高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸承鋼及其制備方法
【專利摘要】一種高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸承鋼及其制備方法，屬于合金鋼技術領域。該軸承鋼的化學成分重量％為：C：0.65％～1.25％，Cr：13.00％～20.00％，Mo：0.15～4.50％，N：0.05～0.50％，V：0.03～1.20％，Nb≤0.1％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，其余為Fe及不可避免的不純物，并且Ti≤0.0020％，Al：≤0.008％，P≤0.010％，S≤0.008％，Cu≤0.25％，Ni≤0.30％，Ca≤0.001％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％，Pb≤0.002％，其中0.8％≤C+N≤1.50％。本發(fā)明系列化高氮軸承鋼表面硬度可以達到62HRC以上、耐蝕性能比傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼高出50倍以上、最高使用溫度可達350℃，傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼疲勞壽命L10的10倍左右。
【專利說明】
高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸承鋼及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼技術領域，特別是提供了一種高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸 承鋼及其制備方法，適用于軸承領域用的耐高溫、耐腐蝕、高硬度、高耐磨和長壽命的高氮 馬氏體不銹軸承鋼及制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著軸承承載能力、旋轉速度、使用壽命和可靠性的增加，特別是航空航天、精密 機床、核動力和石油鉆井等領域使用軸承，要具有更高承載能力、耐溫、耐蝕、耐磨、低噪音 和超長接觸疲勞壽命等性能，對軸承內(nèi)外圈及滾動體用鋼提出了比傳統(tǒng)不銹軸承鋼的組織 結構和性能控制更加嚴格的要求。
[0003] 傳統(tǒng)不銹軸承鋼主要是高碳高鉻軸承鋼G95Crl8或G102Crl8Mo。該鋼經(jīng)淬火和低 溫回火（150~200°C)后，具有較高的硬度(58~61HRC)、較高耐磨性和在一般腐蝕條件下具 有良好的耐蝕性。但是尚碳尚絡具有自身先天缺點：（1)組織結構中存在粗大共晶碳化物： 由于高碳高鉻軸承鋼G95Crl8或G102Crl8M 〇中含有高的碳和鉻含量，首先不可避免的在凝 固過程中生成尺寸達到25微米以上的大塊共晶碳化物，其危害程度遠遠超過軸承鋼中夾雜 物的影響，所以尚碳尚絡軸承鋼中的碳化物超越夾雜物成為控制軸承鋼接觸疲勞壽命的關 鍵因素。其次在軸承加工制造和應用過程中，這種粗大碳化物不僅會引起軸承鋼表面裂紋 等表面加工缺陷、加工精度和機加工效率，而且會引起使用過程中的較高的噪音與發(fā)熱，從 而限制了不銹軸承在高轉速條件下的使用，也會使軸承鋼表層的應力集中和裂紋形核并擴 展，從而導致軸承鋼的表面起裂和剝落，成為造成不銹軸承失效的主要因素。