CN104018083A

CN104018083A - 含氮不锈轴承钢及制备方法

Info

Publication number: CN104018083A
Application number: CN201410279667.XA
Authority: CN
Inventors: 李济林; 代礼斌; 万红; 何曲波; 王金太; 董明雷; 黄敏
Original assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Current assignee: Chongqing Materials Research Institute Co Ltd
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-06-20
Also published as: CN104018083B

Abstract

本发明涉及一种含氮不锈轴承钢及制备方法，其中轴承钢的各组分重量百分含量为：C：0.25～0.45％；Cr：14.00～17.00％；W：0.50～3.00％；Mo≤0.80％；Ni≤3.00％；Co≤0.50％；Cu≤0.20％；N：0.10～0.50％；Si≤1.00％；Mn≤1.00％；S≤0.02％；P≤0.03％；余量为Fe。制备方法步骤含：a、真空熔炼；b、电渣重熔；c、锻造；d、热处理。该轴承钢为含氮马氏体不锈轴承钢，其耐蚀性能、力学性能、耐温性能好，硬度高，作为轴及轴承可以服役于宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸、智能等腐蚀性环境。

Description

含氮不锈轴承钢及制备方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢，特别涉及一种含氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法。

背景技术

轴承是各类机械装备的重要零部件，在国民经济和国防领域中占有极其重要的地位，轴承材料是轴承的基础，轴承在不同的服役工况条件下，对轴承材料的要求是不同的。如：高压、冲击服役条件下要求材料具有高的力学性能；磨损疲劳服役工况要求材料耐磨抗疲劳；长寿命、高可靠性要求材料具有高均匀性、高加工精度特性；考虑材料的经济性要求材料成本低、且可加工性强；在宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸等腐蚀性环境下，不仅要求材料耐蚀不锈，而且更多要求耐压、耐磨、耐冲击，更有甚者要求长寿命、高可靠性等，因此，多样性成为轴承材料目前重点研究发展的方向之一。

轴承是各类机械装备的重要零部件，在国民经济和国防领域中占有极其重要的地位，轴承材料是轴承的基础，轴承在不同的服役工况条件下，对轴承材料的要求是不同的。如：高压、冲击服役条件下要求材料具有高的力学性能；磨损疲劳服役工况要求材料耐磨抗疲劳；长寿命、高可靠性要求材料具有高均匀性、高加工精度特性；考虑材料的经济性要求材料成本低、且可加工性强；在宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸等腐蚀性环境下，不仅要求材料耐蚀不锈，而且更多要求耐压、耐磨、耐冲击，更有甚者要求长寿命、高可靠性等，因此，多样性成为轴承材料目前重点研究发展的方向之一。目前，在腐蚀性环境下服役的轴承材料，有1Cr18Ni9Ti(3YC32)、0Cr17Ni12Mo2(3YC20)奥氏体不锈钢，这些不锈钢的硬度低，即使冷作硬化，硬度也不高，且生产工艺难度大；0Cr17Ni7Al(3YC30)、0Cr17Ni4Cu4Nb(6YC5)沉淀硬化不锈钢，其硬度<HRC48，热处理工艺复杂，这两类钢不能满足腐蚀性环境下服役条件的要求。使用最多的是9Cr18和9Cr18Mo(6YC9)马氏体不锈轴承钢以及综合性能最好的0Cr40Ni55Al3(6YC2B)耐蚀轴承合金，这些不锈钢虽然有硬度高(可达HRC55以上)的特点，但9Cr18和9Cr18Mo的含碳量较高，组织中共晶碳化物形成较多，颗粒粗大，分布不均匀，大部分分布在晶界上，共晶碳化物从加工表面剥落，形成凹坑，影响表面质量和加工精度，且在使用过程中，共晶碳化物处形成应力集中而产生疲劳裂纹源，从而影响轴承使用寿命；0Cr40Ni55Al3属高合金材料，铁仅为微量，而材料中的铬及镍含量高、价格贵，并且该材料无磁性，在轴承套圈加工时无法采用常规的磁性夹持加工，须采用镶套磁性材料再磁性夹持加工的加工方法，因此，该轴承合金材料及加工成本都非常高。

发明内容

本发明的目的是提供一种含氮不锈轴承钢及制备方法，该轴承钢为含氮马氏体不锈轴承钢，其耐蚀性能、力学性能、耐温性能好，硬度高，作为轴及轴承可以服役于宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸、智能等腐蚀性环境。

本发明所述含氮不锈轴承钢，各组分重量百分含量为：C：0.25～0.45％；Cr：14.00～17.00％；W：0.50～3.00％；Mo≤0.80％；Ni≤3.00％；Co≤0.50％；Cu≤0.20％；N：0.10～0.50％；Si≤1.00％；Mn≤1.00％；S≤0.02％；P≤0.03％；余量为Fe。

