【摘 要】
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高碳马氏体不锈钢因其高硬度、高强度、较好的耐磨性能,广泛应用于航天、医疗器械和化工等领域。高碳马氏体不锈轴承钢中碳元素和铬元素含量较高,不可避免地出现大尺寸共晶碳化物。人们发现氮元素与碳元素相似,均为间隙元素。研究表明奥氏体不锈钢和双相不锈钢中添加氮可提高钢的强度和耐腐蚀性,然而,针对氮元素在高碳马氏体不锈钢中的作用研究较少。本文在9Cr18Mo的基础上,以氮元素替代部分碳元素,并控制碳元素与氮元
【基金项目】
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浙江省重点研发项目“高端轴承钢及轴承产品的研发与产业化”
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高碳马氏体不锈钢因其高硬度、高强度、较好的耐磨性能,广泛应用于航天、医疗器械和化工等领域。高碳马氏体不锈轴承钢中碳元素和铬元素含量较高,不可避免地出现大尺寸共晶碳化物。人们发现氮元素与碳元素相似,均为间隙元素。研究表明奥氏体不锈钢和双相不锈钢中添加氮可提高钢的强度和耐腐蚀性,然而,针对氮元素在高碳马氏体不锈钢中的作用研究较少。本文在9Cr18Mo的基础上,以氮元素替代部分碳元素,并控制碳元素与氮元素含量总和约为1%,制备出成分为0N（0.97%C）、0.1N（0.11%N、0.86%C）、0.15N（0.17%N、0.85%C）和0.2N（0.2%N、0.77%C）的含氮高碳马氏体不锈轴承钢。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、洛氏硬度计和拉伸试验机等实验方法对含氮高碳马氏体不锈轴承钢的组织和性能进行研究。在此基础上进一步探讨了塑性变形及不同热处理温度对含氮高碳马氏体不锈轴承钢组织和性能的影响规律。相同热处理工艺下（1000℃×30 min淬火+160℃×4 h回火）,不同成分含氮高碳马氏体不锈轴承钢的微观组织均为板条马氏体和大尺寸的碳化物。钢中碳化物的含量和尺寸均随着氮元素含量的增加先减少后增加,0.15N含氮高碳马氏体不锈轴承钢中碳化物含量最少,为1.42%。经表征,组织中的碳化物主要为M23C6。含氮高碳马氏体不锈轴承钢的硬度值随氮含量的增加先增大后减小,0.15N轴承钢的硬度值最高,为60.5HRC,并且具有良好的回火稳定性。相同工艺下0.15N高碳马氏体不锈轴承钢具有良好的综合性能。含氮高碳马氏体不锈轴承钢在锻后退火状态下,通过轧制进一步加大塑性变形量后,晶粒的尺寸与大块状的碳化物尺寸明显降低,同时碳氮化物含量增加。在相同的热处理工艺（1000℃×30 min淬火+160℃×4 h回火）下,轧制后的0.15N高碳马氏体不锈轴承钢析出少量氮化物Cr2N,微观组织包括马氏体、碳化物M23C6和少量Cr2N,氮元素仍主要固溶于基体,氮强化含氮高碳马氏体不锈轴承钢的方式为固溶强化和析出强化。轧制前后0.15N高碳马氏体不锈钢的硬度值无变化,但是轧制后抗拉强度大幅提高,达到1924 MPa,拉伸断口形貌中可见大量的小尺寸韧窝。不同奥氏体化温度淬火后的试样均在160℃低温回火4小时。随着淬火温度的逐渐升高,含氮高碳马氏体不锈钢中碳氮化物数量减少,同时马氏体板条尺寸不断增加。950℃淬火和1000℃淬火时微观组织中主要为回火马氏体和碳氮化物,当淬火温度为1050℃时,金相组织中可以明显观察到残余奥氏体,碳氮化物含量明显减少。1100℃淬火时,碳氮化物继续减少,微观组织主要为粗大的马氏体板条、残余奥氏体和少量的碳氮化物。0.15N高碳马氏体不锈轴承钢硬度和抗拉强度均随淬火温度的升高先增加后降低,1000℃淬火时硬度值和抗拉强度最高,分别为60.5 HRC和1924 MPa。
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