全國(guó)高氮馬氏體不銹鋼軸承鋼研究現(xiàn)狀與發(fā)展
2019/6/16 13:59:20
滾動(dòng)軸承是各種重型機(jī)車、機(jī)械設(shè)備和輔助裝備轉(zhuǎn)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)部件最關(guān)鍵的重要基礎(chǔ)件之一，被稱作高端裝備制造的“關(guān)節(jié)”，在航天航空、工程機(jī)械設(shè)備、冶金工業(yè)化學(xué)工業(yè)輔助裝備、精密機(jī)床、汽車工業(yè)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等制造行業(yè)中都有應(yīng)用領(lǐng)域。鑒于運(yùn)用在高接觸應(yīng)力、多次循環(huán)接觸應(yīng)力和滾動(dòng)磨損等嚴(yán)苛環(huán)鏡中，對(duì)滾動(dòng)軸承特性指出較高的耍求。氮元素對(duì)馬氏體不銹鋼的組織化特性有著關(guān)鍵的影響，高氮馬氏體不銹鋼在組織架構(gòu)、材料力學(xué)性能和耐腐蝕性能等這方面均有其獨(dú)特的特性。因而，含氮不銹軸承鋼成為世界各國(guó)的科研重中之重。進(jìn)而加壓機(jī)器設(shè)備與治煉技術(shù)應(yīng)用的飛速發(fā)展，鋼中氮溶解極限進(jìn)一步提升，世界各國(guó)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出各種含氮不銹鋼材料。
含氮不銹鋼材料的概念及其發(fā)展趨勢(shì)
到現(xiàn)在為止，高氮鋼的概念都還沒(méi)統(tǒng)一性的耍求，但目前的概念全是按照不一樣鋼種或是不一樣氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在鋼中的功效來(lái)開(kāi)展歸類。諸如，知名高氮鋼權(quán)威專家Speidel M O認(rèn)為，鐵素體、馬氏體基體中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.08%或是奧氏體基體中的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)高過(guò)0.4%的鋼稱之為高氮鋼。
鑒于懷疑鐵素體鋼中氮會(huì)增加脆性，且鋼中加氮比較困難，一般來(lái)說(shuō)鋼中非常少加入氮元素。直至20世紀(jì)初，氮元素對(duì)鋼的有益優(yōu)點(diǎn)才慢慢被認(rèn)同。1912年，Andrew J H使用自做的電弧爐治煉含氮合金，最先發(fā)覺(jué)氮對(duì)鋼的材料力學(xué)性能和奧氏體可靠性的關(guān)鍵功效。進(jìn)而高氮不銹鋼材料制取技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，不一樣類型的Cr-Mn-Mo的高氮不銹鋼材料不斷地出現(xiàn)。諸如，1975年~1996年，德國(guó)VSG公司研制出大型火力發(fā)電機(jī)組護(hù)環(huán)鋼P(yáng)900（18Cr-18Mn-0.6N）、P900-N（18Cr-18Mn-0.9N）和P2000（16Cr-14Mn-3Mo-0.9N）。當(dāng)今，高氮不銹鋼材料的抗拉強(qiáng)度已達(dá)到3600MPa，另外兼有良好的塑性和耐腐蝕性能。
在我國(guó)的含氮鋼研制工作起起源于20世紀(jì)50年代，北京科技大學(xué)（原北京鋼鐵學(xué)院）的肖紀(jì)美專家教授最先對(duì)氮元素對(duì)鋼組織化變化及其材料力學(xué)性能的影響開(kāi)展科研。20世紀(jì)90年代，東北大學(xué)開(kāi)始科研鋼的氮合金化，并在10t電弧爐和30tAOD爐開(kāi)展含氮鋼治煉，某些不銹鋼企業(yè)也使用滲氮加工工藝治煉含氮不銹鋼材料。2006年，中科院金屬研究室與東北大學(xué)相互擔(dān)負(fù)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)“高氮鋼及其功效機(jī)理科研”，從冶金工業(yè)加工工藝、冷熱精加工及其組織化特性等這方面對(duì)高氮鋼開(kāi)展了進(jìn)一步科研；如今已制取出氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.0%、固溶狀態(tài)下屈服強(qiáng)度超過(guò)600MPa、點(diǎn)蝕當(dāng)量遠(yuǎn)超316L的高氮奧氏體不銹鋼品種。世界各國(guó)含氮不銹鋼材料化學(xué)成分見(jiàn)表1。
