一种高强韧高温轴承钢及其制备方法与流程

本发明属于航空发动机轴承材料，具体涉及一种高强韧高温轴承钢及其制备方法。

背景技术：

1、航空发动机主轴轴承是发动机的核心承载部件，其工作条件极为苛刻：需在高速旋转（dn值超过3×106mm·r/min）、高接触应力（最大赫兹应力超过3gpa）及高温（轴承工作温度可达300～400℃）环境下长期可靠运行，同时还须承受润滑油、高温蒸汽及腐蚀性介质的侵蚀。上述工况对轴承材料提出了高温硬度、断裂韧性、耐腐蚀性与接触疲劳寿命的综合要求，常规轴承钢难以满足。

2、我国航空轴承钢以耐温性350℃的第二代高温轴承钢为主，代表性牌号为m50和m50nil。m50（8cr4mo4v）在315℃时仍可维持58hrc以上，但属于全淬硬型轴承钢，心部与表层组织相同，断裂韧性kic仅为15～20mpa·m1/2，在高速重载条件下易发生灾难性断裂。m50nil通过将碳含量降至0.11～0.15%并提高ni含量，引入渗碳工艺形成硬化表层与韧性心部的梯度结构，使断裂韧性提升至100mpa·m1/2以上，但芯材抗拉强度仅为1400～1500mpa，强度不足。在此基础上，美国于20世纪90年代研发了css-42l（crconimowv系）马氏体时效不锈轴承钢，通过高铬、钴镍合金化与低碳设计，断裂韧性可达80mpa·m1/2以上，但抗拉强度通常为1650～1750mpa，且500℃高温硬度低于60hrc，强度-韧性-高温硬度三者的协同性仍有较大提升空间。

3、综上，现有高温轴承钢在以下方面存在明显不足：①抗拉强度与断裂韧性难以同步达到高水平；②500℃以上高温硬度保持性不足；③稀土微合金化对晶界净化和碳化物形态改善的工程应用尚不成熟。因此，开发一种能同时满足高强度（≥1900mpa）、高韧性（kic≥95mpa·m1/2）和高温硬度（500℃下≥62hrc）的新型航空轴承钢具有重要工程价值。

技术实现思路

1、本发明提供一种高强韧高温轴承钢及其制备方法，通过精准合金成分设计与"双真空冶炼+深冷-回火循环"工艺协同，实现高强度、高韧性与高温硬度的优异匹配。

2、为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种高强韧高温轴承钢，所述轴承钢化学成分及质量分数如下：c：0.15～0.22%，cr：13.50～15.50%，co：12.00～14.00%，ni：1.75～2.25%，mo：4.50～5.00%，w：0.80～1.20%，v：0.80～1.20%，nb：0.02～0.14%，ce：0.05～0.10%，余量为fe及不可避免的杂质。

3、本发明所述轴承钢化学成分及质量分数满足以下比例关系：0.16≤w/mo≤0.27；0.40≤(w+mo+v)/cr≤0.55；4.5≤(v+7.7×nb)/c≤9.0。

4、本发明所述轴承钢杂质元素限定为si≤0.25%，mn≤0.20%，p≤0.015%，s≤0.010%，cu≤0.35%，ti≤0.003%，o≤0.0010%，余量为fe及不可避免的杂质。

5、本发明所述轴承钢的抗拉强度为1936～2022mpa。

6、本发明所述轴承钢的平面应变断裂韧性kic为95～128mpa·m1/2，500℃高温硬度为62.3～62.7hrc。

7、各合金元素的作用及范围依据：

8、c（0.15～0.22%）：碳是形成m2c、m6c和mc型碳化物的关键元素，直接决定碳化物析出量与基体的固溶强化程度。碳含量低于0.15%时碳化物析出不足，高温硬度无法满足要求；高于0.22%时易形成粗大共晶碳化物网络，断裂韧性显著下降。

9、cr（13.50～15.50%）：铬是保证耐蚀性与淬透性的主要元素。低于13.50%耐蚀性不足；高于15.50%时过多铬碳化物形成使基体贫铬，反而降低耐蚀性，同时影响马氏体稳定性。

10、co（12.00～14.00%）：钴可提高基体ms温度、增强回火稳定性并抑制m2c碳化物的ostwald熟化速率，促进m2c碳化物在较低温度下优先析出从而维持碳化物细小弥散分布。低于12.00%回火稳定性不足；高于14.00%则降低室温韧性。

11、ni（1.75～2.25%）：镍显著提高断裂韧性和低温性能，改善钢的塑韧性。含量过低韧性改善不足，过高则降低ms点，导致残余奥氏体增多。

12、mo（4.50～5.00%）：钼是形成m2c和m6c型二次碳化物的主要元素，对高温硬度和回火稳定性贡献最大。含量低于4.50%高温硬度不足，高于5.00%易产生钼的偏析。

13、w（0.80～1.20%）：钨与钼协同形成高温稳定的w-mo复合m6c型碳化物，进一步提高高温硬度与回火稳定性。含量低于0.80%协同强化效果不显著，高于1.20%会使钢的密度过大并可能引起液析偏析。

14、v（0.80～1.20%）：钒是形成细小弥散mc型碳化物（vc）的主要元素，强烈抑制奥氏体晶粒长大，提高耐磨性和抗疲劳性能。

15、nb（0.02～0.14%）：铌形成热力学更稳定的nbc型mc碳化物，晶粒细化效果优于v。与v复合使用可产生协同强化，同时有效钉扎晶界，均匀组织。

16、ce（0.05～0.10%）：稀土ce为强脱氧脱硫元素，优先与钢中o、s形成高熔点ce2o3、ce2s3，净化钢质、细化夹杂物并弱化s/p晶界偏析；同时细化碳化物、改善分布，显著提升塑性与断裂韧性。低于0.05%净化与细化效果不足；高于0.10%易形成稀土富集相、偏聚晶界，降低韧性。

