Microstructure, hardness and contact fatigue properties of X30N high nitrogen stainless bearing steel

Microstructure, hardness and fatigue properties of X30N high nitrogen stainless bearing steel were investigated. It was found that nitrogen addition could effectively reduce the amount and size of coarse carbides. The original austenite grain size was obviously refined. Additionally, more retained austenite was found in X30N steel after quenching at 1050 ℃, which could be reduced from about 30% to about 6% by cold treatment at - 73 ℃ and subsequent tempering, and thus, the ultimate hardness was increased up to about 61 HRC with reduction of austenite and precipitation of carbonitrides. Furthermore, the rolling contact fatigue lives of X30N steel ate superior to those of 440C steel, which was attributed to the enhanced hardness and a certain retained austenite in the high nitrogen steel.

30Cr15Mo1N高氮不锈轴承钢组织结构表征与旋弯疲劳机制

高氮不锈轴承钢凭借高强度、高硬度、长寿命和优良的耐腐蚀性成为新型轴承材料研发热点。采用旋转弯曲疲劳试验等方法研究了热处理工艺对30Cr15Mo1N高氮不锈轴承钢疲劳性能和裂纹萌生机制的影响。结果表明,试验钢1050℃淬火+180℃回火热处理工艺的抗拉强度为1985.3 MPa、硬度为60.5HRC、疲劳强度为867 MPa,500℃回火后硬度与180℃相当,抗拉强度为2257.6 MPa、疲劳强度为1020 MPa;引起180℃回火试样疲劳裂纹萌生的裂纹源主要为基体和夹杂物两类,而引起500℃回火试样疲劳裂纹萌生的裂纹源通常为边部缺陷。高温回火对基体组织内部应力集中的降低是其裂纹源类型转变和疲劳性能提高的主要原因。通过对高氮不锈轴承钢疲劳行为与裂纹萌生现象的深入研究,为高氮不锈轴承钢热处理工艺制定及抗疲劳机制研究提供试验与理论基础。

高氮轴承钢40Cr15Mo2VN感应淬火工艺可行性试验

利用立式感应淬火机在特定频率和功率下对40Cr15Mo2VN钢进行感应淬火,研究加热时间对40Cr15Mo2VN钢的表面硬度、淬硬层深度和组织特征的影响,结果表明:40Cr15Mo2VN钢在频率12.3 kHz,功率57 kW,水剂冷却条件下进行感应淬火是可行的;加热7,8 s时试样表面硬度不小于58 HRC,淬硬层深度分别为4.2,4.7 mm,表面组织为回火马氏体,心部组织为回火索氏体;加热9~11 s时试样表面硬度均不大于58 HRC,加热9,10 s时表面出现过热组织,加热11 s时表面出现过烧组织。

高氮不锈钢滚轮滚针轴承外圈动载失效原因分析

国内某轴承厂开发某型号滚轮滚针轴承,在动载试验过程中出现外圈开裂失效的问题,针对该问题进行分析。采用金相显微镜、维氏硬度计、扫描电镜等检测分析手段,从多个方面分析轴承失效的原因。结果表明:锻车滚轮滚针轴承金相组织中的网状碳化物存在,大大增加了材料脆性,使得外圈在轴承运转中、外力作用下快速脆性开裂;从断口形貌分析,开裂断口处是以脆性断裂为主、塑性断裂为辅;从扫描电镜EDS能谱分析知,轴承外圈基体和二次析出相中含氮化合物大量流失导致的氮元素含量过少,是造成其脆性断裂的主要原因。因此,滚轮滚针轴承外圈开裂失效原因为网状碳化物存在与氮元素含量流失所引起的脆性断裂。

