全國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
滾動軸承是各種重型機車、機械設備和輔助裝備轉(zhuǎn)動、傳動系統(tǒng)部件最關鍵的重要基礎件之一，被稱作高端裝備制造的“關節(jié)”，在航天航空、工程機械設備、冶金工業(yè)化學工業(yè)輔助裝備、精密機床、汽車工業(yè)和風力發(fā)電機等制造行業(yè)中都有應用領域。鑒于運用在高接觸應力、多次循環(huán)接觸應力和滾動磨損等嚴苛環(huán)鏡中，對滾動軸承特性指出較高的耍求。氮元素對馬氏體不銹鋼的組織化特性有著關鍵的影響，高氮馬氏體不銹鋼在組織架構、材料力學性能和耐腐蝕性能等這方面均有其獨特的特性。因而，含氮不銹軸承鋼成為世界各國的科研重中之重。進而加壓機器設備與治煉技術應用的飛速發(fā)展，鋼中氮溶解極限進一步提升，世界各國陸續(xù)開發(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
到現(xiàn)在為止，高氮鋼的概念都還沒統(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)量分數(shù)在鋼中的功效來開展歸類。諸如，知名高氮鋼權威專家Speidel M O認為，鐵素體、馬氏體基體中氮質(zhì)量分數(shù)超過0.08%或是奧氏體基體中的氮質(zhì)量分數(shù)高過0.4%的鋼稱之為高氮鋼。
鑒于懷疑鐵素體鋼中氮會增加脆性，且鋼中加氮比較困難，一般來說鋼中非常少加入氮元素。直至20世紀初，氮元素對鋼的有益優(yōu)點才慢慢被認同。1912年，Andrew J H使用自做的電弧爐治煉含氮合金，最先發(fā)覺氮對鋼的材料力學性能和奧氏體可靠性的關鍵功效。進而高氮不銹鋼材料制取技術應用的發(fā)展趨勢，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VSG公司研制出大型火力發(fā)電機組護環(huán)鋼P900（18Cr-18Mn-0.6N）、P900-N（18Cr-18Mn-0.9N）和P2000（16Cr-14Mn-3Mo-0.9N）。當今，高氮不銹鋼材料的抗拉強度已達到3600MPa，另外兼有良好的塑性和耐腐蝕性能。
在我國的含氮鋼研制工作起起源于20世紀50年代，北京科技大學（原北京鋼鐵學院）的肖紀美專家教授最先對氮元素對鋼組織化變化及其材料力學性能的影響開展科研。20世紀90年代，東北大學開始科研鋼的氮合金化，并在10t電弧爐和30tAOD爐開展含氮鋼治煉，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相互擔負國家自然科學基金重點項目建設“高氮鋼及其功效機理科研”，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高氮鋼開展了進一步科研；如今已制取出氮質(zhì)量分數(shù)超過1.0%、固溶狀態(tài)下屈服強度超過600MPa、點蝕當量遠超316L的高氮奧氏體不銹鋼品種。世界各國含氮不銹鋼材料化學成分見表1。
氮元素在不銹鋼材料中的功效
科研說明，氮在不銹鋼材料中重要利用氮的固溶強化、碳氮化物的析出強化和晶粒細化3種方式來改進鋼的特性。
氮元素對組織架構的影響。馬氏體不銹鋼中氮能取代碳來保持穩(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，氮以間隙原子強化奧氏體時，不易像碳一樣存有較多的晶間碳化物。另外，氮還可以實現(xiàn)細化晶粒，擁有Hall-Petch密切關系，產(chǎn)生Cr2N時氮的溶解度高過產(chǎn)生M23C6時的碳，這說明氮提升馬氏體淬透性的功效更強。與碳鋼相比，含氮鋼回火時得到彌散遍布的碳氮化物或氮化物，明顯提升鋼的強度、硬度標準、耐磨性能。氮還能減緩鐵素體的產(chǎn)生，并延遲M23C6的析出時間，改進鋼的耐腐蝕性。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。
氮元素對材料力學性能的影響。氮作為固溶強化元素提升馬氏體不銹鋼的強度，且不嚴重損害鋼的塑韌性，氮元素減少奧氏體中密排不全位錯，減緩含間隙雜質(zhì)相的原子團Splintered位錯運動，進而提升不銹鋼材料的強度。含氮馬氏體不銹鋼的屈服強度增加，重要源于基體固溶強化、細晶強化和第二相析出引起的晶界強化。氮質(zhì)量分數(shù)和溫度相互影響著馬氏體不銹鋼的細晶強化程度，進而氮質(zhì)量分數(shù)的提升，晶粒細化功效不斷地增加，超低溫時氮的細晶強化非常明顯，但溫度持續(xù)上升這些強化功效慢慢變?nèi)跎踔劣谙?。以碳氮為主的間隙原子增加，馬氏體鋼的強硬度標準進而提升，Robert M J 等的科研結果表明，F(xiàn)e-N系馬氏體的屈服強度與氮質(zhì)量分數(shù)的平方根呈線性關系，可是間隙原子增加會導致鋼的硬度標準下降。
氮元素對耐腐蝕性能的影響。含氮馬氏體不銹鋼有著優(yōu)良的耐點蝕、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，導致不一樣腐蝕方式的機理還可以用貧鉻和耐腐蝕元素偏聚基礎理論來詮釋。氮提升馬氏體不銹鋼鈍化膜的可靠性，進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致晶界貧鉻而導致晶。