氮元素在不銹鋼材料中的功效
科研說(shuō)明，氮在不銹鋼材料中重要利用氮的固溶強(qiáng)化、碳氮化物的析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化3種方式來(lái)改進(jìn)鋼的特性。
氮元素對(duì)組織架構(gòu)的影響。馬氏體不銹鋼中氮能取代碳來(lái)保持穩(wěn)定奧氏體，在Fe-Cr-N系不銹鋼材料中，按照合金成分和解決溫度的不一樣，產(chǎn)生γ、α、ε-(Fe，Cr)2N1-x、Cr2N、CrN等合金相。鑒于原子直徑較小，氮與鐵、金屬產(chǎn)生間隙固溶體或硬質(zhì)相，一些碳化物、氮化物析出，損害塑韌性和耐腐蝕性。盡管，氮以間隙原子強(qiáng)化奧氏體時(shí)，不易像碳一樣存有較多的晶間碳化物。另外，氮還可以實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒，擁有Hall-Petch密切關(guān)系，產(chǎn)生Cr2N時(shí)氮的溶解度高過(guò)產(chǎn)生M23C6時(shí)的碳，這說(shuō)明氮提升馬氏體淬透性的功效更強(qiáng)。與碳鋼相比，含氮鋼回火時(shí)得到彌散遍布的碳氮化物或氮化物，明顯提升鋼的強(qiáng)度、硬度標(biāo)準(zhǔn)、耐磨性能。氮還能減緩鐵素體的產(chǎn)生，并延遲M23C6的析出時(shí)間，改進(jìn)鋼的耐腐蝕性。另外，氮與鉬協(xié)同作用更有利于提升不銹鋼材料的綜合型能。
氮元素對(duì)材料力學(xué)性能的影響。氮作為固溶強(qiáng)化元素提升馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度，且不嚴(yán)重?fù)p害鋼的塑韌性，氮元素減少奧氏體中密排不全位錯(cuò)，減緩含間隙雜質(zhì)相的原子團(tuán)Splintered位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提升不銹鋼材料的強(qiáng)度。含氮馬氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度增加，重要源于基體固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和第二相析出引起的晶界強(qiáng)化。氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度相互影響著馬氏體不銹鋼的細(xì)晶強(qiáng)化程度，進(jìn)而氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升，晶粒細(xì)化功效不斷地增加，超低溫時(shí)氮的細(xì)晶強(qiáng)化非常明顯，但溫度持續(xù)上升這些強(qiáng)化功效慢慢變?nèi)跎踔劣谙АＲ蕴嫉獮橹鞯拈g隙原子增加，馬氏體鋼的強(qiáng)硬度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)而提升，Robert M J 等的科研結(jié)果表明，F(xiàn)e-N系馬氏體的屈服強(qiáng)度與氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平方根呈線性關(guān)系，可是間隙原子增加會(huì)導(dǎo)致鋼的硬度標(biāo)準(zhǔn)下降。
氮元素對(duì)耐腐蝕性能的影響。含氮馬氏體不銹鋼有著優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕特性，其晶間腐蝕方式為敏化態(tài)晶間腐蝕和非敏化態(tài)晶間腐蝕，導(dǎo)致不一樣腐蝕方式的機(jī)理還可以用貧鉻和耐腐蝕元素偏聚基礎(chǔ)理論來(lái)詮釋。氮提升馬氏體不銹鋼鈍化膜的可靠性，進(jìn)而減少不銹鋼材料的均值腐蝕率，高氮馬氏體鋼的氮化物（Cr2N或CrN）析出速率慢且非常少遍布在晶界上，因而敏化解決不易導(dǎo)致晶界貧鉻而導(dǎo)致晶。
