CN113528941A - 一种含氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含氮马氏体不锈钢及其制备方法，其中，一种高氮马氏体不锈轴承钢，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：C：0.60～0.75％，Cr：16.0～18.0％，Mo：0.50～0.65％，N：0.15～0.25％，Si：≤0.80％，Mn：≤0.50％，S：≤0.30％，P：≤0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质。该含氮马氏体不锈轴承钢中通过加入0.15～0.35％的氮元素及，促进共晶析出物弥散分布，有效降低一次碳化物的析出，且含氮马氏体不锈轴承钢的C与Cr及Mo等元素相互作用和配合，显著提高了材料的强韧性，解决了高碳铬马氏体不锈轴承钢韧性差的问题。

Description

一种含氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种含氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法。
背景技术
高碳铬不锈轴承钢是应用最广泛的不锈轴承钢，其典型钢种为9Cr18及9Cr18Mo，9Cr18Mo是在9Cr18的基础上添加钼发展起来的。与9Cr18相比，9Cr18Mo具有更高的硬度和抗回火稳定性。9Cr18和9Cr18Mo这两种高碳高铬马氏体不锈钢，淬火后可以达到较高的硬度和耐磨性，但是因为其碳含量和铬含量较高，所以不可避免的存在大尺寸共晶析出物和沿晶界成网状或是带状分布的共晶析出物(碳化物)，其极大地降低了轴承钢的塑性、韧性和耐腐蚀性能等，从而这类轴承钢的韧性很差，其无缺口冲击韧性仅仅约几十个焦耳，而其U型缺口韧性仅仅有几个焦耳。
如中国发明专利《高硬度高耐磨高氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法》，其专利号为ZL201610712698.9(授权公告号为CN106086631B)公开了一种高硬度高耐磨高氮马氏体不锈轴承钢的化学成分重量％为：C：0.65％～1.25％，Cr：13.00％～20.00％，Mo： 0.15～4.50％，N：0.05～0.50％，V：0.03～1.20％，Nb≤0.1％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，其余为Fe及不可避免的不纯物，并且Ti≤0.0020％，Al：≤0.008％，P≤0.010％，S≤ 0.008％，Cu≤0.25％，Ni≤0.30％，Ca≤0.001％，As≤0.04％，Sn≤0.03％，Sb≤0.005％， Pb≤0.002％，其中0.8％≤C+N≤1.50％。上述专利中的高氮马氏体不锈轴承钢虽然获得了较高的硬度，但是由于上述专利中的马氏体不锈轴承钢中含有一定量的V和Nb等昂贵金属元素，一般情况下，Nb和V均作为微合金化元素在钢中少量添加已达到细化晶粒和析出强化的效果。上述专利中V的最大添加量达到了1.20％，一方面造成合金的成本显著增加，另一方面，过多的V元素添加易形成大量碳化钒和氮化钒的析出物，对钢材的后续热处理和加工带来难度，并与Nb共同作用易于形成Fe-Nb-C共晶体和Fe-Nb 共晶体，降低钢材的塑韧性。
又如中国发明专利申请《韧性和耐蚀性均优于9Cr18MoV的刀具用高钼马氏体不锈钢和方法》，其专利申请号为CN201911264220.4(申请公布号为CN110923579A)公开了一种高钼马氏体不锈钢，包括由以下化学成分及其重量百分比含量组成的合金结构体：碳C＝0.65～0.85，铬Cr＝14～16，钼Mo＝2.00～3.50，锰Mn＝0.8～1.5，钒V＝ 0.05～0.50，铌Nb＝0.05～0.15，硅Si＝0.10～0.30，硫S≤0.010，磷P≤0.015，余量为铁Fe。上述专利中虽然提高了马氏体不锈钢的韧性和耐蚀性，但由于该钢中含有大量的 Mo、Mn等元素，过高的Mo会增加钢材脱碳的倾向性，过高的Mn会降低钢材的抗氧化性能，增加钢材的过热敏感性和回火脆性。
又如中国发明专利《一种显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法》，其专利号为ZL201710285036.2(授权公告号为CN107014661B)公开了一种显示高氮马氏体不锈钢的成分范围为：C：0.2～0.6％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，Cr：15.0～18.0％， Mo：0.5～1.5％，N：0.25～0.5％，Fe：余量。上述专利中的C含量在0.2～0.6％，C％+N％总量0.45～1.1％之间，由于氮元素在马氏体中的溶解度很低，上述专利中的氮含量较高，为了获得氮的收得率，即增加氮在马氏体轴承钢中的溶解度需要特殊的冶炼手段，需要采用诸如加压感应熔炼或加压电渣重熔等，势必造成冶炼制备难度加大，制造成本增加。
