CN106498304A

CN106498304A - 一种耐腐蚀轴承及其制备方法

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Publication number: CN106498304A
Application number: CN201610818659.7A
Authority: CN
Inventors: 王国红; 林健; 符寒光; 马胜强; 屈银虎; 成小乐
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: CN106498304B

Abstract

一种耐腐蚀轴承及其制备方法，属于机械工程技术领域。轴承材料采用电炉熔炼，使用铸造方法成型，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.80～1.00％C,0.3～1.0％Si,0.5～1.0％Mn,17.5～18.5％Cr,0.45～0.60％Al,0.5～0.8％Mo,0.15～0.22％Nb,0.15～0.22％V,<0.03％S,<0.035％P,余量Fe。钢水出炉后，加入占钢水质量分数的3.5～4.5％的合金线进行微合金化处理，得到耐蚀性和力学性能优良的轴承，具有广阔的应用前景。

Description

一种耐腐蚀轴承及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种轴承及其制备方法，特别涉及一种耐腐蚀轴承及其制备方法，属于机械工程技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展与提高，对材料和设备以及机械零部件的使用性能和要求也越来越高。轴承工作的环境日趋多元化，越来越多特殊要求的轴承应运而生。很多行业要求轴承暴露在大气的环境中工作，如风力发电机组、港口机械、石油钻机、雷达等专用轴承。因此，就需要轴承具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化等多种功能，以延长轴承的使用寿命。以往轴承为了防止腐蚀，往往采用磷化、电镀、发蓝、刷漆等工艺，其工艺复杂且防腐蚀性能差。为了提高轴承的耐腐蚀能力，中国发明专利CN102226254A公开了一种高强高韧耐蚀高温轴承齿轮钢及制备方法，该轴承齿轮钢化学元素重量百分配比为：C：0.10～0.22％，Mn：≤0.5％，Si：≤0.5％，Cr：12.0～15.0％，Ni：1.50～3.00％，Mo：4.00～6.00％，V：0.50～0.90％，Co：12.0～15.0％，W：0.30～2.00％，Nb：0.02～0.08％，其中V/Nb：25～35，Mo/W：6～12，Co/Mo：2～3，Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb≤52％，40C+2Mn+4Ni+30N+2Co≥42％，[O]+[N]+[H]≤0.0040％。余量为Fe及不可避免的杂质。工艺为：成分配比与控制→真空冶炼→钢锭热加工成材→钢材表面硬化处理→钢材热处理。优点在于，可以满足服役过程中承受高温及腐蚀环境作用的新一代轴承齿轮钢的要求，实现高强度、高硬度、高韧性、高温性能、耐腐蚀性能的良好配合。中国发明专利CN102952986A还公开了一种耐腐蚀耐高温轴承材料，其包括原料组分及其重量百分比如下：碳化钛60-70％、碳化钒3-10％、碳化铬3-5％、镍10-20％、及钼5-20％。该发明耐腐蚀耐高温轴承材料，采用碳化钛、碳化钒、碳化铬、镍、及钼制成，具有硬度高、不易变形、耐磨蚀性强、耐高温、耐腐蚀等特点，适用于高温磨蚀环境。中国发明专利CN103014536A还公开了一种高碳铬不锈轴承钢及制备方法，其组成按重量百分比为，0.9-0.95％的碳，0.80-0.85％的硅，0.3-0.35％的锰，小于0.025％的硫，小于0.02％的磷，0.15-0.3％的钼，3.5-4.0％的铬，0.01-0.02％的氮，0.1-0.2％的镍，0.02-0.03％的铌，0.02-0.03％的钒及余量的铁。通过该技术方案，有利于脱氧效果，提高轴承钢的洁净度，降低轴承钢中的氧含量。