含氮不銹鋼與高碳鉻不銹鋼的組織和性能比較

王明杰，宋華華，于蕓，劉匯河，陳小超

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039)

目前國產不銹軸承鋼材料的共晶碳化物分布不均勻，熱處理時無法消除，對軸承套圈的磨削和超精工序產生不利的影響，不能滿足某些工況下軸承噪聲、精度及耐腐蝕性能的要求[1-2]。為此研制了一種含氮不銹軸承鋼40Cr15Mo2VN，下文對該鋼的碳化物分布情況、力學性能、接觸疲勞壽命和耐腐蝕性能等進行了試驗，并與高碳鉻不銹軸承鋼G95Cr18進行了對比分析。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用電爐或感應爐冶煉并經電渣重熔的40Cr15Mo2VN鋼和G95Cr18鋼，其化學成分見表1。40Cr15Mo2VN鋼的化學成分執行企業標準，G95Cr18的化學成分執行GB/T 3086—2008《高碳鉻不銹軸承鋼》標準。氮元素采用氧氮分析儀測定，其余元素采用光譜法測定。

表1 化學成分(質量分數) %

1.2 試驗方法

40Cr15Mo2VN鋼的熱處理工藝為1 050 ℃/30 min淬火+-73 ℃/120 min冷處理+177 ℃/60 min回火； G95Cr18的熱處理工藝為1 080 ℃/35 min淬火+-55 ℃/120 min冷處理+150 ℃/60 min回火。對淬、回火后的兩種材料進行顯微組織、力學性能、接觸疲勞壽命和耐腐蝕性能等試驗，通過對比評價材料的性能。

2 試驗結果與分析

2.1 碳化物分布情況

圖1、圖2分別為G95Cr18和40Cr15Mo2VN鋼的碳化物分布情況，可以看出G95Cr18鋼內存在大塊的共晶碳化物，并且碳化物分布不均勻，有條帶析出現象，這些碳化物在熱處理過程中不能完全消除，當軸承承受較大的載荷時，易在共晶碳化物處造成應力集中而產生疲勞裂紋源，從而使軸承的使用性能和接觸疲勞壽命受到損害；而40Cr15Mo2VN鋼中均勻分布著很小的粒狀碳氮化合物，類似于高碳鉻軸承鋼的球化退火組織，而沒有高碳鉻軸承鋼中粗大的塊狀共晶碳化物和針片狀的共晶碳化物。

圖1 G95Cr18碳化物分布

圖2 40Cr15Mo2VN碳化物分布

2.2 力學性能試驗

40Cr15Mo2VN和G95Cr18材料經過1.2節所述的熱處理工藝后進行拉伸試驗和沖擊試驗，拉伸試驗按GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》制備試樣并進行試驗；沖擊試驗按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比(擺錘)沖擊試驗方法》制備試樣并進行試驗[3]，結果見表2。

由表2可以看出，40Cr15Mo2VN與G95Cr18鋼的力學性能相當。

2.3 接觸疲勞壽命試驗

按照JB/T 10510—2005《滾動軸承材料接觸疲勞試驗方法》制備試樣并進行試驗，試樣數量為20個。接觸疲勞壽命試驗結果見表3，結果表明，40Cr15Mo2VN鋼的額定疲勞壽命優于G95Cr18鋼；軸承鋼的疲勞壽命服從Weibull分布，其斜率b表示接觸疲勞壽命的離散度和穩定性，b值越大，軸承鋼的疲勞壽命離散程度越小，可靠性越高，由此可見40Cr15Mo2VN鋼的可靠性優于G95Cr18鋼。

表3 接觸疲勞壽命試驗結果

2.4 耐腐蝕性能試驗

按GJB 150.11—1986《軍用設備環境試樣方法 鹽霧試驗》標準制備試樣并進行試驗，以確定材料抗鹽霧大氣影響的能力。試驗溫度為35 ℃，鹽霧沉降率為1～2 mL/(80 cm2·h，(5±1)%鹽溶液，pH值為6.5～7.2，試樣溫度穩定2 h后才可噴霧，連續噴霧96 h。試驗結束待試樣回復48 h后進行鑒定，鹽霧試驗檢查結果見表4。

表4 鹽霧試驗結果

由表4可以看出，40Cr15Mo2VN鋼的耐鹽霧腐蝕性能遠遠優于G95Cr18鋼。

2.5 淬回火組織

40Cr15Mo2VN鋼經過1 050 ℃/30 min淬火+-73 ℃/120 min冷處理+177 ℃/60 min回火的熱處理工藝后，得到的硬度和殘余奧氏體量均能滿足產品的需要。為了研究該工藝得到的組織特點，分別利用金相顯微鏡和透射電子顯微鏡進行了組織分析，圖3為該鋼的金相組織，圖4、圖5為透射電鏡組織。

由圖3可見該鋼淬、回火后的組織為回火馬氏體+少量一次碳化物+彌散分布的二次碳化物。由透射電鏡可觀察到該鋼的馬氏體組織為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織，其中板條馬氏體的亞結構主要是高密度的位錯，局部存在孿晶。圖5可以清楚地觀察到片狀馬氏體的中脊，并且片狀馬氏體內存在許多細線，這些細線是相變孿晶，因此片狀馬氏體的亞結構主要為孿晶。

圖3 40Cr15Mo2VN鋼淬回火后的顯微組織

圖4 板條馬氏體的TEM形貌

圖5 片狀馬氏體的TEM形貌

3 結論

(1)40Cr15Mo2VN鋼中均勻分布著氮和碳形成的很小的粒狀碳氮化合物，而沒有高碳鉻軸承鋼中粗大的塊狀共晶碳化物和針片狀的共晶碳化物；(2)40Cr15Mo2VN和G95Cr18鋼的力學性能相當；(3)40Cr15Mo2VN鋼的額定疲勞壽命和可靠性均優于G95Cr18鋼；(4)40Cr15Mo2VN鋼的耐腐蝕性能遠遠優于G95Cr18鋼；(5)40Cr15Mo2VN鋼淬回火組織為回火馬氏體+少量一次碳化物+彌散分布的二次碳化物。透射電鏡下觀察到板條馬氏體和片狀馬氏體共存。