CRONIDUR30高氮不銹鋼是一種新型高氮、高韌性和高強度馬氏體不銹軸承用鋼。研究用高氮CRONIDUR30不銹鋼的主要成分為０．３１６％Ｃ、１４．８９％Ｃｒ、０．９８６％Ｍｏ、０．４２５％Ｍｎ、０．６９７％Ｓｉ、０．２０７％Ｎｉ和０．４３５％Ｎ（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。對�迹保矗恚怼粒担恚淼�CRONIDUR30高氮不銹鋼試樣進(jìn)行了１０１０℃、１０２０℃、１０３０℃、１０４０℃和１０５０℃油淬、－１５０℃深冷處理和－８５℃冷處理以及１６０℃、１８０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、６００℃回火，檢測了經(jīng)不同工藝熱處理的鋼的硬度和顯微組織。結(jié)果表明：經(jīng)１０２５℃油淬、－８５℃冷處理和４７０℃回火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度高于６０ＨＲＣ，組織為回火馬氏體、細(xì)小均勻的氮化物和碳化物及小于５％的殘留奧氏體，能滿足高端軸承的性能要求。

CRONIDUR30高氮不銹鋼是一種用于制造高精度元器件的高氮馬氏體不銹鋼，由德國埃森能源技術(shù)有限公司開發(fā)，采用ＰＥＳＲ（高壓電渣重熔）等先進(jìn)工藝生產(chǎn)，這種鋼組織均勻細(xì)小，純凈度高，具有良好的機(jī)加工性能和較高的尺寸穩(wěn)定性。以氮取代部分碳使鋼的耐蝕性和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)熔煉的冷作鋼。CRONIDUR30高氮不銹鋼的耐蝕性遠(yuǎn)好于９Ｃｒ１８Ｍｏ鋼，CRONIDUR30高氮不銹鋼軸承壽命是Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ鋼的４．４倍，因此被應(yīng)用于航空航天的主軸和球軸承等零部件。

要求精度高、使用壽命長的慣導(dǎo)軸承采用CRONIDUR30高氮不銹鋼制作，要求硬度６０ＨＲＣ以上，殘留奧氏體含量小于５％。有關(guān)資料表明，目前僅個別國外先進(jìn)軸承企業(yè)能達(dá)到５８～６０ＨＲＣ的硬度，但殘留奧氏體含量約為７％～８％。本文試驗研究了CRONIDUR30高氮鋼的熱處理工藝，包括淬火、深冷處理、冷處理以及回火，檢測了不同工藝熱處理后鋼的顯微組織和硬度，確定了CRONIDUR30高氮鋼的最佳熱處理工藝。

１試驗材料與方法

試驗用CRONIDUR30高氮鋼的主要化學(xué)成分見表１。試樣尺寸為�迹保矗恚怼粒担恚�。對試樣分別進(jìn)行不同工藝的熱處理，隨后檢測其硬度和顯微組織。試樣的退火態(tài)組織如圖１所示。

淬火設(shè)備為ＷＺＣ�玻玻罢婵諣t，淬火溫度分別為１０１０℃、１０２０℃、１０３０℃、１０４０℃和１０５０℃，保溫７０ｍｉｎ油冷。

深冷處理設(shè)備為ＤＣ�玻担埃躺罾湎�，深冷溫度－１５０℃，時間１ｈ。回火設(shè)備為ＣＹＨ�玻福福豹玻哺稍锵�，回火溫度分別為１６０℃、１８０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃和６００℃，保溫４ｈ空冷。

金相試樣用三氯化鐵酒精溶液浸蝕。采用ＨＲＳ�玻保担皵�(shù)顯洛氏硬度計測定硬度，每個試樣測３點取平均值。殘留奧氏體采用Ｄ／Ｍａｘ�玻玻玻埃靶停厣渚�衍射儀測量，Ｃｕ靶，掃描角度范圍３０°～１１０°，掃描速度為８°／ｍｉｎ，工作電流２５０ｍＡ，工作電壓４０ｋＶ。

