含氮不銹軸承鋼及制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種含氮不銹軸承鋼及制備方法，其中軸承鋼的各組分重量百分含量為：C：0.25～0.45％；Cr：14.00～17.00％；W：0.50～3.00％；Mo≤0.80％；Ni≤3.00％；Co≤0.50％；Cu≤0.20％；N：0.10～0.50％；Si≤1.00％；Mn≤1.00％；S≤0.02％；P≤0.03％；余量為Fe。制備方法步驟含：a、真空熔煉；b、電渣重熔；c、鍛造；d、熱處理。該軸承鋼為含氮馬氏體不銹軸承鋼，其耐蝕性能、力學性能、耐溫性能好，硬度高，作為軸及軸承可以服役于宇航、海洋、風電、鐵路、石化、食品、造紙、智能等腐蝕性環境。
【專利說明】含氮不銹軸承鋼及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種不銹鋼，特別涉及一種含氮馬氏體不銹軸承鋼及其制備方法。
【背景技術】
[0002]軸承是各類機械裝備的重要零部件，在國民經濟和國防領域中占有極其重要的地位，軸承材料是軸承的基礎，軸承在不同的服役工況條件下，對軸承材料的要求是不同的。如:高壓、沖擊服役條件下要求材料具有高的力學性能；磨損疲勞服役工況要求材料耐磨抗疲勞；長壽命、高可靠性要求材料具有高均勻性、高加工精度特性；考慮材料的經濟性要求材料成本低、且可加工性強；在宇航、海洋、風電、鐵路、石化、食品、造紙等腐蝕性環境下，不僅要求材料耐蝕不銹，而且更多要求耐壓、耐磨、耐沖擊，更有甚者要求長壽命、高可靠性等，因此，多樣性成為軸承材料目前重點研究發展的方向之一。
[0003]軸承是各類機械裝備的重要零部件，在國民經濟和國防領域中占有極其重要的地位，軸承材料是軸承的基礎，軸承在不同的服役工況條件下，對軸承材料的要求是不同的。如:高壓、沖擊服役條件下要求材料具有高的力學性能；磨損疲勞服役工況要求材料耐磨抗疲勞；長壽命、高可靠性要求材料具有高均勻性、高加工精度特性；考慮材料的經濟性要求材料成本低、且可加工性強；在宇航、海洋、風電、鐵路、石化、食品、造紙等腐蝕性環境下，不僅要求材料耐蝕不銹，而且更多要求耐壓、耐磨、耐沖擊，更有甚者要求長壽命、高可靠性等，因此，多樣性成為軸承材料目前重點研究發展的方向之一。目前，在腐蝕性環境下服役的軸承材料，有lCrl8Ni9Ti (3YC32)、0Crl7Nil2Mo2 (3YC20)奧氏體不銹鋼，這些不銹鋼的硬度低，即使冷作硬化，硬度也不高，且生產工藝難度大；0Crl7Ni7Al (3YC30)、0Crl7Ni4Cu4Nb(6YC5)沉淀硬化不銹鋼，其硬度〈HRC48，熱處理工藝復雜，這兩類鋼不能滿足腐蝕性環境下服役條件的要求。使用最多的是9Crl8和9Crl8Mo(6YC9)馬氏體不銹軸承鋼以及綜合性能最好的0Cr40Ni55A13 (6YC2B)耐蝕軸承合金，這些不銹鋼雖然有硬度高(可達HRC55以上)的特點，但9Crl8和9Crl8Mo的含碳量較高，組織中共晶碳化物形成較多，顆粒粗大，分布不均勻，大部分分布在晶界上，共晶碳化物從加工表面剝落，形成凹坑，影響表面質量和加工精度，且在使用過程中，共晶碳化物處形成應力集中而產生疲勞裂紋源，從而影響軸承使用壽命；0Cr40Ni55A13屬高合金材料，鐵僅為微量，而材料中的鉻及鎳含量高、價格貴，并且該材料無磁性，在軸承套圈加工時無法采用常規的磁性夾持加工，須采用鑲套磁性材料再磁性夾持加工的加工方法，因此，該軸承合金材料及加工成本都非常聞。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種含氮不銹軸承鋼及制備方法，該軸承鋼為含氮馬氏體不銹軸承鋼，其耐蝕性能、力學性能、耐溫性能好，硬度高，作為軸及軸承可以服役于宇航、海洋、風電、鐵路、石化、食品、造紙、智能等腐蝕性環境。
[0005]本發明所述含氮不銹軸承鋼，各組分重量百分含量為:C:0.25~0.45% ；Cr:14.0O ~17.00%；ff:0.50 ~3.00%；Μο ( 0.80%；Ni ( 3.00%；Co ( 0.50%；Cu ( 0.20%；N:0.10 ~0.50% ；Si ( 1.00% ；Mn ( 1.00% ；S ( 0.02% ；P ( 0.03% ;余量為 Fe。
[0006]上述的含氮不銹軸承鋼，較好的技術方案是，各組分重量百分含量為:
[0007]C:0.30 ~0.40 % ；Cr:14.00 ~17.00 % ；ff:0.50 ~3.00 % ；Mo ^ 0.80 % ；Ni ( 3.00% ；Co ( 0.50% ；Cu ( 0.20% ；N:0.15 ~0.35% ；Si ( 1.00% ；Μη ( 1.00% ；S ≤ 0.02% ；Ρ ( 0.03% ;余量為 Fe。
[0008]上述組分中Cr+W+Mo為15~18%，以保證鋼的抗蝕、耐溫及高硬度性能；Ni+Co+Cu+Mn ( 1.0%，保障鋼的退火及淬回火硬度性能。
[0009]含氮不銹軸承鋼的制備方法，有以下步驟:
[0010]I)真空感應爐熔煉
[0011]按照上述的配比將Fe、Cr、W放入真空感應爐中1550~1650°C高溫精煉20~40分鐘，再加入C熔化后，氮氣保護下加入FeCrN，1480~1550°C相對低溫精煉10~20分鐘后，澆鑄成電渣電極棒；
[0012]2)電渣重熔
[0013]用CaF2、A1203、CaO及MgO作為渣料，將渣料加熱至熔融狀態，倒入電渣爐結晶器中，步驟I)所得電渣電極棒緩慢下降并插入熔融渣料中，通電，調整重熔電流，其電流為3500±1500A、電壓為43±5V，緩慢熔化電極棒，熔化鋼液滴穿過熔融渣層，電渣重熔成電渣
,定;
[0014]3)鍛造
[0015]步驟2)所得的電渣錠熱加至1000~1220°C，保溫I~4h，1080~1220°C高溫上下垂直軸線鍛造開坯，1000~1150°C相對的低溫垂直軸線四面精鍛或自由模鍛鍛造成品棒材，總鍛造比≥4 ；
[0016]4)熱處理
[0017]步驟3)所述的棒材進行退火一淬火一深冷一回火的熱處理，其各環節工藝參數如下:
[0018](I)退火工藝:750 ~85(TC X2 ~8h ;
[0019](2)淬火工藝:950~1050°C Χ0.5~2h，空冷或油冷；
[0020](3)深冷處理:-80°C X8~16h空升；
[0021](4)回火工藝:200 ~300°C X2 ~6h 或 475°C X2 ~4h。
[0022]步驟4)所述鋼熱處理退火后硬度HB ( 300、淬回火后HRC≥48。
[0023]當Cr+W+Mo為15~18 %，Ni+Co+Cu+Mn≤1.0 %時，所述鋼熱處理退火狀態硬度HB ( 260，淬回火態硬度HRC≥55。
[0024]所述渣料各組分重量百分含量為=CaF2S 65-68% ,Al2O3為12-20 %、CaO為10%，MgO 為 5-13%。
[0025]本發明所述軸承鋼，其中主要元素的作用為:
[0026]C、N是鋼奧氏體強烈形成元素，C含量越多，馬氏體鋼淬火后強度及硬度越高，過高則鋼的韌性顯著下降，也影響鋼的耐蝕性；N節約貴金屬鎳奧氏體形成元素，提高了鋼的固溶強度及耐蝕性能，但過高則增加熔煉工藝技術及冶金鑄錠內部質量控制的難度，因此，本發明C的百分含量為0.25~0.45%，N為0.10~0.50%。[0027]Cr、Mo、W都是鋼鐵素體形成元素，也是提高鋼耐蝕性的主要元素。在馬氏體不銹鋼中Cr含量低了達不到不銹的目的，Cr、Mo、W含量太高易出現δ鐵素體，且降低馬氏體轉變點Ms，使鋼難以淬硬。Cr、W是碳化物形成元素，提高了回火穩定性，增大鋼的耐溫性能，本發明Cr的百分含量為14.00~17.00%、W為0.50~3.00%,Mo ( 0.80%。
[0028]所述的成分組成中應同時含有一定量的W及少量Mo，以提高鋼的耐蝕、耐磨、耐壓及耐溫性能
[0029]本發明所述軸承鋼的有益效果是:采用C、N、Cr、Mo、W共同合金化，使材料具有耐蝕耐磨耐溫性能。C保證材料的淬回火硬度及韌性，N既提高鋼的固溶強度及耐蝕性能，也節約貴金屬鎳。同時加入適量Cr、Mo及W提高了鋼的強度、硬度、耐蝕、耐溫等物理力學特性，尤其W的加入阻止了鋼晶粒的長大，降低鋼的過熱敏感性，增加了鋼的紅硬性，提高了鋼高溫蠕變抗力，提升了鋼的回火穩定性及耐磨性能。采用真空熔煉及電渣重熔的雙聯冶金工藝，純凈了鋼的成分，細化了組織，改善了夾雜物形態及分布，提高了鋼的品質，更有利于高精度零部件的加工，在高可靠、長壽命、微小型等特種軸承的加工制造作用效果更突出明顯，同時，提高了成材率，降低了成本。與【背景技術】所述的奧氏體不銹鋼及沉淀硬化不銹鋼相比，本發明所述軸承鋼硬度高、耐磨好；與馬氏體不銹軸承鋼相比，本發明所述軸承鋼組織均勻性好、加工精度高；與高合金材料相比較,本發明所述軸承鋼的材料成本僅為其五分之一左右，因此，本發明所述軸承鋼具有耐蝕、耐磨、易加工、成本低等優點。 [0030]將熱處理后的軸承鋼進行耐蝕性能試驗，按國家標準GB/T10125-2012進行鹽霧試驗，其表面外觀無變化，試驗條件為5±0.1%氯化鈉溶液，PH值6.5~7.2，溫度為35±2°C，24小時連續噴霧，材料的沖擊韌性大于35J。