（2)耐溫和耐 蝕性能不足:對于軸承鋼而言，軸承鋼表面硬度是保證軸承鋼疲勞壽命和耐磨性的關鍵力 學性能指標，需要在一定的溫度下保證軸承表面硬度高于58HRC。而高碳高鉻軸承鋼 G95Crl8或G102Crl8Mo在200°C以上高溫回火后硬度小于58HRC，因此無法滿足航空航天、高 速精密機床、核動力及石油鉆井等軸承對長時間或短暫時間內(nèi)對高溫(200°C以上)應用要 求。目前美國Latrabe公司開發(fā)的軸承鋼使用溫度已經(jīng)達到了500°C，遠遠超過了傳統(tǒng)高碳 高鉻軸承鋼的使用溫度。另外G95Crl8(G102Crl8M 〇)鋼在氯離子存在的環(huán)境下，其耐蝕性也 達不到航空航天、海洋裝備、核動力以及石油鉆井等條件下石油軸承的要求，為此國外開發(fā) 了耐蝕性能比傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼高出近100倍室溫高氮不銹軸承鋼Cr 〇nidur30(含氮超 過0.05%即可稱為高氮不銹鋼）。（3)表面硬度有待進一步提高:傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼淬火 和回火后的室溫硬度一般在58~60HRC，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代超長壽命軸承對軸承鋼表面62-65HRC超高硬度要求。為了提高軸承鋼表面硬度，國內(nèi)外開發(fā)了多種滲碳軸承鋼和全淬透軸 承鋼的表面超硬化熱處理工藝，實現(xiàn)了軸承鋼表面硬度可以穩(wěn)定達到62HRC以上。因此開發(fā) 表面超高硬度高碳高鉻軸承鋼和表面超硬化熱處理工藝也成為未來軸承鋼材料設計的一 個重要方向。
[0004] 為了克服傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼G95Crl8或G102Crl8M〇的以上缺陷，國內(nèi)外進行了 大量新型不銹軸承鋼的改進和新型合金化的研發(fā)工作。（1)降碳降鉻合金化研究:為了減少 大塊共晶碳化物的影響，國內(nèi)外開發(fā)了一系列降碳、降鉻的不銹軸承鋼，如降低傳統(tǒng)高碳高 鉻軸承鋼中的碳含量以減少大塊碳化物，并取得了一定的進展。如中國研發(fā)鋼種G65Crl4Mo (GB/T 3086)、美國DD400和日本7Crl3等，主要化學成分是：C:0.45~0.90% ;Cr:13.00~ 18.00 % ; Mo: 0~1.20 %及V: 0.2~0.6 %。即通過降碳降鉻，使鋼中共晶碳化物雖得到明顯 改善，靜音效果提高。但由于其硬度和耐蝕性能與G95Crl8(G102Crl8M 〇)相當，同樣不適合 在高溫下和苛刻腐蝕環(huán)境中使用。（2)提高耐溫耐蝕性能研究:為了滿足高溫腐蝕環(huán)境下的 使用要求，國內(nèi)外也開發(fā)了許多全淬透高溫不銹軸承鋼和滲碳高溫不銹軸承鋼等，耐熱溫 度達到300°C以上，如BG42等全淬透高碳高鉻高溫不銹軸承鋼，耐溫達到480°C。此類鋼的成 分特點是添加高C、高0、1〇、1、0)、￥等合金元素，達到耐高溫、耐磨及耐蝕等目的。8642的主 要化學成分為：(： ：1.10~1.20%;0:14.00~15.00%;]\1〇 :3.75~4.25%;￥:1.10~1.30%。 