一、研究的背景與問題

腐蝕導(dǎo)致零部件精度喪失、性能退化甚至發(fā)生突然災(zāi)難。對滾動軸承而言，腐蝕加速了疲勞和磨損，顯著降低軸承壽命與可靠性。為此航空航天、海洋艦船以及醫(yī)療設(shè)備大力提倡使用不銹鋼軸承，以保障絲杠及軸承等基礎(chǔ)件的使役性能與安全性。傳統(tǒng)不銹軸承鋼主要是高碳高鉻馬氏體鋼440C(國內(nèi)牌號9Cr18(Mo))和高溫不銹軸承鋼BG42(Cr14Mo4)，含有50-70um大顆粒碳化物，成為腐蝕與疲勞源頭，嚴(yán)重降低耐蝕性能和抗疲勞性能，遠(yuǎn)不能滿足航空航天高端裝備用長壽命化軸承及絲杠副需求，亟需開展高耐蝕和長壽命的高氮高強馬氏體不銹鋼30Cr15Mo1N的國產(chǎn)化研制與應(yīng)用研究。

高氮高強馬氏體不銹鋼30Cr15Mo1N的氮合金化，不僅抑制了大顆粒碳化物出現(xiàn)，還大幅提升了抗點蝕能力以及表面鈍化膜穩(wěn)定性，從而顯著提升了耐蝕性能和抗疲勞性能。加壓電渣熔煉的高氮高強馬氏體不銹鋼N含量可達(dá)0.40%以上，典型鋼種如德國FAG公司Cronidur30，通過碳含量進(jìn)一步降低和氮含量進(jìn)一步提高，實現(xiàn)了軸承鋼的基體組織和碳化物更加均勻細(xì)小(最大碳氮化物尺寸≤10μm)。目前加壓電渣冶煉已成為高氮高強馬氏體不銹鋼產(chǎn)品主流生產(chǎn)工藝。據(jù)報道加壓電渣冶煉30Cr15Mo1N的耐腐蝕性比440C提高100倍，疲勞壽命比M50和GCr15提高了5倍以上。鑒于30Cr15Mo1N在冶金質(zhì)量上具有純凈度高和組織細(xì)密特點，在性能上具備優(yōu)異的低溫性能，優(yōu)異的耐蝕性能、耐磨性能以及長的接觸疲勞壽命，因而被成功應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、海洋船舶及高速精密機床為代表的高端裝備領(lǐng)域。但高氮高強馬氏體不銹鋼國產(chǎn)化研究滯后，導(dǎo)致高氮高強馬氏體不銹鋼嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

近10年來，鋼鐵研究總院軸承鋼研究團(tuán)隊立足于高氮高強馬氏體不銹鋼30Cr15Mo1N重大需求，開展了超過極限氮含量高氮高強馬氏體不銹鋼研制工作。天馬和撫鋼也分別在2016年和2018年相繼從奧地利和德國引進(jìn)了加壓電渣冶煉裝備。這為高氮高強馬氏體鋼Cronidur30國產(chǎn)化奠定了技術(shù)儲備與裝備基礎(chǔ)。本項目在國家“十一五”到“十四五”多個項目支持下，開展并完成了高氮高強馬氏體不銹鋼的加壓電渣冶煉研制和推廣應(yīng)用工作，解決了大型飛機用高氮高強馬氏體不銹鋼國產(chǎn)化及零部件制造與應(yīng)用等關(guān)鍵問題。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

