一种滚珠丝杠轴承用钢及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种滚珠丝杠轴承用钢，合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；棒材产品的制备工艺涉及钢水冶炼、连铸、开坯、热轧、调质、去应力退火等。最终性能满足：棒材表面硬度满足220‑260HBW，棒材金相组织为均匀的索氏体组织，棒材的奥氏体晶粒度≥7级；棒材屈服强度600‑800MPa，抗拉强度800‑900MPa，延伸率≥15％。

A steel for ball screw bearing and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种滚珠丝杠轴承用钢及其制造方法
本专利技术涉及铁基合金中轴承钢的制造。
技术介绍
滚珠丝杠副是传动机械中运用滚珠在丝杠与螺母间的滚动来同时实现动力传递、运动转换功能的常用传动装置之一。其同时兼具高精度、高效率和可逆性等特点，已成为各类数控机床、自动化机械以及加工中心驱动过程中的关键执行部件，被广泛应用于汽车、机械、核工业、航空、航天等领域。滚动丝杠副通常是由丝杠轴承、滚珠、螺母及滚珠循环返回装置四个部分组成。滚珠丝杠轴承作为滚珠丝杠副中关键的部件，滚珠丝杠轴承的表面硬度和耐磨性是影响滚珠丝杠副精度保持性的重要因素。根据滚珠丝杠轴承的使用条件，对滚珠丝杠轴承的原材料钢材也提出高的要求，滚珠丝杠轴承用钢必须具备下列性能：“高的弹性强度、屈服强度和韧性，并且具备足够的耐磨性”。此外，由于钢中的非金属夹杂物破坏会金属的连续性和均匀性，根据滚珠丝杠轴承的使用条件，在交变应力的作用下，夹杂物易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，容易形成裂纹，降低导轨的使用寿命，因此为提高最终产品的使用寿命，必须提高滚珠丝杠轴承用钢材的纯净度，尽可能降低钢中非金属夹杂物。滚珠丝杠轴承常用材料有高碳铬轴承钢、中碳钢以及渗碳钢等。高碳轴承钢如GCr15、GCr15SiMn，用于滚珠丝杠轴承生产时，整体经过预处理后，在工作部位进行淬火处理，基本可以满足工作部位所需的高强度、高硬度和耐磨性的要求，但这类轴承钢仅仅能勉强满足接触刚度的性能要求，由于滚珠丝杠轴承与传统轴承有很大差别。例如HRC60的硬化层深度、梯度以及在全行程范围的均匀度很难控制，淬火后弯曲变形难以矫直、轴向伸缩变形难以控制等缺陷，影响最终滚珠丝杠轴承产品质量，甚至导致批量报废，成为制约高精密机械制造业发展的瓶颈。而渗碳轴承钢主要用于需要同时具有表面高接触疲劳强度和心部高韧性的条件。这类钢经过渗碳淬火后表面硬度可以达到60HRC以上，有一定的耐磨性和强度，其使用性能和高碳铬轴承钢相差无几。但由于需要渗碳处理，生产工序复杂且生产成本高昂，不利于推广。而中碳钢经过表面感应加热淬火后，即主要是利用电磁感应原理，以涡流形式将滚珠丝杠轴承表面快速加热至淬火温度，然后急剧冷却，形成一定厚度的表面淬硬层，而心部仍保持原有的组织形态。因此，可以满足滚珠丝杠轴承表层具有高硬度、耐磨性而心部则具有高强韧度配合的综合力学性能要求。目前，国内外采用的中碳滚珠丝杠轴承用钢主要为50CrMo，其合金元素含量高，属于超高强度的合金结结构钢，调质后强度和韧性高，但由于合金含量高，成本高，此外，由于合金含量高，钢材淬透性高，调质后还容易产生贝氏体组织，后续热处理容易产生变形。
技术实现思路
本专利技术以中碳钢为基础，开发一种滚珠丝杠轴承用钢，由此加工得到的滚珠丝杠轴承表面具有高硬度(即具备耐磨性)、高强度的同时，心部具有良好的韧性，满足滚珠丝杠轴承的使用要求。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种滚珠丝杠轴承用钢，合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质。本专利技术的滚珠丝杠轴承用钢以中碳钢为基础，合金元素包括Mn、Cr、B、V，控制合金的添加量，显著降低成本，成分中各元素的设计依据如下1)C含量的确定C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化可明显提高钢的强度，但C过高会对钢的韧性及延性能带来不利影响。本专利技术C含量的范围确定为0.45～0.60％，本专利技术涉及钢材属于中碳钢范畴；2)Si含量的确定Si是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的硬度和强度。另外，Si减少摩擦发热时的氧化作用和提高钢的冷变形硬化率从而提高材料的耐磨性。但是，Si含量较高时钢材的韧性降低，而且Si使钢中的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向增大。本专利技术控制Si含量为0.15～0.40％。3)Mn含量的确定Mn作为炼钢过程的脱氧元素，是对钢的强化有效的元素，起固溶强化作用。而且Mn能提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能。Mn能消除S(硫)的影响：Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS，进而消弱和消除S的不良影响。但Mn含量高，会降低钢的韧性。本专利技术的Mn含量控制在0.50～0.80％。4)Cr含量的确定Cr是碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性、耐磨性和耐腐蚀性能但Cr含量过高，与钢中的碳结合，容易形成大块碳化物，这种难溶碳化物使钢的韧性降低，轴承寿命下降，本专利技术Cr含量的范围确定为0.15-0.40％。5)B含量的确定B能提高钢的淬透性，还能提高钢的高温强度，并且在钢中能起到强化晶界的作用，本专利技术B含量的范围确定为0.002-0.006％。6)V含量的确定钒是钢的优良脱氧剂。钒还可细化晶粒，提高钢材的强度和韧性。本专利技术V含量的范围确定为0.02-0.07％。7)Mo含量的确定钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性。但钼是铁素体形成元素，当钼含量较多时就易出现铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低。本专利技术将Mo含量的范围确定≤0.10％8)Al含量的确定Al作为钢中脱氧元素加入，除为了降低钢水中的溶解氧之外，Al与N形成弥散细小的氮化铝夹杂可以细化晶粒。但Al含量过多时，钢水熔炼过程中易形成大颗粒Al2O3等脆性夹杂，降低钢水纯净度，影响成品的使用寿命。本专利技术Al含量的范围确定为≤0.08％。9)Ca含量的确定Ca含量会增加钢中点状氧化物的数量和尺寸，同时由于点状氧化物硬度高，塑性差，在钢变形时其不变形，容易在交界面处形成空隙，使钢的性能变差。本专利技术Ca含量的范围确定为≤0.001％。10)O含量的确定氧含量代表了氧化物夹杂总量的多少，氧化物脆性夹杂限制影响成品的使用寿命，大量试验表明，氧含量的降低对提高钢材纯净度特别是降低钢种氧化物脆性夹杂物含量显著有利。本专利技术氧含量的范围确定为≤0.0010％。11)P、S含量的确定P在钢中严重引起凝固时的偏析，P溶于铁素体使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性。本专利技术P含量的范围确定为≤0.025％。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，但S能提高钢材的切削性能，本专利技术S含量的范围确定为≤0.015％。12)As、Sn、Sb、Pb含量的确定As、Sn、Sb、Pb等微量元素，均属低熔点有色金属，在钢材中存在，引起零件表面出现软点，硬度不均，因此将它们视为钢中的有害元素，本专利技术这些元素含量的范围确定为As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种滚珠丝杠轴承用钢，其特征在于：合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；/n所述轴承用钢的性能满足：棒材表面硬度满足220-260HBW，棒材金相组织为索氏体组织，棒材的奥氏体晶粒度≥7级；棒材屈服强度600-800MPa，抗拉强度800-900MPa，延伸率≥15％。/n

