一種可耐400度高溫的軸承鋼的制備方法與流程

本發(fā)明屬于高溫軸承鋼的成分開(kāi)發(fā)和熱處理工藝技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種新型高溫軸承鋼的成分開(kāi)發(fā)和熱處理工藝。

背景技術(shù)：

高溫軸承鋼主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的主軸軸承，在飛機(jī)或火箭中使用。軸承硬度值越高，對(duì)軸承的疲勞壽命有利，服役時(shí)間越長(zhǎng)。隨著目前燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，需要在高溫下具有更高的硬度才能滿足燃?xì)廨啓C(jī)的長(zhǎng)時(shí)間工作。因而，提高軸承鋼的室溫硬度和高溫硬度是很有必要的。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的高溫軸承鋼的鋼種牌號(hào)及其國(guó)際、美國(guó)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。其中M50(相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的8Cr4Mo4V)是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的高溫軸承鋼，主要用于燃?xì)廨啓C(jī)主軸軸承，屬于全淬硬型軸承鋼，相比滲碳型生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，使用溫度在315℃以下。按照美國(guó)高速鋼標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分特點(diǎn)為：0.78～0.88wt.％C，3.75～4.50wt.％Cr，3.90～4.75wt.％Mo，0.80～1.25wt.％V，0.10～0.15wt.％Ni，0.15～0.45wt.％Mn，0.20～0.60wt.％Si，P≤0.03wt.％，S≤0.03wt.％。M50鋼的熱處理工藝一般為：將鋼在732～843℃下預(yù)熱，后在鹽浴爐內(nèi)加熱至1104℃，保溫最少5分鐘，后油淬到100～200℃，出油空冷到室溫，再加熱到538℃，回火三次，每次2小時(shí)。最終得到萊氏體鋼。在A600.13324高速鋼美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定M50軸承鋼的室溫硬度不得低于61HRC，在軸承鋼的使用標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定軸承鋼在使用溫度下，硬度不能低于58HRC或652HV，軸承鋼的硬度越高，其耐磨性越好。具有上述成分含量和通過(guò)上述熱處理方法處理后的軸承鋼工作表面或次表面存在大顆粒不規(guī)則碳化物，主要是含V、Mo的一次碳化物，在服役過(guò)程中容易成為疲勞剝落的起始點(diǎn)。M50鋼在經(jīng)過(guò)熱處理后，其室溫硬度為洛氏硬度值61～63HRC。

表1國(guó)際、美國(guó)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的高溫軸承鋼化學(xué)成分

對(duì)M50等高溫軸承鋼的改進(jìn)有如下相關(guān)發(fā)明。專利CN104313294A是發(fā)明了提高Cr4Mo4V鋼尺寸穩(wěn)定性的熱處理方法，其鋼成分與M50鋼相同，其熱處理為加熱至1065～1090℃，保溫30～55min，出爐后充氮?dú)庥屠渲?0～200℃；在535～545℃，保溫2～2.5小時(shí)，回火三次。其特征在于：粗磨后在520±5℃下附加回火，4～4.5小時(shí)；細(xì)磨后在250±5℃下附加回火，時(shí)間8～10小時(shí)。處理后其尺寸穩(wěn)定性得到了提高，成品套圈存放后平均尺寸變化率為1.33×10^-5，尺寸最大變化率為2.67×10^-5。專利CN104294031A通過(guò)高壓氣淬工藝方法改善其變形和錐度較大的問(wèn)題。其工藝為將高溫軸承鋼制套圈在真空環(huán)境下預(yù)熱保溫，兩次預(yù)熱溫度和時(shí)間分別為：650℃，30min；850℃，30min，后升溫到1070℃，保溫50±10min；再用高壓氮?dú)鈿獯?，其后?40℃下回火2～2.5h，共3次。其高溫回火后硬度為61.5～62HRC。

