含氮不锈轴承钢及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种含氮不锈轴承钢及制备方法，其中轴承钢的各组分重量百分含量为：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％；余量为Fe。制备方法步骤含：a、真空熔炼；b、电渣重熔；c、锻造；d、热处理。该轴承钢为含氮马氏体不锈轴承钢，其耐蚀性能、力学性能、耐温性能好，硬度高，作为轴及轴承可以服役于宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸、智能等腐蚀性环境。
【专利说明】含氮不锈轴承钢及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种不锈钢，特别涉及一种含氮马氏体不锈轴承钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002]轴承是各类机械装备的重要零部件，在国民经济和国防领域中占有极其重要的地位，轴承材料是轴承的基础，轴承在不同的服役工况条件下，对轴承材料的要求是不同的。如:高压、冲击服役条件下要求材料具有高的力学性能；磨损疲劳服役工况要求材料耐磨抗疲劳；长寿命、高可靠性要求材料具有高均匀性、高加工精度特性；考虑材料的经济性要求材料成本低、且可加工性强；在宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸等腐蚀性环境下，不仅要求材料耐蚀不锈，而且更多要求耐压、耐磨、耐冲击，更有甚者要求长寿命、高可靠性等，因此，多样性成为轴承材料目前重点研究发展的方向之一。
[0003]轴承是各类机械装备的重要零部件，在国民经济和国防领域中占有极其重要的地位，轴承材料是轴承的基础，轴承在不同的服役工况条件下，对轴承材料的要求是不同的。如:高压、冲击服役条件下要求材料具有高的力学性能；磨损疲劳服役工况要求材料耐磨抗疲劳；长寿命、高可靠性要求材料具有高均匀性、高加工精度特性；考虑材料的经济性要求材料成本低、且可加工性强；在宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸等腐蚀性环境下，不仅要求材料耐蚀不锈，而且更多要求耐压、耐磨、耐冲击，更有甚者要求长寿命、高可靠性等，因此，多样性成为轴承材料目前重点研究发展的方向之一。目前，在腐蚀性环境下服役的轴承材料，有lCrl8Ni9Ti (3YC32)、0Crl7Nil2Mo2 (3YC20)奥氏体不锈钢，这些不锈钢的硬度低，即使冷作硬化，硬度也不高，且生产工艺难度大；0Crl7Ni7Al (3YC30)、0Crl7Ni4Cu4Nb(6YC5)沉淀硬化不锈钢，其硬度〈HRC48，热处理工艺复杂，这两类钢不能满足腐蚀性环境下服役条件的要求。使用最多的是9Crl8和9Crl8Mo(6YC9)马氏体不锈轴承钢以及综合性能最好的0Cr40Ni55A13 (6YC2B)耐蚀轴承合金，这些不锈钢虽然有硬度高(可达HRC55以上)的特点，但9Crl8和9Crl8Mo的含碳量较高，组织中共晶碳化物形成较多，颗粒粗大，分布不均匀，大部分分布在晶界上，共晶碳化物从加工表面剥落，形成凹坑，影响表面质量和加工精度，且在使用过程中，共晶碳化物处形成应力集中而产生疲劳裂纹源，从而影响轴承使用寿命；0Cr40Ni55A13属高合金材料，铁仅为微量，而材料中的铬及镍含量高、价格贵，并且该材料无磁性，在轴承套圈加工时无法采用常规的磁性夹持加工，须采用镶套磁性材料再磁性夹持加工的加工方法，因此，该轴承合金材料及加工成本都非常闻。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种含氮不锈轴承钢及制备方法，该轴承钢为含氮马氏体不锈轴承钢，其耐蚀性能、力学性能、耐温性能好，硬度高，作为轴及轴承可以服役于宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸、智能等腐蚀性环境。
[0005]本发明所述含氮不锈轴承钢，各组分重量百分含量为: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% ;余量为 Fe。
