CN101880833A - 一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用稀土微合金化的适用于制造微型及小型轴承的不锈轴承钢及其制造方法，该轴承钢含有下列组分及含量(重量％)：C：0.36-0.55，Cr：14.00-17.00，Ni：0.20-2.00，Mo：1.00-3.00，N：0.10-0.30，Mn≤1.00，Si≤1.00，S≤0.030，P≤0.035，微量及稀土元素≤1.00，其余为Fe。与现有常用不锈轴承钢相比，本发明的一种采用稀土微合金化的适用于制造微型及小型轴承的不锈轴承钢具有针对微型及小型轴承应用特点的优良的力学性能、耐蚀性能和加工性能，硬度高、耐蚀性能强。适用于海洋开发、石油开采、航空航天等中等腐蚀性环境，并且便于制造滚动、滑动等各类微型及小型轴承。

Description

一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢，尤其是涉及一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢及其制造方法。

背景技术

轴承是典型的通用机械零部件，应用范围几乎涉及整个国民经济和国防领域。在不同的应用环境中，对材料性能的要求也是不同的，如在航空航天、海洋开发、石油开采、现代化工等中等以上腐蚀性环境下，除了要求材料具有高的力学性能和高的加工性能外，还要求具有高的耐腐蚀性能，因而产生了不锈轴承钢。特别是微型及小型轴承用钢除了对力学性能、耐腐蚀性能有较高的要求外，对钢的机加工性能、耐磨性、尺寸稳定性、疲劳强度等提出了更高的要求。

目前大部分的不锈轴承钢，都是采用普通不锈钢制造的。使用最多是9Cr18和9Cr18Mo两个钢种，它们硬度较高，可达HRC 60以上，可用于大气、河水、自来水和弱酸弱盐的水溶液中，而不能长时间用于海洋开发、石油开采和现代化工等腐蚀性较强的工业环境中。由于这两种钢中含碳量较高，在冶炼过程中不可避免地形成相当数量的共晶碳化物，其颗粒粗大，分布不均匀，大部分分布在晶界上。在加工过程中，共晶碳化物易从表面剥落，形成凹坑，影响表面质量和加工精度。特别对微型及小型轴承的加工使用产生的问题更加突出。在使用过程中，又易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂纹源，使轴承的使用寿命受到很大影响。在实际生产中，设计、生产部门针对不同使用条件，选择采用不同的不锈钢。如在上述的腐蚀环境下，多采用如304、316L等不锈钢。这些不锈钢虽耐腐蚀性能较高，但它们都属于奥氏体不锈钢，不能通过热处理强化钢的力学性能，硬度较低，只能满足一部分使用条件的要求。目前也有采用耐蚀性能接近304不锈钢水平而硬度较高的沉淀硬化不锈钢作为轴承材料，用的最多的是17-4PH和15-7Mo PH等钢种。而这些钢种的硬度大多在HRC 45以下，并且也只能满足一部分使用条件的要求。

目前人们针对不同使用条件，研究出新的不锈轴承钢，如公开号CN1726295A报道一个“制造性和耐蚀性优良的轴承钢及其制造方法以及轴承零部件及其制造方法”的专利。其特征在于以质量％计，含有C：0.4～0.6％，Si：0.1～2.0％，Mn：0.1～0.5％，Cr：3.0～8.0％，限定Mo：0.5％或以下，N：0.02％或以下，且含有满足下式的S：Cr-300×S≥2.0，此发明钢虽具有良好的中型以上轴承加工性能和耐蚀性，但其耐蚀性是在与盐和酸不接触的比较温和的腐蚀环境下试验得出的，这样的耐蚀性只能用于较弱的腐蚀环境。

上述的不锈轴承钢虽在一定的环境下针对中型以上轴承得到推广应用，但都存在一定的使用性能局限性，需要研究开发适用范围广的不锈轴承钢，尤其是解决航空航天、海洋环境下使用的微型及小型轴承的选材更加突出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有优良的力学性能、耐腐蚀性能、抗疲劳性能、加工性能的适用于微型及小型轴承的采用稀土微合金化的不锈轴承钢及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢，其特征在于，该轴承钢含有下列组分及重量百分含量：C：0.36-0.55，Cr：14.00-17.00，Ni：0.20-2.00，Mo：1.00-3.00，N：0.10-0.30，Mn≤1.00，Si≤1.00，S≤0.030，P≤0.035，微量元素及稀土元素≤1.00，其余为Fe。

