[发明专利]一种长寿命高可靠性大原子合金化高温轴承钢及制造方法

说明书

一种长寿命高可靠性大原子合金化高温轴承钢，属于高温轴承钢强韧化与抗疲劳化技术领域，化学成分重量百分数为:C：0.75‑0.85％、Cr：3.75‑4.25％、Mo：4.0‑4.5％、V：0.90‑1.10％、Si：≤0.35％，Mn：≤0.35％、P：≤0.015％、S：≤0.0080％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.25％、Co：≤0.25％、W：≤0.25％、Nb：≤0.20％、Zr：≤0.20％、Ce：≤0.05％、La：≤0.05％，余量Fe；其中，稀土Ce、La、Nb和Zr合金化元素联合添加，合金总量限制在0.05≤Ce+La+Nb+Zr≤0.30％的范围内。优点在于，实现高温轴承钢8Cr4Mo4V的4.5GPa和200℃下的最高接触疲劳寿命L₁₀≥4.0x10⁷次，比传统8Cr4MoV提升10倍以上。

技术领域

本发明属于高温轴承钢强韧化与抗疲劳化技术领域，特别是提供了一种长寿命高可靠性大原子合金化高温轴承钢及制造方法。通过稀土Ce、La、Nb、Zr等大原子合金化的新型合金化成分设计技术和真空感应+真空自耗+高温扩散+多向锻造等装备工艺，制备出夹杂物、碳化物和基体组织大幅度细化的高温轴承钢。

技术背景

经过50多年发展，轴承钢经历了以室温轴承钢GCr15和440C代表的第一代轴承钢、以耐温不高于350℃的M50和M50NiL为代表的第二代轴承钢以及更高耐温耐蚀性能的Cronidur30和CSS-42L为代表的第三代轴承钢。鉴于M50钢的工艺性能好、成本可接受及其良好的接触疲劳性能和耐温性能而成为国内外高温轴承的主打材料。但现有M50钢的强韧性及抗接触疲劳寿命不足，无法满足高端装备更高长寿命与更高高可靠性要求。

目前M50(8Cr4Mo4V)主要通过真空感应(VIM)加真空自耗的双真空工艺冶炼然后通过高温扩散后热锻或热轧成材。对8Cr4Mo4V钢进行双真空冶炼不仅可以大幅度减少和减小钢中的非金属夹杂物数量与尺寸，而且可以提升轴承钢基体组织与碳化物的均匀性，成为现阶段8Cr4Mo4V钢优异的冶炼工艺。所以通过双真空生产的高温轴承钢8Cr4Mo4V纯净度很高，实现了钢中氧含量达到5PPm和非金属夹杂物总级别不大于1级(氧化物+硫化物+点状)的超纯净冶金质量。然而8Cr4Mo4V钢属莱氏体钢，在凝固过程中形成主要沿铸态晶界呈网状分布的鱼骨状共晶莱氏体组织，割裂了基体组织，严重降低了8Cr4Mo4V钢的强韧性。虽然该铸态莱氏体组织在后续的热形变过程中可以通过墩拔多向变形和后续的热处理实现部分破碎和细化，但仍旧残留着尺寸达到35-70微米的分布不均的大颗粒共晶碳化物，成为8Cr4Mo4V钢疲劳裂纹的主要控制因素，严重地影响着钢的接触疲劳寿命。由于8Cr4Mo4V钢中含有颗粒尺寸超过夹杂物的大量大颗粒碳化物，导致其在200℃和4.5GPa赫兹应力下的接触疲劳寿命仅仅为L₁₀≥0.20-0.40x10⁷次。因此相对于碳化物颗粒细小的轴承钢GCr15的接触疲劳行为主要受到大颗粒夹杂物控制，而含有粗大碳化物的轴承钢8Cr4Mo4V，大颗粒碳化物数量和尺寸远远超过了夹杂杂物数量与尺寸，导致其接触疲劳行为主要受到钢中大颗粒碳化物控制。因此如何在高洁净度冶炼的条件下，解决M50钢中碳化物的颗粒粗大和不均匀差的问题，成为实现轴承钢8Cr4MoV的长寿命化和高可靠性所需要解决的主要问题。