另外，國(guó)內(nèi)外有很多對(duì)高溫軸承鋼的表面硬化處理研究，其中最廣泛的是如專利US6966954B2中，對(duì)M50鋼和改進(jìn)后的M50NiL鋼通過(guò)滲碳和滲氮處理。其中M50NiL鋼成分是在M50的基礎(chǔ)上降低C含量同時(shí)提高Ni含量，以達(dá)到高溫滲碳或滲氮的表面熱處理?xiàng)l件。其M50NiL的化學(xué)成分為0.11～0.15wt.％C，4.00～4.25wt.％Cr，4.00～4.50wt.％Mo，1.13～1.33wt.％V，3.20～3.60wt.％Ni，0.15～0.35wt.％Mn，0.10～0.25wt.％Si，P≤0.015wt.％，S≤0.010wt.％，Co≤0.25％，W≤0.25wt.％，Cu≤0.1wt.％，其余為Fe。在高溫下，對(duì)其表面進(jìn)行碳氮共滲處理，其滲層的厚度為0.002-0.014英寸，使得表面硬度得到極大提高，可達(dá)72HRC。

對(duì)服役后失效的高溫軸承檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在軸承工作表面或次表面發(fā)現(xiàn)大塊、形狀不規(guī)則、分布不均勻的一次碳化物，引起了疲勞裂紋的產(chǎn)生和拓展，嚴(yán)重影響了軸承鋼的服役壽命。而碳化物的形狀和分布由鋼的成分與熱處理工藝所決定，因此本發(fā)明開(kāi)發(fā)了一個(gè)新成分體系的高溫軸承鋼及其相應(yīng)的熱處理工藝，可以顯著減少大塊一次碳化物的析出，但同時(shí)保持很高的室溫和高溫硬度，從而可以提高軸承的高溫服役壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種新成分的高溫軸承鋼和對(duì)應(yīng)的制造工藝，以減小碳化物的尺寸，得到均勻分布的碳化物顆粒和更高的硬度值，提高軸承鋼的服役壽命。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種新型的高溫軸承鋼成分設(shè)計(jì)和熱處理方法，在顯著降低形成一次碳化物的V元素含量下，優(yōu)化了其他合金成分含量與相應(yīng)的熱處理工藝，來(lái)保證軸承鋼的室溫和高溫硬度，細(xì)化了碳化物尺寸，細(xì)小彌散分布以提高服役壽命。在新型高溫軸承鋼的成分設(shè)計(jì)方面，所述的高溫軸承鋼從成分上為Mo系軸承鋼，其制備工藝為：

(1)鋼的冶煉：適用于真空感應(yīng)爐和真空電渣重熔雙真空冶煉。成分不同于目前使用的高溫軸承鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.75～0.90wt.％，氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量范圍為0.005～0.012wt.％，所包含的合金元素有Cr，Mo，V，Mn，Ni，Si，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量的范圍為4.50～5.28wt.％Cr，3.75～4.10wt.％Mo，0.56～0.80wt.％V，0.30～0.34wt.％Mn，0.21～0.26wt.％Ni，0.20～0.29wt.％Si，其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量控制在Ti≤0.005wt.％，P≤0.01wt.％，S≤0.008wt.％，O≤0.0009wt.％，其余為Fe及不可避免的不純物。

(2)凝固、熱鍛/熱軋工藝：將上述冶煉獲得鋼液通過(guò)連鑄或模鑄得到鋼坯或鋼錠，凝固后在750～850℃預(yù)熱10min～20min，加熱到1050℃～1150℃，熱鍛或熱軋為直徑不小于15mm的棒材，終鍛或終軋溫度不低于900℃，鍛后爐冷或灰冷至室溫。

(3)熱處理工藝：

將上述鍛材或者軋材依次經(jīng)過(guò)等溫退火、高溫固溶和油淬、高溫回火三個(gè)熱處理工序得到所需的性能。第一步等溫退火時(shí)將軸承鋼加熱到800～870℃，保溫4～6h，然后再以3～10℃/min冷速冷到700～800℃，等溫4～6h，后以20～30℃/h的冷速緩冷至600～670℃，再隨爐冷至室溫；第二步是將冷至室溫的鋼件加熱至750～850℃預(yù)熱30～50min，再以10～20℃/min速度加熱至1050～1060℃，保溫30～50min；出爐后油冷至100～200℃，然后空冷至室溫；第三步是將冷卻后的軸承鋼在520～550℃之間回火2～2.5小時(shí)，后空冷至室溫，共回火三次。處理后其硬度達(dá)到62-65HRC，并在高溫400℃下的維氏硬度達(dá)到658HV以上，相當(dāng)于洛氏硬度58HRC以上，能夠很好地滿足在400℃環(huán)境中工作。