高氮高強馬氏體鋼30Cr15Mo1N是高硬度和高耐蝕材料的王牌鋼種，國外已應(yīng)用于航空航天、海洋設(shè)施、醫(yī)療衛(wèi)生等絲杠副、軸承等零部件。與傳統(tǒng)鋼鐵材料冶煉技術(shù)不同，高氮高強馬氏體不銹鋼30Cr15Mo1N制備需向鋼中加入超過溶解度極限的N元素并實現(xiàn)穩(wěn)定均勻控制，這涉及到高氮高強馬氏體不銹鋼棒線材的合金化優(yōu)化設(shè)計、電極母坯冶煉、電渣坯冶煉、熱變形與熱處理等材料工業(yè)化技術(shù)和飛機用絲杠副及軸承等零部件加工制造與考核驗證等技術(shù)的系統(tǒng)研究。基于大型飛機等，本項目制定了如圖1所示的棒線材研制路線圖，具體材料研制與推廣應(yīng)用等研究內(nèi)容如下：

1. 高氮高強馬氏體鋼棒線材工業(yè)研制：(1)開展以30Cr15Mo1N為主的高氮高強馬氏體不銹鋼原型鋼設(shè)計與驗證，(2)開展真空感應(yīng)與爐外精煉等兩種電極制備工藝技術(shù)研究；(3)開展加壓電渣冶煉用增氮劑Si3N4與保護(hù)渣的系統(tǒng)研究；(4)開展加壓電渣爐的加壓電渣冶煉工藝研究；(5)開展高氮高強馬氏體不銹鋼的熱變形工藝技術(shù)研究，(6)打通30Cr15Mo1N電極坯制備、電渣坯冶煉和熱變形及熱處理工業(yè)化制備技術(shù)，(7)開展了高氮高強馬氏體鋼線材拉拔工藝研究；(8)制定高氮高強馬氏體鋼產(chǎn)品技術(shù)條件。

2.針對高氮高強馬氏體鋼棒線材推廣應(yīng)用，開展以下6方面研究：(1)開展高氮高強馬氏體鋼的耐蝕性能和疲勞性能研究；(2)開展30Cr15Mo1N鋼一材四狀態(tài)的熱處理調(diào)控技術(shù)研究；(3)開展表面脫碳脫氮控制、表面超硬化熱處理技術(shù)和30Cr15Mo1N全面性能評價等應(yīng)用技術(shù)研究；(4)開展絲杠副和多種機體軸承等零部件的批量制造、臺架考核驗證和裝機應(yīng)用研究；(5)開展高氮高強不銹鋼兩大海域的使役性能研究，為未來高氮高強馬氏體不銹鋼在不同海域應(yīng)用積累了數(shù)據(jù)；(6)初步開展直徑220mm和270mm更大規(guī)格高氮高強馬氏體鋼棒材試制，為大型飛機絲杠副研制奠定了超大規(guī)格棒材基礎(chǔ)。

 圖1 高氮高強馬氏體不銹鋼棒線材研制及應(yīng)用項目的理論、制造和應(yīng)用研究路線圖

通過本項目研究，打通了加壓電渣生產(chǎn)工藝流程，形成了直徑φ3.5-φ170的高氮高強馬氏體不銹鋼棒材和線材產(chǎn)品，實現(xiàn)了國產(chǎn)30Cr15Mo1N的產(chǎn)品的批量穩(wěn)定供貨，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到甚至超過了國外Cronidur30同類產(chǎn)品。棒線材產(chǎn)品的高強韌性(抗拉強度Rm≥2000MPa)、高接觸疲勞性能(4.0GPa下L10≥1.67x107次)、高耐蝕性能(耐蝕性能超過440鋼100倍以上，中性鹽霧腐蝕超過192小時)以及超細(xì)尺寸碳化物(大顆粒碳化物≤10微米)等質(zhì)量性能水平。通過本項目研究，完成了大型飛機用大型絲杠副、機體軸承、航發(fā)動力軸承等零部件設(shè)計、加工制造和裝機驗證，滿足了零部件的高耐蝕和長壽命需求并實現(xiàn)了批量裝機應(yīng)用，填補了國內(nèi)空白，為大飛機多個型號研制與生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

三、主要創(chuàng)新性成果

1.研制出X30N、X60N和X90N等系列化高氮高強馬氏體不銹鋼原型鋼，闡明了高氮高強馬氏體不銹鋼中氮元素存在形式與控制機理，奠定了本項目材料研制和推廣應(yīng)用的理論與實驗基礎(chǔ)。

