CN111254356A - 一种高强高氮稀土不锈轴承钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.25～0.35%，硅0.5～1%，锰0.5～1%，铬14～16%，钼0.85～1.1%，钒0.1～0.18%，氮0.3～0.5%，稀土元素0.005～0.05%，镍≤0.5%，磷≤0.01%，硫≤0.002%，铁余量。本发明所述为一种马氏体不锈钢，具有高氮、中碳、低镍的组分特点，并添加了稀土元素微合金化，通过优化的元素选择和含量限定，确保不锈钢具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性、较好的冲击韧性、良好的尺寸稳定性以及耐高温性能。

Description

一种高强高氮稀土不锈轴承钢

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种高强高氮稀土不锈轴承钢。

背景技术

轴承是各类机械装备的重要零部件，用来支撑轴或轴上的回转零件，广泛应用于航空航天、轨道交通、机械制造、汽车运输等众多领域。由于轴承多应用在高接触应力、多次循环接触应力和滑动磨损等苛刻环境中，轴承的主要破坏包括接触疲劳破坏与磨损破坏两种形式，这对轴承性能提出了严格的要求，例如高强度、抗磨擦磨损、耐疲劳、耐冲击、防腐蚀、耐高温性能等。

轴承钢中最初应用广泛的是高碳铬马氏体不锈轴承钢，如9Cr18、9Cr18Mo、AISI440、JIS4805等，这类钢种主要通过增加钢材含碳量（1%左右）来提高材料耐磨性能，但由于高含量的碳与铬，冶炼凝固过程中不可避免地出现粗大的共晶碳化物，且很难通过后期的热处理进行消除或者细化，影响轴承表面的加工精度，同时应力集中导致疲劳剥落，严重损害轴承的使用寿命。申请号为201910744941.9的中国发明专利申请，公开了一种稀土型微合金化高碳马氏体不锈钢及其制备方法，通过添加稀土元素降低共晶碳化物的析出、改变共晶碳化物的分布形式，这种方式效果有限，无法完全消除高碳带来的影响。

国内外研究发现，通过降碳加氮的方式可以改善高碳铬马氏体不锈轴承钢的共晶碳化物，氮元素能像碳元素一样以间隙形式强化基体，但不会像碳元素一样导致晶间碳化物的析出，有效改善碳化物尺寸和分布，使钢的韧性和强度得到提升。氮作为一种经济和环境友好的、多功能的合金元素，最初是作为奥氏体化元素代替昂贵的镍元素而作用于奥氏体钢中，以降低成本和改善材料性能，之后用于开发铁素体钢和马氏体钢。由于受到试验装备的限制，国内高氮钢的研究远落后于世界许多国家，虽然也开发出了一些高氮钢，但现有的高氮钢在元素组成以及含量限定上都存在诸多不足，无法保证高氮钢的质量。

申请号为201611097136.4的中国发明专利公开了一种含氮马氏体不锈轴承钢，各组分重量百分含量为：C：0.18%～0.23％；N：0.25～0.67％；Co≤0.50％；Cr：14.00～18.00％；W：0.50～1.50％；Mo：≤1.5％；V：≤0.15%；Ni：1.00～2.00％；Si≤0.80％；Mn≤0.70％；Se≤0.02％；Al≤0.03％；Re≤0.03％；余量为Fe。该发明为一种高氮钢，碳含量低，还添加了稀土元素改善夹杂物形态、分布及细化晶粒，一定程度上优化了不锈钢性能，但是存在以下不足：①效果上只体现了耐腐蚀性能的优化，对于降碳加氮对于强度、硬度的影响效果并未提及，该发明氮含量覆盖范围广上限高，碳含量则很低，而氮含量过高或碳含量过低都会产生负面影响；②镍含量仍旧较高，一方面，镍会降低氮的溶解度，增加工艺难度；另一方面，镍在热处理组织转变时会阻碍奥氏体向马氏体的转变，导致残余奥氏体量增加，影响钢的尺寸稳定性、耐磨性等；此外，镍价格贵，增加不锈钢成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种高强高氮稀土不锈轴承钢，为一种马氏体不锈钢，具有高氮、中碳、低镍的组分特点，并添加了稀土元素微合金化，通过优化的元素选择和含量限定，确保不锈钢具备高强、耐磨、耐腐蚀、韧性好等性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：

碳 0.25～0.35%

硅 0.5～1%

锰 0.5～1%

铬 14～16%

钼 0.85～1.1%

钒 0.1～0.18%

氮 0.3～0.5%

稀土元素 0.005～0.05%

镍 ≤0.5%

磷 ≤0.01%

硫 ≤0.002%

其余为铁和不可避免的杂质元素。

优选的，所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕中的一种或多种。优选的，所述氮的重量百分比为0.3～0.44%。