２試驗結(jié)果與討論

２．１淬火溫度對硬度和組織的影響

２．１．１淬火溫度對硬度的影響

高氮鋼由于Ｍｓ點很低，淬火后殘留奧氏體較多，硬度較低。不同溫度淬火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度列于表２。硬度隨淬火溫度的變化如圖２所示。

表２和圖２表明，隨著淬火溫度的升高，鋼的硬度下降，在１０１０～１０３０℃范圍內(nèi)硬度下降比較緩慢。

２．１．２淬火溫度對組織的影響

圖３為不同溫度淬火后CRONIDUR30高氮不銹鋼的顯微組織。從圖３可以看出，CRONIDUR30高氮不銹鋼淬火后的組織為極細(xì)板條馬氏體、氮化物、碳化物和殘留奧氏體。

２．１．３淬火溫度對殘留奧氏體含量的影響

圖４為不同溫度淬火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的ＸＲＤ衍射圖譜。從圖４中可以看出，隨著淬火溫度的升高，鋼的馬氏體峰逐漸降低，奧氏體峰逐漸增強，殘留奧氏體含量增加。

表３和圖５為不同溫度淬火的CRONIDUR30高氮不銹鋼中的殘留奧氏體量。這些結(jié)果表明，隨著淬火溫度的升高，鋼中殘留奧氏體量增加。

２．１．４淬火溫度對硬度的影響

隨著淬火溫度的升高，碳化物、氮化物的溶解使奧氏體的碳、氮含量提高，鋼淬火后的硬度升高，但Ｍｓ點降低，因此殘留奧氏體量也增多，導(dǎo)致硬度降低，還會惡化零件的尺寸穩(wěn)定性。為此，需進(jìn)行冷處理甚至深冷處理，以減少殘留奧氏體量。

２．２深冷處理對硬度、組織和殘留奧氏體量的影響

２．２．１對硬度的影響

表４列出了從不同溫度淬火隨后于－１５０℃深冷處理的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度，淬火態(tài)和淬火并深冷處理的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度隨淬火溫度的變化如圖６所示。

由表４可以看出，隨著淬火溫度的升高，深冷處理后鋼的硬度先略有上升后下降。圖６表明，從不同溫度淬火的鋼，深冷處理后硬度均高于未經(jīng)深冷處理的鋼。

２．２．２深冷處理對顯微組織的影響

從不同溫度淬火隨后深冷處理的CRONIDUR30高氮不銹鋼的顯微組織如圖７所示。圖７表明，深冷處理使殘留奧氏體明顯減少，馬氏體量最增多。圖８為經(jīng)不溫度淬火、－１５０℃深冷處理和回火的鋼的ＸＲＤ圖譜。從圖８可以看出，隨著淬火溫度的升高，－１５０℃深冷處理、回火后馬氏體峰降低，奧氏體峰增強，殘留奧氏體量增加。表５為不同溫度淬火隨后深冷處理的鋼的殘留奧氏體含量。表５數(shù)據(jù)表明，隨著淬火溫度的升高，深冷處理后殘留奧氏體量增多。從１０３０℃以下溫度淬火的鋼殘留奧氏體量較少，因此深冷處理對硬度影響不大；從更高溫度淬火后，組織中有較多的殘留奧氏體，深冷處理使部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高鋼的硬度。

２．３回火溫度對硬度的影響

圖９為１０３０℃淬火隨后－１５０℃深冷處理的鋼的硬度隨回火溫度的變化�？梢钥闯觯�在３５０℃以下回火時，硬度隨著回火溫度的升高而降低。此后硬度隨回火溫度的升高而升高，并在４５０～５００℃時達(dá)到最大值，約為６０．５ＨＲＣ。５００℃以上回火時，鋼的硬度隨回火溫度的升高急劇降低。

低溫回火時，馬氏體析出細(xì)小的氮化物和碳化物使馬氏體的晶格畸變減小，硬度下降。但由于回火溫度較低，析出的碳化物較少，鋼仍保持高硬度。

雖然殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體使硬度升高，但其含量很少，因此隨著回火溫度的升高硬度降低。在３５０～５００℃回火時，碳化物逐漸析出，硬度升高，并在４５０～５００℃產(chǎn)生二次硬化�；鼗饻囟冗M(jìn)一步提高，更多碳化物和氮化析出，鋼的硬度急劇下降。

