專利名稱：一種高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軸承齒輪鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼及制備方法。
背景技術(shù)：
國內(nèi)外高性能軸承齒輪鋼的發(fā)展趨勢主要是高強度、高表面硬度、高斷裂韌性、耐磨、耐蝕、耐溫以及高疲勞強度超長服役壽命。早期GCrl5軸承鋼和AISI9310齒輪鋼分別為高碳整體硬化鋼和低碳表面硬化鋼，低溫回火后常溫下使用，具有低合金元素含量，中等強度和硬度，其耐蝕性能較差，使用溫度較低。隨后發(fā)展的軸承鋼M50和軸承齒輪鋼CBS600、 CBS1000M、M50NiL,中等合金元素含量，并采用二次硬化機理，其主要特征是高溫性能提高。 500°C以上高溫回火，可在315°C 480°C溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定使用，但其耐蝕性能仍然較差。隨著工業(yè)發(fā)展，軸承齒輪具有高速、高赫茲應(yīng)力、高疲勞強度、高溫、耐蝕及減重方面的迫切需要，目前已有的鋼種無法滿足新一代軸承齒輪的工況要求。新發(fā)明高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼，在添加適量的Cr元素，獲得要求的耐蝕性能基礎(chǔ)上，采用碳化物和金屬間化合物復(fù)合強化機理設(shè)計成分，添加一定量的強碳化物形成元素，通過表面滲碳工藝，獲得表面超高硬度；添加高量Co細化M2X相，在合適的熱處理工藝下獲得低碳馬氏體基體上沉淀細小彌散的M2X相，從而使鋼的芯部具有超高強度和高韌性匹配，其抗拉強度 Rm彡1800MPa,屈服強度RpO. 2彡1400MPa，其斷裂韌性Kic值可達到IlOMPa. m1/2以上。滲碳表面室溫硬度可達到HRC65以上，并在500°C時保持HRC58以上，同時鋼具有良好的耐蝕性能，能夠滿足新一代軸承齒輪用鋼的服役要求。近年來，在高硬度高溫耐蝕軸承鋼和高強韌耐蝕齒輪鋼發(fā)展基礎(chǔ)上，國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出具有高強韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼。早期440C作為一種抗回火性較差的耐蝕軸承鋼主要用于低溫耐腐蝕環(huán)境；14-4Mo軸承鋼作為440C的改進型，通過增高鉬含量和降低鉻含量提高高溫硬度，同時具有高良好的耐磨和耐蝕性能，最高可在480°C高溫下使用；BG42鋼是14-4M鋼的改型鋼，改型的目的是通過添加釩來提高耐磨性；WD-65鋼是在BG42軸承鋼的基礎(chǔ)上加入2 2. 5%鎢和5 5. 5%鈷，其目的是進一步提高高溫性能和耐蝕性，由于上述耐蝕高溫軸承鋼的韌性和可鍛性較差，采取成分調(diào)整如降低鉬含量，添加釩和鈮等合金元素以及控制鋼的熱處理工藝等措施，但其韌性仍然較低。無法滿足承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和要求高斷裂韌性的服役工況。高溫耐蝕表面滲碳鋼由于芯部提供強韌性表面形成高硬度和表面壓應(yīng)力而具有高的疲勞強度并得到軸承齒輪的特殊工況使用。美國專利US5288347A 介紹一種高強度不銹齒輪鋼，該專利主成分設(shè)計C:0. 16 0.25%、Cr :11.0 15.0%、 Ni彡2. 0%, Mo 0. 5 3. 0%、Co :12. 0 21. 0%，熱處理工藝是從950 1150°C保溫淬火，在-50 -100°C深冷處理，然后在120 450°C范圍回火，該鋼種具有良好抗腐蝕性能， 其抗拉強度Rm達到1714MPa以上，斷裂韌性Kic達到77. 47MPa. m"2。在US5288347A專利基礎(chǔ)上，日本專利JP5247593A進行改進，增加V、Nb、W合金元素，其中V :0. 10 0. 50%， Nb ^ 0. 10%, Mo+l/2ff 0. 5 3.0%，熱處理工藝是從1000 1150°C淬火，迅速冷卻到-50°C以下，然后在120 475°C范圍回火，提高鋼的強韌性。美國專利公開一種高性能軸承齒輪鋼，與日本專利JP5247593A相比，該專利成分降低碳的下限到0. 10%， 增加鉬的上限到5.0%，不加鎢，熱處理工藝是從1050°C淬火，冷卻到-79°C以下，并在 496°C回火，冷卻到-196°C，再次高溫回火，提高鋼的高溫硬度和強韌性能。