BG42經(jīng)淬火和高溫回火后的硬度達到62HRC以上，其硬度、耐蝕、耐磨、耐氧化和抗回火軟化 性能均優(yōu)于9Crl8(9Crl8Mo)鋼。但是由于其碳含量和合金元素較高，熱加工性能較差，鋼中 也存在粗大共晶碳化物，影響接觸疲勞等性能。另外還有表面滲碳型型高溫不銹軸承鋼，如 CSS-42L型的高溫不銹滲碳軸承鋼鋼種。此類鋼的成分特點是采用低C、高Cr、Ni、Mo、W、Co、 V、Nb等合金元素，經(jīng)表面滲碳或碳氮共滲熱處理后，達到表面高硬度、耐磨、心部高韌性，以 及耐高溫及耐蝕等目的。CSS-42L的主要化學成分為：C : 0.10~0.25 % ; Cr : 13.00~ 16.00%;Ni:1.75~2.75%;Co :11.00~14.00%;Mo:3.00~5.00%;V :0.40~0.80%;Nb: 0.01~0.05。該鋼經(jīng)滲碳淬火和500 °C高溫回火后的表面硬度達到65HRC以上，500 °C下表面 高溫硬度大于58HRC，耐蝕、耐磨和接觸疲勞性能等均優(yōu)于G95Crl8(G102Crl8M〇)。但此類鋼 工藝復雜、成本高、而且對于一些薄壁或球形零部件(滾珠)難以滲碳，因此無法滿足要求。
[0005] 鑒于傳統(tǒng)的高碳高鉻不銹軸承用鋼很難滿足更高的技術需求和苛刻的工作環(huán)境， 人們開始致力于研究和開發(fā)新型軸承用鋼鐵材料。國內(nèi)外近年來開發(fā)了一系列高耐蝕的高 氮不銹軸承鋼，如Cronidur30高氮軸承鋼。此類鋼是在中低碳(C0.00 ~0.65 % )馬氏體不銹 鋼的基礎上加入一定0.10~0.50%的氮，從而獲得較高的硬度和耐蝕、耐溫等性能。其中典 型鋼種有歐洲的〇〇111(1111'15、0〇111(111120和0〇111(11^30，這些鋼需要采用加壓電渣爐冶煉， 其化學成分為C:0.10~0.40%、Cr :14.50~16.00%、Mo:0.95~1.10%、N:0.35~0.44%， 要求鋼中C+N為0.6~0.8 %，熱處理后硬度達到58-60HRC，具有耐溫性能達到300°C。同時由 于高氮軸承鋼中高的N含量，軸承鋼的組織均勻細小，靜音性能優(yōu)良，耐蝕性能也優(yōu)異。另外 美國的440N-DUR?，也是高氮不銹鋼，含有15.00%0不銹鋼，并添加(：、11〇等元素，典型化 學成分為(： :0.58%;0:15%;]\1〇:0.5%4 :0.17%。經(jīng)淬火低溫回火后硬度大于60冊(：，450 °C高溫回火后硬度仍可大于SSHRCj^N-DUR?鋼的碳化物尺寸分布、耐蝕性能和熱處理性 能優(yōu)于G95Crl8(G102Crl8M 〇)。研究結果表明，高氮不銹鋼是一種集碳化物充分細化、耐高 溫、高強度、高耐腐蝕能力、優(yōu)異耐磨性、良好韌性及加工性能于一體的優(yōu)質軸承鋼，但上述 歐洲與美國公司研發(fā)的幾種高氮不銹軸承鋼存在一個缺點就是表面硬度僅僅在58-60HRC， 表面硬度偏低，耐磨性不足，無法滿足長壽命軸承的高載荷、高轉速和超長接觸疲勞壽命的 使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸承鋼及其制備方法， 針對上述國內(nèi)外開發(fā)的傳統(tǒng)高碳高鉻不銹軸承鋼，僅考慮軸承鋼的共晶碳化物改善、耐溫 和耐蝕性能等的提尚，以及現(xiàn)代含氣（尚氣)軸承鋼要承受尚載荷、尚轉速、尚耐磨和長壽命 特點，未來軸承鋼要同時具有表面超高硬度、高耐磨性、高耐溫耐蝕和長壽命等綜合性能的 全淬透性不銹軸承鋼。