所述的微量元素包括Ti、Nb或V；所述的稀土元素为镧系稀土元素。

所述的轴承钢含的退火状态硬度HRC≤25，抗弯强度≥3800MPa，热处理后硬度HRC≥55。

一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)称取将包含以下组分及重量百分含量的炉料：C：0.36-0.55，Cr：14.00-17.00，Ni：0.20-2.00，Mo：1.00-3.00，N：0.10-0.30，Mn≤1.00，Si≤1.00，S≤0.030，P≤0.035，微量及稀土元素≤1.00，其余为Fe；

(2)将上述炉料采用常规的非真空中频感应炉熔炼，其中微量及稀土元素包裹在纯铁皮中，经烘烤后，出钢时加入钢包或钢液中；经电渣重熔后，锻造成型，再经热处理工艺后得到不锈轴承钢产品。

所述的热处理工艺为：将锻造成型后的成型钢半成品加热至1010℃～1050℃，保温0.5～2小时，水或油冷至室温，然后进行150℃-300℃回火2～6小时。

与现有技术相比，本发明一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢具有优良的冷热可加工性能和微型及小型轴承的机加工性能，这是由于稀土元素的加入细化了晶粒组织、净化晶界、变质夹杂物。稀土的微量固溶可使碳化物球化、细化、均匀分布，从而改善钢的力学性能、提高钢的抗疲劳性能。同时提高了钢在高温下塑韧性而改善了钢的热加工性能和机加工性能。添加的微量稀土La及其他微量元素也有利于提高钢的抗氧化性能，而且有利于调整钢的热膨胀系数，提高改善了加工的微型及小型轴承的尺寸稳定性和耐磨性。本发明钢具有硬度高、耐蚀性能强，适用于航空航天、海洋开发、石油开采等中等腐蚀性环境，并且便于加工制造滚动、滑动等各类微型及小型轴承。

附图说明

图1为本发明一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢的显微组织结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的一种适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢的物理性能如表一所示：

表一

由本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢加工制作的微型轴承的耐蚀性能是按国标GB/T 10125-1997盐雾试验方法进行测定的，试样在5％NaCl水溶液中，温度35±2℃，PH 6.5-7.2条件下，进行120小时连续喷雾试验。试验结果表明：试样表面无变化，无锈点。

由本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢按照不同的热处理工艺进行试验，所得结果列于表二。

表二

热处理工艺	硬度(HRC)
		1010℃×0.5hr→油淬+180℃×4hr	56.2，57.0，57.0
1030℃×1hr→油淬+180℃×4hr	56.3，56.4，56.5
		1050℃×1hr→油淬+180℃×4hr	56.0，56.0，56.0
1040℃×1hr→油淬+(-73℃×1hr)+180℃×4hr	57.0，57.5，58.5

如表二所示，本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢其热处理淬火温度在1010℃～1050℃，淬火后经低温回火处理，硬度大于HRC 55。

如图1所示，经上述热处理以后，本发明钢的基体组织为马氏体+弥散分布的细小碳化物+微量残余奥氏体。

本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢遵循了此类钢的合金化原理及成分控制范围基于共同的材料科学研究原则：即通过添加合金元素实现固溶强化和弥散强化。同时为了达到最佳的强度、硬度等性能，通过热处理将钢奥氏体化后通过合适的冷却方式使其完全转变成马氏体组织，再经合适的回火改变钢中碳化物分布状态。而本申请专利技术核心，在于创造性采用通用的冶炼、热处理方法，通过微量元素及稀土元素的微合金化综合控制提高钢的冶金质量、钢的组织平衡，最终满足适用于微型及小型轴承用钢的应用要求。由于稀土元素与氢、氧亲合力很大，稀土的加入使钢液有良好的除氢、氧作用，有利于钢液的净化。由于本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢中含有氮化物形成微量元素Ti、Nb、V等，稀土与氮的有效作用降低，保证了氮在钢中的作用。同时控制钢中碳化物分布形态而达到钢的最佳性能。而马氏体组织的钢的硬度，就是通过控制过饱和α固溶体晶格畸变程度和马氏体组织的分散性。这就是本专利通过创造性添加稀土La及微量合金元素来实现固溶强化、弥散强化的目的，而非通常意义的优化组织和改善晶粒度。

