CN106222582B - 一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法 - Google Patents

一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法。通过真空感应熔炼炉制得基体钢材并利用箱式电阻炉进行前期常规热处理，并利用激光对基体表面进行重熔处理提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法。得到的表面重熔层与基体呈现良好的冶金结合，服役过程中不容易剥落，可靠性大，实用性强。所用激光表面重熔方法简单实用，在兼顾轴承钢芯部断裂韧性的前提下，提高了轴承钢表面的耐腐蚀性。

Description

一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法
技术领域
本发明属于轴承钢技术领域，特别涉及一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法。
背景技术
轴承是各类装备最重要的关键基础件之一，被称为“高端装备的关节”，广泛应用于航天、航空、核工业以及高新技术产品中。轴承的工作环境可能是超高温(>1000℃)、超低温(≤-253℃)、强腐蚀(酸、碱、王水和高温苛性纳等)以及超高真空，也可能是强冲击、强磨料磨损、无磁和超高速等等。苛刻的工作环境要求轴承具有耐高温和低温、防腐蚀、抗摩擦磨损等性能。
轴承钢通过合金成分设计以及与之相应的最佳的激光表面重熔处理工艺和优化的热处理工艺，使具有优良的断裂性能和出众的抗冲击性，而且能在427℃(800℉)的高温下工作。这使得该钢具有非常广阔的应用前景。
虽然轴承钢具有优异的力学性能，但是其表面耐腐蚀性与未来理想的轴承钢还有一定的差距。轴承工作表面和心部在状态、结构和性能要求方面是有较大的差别的，而整体热处理往往使二者不能兼顾，材料的潜力也得不到充分发挥。应用材料表面强化技术不仅可以较好地解决表面和芯部在结构和要求方面的差异，而且还可以进一步使表面获得某些特殊的工作性能，以满足在特定条件下工作的齿轮对工作表面性能的要求。这在现代化科学技术发展中是非常有意义的。
传统的改善轴承材料表面性能的方法主要是表面喷涂合金涂层、表面镀膜等化学热处理，以达到提高表面耐腐蚀性的目的，但这种方法存在耗时、耗能、变形及自动化程度低等缺点。因此，仍需继续研发一种有效改善轴承钢表面耐腐蚀性的方法，以保证轴承钢在未来作为航空轴承在服役过程中的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法，高耐蚀性轴承钢在保持芯部性能不变的同时表面具有高的硬度、耐磨性，尤其抗腐蚀性能突出。
本发明提供的一种高耐腐蚀性轴承钢，芯部性能优异，化学元素以重量百分比计为(总量为100％)：C：0.10～0.18％，Cr：12.0～16.0％，Mo：3.5～6.0％，Co：11.0～14.0％，V：0.4～0.7％，Ni：1.5～4.0％，Mn：0.06～0.4％，，Si：0.08～0.4％，Nb：0.02～0.04％，Ce：0.03～0.06％，其中Mo/V：5～15，余量为Fe以及不可避免的杂质。
本发明提供的一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法，其工艺步骤分为轴承钢基体的制备和激光表面重熔处理：
(一)轴承钢基体制备：
(1)严格按照元素配比配制合金成分：C：0.10～0.18％，Cr：12.0～16.0％，Mo：3.5～6.0％，Co：11.0～14.0％，V：0.4～0.7％，Ni：1.5～4.0％，Mn：0.06～0.4％，Si：0.08～0.4％，Nb：0.02-0.04％，Ce：0.03～0.06％，其中，Mo/V：5～15，余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1150～1250℃，保温30～50h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)钢的热处理：950～1200℃油淬，接着泡液氮深冷处理，490～550℃回火，其中回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；得到的轴承钢基体中B≤0.003％，P≤0.005％，S≤0.005％。
(二)激光表面重熔处理工艺：
1)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
2)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为200W～600W，扫描速度为20～200mm/s，相邻激光束中心的间距为0.06～0.20mm；
3)轴承钢基体冷却至室温后取出。
本发明的优点在于：
(1)基体钢材制备简单，通过真空感应熔炼炉制得，并利用箱式电阻炉进行前期常规热处理；
(2)所制备的激光表面重熔层与基体以冶金方式结合，结合性能良好，服役过程中不容易剥落，可靠性大，实用性强。
(3)所用激光表面重熔方法简单实用，在兼顾轴承钢芯部断裂韧性的前提下，提高了轴承钢表面的耐腐蚀性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
利用真空感应炉熔炼并采用激光表面重熔技术提高表面耐腐蚀性，步骤如下：
(一)轴承钢基体制备：
(1)严格按照元素配比配制合金成分：C：0.11％，Cr：13.0％，Mo：4.0％，Co：13.0％，V：0.5％，Ni：2.0％，Mn：0.06％，Si：0.08％，Nb：0.02％，Ce：0.03％，余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1150℃，保温50h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)钢的热处理：950℃油淬，接着泡液氮深冷处理，490℃回火，其中回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；得到的轴承钢基体中B≤0.003％，P≤0.005％，S≤0.005％。
(二)激光表面重熔处理工艺：
1)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
2)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为200W，扫描速度为20mm/s，相邻激光束中心的间距为0.06mm；
3)轴承钢基体冷却至室温后取出。
采用CS310电化学分析仪对制备出的轴承钢进行电化学试验，试验用三电极测试系统，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液，测试极化曲线电位扫描速度为0.5mV·s-1，测试电化学阻抗谱正弦波扰动频率范围为10-2～10-5Hz。得到的自腐蚀电位为-46.82mv；腐蚀电流密度为1.85E-8A/cm2。
实施例2
利用真空感应炉熔炼并采用激光表面重熔技术提高表面耐腐蚀性，步骤如下：
(一)轴承钢基体制备：
