一种提高高氮不锈轴承钢组织稳定性的热处理方法

技术领域

本发明属于轴承钢热处理技术领域，具体涉及一种提高高氮不锈轴承钢组织稳定性的热处理方法。

背景技术

轴承钢广泛应用于航空航天、交通机械、食品工业、能源等众多领域，被视为一个国家冶金水平的标志。航空轴承钢在高温、重载荷等苛刻环境工作，是生产要求最严格的钢种之一。相较于一般合金钢，高氮钢有着极强的耐腐蚀性能和更高的服役寿命。近年来，随着航空航天、轨道交通等高端装备制造业的发展，高端轴承钢的生产技术得到快速突破和提升。基于“降碳增氮”设计理念开发的第三代航空高氮不锈轴承钢，有着优异的力学、腐蚀和服役性能，已逐渐成为高品质轴承钢的重要发展方向。

目前通过加压电渣重熔工艺生产的高氮不锈轴承钢具有很高的洁净度、均匀的显微组织，同时具有极佳的强度、硬度和耐磨性、良好的耐腐蚀性和接触疲劳性能。氮的加入能促进钢中细小弥散相析出、晶粒细化及固溶强化，使其具有优异的耐腐蚀和疲劳性能。热处理工艺可以调控轴承钢中析出相、马氏体和残余奥氏体等的含量、形态、尺寸和分布，最终决定钢的综合力学性能。传统的淬火-深冷-回火热处理后，高氮不锈轴承钢的显微组织为马氏体+碳氮化物+残余奥氏体。其中，降低淬火温度、多次深冷处理及适当提高回火温度能在一定程度上降低钢中残余奥氏体含量。然而，由于氮具有很强的稳定奥氏体能力，传统淬火-深冷-回火热处理无法彻底解决高氮不锈轴承钢中存在大量不稳定块状残余奥氏体的问题。面心立方结构的奥氏体比体心立方结构的马氏体具有更高的碳、氮溶解度，采用淬火-配分-回火热处理可促进碳、氮从马氏体向奥氏体扩散，使碳、氮原子在奥氏体中富集，能提高奥氏体的稳定性，但会出现钢中残余奥氏体含量过高的问题。因此，亟需开发出一种用于高氮不锈轴承钢的新型热处理工艺，以突破高氮不锈轴承钢残余奥氏体含量偏高和组织稳定性差的问题，进一步提升其性能。

方明内容

第三代航空高氮不锈轴承钢中氮含量较高，易导致传统淬火-深冷-回火淬火-深冷-回火热处理后钢中存在大量块状残余奥氏体。在服役过程中，块状残余奥氏体在应力作用下会转变为马氏体，引起尺寸变化，甚至萌生裂纹，造成轴承在使用时出现早期失效。针对以上问题，本发明提供了一种有效提升高氮不锈轴承钢组织稳定性的热处理方法。经所述热处理后，能够大幅度降低残余奥氏体含量，并提高其稳定性，改善钢的强韧性，为我国高性能高氮不锈轴承钢的开发提供指导，加速我国高氮不锈轴承钢的研发与应用。

为了解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高氮不锈轴承钢，按重量百分比计，所述高氮不锈轴承钢的化学元素成分包括：0.28％～0.34％的C，0.35％～0.44％的N，0.3％～0.8％的Si，0.3％～0.6％的Mn，14.5％～16.5％的Cr，0.95％～1.1％的Mo，0.5％～1.0％的Ni，余量为Fe和其它不可避免的杂质。

制备含有上述目标元素的铸锭，然后对铸锭进行锻造和热处理，锻造前先进行高温扩散退火，以减轻元素偏析。

将锻造后的钢锭装炉，依次进行后续热处理，具体过程为：正火、球化退火、淬火、深冷、配分和回火。

本发明提供了一种提高高氮不锈轴承钢组织稳定性的热处理方法，具体包括如下步骤：

(1)高温扩散退火

在高氮不锈轴承钢的钢锭表面喷涂不锈钢防氧化涂料并自然干燥，然后于350℃以下装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至800℃～900℃并保温1h～2h，之后以100℃/h～120℃/h的速度升温至1240℃～1260℃并保温10h～12h，然后炉冷，以使凝固过程产生的枝晶组织消失。

所述的高氮不锈轴承钢钢锭表面喷涂的不锈钢防氧化涂料，其成分按重量百分比计，包括：3％～5％的ZrO

(2)锻造

将通过步骤(1)得到的钢锭在炉中以40℃/h～60℃/h的冷却速度冷却至1140℃～1160℃，然后保温1h～2h；之后，采用“两镦两拔”方式进行锻造，锻造比控制在3～5，即，首先沿着钢锭纵向下压，镦粗至原高度的1/2，之后沿钢锭横向下压，拔长至原长度的2倍，接着再沿纵向下压，镦粗至原高度的1/2，最后再沿钢锭横向下压，拔长至原来长度的2倍，钢锭终锻温度控制在945℃～965℃；由于该温度范围为奥氏体、碳化物与碳氮化物共存区域，此钢种具有良好的高温变形性，从而可以避免在锻造过程中发生开裂。锻造结束后先进行喷水冷却，冷却速度为200℃/s～300℃/s，冷却至400℃～500℃，之后空冷，得到锻件。