項目團(tuán)隊通過系列化成分設(shè)計和真空感應(yīng)加壓冶煉，制備了如表1所示的原型鋼，驗證了高硬度、高耐蝕以及優(yōu)異耐蝕性能。通過系列化回火溫度對微觀組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性能影響，發(fā)現(xiàn)了低溫回火狀態(tài)下，N主要以固溶形式存在，而在超過450℃后N以M2N形式析出的高氮高強馬氏體鋼的耐蝕與疲勞與機制。主要包括以下技術(shù)與理論成果。

表1 X30、X60、X90及440C鋼化學(xué)成分(感應(yīng)加壓冶煉，440C雙真空冶煉)

(1) 發(fā)明了高硬度、高耐蝕和抗疲勞X30N、X60N和X90N等高氮高強馬氏體不銹鋼原型鋼，獲得了高硬度、耐腐蝕和優(yōu)異抗疲勞性能。從圖2a可以看出，X30、X6N和X90在180℃回火可獲得58HRC的硬度，隨回火溫度升高，硬度略微降低。但當(dāng)回火溫度提高480℃后，三種鋼硬度均達(dá)到60HRC以上，X90N鋼更是達(dá)到了65HRC。從圖2(b)和(c)可以看出，經(jīng)過180℃低溫回火，X30、X60和X90均勻腐蝕速率均在1.0×10-5m/s水平，與進(jìn)口鋼相當(dāng)。但在500℃高溫回火后，X30鋼均勻腐蝕速率為10-3m/s，X60和X90鋼的均勻腐蝕速率更是降低到10-2m/s水平。從圖2(d)可以看出，經(jīng)過180℃低溫回火，440C在4.0GPa的赫茲應(yīng)力下，接觸疲勞壽命僅為L10=0.45x107次，遠(yuǎn)低于X30的L10=1.0×107次、X60的L10=4.0×107次和X90的L10=7.0×107次。

圖2的結(jié)果表明本項目研發(fā)的系列化高氮高強馬氏體不銹鋼450℃以下回火后可以獲得高硬度、高耐蝕和優(yōu)異的接觸疲勞壽命，為本項目高氮高強馬氏體不銹鋼研制與推廣應(yīng)用奠定了合金化基礎(chǔ)。

圖2 系列化高氮高強馬氏體不銹鋼的性能驗證 (a)回火溫度對硬度影響, (b)180℃回火耐蝕性能比較，(c)500℃回火耐蝕性能比較和(d)180℃回火接觸疲勞性能比較

(2) 發(fā)現(xiàn)了回火溫度對微觀組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性能影響規(guī)律，首次揭示了高氮高強馬氏體不銹鋼中N的存在形式及其對耐蝕性能影機制。圖3給出了X30在160-620℃等不同溫度回火對鈍化膜成分影響結(jié)果，提出了低溫與高溫回火腐蝕機制示意圖。相對于180℃低溫回火處理，500℃高溫回火X30、X60和X90耐蝕能力嚴(yán)重惡化?；鼗饻囟燃暗孔兓瘜δ臀g性能影響表明，耐蝕性能主要取決于固溶Cr和N的元素含量。隨著鋼中Cr和N含量降低，耐蝕性能顯著下降。圖3a表明，隨回火溫度提升，鈍化膜中Cr氧化物與Cr水化物比值降低，O-2/OH-1比值降低，表明回火溫度提升導(dǎo)致了鈍化能力的降低。圖3b表明NH4+與NH3總量變化與回火溫度基本線性下降，進(jìn)一步揭示了鈍化能力隨回火溫度升高而降低的電化學(xué)機制，表明了高氮高強馬氏體不銹鋼的耐蝕行為主要歸因于回火溫度改變了N存在形式。圖3c給出了低溫到高溫回火的高氮高強馬氏體不銹鋼耐蝕行為演變機理示意圖。該研究成果為本項目高耐蝕熱處理技術(shù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