[0007] 該鋼具有高硬度、高耐磨、耐溫耐蝕和長接觸疲勞壽命。主要用于航空航天、海洋 平臺、核動力和石油鉆井等領域，需要在高負載、苛刻腐蝕環(huán)境中長時間運轉的軸承零件。 本發(fā)明通過C、N、Cr、Mo、V、Nb的合金化設計，形成發(fā)明鋼的主體合金化元素，主要應用在軸 承鋼領域。在科學的制備方法和熱處理工藝保障下，軸承鋼具有耐高溫、耐腐蝕、高硬度和 長壽命的特點。
[0008] 本發(fā)明的高氮馬氏體不銹軸承鋼化學成分（重量％ )為：C:0.65%~1.25%，Cr: 13.00%~20.00%，Μ〇:0·15~4.50%，Ν:0·05~0.50%，V:0.03~1.20%，Nb彡0.1%，Si彡 1.00%，Mn彡1.00%，余為Fe及不可避免的不純物，并且Ti彡0.0020%，AK〇 .008%，P彡 0.010% ,S^O.008% ,Cu^O.25%,Ni^O.30% ,Ca^O.001 % ,As^O.04% ,Sn^O.03%,Sb 彡0.005%，？13彡0.002%。其中0.8%彡0+~彡1.50%，而0+~總量的下線0.8%是為了保證軸 承鋼表面高硬度和高耐蝕性能，而上線1.50%是為了控制鋼中殘余奧氏體含量不大于 20%。本發(fā)明軸承鋼在N含量為0.05-0.25%的軸承鋼可以通過常壓感應冶煉或可以通過加 壓感應設備冶煉，而N含量為0.25-0.5 %的軸承鋼則需要加壓感應設備冶煉。兩種冶煉方式 生產(chǎn)的軸承鋼，也可以通過進一步電渣重熔處理，達到軸承鋼夾雜物和碳化物的細質化和 均勻化，實現(xiàn)高氮軸承鋼壽命的進一步提升。本發(fā)明系列化高氮軸承鋼表面硬度可以達到 62HRC以上、耐蝕性能比傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼高出50倍以上、最高使用溫度可達350°C，具有 比傳統(tǒng)高碳高鉻更高的接觸疲勞壽命，是傳統(tǒng)高碳高鉻軸承鋼疲勞壽命LlO的10倍左右。
[0009] 在冶煉方式上，本發(fā)明高氮軸承鋼在N含量為0.05-0.25%的軸承鋼可以通過常壓 感應冶煉或可以通過加壓感應設備冶煉，而N含量為0.25-0.5%的軸承鋼則需要加壓感應 設備冶煉。兩種冶煉方式生產(chǎn)的軸承鋼，也可以通過進一步電渣重熔處理，達到軸承鋼夾雜 物和碳化物的細質化和均勻化，實現(xiàn)高氮軸承鋼壽命的進一步提升;在鍛造工藝上，進行〇-3次墩拔處理、控鍛控冷與組織細化熱處理相結合，以細化碳化物和基體組織，實現(xiàn)夾雜物、 碳化物和基體組織的細質化與均勻化，達到碳化物的顆粒尺寸小于15微米，晶粒度達到8級 以上。
[0010] 本發(fā)明鋼化學成分的設計思路:通過(：、1(>、1〇和￥合金化設計，形成發(fā)明鋼的主 體合金化元素，保證軸承鋼的耐高溫、耐腐蝕、高硬度，其中C含量控制主要為了獲得超高硬 度和優(yōu)異耐磨性，N的加入不僅獲得高硬度和耐磨性，更主要的是為了形成細小的氮化物和 碳氮化物;添加 Cr和Mo元素主要是為了提高發(fā)明鋼的耐蝕性能和細小、彌散的碳化物、碳氮 化物和適量殘余奧氏體，從而獲得超高硬度、耐磨、耐蝕、耐溫和長壽命的不銹軸承鋼。因此 本發(fā)明各元素的作用及配比依據(jù)如下：
[0011] C是奧氏體穩(wěn)定化元素，也是碳化物和碳氮化物的形成元素，起到馬氏體固溶強化 和析出物彌散強化作用。C含量越多，淬火后的馬氏體硬度和耐磨性越高，但過高的C含量會 降低鋼的韌性和耐蝕性，因此C含量應控制在0.65%~1.25% ;