中国发明专利CN102899550A还公开了一种耐高温自润滑轴承材料及其制备方法，主要是以06Cr19Ni10不锈钢粉为基体材料，选用高纯度(≥95％)的Cu、Mo、Co金属粉体为增强相，选用MoS₂、CaF₂为润滑减磨相，同时添加适量的硬脂酸钠作为粘结剂，采用冷压成型、无压真空烧结工艺制备而成。用该发明方法制备得到的高温自润滑轴承材料在600℃的高温环境下仍然具有较低的摩擦系数以及良好的耐磨损性能，可应用于钢铁、冶金等重型机械装备中，特别适合要求无油润滑的场合。中国发明专利CN101880833A还公开了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，该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。中国发明专利CN101934264A还公开了风电轴承防腐蚀新型工艺，包括以下步骤：第一歩，确定防腐蚀涂层厚度，根据涂层厚度在轴承基体加工时预留出相应厚度尺寸；第二歩，对轴承基体进行清洁；第三步，进行喷砂处理；第四步，进行喷涂锌加溶剂。中国发明专利CN101798679A还公开了一种用于动压气浮轴承的复合涂层制备方法，采用中频反应磁控溅射系统沉积Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨复合膜。动压气浮轴承转子与定子之间的摩擦系数越小越有利于马达启动，在高速转动过程中，定子与转子可能发生碰撞甚至出现瞬间熔化抱死故障。单一材料的动压气浮轴承已经不能满足目前的需求，轴承材料的表面改性技术是限制其应用的关键技术之一。该发明制备的涂层在降低了摩擦系数，提高了耐磨性，同时解决了涂层的耐腐蚀性及耐磨性。该方法易行，所有原料都比较常见，可以实现工业化生产。中国发明专利CN103108969A还公开了一种耐腐蚀性优良的轴承钢，其特征在于：所述轴承钢以质量％计含有C：0.3～0.6％、Si：0.25～1.50％、Mn：0.2～0.7％、Cr：3.0～7.0％、Sn：0.05～1.00％、Ni：0.01～2.00％、S：0.002～0.020％及Al：0.005～0.040％、Cu：0.0005～0.10％、N：0.02％以下以及O：0.0015％以下，剩余部分由铁及不可避免的杂质构成，而且，％Sn、％Cu及％Ni满足下式：－0.194≤0.12×％Sn+％Cu－0.1×％Ni≤0.150。中国发明专利CN102925818A还公开了一种抗腐蚀耐髙温轴承钢，该轴承钢按重量百分比其成分为：C0.65～0.74％、Si0.60-0.80％、Mn0.25-0.65％、Cr17.00～19.00％、Mo0.50～0.70％、Ni0.35～0.65％、Cu0.15～0.25％、V0.15～0.25％、P≤0.040％、？S≤0.030％，余量是Fe和不可避免的杂质。包括电炉冶炼、LF精炼炉、VD真空炉、连铸和轧钢。该轴承钢具有抗腐蚀耐髙温性能，可在200-250℃的高温、腐蚀性环境下使用。中国发明专利CN102851657A还公开了一种防止铁路滚动轴承套圈产生腐蚀坑的磷化方法，属一种轴承套圈生产的辅助工艺，所述的磷化方法按照如下步骤进行操作：步骤A、配制磷化液，采用质量百分比为6％至11％的磷酸二氢锰、0.215％至0.350％的磷酸、0.102％至0.210％的促进剂、0.05％至0.10％的细化剂与作为前述质量百分比余量的水混合并搅拌均匀后，在固定的温度范围中熬制单位时间后待用；步骤B、工件预处理，首先擦拭工件表面后，再采用高效金属脱脂剂对工件表面进行脱脂处理，进而清除其表面的油污等步骤，同时该发明所提供的一种防止铁路滚动轴承套圈产生腐蚀坑的磷化方法步骤简单，且适用于对各种规格和类型的铁路货车轴承套圈进行磷化，应用范围广阔。中国发明专利CN102728652A还公开了一种外层低碳钢内层轴承钢的双金属无缝钢管的制造方法，涉及铁基合金的热处理技术领域，包括以下步骤：管坯球化退火-矫直-高压喷砂除氧化层—冷轧、冷拔—去应力退火—高压喷砂除油污、除磷—精整—入库。所述方法采用水和氧化铝砂或石英砂的混合物进行喷砂除氧化铁皮和油污，不但避免了使用酸液造成的环境污染和对管坯的不均匀腐蚀而导致的表面缺陷，而且喷砂处理后的管子表面平整、洁净、光滑，无污染，使用安全。此外，管坯在输送辊道上均匀螺旋前进，避免了间断除氧化铁皮、油污导致的喷砂道次增加，工作效率高。