圖3 高氮馬氏體不銹鋼的電化學(xué)腐蝕研究及腐蝕機制(a)回火溫度對鈍化膜成分影響, (b)回火溫度對鈍化膜穩(wěn)定性影響和(c)高氮馬氏體鋼耐蝕行為與回火溫度關(guān)系的耐蝕機制示意圖

2.開發(fā)了高氮高強馬氏體不銹鋼的加壓冶煉PESR增碳控氮技術(shù)，打通了VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR兩條冶煉工藝流程，開發(fā)了“高溫慢鍛”、“低溫快軋”的熱加工工藝，實現(xiàn)了高氮高強馬氏體不銹鋼的批量穩(wěn)定工業(yè)生產(chǎn)。

項目團(tuán)隊在系統(tǒng)研究加壓電渣裝備與技術(shù)基礎(chǔ)上，形成了高氮高強馬氏體不銹鋼加壓冶煉用保護(hù)渣和增氮劑技術(shù)，提出了電極和電渣錠制備等雙步冶煉技術(shù)思路，完成了電極冶煉和電渣錠冶煉關(guān)鍵技術(shù)研究；打通了VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR兩條冶煉工藝流程，開發(fā)了“高溫慢鍛”和“低溫快軋”的熱加工工藝。主要包括加壓電渣冶煉和高成材率熱變形等兩大關(guān)鍵核心技術(shù)。

(1) 發(fā)明了VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR兩條冶煉工藝流程，解決了電極冶煉問題、突破了保護(hù)渣、增氮劑和加壓電渣冶煉選材與優(yōu)化，打通了高氮高強馬氏體不銹鋼冶煉流程。本項目在對高氮高強馬氏體鋼的加壓電渣冶煉保護(hù)渣、增氮劑和加壓電渣關(guān)鍵參數(shù)研究基礎(chǔ)上，開展了高氮高強馬氏體鋼的電極制備與電渣冶煉的雙階段工業(yè)流程，提出了真空感應(yīng)VIM冶煉+加壓電渣和爐外精煉EAF+LF+VD兩種冶煉工藝流程，如圖4所示。在電極制備技術(shù)基礎(chǔ)上，通過JmatePro 軟件和Meltflow-ESR專用電渣重熔軟件等模擬，計算出了X30鋼加壓電渣凝固控制參數(shù)，探索出了加氮爐內(nèi)壓力與鋼中含氮量定量關(guān)系，發(fā)明了高氮馬氏體不銹鋼PESR工藝。通過VIM和EAF+LF+RH的兩種電極制備和加壓電渣PESR冶煉的冶煉全流程工藝技術(shù)研究，突破了高氮高強馬氏體鋼冶煉工序的氮含量協(xié)同控制難題，形成了超純凈絲杠棒材VIM+PESR和低成本軸承鋼棒材EAF+LF+VD+PESR的高氮高強馬氏體不銹鋼冶煉技術(shù)。

圖4 開發(fā)了高氮高強馬氏體不銹鋼的VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR兩條冶煉工藝流程與工藝(a)IIM+PESR流程和(b)EAF+LF+VD+PESR流程

(2) 發(fā)明了高氮馬氏體鋼的高溫慢鍛和低溫快軋的雙階段熱變形技術(shù)，解決了表面開裂和碳化物網(wǎng)帶問題，形成了高成材率的熱變形與熱處理關(guān)鍵核心技術(shù)。通過熱變形模擬構(gòu)建了熱加工圖，提出了高溫低速變形和低溫高速變形的技術(shù)思路，如圖5所示，建立了絲杠用超純凈棒材和低成本軸承鋼棒材的高氮馬氏體鋼棒材生產(chǎn)線，實現(xiàn)了包括最大直徑270mm的棒材產(chǎn)品穩(wěn)定生產(chǎn)和批量供貨。