[0012] N是奧氏體穩(wěn)定化元素，也是馬氏體固溶強化和析出強化元素。N含量越多，提高鋼 的強度、硬度和耐蝕性能，但過高增加制備難度，且增加殘余奧氏體含量，降低軸承鋼的尺 寸穩(wěn)定性。N應控制在0.05~0.50 %，且0.8%彡C+N彡1.50 %，以保證高硬度、高耐蝕與殘余 奧氏體含量不高于20%。
[0013] Cr是不銹鋼的耐蝕合金化設計的主要元素，其固溶含量要達到12.5%以上才能保 證鋼的耐蝕性能，同時也是提高發(fā)明鋼淬透性能和淬硬性能的元素。隨著Cr含量提高，鋼的 耐蝕性能和淬透淬硬性能性能提高，但是過高Cr含量會促進高溫鐵素體形成和影響鋼中碳 化物的類型與尺寸控制，因此要求13% ?Χ20%;
[0014] Mo是鐵素體形成、固溶強化、碳化物和碳氮化物形成元素，也是提高耐蝕性的主要 元素，與C、N形成碳化物和碳氮化物產(chǎn)生二次硬化，以提高鋼的耐溫性能。但Mo太高也易出 現(xiàn)鐵素體，反而降低鋼的強度和韌性，Mo應控制在0.15-4.50%;
[0015] V和Nb是強碳化物形成元素，有細化晶粒、提高強度和耐熱性能。過量V影響鋼的韌 性和加工性能，因此V控制在0.03-1.20%，Nb控制在不超過0.1 %。
[0016] Si和Mn:在以上耐溫、耐蝕、高硬度等主體元素設計的基礎上，可以適當添加 Si、Mn 等元素，以進一步提升鋼的硬度和淬透淬硬性能，但過高會影響耐溫、耐蝕性能，因而要求 Si彡 1.00%，Mn彡 1.00%〇
[0017] 同時為了保證鋼的冷熱加工及接觸疲勞性能，將Ti、Al、P、S、Cu、Ni、Ca、As、Sn、Sb、 Pb等雜質元素等控制在下列水平:Ti彡0·0020%，A1彡0·008%，P彡0·010%，S彡0.008%， Cu^O. 25 % ,Ni ^0.30 % ,Ca^0.00 1 % ,As^0.0 4 % ,Sn^0.0 3 % ,Sb^0.00 5 % ,Pb^ 0.002%。根據(jù)以上設計，本發(fā)明鋼的化學成分設計如下:C:0.65%~1.25%，Cr:13.00%~ 20.00%，Μ〇:0·15~4·50%，Ν:0·05~0.50%，V:0.03~1.20%，Nb彡0.1%，Si彡1·00%，Μη <1.00%，其余為Fe及不可避免的不純物。
[0018]本發(fā)明鋼的制備方法：
[0019] (1)原材料精選及成分配比：選擇雜質元素低的含?〇、0、]/[0、￥、他、(：、1'1的合金或金 屬原材料，按照化學成分質量百分數(shù)設計如下:C:0.65%~1.25%，Cr: 13.00%~20.00%， Μο:0· 15~4.50%，Ν:0·05~0.50%，V:0.03~1.20%，Nb彡0· 1%，Si彡1.00%，Mn彡 1.00%，其余為Fe及不可避免的不純物進行配比。
[0020] (2)冶煉及澆注：當N含量在0.05-0.25 %時采用常壓感應冶煉，而N含量在0.25-0.5 %之間則采用加壓感應設備冶煉;在冶煉過程中，先將Fe、Cr、Mo、V加入爐中-抽真空5 分鐘后給電熔化-熔清后真空度小于IlPa下精煉20分鐘-加 Si、加 C-破空充氮氣，加 Mn、 FeCrN后，進行1-100個標準大氣壓下冶煉10~20分鐘-降溫出鋼，澆注鋼錠。