因此，需要对现有的马氏体不锈轴承钢及其制备方法作进一步的改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种兼具高强度、高硬度和高冲击韧性的含氮不锈轴承钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种上述高氮马氏体不锈轴承钢的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高氮马氏体不锈轴承钢，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：C：0.60～0.75％，Cr：16.0～18.0％，Mo：0.50～0.65％，N：0.15～0.25％，Si：≤0.80％，Mn：≤0.50％，S：≤0.30％，P：≤0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质。
C：碳是保证轴承钢的硬度、强度、耐磨性的主要元素之一。马氏体的硬度主要是由碳含量决定的，基体中固溶的碳元素含量越高，马氏体的硬度越大。但碳含量的增加易使钢产生偏析从而在组织中产生液析碳化物、带状碳化物和网状碳化物，这些不均碳化物对轴承钢的疲劳寿命产生不利的影响，尤其是碳化物液析形成大块状共晶碳化物对轴承钢的疲劳寿命损害极大。另外，碳在不锈轴承钢中与铬形成碳化物，含碳量越高，形成的碳化铬越多，固溶体中的含铬量越低，钢的电极电位就越低，故其耐蚀性也越低。因此，充分考虑C与Cr和N元素的交互作用，将C含量控制在0.60～0.75％之间，并满足C％+N％的含量在0.75～1.0％之间。
Cr：铬是一种铁素体形成元素，当铬含量足够大时，钢会变成单一的铁素体不锈钢，不锈轴承钢中铬元素的含量不能太高，否则无法得到稳定的奥氏体相区，则无法通过淬火得到马氏体。此外，铬在不绣轴承钢中最重要的作用之一就是提高钢的耐蚀性，钢的铬含量比较低时，侵蚀深度随铬含量的提高而减小，当铬含量超过12％后，侵蚀深度减小到零。因此，包括不锈轴承钢在内的各种不锈钢的铬含量都在12％以上。而本发明充分考虑Cr元素对相组织、耐蚀性、硬度以及与C交互作用等的影响，将Cr含量控制在 16.0～18.0％范围内，可以保障钢的淬透性和高硬度、高的耐蚀性。
Mo：钼跟铬一样也是铁素体形成元素，它们形成铁素体的能力相当。在不锈轴承钢中，钼能提高钢的强度和硬度，也能和钢中的碳形成M2C型碳化物，在较高温度回火时析出，使钢产生二次硬化，提高钢的高温性能。此外Mo还能提高钢的抗点蚀能力，因此将Mo的含量在0.50～0.65％之间。
N：不锈轴承钢这类马氏体不锈钢中碳、铬含量高，使组织中出现大块的共晶碳化物从而降低了材料的疲劳寿命。当用氮代替部分碳后，材料的硬度、强度不会降低，但由于降低碳含量以及相应的铬含量的减少，组织中不出现大的共晶碳化物，另外形成氮化物或碳氮化物析出相也细小弥散，那么材料的疲劳寿命能得到大幅提高。另外，传统马氏体不锈钢中如9Cr18形成的M23C6会消耗大量的铬，而加入氮后形成的碳氮化物或氮化物消耗的铬含量更少，因此，氮对提高钢的耐蚀性是有益的。本发明充分考虑氮元素在不锈马氏体轴承钢中的作用及其溶解度，既保证其可以获得细小弥散分布的碳氮化物或氮化物，又避免钢在凝固过程中出现皮下气泡，氮元素的添加量必须充分考虑与其他元素和工艺的协调，以确保氮以固溶态存在或细小弥散碳氮化物或氮化物形式存在，本发明将氮的含量控制在0.15～0.25％。
Si：硅在不锈钢中是铁素体形成元素，溶于铁素体中提高钢的硬度和强度，但硅含量增加会降低钢材塑性，本发明将硅的含量控制在0.5％以内。
Mn：锰是弱奥氏体形成元素，但在不锈钢中是强烈的奥氏体组织稳定元素，并能提高氮在钢中的溶解度。
所述含氮马氏体不锈轴承钢的室温屈服强度为1100～1300MPa，室温抗拉强度为1600MPa～1720MPa，延伸率为10.0～15.0％，硬度HRC为55～62，冲击功KU2为45～ 55J。如此，含氮马氏体不锈轴承钢兼具高强度、高硬度和高冲击韧性。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种制备所述的高氮马氏体不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：
1)按上述比例将原材料称量后进行熔炼铸造，形成铸锭；
2)将铸锭进行锻造处理而形成棒材；
3)将步骤2)的棒材进行热处理。
优选地，在步骤2)中在进行锻造处理之前，先将步骤1)的铸锭在温度T1＝1000～1200℃下，保温时间t1为3～5h。
