CN104178648B - 无磁耐蚀镍铬基轴承合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无磁耐蚀镍铬基轴承合金的制备方法，由Ni、Cr、Al、W、微量合金化元素组成的时效硬化型轴承合金，其制造方法的工艺路线为：真空熔炼→电渣重熔→锻造→热轧→拉拔→固溶处理→时效处理。本发明以添加微量合金化元素为前提，高纯净熔炼+特殊电渣重熔双联冶金为基础，辅以钢锭开坯+模锻或热轧的组合热变形方式，加以针对性固溶处理及冷变形，期间通过优化合金元素、改进冶金工艺、完善组合热变形技术、精确热工及拉拔变形参数，来提高熔炼水平、降低重熔缺陷、提升冷热塑性变形性能、改善非金属夹杂、均匀组织力学性能、最终达到提高品质及成材率的目的。

Description

无磁耐蚀镍铬基轴承合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种轴承合金的制备方法，特别涉及一种高品质无磁耐蚀难加工的镍铬基轴承合金的制造方法。

背景技术

轴承是重要的机械基础零部件，在很大程度上决定了装备的精度、性能、寿命与可靠性。轴承材料纯净度、组织均匀性、非金属夹杂物和碳化物细小均匀分布、性能质量是影响轴承寿命（尤其疲劳寿命）的重要因素。近年来，随着科学技术和高端装备的飞速发展，对高温、高速、高负荷、抗磁、耐蚀、抗辐照复杂苛刻工况条件下的高品质轴承材料的需求也越来越多，如空间、海洋、油气、核电、电子、冶金、运输、风机、机床及武器等装备都需用高洁净、高均匀性、高性能质量的轴承材料。这既得益于轴承材料新技术，也促进了其新技术的发展。原单一定性式熔炼、普通电渣、单一自由锻造、粗矿式热处理及拉拔轴承合金的制造方法生产的产品性能质量不稳定，经常出现坯料锻裂、产品表面毛刺严重、划痕过深、夹杂物超标、一次碳化物不均匀性、尤其裂纹、组织晶粒粗大、时效硬度不够造成产品合格率低，用户入厂检验合格率下降，材料品质不高、可靠性降低，即使材料抽检合格的做成轴承产品也有无法达到其应用性能的，如高载荷一冲就碎（其固溶金相组织和时效态金相组织分别如图3和图4所示）。因此原制造工艺技术已很难满足现在强抗磁、耐温、耐蚀、高抗冲击、高精度、长寿命、高可靠及低成本轴承材料制造加工要求，并且原有轴承合金的制造方法的成材率低。因此，需要对该轴承合金制造方法进行工艺技术创新及改进，以提高材料品质及成材率。

发明内容

针对原技术中存在的不足，提供一种无磁耐蚀难加工镍铬基轴承合金的制备方法，该方法通过优化合金元素、改进冶金工艺、完善组合热变形技术、精确热工及拉拔变形参数，提高熔炼水平，降低合金的重熔缺陷，提升冷热塑性变形性能，改善非金属夹杂，均匀组织力学性能，提高了合金的品质及成材率。

为了实现上述目的，本发明所述无磁耐蚀难加工镍铬基轴承合金制造方法的工艺路线是：真空熔炼→电渣重熔→锻造→热轧→拉拔→固溶处理→时效处理。具体方法如下：

1）真空熔炼：

取单质Ni、Cr、W作为底料放进容器中，低真空下，大电流加热熔化底料，随后在1550～1650℃下，高真空第一次精炼20～35分钟，再添加单质Al，1450～1550℃下，高真空第二次精炼10～20分钟，充入3k～80kPa氩，添加微量合金化元素搅拌溶化，在真空下静置浇铸电极棒，所得电极棒各组分的质量百分含量为C:≤0.03%、Cr:38～43%、Al:3.0～4.0%、W:≤2%、Fe:≤1.0%、Si:≤1.0%、Mn:≤1.0%、S:≤0.03%、P:≤0.03%、微量元素≤0.13%、N+H+O:≤100ppm、余量Ni；

2）电渣重熔：

将步骤1）所得的电极棒先进行预处理再进行电渣重熔，脱模后获得电渣锭，电渣重熔的电压为38～55V，电流为3000～7000A，渣池厚度为60～200mm，渣系为多元碱性渣，电渣锭各组分同步骤1）所得的电极棒；