(3)正火

将通过步骤(2)得到的锻件于300℃以下装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至980℃～1000℃，保温1h～2h后空冷至室温，以细化晶粒，并减小开裂倾向。

(4)球化退火

将通过步骤(3)正火的钢样装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至820℃～840℃，保温5h～6h，之后以40℃/h～60℃/h的速度降温到640℃～660℃，保温2h～4h，最后炉冷至室温，得到钢样，以获得均匀分布的粒状碳化物和氮化物。

根据所述球化退火工艺方法，形成了如图1所示的高氮不锈轴承钢球化退火温度变化曲线图。

(5)淬火

将通过步骤(4)球化退火的钢样于300℃以下装入淬火炉中，以60℃/h～80℃/h的速度升温至1020℃～1040℃，保温1h～2h以奥氏体化；随后油淬冷却至室温，形成马氏体、碳氮化物和残余奥氏体组织。

(6)深冷

将通过步骤(5)得到的淬火的钢样在液氮里深冷处理1h～2h，以消除大部分块状不稳定残余奥氏体，获得更多的马氏体组织，在空气中恢复至室温后，得到钢样。

(7)配分和回火

将通过步骤(6)深冷的钢样移入已升温至180℃～220℃的盐浴炉内，保温5min～90min进行配分处理，以提高残余奥氏体的稳定性；随后再移入已升温至350℃～450℃的回火炉中进行两次回火，每次保温1h～2h，空冷至室温，得到钢样。

根据所述淬火-深冷处理-配分-回火工艺方法，形成了如图2所示的高氮不锈轴承钢淬火-深冷-配分-回火温度变化曲线图。

根据以上详细描述，本发明的高氮不锈轴承钢的热处理方法具有以下有益效果：

(1)根据本发明的示例性实施例的高氮不锈轴承钢的热处理方法，能够细化晶粒，获得均匀分布的粒状碳化物和碳氮化物；

(2)根据本发明的示例性实施例的高氮不锈轴承钢的热处理方法，可大幅度提高残余奥氏体的稳定性，改善钢的强韧性，其中，无缺口冲击吸收功达到50J～60J，屈服强度达到1950MPa～2050MPa，抗拉强度达到2150MPa～2250MPa，显著提高该类钢种的综合性能；

(3)依据本发明的示例性实施例的高氮不锈轴承钢的热处理方法，对设备要求较低、操作简单、成本低、易于工业化生产，可满足高端不锈轴承市场的需求。

附图说明

图1为根据本发明的示例性实施例的高氮不锈轴承钢的球化退火温度变化曲线图；

图2为根据本发明的示例性实施例的高氮不锈轴承钢的淬火-深冷处理-配分-回火温度变化曲线图；

图3和图4为根据本发明的示例性实施例的高氮不锈轴承钢的显微组织图；

图5至图6为根据本发明的示例性对比例的高氮不锈轴承钢的显微组织图。

具体实施方式

本发明的示例性实施例提供了一种提高高氮不锈轴承钢组织稳定性的热处理方法，在所述方法中首先进行高温扩散退火，以减轻元素偏析；之后重新加热锻造得到变形组织；经过正火和球化退火前期处理，细化晶粒，获得均匀分布的粒状碳化物和碳氮化物，以降低硬度，便于机械加工；然后经过淬火，可使高氮不锈轴承钢获得晶粒细小的马氏体和残余奥氏体组织，且碳化物和碳氮化物均匀弥散地分布在基体上；再经过深冷处理，可促进不稳定的残余奥氏体转变为马氏体，从而减少大尺寸残余奥氏体含量；接着经过配分处理，促进马氏体中碳、氮向残余奥氏体中扩散，以提高残余奥氏体的稳定性；最后进行回火，促使钢中的碳化物和碳氮化物二次弥散析出。经过所述热处理方法得到的高氮不锈轴承钢的强度高、韧性好、尺寸稳定性优异，能够提高轴承的产品质量，并且延长其使用寿命，从而满足市场对高性能高氮不锈轴承钢的需求。

以下将参照附图并结合具体示例来描述根据本发明的示例性实施例的提高高氮不锈轴承钢组织稳定性的热处理方法，其中，图3和图4为根据本发明的示例性实施例高氮不锈轴承钢的显微组织图，图5和图6为根据本发明的示例性对比例高氮不锈轴承钢的显微组织图，然而，本发明技术方案不受以下具体示例的限制。

实施例1

高氮不锈轴承钢的化学元素成分按重量百分比计，包括：0.29％的C，0.37％的N，0.40％的Si，0.44％的Mn，16.22％的Cr，0.82％的Mo，1％的Ni，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明实施例中，采用冶炼设备为25kg加压感应炉。钢锭进行线切割加工，制备尺寸为Φ90mm×350mm的铸态钢锭样，然后准备进行热处理。

