含氮不锈钢与高碳铬不锈钢的组织和性能比较
2011-07-24王明杰宋华华于芸刘汇河陈小超
王明杰，宋华华，于芸，刘汇河，陈小超
(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)
目前国产不锈轴承钢材料的共晶碳化物分布不均匀，热处理时无法消除，对轴承套圈的磨削和超精工序产生不利的影响，不能满足某些工况下轴承噪声、精度及耐腐蚀性能的要求[1-2]。为此研制了一种含氮不锈轴承钢40Cr15Mo2VN，下文对该钢的碳化物分布情况、力学性能、接触疲劳寿命和耐腐蚀性能等进行了试验，并与高碳铬不锈轴承钢G95Cr18进行了对比分析。
1 试验
1.1 试验材料
试验采用电炉或感应炉冶炼并经电渣重熔的40Cr15Mo2VN钢和G95Cr18钢，其化学成分见表1。40Cr15Mo2VN钢的化学成分执行企业标准，G95Cr18的化学成分执行GB/T 3086—2008《高碳铬不锈轴承钢》标准。氮元素采用氧氮分析仪测定，其余元素采用光谱法测定。
表1 化学成分(质量分数) %
1.2 试验方法
40Cr15Mo2VN钢的热处理工艺为1 050 ℃/30 min淬火+-73 ℃/120 min冷处理+177 ℃/60 min回火； G95Cr18的热处理工艺为1 080 ℃/35 min淬火+-55 ℃/120 min冷处理+150 ℃/60 min回火。对淬、回火后的两种材料进行显微组织、力学性能、接触疲劳寿命和耐腐蚀性能等试验，通过对比评价材料的性能。
2 试验结果与分析
2.1 碳化物分布情况
图1、图2分别为G95Cr18和40Cr15Mo2VN钢的碳化物分布情况，可以看出G95Cr18钢内存在大块的共晶碳化物，并且碳化物分布不均匀，有条带析出现象，这些碳化物在热处理过程中不能完全消除，当轴承承受较大的载荷时，易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂纹源，从而使轴承的使用性能和接触疲劳寿命受到损害；而40Cr15Mo2VN钢中均匀分布着很小的粒状碳氮化合物，类似于高碳铬轴承钢的球化退火组织，而没有高碳铬轴承钢中粗大的块状共晶碳化物和针片状的共晶碳化物。
图1 G95Cr18碳化物分布
图2 40Cr15Mo2VN碳化物分布
2.2 力学性能试验
40Cr15Mo2VN和G95Cr18材料经过1.2节所述的热处理工艺后进行拉伸试验和冲击试验，拉伸试验按GB/T 228—2002《金属材料 室温拉伸试验方法》制备试样并进行试验；冲击试验按GB/T 229—2007《金属材料 夏比(摆锤)冲击试验方法》制备试样并进行试验[3]，结果见表2。
由表2可以看出，40Cr15Mo2VN与G95Cr18钢的力学性能相当。
2.3 接触疲劳寿命试验
按照JB/T 10510—2005《滚动轴承材料接触疲劳试验方法》制备试样并进行试验，试样数量为20个。接触疲劳寿命试验结果见表3，结果表明，40Cr15Mo2VN钢的额定疲劳寿命优于G95Cr18钢；轴承钢的疲劳寿命服从Weibull分布，其斜率b表示接触疲劳寿命的离散度和稳定性，b值越大，轴承钢的疲劳寿命离散程度越小，可靠性越高，由此可见40Cr15Mo2VN钢的可靠性优于G95Cr18钢。
表3 接触疲劳寿命试验结果
2.4 耐腐蚀性能试验
按GJB 150.11—1986《军用设备环境试样方法 盐雾试验》标准制备试样并进行试验，以确定材料抗盐雾大气影响的能力。试验温度为35 ℃，盐雾沉降率为1～2 mL/(80 cm2·h，(5±1)%盐溶液，pH值为6.5～7.2，试样温度稳定2 h后才可喷雾，连续喷雾96 h。试验结束待试样回复48 h后进行鉴定，盐雾试验检查结果见表4。
表4 盐雾试验结果
由表4可以看出，40Cr15Mo2VN钢的耐盐雾腐蚀性能远远优于G95Cr18钢。
2.5 淬回火组织
40Cr15Mo2VN钢经过1 050 ℃/30 min淬火+-73 ℃/120 min冷处理+177 ℃/60 min回火的热处理工艺后，得到的硬度和残余奥氏体量均能满足产品的需要。为了研究该工艺得到的组织特点，分别利用金相显微镜和透射电子显微镜进行了组织分析，图3为该钢的金相组织，图4、图5为透射电镜组织。
由图3可见该钢淬、回火后的组织为回火马氏体+少量一次碳化物+弥散分布的二次碳化物。由透射电镜可观察到该钢的马氏体组织为板条马氏体和片状马氏体的混合组织，其中板条马氏体的亚结构主要是高密度的位错，局部存在孪晶。图5可以清楚地观察到片状马氏体的中脊，并且片状马氏体内存在许多细线，这些细线是相变孪晶，因此片状马氏体的亚结构主要为孪晶。
图3 40Cr15Mo2VN钢淬回火后的显微组织
图4 板条马氏体的TEM形貌
图5 片状马氏体的TEM形貌
3 结论
(1)40Cr15Mo2VN钢中均匀分布着氮和碳形成的很小的粒状碳氮化合物，而没有高碳铬轴承钢中粗大的块状共晶碳化物和针片状的共晶碳化物；(2)40Cr15Mo2VN和G95Cr18钢的力学性能相当；(3)40Cr15Mo2VN钢的额定疲劳寿命和可靠性均优于G95Cr18钢；(4)40Cr15Mo2VN钢的耐腐蚀性能远远优于G95Cr18钢；(5)40Cr15Mo2VN钢淬回火组织为回火马氏体+少量一次碳化物+弥散分布的二次碳化物。透射电镜下观察到板条马氏体和片状马氏体共存。