圖5 不同應(yīng)變量下軸承鋼Cronidur30鋼熱加工圖工藝譜(a)0.1,(b)0.2,(c)0.4和(d)0.6 (高溫1100-1250℃的低速變形(10-5-10-2/s)和低溫1000-1100℃的高速變形(10-1-10+2/s))

3.首次發(fā)現(xiàn)了高氮高強馬氏體不銹鋼中馬氏體孿晶為疲勞起裂源和納米析出的抗疲勞現(xiàn)象及機制，闡明了表面脫碳脫氮自由能控制機制，開發(fā)了納米析出第二相的抗疲勞組織調(diào)控技術(shù)和絲材拉拔工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。

項目團(tuán)隊系統(tǒng)開展了高氮高強馬氏體不銹鋼的組織性能調(diào)控與熱處理技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)了基體組織嚴(yán)重影響疲勞性能。開展了真空熱處理與氧化氣氛熱處理對高氮高強馬氏體不銹鋼表面脫氮脫碳行為及機制的研究。主要包括抗疲勞的納米析出調(diào)控?zé)崽幚砗透叩邚婑R氏體不銹鋼絲材質(zhì)量性能控制等兩大關(guān)鍵核心技術(shù)。

（1）開發(fā)出高氮高強馬氏體不銹鋼的納米析出抗疲勞組織調(diào)控技術(shù)，大幅提升疲勞強度與壽命。項目團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)并揭示了孿晶馬氏體疲勞源機制。通過180℃回火旋彎疲勞試樣及斷口疲勞源特征分析，揭示了馬氏體孿晶和夾雜物的兩種疲勞源現(xiàn)象，提出了馬氏體孿晶形成疲勞源的缺陷形成模型。通過對碳化物定量分析，揭示了納米碳氮化物抗疲勞機制。180℃回火X30和500℃回火X30的Rm為2000MPa，但疲勞強度s-1從715MPa提升到1020MPa，L10=1.67×107提升到L10=3.99×107。通過構(gòu)建抗疲勞組織結(jié)構(gòu)單元，揭示了納米析出可同時提升疲勞強度與疲勞壽命的機制，為新型抗疲勞材料研制提供了思路。

（2）開發(fā)出高氮高強馬氏體不銹鋼的絲材拉拔工業(yè)化生產(chǎn)工藝技術(shù)，揭示了脫碳脫氮機制。針對高氮高強馬氏體不銹鋼絲材的表面無脫碳脫氮要求，開展了不同熱處理條件下的脫碳脫氮行為與規(guī)律研究，如圖6所示。實現(xiàn)了直徑5mm線材的產(chǎn)品穩(wěn)定生產(chǎn)和批量供貨。

圖6 奧氏體化溫度及氣氛對高氮高強馬氏體鋼C/N分布規(guī)律影響(a)氧化氣氛下基體組織與析出物,(b) EPMA表征C/N分布,(c)氧化氣氛下C/N沿分布結(jié)果和(d)真空熱處理C/N分布

4. 完成了高氮高強馬氏體鋼的熱處理、零部件加工制造與考核驗證等應(yīng)用適應(yīng)性技術(shù)研究，開發(fā)出一材四狀態(tài)處理和表面超硬化處理技術(shù)，滿足了絲杠副等零部件制造需求，實現(xiàn)了零部件制造與應(yīng)用。

項目團(tuán)隊針對系列大型飛機的高安全、高強韌、優(yōu)異耐蝕和抗疲勞等性能要求，開展了材料應(yīng)用適應(yīng)性評價、零部件制造和驗證，實現(xiàn)了裝機應(yīng)用，解決了我國大型飛機等用高氮高強馬氏體不銹鋼及零部件保供問題，保障了國產(chǎn)大型飛機的生產(chǎn)與研制進(jìn)程。

