专利名称：一种高硬度高耐磨无磁轴承钢的制作方法
技术领域：
本发明属于合金钢领域，特别涉及一种高硬度高耐磨无磁轴承钢。
背景技术：
随着现代工业和科学技术的的发展，对钢铁材料的性能提出许多特殊的要求，如无磁轴承钢就是其中的一种。无磁轴承钢应具有一般轴承钢所需的较高硬度和耐磨性能，又要求无磁性能，如对于导向系统的高灵敏轴承、石油堪探及采矿和某些仪表轴承，为了防止强磁埸或地磁埸对轴承的影响，要求选用导磁系数μ≤1.02高斯/奥斯特的无磁材料来制造。一般使用的轴承钢由于钢中Mn和Ni的含量较少(Mn 2％以下，Ni 1％以下)，因此淬火-回火热处理后得到的是马氏体组织，因此不具备无磁性能。传统上无磁轴承多采用铍青铜QBe2.0、1Cr18Ni9Ti不锈钢及其它一些无磁材料来制造无磁轴承。铍青铜QBe2.0是含1.9～2.2％Be的铜合金，该合金虽然无磁性，但经最终热处理以后其硬度只有HV350～400(HRC37～42)。1Cr18Ni9Ti不锈钢其组织是奥氏体具有无磁性能，但其硬度最高HRC26。高锰钢虽然也是无磁钢但多作为结构件而使用，如最通用的高锰钢为Mn13(含12～14％Mn)，其最高硬度只有HRC29，只有在冷作硬化时奥氏体转变为马氏体才可以进一步提高硬度，但无磁性能消失。国外也有高强度非磁性高锰钢，但其最高抗拉强度为1109MPa(113.2Kg/mm2，相对应硬度为HRC35)，虽然也有硬度高于HRC45的高锰钢，但是作为热作工具钢使用，其无磁性能恐难于满足要求。上述材料对于高硬度无磁性轴承有时难于满足要求，特别对于某些规格较大的轴承更难于满足使用要求；还有要求耐磨性能良好的无磁模具也需要使用高硬度无磁钢来制造。因此需研制一种硬度较高，耐磨性能较好的新型无磁轴承钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硬度、高耐磨的无磁轴承钢。
根据上述目的，本发明的技术方案的工作原理是奥氏体不锈钢、耐热钢以及高锰系奥氏体钢均属无磁钢的范畴；为了保持无磁性当然必需具有稳定的奥氏体组织。在合金元素中，Mn、Ni、C和N都是形成奥氏体的元素，在钢中加入一定量后，在常温下甚至在低温下都可保持奥氏体组织。在钢中加入强化元素V、W和Mo，通过固溶-时效处理得到高硬度和高耐磨性能，满足使用要求。
根据上述目的和本发明的技术方案工作原理，本发明具体的技术方案为该高硬度高耐磨无磁轴承钢的化学成分组成(重量％)为C 0.65～0.80％，Mn 17.0～19.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 3.5～4.5％，V 1.5～2.5％，W 0.4～1.0％，Mo 0.4～1.0％，N≤0.12％，其余为Fe和不可避免的杂质。
上述各种合金元素在钢中的作用如下Mn锰是扩大奥氏体区和强烈地使奥氏体稳定化的元素，还可以增加氮在钢中的溶解度，可以使在高温下形成的奥氏体在冷却过程中不会分解。当钢中加入铬时，需采用相应的Mn含量方能稳定奥氏体组织，防止马氏体的产生，所以加入17.0～19.0％的Mn为确保奥氏体的稳定性。
C和N在钢中加入0.65～0.80％的C可以进一步形成和稳定奥氏体组织。碳也是强化奥氏体钢的重要元素，可与钢中的Cr、V、W和Mo等元素形成碳化物，在固溶温度下溶入基体，时效时能够弥散析出从而强化基体大大提高钢的强度、硬度和增加耐磨性能。氮是强烈形成和稳定奥氏体的元素，以氮和锰综合作用稳定奥氏体，其效果甚为明显。
Cr加入3.5～4.5％铬的目的是提高钢的抗蚀性能，另一个目的是由于铬是碳化物形成元素，因此和钢中的碳形成铬的碳化物，通过时效处理而弥散析出，进一步提高钢的强度和硬度。
V钒是非常强烈形成碳化物的元素，形成的碳化钒在固熔时能溶于基体，在时效处理时析出微细的碳化钒(VC)而使钢硬化，从而获得高强度和高硬度。钒是时效处理时硬化最有效的元素。
Mo和W钼能溶于奥氏体基体中，起到强化奥氏体的作用。钼和钨是碳化物形成元素，时效处理时从基体弥散析出细小的碳化物而使钢得到进一步的强化。
Si硅能固溶于奥氏体中，从而提高其硬度和强度。硅还可提高钢的弹性极限、改善钢的抗回火软化性能和提高钢的接触疲劳寿命。
制备上述高硬度无磁轴承钢的生产工艺的具体步骤如下(1)、冶炼工艺冶炼工艺采用电弧炉(工频、中频炉)冶炼电极棒，然后进行电渣重溶A、电弧炉冶炼采用氧化法，用Si-Ca脱氧，出钢温度为1550℃～1580℃，包内镇静3分钟后浇注成电极棒；B、电渣重熔采用精炼渣，渣系为二元渣系CaF270％、Al2O330％；(2)、锻造热加工工艺此钢的合金比例较高，加热过程中需缓慢升温，加热温度为1150～1200℃，在加热温度下需充分透烧，锻后空冷；
(3)、热处理工艺A、退火热处理工艺一般奥氏体钢的机加工是在奥氏体化固溶处理后得到较低硬度下进行的，但容易引起加工硬化，特别是高Mn奥氏体钢的加工硬化现象更严重，由于加工硬化而影响切削加工性能，为改善切削加工性能，对锻材采取过时效的退火工艺，可以减少加工硬化而改善切削加工性能。具体退火工艺为850℃～900℃保温3～6h后炉冷至500℃出炉空冷；B、固溶+时效热处理工艺无磁钢属于奥氏体钢，该钢必须选择较高的奥氏体化温度1160℃～1200℃进行保温固溶，使钢中的碳化物充分溶解到奥氏体中，然后迅速淬入水中进行固溶处理，使钢中保留稳定的过饱和奥氏体组织。固溶后进行较长时间的时效处理，其时效工艺为630℃～700℃×15～20小时，然后空冷到室温。在时效处理时由于V、Cr、Mo和W和C形成的碳化物的弥散析出，其硬度显著增加。