抗拉強度可以達到Rm彡1759MPa,斷裂韌性Kk達到64. 8MPa. mV2。鋼鐵研究總院與寶山鋼鐵股份有限公司開發(fā)的高強度不銹齒輪鋼，添加鎢元素并采用相應(yīng)的熱處理工藝，其抗拉強度Rm不低于 ISOOMPa,斷裂韌性Kie達到105MPa. m1/2,高于美國專利相應(yīng)的抗拉強度與斷裂韌性值。相比所開發(fā)的高強度不銹齒輪鋼，發(fā)明鋼具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性Kre和滲碳表面硬度指標以及高溫性能和耐腐蝕性能。發(fā)明鋼通過化學(xué)成分設(shè)計與配比精確控制以及超高純凈度、超高均勻性和晶粒細化冶金工藝技術(shù)的全流程控制，并經(jīng)過與之相應(yīng)最佳滲碳表面硬化工藝以及熱處理工藝， 使鋼在耐蝕高溫基礎(chǔ)上獲得表面高硬度、芯部高強度與高韌性的良好配合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼及制備方法，使其同時具備高強度、高硬度、高韌性、高溫性能、耐腐蝕性。本發(fā)明的高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼，化學(xué)元素重量百分配比為化學(xué)元素重量百分配比為C :0. 10 0. 22 %，Mn 彡0. 5 %，Si 彡0. 5 %，Cr 12. 0 15.0 %，Ni :1. 50 3. 00 %，Mo :4. 00 6. 00 %、V :0. 50 0. 90 %，Co :12.0 15. 0 %, W 0. 30 2. 00 %, Nb 0. 02 0. 08 %，其中 V/Nb :25 35，Mo/ff 6 12， Co/Mo 2 3，Cr+6Si+4Mo+l. 5ff+llV+5Nb ^ 52 %,40C+2Mn+4Ni+30N+2Co 彡 42 %,
+ [Ν] + [Η] < 0.0040%。余量為！^及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明采用高溫、耐蝕和碳化物與金屬間化合物復(fù)合強化機理設(shè)計鋼種化學(xué)成分，通過添加Cr-Mo元素，使鋼獲得良好耐蝕性能；通過添加Mo-W-V-Nb元素，使鋼獲得良好高溫性能；通過添加C-Cr-Co-Nb-Mo-V-W元素，并經(jīng)過滲碳處理和合適的溫度淬回火，在馬氏體基體上沉淀析出細小、彌散的第二相，使鋼獲得高強度、表面高硬度和高韌性的良好配合。C元素在加熱過程中促進奧氏體的形成，在熱處理后使鋼獲得高硬度。C與Cr、Mo 等元素形成碳化物提高鋼的硬度和抗拉強度，降低鋼的屈強比，提高鋼的抗熱性和抗磨損性能，并有利于形成表面滲碳層。但過多的C會形成大顆粒碳化物并降低鋼的斷裂韌性，本專利要求合金中的C含量不小于0. 10%，上限不超過0. 22%。Cr元素作為發(fā)明鋼中主要合金元素，Cr合金元素需要控制在12%以上而保證鋼具有一定的耐蝕性能，在鋼中與碳結(jié)合形成碳化物產(chǎn)生二次硬化，同時也提高鋼的淬透性能。但加入過高的Cr會導(dǎo)致鋼形成殘余奧氏體和鐵素體和網(wǎng)狀M23C6碳化物，Cr控制范圍在12. 5 15. 0%之間。Co元素為發(fā)明鋼主要合金元素。Co通過固溶強化提高鋼的硬度和強度；Co的加入降低了 Mo在基體中的溶解度，同時延遲位錯亞結(jié)構(gòu)的回復(fù)，促進了含Mo的碳化物和金屬間化合物在位錯上的沉淀；Co的加入可以穩(wěn)定奧氏體阻止鐵素體的形成，提高鋼的淬透性，改善基體韌性，并降低鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度；Co提高Ms溫度，抑制殘余奧氏體的存在。但過量Co將提高屈強比并導(dǎo)致切削加工性能下降，使鋼的生產(chǎn)成本上升。故Co成分范圍控制在12. 0 15. 0%。Mo為發(fā)明鋼主要強化元素。Mo—方面固溶強化，另一方面，產(chǎn)生彌散強化。即鋼在時效過程中，在Co的間接作用下，馬氏體基體上沉淀析出細小密排立方M2X相，增加了二次硬化效應(yīng)，提高鋼的強度和硬度。由于Mo合金化的M2X相具有極高的穩(wěn)定性，減緩了形成 M23C6碳化物過程，提高了鋼的回火穩(wěn)定性，使鋼在500°C回火時，仍然保持ISOOMPa以上的高強度和HRC50的高硬度。Mo是一種鐵素體穩(wěn)定元素，過高Mo將導(dǎo)致鋼的韌性下降；Mo改善鋼的抗熱和回火性能。