[0006]上述的含氮不锈轴承钢，较好的技术方案是，各组分重量百分含量为:
[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% ;余量为 Fe。
[0008]上述组分中Cr+W+Mo为15~18%，以保证钢的抗蚀、耐温及高硬度性能；Ni+Co+Cu+Mn ( 1.0%，保障钢的退火及淬回火硬度性能。
[0009]含氮不锈轴承钢的制备方法，有以下步骤:
[0010]I)真空感应炉熔炼
[0011]按照上述的配比将Fe、Cr、W放入真空感应炉中1550~1650°C高温精炼20~40分钟，再加入C熔化后，氮气保护下加入FeCrN，1480~1550°C相对低温精炼10~20分钟后，浇铸成电渣电极棒；
[0012]2)电渣重熔
[0013]用CaF2、A1203、CaO及MgO作为渣料，将渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，步骤I)所得电渣电极棒缓慢下降并插入熔融渣料中，通电，调整重熔电流，其电流为3500±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，电渣重熔成电渣
,定;
[0014]3)锻造
[0015]步骤2)所得的电渣锭热加至1000~1220°C，保温I~4h，1080~1220°C高温上下垂直轴线锻造开坯，1000~1150°C相对的低温垂直轴线四面精锻或自由模锻锻造成品棒材，总锻造比≥4 ；
[0016]4)热处理
[0017]步骤3)所述的棒材进行退火一淬火一深冷一回火的热处理，其各环节工艺参数如下:
[0018](I)退火工艺:750 ~85(TC X2 ~8h ;
[0019](2)淬火工艺:950~1050°C Χ0.5~2h，空冷或油冷；
[0020](3)深冷处理:-80°C X8~16h空升；
[0021](4)回火工艺:200 ~300°C X2 ~6h 或 475°C X2 ~4h。
[0022]步骤4)所述钢热处理退火后硬度HB ( 300、淬回火后HRC≥48。
[0023]当Cr+W+Mo为15~18 %，Ni+Co+Cu+Mn≤1.0 %时，所述钢热处理退火状态硬度HB ( 260，淬回火态硬度HRC≥55。
[0024]所述渣料各组分重量百分含量为=CaF2S 65-68% ,Al2O3为12-20 %、CaO为10%，MgO 为 5-13%。
[0025]本发明所述轴承钢，其中主要元素的作用为:
[0026]C、N是钢奥氏体强烈形成元素，C含量越多，马氏体钢淬火后强度及硬度越高，过高则钢的韧性显著下降，也影响钢的耐蚀性；N节约贵金属镍奥氏体形成元素，提高了钢的固溶强度及耐蚀性能，但过高则增加熔炼工艺技术及冶金铸锭内部质量控制的难度，因此，本发明C的百分含量为0.25~0.45%，N为0.10~0.50%。[0027]Cr、Mo、W都是钢铁素体形成元素，也是提高钢耐蚀性的主要元素。在马氏体不锈钢中Cr含量低了达不到不锈的目的，Cr、Mo、W含量太高易出现δ铁素体，且降低马氏体转变点Ms，使钢难以淬硬。Cr、W是碳化物形成元素，提高了回火稳定性，增大钢的耐温性能，本发明Cr的百分含量为14.00~17.00%、W为0.50~3.00%,Mo ( 0.80%。
[0028]所述的成分组成中应同时含有一定量的W及少量Mo，以提高钢的耐蚀、耐磨、耐压及耐温性能
[0029]本发明所述轴承钢的有益效果是:采用C、N、Cr、Mo、W共同合金化，使材料具有耐蚀耐磨耐温性能。C保证材料的淬回火硬度及韧性，N既提高钢的固溶强度及耐蚀性能，也节约贵金属镍。同时加入适量Cr、Mo及W提高了钢的强度、硬度、耐蚀、耐温等物理力学特性，尤其W的加入阻止了钢晶粒的长大，降低钢的过热敏感性，增加了钢的红硬性，提高了钢高温蠕变抗力，提升了钢的回火稳定性及耐磨性能。采用真空熔炼及电渣重熔的双联冶金工艺，纯净了钢的成分，细化了组织，改善了夹杂物形态及分布，提高了钢的品质，更有利于高精度零部件的加工，在高可靠、长寿命、微小型等特种轴承的加工制造作用效果更突出明显，同时，提高了成材率，降低了成本。与【背景技术】所述的奥氏体不锈钢及沉淀硬化不锈钢相比，本发明所述轴承钢硬度高、耐磨好；与马氏体不锈轴承钢相比，本发明所述轴承钢组织均匀性好、加工精度高；与高合金材料相比较,本发明所述轴承钢的材料成本仅为其五分之一左右，因此，本发明所述轴承钢具有耐蚀、耐磨、易加工、成本低等优点。 [0030]将热处理后的轴承钢进行耐蚀性能试验，按国家标准GB/T10125-2012进行盐雾试验，其表面外观无变化，试验条件为5±0.1%氯化钠溶液，PH值6.5~7.2，温度为35±2°C，24小时连续喷雾，材料的冲击韧性大于35J。