本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢的主要特点是高硬度和高耐蚀性相结合，从而满足在腐蚀环境下服役轴承的性能的要求。而这个特点的关键技术在于化学成分的设计包括微量及稀土元素在钢中的作用与热处理工艺的配合。

本发明的一种采用稀土微合金化的适用于微型及小型轴承的不锈轴承钢为马氏体不锈钢，形成马氏体不锈钢的基本条件是在淬火温度时，必须形成奥氏体，为此钢中要含有一定量的奥氏体形成元素。本发明钢中是通过控制C、N、Ni等元素来促成形成奥氏体的。

C：C是形成奥氏体的能力最强有效元素之一，同时也是提高硬度的有效元素，但要控制适当，太高了，易生成过量的碳化物，对耐蚀性和力学性能均产生不利影响；太低了，钢的硬度达不到要求。本发明钢控制在0.36-0.55为宜。

N：和C一样，N也是形成奥氏体的最强有效元素，还可以提高钢的耐蚀性能，并能起到固溶强化的作用，提高钢的强度。但也会使炼钢中熔炼、浇铸工艺复杂，使铸件产生气孔、冒涨等缺陷。本发明钢宜控制在0.10-0.30之间。

Ni：Ni是形成奥氏体和稳定奥氏体的最佳元素，对马氏体转变点影响最小(即降低马氏体转变温度点Ms影响最小)Ni对提高钢的耐蚀性能、力学性能和热加工性能均有积极的作用，所以Ni是不锈钢中主要元素之一，但Ni资源短缺，价格较贵，应尽量节约使用，经试验确定本发明钢可控制在0.20-2.00。

本发明钢中还含有Cr、Mo等元素，这两元素是提高钢耐蚀性的主要元素，同时也是铁素体形成元素。它和奥氏体形成元素相结合，便于产生平衡组织。通过调节铁素体形成元素和奥氏体形成元素含量来控制钢的组织和性能。

Cr：不锈钢中都含有Cr，Cr和氧化性介质作用，在钢表面形成一层钝化膜，起到了保护作用，从而提高了耐蚀性能。不锈钢Cr含量一般均在13％以上，低了达不到保证耐蚀性的目的。在马氏体不锈钢中Cr含量太高易出现δ铁素体，又降低马氏体转变点，使钢难以淬硬。本发明钢中铬含量宜控制在：14.00-17.00之间。

Mo：Mo是提高不锈钢耐蚀性的有效元素。试验证明：在不锈钢中同时加入Cr、Mo、N元素，形成的钝化膜耐蚀性能明显提高，尤其是耐点腐蚀性能，更为明显。但Mo加多了，和Cr一样，易出现δ铁素体和降低马氏体转变点，使钢难以淬硬。本发明钢中宜控制在1.0-3.0之间。

微量元素及稀土元素的加入可改善优化钢的组织及晶粒度。本发明控制微量元素及稀土元素≤1.00.

实施例1

一种不锈轴承钢，其化学成分为(Wt％)：C：0.38，Cr：15.39，Ni：0.35，Mo：1.74，Mn：0.75，Si：0.39，S：0.002，P：0.022，N：0.18，微量及稀土元素总和：0.43，其余为Fe。加工过程为：将包含上述成分的炉料，经非真空感应炉熔炼+电渣重熔，锻成棒材，软化退火后，粗加工成“6800*1”型号的轴承的内外圈，按1010℃×1hr-油淬+冰冻处理(-30℃×8hr)--180℃×4hr的工艺进行处理后，测得硬度为HRC57。装配后的轴承，在5％NaCL盐雾试验120小时未出现锈蚀，而9Cr18不锈钢轴承在同样试验条件下，在24小时内就出现锈蚀。

实施例2

一种不锈轴承钢，其化学成分为(Wt％)：C：0.42，Cr：15.52，Ni：0.78，Mo：1.64，Mn：0.74，Si：0.26，S：0.006，P：0.020，N：0.12，微量及稀土元素总和：0.45，其余为Fe。经过非真空感应炉熔炼+电渣重熔，锻造成型，按1030℃×1hr-油淬+180℃×4hr的工艺进行热处理后，加工成柱塞，装于某医疗设备的压力缸内，在微生物溶液中已使用412小时，柱塞的耐磨性及耐腐蚀性均满足了产品发设计技术要求。

