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CRONIDUR30高氮不锈钢的热处理工艺及组织和性能
CRONIDUR30高氮不锈钢是一种新型高氮、高韧性和高强度马氏体不锈轴承用钢。研究用高氮CRONIDUR30不锈钢的主要成分为０．３１６％Ｃ、１４．８９％Ｃｒ、０．９８６％Ｍｏ、０．４２５％Ｍｎ、０．６９７％Ｓｉ、０．２０７％Ｎｉ和０．４３５％Ｎ（质量分数）。对１４ｍｍ×５ｍｍ的CRONIDUR30高氮不锈钢试样进行了１０１０℃、１０２０℃、１０３０℃、１０４０℃和１０５０℃油淬、－１５０℃深冷处理和－８５℃冷处理以及１６０℃、１８０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃、６００℃回火，检测了经不同工艺热处理的钢的硬度和显微组织。结果表明：经１０２５℃油淬、－８５℃冷处理和４７０℃回火的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度高于６０ＨＲＣ，组织为回火马氏体、细小均匀的氮化物和碳化物及小于５％的残留奥氏体，能满足高端轴承的性能要求。
CRONIDUR30高氮不锈钢是一种用于制造高精度元器件的高氮马氏体不锈钢，由德国埃森能源技术有限公司开发，采用ＰＥＳＲ（高压电渣重熔）等先进工艺生产，这种钢组织均匀细小，纯净度高，具有良好的机加工性能和较高的尺寸稳定性。以氮取代部分碳使钢的耐蚀性和耐磨性远优于常规熔炼的冷作钢。CRONIDUR30高氮不锈钢的耐蚀性远好于９Ｃｒ１８Ｍｏ钢，CRONIDUR30高氮不锈钢轴承寿命是Ｃｒ４Ｍｏ４Ｖ钢的４．４倍，因此被应用于航空航天的主轴和球轴承等零部件。
要求精度高、使用寿命长的惯导轴承采用CRONIDUR30高氮不锈钢制作，要求硬度６０ＨＲＣ以上，残留奥氏体含量小于５％。有关资料表明，目前仅个别国外先进轴承企业能达到５８～６０ＨＲＣ的硬度，但残留奥氏体含量约为７％～８％。本文试验研究了CRONIDUR30高氮钢的热处理工艺，包括淬火、深冷处理、冷处理以及回火，检测了不同工艺热处理后钢的显微组织和硬度，确定了CRONIDUR30高氮钢的最佳热处理工艺。
１试验材料与方法
试验用CRONIDUR30高氮钢的主要化学成分见表１。试样尺寸为１４ｍｍ×５ｍｍ。对试样分别进行不同工艺的热处理，随后检测其硬度和显微组织。试样的退火态组织如图１所示。
淬火设备为ＷＺＣ２０真空炉，淬火温度分别为１０１０℃、１０２０℃、１０３０℃、１０４０℃和１０５０℃，保温７０ｍｉｎ油冷。
深冷处理设备为ＤＣ５０Ｌ深冷箱，深冷温度－１５０℃，时间１ｈ。回火设备为ＣＹＨ８８１２干燥箱，回火温度分别为１６０℃、１８０℃、２００℃、２５０℃、３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃和６００℃，保温４ｈ空冷。
金相试样用三氯化铁酒精溶液浸蚀。采用ＨＲＳ１５０数显洛氏硬度计测定硬度，每个试样测３点取平均值。残留奥氏体采用Ｄ／Ｍａｘ２２００型Ｘ射线衍射仪测量，Ｃｕ靶，扫描角度范围３０°～１１０°，扫描速度为８°／ｍｉｎ，工作电流２５０ｍＡ，工作电压４０ｋＶ。
２试验结果与讨论
２．１淬火温度对硬度和组织的影响
２．１．１淬火温度对硬度的影响
高氮钢由于Ｍｓ点很低，淬火后残留奥氏体较多，硬度较低。不同温度淬火的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度列于表２。硬度随淬火温度的变化如图２所示。
表２和图２表明，随着淬火温度的升高，钢的硬度下降，在１０１０～１０３０℃范围内硬度下降比较缓慢。
２．１．２淬火温度对组织的影响
图３为不同温度淬火后CRONIDUR30高氮不锈钢的显微组织。从图３可以看出，CRONIDUR30高氮不锈钢淬火后的组织为极细板条马氏体、氮化物、碳化物和残留奥氏体。
２．１．３淬火温度对残留奥氏体含量的影响
图４为不同温度淬火的CRONIDUR30高氮不锈钢的ＸＲＤ衍射图谱。从图４中可以看出，随着淬火温度的升高，钢的马氏体峰逐渐降低，奥氏体峰逐渐增强，残留奥氏体含量增加。
表３和图５为不同温度淬火的CRONIDUR30高氮不锈钢中的残留奥氏体量。这些结果表明，随着淬火温度的升高，钢中残留奥氏体量增加。
２．１．４淬火温度对硬度的影响
随着淬火温度的升高，碳化物、氮化物的溶解使奥氏体的碳、氮含量提高，钢淬火后的硬度升高，但Ｍｓ点降低，因此残留奥氏体量也增多，导致硬度降低，还会恶化零件的尺寸稳定性。为此，需进行冷处理甚至深冷处理，以减少残留奥氏体量。
２．２深冷处理对硬度、组织和残留奥氏体量的影响
２．２．１对硬度的影响
