全国高氮马氏体不锈钢轴承钢研究现状与发展
2019/6/16 13:59:20
滚动轴承是各种重型机车、机械设备和辅助装备转动、传动系统部件最关键的重要基础件之一，被称作高端装备制造的“关节”，在航天航空、工程机械设备、冶金工业化学工业辅助装备、精密机床、汽车工业和风力发电机等制造行业中都有应用领域。鉴于运用在高接触应力、多次循环接触应力和滚动磨损等严苛环镜中，对滚动轴承特性指出较高的耍求。氮元素对马氏体不锈钢的组织化特性有着关键的影响，高氮马氏体不锈钢在组织架构、材料力学性能和耐腐蚀性能等这方面均有其独特的特性。因而，含氮不锈轴承钢成为世界各国的科研重中之重。进而加压机器设备与治炼技术应用的飞速发展，钢中氮溶解極限进一步提升，世界各国陆续开发出各种含氮不锈钢材料。
含氮不锈钢材料的概念及其发展趋势
到现在为止，高氮钢的概念都还没统一性的耍求，但目前的概念全是按照不一样钢种或是不一样氮质量分数在钢中的功效来开展归类。诸如，知名高氮钢权威专家Speidel M O认为，铁素体、马氏体基体中氮质量分数超过0.08%或是奥氏体基体中的氮质量分数高过0.4%的钢称之为高氮钢。
鉴于怀疑铁素体钢中氮会增加脆性，且钢中加氮比较困难，一般来说钢中非常少加入氮元素。直至20世纪初，氮元素对钢的有益优点才慢慢被认同。1912年，Andrew J H使用自做的电弧炉治炼含氮合金，最先发觉氮对钢的材料力学性能和奥氏体可靠性的关键功效。进而高氮不锈钢材料制取技术应用的发展趋势，不一样类型的Cr-Mn-Mo的高氮不锈钢材料不断地出現。诸如，1975年~1996年，德国VSG公司研制出大型火力发电机组护环钢P900（18Cr-18Mn-0.6N）、P900-N（18Cr-18Mn-0.9N）和P2000（16Cr-14Mn-3Mo-0.9N）。当今，高氮不锈钢材料的抗拉强度已达到3600MPa，另外兼有良好的塑性和耐腐蚀性能。
在我国的含氮钢研制工作起起源于20世纪50年代，北京科技大学（原北京钢铁学院）的肖纪美专家教授最先对氮元素对钢组织化变化及其材料力学性能的影响开展科研。20世纪90年代，东北大学開始科研钢的氮合金化，并在10t电弧炉和30tAOD炉开展含氮钢治炼，某些不锈钢企业也使用渗氮加工工艺治炼含氮不锈钢材料。2006年，中科院金属研究室与东北大学相互担负国家自然科学基金重点项目建设“高氮钢及其功效机理科研”，从冶金工业加工工艺、冷热精加工及其组织化特性等这方面对高氮钢开展了进一步科研；如今已制取出氮质量分数超过1.0%、固溶状态下屈服强度超过600MPa、点蚀当量远超316L的高氮奥氏体不锈钢品种。世界各国含氮不锈钢材料化学成分见表1。
氮元素在不锈钢材料中的功效
科研说明，氮在不锈钢材料中重要利用氮的固溶强化、碳氮化物的析出强化和晶粒细化3种方式来改进钢的特性。
氮元素对组织架构的影响。马氏体不锈钢中氮能取代碳来保持稳定奥氏体，在Fe-Cr-N系不锈钢材料中，按照合金成分和解决温度的不一样，产生γ、α、ε-(Fe，Cr)2N1-x、Cr2N、CrN等合金相。鉴于原子直徑较小，氮与铁、金属产生间隙固溶体或硬质相，一些碳化物、氮化物析出，损害塑韧性和耐腐蚀性。尽管，氮以间隙原子强化奥氏体时，不易像碳一样存有较多的晶间碳化物。另外，氮还可以实现细化晶粒，拥有Hall-Petch密切关系，产生Cr2N时氮的溶解度高过产生M23C6时的碳，这说明氮提升马氏体淬透性的功效更强。与碳钢相比，含氮钢回火时得到弥散遍布的碳氮化物或氮化物，明显提升钢的強度、硬度标准、耐磨性能。氮还能减缓铁素体的产生，并延迟M23C6的析出时间，改进钢的耐腐蚀性。另外，氮与钼协同作用更有利于提升不锈钢材料的综合型能。
氮元素对材料力学性能的影响。氮作为固溶强化元素提升马氏体不锈钢的強度，且不严重损害钢的塑韧性，氮元素减少奥氏体中密排不全位错，减缓含间隙杂质相的原子团Splintered位错运动，进而提升不锈钢材料的強度。含氮马氏体不锈钢的屈服强度增加，重要源于基体固溶强化、细晶强化和第二相析出引起的晶界强化。氮质量分数和温度相互影响着马氏体不锈钢的细晶强化程度，进而氮质量分数的提升，晶粒细化功效不断地增加，超低温时氮的细晶强化非常明显，但温度持续上升这些强化功效慢慢变弱甚至于消失。以碳氮为主的间隙原子增加，马氏体钢的强硬度标准进而提升，Robert M J 等的科研结果表明，Fe-N系马氏体的屈服强度与氮质量分数的平方根呈线性关系，可是间隙原子增加会导致钢的硬度标准下降。
氮元素对耐腐蚀性能的影响。含氮马氏体不锈钢有着优良的耐点蚀、耐缝隙腐蚀特性，其晶间腐蚀方式为敏化态晶间腐蚀和非敏化态晶间腐蚀，导致不一样腐蚀方式的机理还可以用贫铬和耐腐蚀元素偏聚基础理论来诠释。氮提升马氏体不锈钢钝化膜的可靠性，进而减少不锈钢材料的均值腐蚀率，高氮马氏体钢的氮化物（Cr2N或CrN）析出速率慢且非常少遍布在晶界上，因而敏化解决不易导致晶界贫铬而导致晶。
