一种可耐400度高温的轴承钢的制备方法技术

本发明专利技术属于高温轴承钢的开发领域，主要涉及一种可耐400度高温的轴承钢的制备方法。该轴承用钢加工的轴承，可在不超过400℃的高温下服役使用。本发明专利技术高温轴承钢通过真空感应炉和真空电渣重熔双真空冶炼，成分为4.50～5.28％Cr，3.75～4.10％Mo，0.56～0.80％V，0.30～0.34％Mn，0.21～0.26％Ni，0.20～0.29％Si。热处理工艺为：将轴承钢加热到800～870℃保温，降温到700～800℃等温退火，再缓冷至室温；加热至1050～1070℃固溶，保温后油淬；再加热到510～550℃回火，时间为2～2.5h，按此工艺回火三次。本发明专利技术设计的新型高温轴承钢通过降低钒含量，使得碳化物细小弥散分布，可减少疲劳裂纹源的产生，同时硬度得到进一步提高，室温硬度不小于62HRC，400℃高温硬度不小于658HV，满足高温条件下的应用。

Preparation method of bearing steel to a high temperature of 400 degrees of resistance

The invention belongs to the field of development of high temperature bearing steel, bearing steel, the preparation method mainly relates to a high temperature of 400 degrees. The bearings, which are made of steel, can be used at high temperatures not exceeding 400 degrees centigrade. The invention of high temperature bearing steel by vacuum induction furnace and vacuum electroslag remelting of double vacuum smelting, composition is 4.50 ~ 5.28%Cr, 3.75 ~ 4.10%Mo, 0.56 ~ 0.80%V, 0.30 ~ 0.34%Mn, 0.21 ~ 0.26%Ni, 0.20 ~ 0.29%Si. The heat treatment process is: bearing steel is heated to 800 to 870 DEG C, cooled to 700 to 800 DEG C isothermal annealing, and then slowly cooled to room temperature; heating to 1050 to 1070 DEG C solid solution, heat preservation after oil quenching; and then heated to 510 to 550 DEG C tempering time is 2 ~ 2.5h, according to three times tempering process. A new type of high temperature bearing steel of the invention by reducing the content of vanadium, the carbides dispersed, can reduce the fatigue crack sources, and further improve the hardness, hardness at room temperature not less than 62HRC, 400 degrees high temperature hardness of not less than 658HV, meet the application under high temperature conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种可耐400度高温的轴承钢的制备方法
本专利技术属于高温轴承钢的成分开发和热处理工艺
，主要涉及一种新型高温轴承钢的成分开发和热处理工艺。
技术介绍