采用以下步骤对钢锭进行热处理：

(1)高温扩散退火。在高氮不锈轴承钢的钢锭表面喷涂不锈钢防氧化涂料并自然干燥，然后于300℃装炉，以65℃/h的速度升温至830℃并保温1.5h，之后以100℃/h的速度升温至1250℃并保温10h，然后炉冷；

(2)锻造。将经过步骤(1)得到的钢锭在炉中以60℃/h冷却至1150℃后开始锻造，锻造采用两镦两拔的方式，锻造比为4；终锻温度为950℃；锻造完成后先进行喷水冷却至450℃，之后空冷，得到锻件；

(3)正火。将经过步骤(2)得到的锻件于280℃装炉，以60℃/h的速度升温至1000℃，保温1h，然后空冷至室温；

(4)球化退火。将经过步骤(3)中得到的试样装炉，以60℃/h升温至830℃，保温5h，之后以50℃/h的速度降温至660℃保温3h，炉冷至室温，将获得的钢样制备尺寸为10.4mm×10.4mm×56mm和Φ15mm×65mm各15份棒材试样；

(5)淬火。将经过步骤(4)的2份不同尺寸棒材试样于280℃装炉，以60℃/h的速度升温至1035℃的淬火炉中，保温1h，随后在油中淬火，冷却至室温；

(6)深冷。将通过步骤(5)得到的淬火的钢样在液氮里深冷处理1h，在空气中恢复至室温后，得到钢样；

(7)配分和回火。将由步骤(6)深冷钢样清洗后立即移入已升温到180℃的盐浴炉中，保温5min，随后移入已升温至350℃的回火炉中回火两次，每次保温1h，空冷至室温，得到最终产品，记为1#。

选取实施例1步骤(4)所制备的28份未处理棒材试样，根据不同的尺寸分为两组，依次进行后续不同热处理，每组都记为实施例2#～9#和对比例1#～6#。然后，实施例2#～9#进行后续热处理，包括深冷、配分和回火处理，其中，深冷采用液氮，配分温度为180℃～220℃，回火温度为350℃～450℃。此外，对比例进行后续热处理，其中，对比例1#～3#进行深冷、配分处理，对比例4#～6#进行深冷、回火处理，其中，深冷采用液氮，配分温度为180℃～220℃，回火温度为350℃～450℃。实施例1#～9#和对比例1#～6#具体深冷、配分和回火处理的温度和保温时间见表1。

表1本发明实施例1#～9#和对比例1#～6#制备所得高氮不锈轴承钢后续热处理温度和保温时间。

实施例5#的变形前显微组织如图3所示，拉伸实验所造成的变形后的组织如图4所示，由图3和图4可以看出，基体为马氏体组织，并存在少量的残余奥氏体，力学变形前后奥氏体占比变化较小。

对比例2#的变形前显微组织如图5所示，拉伸实验所造成的变形后的组织如图6所示，由图5和图6可以看出，基体为马氏体组织，并存在少量的残余奥氏体，力学变形后奥氏体占比明显减少。

性能实验

冲击实验：把实验所用钢料加工成10mm×10mm×55mm的冲击试样，使用ZBC2452冲击试验机进行常温无缺口夏比冲击试验。

拉伸实验：把实验所用钢料加工成总长度65mm，平行长度30mm，平行长度的原始直径5mm，过渡圆半径5mm的棒状拉伸试样，在Zwick Roell Z100试验机上进行拉伸试验。

制备好且经过热处理的高氮不锈轴承钢试样使用高分辨率ZEISS GeminiSEM 300扫描电子显微镜进行观察，结果见表2。

表2本发明实施例1#～9#和对比例1#～6#制备所得高氮不锈轴承钢的拉伸实验前后残余奥氏体含量变化结果。

将制备好且经过热处理的高氮不锈轴承钢试样进行冲击实验和拉伸实验，结果见表3。

表3本发明实施例1#～9#和对比例1#～6#制备所得高氮不锈轴承钢的力学性能实验结果。

经检测，结合实施例1～9和对比例1～6可以看到，采用本发明的热处理工艺，实施例1～9制得的产品的性能优于对比例1～6制得的产品。相比传统的热处理工艺，通过本发明热处理方法制备所得高氮不锈轴承钢，其残余奥氏体转变量更小，残余奥氏体更加稳定，同时屈服强度、抗拉强度以及冲击韧性得到了较大幅度的提高，达到了很好的效果。

总的来说，本工艺优化了高氮不锈轴承钢传统的热处理工艺，正是针对高氮不锈轴承钢的组织性能特点，形成了高氮不锈钢轴承钢的新型热处理工艺，很大程度上提高了高氮不锈轴承钢的强韧性，且具有广泛的市场应用前景，利于推广。

本说明是根据具体的优选实施方案进行书写，不能将本发明的具体实施方案认定只局限于本说明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对于不脱离本发明技术方案的精神和范围而派生出的一系列产品，都应当视为属于本发明所交的权利要求书确定的专利保护范围。