３熱處理新工藝

３．１工藝

根據(jù)以上試驗結(jié)果，制訂了CRONIDUR30高氮不銹鋼的熱處理新工藝，如圖１０所示。

淬火設(shè)備仍為ＷＺＣ�玻玻罢婵沼痛銧t，裝爐量≤８ｋｇ，真空度≤１．３×１０Ｐａ。分段加熱，第一段為６３０℃×１５ｍｉｎ，第二段為８５０℃×１５ｍｉｎ。淬火溫度為１０２５℃，油淬，油溫４０℃并攪拌。淬火時工件入油后立即向冷室充入０．４ＭＰａ氮氣，使真空淬火油表面保持一定的壓力確保淬火冷卻速度。

淬火后應(yīng)在０．５ｈ內(nèi)進(jìn)行－８５℃冷處理，在５ｍｉｎ內(nèi)從室溫降至－８５℃，保溫７０ｍｉｎ。隨后將試樣在５０ｍｉｎ內(nèi)升溫至室溫。

采用油槽或ＷＺＤＪＱ�玻玻皻獯阏婵諣t回火，回火溫度為１７０℃、４７０℃。４７０℃回火時充少量氮氣，防止表面脫氮�；鼗饍纱蚊看危玻�。

３．２結(jié)果

３．２．１硬度

淬火態(tài)、淬火后冷處理及淬火、冷處理后經(jīng)不同工藝回火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度列于表６。

３．２．２顯微組織

淬火態(tài)、淬火后冷處理及淬火、冷處理后經(jīng)不同工藝回火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的顯微組織如圖１１所示，殘留奧氏體含量列于表７，ＸＲＤ圖譜如圖１２所示。

從以上結(jié)果可以看出，１７０℃兩次回火的鋼的硬度比一次回火的鋼低，說明１７０℃×２ｈ回火不充分，不能同時達(dá)到硬度和殘留奧氏體含量的要求。而４７０℃兩次回火的鋼硬度達(dá)６０．６ＨＲＣ，殘留奧氏體含量為６．９％。

４產(chǎn)品試制

４．１熱處理工藝

根據(jù)以上試驗結(jié)果確定CRONIDUR30高氮不銹鋼軸承的熱處理工藝如圖１３所示。

４．１．１淬火

加熱室真空度≤１．３×１０Ｐａ。６３０℃×１５ｍｉｎ＋８５０℃×１５ｍｉｎ分段加熱，１０２５℃×４５ｍｉｎ油淬，并沖入０．４ＭＰａ氮氣。

４．１．２冷處理

－８５℃保溫７０ｍｉｎ，以≤２℃／ｍｉｎ回升至２０℃保溫１０ｍｉｎ。

４．１．３回火

４７０℃×２ｈ，２次。

４．２結(jié)果

４．２．１硬度

熱處理后軸承的硬度如表８所示。

４．２．２顯微組織

軸承淬火、回火后的組織為回火馬氏體、少量細(xì)小分布均勻的氮化物、碳化物和少量殘留奧氏體，如圖１４所示，殘留奧氏體含量列于表９，ＸＲＤ圖譜如圖１５所示。

４．２．３脫碳層

淬火加熱過程中，軸承發(fā)生了脫碳，脫碳層深度０．０１～０．０３ｍｍ，如圖１６所示。

５結(jié)論

（１）從１０１０～１０５０℃淬火的高氮CRONIDUR30高氮不銹鋼，隨著淬火溫度的升高，硬度下降，殘留奧氏體含量增加。

（２）從１０１０～１０５０℃淬火隨后深冷處理后，硬度上升，隨著淬火溫度的升高，深冷處理后硬度顯著提高。從１０２５℃淬火后深冷處理的鋼，在１７０℃和４７０℃回火后硬度最高，均高于６０ＨＲＣ，４７０℃回火時出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象。

（３）１０２５℃淬火、－８５℃冷處理隨后４７０℃回火是CRONIDUR30高氮不銹鋼較合適的熱處理工藝，熱處理后硬度高于６０ＨＲＣ，殘留奧氏體含量小于５％。