[发明专利]一种低密度高强高耐蚀齿轮轴承钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低密度高强高耐蚀长寿命的齿轮轴承钢及其制备方法，属于轴承及齿轮用钢技术领域，该齿轮轴承钢的化学成分重量百分数为：C：0.1～0.35，Cr：12～16，Al：0.01～10，Mo：3～5.5，V：0.1～1.5，Ni：1.5～4，Co：9～15，Nb：0.01～0.15，B：0.0001～0.002，Si≤0.3，Mn≤0.3，且组分中含有稀土元素Re，其余为Fe及不可避免的杂质，本发明在成分设计上加入稀土元素RE，生产工艺为双真空熔炼、锻造、锻后预备热处理、渗碳和渗碳后热处理等工艺流程，本发明制备的轴承钢的密度可以从7.94g/cm³降低到6.52g/cm³，实现减重18％左右。硬度芯部硬度最高可达62HRC，表层硬度可达68HRC。在3.0～4.5GPa赫兹应力下接触疲劳寿命接近1X10⁸，超过现有低碳钢的接触疲劳寿命。是一种综合性能优良的低密度高强耐蚀长寿命齿轮轴承钢。

技术领域

本发明属于合金钢领域，具体为提供了一种低密度高强高耐蚀长寿命的齿轮轴承钢及其制备方法，该钢密度低，硬度高，耐蚀耐磨性能好，接触疲劳寿命高。

背景技术

与欧美日德法等轴承强国相比，我国在齿轮轴承钢领域起步较晚，在钢种数量、材料质量与热处理设备及工艺等方面，还存在一定差距。国际竞争激烈，我国轴承钢的发展应不仅仅满足于产量的领先，在传统轴承钢的质量提升和新品种轴承钢的钢种开发方面务必有所突破。

目前研究的齿轮轴承钢，从碳含量的组分上可以分为高碳铬齿轮轴承钢(含碳量：0.77～1.7％左右)和渗碳齿轮轴承钢(含碳量：0.1～0.3％左右)，两者由于碳含量具有显著差异，在组分选择、碳的析出方式、制备工艺以及性能特点上都有非常大的差异。在后续处理过程中，目前一般具有芯部低碳基体成分的渗碳钢和高碳全淬透型钢两种工艺路线。由于全淬透型钢在高速高压环境下工作时套圈表面易产生微小裂纹并贯穿至芯部，使零件损坏。而渗碳钢芯部韧性好，表面强度高，渗碳层的耐磨耐蚀性能好。因此芯部低碳基体成分的渗碳钢正在逐步取代高碳全淬透型钢。

网状碳化物是碳化物不均匀性的一种，是严重影响轴承内在质量的关键因素之一。对于高碳铬淬透型齿轮轴承钢，在热加工后的冷却过程中，局部浓度过高的碳以碳化物形式沿奥氏体晶粒边界析出，包围着奥氏体晶粒，形成网状碳化物。热加工终了温度越高，网状碳化物也越严重，其削弱了金属间的结合力，使钢的机械性能尤其是冲击韧性急剧下降，导致工件淬火开裂。对于渗碳齿轮轴承钢，由于钢中含有较多铬、钼、钒等碳化物形成元素，在渗碳过程中，对于渗碳层要求较深(≥1.5mm)的零件，增加碳势时极易形成粗大的网状碳化物，降低碳势又容易导致表层碳含量不足，使轴承成品套圈硬度达不到要求，降低钢的耐磨性，同时网状碳化物的存在使渗碳后零件淬火时滚道表面易开裂。因此网状碳化物的消除对于提高轴承钢性能非常重要。

现有的钢材生产中，Al元素通常作为脱氧元素降低合金中氧杂质含量，同时利用其起到固溶强化的作用。Al元素是非碳化物形成元素，在渗碳后淬火及回火过程中不参与碳化物的形成，能有效抑制合金元素向晶界处扩散，从而制约高碳势情况下网状碳化物的生成，促使渗碳层碳浓度梯度平缓，增加渗碳层深度，并降低密度。稀土元素具有净化作用，可以脱硫、脱气，以及与钢中低熔点的杂质元素结合，形成高熔点夹杂物，消除这些元素沿晶界分布造成的脆性倾向。但目前现有技术中，对Al元素对低碳成分渗碳钢中，加入Al和稀土后对低碳轴承钢的渗碳过程中的渗碳层的作用机理以及起到的效果还没有相关研究。此外在低碳含量的轴承钢中，添加了Al含量和稀土元素后，与Ni、Cr、Co、Mo等其他合金元素，以及在钢冶炼过程中的氧含量控制、以及锻造、渗碳前后的热处理工序及其具体参数的相互影响，以及最终对轴承钢的力学性能尤其是冲击韧性的改善研究还非常不系统，缺乏完善的、可以适用于工业生产的成熟工艺。

发明内容