也可將如上述第一步等溫退火得到的鋼件，第二步改為加熱至750～850℃預(yù)熱30～50min，再以10～20℃/min速度加熱至1070℃，保溫30～50min；出爐后油冷至100～200℃，出油空冷至室溫；第三步是將冷卻后的軸承鋼在510～550℃之間回火2～2.5小時(shí)，后空冷至室溫，共回火三次。處理后其硬度達(dá)到63-66HRC，并在高溫400℃下的維氏硬度達(dá)到660HV以上，能夠很好地滿足在400℃環(huán)境中工作。

本發(fā)明方法可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承用鋼的制造，提高了軸承在室溫下和工作溫度下的硬度值，并使得碳化物細(xì)小彌散分布以減少裂紋的產(chǎn)生，可延長(zhǎng)軸承的服役時(shí)間。

附圖說(shuō)明

圖1為經(jīng)過(guò)熱處理后的SEM組織圖，(a)為A鋼在1060℃下固溶處理，540℃回火三次后的組織圖片，(b)B鋼在1050℃下固溶處理，540℃回火三次后的組織圖片。

圖2為熱處理后的光鏡下金相圖，(a)A鋼1070℃下固溶后，540℃三次回火組織圖片，(b)B鋼1050℃下固溶后，540℃三次回火組織圖片。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施方式并結(jié)合附表加以說(shuō)明。

成分如表1和表2所示，由真空感應(yīng)爐和真空電渣重熔雙真空冶煉，后鍛為直徑為25mm的棒材，切割為厚為15mm的小塊，分組實(shí)驗(yàn)。將軸承鋼經(jīng)過(guò)850℃保溫，750℃等溫退火，以20℃～30℃/min的速度冷卻至650℃，后緩冷至室溫，按照表3所示實(shí)驗(yàn)方案，在各固溶溫度加熱30min，出爐油冷至100～200℃之間，再出油空冷至室溫，為防止開(kāi)裂，及時(shí)在300℃以下回火。將冷至室溫的軸承鋼放入回火爐中，按照表3所示溫度進(jìn)行高溫回火，回火時(shí)間為2～2.5h，共回火3次，每次回火出爐后均采用空冷，至室溫再進(jìn)行下一步。對(duì)最終的試樣測(cè)量其洛氏硬度，并對(duì)硬度值較理想的樣品進(jìn)行高溫硬度測(cè)量，測(cè)量溫度為400℃，各個(gè)對(duì)應(yīng)的熱處理工藝以及測(cè)量得到的硬度值如表3、表4。其中，A1、A2、A5～A24、B4～B21號(hào)鋼常溫硬度值均超過(guò)了60HRC，達(dá)到了高溫軸承鋼的使用要求，A6～A9、A12、A13、A18～A22、B6、B7、B11、B12、B18、B19號(hào)樣品的硬度值均超過(guò)了63HRC，超過(guò)了M50軸承鋼常溫下的最大硬度值。對(duì)于在400℃下的硬度測(cè)量值，可見(jiàn)A6～A9、A12～A15、A18～A22、B5～B7、B10～B14、B17～B20號(hào)樣品的高溫硬度均超過(guò)了658HV即58HRC，完全達(dá)到使用要求。圖1為經(jīng)過(guò)熱處理后的SEM組織圖，圖2為熱處理后的光鏡下金相圖，從圖中可以看出該材料的碳化物顆粒細(xì)小，最大尺寸不超過(guò)4μm，彌散分布在回火馬氏體板條之間。

表1發(fā)明鋼A的化學(xué)成分(wt％)

表2發(fā)明鋼B的化學(xué)成分(wt％)

表3A鋼不同熱處理工藝后的硬度值

表4B鋼不同熱處理工藝后的硬度值