证其使用寿命是重要课题。因此对渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A的性能要求较高，除要求大尺寸、高硬度（渗碳后表层硬度≥60HRC）、耐磨性（渗碳后油淬+回火，Φ32mm×16mm×16mm平均磨损量约100mg）和接触疲劳强度（渗碳层0.9mm～1.1mm平均2.83×106转）以外，还要求具有良好的冲击韧性（热处理毛坯冲击韧性≥80J），能耐强烈的冲击负荷和尺寸稳定性，以及高纯净度（Ti≤0.003%、O≤0.003%、Sn≤0.03%、As≤0.04%、Sb≤0.005%、Pb≤0.002%、Ca≤0.001%，夹杂物：B系≤1.5级、B粗≤0.5级；）、均匀性（低倍：中心疏松≤1.5级、一般疏松≤1.5级、锭型偏析≤1.5级，渗碳晶粒度5级～8级）等冶金质量的一致性。未见国内、外文献有相关研究的报道。目前，国内、外渗碳轴承钢锻材尺寸已增大至Φ400mm～Φ700mm，大规格锻材只能采用大电渣锭及大加工比生产工艺。而大电渣锭夹杂、成分和组织偏析问题愈突出，同时大锭型采用常规的长时间高温保温工艺以达到透烧则易于产生晶粒粗大，难以满足晶粒度技术指标。常规的电渣重熔工艺存在导致钢中的氧含量升高的趋势，如何解决电渣重熔过程中不进氧，是冶炼的技术难点；未见国内、外文献的有关报道。渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A为白点敏感性钢种，一方面常规去氢退火易产生白点；另一方面锻件锻后红送退火，退火后随时间推移，在未转变完全的残余奥氏体向马氏体转变过程中，氢由在奥氏体中的最大溶解度将减小、析出氢气形成白点。上述问题是渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A风电轴承钢套圈的重大技术障碍。如何保证钢液的纯净度及解决电渣过程中进氧问题是炼钢的核心技术之一；另一方面彻底消除白点及防止晶粒度超指标也是关键技术之一，可见现有生产技术难以满足风电轴承用钢的技术要求。
技术实现思路
本专利技术公开一种风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造工艺，目的是通过原始配料保证钢液纯净度；通过控制化学成分保证电极棒重熔后成分合格；采用高控电级Al工艺，达到成品Al含量0.015%～0.05%之间及墩拔工艺、锻后风冷达到大棒材晶粒度5～8级要求；通过采用两段退火、控制炉冷速度达到去氢目的；解决兆瓦级风电轴承的纯净度、晶粒度及白点问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：1.工艺路线：炼钢（电炉）→炉外精炼（LF→VD）→模铸（电级棒Φ700mm）→电渣重熔（保护气氛）→锻造（3500吨快锻机）→热处理→矫直→磨光；2.具体工艺制度：⑴炼钢工艺①化学成分风电轴承钢G20Cr2Ni4A化学成分内控标准，见表1。表1注①：Al是电渣过程中易烧损元素，在电级棒中将Al含量高控，以保证电渣后成品Al含量在标准内。表1（续）②电炉工艺总装炉量60t～65t，配料选用优质废钢、生铁，配入量≥40%；合金料选用低钛铬合金、金属锰和工业纯硅；出钢前向炉中喷入碳粉500kg（降低钢中氧含量）；出钢渣料优质白灰（CaO≥90％）500kg～600kg，一级萤石（CaF2≥90％）100kg～150kg；出钢采用偏心底出钢，采用留钢留渣（电炉留钢量≥8t），严禁下氧化渣，保证自由空间≥800mm，出钢过程按1.0kg/t加铝;出钢温度≥1650℃，出钢控制Ti≤0.0008%，出钢P≤0.012％。③LF炉精炼工艺到位不考虑炉中按0.08%喂铝线，全程分析Ti含量，使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，用量为30kg～50kg，分2～3次加入，保证白渣时间≥30min，全程采用低钛铬合金、金属锰和工业纯硅调整成分；全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌；取完样2后白渣下补加硅石150kg；出钢要求S≤0.008%，出钢温度：液相线温度+130℃～+150℃。