CN105734456A - 一种航空轴承材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种航空轴承材料，所述轴承材料的化学元素成分及其质量百分比为：C：0.03%~0.15%，Mn：1.0%~2.0%，P：0.04%~0.045%，S：0.02%~0.03%，Si：1.0%~1.5%，Cr：18.0%~20.0%，Ni：8.0%~11.0%，Mo：2.0%~3.0%，B：0.13%~0.21%，V：0.2%~0.3%，W：0.02%~0.04%，Sm：0.15%~0.30%，Eu：0.15%~0.30%，Tm：0.15%~0.30%，其余为Fe。本发明在真空条件下熔融、充入Ar气稳压离心浇铸，恒压冷却处理得到的航空轴承材料成品，抗压性能优良，耐摩、耐腐蚀、耐高温，硬度大。

Description

一种航空轴承材料
技术领域
本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种航空轴承材料。
背景技术
轴承具有很高的技术含量，可作为一个衡量国家科技、工业实力的重要标准。轴承运用的领域很广，汽车、铁路、车床等，无一例外都离不开轴承。有些轴承的技术含量很高，而我国在技术含量高的轴承上，基本都是依靠进口。当今世界科技、工业强国无一例外是轴承研发、制造强国。我国之所以是工业大国而不是工业强国，一个重要表现就是轴承产业大而不强。
用于航空发动机配套的高可靠性、高精密度的顶级轴承材料已成为中国在航空发动机研发中难以翻越的“珠穆朗玛峰”。以航空发动机主轴承为例，主轴承是航空发动机的关键部件之一。在高速、高温、受力复杂的条件下运转，主轴承质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。航空发动机的关键的指标之一就是高可靠性。要想保证可靠性，前提之一就是要保证发动机内的轴承具备长寿命，军机航空发动机要求在3000小时以上，民机航空发动机要求更高，要达到数万小时。而航空发动机中轴承工作环境完全可以用“炼狱”来形容，它们不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转，还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温，这就对轴承的材料提出了非常苛刻的要求。另外，对于一般的结构部件来说，即便出现轻度裂纹也可以保证安全使用，这在专业上称为损伤容限，而航空发动机主轴承这样关键传动部件不存在损伤容限一说，其在使用过程中绝不允许出现裂纹等形式的损伤。而中国目前航空发动机的主轴承寿命有限，高端轴承如同“只可远观”。这一短板如果得不到解决，中国的航空发动机发展必将受到严重的制约与影响。轴承虽是零部件，但它的精度、性能、寿命和可靠性对主机的精度、性能和可靠性起着决定性的作用，轴承技术的落后给我国工业各行业带来严重的影响。
发明内容
为了克服上述现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种航空轴承材料，具有优良的抗压性能、硬度大、耐摩擦、耐高温能够有效地解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：
一种航空轴承材料，所述轴承材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.03%~0.15%，Mn：1.0%~2.0%，P：0.04%~0.045%，S：0.02%~0.03%，Si：1.0%~1.5%，Cr：18.0%~20.0%，Ni：8.0%~11.0%，Mo：2.0%~3.0%，B：0.13%~0.21%，V：0.2%~0.3%，W：0.02%~0.04%，RE：0.45%~0.9%，其余为Fe。
进一步的，所述RE的化学元素成分及其质量百分比为：
Sm：0.15%~0.30%，Eu：0.15%~0.30%，Tm：0.15%~0.30%。
进一步的，所述轴承材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.05%，Mn：1.5%，P：0.04%，S：0.02%，Si：1.0%，Cr：19.0%，Ni：10.0%，Mo：2.5%，B：0.18%，V：0.26%，W：0.03%，Sm：0.20%，Eu：0.20%，Tm：0.20%，其余为Fe。
以下，对本发明中采用的合金的化学元素成分组成的限定理由进行说明，化学元素成分组成中涉及的%指质量%。
C：0.21%~0.3%，C在钢材中的主要作用是：形成固溶体组织、提高钢的强度；形成碳化物组织，可提高钢的硬度及耐磨性。因此，C在钢材中，含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，但塑性、韧性也会随之降低；反之，含碳量越低，钢的塑性、韧性越高，其强度、硬度也会随之降低，为适应航空气候条件及作业要求效果，本发明将航空轴承材料中C含量规定为0.03%~0.15%，优选为0.05%。
Mn：1.0%~2.0%，Mn是一种弱脱氧剂，钢材中添加Mn，不但有利于钢材的抗蚀性，而且还能使钢材的强度提高，并能降低热裂纹倾向，改善钢材的抗腐蚀性能和焊接性能。随着Mn含量增加，钢材强度有所提高，航空轴承的具体实际的特殊需求，本发明将Mn含量规定为1.0%~2.0%，优选为1.5%。
P：0.04%~0.045%，磷对提高钢材的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢材的脆性。为适应航空条件及航空轴承特殊需求，本发明将P含量规定为0.04%~0.045%，优选为0.04%。
S：0.02%~0.03%，S可引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等，一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.05%。一定量的S与Mn在钢材中形成MnS，有助于提高切削性的元素。在低于0.001%时添加效果不充分，超过0.15%则添加效果饱和，S会降低铁水的流动性，阻止Fe3C分解，使铸件产生气孔、难于切削并降低其韧性，因此将S规定为0.02%~0.03%，优选为0.02%。