高温轴承钢主要应用于航空发动机中的主轴轴承，在飞机或火箭中使用。轴承硬度值越高，对轴承的疲劳寿命有利，服役时间越长。随着目前燃气轮机的发展，需要在高温下具有更高的硬度才能满足燃气轮机的长时间工作。因而，提高轴承钢的室温硬度和高温硬度是很有必要的。现在广泛应用的高温轴承钢的钢种牌号及其国际、美国和国内标准见表1。其中M50(相当于国内的8Cr4Mo4V)是目前国内外使用最广泛的高温轴承钢，主要用于燃气轮机主轴轴承，属于全淬硬型轴承钢，相比渗碳型生产工艺简单，成本低廉，使用温度在315℃以下。按照美国高速钢标准，其化学成分特点为：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钢的热处理工艺一般为：将钢在732～843℃下预热，后在盐浴炉内加热至1104℃，保温最少5分钟，后油淬到100～200℃，出油空冷到室温，再加热到538℃，回火三次，每次2小时。最终得到莱氏体钢。在A600.13324高速钢美国标准中规定M50轴承钢的室温硬度不得低于61HRC，在轴承钢的使用标准中，规定轴承钢在使用温度下，硬度不能低于58HRC或652HV，轴承钢的硬度越高，其耐磨性越好。具有上述成分含量和通过上述热处理方法处理后的轴承钢工作表面或次表面存在大颗粒不规则碳化物，主要是含V、Mo的一次碳化物，在服役过程中容易成为疲劳剥落的起始点。M50钢在经过热处理后，其室温硬度为洛氏硬度值61～63HRC。表1国际、美国和中国标准中的高温轴承钢化学成分对M50等高温轴承钢的改进有如下相关专利技术。专利CN104313294A是专利技术了提高Cr4Mo4V钢尺寸稳定性的热处理方法，其钢成分与M50钢相同，其热处理为加热至1065～1090℃，保温30～55min，出炉后充氮气油冷至50～200℃；在535～545℃，保温2～2.5小时，回火三次。其特征在于：粗磨后在520±5℃下附加回火，4～4.5小时；细磨后在250±5℃下附加回火，时间8～10小时。处理后其尺寸稳定性得到了提高，成品套圈存放后平均尺寸变化率为1.33×10-5，尺寸最大变化率为2.67×10-5。专利CN104294031A通过高压气淬工艺方法改善其变形和锥度较大的问题。其工艺为将高温轴承钢制套圈在真空环境下预热保温，两次预热温度和时间分别为：650℃，30min；850℃，30min，后升温到1070℃，保温50±10min；再用高压氮气气淬，其后在540℃下回火2～2.5h，共3次。其高温回火后硬度为61.5～62HRC。另外，国内外有很多对高温轴承钢的表面硬化处理研究，其中最广泛的是如专利US6966954B2中，对M50钢和改进后的M50NiL钢通过渗碳和渗氮处理。其中M50NiL钢成分是在M50的基础上降低C含量同时提高Ni含量，以达到高温渗碳或渗氮的表面热处理条件。其M50NiL的化学成分为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.％，其余为Fe。在高温下，对其表面进行碳氮共渗处理，其渗层的厚度为0.002-0.014英寸，使得表面硬度得到极大提高，可达72HRC。对服役后失效的高温轴承检测发现，在轴承工作表面或次表面发现大块、形状不规则、分布不均匀的一次碳化物，引起了疲劳裂纹的产生和拓展，严重影响了轴承钢的服役寿命。而碳化物的形状和分布由钢的成分与热处理工艺所决定，因此本专利技术开发了一个新成分体系的高温轴承钢及其相应的热处理工艺，可以显著减少大块一次碳化物的析出，但同时保持很高的室温和高温硬度，从而可以提高轴承的高温服役寿命。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是公开一种新成分的高温轴承钢和对应的制造工艺，以减小碳化物的尺寸，得到均匀分布的碳化物颗粒和更高的硬度值，提高轴承钢的服役寿命。本专利技术采用的技术方案是：一种新型的高温轴承钢成分设计和热处理方法，在显著降低形成一次碳化物的V元素含量下，优化了其他合金成分含量与相应的热处理工艺，来保证轴承钢的室温和高温硬度，细化了碳化物尺寸，细小弥散分布以提高服役寿命。在新型高温轴承钢的成分设计方面，所述的高温轴承钢从成分上为Mo系轴承钢，其制备工艺为：(1)钢的冶炼：适用于真空感应炉和真空电渣重熔双真空冶炼。成分不同于目前使用的高温轴承钢，碳的质量分数范围为0.75～0.90wt.％，氮元素的质量分数含量范围为0.005～0.012wt.％，所包含的合金元素有Cr，Mo，V，Mn，Ni，Si，其质量分数含量的范围为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，其他元素质量分数含量控制在Ti≤0.005wt.％，P≤0.01wt.％，S≤0.008wt.％，O≤0.0009wt.％，其余为Fe及不可避免的不纯物。(2)凝固、热锻/热轧工艺：将上述冶炼获得钢液通过连铸或模铸得到钢坯或钢锭，凝固后在750～850℃预热10min～20min，加热到1050℃～1150℃，热锻或热轧为直径不小于15mm的棒材，终锻或终轧温度不低于900℃，锻后炉冷或灰冷至室温。