高氮不锈轴承钢的微观组织与性能研究

利用OM、SEM、XRD和电化学方法对X60N高氮不锈轴承钢(/%:0.63C,15.00Cr,0.61Mo,0.190N)进行组织观察、室温和高温力学性能及耐蚀性能研究。结果表明,钢中降碳加氮可显著降低粗大共晶碳化物的数量及尺寸,X60N钢加氮后的原始奥氏体晶粒尺寸及碳化物明显细化。X60N钢经1 050℃奥氏体化淬火后形成大量残余奥氏体,随后-73℃2 h冷处理及回火将其体积分数由31%降至约6%。由于残余奥氏体的相变强化及细小碳化物与碳氮化物析出强化,X60N钢的最终HRC硬度值由淬火的56.6提高到61.2(低温回火)和60.8(高温回火)。此外,凭借加氮后具有较高的初始硬度、均匀的组织及超细碳氮化物析出,X60N钢在高温硬度及耐蚀性能方面比440C钢(/%:1.00C,17.62Cr,0.55Mo,0.002N)更加优异。

高氮不锈轴承钢组织表征与滚动接触疲劳失效机制

高氮不锈轴承钢作为第三代轴承钢材料,被广泛应用于航天飞机燃料泵轴承、飞机发动机主轴轴承等领域,现已经成为航空航天关键基础材料。而国内关于高氮不锈轴承钢滚动接触疲劳性能研究几乎空白,因此对加压电渣冶炼工艺制备的高氮不锈轴承钢采用不同回火温度热处理,进行力学性能测试、微观结构表征和滚动接触疲劳性能测试。结果表明,试验钢1030℃淬火+180℃回火热处理工艺抗拉强度为1899.7 MPa、硬度为60.7HRC,500℃回火后硬度与180℃相当,抗拉强度提升至2213.5 MPa;通过对500℃高温回火试样基体表征,发现基体内纳米级Cr-N第二相析出是二次硬化现象产生的主要原因。180℃回火试样滚动接触疲劳寿命L10为1.67×10^(7),500℃回火试样L10为2.85×10^(7),提高了70%;通过对2组试样疲劳剥落坑深入表征,发现180℃回火试样次表层沿晶断裂是引起滚动接触疲劳失效的主要原因;结合基体残余应力测量结果分析,500℃高温回火残余拉应力为41 MPa,低于180℃回火的101 MPa。高温回火基体内析出的纳米级Cr-N第二相可以降低位错的运动能力,同时减弱了基体内部应力集中,使得滚道次表层沿晶断裂倾向减小,滚动接触疲劳寿命显著提高。对高氮不锈轴承钢不同回火工艺微观组织结构、滚动接触疲劳性能、裂纹萌生机制进行了深入研究分析,为高氮不锈轴承钢热处理工艺制定、抗疲劳机制研究以及材料研发应用提供试验与理论基础。

淬火和低温处理对X30 CrMoN 15 1组织性能影响

为了探索X30 CrMoN 15 1高氮马氏体钢的最佳淬火+低温处理工艺,利用OM、XRD、SEM、EDS和EBSD等方法研究了不同淬火温度和低温处理对高氮钢显微组织和性能的影响规律。结果表明,当奥氏体化温度低于1 050℃,原奥氏体晶粒长大缓慢,当奥氏体化温度高于1 050℃后晶粒长大加剧。随着奥氏体化温度的升高,碳化物溶解加剧,油淬后的残余奥氏体呈线性升高;低温处理后残余奥氏体大幅度减少,奥氏体化温度越高冷处理后残余奥氏体下降越多。钢的硬度随淬火温度先升高后降低,在1 000℃硬度最高;低温处理后,硬度随淬火温度先升高后降低,在1 030℃硬度最高。钢的冲击韧性随淬火温度先升高后降低,在1 030℃时冲击韧性最佳;低温处理后,钢的冲击韧性大幅度下降。

热处理工艺对高氮不锈轴承钢G30组织与性能的影响

研究了高氮不锈轴承钢G30退火及不同温度淬火的组织特征和硬度变化。结果表明,G30钢退火后组织为粒状珠光体+氮化物;淬、回火组织主要为马氏体+未溶氮化物+残留奥氏体,未溶氮化物类型为(CrFe)2N1-x。1030℃淬回火组织中未溶第二相粒径为0.2～1.5μm,弥散分布在马氏体基体上,消除了高碳铬不锈轴承钢中大块的共晶碳化物,对钢的耐蚀性和接触疲劳寿命十分有利。1000～1050℃淬火+深冷处理和回火后,G30钢的硬度达到58 HRC以上。