优选地，锻造处理中的开锻温度为T1，终锻温度为940～960℃，略高于9Cr18Mo 等高碳马氏体轴承钢的终锻温度，充分考虑马氏体不锈轴承钢的变形抗力大，容易出现锻造开裂等因素，提高终锻温度一是可以增大锻造比，有利于组织均匀和晶粒细化，二来可以提高成材率。
优选地，所述温度T1为1100℃，保温时间t1为4h，终锻温度为950℃。
优选地，在步骤3)中，将棒材在温度T2为850～880℃下，保温时间t2为2～4h下退火，退火后将棒材加热至温度T3为1100～1150℃下保温时间t3为1.5～2.5h后，油冷至室温，随后在温度T4为170～190℃下保温时间t4为1.5～2.5h下进行低温回火。
进一步优选地，温度T2为870℃，保温时间t2为3h，温度T3为1130℃，保温时间 t3为2h，温度T4为180℃，保温时间t4为2h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该含氮马氏体不锈轴承钢中通过加入0.15～ 0.25％的氮元素，只需采取常规冶炼或在氮气保护下冶炼即可制备马氏体不锈轴承钢，且充分考虑氮元素在马氏体不锈轴承钢中的作用及其溶解度，既保证其可以获得细小弥散分布的碳氮化物或氮化物，又避免钢在凝固过程中出现皮下气泡，促进共晶析出物弥散分布，有效降低一次碳化物的析出，且含氮马氏体不锈轴承钢的C与Cr及Mo等元素相互作用和配合，显著提高了材料的强韧性，解决了高碳铬马氏体不锈轴承钢韧性差的问题，冲击韧性与9Cr18和9Cr18Mo相比提高了10倍左右；另外，该轴承钢可广泛应用于航空航天、兵器舰船以及高端精密车床等高端领域对马氏体不锈轴承钢的需求。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例的含氮马氏体不锈轴承钢，按照质量百分比计，其化学成分包含有：C：0.60％，Cr：17.5％，Mo：0.65％，N：0.20％，Si：0.35％，Mn：0.33％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，C+N＝0.80％。
上述含氮马氏体不锈轴承钢的制备方法依次包括以下步骤：
1)按上述比例将原材料称量后进行熔炼铸造，形成铸锭；
2)将步骤1)中的铸锭在温度T1＝1100℃下，保温时间t1为4h后锻造成φ30mm 的棒材，开锻温度为1100℃，终锻温度为950℃；
3)将步骤2)的棒材进行热处理：首先将棒材在温度T2为870℃下，保温时间t2为3h下退火，退火后将棒材加热至温度T3为1130℃下保温时间t3为2h后，油冷至室温，随后在温度T4为180℃下保温时间t4为2h下进行低温回火。
本实施例所制备的含氮马氏体不锈轴承钢的室温性能如下：抗拉强度Rm为1750MPa，塑性延伸为0.2％时所对应的强度值Rp0.2为1280MPa，延伸率A为13％，硬度HRC为60，冲击功KU2为48J。
实施例2：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：含氮马氏体不锈轴承钢的成分含量不同并，具体地，本实施例的含氮马氏体不锈轴承钢，按照质量百分比计，其化学成分包含有：C：0.65％，Cr：17.5％，Mo：0.65％，N：0.25％，Si：0.32％，Mn：0.23％，余量为Fe 和不可避免的杂质，其中，C+N＝0.90％。
本实施例所制备的含氮马氏体不锈轴承钢的室温性能如下：抗拉强度Rm为1650MPa，塑性延伸为0.2％时所对应的强度值Rp0.2为1180MPa，延伸率A为14％，硬度HRC为58，冲击功KU2为52J。
实施例3：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：含氮马氏体不锈轴承钢的成分含量不同并，具体地，本实施例的含氮马氏体不锈轴承钢，按照质量百分比计，其化学成分包含有：C：0.70％，Cr：16.5％，Mo：0.62％，N：0.15％，Si：0.30％，Mn：0.25％，余量为Fe 和不可避免的杂质，其中，C+N＝0.85％。
本实施例所制备的含氮马氏体不锈轴承钢的室温性能如下：抗拉强度Rm为1680MPa，塑性延伸为0.2％时所对应的强度值Rp0.2为1200MPa，延伸率A为13.5％，硬度HRC为61，冲击功KU2为50J。
实施例4：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：含氮马氏体不锈轴承钢的成分含量不同并，具体地，本实施例的含氮马氏体不锈轴承钢，按照质量百分比计，其化学成分包含有：C：0.75％，Cr：16％，Mo：0.50％，N：0.25％，Si：0.50％，Mn：0.40％，S：0.15％， P：0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，C+N＝1.0％。