(3)热处理工艺：将上述锻材或者轧材依次经过等温退火、高温固溶和油淬、高温回火三个热处理工序得到所需的性能。第一步等温退火时将轴承钢加热到800～870℃，保温4～6h，然后再以3～10℃/min冷速冷到700～800℃，等温4～6h，后以20～30℃/h的冷速缓冷至600～670℃，再随炉冷至室温；第二步是将冷至室温的钢件加热至750～850℃预热30～50min，再以10～20℃/min速度加热至1050～1060℃，保温30～50min；出炉后油冷至100～200℃，然后空冷至室温；第三步是将冷却后的轴承钢在520～550℃之间回火2～2.5小时，后空冷至室温，共回火三次。处理后其硬度达到62-65HRC，并在高温400℃下的维氏硬度达到658HV以上，相当于洛氏硬度58HRC以上，能够很好地满足在400℃环境中工作。也可将如上述第一步等温退火得到的钢件，第二步改为加热至750～850℃预热30～50min，再以10～20℃/min速度加热至1070℃，保温30～50min；出炉后油冷至100～200℃，出油空冷至室温；第三步是将冷却后的轴承钢在510～550℃之间回火2～2.5小时，后空冷至室温，共回火三次。处理后其硬度达到63-66HRC，并在高温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可耐400度高温的轴承钢的制备方法，其特征在于制备工艺为：(1)钢的冶炼：适用于真空感应炉和真空电渣重熔双真空冶炼；成分质量分数范围为：C 0.75～0.90wt.％，N 0.005～0.012wt.％，Cr 4.50～5.28wt.％，Mo 3.75～4.10wt.％，V 0.56～0.80wt.％，Mn 0.30～0.34wt.％，Ni 0.21～0.26wt.％，Si 0.20～0.29wt.％，Ti≤0.005wt.％，P≤0.01wt.％，S≤0.008wt.％，O≤0.0009wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质；(2)凝固、热锻/热轧工艺：将上述冶炼获得钢液通过连铸或模铸得到钢坯或钢锭，凝固后在750～850℃预热10min～20min，加热到1050℃～1150℃，热锻或热轧为直径不小于15mm的棒材，终锻或终轧温度不低于900℃，锻后炉冷或灰冷至室温；(3)热处理工艺：将上述锻材或者轧材依次经过等温退火、高温固溶和油淬、高温回火三个热处理工序得到所需的性能；第一步等温退火时将轴承钢加热到800～870℃，保温4～6h，然后再以3～10℃/min冷速冷到700～800℃，等温4～6h，后以20～30℃/h的冷速缓冷至600～670℃，再随炉冷至室温；第二步是将冷至室温的钢件加热至750～850℃预热30～50min，再以10～20℃/min速度加热至1050～1060℃，保温30～50min；出炉后油冷至100～200℃，然后空冷至室温；第三步是将冷却后的轴承钢在520～550℃之间回火2～2.5小时，后空冷至室温，共回火三次；处理后其硬度达到62‑65HRC，并在高温400℃下的维氏硬度达到658HV以上，相当于洛氏硬度58HRC以上，能够很好地满足在400℃环境中工作。...

【技术特征摘要】
1.一种可耐400度高温的轴承钢的制备方法，其特征在于制备工艺为：(1)钢的冶炼：适用于真空感应炉和真空电渣重熔双真空冶炼；成分质量分数范围为：C0.75～0.90wt.％，N0.005～0.012wt.％，Cr4.50～5.28wt.％，Mo3.75～4.10wt.％，V0.56～0.80wt.％，Mn0.30～0.34wt.％，Ni0.21～0.26wt.％，Si0.20～0.29wt.％，Ti≤0.005wt.％，P≤0.01wt.％，S≤0.008wt.％，O≤0.0009wt.％，其余为Fe及不可避免的杂质；(2)凝固、热锻/热轧工艺：将上述冶炼获得钢液通过连铸或模铸得到钢坯或钢锭，凝固后在750～850℃预热10min～20min，加热到1050℃～1150℃，热锻或热轧为直径不小于15mm的棒材，终锻或终轧温度不低于900℃，锻后炉冷或灰冷至室温；(3)热处理工艺：将上述锻材或者轧材依次经过等温退火、高温固溶和油淬、高温回火三个热处理工序得到所需的性能；第一步等温退火时将轴承钢加热到800～870℃，保温4～6h，然后再以3～10℃/min冷速冷到700～800℃，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗海文，杨平，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11