高氮不锈轴承钢中的碳氮化物对力学性能的影响

440C等高碳马氏体轴承钢中由于存在大量粗大的共晶碳化物,降低其耐蚀性和疲劳性能,影响了其广泛应用。40Cr15Mo2VN作为一种新型高氮不锈轴承钢,通过降低碳含量,增加氮含量和微合金化来改善其性能。氮的加入一方面析出细小弥散的氮化物,强化了基体;另一方面改善了钢中析出的碳化物的形态、尺寸和分布,使其由原来的带状和网状连续分布变为近圆形颗粒,最大碳化物尺寸由原来的70μm以上减小到小于18μm,弥散分布,从而使Rm达到2 000MPa以上,ReL达到1 700MPa以上,有些超过1 800MPa,表面硬度≥58.5(HRC),U型缺口冲击功保持在8J以上,并具有优异的耐蚀性和疲劳性能,满足轴承钢的服役要求。

合金元素对高氮不锈轴承钢组织与性能的影响

采用金相、扫描、X射线衍射和电化学等方法研究了合金元素对高氮不锈轴承钢组织性能的影响。结果表明:钢中加氮细化组织与碳化物,析出相尺寸随着氮含量的增加而降低。高氮不锈轴承钢1030、1050℃淬火后残余奥氏体体积分数达到20%~35%,而且碳氮含量越高,残余奥氏体越多。经冷处理及回火后残余奥氏体体积分数降至7%~10.3%,由于残余奥氏体的相变强化与碳氮化物析出强化,低温回火硬度约为59HRC,500℃高温回火硬度可达到58HRC~59HRC。高氮不锈轴承钢中析出相细化、基体贫铬区减少及氮-钼协同作用,使其耐蚀性能明显优于440C钢,而且钢中氮含量越高,耐蚀性能越好。因此,较高合金含量(C+N)的高氮不锈轴承钢兼具高硬度和优异的耐蚀性能。

回火温度对高氮不锈轴承钢显微组织与力学性能的影响

采用万能拉伸试验机、冲击试验机、光学显微镜、XRD、SEM和TEM等对高氮不锈轴承钢Cronidur 30不同回火温度下的显微组织和力学性能进行了研究和分析。结果表明:高氮不锈轴承钢Cronidur 30在150〜500℃回火时的显微组织为回火马氏体+碳氮化物+残留奥氏体,高于550℃回火后基体逐渐转变为回火索氏体,同时析出相逐渐聚集、长大;随着回火温度的升高,强度和硬度总体上呈现先下降后升高再下降的过程,而冲击性能反之,在450℃回火时,碳化物M_(23)C_(6)和氮化物Cr_(2)N析出明显,此时产生二次硬化现象,其抗拉强度可达2133 MPa。400 ℃回火试样发现有极少量富Cr-Fe-Mo的析出相(σ相),显著降低其冲击性能,500 ℃回火时残留奥氏体分解、转变导致冲击性能略有降低。

高N马氏体不锈轴承钢的热变形行为

利用Gleeble-3800热模拟试验机在温度为1040-1120℃，应变速率为1～20s^-1的条件下进行了高N马氏体不锈轴承钢的热压缩变形试验。结合真应力一真应变曲线和热变形组织研究了变形参数对高N马氏体不锈轴承钢的热变形行为和碳氮化物演变规律的影响。结果表明：在该变形条件下，试验钢的真应力一真应变曲线为动态再结晶型。随着应变量的增大，碳化物的平均尺寸呈减小趋势，但数量有所增多。基于热变形方程计算得到的应变量为0．6时的热变形激活能Q为410．7kJ／mol。构建了包含应变量在内的流变应力方程，同时建立了高N马氏体不锈轴承钢的Zener-Hollomon参数本构方程。

高氮马氏体不锈轴承钢的组织与性能

对比分析了无氮钢和高氮钢热处理后的微观组织和力学性能。结果表明：氮元素的加入导致马氏体不锈钢奥氏体区扩大、大量弥散分布的细小碳氮化物M2（CN）析出,这有利于钢强度和硬度的改善,相比无氮钢,高氮钢的抗拉强度提高了441 MPa（提高20%）,规定塑性延伸强度提高了474 MPa（提高26%）,硬度提高了11.9 HRC（提高21%）。接触疲劳试验发现,高氮钢接触疲劳额定寿命L（10）=0.97×10^7次,中值疲劳寿命L（50）=1.14×10^7次,起裂方式为夹杂物起裂和大碳化物起裂,其中夹杂物起裂为主要起裂方式,疲劳裂纹的扩展主要是沿着应力方向上的碳化物进行。