中国发明专利CN103789683A还公开了一种耐腐蚀轴承的制备方法，其特征在于，该轴承的化学成分以重量百分数计由下列组份组成：C：0.30-0.34，Cr：17.5-18.5，Ni：2.40-2.60，Mo：0.60-0.80，V：0.10-0.30，B：0.003-0.005，Ti：0.02-0.04，Mn≤1.00，Si≤0.4，S≤0.010，P≤0.015，其余为Fe及不可避免的杂质；所述制备方法包括如下步骤：1)采用常规的非真空中频感应炉熔炼，调整钢液成分满足上述范围，浇注成坯锭；进行电渣重熔；锻造成轴承毛坯；2)热处理，其中淬火加热温度为1060-1080℃，保温0.5-1.5小时，油淬至室温，然后进行二次回火，第一次回火温度为260-280℃，保温时间为2-3小时；第二次回火温度为240-250℃，保温时间为3-4小时；3)采用车削和磨削加工制备成成品。中国发明专利CN101709412A还公开了一种镍基轴承保持架材料及其制备方法，该保持架材料由以下重量百分含量的组分制备而成：镍65％～70％、铬5％～12％、银2％～8％、二硫化钼16％～22％。制备方法包括混合工序、成形工序、烧结工序，首先按重量百分含量准确称取镍粉、铬粉、银粉和二硫化钼粉，混匀；之后经压制成形，制成坯料；坯料再经真空烧结，制得轴承保持架材料。采用该发明的轴承保持架材料制成的轴承保持架在轴承处于400℃高温、10^-4～10^-6Pa高真空环境中时，具有自润滑功能，可保证轴承的正常运转。

但是，上述提高轴承抗腐蚀性能方法普遍存在工艺复杂，轴承抗腐蚀性能较差等不足。

发明内容

本发明针对轴承使用中存在的腐蚀问题，在确保轴承材料高耐磨性基础上，通过添加合金元素，实现轴承材料抗腐蚀性能的大幅度提高。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明轴承采用铸造方法成型，其制备工艺步骤是：

①先在电炉内熔炼轴承钢，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.80～1.00％C,0.3～1.0％Si,0.5～1.0％Mn,17.5～18.5％Cr,0.45～0.60％Al,0.5～0.8％Mo,0.15～0.22％Nb,0.15～0.22％V,<0.03％S,<0.035％P,余量Fe；当钢水温度升至1620～1640℃，将钢水出炉到钢包，然后将直径的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的3.5～4.5％，合金线的化学组成及其质量分数是：4～6％Sn,6～8％V,1.5～2.0％N,4～6％Ti,35～38％Si,10～12％Ca,10～12％Y,其余为Fe和不可避免的杂质；当钢水温度降至1480～1500℃时，将钢水浇入铸型，得到轴承毛坯；

②轴承毛坯经粗加工后，随炉加热至1020～1050℃，保温1～3小时后，油冷淬火，然后在200～240℃回火，回火保温时间10～12小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的：

本发明轴承钢以高碳马氏体不锈钢为基础，碳含量高达0.80～1.00％C，主要是利用碳进入基体中，提高马氏体硬度，部分碳与铬、钒、钼、铌等合金元素结合，生成高硬度合金碳化物，有利于提高轴承耐磨性。此外加入17.5～18.5％Cr和0.45～0.60％Al，主要用于提高轴承的耐腐蚀能力。加入0.3～1.0％Si和0.5～1.0％Mn，主要用于对钢水预脱氧。加入0.5～0.8％Mo、0.15～0.22％Nb和0.15～0.22％V，主要是用于得到高硬度的合金碳化物，从而可提高轴承的耐磨性。此外，在钢水出炉后，在钢包内加入占钢包内钢水质量分数的3.5～4.5％合金线，合金线的化学组成及其质量分数是：4～6％Sn,6～8％V,1.5～2.0％N,4～6％Ti,35～38％Si,10～12％Ca,10～12％Y,其余为Fe和不可避免的杂质。主要是用于提高轴承的耐蚀性和改善凝固组织，提高轴承的力学性能。

先在电炉内熔炼轴承钢，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.80～1.00％C,0.3～1.0％Si,0.5～1.0％Mn,17.5～18.5％Cr,0.25～0.40％Al,0.5～0.8％Mo,0.15～0.22％Nb,0.15～0.22％V,<0.03％S,<0.035％P,余量Fe。当钢水温度升至1620～1640℃，将钢水出炉到钢包。然后将直径的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的3.5～4.5％，合金线的化学组成及其质量分数是：4～6％Sn,6～8％V,1.5～2.0％N,4～6％Ti,35～38％Si,10～12％Ca,10～12％Y,其余为Fe和不可避免的杂质。当钢水温度降至1480～1500℃时，将钢水浇入铸型，得到轴承毛坯。

轴承毛坯经粗加工后，随炉加热至1020～1050℃，保温1～3小时后，油冷淬火，主要是为了获得高硬度的马氏体基体。最后，在200～240℃回火，回火保温时间10～12小时，然后空气冷却至室温，主要是为了稳定组织，消除淬火应力，确保轴承的安全使用。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1)本发明轴承材料具有优异的耐蚀性，在相同腐蚀磨损条件下，本发明材料比GCr15轴承钢提高120～150％；