[0021] (3)熱加工工藝：鋼錠加熱到1150 ± 50°C，保溫1~2h后鍛造成材，終鍛溫度彡800 ~900°C，鍛后退火。退火工藝為鋼錠加熱到850±50°C保溫4h后降到750±50°C保溫4h后再 降到650°C后空冷。在鍛造工藝上，可要求進行墩拔處理、控鍛控冷與組織細化熱處理相結 合，以進一步細化碳化物和基體組織，實現(xiàn)夾雜物、碳化物和基體組織的細質化與均勻化， 達到碳化物的顆粒尺寸小于15微米，晶粒度達到8級以上。
[0022] (4)熱處理工藝：采用900°C~1100°C油淬，-73~-196°C冷處理，180±10°C低溫回 火或500±10°C高溫回火。淬火、深冷、回火熱處理后硬度要求彡60HRC。具體工藝如表1所 不。
[0023]表1發(fā)明鋼與對比鋼的熱處理工藝設計

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明高氮軸承鋼（1#)根據(jù)表1工藝進行球化退火處理后的組織結構圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明高氮軸承鋼(3#)根據(jù)表1工藝進行球化退火處理后的組織結構圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明高氮軸承鋼(7#)根據(jù)表1工藝進行球化退火處理后的組織結構圖。 [0028]圖4為對比鋼(8#)根據(jù)表1工藝進行球化退火處理后的組織結構圖。
[0029] 圖5為對比鋼(9#)根據(jù)表1工藝進行球化退火處理后的組織結構圖。
[0030] 圖6為對比鋼（10#)根據(jù)表1工藝進行退火處理后球化退火組織結構圖。
[0031] 圖7為本發(fā)明高氮軸承鋼(2#)根據(jù)表1工藝進行淬火低溫回火的組織結構圖。
[0032] 圖8為本發(fā)明高氮軸承鋼(4#)根據(jù)表1工藝進行淬火低溫回火的組織結構圖。
[0033] 圖9為本發(fā)明高氮軸承鋼(6#)根據(jù)表1工藝進行淬火低溫回火的組織結構圖
[0034] 圖10為對比鋼9Crl8Mo( 10#)根據(jù)表1工藝進行淬火低溫回火的組織結構圖。
[0035]圖11為本發(fā)明高氮軸承鋼(5#)與對比鋼9Crl8Mo(10#)淬火低溫回火狀態(tài)下的接 觸疲勞壽命對比圖。
[0036]圖12為本發(fā)明高氮軸承鋼(3#，5#)與對比鋼9Crl8Mo(10#)淬火低溫回火狀態(tài)下耐 蝕性對比圖。
【具體實施方式】
[0037] 發(fā)明鋼與對比鋼的化學成分見表2,其中1-7#發(fā)明鋼和8~10號對比鋼，采用50公 斤感應爐冶煉。其中2#、4#和8#采用加壓感應爐冶煉，其余采用常壓感應爐冶煉。8#、9#和 10#分別為高氮鋼Cronidur30,7Crl4Mo和9Crl8Mo三種對比鋼。
[0038] 1-10#鋼的試樣取自tp30mm鍛制圓棒，l-io#鋼經(jīng)表1所示的不同熱處理工藝處理 后，進行高氮軸承鋼與對比鋼的微觀組織結構、表面硬度、奧氏體含量、耐磨性能測定。其中 耐磨性能在ML-IO型磨料磨損試驗機檢測，接觸疲勞壽命Lio通過4GPa接觸應力下推力片實 驗測定，耐蝕性能通過電極電位測定。圖1-圖6給出了發(fā)明鋼的球化退火組織結構與對比鋼 組織結構對比，圖7~圖10給出了本發(fā)明高氮軸承鋼與對比鋼經(jīng)過表1淬火低回工藝3的馬 氏體和碳化物的組織結構圖。
[0039]表2化學成分，單位:質量百分數(shù)％
