[发明专利]具有超长接触疲劳寿命的高强韧渗碳轴承钢及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，特别是提供了一种具有超长接触疲劳寿命的高强韧渗碳轴承钢及制备方法。

背景技术

轴承作为高速列车、特殊车辆、冶金及工程机械传动系统的关键构件，其不仅是整机性能、寿命和可靠性的制约因素，同时影响整机的稳定性、安全性。随着传递能量增加，转速、温度和寿命增加，特别是高速列车剧烈的蛇行运动所导致的轮对轴承强烈的冲击作用以及轧机轴承的高冲击载荷，要求轴承具有更高承载能力，即轴承钢芯部高强韧性，表面超硬化；轴承在高速、高冲击状态下能够连续稳定可靠的工作，例如高铁轮对轴承单元检修里程要求达到120万公里，因此基于渗碳轴承钢高强韧下的高可靠性、长寿命、高稳定性显得至关重要。

日、欧、美高性能轴承钢标准或者技术条件在钢种水平、冶金质量及其尺寸精度方面的要求逐渐形成共性。采用低碳钢表面渗碳处理，是提高接触疲劳寿命和弯曲疲劳极限强度最为有效的方法。目前国内轴承热处理工艺水平发展较快，借鉴欧美先进渗碳轴承材料和工艺，国内高性能外径超过200mm大型轴承开发取得了显著进步。渗碳热处理工艺以及渗碳层控制乃至轴承结构设计、制造、润滑、密封等还有待进一步试验、研究。高铁轴承由渗碳轴承钢制造，轴承钢芯部具有良好韧性，渗碳表面硬度高，可以承受强烈冲击载荷，抗疲劳性能好。尽管美国、欧洲和日本在高性能渗碳轴承材料方面遵循的标准不同，选用轴承材料也有所差异。冶金质量与精细组织显著影响高速列车等高性能轴承的可靠安全性为人们所共识。我国汽车、铁路、装甲车辆和舰船发动机以及传动系统上的轴承，因服役条件不同，轴承用钢分别采用20CrNiMo、18Cr2Ni4WA和12CrNi3A等渗碳钢。另外，国内外轴承使用工况不同，如我国高速铁路轮对轴承相比国外其服役环境更为苛刻与复杂，表现为运行时间较长，温度变化较大，钢轨质量及其平直度等影响作用等。对高速列车用轴承钢特别是轮对轴承用钢提出更高和更为综合的性能与质量要求。从高速列车、冶金机械服役过程来看，基于轴承钢的良好的工艺性能和力学性能，轮对轴承钢的接触疲劳性能和弯曲疲劳性能显得更为重要。我国专利ZL200610089371.7、通过加入0.01～015％Nb元素细化晶粒，开发高强度Cr-Ni-Mo系重载齿轮钢；我国专利(公开号：CN101319294A)通过Nb、B、Ti元素加入，与20CrMoH相比，齿轮钢疲劳极限强度和接触疲劳寿命分别提高15％和30％。日本材料学者(KOYO Engineering Jorunal No.150(1996))通过调整Ni元素含量，研发CH213渗碳轴承钢，具有较高冲击韧性和滚动接触疲劳性能。国内对类似成分渗碳轴承钢进行力学性能和疲劳性能测试，并对其弯曲和接触疲劳性能进行对比分析。但基于成分与工艺优化所获得综合力学性能以及超长接触疲劳性能还未见报导。

发明钢通过化学成分设计与配比精确控制以及高纯净度、高均匀性和晶粒细化工艺技术的控制，并经过与之相应最佳渗碳表面硬化工艺以及热处理工艺，使钢获得表面高硬度、芯部高强度与高韧性以及尺寸稳定性、超长接触疲劳性能和较高弯曲疲劳强度的良好配合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超长接触疲劳寿命的高强韧渗碳轴承钢及制备方法，是一种能承受冲击载荷。尺寸稳定具有优异的疲劳性能和高强韧渗碳轴承钢。该钢主要适用于承受冲击载荷和抗疲劳的零部件，要求所采用的材料必须具有良好的强韧性能配合和较高的渗碳表面硬度，以及良好的抗冲击性能。

根据上述目的，本发明所采用的技术方案是：(1)通过Cr-Ni-Mo成分设计、超纯冶炼和热加工工艺优化，采用适当渗碳工艺及热处理制度，提高钢的强度、韧性以及硬度；(2)加入适量的微量元素V、Nb等，辅之适当热加工工艺，从而保证奥氏体晶粒度大于8级细化钢的晶粒，提高钢的强度和韧性以及疲劳性能；(3)采取超纯冶炼控制钢中氧氮氢和杂质元素，使夹杂物尺度不大于6μm；精确控制渗碳工艺过程，使碳化物尺度不大于2μm，提高钢的尺寸稳定性、抗冲击性能和疲劳性能。本发明的关键之处是基于确定的材料成分范围，冶金质量控制和冶炼、热加工、渗碳及其热处理工艺的有机结合，突出表现在材料组织细小、均匀和稳定性，表面硬度与芯部强韧性等方面的稳定控制，进而提高接触疲劳性能与旋弯疲劳性能。结果在获得高硬度和高强韧的同时，显著提高轴承钢接触弯曲疲劳性能，使钢在服役过程中具有优异的抗疲劳破坏性能。