Si：1.0%~1.5%，Si可提高钢材的耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性；在钢材中能降低熔点，改善流动性。为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将Si含量规定为1.0%~1.5%，优选为1.0%。
Cr：18.0%~20.0%，Cr在钢材中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢材的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是钢材的重要合金元素。为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将Cr含量规定为18.0%~20.0%，优选为19.0%。
Ni：8.0%~11.0%，镍在钢材中能提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性，提高合金的焊接性能。为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将材质中Ni含量规定为8.0%~11.0%，优选为10.0%。
Mo：2.0%~3.0%，低含量的Mo能强化铁素体，提高钢的强度和硬度；降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；提高钢的耐热性和高温强度，为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将材质中Mo含量规定为2.0%~3.0%，优选为2.5%。
B：0.13%~0.21%，B被称为钢中的“维生素”，能成倍地增加淬火性，增加钢的硬度和抗张力，改善钢的焊接性能，低碳钢中加入一定量的B，有吸收中子的功能。为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将材料中B含量规定为0.13%~0.21%，优选为0.18%。
V：0.2%~0.3%，V可增大合金力度、硬度和抗震能力，防止产生颗粒，提高合金微观组织的均匀性，也可提高冶炼过程中回火的稳定性。为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将材料中V含量规定为0.2%~0.3%，优选为0.26%。
W：0.02%~0.04%，钨熔点高，比重大，钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。考虑到航空的具体实际，为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将材料中W含量规定为0.02%~0.04%，优选为0.03%。
RE：0.45%~0.9%，稀土元素加入合金中，能够提高合金材料的机械强度和抗腐蚀性，使合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化。还可降低熔体表面张力，增加流动性，有利于浇注成锭，对工艺性能有着明显的影响，稀土金属还能消除磁场、宇宙射线及复杂的气候环境对飞机的不良影响，从何提高了飞机的使用寿命，同时在承力相同的条件下，明显减轻结构件重量。为适应航空条件及航空轴承的特殊需求，本发明将合金材料中RE含量规定为0.45%~0.9%，包括，Sm：0.15%~0.30%，Eu：0.15%~0.30%，Tm：0.15%~0.30%；其中Sm优选为0.20%，Eu优选为0.20%，Tm优选为0.20%。
本发明的另一个目的，在于提供一种航空轴承材料的制备方法，包括如下制作步骤：
步骤，将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Sm、Eu、Tm单质加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，将各金属熔融；
步骤，再充入Ar气，使压强达到150~160MPa，加入C、P、S、Si、B、V单质，并保温10min~20min，搅拌均匀；
步骤，在500℃~600℃，转速400rpm~500rpm条件下，保持压力离心浇铸成航空轴承材料，在6秒~10秒完成；
步骤，并在同等压强条件下，以降温速率为80℃/min~90℃/min的条件降至室温，得到航空轴承材料成品。
本发明的优点是：
本发明所提供的航空轴承材料抗压性能优良，耐摩、耐腐蚀、耐高温，硬度大，更加符合航空轴承合金材料的需求。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，用来对本发明作进一步详细说明。
实施例1
原料组分：
C：0.05%，Mn：1.5%，P：0.04%，S：0.02%，Si：1.0%，Cr：19.0%，Ni：10.0%，Mo：2.5%，B：0.18%，V：0.26%，W：0.03%，Sm：0.20%，Eu：0.20%，Tm：0.20%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Sm、Eu、Tm单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，将各金属熔融，再充入Ar气，使压强达到155MPa，加入C、P、S、Si、B、V单质，并保温12min，搅拌均匀，在560℃，转速450rpm条件下，保持压力离心浇铸成航空轴承材料，在7秒完成；并在同等压强条件下，以降温速率为87℃/min的条件下将至室温，得到航空轴承材料成品。
实施例2
原料组分：
