含氮不銹軸承鋼及制備方法
【專利摘要】本發(fā)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(huán)境。
【專利說明】含氮不銹軸承鋼及制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)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(shù)】
[0002]軸承是各類機械裝備的重要零部件,在國民經(jīng)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(jīng)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(huán)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(fā)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(jīng)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(jīng)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(huán)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(fā)展的方向之一。目前,在腐蝕性環(huán)境下服役的軸承材料,有l(wèi)Crl8Ni9Ti (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(chǎn)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(huán)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(zhì)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(chǎn)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(guī)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(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)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(huán)境。
[0005]本發(fā)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(shù)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(tài),倒入電渣爐結(jié)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(diào)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(huán)節(jié)工藝參數(shù)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(tài)硬度HB ( 260,淬回火態(tài)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(fā)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(jié)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(shù)及冶金鑄錠內(nèi)部質(zhì)量控制的難度,因此,本發(fā)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(xiàn)δ鐵素體,且降低馬氏體轉(zhuǎn)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(wěn)定性,增大鋼的耐溫性能,本發(fā)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(fā)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(jié)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(wěn)定性及耐磨性能。采用真空熔煉及電渣重熔的雙聯(lián)冶金工藝,純凈了鋼的成分,細化了組織,改善了夾雜物形態(tài)及分布,提高了鋼的品質(zhì),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(shù)】所述的奧氏體不銹鋼及沉淀硬化不銹鋼相比,本發(fā)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(fā)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(fā)明所述軸承鋼的材料成本僅為其五分之一左右,因此,本發(fā)明所述軸承鋼具有耐蝕、耐磨、易加工、成本低等優(yōu)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(xù)噴霧,材料的沖擊韌性大于35J。
[0031]本發(fā)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(huán)境下的軸及軸承。
[0032]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明,但并不因此將本發(fā)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(fā)明所述軸承鋼的回火組織圖;
[0034]圖2為本發(fā)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(fā)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(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(quán)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(yōu)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(tài),倒入電渣爐結(jié)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(diào)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(huán)節(jié)工藝參數(shù)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(tài)硬度HB < 260,淬回火態(tài)硬度HRC ≤ 55。
7.根據(jù)權(quán)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(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)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