优选的，所述碳的重量百分比为0.28～0.32%。

优选的，所述稀土元素的重量百分比为0.01～0.03%。

优选的，所述稀土元素的重量百分比为0.01～0.02%。

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。本发明上述技术方案中，在成分设计方面主要考虑了如下因素：

镍：镍是一种强奥氏体形成元素，能有效提高奥氏体稳定性，并提升材料的塑性、韧性以及耐腐蚀性。但镍含量过高会导致残余奥氏体量增加，影响钢的尺寸稳定性；并且氮原子在镍原子周围引起的变化很小，所以镍会降低氮的溶解度。此外，镍资源短缺，价格昂贵，同时镍也是一种对人体有害的元素, 容易引起人体过敏，因此需尽量减少镍的含量。

碳：碳是一种奥氏体形成元素，是提高硬度的有效元素，但要严格控制含量，太高了对钢的韧性产生不利影响，太低了钢的硬度和耐磨性达不到要求，本发明碳含量控制在0.25～0.35%，更加优化的，控制在0.28～0.32%。

氮：氮与镍一样是强奥氏体形成元素，可以稳定奥氏体组织、提高强度，并且提高耐腐蚀性，特别是耐局部腐蚀如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等，是镍的最佳替代者，本发明可将镍含量控制在≤0.5%；同时氮元素取代部分碳，基本消除了大尺度的共晶碳化物，改善碳化物尺寸和分布。碳和镍含量的优化依赖于氮的加入，而且氮元素含量必须控制在0.3～0.5%，低于0.3%时，无法达到不锈钢状态（即常温下为全奥氏体，经热处理后转化为全马氏体的状态），高于0.5%时，会出现气孔；更加优化的，控制氮含量在0.3～0.44%，该范围内能够确保不锈钢的一致性。

钒：钒是微合金化元素，和碳、氮、氧有极强的亲和力，并与之形成相应的稳定化合物，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，通过增加钒得到细而均匀的VN、VC，有效提高钢的强度、硬度及热塑性。

稀土元素：本发明中加入稀土的作用，包括：①脱氧脱硫，净化钢液；②变质夹杂，生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代长条状硫化锰夹杂，使硫化物形态得到完全控制，提高钢的韧塑性特别是横向冲击韧性，改善钢材的各向异性，稀土还使高硬度的氧化铝夹杂转变成球状硫氧化物及铝酸稀土，显著地提高钢的抗疲劳性能；③微合金化，加入稀土能够进一步细化VN、VC、CrN颗粒并提高强度和韧性等综合机械性能。微量的稀土还具有具有强化晶界的作用，提高钢的高温热塑性。更加优化的，本发明稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕中铈系或镧系稀土元素中的一种或多种；这七种元素均为轻稀土，它们质量较小，冶炼过程与氧结合后产生的杂质容易上浮，有效降低除杂难度。本发明稀土元素的含量为最终分布在轴承钢的部分，并不包括夹杂后上浮去除的部分。

铬：铬为不锈钢耐腐蚀性能主要元素，能与氧结合生成 Cr₂O₃钝化保护膜使得材料呈现不锈性。此外，氮原子能强烈地引起铬的短程无序，所以不锈钢中加入铬可以提高氮的溶解度。

钼：钼是提高不锈钢耐蚀性的有效元素，在不锈钢中同时加入铬、钼、氮元素，形成的钝化膜耐蚀性能明显提高，尤其是耐点腐蚀性能，但钼加多了易出现δ铁素体和降低马氏体转变点，使钢难以淬硬，本发明将其含量控制在0.85～1.1%。此外，不锈钢中加入钼元素可以提高氮的溶解度。

锰：锰是良好的脱氧剂，也是一种奥氏体形成元素，能提高不锈钢的强度、耐磨性、淬透性。

硅：硅是良好的脱氧剂，一般来源于炼钢还原过程，一定含量的硅可改善钢水的流动性，但过高会降低材料塑性。因钢材冶炼期间常通过添加硅铁作为脱氧剂和还原剂，不可避免残留该元素。

磷：磷是不锈钢中一种有害杂质元素，增加钢的冷脆性，本发明磷含量控制在≤0.01%。

硫：硫是不锈钢中一种有害杂质元素，易与Fe形成低熔点化合物FeS，降低钢的热塑性能，轧制或锻造时易形成裂纹，本发明硫含量控制在≤0.002%。

本发明有益效果如下：

1、通过添加氮元素替代镍元素和部分碳元素，显著降低成本，优化组织分布和力学性能。氮元素通过固溶强化、晶界强化、加工硬化及析出强化，提高含氮钢的强度，同时不损害钢的韧性，且高硬度与均匀分布的碳氮化物使其具有良好的耐磨与耐蚀性能。三种元素的含量严格控制在氮 0.3～0.5%，碳 0.25～0.35%，镍≤0.5%时，可以获得最优的综合性能。此外，减少镍元素的含量以及加入铬、钼元素还能降低氮元素的溶解难度以及工艺难度。