3）锻造：

将步骤2）得到的电渣锭加热到1150～1230℃，保温1～4h，在950～1230℃温度下，开坯锻造成方坯1，经下料、氧化皮砂磨及缺陷处理，再将方坯1在1150～1230℃回火加热0.5～2h后，950～1200℃温度下，四面模锻或两面拔长自由锻造成方坯2或棒条1，总锻造比≥4；

4）热轧：

步骤3）得到的方坯2在1150～1230℃下保温1～2h，950～1230℃热轧成盘圆1或棒条2；

5）拉拔：

将步骤4）所述的盘圆1进行下述热处理：加热到1180～1220℃保温45～90min，淬水进行软化处理，然后在400～500℃下碱煮15～30分钟，接着酸洗，添加氯化石钠润滑剂，再多道次拉拔加工，重复上述热处理步骤，使其每次热处理的火次变形量﹥30%、每道次变形量﹤30%，得到盘圆2；

6）固溶处理：

将步骤3）所述的棒条1、步骤4）所述的棒条2、步骤5）所述的盘圆2加热至1150～1210℃，保温0.5～2h，快速水淬得固溶态合金，其固溶态合金硬度180≤HB≤260，晶粒度满足4～10级，组织为极少量的α富Cr相+奥氏体γ相。

7）时效处理：

将步骤6）所述固溶态合金，在600～700℃下，保温5～8h，即得所述轴承合金。所述轴承合金无磁性能相对磁导率μ_r＜1.01，合金硬度55≤HRC≤64，合金组织为极少量的α富Cr相+残余γ奥氏体相+大量析出γ′Ni₃Al相，合金非金属夹杂硫化物≤2.0级、氧化物≤2.0级、点状夹杂物≤2.0级，合金在H₂S饱和溶液介质中的腐蚀率＜5×10^-5mm/a、48h浸泡后压碎应力无变化，合金接触疲劳寿命达到高周疲劳10⁷次以上。

步骤1）所述的微量元素为V、B、Zr、Nb、Mg、Re中的任意一种或两种；所述的单质Al的量为Ni、Cr、Al、W及微量合金化元素的总质量的3～4%。

步骤2）所述多元碱性渣的渣系各组分的重量百分含量为60～70%CaF₂、10～20%Al₂O₃、5～15%CaO及0～5%MgO。

步骤3）中锻造开坯的锻造比≥2。

步骤6）中固溶热处理温度根据合金中Al含量确定，所述合金中Al含量在3～4%的范围之内，每增高0.20%，其固溶处理温度内升高10.2℃，其升温的范围在1150～1210℃之间。即，若当合金中Al含量为3%时，其加热固溶处理温度为1150℃；当合金中Al含量为3.2%时，其加热固溶处理温度为1160.2℃，……。

与原有技术相比，本发明有益效果包括：

通过添加微量合金化元素V、B、Zr、Mg或Re，改善了合金组织，提高了合金综合物理力学性能，尤其锻造性能；

改进熔炼工艺，采用高温精炼除去有害杂质、低温精炼降低气体含量及非金属夹杂的二级精炼，提高了合金纯净度及塑性；

增加电渣重熔工序，改单联冶金为双联冶金，改善了合金铸造形态，细化均匀了合金组织，减少了碳化物析出和偏聚，采用预熔渣及预处理电极棒，大幅提高了电渣锭冶金品质质量，增强了合金塑性，加之微量元素V、B、Zr、Mg、Re的晶界强化作用，综合提升了铸锭热锻性能，成倍提高了铸锭锻造成功率，锻造成功率由原真空锭的30%左右提升到电渣锭的80%以上，提高了成材率，降低了材料成本；

组合锻造避免了单一自由锻造的随意及表面裂纹产生的随机性，锻造成功率又由80%左右提高到95%以上，表面裂纹减少，成材率大幅提高，同时也充分破碎了合金铸态组织，改善了碳化物分布，细化均匀了材料组织，最终提高了锻件内部质量品质；

固溶处理有效控制了材料晶粒大小、组织均匀性、物理力学性能及材料合格率；

恰当的软化工艺及冷变形工艺参数运用减少了材料表面拉拔加工缺陷，提高了材料表面质量。

采用本发明所述方法，制备的轴承合金，其材料纯净度高、均匀性好、品质质量及成材率高，降低了合金成本，并大幅提高了合金接触疲劳寿命。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明所述合金的固溶态金相组织；