(1)严格按照元素配比配制合金成分：C：0.11％，Cr：14.0％，Mo：5.0％，Co：12.5％，V：0.55％，Ni：2.10％，Mn：0.08％，Si：0.10％，Nb：0.02％，Ce：0.035％，余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1170℃，保温45h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)钢的热处理：1050℃油淬，接着泡液氮深冷处理，510℃回火，其中回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；得到的轴承钢基体中B≤0.003％，P≤0.005％，S≤0.005％。
(二)激光表面重熔处理工艺：
1)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
2)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为300W，扫描速度为50mm/s，相邻激光束中心的间距为0.07mm；
3)轴承钢基体冷却至室温后取出。
采用CS310电化学分析仪对制备出的轴承钢进行电化学试验，试验用三电极测试系统，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液，测试极化曲线电位扫描速度为0.5mV·s-1，测试电化学阻抗谱正弦波扰动频率范围为10-2～10-5Hz。得到的自腐蚀电位为-68.35mv；腐蚀电流密度为4.66E-8A/cm2。
实施例3
利用真空感应炉熔炼并采用激光表面重熔技术提高表面耐腐蚀性，步骤如下：
(一)轴承钢基体制备：
(1)严格按照元素配比配制合金成分：C：0.13％，Cr：12.9％，Mo：4.50％，Co：13.5％，V：0.60％，Ni：2.50％，Mn：0.10％，Si：0.12％，Nb：0.03％，Ce：0.04％余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1190℃，保温40h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)钢的热处理：1100℃油淬，接着泡液氮深冷处理，520℃回火，其中回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；得到的轴承钢基体中B≤0.003％，P≤0.005％，S≤0.005％。
(二)激光表面重熔处理工艺：
1)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
2)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为400W，扫描速度为80mm/s，相邻激光束中心的间距为0.08mm；
3)轴承钢基体冷却至室温后取出。
采用CS310电化学分析仪对制备出的轴承钢进行电化学试验，试验用三电极测试系统，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液，测试极化曲线电位扫描速度为0.5mV·s-1，测试电化学阻抗谱正弦波扰动频率范围为10-2～10-5Hz。得到的自腐蚀电位为-74.39mv；腐蚀电流密度为9.48E-8A/cm2。
实施例4
利用真空感应炉熔炼并采用激光表面重熔技术提高表面耐腐蚀性，步骤如下：
(一)轴承钢基体制备：
(1)严格按照元素配比配制合金成分：C：0.12％，Cr：14.0％，Mo：5.50％，Co：13.2％，V：0.58％，Ni：2.00％，Mn：0.20％，Si：0.15％，Nb：0.04％，Ce：0.05％，余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1210℃，保温35h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)钢的热处理：1150℃油淬，接着泡液氮深冷处理，530℃回火，其中回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；得到的轴承钢基体中B≤0.003％，P≤0.005％，S≤0.005％。
(二)激光表面重熔处理工艺：
1)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
2)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为500W，扫描速度为100mm/s，相邻激光束中心的间距为0.09mm；
3)轴承钢基体冷却至室温后取出。
采用CS310电化学分析仪对制备出的轴承钢进行电化学试验，试验用三电极测试系统，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液，测试极化曲线电位扫描速度为0.5mV·s-1，测试电化学阻抗谱正弦波扰动频率范围为10-2～10-5Hz。得到的自腐蚀电位为-98.24mv；腐蚀电流密度为1.07E-7A/cm2。
实施例5
利用真空感应炉熔炼并采用激光表面重熔技术提高表面耐腐蚀性，步骤如下：
(一)轴承钢基体制备：
(1)严格按照元素配比配制合金成分：C：0.15％，Cr：14.8％，Mo：4.00％，Co：12.8％，V：0.52％，Ni：2.00％，Mn：0.25％，Si：0.16％，Nb：0.02％，Ce：0.06％，余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1250℃，保温30h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)钢的热处理：1200℃油淬，接着泡液氮深冷处理，550℃回火，其中回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；得到的轴承钢基体中B≤0.003％，P≤0.005％，S≤0.005％。
(二)激光表面重熔处理工艺：
1)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
2)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为600W，扫描速度为120mm/s，相邻激光束中心的间距为0.10mm；
3)轴承钢基体冷却至室温后取出。
采用CS310电化学分析仪对制备出的轴承钢进行电化学试验，试验用三电极测试系统，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液，测试极化曲线电位扫描速度为0.5mV·s-1，测试电化学阻抗谱正弦波扰动频率范围为10-2～10-5Hz。得到的自腐蚀电位为-104.68mv；腐蚀电流密度为7.89E-7A/cm2。
实施例6
采用真空感应炉熔炼对比钢，对比钢是根据美国专利US5424028公布成分范围冶炼的，钢化学成分wt.％为C：0.13％，Cr：13.85％，Mo：4.50％，Co：12.5％，V：0.60％，Ni：2.01％，Mn：0.06％，Si：0.10％，Nb：0.02％，余量为铁。
采用CS310电化学分析仪对制备出的轴承钢进行电化学试验，试验用三电极测试系统，腐蚀液为3.5％的NaCl溶液，测试极化曲线电位扫描速度为0.5mV·s-1，测试电化学阻抗谱正弦波扰动频率范围为10-2～10-5Hz。得到的自腐蚀电位为-324.86mv；腐蚀电流密度为1.34E-6A/cm2。
在极化电化学试验中，自腐蚀电位越大，腐蚀电流密度越小，说明耐腐蚀性越好。高耐腐蚀轴承钢加入稀土元素Ce并且经过激光表面重熔后，耐蚀性与美国专利US5424028公布的轴承钢的耐蚀性有了很大的提高，其中自腐蚀电位最大提高了近8倍，腐蚀电流密度最大降低了2个数量级。