制备工艺对高氮轴承钢强韧性的影响

采用的高氮马氏体不锈轴承钢经非真空感应熔炼+电渣重熔双联工艺冶炼后,分别采用锻造成型、均匀化锻造和电渣重熔连续定向凝固+均匀化锻造3种工艺进行处理。对3种工艺下的碳化物和强韧性能进行了研究。结果表明,经锻造成型处理后,试验钢的抗拉强度达到2 056 MPa,屈服强度(Rp0.2)达到1 734 MPa,但冲击功仅有2J;经均匀化锻造后强度有所降低,但冲击功较前者提高了100%;经电渣重熔连续定向凝固+均匀化锻造后钢的强度较锻造成型时没有明显的变化,硬度由57.8 HRC升高至58.5 HRC,冲击功提高了200%。经过对夹杂物、原奥氏体晶粒和碳化物等组织进行分析后发现,这主要是由电渣重熔连续定向凝固提高了钢的纯净度和均匀化锻造使碳化物的分布更加弥散所致。

高氮不锈轴承钢碳化物分布与高温断裂机制

通过高温拉伸试验研究高氮不锈轴承钢高温断裂行为,探究了170℃和470℃回火态钢中碳化物分布特征,分析了高温拉伸断裂及组织演变和碳化物分布规律。研究发现,回火温度从170℃升高至470℃,高氮钢中大于0.8μm的碳化物明显增加,高氮钢中M;C;强化增量提高了2.59 MPa,固溶强化增量下降了118.82 MPa,470℃回火态钢的室温抗拉强度降低、拉伸断口表现为准解理和少量撕裂韧窝;拉伸温度升高至300℃,试样断口表现为等轴型韧窝特征,170℃和470℃回火态试样起裂源断裂碳化物尺寸分别为2.8~3.6μm和5.5~6.7μm;450℃拉伸断口表现为塑孔韧窝特征,170℃和470℃回火态试样起裂源断裂碳化物尺寸分别为2.7~3.4μm和5.8~6.4μm。拉伸温度从300℃提高至450℃,钢的固溶强化和位错强化作用减弱,金属原子间结合能下降,碳化物与基体不连续应力分布加剧变形不协调性,碳化物承担较高应力而发生断裂。单纯热作用下钢中0.5~0.8μm尺寸碳化物数量比例增加;在热力耦合作用下,钢中应力所导致的位错增殖为碳元素扩散提供通道,钢中碳化物在晶界和位错线上形核析出0.2~0.8μm碳化物。裂纹沿着与拉伸方向45°角的最大剪力方向快速扩展而断裂,最终形成锯齿状的断口,小尺寸碳化物增多阻碍位错滑移导致塑性降低;钢中大尺寸碳化物不均匀分布在碳化物间形成大变形塑孔而增加钢的塑性。

回火温度对高氮不锈轴承钢组织与力学性能的影响

对退火态高氮不锈轴承钢进行真空高压气淬并深冷后在不同温度下回火空冷处理,采用光学显微镜、X射线衍射仪、场发射环境扫描电镜、场发射透射电镜、洛氏硬度计和万能材料试验机,研究并分析了不同回火温度对高氮不锈轴承钢显微组织与力学性能的影响。结果表明:当回火温度由180℃升高到550℃时,硬度、抗拉强度及屈服强度呈现先下降后上升再迅速下降的变化趋势;试验钢降碳增氮,组织中没有粗大的共晶碳化物存在。当回火温度为500℃时,基体组织为回火索氏体,碳化物M23C6和氮化物Cr2N细小弥散均匀分布于基体上;在500℃回火时出现了二次硬化,强度和硬度达到峰值,这与碳氮化物弥散强化有关。采用1050℃真空气淬60 min+深冷处理(-100℃×2 h)+500℃空冷2 h回火工艺可以获得良好的综合力学性能。