图2为本发明所述合金的时效金相组织；

图3为原工艺棒材探伤缺陷锯切面固溶态金相组织；

图4为原工艺棒材时效态金相组织。

具体实施方式

实施例1

采用本发明所述的高品质无磁耐蚀难加工镍铬基轴承合金的制备方法，制造Φ120mm（大尺寸）光棒。

1)真空熔炼：

在500kg真空感应炉中，将单质Ni276.75Kg、Cr200kg、W5kg装入镁铝尖晶石坩埚内作底料，小于60Pa真空下，300A电流熔化底料，1600～1650℃，小于10Pa真空度下精炼30min，加单质Al18.25Kg，然后在1450～1500℃小于5Pa高真空再精炼20min，充入8kPa氩气下，加入微量0.1kgZr、0.1kgMg合金元素料搅拌溶化，去掉有害杂质、降低气体含量及非金属夹杂，真空下静置浇铸成Φ180mm得到高纯净电极棒，该电极棒具有高成分稳定性，N、H、O总含量不大于100ppm。电极棒中各组分的重量百分含量为：C:0.0067%、Cr:38.96%、Al:3.59%、W:1.0%、Fe:0.253%、Si:0.053%、Mn:0.001%、S:0.0011、P:0.0017、Zr:0.01、Mg:0.011、N:0.0010、H:0.0001、O:0.0065、余量Ni。

2)电渣重熔：

将各组分的重量百分含量为70%CaF₂、15%Al₂O₃、14%CaO及1%MgO渣料采用石墨电极及化渣炉炼成熟渣，以保证合金冶金质量水平，尤其保障易烧损元素Al含量的降低、维持了铸锭中C、Si、Mn、Fe等微量合金含量及N、H、O低气体含量的冶金水平、避免杂质元素的增加、改善了组织，增强了铸锭锻造性能。将电极棒进行表面砂磨或车剥皮处理，预处理后，46±3V电压，5000±500A电流，150mm渣池厚度的重熔工艺参数，对Φ180mm电极棒进行电渣重熔，脱模后获得Φ280电渣锭。预处理电极棒经特殊电渣重熔降低了合金中夹杂物及元素偏析等冶金缺陷。

3)锻造：

采用开坯锻造+四面模锻的组合锻造方式，φ280电渣锭在天然气加热炉中在1200℃保温2.5h，在1000～1200℃范围内，采用25MN快锻机开坯锻造成180mm方坯，随后进行冷锯切下料、氧化皮砂磨及缺陷砂磨精整处理，再将坯方回炉1190℃左右保温1.5h，在1000～1190℃范围内，采用弧形四锤头锻模锻成Φ125mm棒。

4)固溶：

采用电阻炉，将Φ125mm锻棒加热至1180℃保温1h，出炉前先将锻棒随炉速降温至1150℃后再快速水淬得固溶态合金，车加工得Φ120mm光棒，棒材超声波及表面渗透探伤内外部无裂纹等缺陷，其硬度HB235、晶粒度8级、奥氏体γ组织大小均匀，且α富Cr相极少。其固溶态金相组织如图1所示。

5)时效：

Φ120mm光棒采用电阻炉，600℃保温8h空冷，即得本发明所述时效态Φ120mm棒材。经检测，该合金无磁性能相对磁导率μ_r=1.003，硬度HRC60，组织为极少量的α富Cr相+残余γ奥氏体相+大量γ′Ni₃Al相，合金非金属硫化物2.0级、氧化物2.0级、点状夹杂物2.0级，其细系1.5级。其时效金相组织如图2所示。

实施例2:

本发明的高品质无磁耐蚀难加工镍铬基轴承合金的制备方法，制造Φ33mm热轧棒。

1)真空熔炼：

在500kg真空感应炉中，将单质Ni268.75Kg、Cr212.5Kg、装入镁铝尖晶石坩埚内作底料，小于80Pa真空下，350A电流化料熔化，1550～1600℃、小于6Pa真空度下精炼35min，接着添加单质Al18.75kg，然后采用1500～1550℃高温小于3Pa高真空再精炼15min，接着充30kPa氩气添入微量0.35kgNb、0.1kgRe合金元素料搅拌溶化，真空下静置浇铸成φ200mm电极棒。电极棒各组分的重量百分含量为：C:0.0078%、Cr:41.96%、Al:3.71%、W:0.24%、Fe:0.378%、Si:0.058%、Mn:0.001%、S:0.0012、P:0.0017、Nb:0.074、Re:0.02、N:0.0024、H:0.0003、O:0.0042、余量Ni。通过微量元素合金化，二次精炼，得到高纯净电极棒。