[0041 ] 圖1-6給出了 1#、3#、7#、8#、9#和10#鋼根據(jù)表1工藝進行球化退火處理后的組織結 構圖。可以看出，與傳統(tǒng)尚碳尚絡軸承鋼（10#)相比，尚氣軸承鋼（1#、3#、7#、8#)與降碳后的 不銹軸承鋼7Crl4Mo均具有非常細小的碳化物。說明高氮軸承鋼可以通過C和N結合，細化碳 化物尺寸，并促進碳化物均勻分布。定量分析結果表明，高氮鋼和7Crl4Mo鋼的碳化物晶粒 最大尺寸小于10微米，而9Crl8Mo鋼的晶粒尺寸最大超過20微米。
[0042] 圖1-6本發(fā)明高氮軸承鋼（1#、3#、7#)與對比鋼Crnicur30(8#)和7Crl4Mo(9#)及 9Crl8Mo( 10#)的球化退火組織對比圖
[0043] 圖7-圖10給出了2#、4#、6#和10#鋼根據(jù)表1淬火低回工藝3處理后的組織結構圖 片?？梢钥闯?，高氮軸承鋼(2#、4#、6#)和9Crl8Mo均為馬氏體組織與基體上分布碳化物。其 中9Crl8Mo的馬氏體組織上具有較大的碳化物，而其他試驗鋼的碳化物均比較細小。本發(fā)明 鋼均可以獲得高硬度馬氏體和細小碳化物(碳氮化物)的組織，這為發(fā)明鋼的高硬度和高耐 磨性提供了良好的組織結構。
[0044] 同樣對2#、4#、6#和10#鋼根據(jù)表1淬火低回工藝9處理后的組織結構表征，也得到 高氮軸承鋼(2#、4#、6#)和9Crl8Mo經(jīng)過淬火+低溫處理+高溫回火后，與圖7~圖10所示的淬 火+低溫處理+低溫回火組織基本一樣，均為馬氏體組織與基體上分布碳化物。同樣9Crl8Mo 的馬氏體組織上也具有較大的碳化物，而其他試驗鋼的碳化物均也比較細小。說明發(fā)明鋼 淬火+低溫處理+高溫回火均可以獲得高硬度馬氏體和細小碳化物(碳氮化物)的組織，這為 發(fā)明鋼的無論是高溫回火，還是低溫回火都可以得到高硬度和高耐磨性的組織結構。
[0045] 圖7-圖10本發(fā)明高氮軸承鋼(2#、4#、6#)與對比鋼9Crl8Mo(10#)的淬火低溫回火 的組織結構對比圖
[0046]利用表1的熱處理工藝1-12,進行熱處理實驗，結果發(fā)現(xiàn)發(fā)明鋼的硬度均可以達到 60HRC以上的高硬度。表3給出了發(fā)明鋼在表1所示的淬火低回工藝3和淬火高回工藝9等兩 種工藝條件下的硬度測試結果?？梢钥闯?，發(fā)明鋼在所采取的熱處理工藝條件下(淬火低溫 回火或淬火高溫回火)可以獲得硬度60-66HRC，遠遠高于對比鋼高碳高鉻軸承鋼7Crl4M 〇和 9Cr 18Mo的58-60HRC的硬度，顯示出發(fā)明鋼具有更高的硬度。這與圖7~圖10給出的發(fā)明鋼 中具有較細的碳化物和納米級碳氮化物的析出相關。同時發(fā)明鋼的硬度也遠遠高于 Cronidur30高氮軸承鋼，這與發(fā)明鋼具有較高的碳含量和C、N元素的總量有關有關。因為發(fā) 明鋼的C、N含量總和不低于0.8%，而Cronidur30鋼C、N總量僅僅為0.65%。另外利用磨粒磨 損的結果也表明，發(fā)明鋼的耐磨性能也優(yōu)于對比鋼。這種高的耐磨性可能與發(fā)明鋼具有更 高的硬度和更細小均勻的碳化物存在直接關系。
[0047] 表3熱處理工藝3和熱處理工藝9處理下發(fā)明鋼與對比鋼的硬度測試結果（10個硬 度平均）