④VD工艺VD入罐前进行扒渣处理控制渣层厚度在60mm～80mm，炉中按0.07%调整Al含量；VD真空度≤67Pa，保持时间15min～20min，必须保持真空下大流量氩气搅拌；开盖后取样，根据成品样调Al，软吹时间在30min～50min；VD出钢按液相线+40℃～+50℃出钢。⑤浇注工艺锭模温度：30℃～80℃，低于此温度进行预热处理；采用牛皮纸袋吊渣（已烘烤的保护渣），吊渣高度100mm～150mm；在浇注前对锭模充氩气；当钢液上升至帽口线2/3处时，加入发热剂；浇注过程中采用氩气保护浇注。⑥电渣重熔工艺采用CaF2：Al2O3=70%：30%渣系，渣量200kg，电渣熔速控制为12kg/min～14kg/min，氩气流量设定为80L/min～100L/min。⑵锻造工艺钢锭加热14h～18h，温度1140℃～1160℃，采用墩粗后直接拔长工艺，锻后风冷至≤600℃。⑶热处理工艺风冷后红送加热炉，930℃±10℃保温10h～13h，空冷至300℃～500℃，再以≤80℃/h升温至680℃保温20h，炉冷至500℃出炉空冷。3.理化性能⑴非金属夹杂物合格级别应符合表2规定。表2⑵晶粒度采用渗碳法，检验结果为7级～8级。⑶力学性能应符合表3规定。表3⑷交货硬度（HBW）不小于241。2.⑸低倍结果应符合表4规定。表4⑹成品氧含量不大于0.003%。本专利技术的创新点在于：⑴控制炼钢工艺的关键环节为保证风电轴承钢G20Cr2Ni4A大规格棒材内部洁净度，除进行电渣重熔外，在冶炼期间需尽可能减少夹杂。为提高钢水纯净度，控制炼钢工艺的以下六个关键环节：①原材料：低钛铬合金要求Ti≤0.02%，金属锰要求Ti≤0.05%，优质白灰（CaO≥90％），一级萤石（CaF2≥90％）；采用优质废钢、优质生铁（P≤0.15％、S≤0.10％），同时保证每炉配入生铁或铁水≥30t，不得使用注余、返回；②严格控制电炉出钢量（电炉留钢量≥8t）和回炉速度，保证不下氧化渣，保证VD钢包自由空间≥800mm；③LF白渣时间≥30min，LF全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌，以保证夹杂物充分上浮；④VD入罐前调Al，VD开盖后对Al再进行调整，加Al后软吹≥30min，以保证后加入Al溶解在钢液中形成的夹杂物能够有效上浮，软吹以钢液不漏液面为准，防止进气；⑤浇注阶段，保护渣进行烘烤，采用吊渣工艺，浇注时采用氩气保护浇注，防止钢液二次氧化及进入钢液中气体；⑥采用保护气氛电渣炉，防止电渣重熔时进入气体。⑵合理控制化学成分电渣渣系中含有SiO2，电极中的Al将还原渣系中的Si，由于没有外来气体与易烧损元素C、Mn、Si结合，因而能够将C、Mn控制在中线，将Si控制在中上限。⑶控制晶粒度工艺①采用电极高控Al（Al含量0.08%～0.12%），电渣重熔后钢内含Al为0.015%~0.05%，以控制晶粒度；②锻造采用墩拔工艺，以大的加工比（加工比≥4）破碎晶粒，获得细小晶粒；③采用锻后风冷工艺，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造新工艺，其特征在于：所述新工艺路线：炼钢（电炉）→炉外精炼（LF→VD）→模铸（电级棒Φ700mm）→电渣重熔（保护气氛）→锻造（3500吨快锻机）→热处理→矫直→磨光；通过原始配料严格控制残余元素保证钢液纯净度、采用保护气氛电渣炉及高控电极铝含量达到电渣过程中不增氧；通过控制化学成分保证电极棒重熔后成分合格；采用高控电级铝工艺，控制成品铝含量及墩拔工艺、锻后风冷达到大棒材晶粒度要求；通过采用两段退火、控制炉冷速度达到去氢解决白点问题。

【技术特征摘要】