C：0.03%，Mn：1.0%，P：0.04%，S：0.02%，Si：1.0%，Cr：18.0%，Ni：8.0%，Mo：2.0%，B：0.13%，V：0.2%，W：0.02%，Sm：0.15%，Eu：0.15%，Tm：0.15%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Sm、Eu、Tm单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，将各金属熔融，再充入Ar气，使压强达到150MPa，加入C、P、S、Si、B、V单质，并保温10min，搅拌均匀，在500℃，转速400rpm条件下，保持压力离心浇铸成航空轴承材料，在6秒完成；并在同等压强条件下，以降温速率为80℃/min的条件下将至室温，得到航空轴承材料成品。
实施例3
原料组分：
C：0.15%，Mn：2.0%，P：0.045%，S：0.03%，Si：1.5%，Cr：20.0%，Ni：11.0%，Mo：3.0%，B：0.21%，V：0.3%，W：0.04%，Sm：0.30%，Eu：0.30%，Tm：0.30%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Sm、Eu、Tm单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，将各金属熔融，再充入Ar气，使压强达到160MPa，加入C、P、S、Si、B、V单质，并保温20min，搅拌均匀，在600℃，转速500rpm条件下，保持压力离心浇铸成航空轴承材料，在10秒完成；并在同等压强条件下，以降温速率为90℃/min的条件下将至室温，得到航空轴承材料成品。
实施例4
原料组分：
C：0.10%，Mn：1.5%，P：0.042%，S：0.025%，Si：1.2%，Cr：19.0%，Ni：10.0%，Mo：2.5%，B：0.20%，V：0.25%，W：0.03%，，Sm：0.20%，Eu：0.20%，Tm：0.20%，其余为Fe。
通过如下方法制备：
将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Sm、Eu、Tm单质，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，将各金属熔融，再充入Ar气，使压强达到156MPa，加入C、P、S、Si、B、V单质，并保温15min，搅拌均匀，在550℃，转速440rpm条件下，保持压力离心浇铸成航空轴承材料，在8秒完成；并在同等压强条件下，以降温速率为86℃/min的条件下将至室温，得到航空轴承材料成品。
实验例1
抗磨性对比试验：
对本发明实施例1~4所制航空轴承材料与普通航空轴承材料在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上做浆料（石英砂+水）湿磨试验，在高应力动载磨料磨损试验机上做石英砂干磨试验，性能结果见表1。
表1抗磨性及硬度对比试验结果
实验例2
对本发明实施例1~4所制航空轴承材料与普通航空轴承材料的基本金属特性相比较，其性能结果如下表2。
表2基本金属特性性能比较
由上述试验例可见，本发明钢材的各项性能均高于普通航空轴承合金材料，更加适合用于航空轴承的材料。
以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种航空轴承材料，其特征在于，所述轴承材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.03%~0.15%，Mn：1.0%~2.0%，P：0.04%~0.045%，S：0.02%~0.03%，Si：1.0%~1.5%，Cr：18.0%~20.0%，Ni：8.0%~11.0%，Mo：2.0%~3.0%，B：0.13%~0.21%，V：0.2%~0.3%，W：0.02%~0.04%，RE：0.45%~0.9%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的轴承材料，其特征在于，所述RE的化学元素成分及其质量百分比为：
Sm：0.15%~0.30%，Eu：0.15%~0.30%，Tm：0.15%~0.30%。
3.根据权利要求1所述轴承材料，其特征在于，所述轴承材料的化学元素成分及其质量百分比为：
C：0.05%，Mn：1.5%，P：0.04%，S：0.02%，Si：1.0%，Cr：19.0%，Ni：10.0%，Mo：2.5%，B：0.18%，V：0.26%，W：0.03%，Sm：0.20%，Eu：0.20%，Tm：0.20%，其余为Fe。
4.一种根据权利要求1~3任一项所述轴承材料的制备方法，其特征在于，包括如下制作步骤：
步骤，将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Mo、W、Sm、Eu、Tm单质加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，将各金属熔融；
步骤，再充入Ar气，使压强达到150~160MPa，加入C、P、S、Si、B、V单质，并保温10min~20min，搅拌均匀；
步骤，在500℃~600℃，转速400rpm~500rpm条件下，保持压力离心浇铸成航空轴承材料，在6秒~10秒完成；
步骤，并在同等压强条件下，以降温速率为80℃/min~90℃/min的条件降至室温，得到航空轴承材料成品。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述离心浇铸的温度为400℃~450℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述离心浇铸的温度为450℃~500℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述降至室温速率为：80℃/min~85℃/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤中，所述降至室温速率为85℃/min~90℃/min。
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