Mo擴大鈍化范圍，增加抗腐蝕性能。Mo控制范圍在4. 00 6. 00， 其中鈷鉬配比關(guān)系Co/Mo控制在2 3。W為發(fā)明鋼主要強化元素。與Mo作用相似，一方面固溶強化，另一方面，形成i^2W， 對鋼產(chǎn)生強化作用。W具有較小擴散系數(shù)，可以抑制碳化物生成與凝聚，W抑制粗大化。加入W可以提高鋼耐磨性及高溫性能，加入W量增大，生成碳化物不易擴散，降低加工性能及其鋼的韌性，將W控制在0. 30 2. 00%，其中鉬鎢配比Mo/ff控制在6 12。Ni是發(fā)明鋼的主要合金元素，Ni的加入穩(wěn)定奧氏體并阻止鐵素體的形成，增強馬氏體基體的交叉滑移能力，提高鋼的斷裂韌性，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)明鋼沖擊韌性Aku可以達到70J以上。但過高的Ni將降低Ms點溫度，阻止馬氏體的形成，產(chǎn)生大量穩(wěn)定的奧氏體，降低鋼的強度。Ni的加入范圍控制在1. 5 3. 0%。V、Nb為發(fā)明鋼添加合金元素，V、Nb提高了形成MC碳化物的能力，經(jīng)滲碳處理有利于形成細小均勻并且十分穩(wěn)定的(V、Nb)C復(fù)合碳化物，從而獲得表層超高硬度。W、Mo、 V、Nb都有細化晶粒、提高強度的作用，再加上Co、Ni、Mo的作用，使鋼的芯部具有了超高強度和高韌性，過量V、Nb合金元素加入將形成大顆粒一次碳化物，影響鋼的韌性。故V、Nb加入范圍控制在V 0. 50 0. 90%，Nb 0. 02 0. 08%，其中V/Nb控制在25 ；35。為了保證鋼的高性能，將硫、磷和砷錫鈦鉍鉛等雜質(zhì)元素等控制在下列水平 即S+P ^ 0. 010%, As+Sn+Ti+Sb+Pb ^ 0. 060%。同時真空冶煉后氧、氮、氫含量不高于 0. 0040%, BP
+ [Ν] + [Η] < 0.0040%。本發(fā)明的制備工藝步驟為(1)成分配比與控制=C :0. 10 0. 22%, Mn ^ 0. 5%, Si ^ 0. 5%, Cr :12. 0 15. 0%,Ni :1. 50 3. 00%,Mo :4. 00 6. 00%,V :0. 50 0. 90%, Co :12. 0 15. 0%,ff 0. 30 2. 00%，Nb :0. 02 0. 08%，余量為Fe，硫磷控制S+P ( 0. 010%;砷錫鈦鉍鉛雜質(zhì)含量控制As+Sn+Ti+Sb+Pb ^ 0. 060% ；(2)真空冶煉采用真空感應(yīng)和真空自耗重熔工藝相結(jié)合超純凈冶煉工藝；(3)鋼錠熱加工成材包括高溫擴散工藝和鍛造或軋制工藝，其中高溫擴散要求加熱溫度1200°C 1300°C，保溫時間20h-50h，鍛造(軋制)工藝要求鋼錠加熱溫度在 1000°C 1150°C，鍛后進行600°C 700°C退火，要求終鍛溫度f范圍為850 900°C;晶粒度細于6級。鋼錠鐓拔次數(shù)2 4次，鋼錠在鍛造過程中變形比不小于8 10。(4)鋼的表面硬化處理采用滲碳工藝進行表面硬化處理，940°C 980°C滲碳，碳勢控制范圍1. 1 0.4%，滲碳厚度為1.4mm 2. 2mm。(5)鋼的熱處理采用1000°C 1150°C油淬，隨后進行-80°C _100°C溫度范圍深冷處理工藝，并經(jīng)過500°C 530°C回火處理。鋼材在熱處理過程中其回火和深冷次數(shù)
52 4次，抗拉強度不小于1800MPa，屈服強度不小于1400MPa，芯部硬度不低于50HRC，沖擊功不小于70J，斷裂韌性不小于IlOMPa m1/2 ；滲碳表面室溫硬度不小于65HRC ；當500°C保溫 IOOh 110h，，其表面室溫硬度不小于60HRC，沖擊功不小于60J。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有超高強度、高硬度、高韌性以及良好的高溫性能與耐腐蝕性能。
具體實施例方式采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空自耗重熔冶煉了 5爐發(fā)明鋼和2爐對比鋼，采用三種自耗錠型，化學(xué)成分見表1。表2為發(fā)明鋼與對比鋼的力學(xué)性能對比表，表1發(fā)明鋼與對比鋼化學(xué)成分范圍(％ )
權(quán)利要求