1.一种风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造工艺，所述工艺路线：电炉炼钢→LF炉外精炼+VD精炼→模铸电级棒Φ700mm→保护气氛电渣重熔→3500吨快锻机锻造→热处理→矫直→磨光，其特征在于：所述渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A圆钢成品规格Φ400mm～Φ700mm；所述电炉炼钢工艺：①化学成分风电轴承钢G20Cr2Ni4A化学成分及电极棒内控化学成分标准，见表1，表1表1（续）②电炉工艺总装炉量60t～65t，配料选用优质废钢、生铁，配入量≥40%；合金料选用低钛铬合金、金属锰和工业纯硅；出钢前向炉中喷入碳粉500kg，降低钢中氧含量；出钢渣料优质白灰CaO≥90％，500kg～600kg；一级萤石CaF2≥90％，100kg～150kg；出钢采用偏心底出钢，留钢留渣，留钢量≥8t，严禁下氧化渣，保证自由空间≥800mm，出钢过程按1.0kg/t加铝;出钢温度≥1650℃，出钢控制Ti≤0.0008%，出钢P≤0.012％；所述炉外精炼工艺①LF炉工艺炉中按0.08%喂铝线，全程分析Ti含量，使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，用量为30kg～50kg，分2次～3次加入，保证白渣时间≥30min，全程采用低钛铬合金、金属锰和工业纯硅调整成分；全程中等强度氩气搅拌，加入合金料时大氩气搅拌；取完样后白渣下补加硅石150kg；出钢要求S≤0.008%，出钢温度：液相线温度+130℃～液相线温度+150℃；②VD工艺VD入罐前进行扒渣处理控制渣层厚度在60mm～80mm，炉中按0.07%调整Al含量；VD真空度≤67Pa，保持时间15min～20min，必须保持真空下大流量氩气搅拌；开盖后取样，根据成品样调Al，软吹时间在30min～50min；VD出钢按液相线温度+40℃～液相线温度+50℃出钢；所述模铸工艺锭模温度：30℃～80℃，低于此温度进行预热处理；采用牛皮纸袋吊渣即已烘烤的保护渣，吊渣高度100mm～150mm；在浇注前对锭模充氩气；当钢液上升至帽口线2/3处时，加入发热剂；浇注过程中采用氩气保护浇注；所述电渣重熔工艺采用CaF2：Al2O3=70%：30%渣系，渣量200kg，电渣熔速控制为12kg/min～14kg/min，氩气流量设定为80L/min～100L/min；所述锻造工艺钢锭加热14h～18h，温度1140℃～1160℃，采用墩粗后直接拔长工艺，锻后风冷至≤600℃；所述热处理工艺风冷后红送加热炉，930℃±10℃保温10h～13h，空冷至300℃～500℃，再以≤80℃/h升温至680℃保温20h，炉冷至500℃出炉空冷。2.根据权利要求1所述风电用大规格渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A制造工艺，其特征在于：所述渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A圆钢成品规格Φ450mm，锻比：8.54；所述炼钢工艺①电极棒化学成分见表2，表2表2（续）②电渣锭化学成分见表3，表3表3（续）③电炉工艺总装炉量65t，配料选用优质废钢、生铁，配入40%；合金料选用低钛铬合金、金属锰和工业纯硅；出钢控制Ti0.0007%，钢温度1730℃；出钢P为0.010％；出钢前向炉中喷入碳粉500kg，出钢渣料优质白灰500kg，一级萤石150kg；出钢采用偏心底出钢，留钢留渣，留钢量为8.5t，未下氧化渣，自由空间1000mm，出钢过程按1.0kg/t加铝；所述炉外精炼工艺①LF炉精炼工艺使用铝粒和碳粉进行扩散脱氧和保持气氛，用量为45kg，分3次加入，保证白渣时间65min，全程采用低钛铬合金、电解锰和工业纯硅调整成分；全程中等强度氩气搅拌，加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，马永强，孙大力，崔鸿，刘振天，穆立峰，韩斌，孙国元，顾文涛，蒋建伟，郭强，张青，王连海，郭晓俊，
申请(专利权)人：抚顺特殊钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21