[0031]本发明所述轴承钢可用于宇航、海洋、风电、铁路、石化、食品、造纸、智能等腐蚀性环境下的轴及轴承。
[0032]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明所述轴承钢的回火组织图；
[0034]图2为本发明所述轴承钢(钢锭号11，820°C X2h退火)的差热分析曲线。【具体实施方式】
[0035]本发明所述含氮不锈轴承钢组分及含量如表1所示:
[0036]表1含氮不锈轴承钢组分含量
[0037]
【权利要求】
1.一种含氮不锈轴承钢，其特征在于，各组分重量百分含量为:
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% 余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的含氮不锈轴承钢，其特征在于，各组分重量百分含量为:
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% 余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的含氮不锈轴承钢，其特征在于:上述组分中Cr+W+Mo为15 ~18% ；Ni+Co+Cu+Mn ≤ 1.0%。
4.含氮不锈轴承钢的制备方法，其特征在于，有以下步骤: 1)真空感应炉熔炼 按照权利要求1-3任一所述的配比将Fe、Cr、W放入真空感应炉中1550~1650°C高温精炼20~40分钟，真空度优于IOPa再加入C熔化后，氮气保护下加入FeCrN，1480~1550°C相对低温精炼10~20分钟后，浇铸成电渣电极棒； 2)电渣重熔 用CaF2、A1203、CaO及MgO作为渣料，将渣料加热至熔融状态，倒入电渣炉结晶器中，步骤I)所得电渣电极棒缓慢下降并插入熔融渣料中，通电，调整重熔电流，其电流为3500±1500A、电压为43±5V，缓慢熔化电极棒，熔化钢液滴穿过熔融渣层，电渣重熔成电渣,定; 3)锻造 步骤2)所得的电渣锭热加至1000~1220°C，保温I~4h，1080~1220°C高温上下垂直轴线锻造开坯，1000~1150°C相对低温垂直轴线四面精锻或自由模锻锻造成品棒材，总锻造比≤4; 4)热处理 步骤3)所述的棒材进行退火一淬火一深冷一回火的热处理，其各环节工艺参数如下: (1)退火工艺:750~850°CX2~8h ; (2)淬火工艺:950~1050°CΧ0.5~2h，空冷或油冷； (3)深冷处理:-80°CX8~16h空升； (4)回火工艺:200~300°C X 2 ~6h 或 475°C X 2 ~4h。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:步骤4)所述钢热处理退火后硬度HB ( 300、淬回火后HRC≤48。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:当Cr+W+Mo为15~18%，Ni+Co+Cu+Mn ^ 1.0%时，步骤4)所述钢热处理退火状态硬度HB < 260，淬回火态硬度HRC ≤ 55。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述渣料各组分重量百分含量为:CaF2 为 65-68 %，Al2O3 为 12-20 %、CaO 为 10 %，MgO 为 5-13 %。
【文档编号】C22B9/18GK104018083SQ201410279667
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】李济林, 代礼斌, 万红, 何曲波, 王金太, 董明雷, 黄敏 申请人:重庆材料研究院有限公司