高纯H9Cr18不锈轴承钢的组织和性能

　　摘　要：采用真空感应+真空自耗（双真空）冶炼工艺生产的H9Cr18不锈轴承钢，钢中氧含量达到6×10^-6，而电渣钢的氧含量为36×10^-6。电渣钢的氧化物夹杂含量是双真空钢的6.4倍。双真空钢的额定疲劳寿命是电渣钢的1.45倍。
　　关键词：不锈轴承钢；双真空；氧化物夹杂；接触疲劳寿命；H9Cr18
　　9Cr18钢是国内外广泛用于制造不锈轴承的材料，它在淬火、低温回火后，具有高的硬度、弹性、强度以及良好的耐蚀性能。用9Cr18钢制造的轴承多用于海水、河水、硝酸、海洋性气候等介质中。9Cr18钢还可用于制造石油机械、化工机械、食品机械、船舶和低温设备的轴承以及某些仪表轴承。以前我国9Cr18不锈轴承钢的生产工艺多采用电弧炉或电渣 工艺冶炼。采用电弧炉冶炼时钢中氧含量较高，并且碳化物也比较粗大，采用电渣冶炼工艺时虽然钢中碳化物得到明显改善，其氧化物夹杂比较细小，但其含量还是比较高^[1]。上述因素不仅影响轴承的使用寿命，还影响其表面光洁度，在使用过程中易引起表面粗糙度恶化。因此需寻求新的冶炼工艺，在既可降低钢中氧含量的同时，又可减少钢中氧化物夹杂的含量，同时又能获得比较细小的碳化物。采用真空感应+真空自耗（双真空）工艺是一种比较理想的方法，钢中氧含量较低（一般在10×10^-6以下），而且碳化物比较细小，因此不仅可以提高轴承的接触疲劳寿命，同时可获得比较高的表面光洁度。
　　1　试验材料及试验方法
　　试验用双真空H9Cr18不锈轴承钢由上海五钢有限公司批量生产。冶炼流程为1t真空感应炉→10t真空自耗炉。作为对比用的电渣钢由重庆特殊钢公司批量生产，两种材料的化学成分见表1。

　　双真空钢的热处理工艺为：850℃×50min→1060℃×40min→液氮（-196℃）×1h→150℃×4h（回火）。电渣钢的热处理工艺为：850℃×45min→1060℃×35min→-78℃×1h→150～160℃×4h→220℃×4h（回火）。
　　2种冶炼方法生产的钢材其一般疏松和偏析均为0.5级，中心疏松和塔形检验均为0级。
　　2　试验结果
　　2.1 夹杂物
　　非金属夹杂物的常规检验结果见表2。

　　非金属夹杂物电解分析试样的尺寸为Ø13mm×120mm，经1100℃加热40min后油淬，再于150℃回火2h，其电解分析结果见表3。

 

　　非金属夹杂物的定量金相检验工作在国产IAS4型定量金相显微镜上进行。由于双真空试样的氧化物夹杂比较细小，因此将试样放大500倍后进行检验。每个炉号分别检验3个部位的3个试样，每个试样从心部到边缘进行检验，由计算机报出氧化物夹杂的粘污面积分数及氧化物颗粒尺寸和分布，结果见表4。由于硫化物夹杂数量很少并且比较细小，因此未作检验。

　　2.2 碳化物
　　钢中碳化物的评定结果见表5。2种试验材料中共晶碳化物的不均匀性见图1，淬火、回火后的金相组织照片见图2。

　　从表5和图1可见，采用双真空工艺冶炼的H9Cr18不锈轴承钢中共晶碳化物的不均匀性比电渣钢略有改善，说明此工艺对于改善钢中碳化物的不均匀性是有效的。
　　从图2可以看出，2种材料的淬火、回火组织均由隐晶及细小的马氏体+分布比较均匀的残留一次碳化物、二次碳化物+少量的残余奥氏体组成，但电渣钢的残留碳化物颗粒略大于双真空钢。透射电镜的观察表明，2种冶炼工艺生产的材料中马氏体基体基本相同，均为孪晶马氏体+位错马氏体。
　　2.3 接触疲劳寿命
　　接触疲劳寿命试验在5台JP-52接触疲劳试验机上交替进行，每组18个试样。试验负荷为2600N，Z大应力为4410MPa，试验机转速为3000r/min，用20号机油冷却。试验时采用自动控制，使疲劳坑的直径控制在0.5～1.0mm，并且可以自动计数。将Ø35mm（双真空材料）和Ø38mm（电渣材料）的退火材料加工成Ø30mm×Ø18mm×10mm的试样，用前述的热处理工艺进行处理，试样的硬度均为HRC58。试验数据采用韦伯尔统计分布函数进行处理，结果见表6和图3。