本发明无磁轴承钢与现有技术相比具有高硬度、高耐磨的优点。上述优点具体如下硬度(HRC)≥48，抗拉强度(MPa)≥1500，延伸率(％)≥12，Aku(J)≥14，导磁率(高斯/奥斯特)≤1.02。
具体实施例方式
根据本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢采化学组成成分制备了3批轴承钢，表1为本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢与现有技术对比例的化学组成成分对比表(重量％)，表2制备本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢的工艺步骤和工艺参数表，表3本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢与现有技术对比例性能对比表。上述列表中1-3#为本发明实施例，4-7#为现有技术对比例。4为铍青铜QBe2.0，5为不锈钢1Cr18Ni9Ti，6为高锰钢Mn13，7为高强度非磁性高锰钢。
上述制备的3批高硬度高耐磨无磁轴承钢分别应用在(1)、用于防磁电测车的无磁轴承某石油仪器厂生产的防磁电测车的轴承采用本发明钢种制造的3516P无磁轴承，该防磁电测车进行系统的地面测试，结果表明该防磁电测车的防磁性能良好，完合可以适应测自然电位的要求。该防磁电测车在我国某油田进行使用效果良好。
(2)、用于制造电子束爆光机的轨道某电子仪器厂生产的电子束爆光机其轨道需采用高硬度、高耐磨性能的无磁材料来制造，以前采用1Cr18Ni9Ti来制造，由于其硬度较低轨道很快磨损不能满足使用要求。选用本发明钢种进行制造后，由于该钢种防磁性能良好，并且硬度较高、耐磨性较好，使用结果表明轨道基本不磨损，满足了使用要求。
(3)、作为无磁模具使用锶、钡铁氧体磁性材料和Sn-Co磁性合金的成型需在强磁场中进行，为保证其性能指标，因此要求成型模具具有防磁性能，采用本发明钢种制造的无磁模具可以满足使用要求。某磁性材料厂采用本发明钢制造2F8、3F8、401等型号的无磁模具，使用结果表明用本发明钢种制造的无磁模具抗磁性能好，硬度高，耐磨性好寿命长。
表1本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢与现有技术对比例的化学组成成分对比表(重量％)
表2制备本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢的工艺步骤和工艺参数表
表3本发明高硬度高耐磨无磁轴承钢与现有技术对比例性能对比表
权利要求
1.一种高硬度高耐磨无磁轴承钢，其特征在于该钢化学成分组成(重量％)为C 0.65～0.80％，Mn 17.0～19.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 3.5～4.5％，V 1.5～2.5％，W 0.4～1.0％，Mo 0.4～1.0％，N≤0.12％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种制备高硬度高耐磨无磁轴承钢的制备方法，其特征在于该制备包括如下具体工艺步骤(1)、冶炼工艺冶炼工艺采用电弧炉冶炼电极棒，然后进行电渣重溶A、电弧炉冶炼采用氧化法，用Si-Ca脱氧，出钢温度为1550℃～1580℃，包内镇静3分钟后浇注成电极棒；B、电渣重熔采用精炼渣，渣系为二元渣系CaF270％、Al2O330％；(2)、锻造工艺此钢的合金比例较高，加热过程中需缓慢升温，加热温度为1150～1200℃，在加热温度下需充分透烧，锻后空冷；(3)、热处理工艺A、退火热处理工艺具体退火工艺为850℃～900℃保温3～6h后炉冷至500℃出炉空冷；B、固溶+时效热处理工艺固溶热处理工艺加热至奥氏体化温度为1160℃～1200℃充分保温后水冷；C、时效热处理工艺加热至630℃～700℃×15～20小时，然后空冷到室温。
全文摘要
本发明属于合金钢领域，特别涉及一种高硬度高耐磨无磁轴承钢。该轴承钢的化学成分组成(重量％)为C 0.65～0.80％，Mn 17.0～19.0％，Si 0.5～1.0％，Cr 3.5～4.5％，V 1.5～2.5％，W 0.4～1.0％，Mo 0.4～1.0％，N≤0.12％，其余为Fe和不可避免的杂质。制备上述无磁轴承钢的具体工艺如下(1)冶炼工艺，(2)锻造工艺，(3)热处理工艺又分二步A.退火热处理工艺850℃～900℃保温3～6h后炉冷至500℃出炉空冷；B.固溶+时效热处理工艺固溶热处理工艺加热到奥氏体化温度为1160℃～1200℃充分保温后水冷；时效热处理工艺加热至630℃～700℃×15～20小时，然后空冷到室温。本发明无磁轴承钢与现有技术相比具有高硬度、高耐磨的优点。
文档编号C22C33/00GK1888116SQ200610089120
公开日2007年1月3日 申请日期2006年8月4日 优先权日2006年8月4日
发明者俞峰, 许达, 魏果能 申请人:钢铁研究总院