(1) 發(fā)明了適用于航空絲杠副制造的一種材料四種狀態(tài)熱處理工藝。如圖7所示，完成了熱處理工藝對高氮高強馬氏體鋼X30影響研究，研發(fā)出了適用于絲杠副制造的一種材料四種狀態(tài)熱處理工藝。如圖7a，針對絲杠對不同硬度、強度與韌性要求，研發(fā)出一種材料四種狀態(tài)熱處理工藝，滿足了絲杠螺母對高硬度、高耐磨性以及抗疲勞性能要求；如圖7b，通過一材四狀態(tài)熱處理，形成了四個不同狀態(tài)的拉伸曲線，表明高氮高強馬氏體鋼抗拉強度可以達(dá)到2380MPa。如圖7c，通過對X30鋼旋彎疲勞測試，獲得了1020MPa旋彎疲勞強度。如圖7d所示，四狀態(tài)下的高氮高強馬氏體不銹鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞強度與抗拉強度比值。其中第四狀態(tài)和第三狀態(tài)s-1/Rm=0.55，而第二狀態(tài)為s-1/Rm=0.50，第一狀態(tài)s-1/Rm=0.43，揭示了回火狀態(tài)組織對抗疲勞性能重要影響，為高氮馬氏體不銹鋼的心部強韌化工藝制定提供了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

 圖7 高氮高強馬氏體不銹鋼基體與表面熱處理對性能影響研究.(a)X30一材四狀態(tài)工藝性能圖,(b)X30一材四狀態(tài)的拉伸曲線,(c)X30一材四狀態(tài)旋彎疲勞性能和(d)X30鋼表面滲氮硬度和耐溫性能

(2) 發(fā)明了適用于航空絲杠副和航空軸承的表面超硬化工藝。研究發(fā)現(xiàn)表面硬化技術(shù)應(yīng)用大幅提升高氮高強馬氏體鋼的表面硬度與耐溫性能，顯著提升疲勞性能，如圖8所示。

完成了高氮高強馬氏體不銹鋼的表面感應(yīng)淬火和表面滲氮熱處理研究。如圖8所示，通過表面感應(yīng)淬火實現(xiàn)了表面硬度720Hv和感應(yīng)深度1mm，通過表面滲氮實現(xiàn)了表面硬度提升到1100Hv和表面滲氮層深度達(dá)到0.1mm以上。同時通過表面滲氮大幅提高表面硬度和耐溫性能，實現(xiàn)650℃回火達(dá)到表面硬度60HRC，為高氮高強馬氏體不銹鋼的表面抗疲勞工藝制定提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

 圖8 高氮高強馬氏體不銹鋼表面超硬化技術(shù)研究結(jié)果。(a)表面感應(yīng)淬火硬度分布，(b)表面滲氮熱處理硬度分布，(c)表面滲氮層深度可達(dá)0.1mm以上和(d)表面滲氮大幅提高耐溫性能。

四、應(yīng)用情況與效果

本項目研制的高氮高強馬氏體不銹鋼，形成了批量制造與穩(wěn)定供貨能力，實現(xiàn)了在大型運輸機等的機體軸承、航發(fā)軸承以及高強韌絲杠副的批量裝機應(yīng)用，保障了國產(chǎn)大型飛機的生產(chǎn)與研制進(jìn)程。同時高氮高強馬氏體不銹鋼產(chǎn)品已進(jìn)入C919等大飛機用材目錄，奠定了大型寬體客機用絲杠與機體軸承的材料基礎(chǔ)。本項目成果多個指標(biāo)達(dá)到甚至超過國外產(chǎn)品，鋼材產(chǎn)品實物質(zhì)量性能達(dá)到甚至超過了國外水平，實現(xiàn)申報發(fā)明專利14件(獲批9件發(fā)明專利)，發(fā)表論文20余篇(SCI收錄文章6篇和EI收錄14篇)。經(jīng)中國金屬學(xué)會組織的科技評價認(rèn)為研發(fā)成果總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

信息來源：鋼鐵研究總院有限公司