[0049] 通過高溫硬度計和推力片實驗，對表1所示的熱處理工藝9處理的5#鋼進行了發(fā)明 鋼耐溫性能和接觸疲勞性能的研究。結果發(fā)現(xiàn)，5#號鋼在室溫、250°C、350°C和450°C的不同 測試溫度條件下分別具有63.8HRC、61.5HRC、58.5HRC和57. OHRC的硬度，表明其最高使用溫 度可以達到350°C (使用硬度不低于58HRC)，遠遠高出9Crl8M〇的最高使用溫度180°C。另外 4· OGPa接觸疲勞應力下的推力片實驗表明，熱處理工藝9處理的5#樣具有接觸疲勞壽命LlO 為7.0 X IO7次，遠遠高出9Crl8Mo的接觸疲勞壽命LlO值0.7 X IO7次。因此通過高N合金化，可 以將9Cr 18Mo鋼的接觸疲勞壽命提高10倍左右，如圖11所示。通過耐蝕實驗得到了發(fā)明鋼與 對比鋼的耐蝕性能結果，如圖12所示?？梢钥闯霭l(fā)明鋼的耐蝕性能與Cronidur30相當，但遠 遠優(yōu)于高碳高鉻不銹軸承鋼。以上兩個實驗結果表明，氮合金化不僅大幅提升軸承鋼的接 觸疲勞壽命還顯著改善了軸承鋼的耐蝕性能。
【主權項】
1. 一種高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸承鋼，其特征在于，化學成分重量百分數(shù)設計 如下：C:0.65%~1.25%，Cr:13.00%~20.00%，Μ〇:0·15~4.50%，Ν:0·05~0.50%，V: 0.03~1.20%，Nb彡0.1 %，Si彡1.00%，Mn彡1.00%，余為Fe及不可避免的不純物。2. -種權利要求1所述的高硬度高耐磨高氮馬氏體不銹軸承鋼的制備方法，其特征在 于，工藝步驟及控制的技術參數(shù)如下： (1) 原材料精選及成分配比：選擇雜質元素低的含?6、0、]?〇、￥、他、(：、1'1的合金或金屬原 材料，按照化學成分重量百分數(shù)設計如下:C: 0.65 %~1.25 %，Cr: 13.00 %~20.00 %，Mo: 0.15~4.50%，Ν:0·05~0.50%，V:0.03~1.20%，Nb彡0.1%，Si彡1.00%，Mn彡1.00%，余 為Fe及不可避免的不純物進行配比； (2) 冶煉及澆注：當N含量在0.05-0.25 %時采用常壓感應冶煉，而N含量在0.25-0.5 % 之間則采用加壓感應設備冶煉;在冶煉過程中，先將Fe、Cr、Mo、V加入爐中-抽真空5分鐘后 給電熔化-熔清后真空度小于llPa下精煉20分鐘-加 Si、加 C-破空充氮氣，加 Mn、FeCrN 后，進行1-100個標準大氣壓下冶煉10~20分鐘-降溫出鋼，澆注鋼錠； (3) 熱加工工藝：鋼錠加熱到1150 ± 50°C，保溫1~2h后鍛造成材，終鍛溫度彡800~900 。(：，鍛后退火;退火工藝為鋼錠加熱到850±50°C保溫4h后降到750±50°C保溫4h后再降到 650°C后空冷;在鍛造工藝上，要求進行墩拔處理、控鍛控冷與組織細化熱處理相結合，以進 一步細化碳化物和基體組織，實現(xiàn)夾雜物、碳化物和基體組織的細質化與均勻化，達到碳化 物的顆粒尺寸小于15微米，晶粒度達到8級以上； (4) 熱處理工藝：采用900°C~1100°C油淬，-73~-196°C以下冷處理，180±10°C低溫回 火或500 ± 10 °C高溫回火;淬火、深冷、回火熱處理后硬度要求彡60HRC。
【文檔編號】C22C38/44GK106086631SQ201610712698
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月23日
【發(fā)明人】曹文全, 徐海峰, 俞峰, 許達
【申請人】鋼鐵研究總院