本發(fā)明涉及軸承鋼的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及高強(qiáng)高塑性軸承鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

軸承鋼是主要用于制造滾動(dòng)軸承的滾珠、滾柱或套筒等的鋼種，也可用于制作精密量具、冷沖模、機(jī)床絲杠及柴油機(jī)油泵等精密零部件。一方面，隨著研究的不斷深入和科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，軸承鋼的抗壓、耐磨損、抗疲勞、耐腐蝕和工作壽命在不斷提高，制備工藝也逐漸完善。但另一方面，軸承鋼的應(yīng)用環(huán)境也更加復(fù)雜，對(duì)它的其它力學(xué)性能提出了更高的要求。例如在某些使用環(huán)境中還要求軸承鋼具有一定的塑性和韌性，避免其在使用過(guò)程中損壞失效。

高碳鉻軸承鋼(gcr15和gcr15simn)是目前中國(guó)最常用的軸承鋼。相對(duì)于低溫回火，高溫回火處理后的高碳鉻軸承鋼在塑性性能方面可以得到少量提高，但強(qiáng)度和硬度卻大幅下降。究其原因在于高碳鉻軸承鋼的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)中缺乏可能的加工硬化機(jī)制。

在高碳鉻軸承鋼的制備過(guò)程中，殘余奧氏體是盡量避免的。眾所周知，碳元素和錳元素都可以促使奧氏體穩(wěn)定化，但碳元素是保證軸承鋼具有足夠強(qiáng)度的重要元素，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)采用盡量減少錳元素含量的手段來(lái)減少奧氏體殘余。例如申請(qǐng)?zhí)枮?010800419759且申請(qǐng)日為2010年7月20日的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種軸承鋼，其中，錳元素含量為0.2-0.8重量％。申請(qǐng)?zhí)枮?010800542749且申請(qǐng)日為2010年11月30日的另一份中國(guó)專(zhuān)利也公開(kāi)了一種軸承鋼，其中，錳元素含量為0.60-1.50質(zhì)量％。申請(qǐng)?zhí)枮?010105497351且申請(qǐng)日為2010年11月18日的又一份中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)還公開(kāi)了一種軸承鋼，其中，錳元素含量為0.50-0.80重量％。

但在汽車(chē)工業(yè)可能應(yīng)用的第三代高強(qiáng)鋼中，殘余奧氏體是增加塑性性能的重要因素。這是因?yàn)闅堄鄪W氏體在變形過(guò)程中可能提供trip或twip機(jī)制，加強(qiáng)第三代高強(qiáng)鋼的加工硬化行為，改善塑性性能。近年來(lái)，在軸 承業(yè)中對(duì)殘余奧氏體的作用也有所認(rèn)識(shí)。在科學(xué)界，馬氏體相變所伴隨的形狀應(yīng)變對(duì)軸承鋼使用過(guò)程的負(fù)面影響，目前也沒(méi)有定論。

總之，業(yè)內(nèi)存在著改進(jìn)軸承鋼性能以保持其強(qiáng)度基本不變的情況下提高塑性的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種高強(qiáng)高塑性的軸承鋼。

本發(fā)明還旨在提供一種這種高強(qiáng)高塑性軸承鋼的制備方法。

為此，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，提供一種軸承鋼，包括按質(zhì)量百分比計(jì)的以下組分：碳0.4-0.6％，錳8.0-12.0％，釩0.5-1.0％，鋁1.0-3.0％，磷≤0.02％，硫≤0.02％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，軸承鋼還包括按質(zhì)量百分比計(jì)的以下組分中的至少一種：鎳0.1-2.0％，鉻0.2-2.0％，鉬0.1-0.5％，硅0.3-2.0％，硼0.0005-0.0050％，鈮0.02-0.10％，鈦0.05-0.25％，銅0.25-0.50％，稀土元素0.002-0.005％。

