不锈轴承材料的研究和发展

1、第17卷第1期2005年2月钢铁研究学报Journal of Iron and Steel ResearchVol.17,No.1Feb.2005作者简介:俞峰(19702,男,大学本科,工程师;E 2m ail :yflj ;修订日期:2004205210不锈轴承材料的研究和发展俞峰,魏果能,许达(钢铁研究总院结构材料研究所,北京100081摘要:概述了高碳铬型不锈轴承钢、高温不锈轴承钢、含氮不锈轴承钢以及特殊用途的不锈轴承材料的研究现状和基本性能。简要介绍了不同冶炼工艺对不锈轴承材料性能的影响。为不同工作条件下选用所需的不锈轴承材料提供了选择依据。关键词:不锈轴承材料;研究;发展中图分类号

2、:T G 142147文献标识码:A 文章编号:100120963(20050120006204R esearch and Development of Stainless B earing MaterialYU Feng ,WEI Guo 2neng ,XU Da(Central Iron and Steel Research Institute ,Beijing 100081,China Abstract :Research and development of high carbon chromium stainless bearing steel ,high temperature s

3、tainless bearing steel ,nitrogen stainless bearing steel and special use stainless bearing steel were reviewed.Effects of dif 2ferent process on properties were introduced.The method of selecting stainless bearing material was presented.K ey w ords :stainless bearing material ;research ;development随

4、着科学技术的发展,不锈轴承材料的使用范围越来越广泛,不仅用于化工、石油、造船和食品等腐蚀环境中,还广泛应用于航天、航空、核工业以及高新技术产品中。不锈轴承材料不仅应具有良好的耐腐蚀性能,在许多特殊的工作环境中还需具备高的韧性、高的高温硬度以及高的接触疲劳寿命等。而在仪器、仪表和计算机等领域则需要耐腐蚀、高精度、低噪音的不锈轴承材料。这就给不锈轴承材料的研究工作提出了新的课题。1高碳铬型不锈轴承钢高碳铬型不锈轴承钢是应用最为广泛的一种马氏体型不锈轴承材料。其牌号、标准及化学成分(质量分数,下同见表1。111化学成分高碳铬型不锈轴承钢的典型钢种为9Cr18,9Cr18Mo 是在9Cr18钢的基础上

5、加钼发展起来的。与9Cr18钢相比,9Cr18Mo 钢具有更高的硬度和抗回火稳定性。由于9Cr18和9Cr18Mo 这两种钢具有高的碳含量和高的铬含量,所以它不可避免地会产生大块的共晶碳化物,这些碳化物分布不均匀,大部分在晶界上析出,而且热处理时无法消除,往往对轴承套圈的研磨和精抛光产生不利的影响。9Cr18钢所制轴承不能满足噪音及精度的要求,同时当轴承承受较大载荷时,易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂纹源,使轴承的使用性能和接触疲劳寿命受到损害。国内外为改善9Cr18不锈轴承钢的碳化物进行了大量的研究,其中采取降碳、降铬的方法比较成熟。如美国、日本研究出了一种碳含量为017%和铬含量为

6、13%的钢种,其热处理工艺与440C 标准热处理工艺相同,可获得硬度HRC 60、碳化物尺寸较细小(小于10m 且分布较均匀、接触疲劳寿命比440C 高1倍、并且可靠性较高的不锈轴承钢。我国也研制出了7Cr14Mo 和6Cr13Mo 不锈轴承钢,其化学成分见表2。研究表明:7Cr14Mo 和6Cr13Mo 不锈轴承钢中表1高碳铬型不锈轴承钢的牌号、标准号及化学成分T able1T radem ark,stand ard and composition of high carbon chromium stainless bearing steel for various countries 国家

7、标准号牌号化学成分/%C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu中国G B/T308619829Cr189Cr18Mo019011000195111001800180018001800103501035010300103017100191001610018100-01400170-原苏联563219729518019011000180018001030010*19100-日本J IS G43031991SUS440C019511201100110001040010*18100可添加01750160-国际标准组织ISO ISO683/17198021019511201100110001040

8、010*18100013501750150-美国ASTM A7561994440C019511101100110001025010*181000140016501750150德国DIN172301980X102CrMo17019511101100110001040010*181000135017501500130法国N F A3525651994Z105CrMo1701951120110110010200101516101810014018-表27C r14Mo和6Cr13Mo不锈轴承钢的化学成分T able2Composition of7C r14Mo and6Cr13Mobearing s

9、teels%钢种C Si Mn S P Cr Mo的共晶碳化物含量比9Cr18钢明显减少,淬、回火后的硬度与9Cr18相当,而接触疲劳寿命优于9Cr18,额定寿命提高1178倍;其在人工海水中的耐腐蚀能力与9Cr18钢相当,但耐稀硝酸的能力不如9Cr18钢。这些新型低碳、低铬不锈轴承钢可用于要求高精度、低噪音的轴承领域。目前,各国对这些新型不锈轴承钢的性能和应用正在进行更深入的研究。112纯净度对于9Cr18和9Cr18Mo高碳铬型不锈轴承钢,国内一般采用电弧炉冶炼或电弧炉冶炼加电渣重熔工艺1,2。采用电渣重熔方法冶炼的钢其氧含量为010028%010040%,钢中氧化物夹杂虽然比较细小,但含