在此以前，该柱塞采用以下材料，使用效果不理想：

1.采用GCr15材料喷涂硬质合金，在使用过程中易磨损其他零件。

2.用40Cr材料，表面镀硬铬，但用200多小时发现有脱落情况，使柱塞急剧损坏。

3.用高速钢SKH51材料制造的柱塞，其耐磨性很好，但极易生锈。

4.采用304、316等不锈钢材料制造的柱塞，其耐蚀性能尚好，但极易磨损。

实施例3

一种不锈轴承钢，其化学成分为(Wt％)：C：0.52，Cr：15.49，Ni：0.29，Mo：1.90，Mn：0.63，Si：0.42，S：0.004，P：0.024，N：0.21，微量及稀土元素总和：0.41，其余为Fe。加工过程为：将包含上述成分的炉料，经非真空感应炉熔炼+电渣重熔，锻成棒材，软化退火后，粗加工成“6800*1”型号的轴承的内外圈，按1010℃×1hr-油淬+冰冻处理(-30℃×8hr)--180℃×4hr的工艺进行处理后，测得硬度为HRC56。装配后的轴承，在5％NaCL盐雾试验120小时未出现锈蚀，而9Cr18不锈钢轴承在同样试验条件下，在24小时内就出现锈蚀。

实施例4

一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢，该轴承钢含有下列组分及重量百分含量：C：0.36，Cr：17.00，Ni：0.20，Mo：3.00，N：0.10，Mn：1.00，Si：1.00，S：0.030，P：0.035，微量元素Ti、Nb、V和稀土元素La的总量和为1.00，其余为Fe。

称取上述组分及重量百分含量的炉料，采用常规的非真空中频感应炉熔炼，其中微量及稀土元素包裹在纯铁皮中，经烘烤后，出钢时加入钢包或钢液中；经电渣重熔后，锻造成型，所得成型钢半成品加热至1010℃，保温2小时，水冷至室温，然后进行150℃回火6小时得到不锈轴承钢产品。该轴承钢含的退火状态硬度HRC≤25，抗弯强度≥3800MPa，热处理后硬度HRC≥55。

实施例5

一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢，该轴承钢含有下列组分及重量百分含量：C：0.55，Cr：14.00，Ni：2.00，Mo：1.00，N：0.30，Mn：0.50，Si：0.20，S：0.010，P：0.005，Ti、Nb及Ce和Pr总量和为0.8，其余为Fe。

称取上述组分及重量百分含量的炉料，采用常规的非真空中频感应炉熔炼，其中微量及稀土元素包裹在纯铁皮中，经烘烤后，出钢时加入钢包或钢液中；经电渣重熔后，锻造成型，所得成型钢半成品加热至1050℃，保温0.5小时，油冷至室温，然后进行300℃回火2小时得到不锈轴承钢产品。该轴承钢含的退火状态硬度HRC≤25，抗弯强度≥3800MPa，热处理后硬度HRC≥55。

Claims (5)

1.一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢，其特征在于，该轴承钢含有下列组分及重量百分含量：C：0.36-0.55，Cr：14.00-17.00，Ni：0.20-2.00，Mo：1.00-3.00，N：0.10-0.30，Mn≤1.00，Si≤1.00，S≤0.030，P≤0.035，微量元素及稀土元素≤1.00，其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢，其特征在于，所述的微量元素包括Ti、Nb或V；所述的稀土元素为镧系稀土元素。

3.根据权利要求1所述的一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢，其特征在于，所述的轴承钢的退火状态硬度HRC≤25，抗弯强度≥3800MPa，热处理后硬度HRC≥55。

4.一种根据权利要求1所述的采用稀土微合金化的不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)称取将包含以下组分及重量百分含量的炉料：C：0.36-0.55，Cr：14.00-17.00，Ni：0.20-2.00，Mo：1.00-3.00，N：0.10-0.30，Mn≤1.00，Si≤1.00，S≤0.030，P≤0.035，微量及稀土元素≤1.00，其余为Fe；

(2)将上述炉料采用常规的非真空中频感应炉熔炼，其中微量及稀土元素包裹在纯铁皮中，经烘烤后，出钢时加入钢包或钢液中；经电渣重熔后，锻造成型，再经热处理工艺后得到不锈轴承钢产品。

5.根据权利要求4所述的一种采用稀土微合金化的不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，所述的热处理工艺为：将锻造成型后的成型钢半成品加热至1010℃～1050℃，保温0.5～2小时，水或油冷至室温，然后进行150℃-300℃回火2～6小时。

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