在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，提供一種軸承鋼的制備方法，所述軸承鋼為前述的軸承鋼，所述制備方法包括以下步驟：提供含有所述軸承鋼的組分的鋼液；將所述鋼液進(jìn)行熱加工以形成工件；以及對(duì)所述工件進(jìn)行熱處理而得到馬氏體和奧氏體的雙相目標(biāo)組織，所述熱處理包括：在ac3+20℃至100℃的溫度將所述工件保溫一段時(shí)間t1＝10-30分鐘以形成全奧氏體相，隨后以冷卻速度u≥0.5℃/s將所述工件冷卻至室溫；將所述工件在溫度等于或低于-100℃的冷卻介質(zhì)中保溫一段時(shí)間t2≥t2min，隨后從冷卻介質(zhì)中取出所述工件并恢復(fù)至室溫，其中，t2min為該工件整體均勻達(dá)到冷卻介質(zhì)溫度所需的時(shí)間；在620-630℃的溫度將所述工件保溫一段時(shí)間t3，其中300分鐘≥t3≥20分鐘，隨后以冷卻速度u≥0.5℃/s將工件冷卻至室溫。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在從冷卻介質(zhì)中取出后，雙相目標(biāo)組織中馬氏體體積含量f為30％-50％。

優(yōu)選地，馬氏體體積含量f由以下公式(1)確定：

f＝1-exp(-c1(ms-t))(1)，

其中，c1是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，ms是馬氏體相變開(kāi)始的溫度，t是小于ms的溫度，在這里指冷卻介質(zhì)溫度，其中，馬氏體相變開(kāi)始的溫度ms能通 過(guò)以下公式(2)得到：

ms＝539-423c-30.4mn-17.7ni-12.1cr-7.5mo-7.5si(℃)(2)。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在形成全奧氏體相后將該工件冷卻至室溫通過(guò)水冷、油冷或空冷來(lái)實(shí)施。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，t2min＝1小時(shí)。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻介質(zhì)是溫度為-196℃的液氮。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)的一部分將會(huì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本申請(qǐng)后顯見(jiàn)的，另一部分將在下文的具體實(shí)施方式中結(jié)合附圖描述。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1為fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)工件制備成的拉伸樣品按照本發(fā)明所述熱處理工藝處理的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)圖；

圖2-圖4為對(duì)圖1的拉伸樣品進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)所得到的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖；

圖5為對(duì)照試驗(yàn)拉伸樣品的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的軸承鋼樣品的電子背散射衍射相圖；

圖7為圖6的相應(yīng)電子背散射衍射晶粒取向圖；

圖8為碳化釩的投射電鏡形貌圖；以及

圖9為碳化釩的投射電鏡元素線(xiàn)掃描圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所涉及的軸承鋼及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種軸承鋼，其組分及含量為：碳(c)，0.4-0.6wt％；錳(mn)，8.0-12.0wt％；釩(v)，0.5-1.0wt％；鋁(al)，1.0-3.0wt％；磷(p)≤0.02wt％；硫(s)≤0.02wt％；余量為鐵(fe)以及不可避免的雜質(zhì)。

在這里，碳是對(duì)提高軸承鋼的強(qiáng)度和滾動(dòng)疲勞壽命特性顯著有效的元素。在本發(fā)明中，碳含量被設(shè)定在0.4wt％以上以獲得上述作用。另一方面，當(dāng)碳含量超過(guò)0.6wt％時(shí)會(huì)在例如原材料鑄造中生成巨大的共晶碳化物，從而導(dǎo)致滾動(dòng)疲勞壽命降低，并且形成棱鏡狀或片狀馬氏體，亦可導(dǎo)致韌性的降低。基于以上理由，碳含量被設(shè)定為0.4wt％以上且0.6wt％以下。