Claims (4)

1.一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法，其特征在于：所述方法包括轴承钢基体的制备和激光表面重熔处理：
(一)轴承钢基体制备：
(1)按照重量百分比配制合金成分：C：0.10～0.18％，Cr：12.0～16.0％，Mo：3.5～6.0％，Co：11.0～14.0％，V：0.4～0.7％，Ni：1.5～4.0％，Mn：0.06～0.4％，Si：0.08～0.4％，Nb：0.02～0.04％，Ce：0.03～0.06％，余量为铁；
(2)真空冶炼：采用真空感应炉熔炼；
(3)锻造加工成材：铸锭在锻造之前先经过一步均匀化退火，温度为1150～1250℃，保温30～50h，锻造工艺要求始锻温度为1160℃，终锻温度为980℃，空冷至室温；
(4)热处理：950～1200℃油淬，接着泡液氮深冷处理，490～550℃回火；回火和泡液氮深冷处理的次数为3次；
(二)激光表面重熔处理：
(A)将轴承钢基体固定在激光熔化系统的工作台上，系统密封腔抽真空后充入高纯氩气保护气体进行气氛保护；
(B)利用高能激光束对轴承钢基体表面进行扫描，基体表面熔化并快速凝固，在基体表面形成重熔层；重熔参数：高能激光束输出功率P为200W～600W，扫描速度为20～200mm/s，相邻激光束中心的间距为0.06～0.20mm；
(C)轴承钢基体冷却至室温后取出。
2.根据权利要求1所述一种提高轴承钢表面耐腐蚀性的方法，其特征在于，在轴承钢基体制备过程步骤(1)中，Mo/V：5～15。
3.一种高耐腐蚀轴承钢，其特征在于：采用权利要求1中所述的方法进行处理，在轴承钢基体表面具有重熔层，所述轴承钢基体中元素以重量百分比计为：C：0.10～0.18％，Cr：12.0～16.0％，Mo：3.5～6.0％，Co：11.0～14.0％，V：0.4～0.7％，Ni：1.5～4.0％，Mn：0.06～0.4％，Si：0.08～0.4％，Nb：0.02～0.04％，Ce：0.03～0.06％，余量为Fe；所述高耐腐蚀轴承钢表面重熔层的自腐蚀电位为-104.68mv～-46.82mv，钝化电流密度为1.85E-8A/cm2～7.89E-7A/cm2。
4.根据权利要求3所述的一种高耐腐蚀轴承钢，其特征在于：Mo/V：5～15。
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