[0031]本發明所述軸承鋼可用于宇航、海洋、風電、鐵路、石化、食品、造紙、智能等腐蝕性環境下的軸及軸承。
[0032]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步的說明，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明所述軸承鋼的回火組織圖；
[0034]圖2為本發明所述軸承鋼(鋼錠號11，820°C X2h退火)的差熱分析曲線。【具體實施方式】
[0035]本發明所述含氮不銹軸承鋼組分及含量如表1所示:
[0036]表1含氮不銹軸承鋼組分含量
[0037]
【權利要求】
1.一種含氮不銹軸承鋼，其特征在于，各組分重量百分含量為:
C:0.25 ~0.45% ；
Cr:14.00 ~17.00% ；
W:0.50 ~3.00% ；
Mo ≤ 0.80% ；
Ni ≤ 3.00% ；
Co ≤ 0.50% ；
Cu ≤0.20% ；
N:0.10 ~0.50% ；
Si ≤ 1.00% ；
Mn ≤ 1.00% ；
S ≤ 0.02% ；
P ≤ 0.03% 余量為Fe。
2.根據權利要求1所述的含氮不銹軸承鋼，其特征在于，各組分重量百分含量為:
C:0.30 ~0.40% ；
Cr:14.00 ~17.00% ；
W:0.50 ~3.00% ；
Mo ≤ 0.80% ；
Ni ≤ 3.00% ；
Co ≤ 0.50% ；
Cu ≤ 0.20% ；
N:0.15 ~0.35% ；
Si ≤ 1.00% ；
Mn ≤ 1.00% ；
S ≤ 0.02% ；
P ≤ 0.03% 余量為Fe。
3.根據權利要求1或2所述的含氮不銹軸承鋼，其特征在于:上述組分中Cr+W+Mo為15 ~18% ；Ni+Co+Cu+Mn ≤ 1.0%。
4.含氮不銹軸承鋼的制備方法，其特征在于，有以下步驟: 1)真空感應爐熔煉 按照權利要求1-3任一所述的配比將Fe、Cr、W放入真空感應爐中1550~1650°C高溫精煉20~40分鐘，真空度優于IOPa再加入C熔化后，氮氣保護下加入FeCrN，1480~1550°C相對低溫精煉10~20分鐘后，澆鑄成電渣電極棒； 2)電渣重熔 用CaF2、A1203、CaO及MgO作為渣料，將渣料加熱至熔融狀態，倒入電渣爐結晶器中，步驟I)所得電渣電極棒緩慢下降并插入熔融渣料中，通電，調整重熔電流，其電流為3500±1500A、電壓為43±5V，緩慢熔化電極棒，熔化鋼液滴穿過熔融渣層，電渣重熔成電渣,定; 3)鍛造 步驟2)所得的電渣錠熱加至1000~1220°C，保溫I~4h，1080~1220°C高溫上下垂直軸線鍛造開坯，1000~1150°C相對低溫垂直軸線四面精鍛或自由模鍛鍛造成品棒材，總鍛造比≤4; 4)熱處理 步驟3)所述的棒材進行退火一淬火一深冷一回火的熱處理，其各環節工藝參數如下: (1)退火工藝:750~850°CX2~8h ; (2)淬火工藝:950~1050°CΧ0.5~2h，空冷或油冷； (3)深冷處理:-80°CX8~16h空升； (4)回火工藝:200~300°C X 2 ~6h 或 475°C X 2 ~4h。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于:步驟4)所述鋼熱處理退火后硬度HB ( 300、淬回火后HRC≤48。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于:當Cr+W+Mo為15~18%，Ni+Co+Cu+Mn ^ 1.0%時，步驟4)所述鋼熱處理退火狀態硬度HB < 260，淬回火態硬度HRC ≤ 55。
7.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述渣料各組分重量百分含量為:CaF2 為 65-68 %，Al2O3 為 12-20 %、CaO 為 10 %，MgO 為 5-13 %。
【文檔編號】C22B9/18GK104018083SQ201410279667
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】李濟林, 代禮斌, 萬紅, 何曲波, 王金太, 董明雷, 黃敏 申請人:重慶材料研究院有限公司