錳是為了提高軸承鋼中的奧氏體含量而添加的元素。同時(shí)，錳可以產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的作用，增大軸承鋼強(qiáng)度。在本發(fā)明中，錳含量被設(shè)定為8.0wt％以上以獲得上述作用。而且試驗(yàn)表明，當(dāng)鋼中的錳含量超過(guò)16.0wt％時(shí)，本發(fā)明所詳述的制備方法將不會(huì)顯著提高其拉伸力學(xué)性能，這是因?yàn)閵W氏體太過(guò)穩(wěn)定以至不會(huì)形成馬氏體相。因此，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證后，錳含量被設(shè)定為8.0wt％以上且12.0wt％以下較為適宜。優(yōu)選地，錳含量為9.0％-11.0％。

釩是為了形成碳化釩析出物來(lái)增大軸承鋼強(qiáng)度所添加的元素，以彌補(bǔ)由于大量產(chǎn)生奧氏體而導(dǎo)致的鋼強(qiáng)度下降。同時(shí)，釩的添加會(huì)提高奧氏體重結(jié)晶的溫度，從而達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的。在本發(fā)明中，釩含量被設(shè)定為0.5wt％以上以獲得上述作用。但添加超過(guò)1.0wt％的釩會(huì)形成大量碳化釩，顯著降低奧氏體中的碳含量，從而降低奧氏體的穩(wěn)定性和層錯(cuò)能，可導(dǎo)致奧氏體含量減少及抑制形變孿晶的形成。同時(shí)，釩含量的增加亦會(huì)顯著增加鋼鐵成本。基于以上理由，釩含量被設(shè)定為0.5wt％以上且1wt％以下。

鋁一方面作為脫氧劑發(fā)揮作用，另一方面，鋁能夠生成氮化物而使奧氏體晶粒細(xì)微化，從而具有提高韌性及滾動(dòng)疲勞壽命特性的作用。鋁可以提高奧氏體的層錯(cuò)能，使奧氏體在變形中產(chǎn)生形變孿晶，增加鋼鐵延性。因此，鋁是為了實(shí)現(xiàn)這些作用而添加的元素。為了發(fā)揮這些作用，在本發(fā)明中，鋁含量被設(shè)定為1.0wt％以上。但超過(guò)3.0wt％的鋁含量會(huì)導(dǎo)致鋼中存在粗大的氧化物系夾雜物，從而使鋼的滾動(dòng)疲勞壽命特性降低，且容易形成共晶碳化物。基于以上理由，鋁含量被設(shè)定為1.0wt％以上且3.0wt％以下。

磷是使軸承鋼的母材韌性和滾動(dòng)疲勞壽命降低的有害元素，優(yōu)選盡可能地少。特別是當(dāng)磷含量超過(guò)0.02wt％時(shí)，母材韌性和滾動(dòng)疲勞壽命降低幅度增大。因此，在本發(fā)明中，磷含量被設(shè)定為0.02wt％以下。需要說(shuō)明的是，工業(yè)上難以使磷含量降低至0。

硫以作為非金屬夾雜物的硫化錳形式存在于鋼中。對(duì)于軸承鋼而言，當(dāng)鋼中大量存在硫化錳時(shí)容易導(dǎo)致滾動(dòng)疲勞壽命降低。因此，在本發(fā)明中，硫含量被設(shè)定在0.02wt％以下。需要說(shuō)明的是，工業(yè)上難以使磷含量降低至0。

此外，在上述基本成分的基礎(chǔ)上還可以適當(dāng)添加以下所示的各組分中的一種或多種。

鎳(ni)0.1-2.0wt％，鉻(cr)0.2-2.0wt％，鉬(mo)0.1-0.5wt％，硼(b)0.0005-0.0050wt％，它們是進(jìn)一步提高鋼的淬透性或低溫沖擊韌性的元素，可以根據(jù)需要的強(qiáng)度來(lái)選擇添加。為了得到上述效果，鎳和鉬的優(yōu)選添加量為0.1wt％以上，鉻的優(yōu)選添加量為0.2wt％以上，硼的優(yōu)選添加量為0.0005wt％以上。但當(dāng)鎳或鉻超過(guò)2wt％時(shí)或當(dāng)鉬超過(guò)0.5wt％時(shí)或當(dāng)硼超過(guò)0.0050wt％時(shí)，增加效應(yīng)達(dá)到飽和，反而會(huì)形成粗大顆粒，降低疲勞性能，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致軸承鋼成本顯著增加。因此，優(yōu)選以上述值為上限來(lái)添加鎳、鉻、鉬或者硼。

