[发明专利]一种高耐磨高强韧高温渗氮钢及其制备方法

说明书

一种高耐磨高强韧高温渗氮钢及其制备方法，属于渗氮钢技术领域。该钢化学元素重量百分书C：0.27～0.32％，Mn：≤0.5％，Si：≤0.5％，Cr：2.5～3.8％，Ni：≤0.05％，Mo：≤0.1％、V：0.30～0.70％，W：0.60～1.2％，Nb：0.02～0.08％，其余为Fe及不可避免的杂质。其中V/Nb：25～35，[O]+[N]+[H]≤0.0040％。其余为Fe及不可避免的杂质。其制备包括以下工艺过程：成分配比与控制→真空冶炼→钢锭热加工成材→钢材表面硬化处理→钢材热处理。优点在于，可以满足服役过程中承受高温及磨损环境作用的新一代轴承等摩擦副用钢的要求，达到高强度、高硬度、高韧性、高温性能、良好抗摩擦磨损性能的良好配合。

技术领域

本发明属于渗氮钢技术领域，特别涉及一种高耐磨高强韧高温渗氮钢及其制备方法，属于冶金材料技术领域。

背景技术

国内外高性能摩擦副用钢的发展趋势主要是高强度、高韧性、高耐磨、耐温以及高疲劳强度超长服役寿命。国内外研制的适合柴油机柱塞套用渗氮钢；易渗氮、硬度高的低铝和无铝新型渗氮钢；渗氮能力强的新型渗氮钢30Cr2MoV；日本研制电厂用新型耐热渗氮钢；2002年欧洲标准化委员会批准9种标准渗氮钢的交货技术条件等。现在高品质渗氮钢已经广泛应用于航空液压泵耐磨零件上。目前在国内航空等领域柱塞泵使用摩擦副用钢多为38CrMoAl，25Cr3Mo，30Cr3MoA。我国航材手册推出四种渗氮钢，其中综合性能、可焊接性能较好的仅有25Cr3MoA一种渗氮钢材料。航空液压泵应用最早且较为广泛38CrMoAlA渗氮钢，它具有优良的渗氮层和心部性能，渗氮层硬度高、耐磨、较高的红硬性和疲劳强度，但是疲劳磨损性能较差。基于英国发动机用材，国内又研制出一种强度高、渗氮硬度略低的25Cr3MoA渗氮钢，并应用于工程实际。38CrMoAl。25Cr3Mo渗氮钢较好满足了使用要求。国内外液压泵关键零部件进行双金属和组合结构的改进，液压元件中耐磨零件材料采用渗氮钢。国外一些国家纷纷开展研制适合不同工况要求的新型渗氮钢并加强标准化及工艺研究，

随着工业发展，摩擦副高速、高赫兹应力、高疲劳强度、高温、耐蚀及减重方面的迫切需要，目前已有的钢种无法满足工况要求。新发明高耐磨高强韧高温渗氮轴承钢，在添加适量的Cr、W元素基础，采用碳氮化物强化机理设计成分，通过表面渗氮工艺，获得表面超高硬度；在合适的热处理工艺下获得精细索氏体基体上沉淀细小弥散的MX、M₂X相，从而使钢的芯部具有高强度和高韧性匹配，其抗拉强度Rm≥1300MPa，屈服强度Rp0.2≥1100MPa，其冲击功可达到100J以上。渗碳表面室温硬度可达到950HV以上，并在450℃时保持HRC58以上，同时钢具有一定的耐蚀性能，能够满足新一代航空齿轮以及液压泵摩擦副用钢的服役要求。

随着航空等领域齿轮液压泵等关键部件的发展，要求耐磨零件渗氮材料具有高韧性、高强度、高的耐磨性和抗接触疲劳性能以及尺寸稳定性。为了减少渗碳热处理的变形并同样达到表面耐磨目的而出现渗氮工艺。渗氮可获得高的表面硬度、耐磨性、抗疲劳性能和抗咬合性。钢中加入与氮有强烈亲和力的Al、Cr、Mo、W等合金元素可以防止铁氮化合物易聚集粗化或者分解而导致材料硬度下降。随着工业技术的发展，对渗氮钢的强韧耐冲击，耐接触疲劳，耐粘着和磨粒磨损，耐热，易渗氮性能要求越来越高。就航空柱塞泵而言，国内外泵内关键滑动摩擦副材料均采用软/硬匹配的方式。上世纪80年代英、美研制的PV3-205航空柱塞泵，其泵内柱塞体、分油盖等关键摩擦副主要采用渗碳钢或工具钢，其抗粘着磨损性能较差。俄罗斯对转子、滑靴等软质件由整体铜合金改为双金属材料；而硬质件中的柱塞体则有实心改为空心组合焊接。其转子基体、柱塞体材料首先采用25Cr3Mo，后使用30Cr3MoA，近期使用的是30X3BA(30Cr3WA)渗氮钢，主成分设计：C：0.16～0.25％、Cr：2.8～3.4％、Ni≤0.2％、W：0.6～1.2％、热处理工艺是从870～900℃保温淬火，然后在510～540℃范围回火，该钢种具有良好抗疲劳性能，其抗拉强度Rm达到980MPa以上，其渗氮表面硬度700HV。具有良好的冲击韧性和疲劳性能以及焊接性能，并没有涉及耐磨、接触疲劳性能指标。