一、研究的背景與問題

腐蝕導致零部件精度喪失、性能退化甚至突然災難。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)療設備大力提倡使用不銹軸承鋼軸承，以保障絲杠及軸承等基礎件的使役性能與安全性亟需開展高耐蝕和長壽命的高氮高強馬氏體不銹鋼Cronirdur30(30Cr15Mo1N)的國產(chǎn)化研制與應用研究。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用等關鍵問題

二、解決問題的思路與技術方案

高氮高強馬氏體鋼30Cr15Mo1N高硬度和高耐蝕材料王牌鋼種，國外已應用于航空航天、海洋設施、醫(yī)療衛(wèi)生等絲杠、軸承等零部件。與傳統(tǒng)鋼鐵材料冶煉技術不同，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的系統(tǒng)研究?；诖笮惋w機及寬體客機等需求，本項目制定了如圖所示研究路線圖。涉及研究內(nèi)容具體介紹如下：

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計與驗證，(2)開展真空感應與爐外精煉等兩種電極制備工藝技術研究；(3)開展加壓電渣冶煉用增氮劑Si3N4與保護渣的系統(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，(7)開展了鋼線材拉拔工藝研究；(8)制定高氮高強馬氏體鋼產(chǎn)品技術條件。

2.針對高氮高強馬氏體鋼棒線材推廣應用，開展以下方面研究：(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)控技術研究；(3)開展表面脫碳脫氮控制、表面超硬化熱處理技術和30Cr15Mo1N全面性能評價等應用技術研究；(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用積累了數(shù)據(jù)；(6)初步開展直徑220mm270mm更大規(guī)格高氮高強馬氏體鋼棒材試制，為大型飛機絲杠副和寬體客機研制奠定了超大規(guī)格棒材基礎。

高氮高強馬氏體不銹鋼棒線材研制及應用項目的理論、制造和應用研究路線圖

通過以上本項目研究打通了加壓電渣生產(chǎn)工藝流程，形成了直徑3.5-170的高氮高強馬氏體不銹鋼棒材和線材產(chǎn)品，實現(xiàn)了批量穩(wěn)定供貨，產(chǎn)品質(zhì)量達到甚至超過了國外Cronidur30同類產(chǎn)品。棒線材產(chǎn)品的高強韌性抗拉強度Rm2000MPa)、高接觸疲勞性能(4.0GPa₁₀1.67x10、高耐蝕性能耐蝕性能超過440100倍以上，中性鹽霧腐蝕超過192小時以及超細尺寸碳化物大顆粒碳化物≤10微米等質(zhì)量性能水平。產(chǎn)生了系列高氮馬氏體鋼、新型PESR冶煉冶工藝、棒線材工業(yè)化技術以及高氮高強馬氏體鋼應用技術等四大創(chuàng)新研究成果。

三、主要創(chuàng)新性成果

創(chuàng)新點(一): 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用的理論與實驗基礎。

主要包括(1) 發(fā)明了高硬度、高耐蝕和抗疲勞X30NX60NX90N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)異抗疲勞性能所示研究結果表明本項目研發(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用奠定了合金化基礎。(2) 發(fā)現(xiàn)了回火溫度對微觀組織結構和耐蝕性能影響規(guī)律，首次揭示了高氮高強馬氏體不銹鋼中的存在形式及其對耐蝕性能影機制。給出了X30160-620等不同溫度回火對鈍化膜成分影響結果，提出了低溫與高溫回火腐蝕機制示意圖該研究成果為本項目高耐蝕熱處理技術研究奠定了理論基礎。

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

高氮馬氏體不銹鋼的電化學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系的耐蝕機制示意圖

創(chuàng)新點): 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，打通了VIM+PESREAF+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)

主要包括(1) 如圖所示發(fā)明了VIM+PESREAF+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。 (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，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鍵核心技術。如圖所示，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棒材產(chǎn)品穩(wěn)定生產(chǎn)和批量供貨

開發(fā)了高氮高強馬氏體不銹鋼的VIM+PESREAF+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

不同應變量下軸承鋼Cronidur30鋼熱加工圖工藝譜(a)0.1,(b)0.2,(c)0.4(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))

創(chuàng)新點(三): 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)控技術和絲材拉拔工業(yè)生產(chǎn)技術。

主要包括）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，大幅提升疲勞強度與壽命。研究發(fā)現(xiàn)180回火X30500回火X30Rm2000MPa，但_-1715MPa提升到1020MPa₁₀=1.67×10提升到₁₀=3.99×10。通過構建抗疲勞組織結構單元，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。）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，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

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沿分布結果和(d)真空熱處理C/N分布

創(chuàng)新點(四): 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用適應性技術研究，開發(fā)出一材四狀態(tài)處理和表面超硬化處理技術，滿足了絲杠副等零部件制造需求，實現(xiàn)了零部件制造與應用。

主要包括(1) 如圖所示，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(2) 如圖所示發(fā)明了適用于絲杠和航空軸承表面超硬化工藝。

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

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

四、應用情況與效果

本項目研制的高氮高強馬氏體不銹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用，保障了國產(chǎn)大型飛機的生產(chǎn)與研制進程。同時高氮高強馬氏體不銹鋼產(chǎn)品已進入C919大飛機用材目錄，奠定了大型寬體客機用絲杠與機體軸承材料基礎。本項目成果多個指標達到甚至超過國外產(chǎn)品，鋼材產(chǎn)品實物質(zhì)量性能達到國外水平，實現(xiàn)申報發(fā)明專利20獲批12件發(fā)明專利，發(fā)表論文20余篇(SCI收錄文章篇和EI收錄14

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