表４列出了从不同温度淬火随后于－１５０℃深冷处理的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度，淬火态和淬火并深冷处理的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度随淬火温度的变化如图６所示。
由表４可以看出，随着淬火温度的升高，深冷处理后钢的硬度先略有上升后下降。图６表明，从不同温度淬火的钢，深冷处理后硬度均高于未经深冷处理的钢。
２．２．２深冷处理对显微组织的影响
从不同温度淬火随后深冷处理的CRONIDUR30高氮不锈钢的显微组织如图７所示。图７表明，深冷处理使残留奥氏体明显减少，马氏体量最增多。图８为经不温度淬火、－１５０℃深冷处理和回火的钢的ＸＲＤ图谱。从图８可以看出，随着淬火温度的升高，－１５０℃深冷处理、回火后马氏体峰降低，奥氏体峰增强，残留奥氏体量增加。表５为不同温度淬火随后深冷处理的钢的残留奥氏体含量。表５数据表明，随着淬火温度的升高，深冷处理后残留奥氏体量增多。从１０３０℃以下温度淬火的钢残留奥氏体量较少，因此深冷处理对硬度影响不大；从更高温度淬火后，组织中有较多的残留奥氏体，深冷处理使部分残留奥氏体转变为马氏体，从而提高钢的硬度。
２．３回火温度对硬度的影响
图９为１０３０℃淬火随后－１５０℃深冷处理的钢的硬度随回火温度的变化。可以看出，在３５０℃以下回火时，硬度随着回火温度的升高而降低。此后硬度随回火温度的升高而升高，并在４５０～５００℃时达到最大值，约为６０．５ＨＲＣ。５００℃以上回火时，钢的硬度随回火温度的升高急剧降低。
低温回火时，马氏体析出细小的氮化物和碳化物使马氏体的晶格畸变减小，硬度下降。但由于回火温度较低，析出的碳化物较少，钢仍保持高硬度。
虽然残留奥氏体转变成马氏体使硬度升高，但其含量很少，因此随着回火温度的升高硬度降低。在３５０～５００℃回火时，碳化物逐渐析出，硬度升高，并在４５０～５００℃产生二次硬化。回火温度进一步提高，更多碳化物和氮化析出，钢的硬度急剧下降。
３热处理新工艺
３．１工艺
根据以上试验结果，制订了CRONIDUR30高氮不锈钢的热处理新工艺，如图１０所示。
淬火设备仍为ＷＺＣ２０真空油淬炉，装炉量≤８ｋｇ，真空度≤１．３×１０Ｐａ。分段加热，第一段为６３０℃×１５ｍｉｎ，第二段为８５０℃×１５ｍｉｎ。淬火温度为１０２５℃，油淬，油温４０℃并搅拌。淬火时工件入油后立即向冷室充入０．４ＭＰａ氮气，使真空淬火油表面保持一定的压力确保淬火冷却速度。
淬火后应在０．５ｈ内进行－８５℃冷处理，在５ｍｉｎ内从室温降至－８５℃，保温７０ｍｉｎ。随后将试样在５０ｍｉｎ内升温至室温。
采用油槽或ＷＺＤＪＱ２０气淬真空炉回火，回火温度为１７０℃、４７０℃。４７０℃回火时充少量氮气，防止表面脱氮。回火两次每次２ｈ。
３．２结果
３．２．１硬度
淬火态、淬火后冷处理及淬火、冷处理后经不同工艺回火的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度列于表６。
３．２．２显微组织
淬火态、淬火后冷处理及淬火、冷处理后经不同工艺回火的CRONIDUR30高氮不锈钢的显微组织如图１１所示，残留奥氏体含量列于表７，ＸＲＤ图谱如图１２所示。
从以上结果可以看出，１７０℃两次回火的钢的硬度比一次回火的钢低，说明１７０℃×２ｈ回火不充分，不能同时达到硬度和残留奥氏体含量的要求。而４７０℃两次回火的钢硬度达６０．６ＨＲＣ，残留奥氏体含量为６．９％。
４产品试制
４．１热处理工艺
根据以上试验结果确定CRONIDUR30高氮不锈钢轴承的热处理工艺如图１３所示。
４．１．１淬火
加热室真空度≤１．３×１０Ｐａ。６３０℃×１５ｍｉｎ＋８５０℃×１５ｍｉｎ分段加热，１０２５℃×４５ｍｉｎ油淬，并冲入０．４ＭＰａ氮气。
４．１．２冷处理
－８５℃保温７０ｍｉｎ，以≤２℃／ｍｉｎ回升至２０℃保温１０ｍｉｎ。
４．１．３回火
４７０℃×２ｈ，２次。
４．２结果
４．２．１硬度
热处理后轴承的硬度如表８所示。
４．２．２显微组织
轴承淬火、回火后的组织为回火马氏体、少量细小分布均匀的氮化物、碳化物和少量残留奥氏体，如图１４所示，残留奥氏体含量列于表９，ＸＲＤ图谱如图１５所示。
４．２．３脱碳层
淬火加热过程中，轴承发生了脱碳，脱碳层深度０．０１～０．０３ｍｍ，如图１６所示。
５结论
（１）从１０１０～１０５０℃淬火的高氮CRONIDUR30高氮不锈钢，随着淬火温度的升高，硬度下降，残留奥氏体含量增加。
（２）从１０１０～１０５０℃淬火随后深冷处理后，硬度上升，随着淬火温度的升高，深冷处理后硬度显著提高。从１０２５℃淬火后深冷处理的钢，在１７０℃和４７０℃回火后硬度最高，均高于６０ＨＲＣ，４７０℃回火时出现二次硬化现象。
（３）１０２５℃淬火、－８５℃冷处理随后４７０℃回火是CRONIDUR30高氮不锈钢较合适的热处理工艺，热处理后硬度高于６０ＨＲＣ，残留奥氏体含量小于５％。
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