上述的含氮不锈轴承钢，较好的技术方案是，各组分重量百分含量为：

C：0.30～0.40％；Cr：14.00～17.00％；W：0.50～3.00％；Mo≤0.80％；Ni≤3.00％；Co≤0.50％；Cu≤0.20％；N：0.15～0.35％；Si≤1.00％；Mn≤1.00％；S≤0.02％；P≤0.03％；余量为Fe。

上述组分中Cr+W+Mo为15～18％，以保证钢的抗蚀、耐温及高硬度性能；Ni+Co+Cu+Mn≤1.0％，保障钢的退火及淬回火硬度性能。

含氮不锈轴承钢的制备方法，有以下步骤：

1)真空感应炉熔炼

按照上述的配比将Fe、Cr、W放入真空感应炉中1550～1650℃高温精炼20～40分钟，再加入C熔化后，氮气保护下加入FeCrN，1480～1550℃相对低温精炼10～20分钟后，浇铸成电渣电极棒；

2)电渣重熔

用CaF₂、Al₂O₃、CaO及MgO作为渣料，将渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，步骤1)所得电渣电极棒缓慢下降并插入熔融渣料中，通电，调整重熔电流，其电流为3500±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，电渣重熔成电渣锭；

3)锻造

步骤2)所得的电渣锭热加至1000～1220℃，保温1～4h，1080～1220℃高温上下垂直轴线锻造开坯，1000～1150℃相对的低温垂直轴线四面精锻或自由模锻锻造成品棒材，总锻造比≥4；

4)热处理

步骤3)所述的棒材进行退火→淬火→深冷→回火的热处理，其各环节工艺参数如下：

(1)退火工艺：750～850℃×2～8h；

(2)淬火工艺：950～1050℃×0.5～2h，空冷或油冷；

(3)深冷处理：-80℃×8～16h空升；

(4)回火工艺：200～300℃×2～6h或475℃×2～4h。

步骤4)所述钢热处理退火后硬度HB≤300、淬回火后HRC≥48。

当Cr+W+Mo为15～18％，Ni+Co+Cu+Mn≤1.0％时，所述钢热处理退火状态硬度HB≤260，淬回火态硬度HRC≥55。

所述渣料各组分重量百分含量为：CaF₂为65-68％，Al₂O₃为12-20％、CaO为10％，MgO为5-13％。

本发明所述轴承钢，其中主要元素的作用为：

C、N是钢奥氏体强烈形成元素，C含量越多，马氏体钢淬火后强度及硬度越高，过高则钢的韧性显著下降，也影响钢的耐蚀性；N节约贵金属镍奥氏体形成元素，提高了钢的固溶强度及耐蚀性能，但过高则增加熔炼工艺技术及冶金铸锭内部质量控制的难度，因此，本发明C的百分含量为0.25～0.45％，N为0.10～0.50％。

Cr、Mo、W都是钢铁素体形成元素，也是提高钢耐蚀性的主要元素。在马氏体不锈钢中Cr含量低了达不到不锈的目的，Cr、Mo、W含量太高易出现δ铁素体，且降低马氏体转变点Ms，使钢难以淬硬。Cr、W是碳化物形成元素，提高了回火稳定性，增大钢的耐温性能，本发明Cr的百分含量为14.00～17.00％、W为0.50～3.00％、Mo≤0.80％。

所述的成分组成中应同时含有一定量的W及少量Mo，以提高钢的耐蚀、耐磨、耐压及耐温性能

本发明所述轴承钢的有益效果是：采用C、N、Cr、Mo、W共同合金化，使材料具有耐蚀耐磨耐温性能。C保证材料的淬回火硬度及韧性，N既提高钢的固溶强度及耐蚀性能，也节约贵金属镍。同时加入适量Cr、Mo及W提高了钢的强度、硬度、耐蚀、耐温等物理力学特性，尤其W的加入阻止了钢晶粒的长大，降低钢的过热敏感性，增加了钢的红硬性，提高了钢高温蠕变抗力，提升了钢的回火稳定性及耐磨性能。采用真空熔炼及电渣重熔的双联冶金工艺，纯净了钢的成分，细化了组织，改善了夹杂物形态及分布，提高了钢的品质，更有利于高精度零部件的加工，在高可靠、长寿命、微小型等特种轴承的加工制造作用效果更突出明显，同时，提高了成材率，降低了成本。与背景技术所述的奥氏体不锈钢及沉淀硬化不锈钢相比，本发明所述轴承钢硬度高、耐磨好；与马氏体不锈轴承钢相比，本发明所述轴承钢组织均匀性好、加工精度高；与高合金材料相比较，本发明所述轴承钢的材料成本仅为其五分之一左右，因此，本发明所述轴承钢具有耐蚀、耐磨、易加工、成本低等优点。