10、量较多,这对轴承的使用寿命及表面光洁度都有影响。目前,国内外对于重要用途的轴承材料多采用真空感应+真空自耗(双真空冶炼。采用双真空冶炼可以获得低氧含量(一般低于010010%、高纯净度和极少氧化物夹杂的轴承材料,从而提高了轴承的接触疲劳寿命。研究表明:采用双真空冶炼方法生产的9Cr18不锈轴承钢的纯净度可得到大幅度地提高,其氧含量为010006%,氧化物夹杂的含量明显低于电渣重熔钢,并且氧化物夹杂颗粒少且小、分布均匀;其接触疲劳寿命比电渣重熔钢提高了45%,同时还可获得较好的表面光洁度和加工精度。2高温不锈轴承钢火箭、可返回飞行器、燃气轮机、核动力推进系统、高温输送器等装置中所用的轴承和齿轮等

11、都要在很高的温度下工作。随着宇宙飞行器、喷气发动机以及涡轮增压器、无润滑轴承设计等近代工程技术的迅速发展,轴承的工作温度也已超过300。所以,必须研究发展在此高温下具有高硬度、高耐蚀性和高接触疲劳寿命的新型高温轴承材料。国内外研制的高温不锈轴承钢的成分及使用温度见表3。航天航空领域所需轴承的D N值(直径与转速的乘积不断地提高,使用温度也已超过300,这就需要高温不锈轴承材料不但应具有高的表面硬度,同时芯部还要保持良好的断裂韧性、延展性和冲击韧性3。但是,现有的钢种较难满足这些要求,因此需开发新型钢种。美国Lat robe公司已申请了应用于高温表面渗碳不锈轴承钢的专利4,并在专利钢成分的基础上

12、开发了两种新型渗碳不锈轴承钢,其成分见表4。两种钢采用双真空冶炼方法生产。经表面热处理后其心部断裂韧性K1C110M Pam1/2,表面硬7第1期俞峰等:不锈轴承材料的研究和发展表3国内外常用高温不锈轴承钢的成分及其使用温度T able3Operating temperature and composition of high carbon chromium stainless bearing steel for various countries钢号化学成分/%C Mn Si Cr V Mo W Co 最高使用温度/表4渗碳不锈轴承钢的化学成分T able4Composition of ca

13、rburized stainless bearing steel%材料C Mn Si Cr Mo V Ni Co Nb B专利钢011001251101101310191031051001251125117551255101410010101100102 1号钢01150122013013141016103154150140183104125156150101010401001 2号钢0112011801201251315015150410510015501651175212512101410010101044308钢铁研究学报第17卷表6几种含氮钢的化学成分T able6Compositio

14、n of nitrogen stainless bearing steel 牌号化学成分平均值/%C N Cr Mo Ni Co Si V411耐蚀无磁铁基合金耐蚀无磁铁基合金经固溶、时效处理后具有较高的硬度,良好的耐接触疲劳性能和极低的导磁系数,主要用作原子能反应堆设备所需轴承。因此,该合金除具有通用轴承材料的高硬度、抗磨损及高的疲劳寿命外,还具有良好的耐蚀性能、抗核活化性能和机械加工性能。412耐蚀、耐高温、无磁镍基合金耐蚀、耐高温、无磁镍基合金具有高强度、高硬度(硬化状态下硬度可超过HRC57和高的接触疲劳寿命,良好的抗磨损性能、耐腐蚀性能、耐高温性能和无磁性能。主要用来制造耐酸、耐碱、

15、无磁性、超低温及抗中子幅照等轴承以及电子技术部门所需的高温、高真空、抗磁、无润滑轴承。这种镍基合金在硝酸、硫酸、混合酸及温度为6070、浓度为30%60%的硝酸溶液中的耐腐蚀性能较好,并且可进行冷、热加工,是一种较好的耐蚀轴承材料。413钴基合金作为轴承材料使用的钴基合金主要有Haynes 和Stellite两个系列。其中,成分为C110%、Cr 28%、W410%、Fe310%、余为Co的Stellite6钴基合金使用范围比较广泛。高碳钴基合金因其碳、铬、钨含量高,极易形成大块碳化物而产生应力集中,导致加工性能恶化、并且价格昂贵等限制了它的广泛应用。5结语(1为适应科学技术的发展和国防工业的

16、需要,国内外研发了大量新型的特种用途的不锈轴承材料,如低碳、低铬的新型不锈轴承钢、高温不锈渗碳轴承钢、含氮不锈轴承钢以及耐蚀、无磁、镍基和钴基合金材料等。这些新型特种轴承材料的出现进一步推动了科学的进步。(2双真空冶炼工艺、含氮不锈钢工艺及加压电渣冶炼工艺等不仅使不锈轴承钢的纯净度和均匀性都得到大幅度的提高,而且生产出许多高性能的新型不锈轴承钢,使不锈轴承材料的使用更加可靠和广泛。(3今后,我国应在高温不锈轴承钢、含氮不锈轴承钢和无磁不锈轴承钢等领域进行深入的研究和开发。参考文献:1宋志敏,张虹.我国轴承钢生产及质量现状J.钢铁研究学报,2000,12(4:59263.2米浩,李士琦.轴承钢VArD精炼过程的系统分析和经验模型的研究J.钢铁研究学报,1993,5(1:15221.3徐玉兰,赵航.渗碳型高温轴承钢的研究J.钢铁研究学报,1995,7(3:85289.4Maloney.Case Carburized Stainless Steel Alloy for High Tem2perat ure Applicati