2、添加稀土和钒两种微合金化元素，细晶强化，提高碳化物的弥散分布程度，提高不锈钢的硬度、强度、塑性。稀土元素的加入能使钢板、无缝钢管的横向冲击韧性提高50%以上，寿命提高1倍。

3、通过铬、钼、氮组合的形式使钝化膜耐蚀性能优异，并且稀土和镍也有一定的耐腐蚀作用，使轴承钢具有良好的耐腐蚀性。

本发明的轴承钢满足以下性能要求：具有高的强度和硬度；具有高的耐腐蚀性；具有较好的冲击韧性，轴承工作中可以承受冲击载荷；具有良好的尺寸稳定性，防止轴承在长期使用过程中因尺寸变化降低精度和寿命；具有高的耐高温性能（500℃以内）。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.25%，硅0.5%，锰0.5%，铬14%，钼0.85%，钒0.1%，氮0.3%，铈0.005%，磷≤0.01%，硫≤0.002%，铁余量。

实施例2

一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.28%，硅0.6%，锰0.6%，铬14%，钼0.9%，钒0.12%，氮0.4%，铈0.01%，镍0.1%，磷≤0.01%，硫≤0.002%，铁余量。

实施例3

一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.30%，硅0.6%，锰0.8%，铬15%，钼0.9%，钒0.12%，氮0.44%，镧0.02%，镍0.3%，磷≤0.01%，硫≤0.002%，铁余量。

实施例4

一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.32%，硅0.8%，锰0.8%，铬15%，钼1.0%，钒0.16%，氮0.48%，镧0.015%，铈0.015%，镍0.15%，磷≤0.01%，硫≤0.002%，铁余量。

实施例5

一种高强高氮稀土不锈轴承钢，包括以下重量百分比的成分：碳0.35%，硅1%，锰1%，铬16%，钼1.1%，钒0.18%，氮0.5%，铈0.05%，镍0.5%，磷≤0.01%，硫≤0.002%，铁余量。

实施例6

该对比例元素组成基本同实施例5，区别在于氮含量为0.44%。

对比例1

该对比例为9Cr18钢种。

对比例2

该对比例元素组成基本同实施例1，区别在于碳含量为2.0%。

对比例3

该对比例元素组成基本同实施例5，区别在于镍含量为0.6%。

对比例4

该对比例元素组成基本同实施例1，区别在于不加稀土。

对比例5

该对比例元素组成基本同实施例1，区别在于不加钒元素。

对实施例1～6及对比例1～5进行性能测试，测试方法和结果如下：

①方法

强度：拉伸试验(GBT 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法)

韧性：冲击试验 (GBT 229-2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法)

硬度：洛氏硬度仪 (GB T 230-2002 金属洛氏硬度试验 第2部分 硬度计(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)的检验与校准)

耐腐蚀：盐雾试验(GBT 10125-2012 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验)

②测试结果

注：实施例5和6的区别仅在于氮含量，由上表可以看出力学性能上差异不大，但在产品一致性上，0.44%的氮含量优于0.5%；实施例5和对比例3的区别仅在于镍含量，由上表可知镍含量超过0.5%力学性能并无改善，只会提高成本，增大对人体危害。

综上，实施例1～6均具有良好的强度、韧性、硬度和耐腐蚀性，综合性能优异；根据对比例的结果可以得知：稀土对于韧性的提高起关键作用；降低碳含量会使钢的硬度下降；不加钒元素会使钢的各项力学性能有所下降；提高镍含量会导致成本上升且对人体有害；相比于高碳铬的9Cr18钢种，各项性能均有显著提升。

本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制。本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种高强高氮稀土不锈轴承钢，其特征在于：包括以下重量百分比的成分：

碳 0.25～0.35%

硅 0.5～1%

锰 0.5～1%

铬 14～16%

钼 0.85～1.1%

钒 0.1～0.18%

氮 0.3～0.5%

稀土元素 0.005～0.05%

镍 ≤0.5%

磷 ≤0.01%

硫 ≤0.002%

其余为铁和不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的高强高氮稀土不锈轴承钢，其特征在于：所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的高强高氮稀土不锈轴承钢，其特征在于：所述氮的重量百分比为0.3～0.44%。

4.根据权利要求1所述的高强高氮稀土不锈轴承钢，其特征在于：所述碳的重量百分比为0.28～0.32%。

5.根据权利要求1所述的高强高氮稀土不锈轴承钢，其特征在于：所述稀土元素的重量百分比为0.01～0.03%。

6.根据权利要求1所述的高强高氮稀土不锈轴承钢，其特征在于：所述稀土元素的重量百分比为0.01～0.02%。