含氮马氏体不锈轴承钢的制备方法中所采用的工艺参数有所区别，具体地，温度T1为1000℃，保温时间t1为5h，温度T2为850℃，保温时间t2为2h，温度T3为1100℃， t3为1.5h，温度T4为190℃，保温时间t4为2.5h。
实施例5：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：含氮马氏体不锈轴承钢的成分含量不同并，具体地，本实施例的含氮马氏体不锈轴承钢，按照质量百分比计，其化学成分包含有：C：0.75％，Cr：18％，Mo：0.50％，N：0.25％，Si：0.80％，Mn：0.50％，S：0.30％， P：0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，C+N＝1.0％。
含氮马氏体不锈轴承钢的制备方法中所采用的工艺参数有所区别，具体地，温度T1为1200℃，保温时间t1为3h，温度T2为880℃，保温时间t2为4h，温度T3为1150℃， t3为2.5h，温度T4为170℃，保温时间t4为1.5h。
实施例6：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：含氮马氏体不锈轴承钢的成分含量不同并，具体地，本实施例的含氮马氏体不锈轴承钢，按照质量百分比计，其化学成分包含有：C：0.61％，Cr：18％，Mo：0.50％，N：0.24％，Si：0.80％，Mn：0.50％，S：0.30％， P：0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，C+N＝0.9％。
对比例：
采用9Cr18Mo，其化学成分按照质量百分比计包含有：C：0.95～1.10％，Cr：16.0～18.0％，Mo：0.40～0.70％，Si：≤0.80％，Mn：≤0.80％。采用与实施例1完全相同的制备方法，所制备出的9Cr18Mo的室温性能如下：抗拉强度Rm为1780MPa，塑性延伸为0.2％时所对应的强度值Rp0.2为1330MPa，延伸率A为1.5％，硬度HRC为58，冲击功KU2为3.0J。
上述各个实施例与上述对比例相比可知，本发明各个实施例在保证抗拉强度、Rp0.2及硬度HRC基本相当的前提下，其延伸率和冲击功均基本提高了10倍以上。

Claims (8)

1.一种高氮马氏体不锈轴承钢，其特征在于，按照质量百分比计，包括有以下组分：C：0.60～0.75％，Cr：16.0～18.0％，Mo：0.50～0.65％，N：0.15～0.25％，Si：≤0.80％，Mn：≤0.50％，S：≤0.30％，P：≤0.35％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高氮马氏体不锈轴承钢，其特征在于：所述含氮马氏体不锈轴承钢的室温屈服强度为1100～1300MPa，室温抗拉强度为1600MPa～1720MPa，延伸率为10.0～15.0％，硬度HRC为55～62，冲击功KU2为45～55J。
3.一种制备权利要求1或2所述的高氮马氏体不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：
1)按上述比例将原材料称量后进行熔炼铸造，形成铸锭；
2)将铸锭进行锻造处理而形成棒材；
3)将步骤2)的棒材进行热处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤2)中在进行锻造处理之前，先将步骤1)的铸锭在温度T1＝1000～1200℃下，保温时间t1为3～5h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：锻造处理中的开锻温度为T1，终锻温度为940～960℃。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述温度T1为1100℃，保温时间t1为4h，终锻温度为950℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤3)中，将棒材在温度T2为850～880℃下，保温时间t2为2～4h下退火，退火后将棒材加热至温度T3为1100～1150℃下保温时间t3为1.5～2.5h后，油冷至室温，随后在温度T4为170～190℃下保温时间t4为1.5～2.5h下进行低温回火。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：温度T2为870℃，保温时间t2为3h，温度T3为1130℃，保温时间t3为2h，温度T4为180℃，保温时间t4为2h。
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