2)电渣重熔：

将70%CaF₂、15%Al₂O₃、10%CaO及5%MgO渣料炼成熟渣，电极棒进行表面砂磨预处理后，采用48±3V电压、6000±500A电流、150mm渣池厚度的重熔工艺参数，在φ280电渣炉中对φ200mm电极棒进行电渣重熔，脱模后获得表面光洁、成分稳定且符合要求的φ280电渣锭。

3)锻造：

将φ280电渣锭在天然气加热炉中采用1220℃保温2.5h，在1000～1220℃范围内，采用25MN快锻机开坯锻造成150mm方坯，经冷锯切下料、氧化皮砂磨及缺陷处理，再将开坯方回炉1200℃保温1h，在1000～1200℃范围内，采用两面自由锻造成80mm方坯，并进行表面氧化皮及缺陷砂磨精整处理待轧。

4)热轧：

将80mm方坯在天然气加热炉中1210℃保温1.5h，在950～1210℃下，将方热轧成Φ36mm棒。

5)固溶：

采用电阻炉，将Φ36mm热轧棒加热至1190℃保温1h淬水，车加工得Φ33mm光棒，超声波及表面渗透探伤无内外部裂纹等缺陷，其硬度HB220、晶粒度8.5级、极少量α富Cr相+奥氏体γ金相组织。其固溶态金相组织如图1所示。

6)时效：

Φ33mm光棒采用电阻炉，600℃保温6h空冷，即得本发明所述时效态Φ33mm棒材。经检测，该合金无磁性能相对磁导率μ_r1.003，硬度HRC59,组织为极少量的α富Cr相+残余γ奥氏体相+大量γ′Ni₃Al相，合金硫化物1.5级、氧化物1.5级、点状夹杂物1.0级，其细系达到了1.0级。其时效金相组织如图2所示。

实施例3:

采用本发明所述高品质无磁耐蚀难加工镍铬基轴承合金的制备方法，制造Φ3mm磨光条。

1)真空熔炼：

在50kg真空感应炉中，将单质Ni16.8kg、Cr12.15kg装入电熔镁砂坩埚内作底料，小于40Pa真空下，80A电流化料熔化，1600～1650℃、小于5Pa真空度下精炼20min，接着添加单质Al1.05kg，然后采用1480～1530℃小于3Pa真空度下再精炼15min，接着充8kPa氩气添入微量0.15kgV、0.015kgB合金元素料搅拌溶化，真空下静置浇铸成φ100mm电极棒。电极棒中各组分的重量百分含量为：C:0.0072%、Cr:40.29%、Al:3.39%、W:0.025%、Fe:≤0.281%、Si:0.051%、Mn:0.013%、S:0.0011、P:0.0018、V:0.011、B:0.0024、N:0.0017、H0.0002：、O:0.0055、余量Ni。通过微量元素合金化，高温精炼去杂，低温精炼除气，得到高纯净电极棒。

2)电渣重熔：

将67%CaF₂、17%Al₂O₃、13%CaO及3%MgO渣料炼成熟渣，电极棒进行表面砂磨预处理后，采用40±3V电压、3500±500A电流、80mm渣池厚度的重熔工艺参数，在φ150电渣炉中对φ100mm电极棒进行电渣重熔，脱模后获得表面光洁、偏析少，成分稳定的φ150电渣锭。

3)锻造：

将φ150电渣锭在柴油加热炉中采用1180℃保温1h，在950～1180℃范围内，采用电液锤开坯锻造成80mm方坯，冷锯切下料、氧化皮砂磨及缺陷处理，再将方坯回炉1170℃保温1h，在950～1170℃范围内，采用两面自由锻造成45mm方坯，表面氧化皮及缺陷砂磨精整处理，待轧。

4)热轧：

将45mm方坯在天然气加热炉中1180℃保温1h，在1000～1180℃范围内，将方坯热轧成Φ8盘圆。

5)拉拔：

将Φ8热轧盘圆在电阻炉中加热到1190℃保温70min淬水软化处理，然后480℃下碱煮25分钟，接着硫酸、盐酸、硝酸及氢氟酸多元混合酸酸洗后，添加氯化石钠润滑剂，用钨模4道次拉拔加工到Φ6.2mm；再将Φ6mm盘圆丝在电阻炉中加热到1180℃保温60min淬水软化处理，然后进行碱煮，接着硫酸、盐酸、硝酸及氢氟酸多元混合酸酸洗后，添加氯化石钠润滑剂，先用钨模3道次拉拔加工到Φ4.2mm，再用聚晶模3道次拉拔加工到Φ3.3mm盘圆。