17、三组关键比例关系的物理依据：

18、比例关系一：0.16≤w/mo≤0.27——w与mo协同形成m6c和m2c型高温碳化物，是保证高温硬度的关键。w/mo低于0.16时，相对w含量不足，无法有效形成高温稳定的w-mo复合m6c型碳化物，高温硬度下降（500℃硬度低于62hrc）；w/mo高于0.27时，在本合金体系中过多w会增大钢液密度差，促进液析偏析，降低冶金质量。

19、比例关系二：0.40≤(w+mo+v)/cr≤0.55——该比例约束了强碳化物形成元素（w、mo、v）总量与基体不锈化元素（cr）的相对平衡。比值低于0.40时碳化物析出强化不足，高温硬度和强度难以达到要求；比值高于0.55时，cr被过多消耗于m23c6等铬碳化物，基体固溶cr量减少，耐蚀性和韧性同步下降。

20、比例关系三：4.5≤(v+7.7×nb)/c≤9.0——该比例描述了mc型碳化物形成元素对碳的综合"捕获能力"与基体碳含量之间的平衡。系数7.7为本发明人通过系统实验确定的经验参数：在大量成分实验中发现，在本合金体系中，当以7.7作为nb对v的等效系数代入上式时，该比值与成品力学性能（高温硬度、断裂韧性）的相关性最佳；当该比值低于4.5或高于9.0时，性能均出现明显下降（见对比例2及相关实施例）。比值低于4.5时，mc型碳化物析出量不足，晶粒细化与弥散强化效果弱，耐磨性和抗疲劳性能下降；比值高于9.0时，过量mc碳化物消耗大量c，导致m2c和m6c型碳化物析出量不足，高温硬度和回火稳定性显著降低。

21、本发明还提供上述的高强韧高温轴承钢在航空发动机主轴轴承制造中的应用。

22、本发明的另一目的还在于提供一种高强韧高温轴承钢的制备方法，所述方法包括真空感应熔炼、真空自耗重熔、锻造、热处理工序，具体控制如以下步骤：

23、1）真空感应熔炼（vim）：在真空度≤1pa条件下进行熔炼，按fe→cr→mo→co→w→ni→v→nb的顺序加料，确保各元素充分熔化均匀；在精炼末期钢液温度降至1530～1560℃时，以“包芯线”方式加入稀土ce；采用"包芯线"方式可在精炼末期稳定的低温钢液中加入ce，最大程度减少稀土的氧化损耗，保证ce在钢中的均匀分布；

24、2）真空自耗重熔（var）：稳定阶段熔化速率控制在2.2～2.6kg/h范围，热封顶阶段熔化速率控制在1.5～1.7kg/h；通过精确控制熔化速率，抑制宏观偏析，获得成分均匀、夹杂物细小的高质量钢锭；

25、3）锻造：始锻温度1100～1130℃，终锻温度不低于950℃，单向拔长锻造比为3～5，充分破碎铸态枝晶组织，改善碳化物分布；锻后空冷至700℃以下后入炉，于820～870℃（本钢种ac1点温度约900℃）保温2～4h，以不大于30℃/h的冷速炉冷至550℃以下后出炉空冷，完成退火软化处理；该退火工艺使碳化物充分球化，退火后硬度可降至28～32hrc，满足后续机加工要求；

26、4）热处理（淬火+"深冷+回火"双循环）：淬火温度980～1030℃，保温1～2h后水冷，使碳化物固溶至奥氏体中；随后进行“深冷+回火”循环处理：深冷温度-62℃±3℃（该温度接近本钢种马氏体转变终了温度mf，通过膨胀仪测定约为-55～-65℃），保温1~2h后在空气中自然恢复至室温，可使残余奥氏体充分转变（残余奥氏体含量由淬火态约18～22%降至3%以下），之后进行回火，回火温度500℃保温1~2h后空冷，促进m2c、m6c和mc型二次碳化物细小弥散析出，实现二次硬化；上述“深冷+回火”为一次循环，共循环2次，以最大程度降低残余奥氏体含量并稳定组织，同时释放淬火应力；选择-62℃深冷温度而非更低的液氮温度（-196℃），是因为进一步降温已无法显著增加马氏体转变量，反而可能引入过量热应力和微裂纹，且-62℃可由常规乙醇/干冰制冷剂体系实现，工程经济性好。

27、本发明所述步骤1）中，真空感应熔炼的真空度为0.5～0.8pa，ce以“包芯线”方式加入后的收得率不低于40%。

28、本发明所述步骤3）中，单向拔长锻造比为4～5，退火温度为840～860℃，保温3～4h。

29、本发明所述步骤4）中，淬火温度为990～1020℃，保温1～1.5h；深冷温度为-62℃±1℃。

30、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过中低碳、高铬、钴镍合金化、钨钼钒铌复合强化及稀土ce微合金化的精准成分设计，配合双真空冶炼、退火软化及“深冷-回火”循环热处理，形成固溶强化、析出强化、晶粒细化与晶界强化的多重协同强化机制，使成品兼具高强度、高韧性与高温硬度：抗拉强度达1936～2022mpa，较css-42l提高约10～15%；平面应变断裂韧性kic达95～128mpa·m1/2，满足航空发动机主轴轴承的高可靠性要求；500℃高温硬度62.3～62.7hrc，显著优于css-42l在300℃以上的硬度保持性，可满足新一代高推重比发动机对轴承的耐温要求。