1.一種高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼，其特征在于，化學(xué)元素重量百分配比為C: 0. 10 0. 22%, Mn 彡 0. 5%, Si 彡 0. 5%, Cr :12. 0 15. 0%, Ni 1. 50 3. 00%, Mo 4. 00 6. 00 %、V 0. 50 0. 90 %，Co 12. 0 15. 0 %，W 0. 30 2. 00 %，Nb 0. 02 0. 08%,余量為！^及不可避免的雜質(zhì)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼，其特征在于，V/ Nb 25 35，Mo/W 6 12，Co/Mo 2 3，Cr+6Si+4Mo+l. 5ff+llV+5Nb 彡 52 %, 40C+2Mn+4Ni+30N+2Co 彡 42%。
3.一種制備權(quán)利要求1所述的高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼的方法，其特征在于，工藝步驟為(1)成分配比與控制C:0. 10 0. 22 %，Mn 彡 0. 5 %，Si 彡 0. 5 %，Cr 12. 0 15. 0%,Ni :1. 50 3. 00%,Mo :4. 00 6. 00%,V :0. 50 0. 90%, Co :12. 0 15. 0%,ff 0. 30 - 2. 00%,Nb 0. 02 0. 08%，余量為Fe，硫磷控制S+P ( 0. 010%;砷錫鈦鉍鉛雜質(zhì)含量控制As+Sn+Ti+Sb+Pb ^ 0. 060% ；(2)真空冶煉采用真空感應(yīng)和真空自耗重熔工藝相結(jié)合超純凈冶煉工藝；(3)鋼錠熱加工成材包括高溫擴散工藝和鍛造或軋制工藝，其中高溫擴散要求加熱溫度1200°C 1300°C，保溫時間為20 50h，鍛造工藝要求鋼錠加熱溫度在1000°C 1150°C，鍛后進行600°C 700°C退火，要求終鍛溫度范圍為850°C 900°C ；晶粒度細于6 級；(4)鋼的表面硬化處理采用滲碳工藝進行表面硬化處理，940°C 980°C滲碳，碳勢控制范圍1. 1 0.4%，滲碳厚度1.4mm 2. 2謹；(5)鋼的熱處理采用1000°C 1150°C油淬，隨后進行-80°C -100°C溫度范圍的深冷處理工藝，并經(jīng)過500°C 530°C回火處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(2)中，真空冶煉后鋼錠中
+ [N] + [H] ( 0. 0040% ο
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，鋼錠鐓拔次數(shù)為2 4次，鋼錠在鍛造過程中變形比為8 10。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(5)中，鋼材在熱處理過程中其回火和深冷次數(shù)為2 4次，抗拉強度不小于1800MPa，屈服強度不小于1400MPa，芯部硬度不低于50HRC，沖擊功不小于70J，斷裂韌性不小于IlOMPa m1/2 ；滲碳表面室溫硬度不小于 65HRC，當500°C保溫100 110h，其表面室溫硬度不小于60HRC，沖擊功不小于60J。
全文摘要
一種高強高韌耐蝕高溫軸承齒輪鋼及制備方法，屬于軸承齒輪鋼技術(shù)領(lǐng)域。該軸承齒輪鋼化學(xué)元素重量百分配比為C0.10～0.22％，Mn≤0.5％，Si≤0.5％，Cr12.0～15.0％，Ni1.50～3.00％，Mo4.00～6.00％，V0.50～0.90％，Co12.0～15.0％，W0.30～2.00％，Nb0.02～0.08％，其中V/Nb25～35，Mo/W6～12，Co/Mo2～3，Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb≤52％，40C+2Mn+4Ni+30N+2Co≥42％，[O]+[N]+[H]≤0.0040％。余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。工藝為成分配比與控制→真空冶煉→鋼錠熱加工成材→鋼材表面硬化處理→鋼材熱處理。優(yōu)點在于，可以滿足服役過程中承受高溫及腐蝕環(huán)境作用的新一代軸承齒輪鋼的要求，實現(xiàn)高強度、高硬度、高韌性、高溫性能、耐腐蝕性能的良好配合。
文檔編號C23C8/22GK102226254SQ201110156328
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者嚴曉紅, 俞峰, 姚長貴, 李建新, 楊卯生, 王敏, 鮑儉 申請人:鋼鐵研究總院