　　2.4 冲击韧性
　　室温冲击韧性试验是在JB30B冲击试验机上进行的，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，无缺口，双真空钢和电渣钢的冲击韧性α_K分别为4.4J/cm²和4.6J/cm²，两者基本相同。
　　3　结果分析及讨论
　　3.1 冶炼工艺对钢中氧含量及氧化物夹杂的影响
　　空间技术和精密机械的飞速发展对其所用轴承的要求越来越高，使用传统冶炼工艺生产的轴承材料难以满足轴承目前的使用要求，因此采用真空感应+真空自耗（双真空）工艺冶炼H9Cr18不锈轴承钢是一种比较理想的双联工艺。先用真空感应炉去除气体、非金属夹杂物从而获得高纯度的电极，再用真空自耗炉重熔2次去除稳定夹杂物具有提纯能力强、水冷结晶器快速凝固及避免耐火材料沾污的特点，可以获得高纯度、高致密度以及化学成分和显微组织均匀的不锈轴承钢。试验结果表明，双真空钢中的氧含量仅为6×10^-6，而电渣钢中的氧含量为36×10^-6。正是氧含量的巨大差别，使双真空钢中氧化物夹杂的含量、颗粒尺寸明显少于电渣钢。电解夹杂物的分析结果表明，双真空钢和电渣钢中氧化物夹杂的总含量分别为0.00441%和0.02830%，后者是前者的6.4倍;钢中Al₂O₃夹杂物分别为0.00041%和0.00531%，后者是前者的13倍。图像分析仪也得出相似的结果，双真空钢和电渣钢中氧化物夹杂的粘污面积分数分别为0.004811%和0.02248%，后者是前者的4.6倍；电渣钢和双真空钢中Z大氧化物粒径分别为11.74μm和4.98μm，前者是后者的2.3倍；平均粒径分别为3.18μm和2.13μm，说明双真空钢中氧化物夹杂明显小于电渣钢。以上结果说明，采用双真空工艺冶炼H9Cr18不锈轴承钢，对于降低钢中氧含量，减少氧化物夹杂的数量以及获得分布比较均匀、细小的氧化物夹杂是非常有效的途径。
　　3.2 冶炼工艺对接触疲劳寿命的影响
　　接触疲劳寿命是轴承钢Z重要的性能指标，因此国内外许多研究工作都致力于提高轴承钢的接触疲劳寿命^[3]。本试验双真空钢和电渣钢的额定寿命L₁₀分别为11.22×10⁶次和7.76×10⁶次，前者是后者的1.45倍。双真空钢接触疲劳寿命的提高与钢中氧含量低和氧化物夹杂数量少有直接关系，这一点已得到许多研究证实。SKF公司披露的材料认为，精炼钢氧含量降低到10×10^-6以下后，其接触疲劳寿命是大气下熔炼钢（氧含量为40×10^-6）的10倍。日本山阳特殊钢公司认为^[4]，钢中氧含量降低到5.4×10^-6，其接触疲劳寿命是非精炼钢的30倍。文献[5]的结果表明，钢中氧含量从非精炼钢的30×10^-6降低到炉外精炼钢的20×10^-6、15×10^-6和8×10^-6时，其接触疲劳寿命分别提高1.5倍、2倍和3倍。笔者将这次电渣重熔工艺冶炼的9Cr18钢与双真空工艺冶炼的H9Cr18钢作比较，发现：钢中氧含量大幅度降低，钢中氧化物夹杂的数量、大小和分布得到明显改善，这对于提高H9Cr18不锈轴承钢的接触疲劳寿命是有益的。不过，改善接触疲劳寿命的效果不如电炉钢和炉外精炼钢明显。这是因为：电渣钢中氧含量虽然较高，氧化物夹杂也较多，但其钢中氧化物夹杂的分散度和细小程度明显比电炉钢要好，并且与双真空钢的差距也较小。 
　　钢中碳化物形态的改善对提高接触疲劳寿命也是有一定作用的。从表6和图1、图2可以看出，双真空钢中碳化物的颗粒尺寸和分布略好于电渣钢，说明真空自耗冶炼的锭型选择、冶炼工艺以及结晶条件比较合理，获得了比较理想的组织。
　　4　结论
　　（1）采用双真空冶炼工艺生产的H9Cr18不锈轴承钢的纯净度得到大幅度的提高，其氧含量只有6×10^-6，而电渣钢为36×10^-6。不仅如此，双真空钢中氧化物夹杂含量明显低于电渣钢，并且氧化物夹杂颗粒更细小、分布更均匀。
　　（2）用双真空工艺冶炼的H9Cr18不锈轴承钢的接触疲劳寿命优于电渣钢，两者的额定接触疲劳寿命分别为11.22×10⁶次和7.76×10⁶次，前者是后者的1.45倍。
　　参考文献：
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　　[2]宋志敏,张虹.我国轴承钢生产及质量现状[J].钢铁研究学报,2000,12(4):59263.
　　[3]徐玉兰,刘德金.上钢五厂与SKF公司生产轴承钢的冶金质量和接触疲劳寿命的试验研究[J].钢铁研究学报,1994,6(1):43248.
　　[4]上杉年一.關於日本軸承鋼的進展[J].鐵と鋼,1988,74(10):188921894.
　　[5]王昌生.氧含量对轴承钢疲劳寿命的影响[J].特殊钢,1990,11(6):22228.