将热处理后的轴承钢进行耐蚀性能试验，按国家标准GB/T10125-2012进行盐雾试验，其表面外观无变化，试验条件为5±0.1％氯化钠溶液，PH值6.5～7.2，温度为35±2℃，24小时连续喷雾，材料的冲击韧性大于35J。

本发明所述轴承钢可用于宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸、智能等腐蚀性环境下的轴及轴承。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

附图说明

图1为本发明所述轴承钢的回火组织图；

图2为本发明所述轴承钢(钢锭号11，820℃×2h退火)的差热分析曲线。

具体实施方式

本发明所述含氮不锈轴承钢组分及含量如表1所示：

表1含氮不锈轴承钢组分含量

上述含氮不锈轴承钢按照以下方法制备：

1)真空感应炉熔炼

2)电渣重熔

用CaF₂、Al₂O₃、CaO及MgO作为渣料，渣料各组分的重量百分含量：CaF₂为65-68％，Al₂O₃为12-20％、CaO为10％，MgO为5-13％。将渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，步骤1)所得电渣电极棒缓慢下降并插入熔融渣料中，通电，调整重熔电流，其电流为3500±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，电渣重熔成电渣锭；

3)锻造

步骤2)所述的电渣锭热加至1000～1220℃，保温1～4h，1080～1220℃高温上下垂直轴线锻造开坯，1000～1150℃相对的低温垂直轴线四面精锻或自由模锻锻造成品棒材，总锻造比≥4；

4)热处理

(1)退火工艺：750～850℃×2～8h；

(2)淬火工艺：950～1050℃×0.5～2h，空冷或油冷；

(3)深冷处理：-80℃×8～16h空升；

(4)回火工艺：200～300℃×2～6h或475℃×2～4h。

所述钢热处理退火后硬度HB≤300、淬回火后HRC≥48。

表2为表1所述轴承钢制备方法对应的工艺技术参数及性能试验结果：

表2含氮不锈轴承钢制备工艺参数及性能试验结果

钢号8-11：当Cr+Mo+W的重量百分含量为15～18％，Ni+Co+Cu+Mn≤1.0，材料退火态硬度满足HB≤260，淬回火态硬度HRC≥55，该材料淬回火态满足耐蚀性能外，其抗拉强度Rm≥2050MPa，冲击韧性>35J、室温及500℃的硬度HRC≥45。参见图1和图2。

Claims

1.一种含氮不锈轴承钢，其特征在于，各组分重量百分含量为：

C：0.25～0.45％；

Cr：14.00～17.00％；

W：0.50～3.00％；

Mo≤0.80％；

Ni≤3.00％；

Co≤0.50％；

Cu≤0.20％；

N：0.10～0.50％；

Si≤1.00％；

Mn≤1.00％；

S≤0.02％；

P≤0.03％

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的含氮不锈轴承钢，其特征在于，各组分重量百分含量为：

C：0.30～0.40％；

Cr：14.00～17.00％；

W：0.50～3.00％；

Mo≤0.80％；

Ni≤3.00％；

Co≤0.50％；

Cu≤0.20％；

N：0.15～0.35％；

Si≤1.00％；

Mn≤1.00％；

S≤0.02％；

P≤0.03％

余量为Fe。

3.根据权利要求1或2所述的含氮不锈轴承钢，其特征在于：上述组分中Cr+W+Mo为15～18％；Ni+Co+Cu+Mn≤1.0％。

4.含氮不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1)真空感应炉熔炼

按照权利要求1-3任一所述的配比将Fe、Cr、W放入真空感应炉中1550～1650℃高温精炼20～40分钟，真空度优于10Pa再加入C熔化后，氮气保护下加入FeCrN，1480～1550℃相对低温精炼10～20分钟后，浇铸成电渣电极棒；

2)电渣重熔

3)锻造

步骤2)所得的电渣锭热加至1000～1220℃，保温1～4h，1080～1220℃高温上下垂直轴线锻造开坯，1000～1150℃相对低温垂直轴线四面精锻或自由模锻锻造成品棒材，总锻造比≥4；

4)热处理

(1)退火工艺：750～850℃×2～8h；

(2)淬火工艺：950～1050℃×0.5～2h，空冷或油冷；

(3)深冷处理：-80℃×8～16h空升；

(4)回火工艺：200～300℃×2～6h或475℃×2～4h。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤4)所述钢热处理退火后硬度HB≤300、淬回火后HRC≥48。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当Cr+W+Mo为15～18％，Ni+Co+Cu+Mn≤1.0％时，步骤4)所述钢热处理退火状态硬度HB≤260，淬回火态硬度HRC≥55。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述渣料各组分重量百分含量为：CaF₂为65-68％，Al₂O₃为12-20％、CaO为10％，MgO为5-13％。