【技术特征摘要】
1.一种滚珠丝杠轴承用钢，其特征在于：合金成分按质量百分比计为C：0.45～0.60％，Si：0.15～0.40％，Mn：0.50～0.80％，Cr：0.15～0.40％，B：0.002～0.006％，V：0.02～0.07％，S≤0.015％，P≤0.025％，Mo≤0.10％，Al≤0.08％，Ca≤0.0010％，O≤0.0010％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述轴承用钢的性能满足：棒材表面硬度满足220-260HBW，棒材金相组织为索氏体组织，棒材的奥氏体晶粒度≥7级；棒材屈服强度600-800MPa，抗拉强度800-900MPa，延伸率≥15％。


2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠轴承用钢，其特征在于：非金属夹杂物按GB/T10561中A法评级，满足A类细系≤1.5；A类粗系≤1.0；B类细系≤1.5；B类粗系≤1.0；C类细系＝0；C类粗系＝0；D类细系≤1.0；D类粗系≤1.0；Ds类≤1.5；
采用SEP1927水浸高频探伤检测，缺陷长度不超过5mm。


3.一种制造权利要求1或2所述的滚珠丝杠轴承用钢的方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)钢水冶炼；
(2)铸坯：将钢水浇铸成钢坯；
(3)开坯：将钢坯开方成中间坯，将钢坯热送至加热炉加热，钢坯入炉温度大于600℃，加热温度1200℃-1240℃，总加热时间不小于3小时，开轧温度在1050-1150℃，终轧温度不低于900℃，轧制压缩比≥2，轧制完成后缓慢冷却；
(4)轧制：将中间坯入炉加热使奥氏体化，轧制开轧温度控制在1000℃-1100℃，终轧温度不低于950℃，并轧制成目标棒材，轧制压缩比≥6，轧制的φ≤70mm的棒材堆冷，轧制的φ＞70mm的棒材入坑缓冷24小时以上：
(5)精整：矫直；
(6)调质处理：淬火+回火，其中，淬火加热温度为850-950℃，在炉时间为100-300min，使用淬火环水淬，水温控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏，耿克，尹青，李锋，许晓红，白云，吴小林，
申请(专利权)人：江阴兴澄特种钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32