6)固溶：

采用电阻炉，将Φ3.3mm冷拉盘圆加热至1170℃保温40min快速淬水，并进行校直磨光加工得Φ3mm磨光条，表面荧光探伤无裂纹等缺陷，其硬度HB200、晶粒度7.5级、极少量的α富Cr相+奥氏体γ金相组织。其固溶态金相组织如图1所示。

7)时效：

Φ3mm磨光条采用电阻炉，700℃保温4h空冷，即得本发明所述时效态Φ3mm磨光条材。经检测，该合金无磁性能相对磁导率μ_r1.003，硬度HRC57,组织为极少量的α富Cr相+残余γ奥氏体相+大量γ′Ni₃Al相，合金硫化物2.0级、氧化物1.5级、点状夹杂物1.5级。其时效金相组织如图2所示。

Claims (6)

1.一种无磁耐蚀镍铬基轴承合金的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）真空熔炼：

取单质Ni、Cr、W作为底料放进容器中，低真空下，大电流加热熔化底料，随后在1550～1650℃下，高真空第一次精炼20～35分钟，再添加单质Al，1450～1550℃下，高真空第二次精炼10～20分钟，充入3k～80kPa氩，添加微量合金化元素搅拌溶化，在真空下静置浇铸电极棒，所得电极棒各组分的质量百分含量为C:≤0.03%、Cr:38～43%、Al:3.0～4.0%、W:≤2%、Fe:≤1.0%、Si:≤1.0%、Mn:≤1.0%、S:≤0.03%、P:≤0.03%、微量元素≤0.13%、N+H+O:≤100ppm、余量Ni，所述的微量元素为V、B、Zr、Nb、Mg、Re中的任意一种或两种；

2）电渣重熔：

将步骤1）所得的电极棒先进行预处理再进行电渣重熔，脱模后获得电渣锭，电渣重熔的电压为38～55V，电流为3000～7000A，渣池厚度为60～200mm，渣系为多元碱性渣，电渣锭各组分同步骤1）所得的电极棒；

3）锻造：

将步骤2）得到的电渣锭加热到1150～1230℃，保温1～4h，在950～1230℃温度下，开坯锻造成方坯1，经下料、氧化皮砂磨及缺陷处理，再将方坯1在1150～1230℃回火加热0.5～2h后，950～1200℃温度下，四面模锻或两面拔长自由锻造成方坯2或棒条1，总锻造比≥4；

4）热轧：

步骤3）得到的方坯2在1150～1230℃下保温1～2h，950～1230℃热轧成盘圆1或棒条2；

5）拉拔：

将步骤4）所述的盘圆1进行下述热处理：加热到1180～1220℃保温45～90min，淬水进行软化处理，然后在400～500℃下碱煮15～30分钟，接着酸洗，添加氯化石钠润滑剂，再多道次拉拔加工，重复上述热处理步骤，使其每次热处理的火次变形量﹥30%、每道次变形量﹤30%，得到盘圆2；

6）固溶处理：

将步骤3）所述的棒条1、步骤4）所述的棒条2、步骤5）所述的盘圆2加热至1150～1210℃，保温0.5～2h，快速水淬得固溶态合金；

7）时效处理：

将步骤6）所述固溶态合金，在600～700℃下，保温5～8h，即得所述轴承合金。

2.根据权利要求1所述轴承合金制备方法，其特征在于：步骤1）所述的单质Al的量为Ni、Cr、Al、W及微量合金化元素的总质量的3～4%。

3.根据权利要求1所述轴承合金制备方法，其特征在于：步骤2）所述多元碱性渣的渣系各组分的重量百分含量为60～70%CaF₂、10～20%Al₂O₃、5～15%CaO及0～5%MgO。

4.根据权利要求1所述轴承合金制备方法，其特征在于：步骤3）中锻造开坯的锻造比≥2。

5.根据权利要求1所述轴承合金制备方法,其特征在于：步骤6）中固溶热处理温度根据合金中Al含量确定。

6.根据权利要求5所述轴承合金制备方法,其特征在于：所述合金中Al含量在3～4%的范围之内，每增高0.20%，其固溶处理温度升高10.2℃，其升温的范围在1150～1210℃之间。