2)本发明轴承制备工艺简便，便于实现批量生产；

3)本发明轴承具有优良的力学性能，其中硬度达到56～58HRC，抗拉强度达到1150～1200MPa，冲击韧性达到35～38J/cm²。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

采用500公斤中频感应电炉熔炼轴承材料，本发明轴承采用铸造方法成型，其制备工艺步骤是：

①先在500公斤中频感应电炉内熔炼轴承钢，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.81％C,0.33％Si,0.98％Mn,17.55％Cr,0.59％Al,0.52％Mo,0.19％Nb,0.22％V,0.019％S,0.031％P,余量Fe。当钢水温度升至1623℃，将钢水出炉到钢包。然后将直径的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的3.5％，合金线的化学组成及其质量分数是：4.05％Sn,7.89％V,1.53％N,4.06％Ti,37.70％Si,10.27％Ca,11.75％Y,其余为Fe和不可避免的杂质。当钢水温度降至1482℃时，将钢水浇入铸型，得到轴承毛坯。

②轴承毛坯经粗加工后，随炉加热至1020℃，保温3小时后，油冷淬火，然后在240℃回火，回火保温时间10小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。轴承力学性能见表1。

实施例2：

①先在500公斤中频感应电炉内熔炼轴承钢，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.99％C,0.94％Si,0.53％Mn,18.40％Cr,0.47％Al,0.79％Mo,0.15％Nb,0.18％V,0.022％S,0.029％P,余量Fe。当钢水温度升至1640℃，将钢水出炉到钢包。然后将直径的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4.5％，合金线的化学组成及其质量分数是：4.86％Sn,6.93％V,1.78％N,5.18％Ti,36.80％Si,11.25％Ca,10.81％Y,其余为Fe和不可避免的杂质。当钢水温度降至1497℃时，将钢水浇入铸型，得到轴承毛坯。

②轴承毛坯经粗加工后，随炉加热至1050℃，保温1小时后，油冷淬火，然后在200℃回火，回火保温时间12小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。轴承力学性能见表1。

实施例3：

①先在500公斤中频感应电炉内熔炼轴承钢，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.90％C,0.67％Si,0.78％Mn,17.92％Cr,0.53％Al,0.68％Mo,0.16％Nb,0.17％V,0.020％S,0.034％P,余量Fe。当钢水温度升至1629℃，将钢水出炉到钢包。然后将直径的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的4.0％，合金线的化学组成及其质量分数是：5.88％Sn,6.20％V,1.99％N,5.92％Ti,35.19％Si,11.83％Ca,10.07％Y,其余为Fe和不可避免的杂质。当钢水温度降至1492℃时，将钢水浇入铸型，得到轴承毛坯。

②轴承毛坯经粗加工后，随炉加热至1030℃，保温3小时后，油冷淬火，然后在220℃回火，回火保温时间11小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。轴承力学性能见表1。

表1轴承力学性能

力学性能	硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性,J/cm²
				实施例1	56.5	1165	37.6
实施例2	57.7	1190	35.2
				实施例3	57.1	1180	36.9

本发明轴承材料具有优良的力学性能和良好的耐腐蚀性能，在相同腐蚀磨损条件下(相同PH值，相同磨料，相同载荷)，本发明轴承比GCr15轴承提高120～150％。本发明轴承使用安全、可靠性高，具有良好的推广应用前景。

Claims

1.一种耐腐蚀轴承的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①先在电炉内熔炼轴承钢，轴承钢钢水的化学组成及其质量分数是：0.80～1.00％C,0.3～1.0％Si,0.5～1.0％Mn,17.5～18.5％Cr,0.45～0.60％Al,0.5～0.8％Mo,0.15～0.22％Nb,0.15～0.22％V,<0.030％S,<0.035％P,余量Fe；当钢水温度升至1620～1640℃，将钢水出炉到钢包，然后将直径的合金线插入钢包内的钢水中，合金线加入量占钢包内钢水质量分数的3.5～4.5％，合金线的化学组成及其质量分数是：4～6％Sn,6～8％V,1.5～2.0％N,4～6％Ti,35～38％Si,10～12％Ca,10～12％Y,其余为Fe和不可避免的杂质；当钢水温度降至1480～1500℃时，将钢水浇入铸型，得到轴承毛坯；

2.按照权利要求1的方法制备得到的耐腐蚀轴承。