鈮(nb)0.02-0.10wt％，鈦(ti)0.05-0.25wt％，它們均為用于細(xì)化原奧氏體晶粒而選擇性添加的元素。同時(shí)，鈦可與氮形成氮化鈦，從而抑制氮化硼形成，使硼可改善鋼淬透性。鈮的優(yōu)選添加量為0.02wt％以上，鈦的優(yōu)選添加量為0.05wt％以上。但是，當(dāng)鈮超過(guò)0.10wt％時(shí)或當(dāng)鈦超過(guò)0.25wt％時(shí)，增加效應(yīng)達(dá)到飽和，反而會(huì)形成粗大顆粒，降低鋼鐵的疲勞性能。因此，優(yōu)選以上述值為上限來(lái)添加鈮、鈦。

銅(cu)0.25-0.50wt％，它是能夠通過(guò)析出強(qiáng)化提高鋼強(qiáng)度的元素，可以根據(jù)需要強(qiáng)度來(lái)選擇添加。為了得到上述效果，銅的添加量最好為0.25wt％以上。但當(dāng)銅超過(guò)0.50wt％時(shí)，會(huì)引起熱加工時(shí)的熱脆，降低塑性和焊接性能。因此，優(yōu)選以上述值為上限來(lái)添加銅。

硅(si)0.3-2.0wt％，它能夠提高鋼的抗氧化性和腐蝕性能。為了得到上述效果，硅的優(yōu)選添加量為0.3wt％以上。但當(dāng)硅含量超過(guò)2.0wt％時(shí)，容易形成粗大且穩(wěn)定的氧化物和氮化物，降低鋼的熱塑性、焊接性能和疲勞性能。因此，優(yōu)選以上述值為上限來(lái)添加硅。

稀土(re)0.002-0.005wt％，它能夠改善鋼中夾雜顆粒分布和形貌，從而增加鋼的延性和韌性。為了得到上述效果，稀土的優(yōu)選添加量為0.002wt％以上。但當(dāng)稀土含量超過(guò)0.005wt％時(shí)，增加效應(yīng)達(dá)到飽和，并且導(dǎo)致軸承鋼成本顯著增加。因此，優(yōu)選以上述值為上限來(lái)添加稀土。

下面對(duì)本發(fā)明所涉及的軸承鋼的制備方法的實(shí)施例進(jìn)行描述。

根據(jù)軸承鋼制備方法的一個(gè)實(shí)施例，首先例如用轉(zhuǎn)爐、電爐或感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉以得到含有以上組分的鋼液，然后對(duì)鋼液進(jìn)行熱加工得到工件。在此要說(shuō)明的是，所述熱加工例如可以是鑄造、熱軋等工藝，其中鑄造優(yōu)選采用連鑄方法來(lái)生產(chǎn)連鑄坯，或采用鑄模來(lái)生產(chǎn)鑄錠。熱軋優(yōu)選是將鑄坯或鑄錠經(jīng)1100-1250℃加熱，由粗軋機(jī)進(jìn)行5-20道次軋制，熱軋到 50-80mm厚度規(guī)格，形成供后續(xù)熱處理的工件如熱軋板，或者由熱連軋機(jī)組進(jìn)行7-10道次軋制，得到4-10mm厚度，形成供后續(xù)熱處理的工件如熱軋薄板。當(dāng)然，這里并不排除其它常見(jiàn)的熱壓力加工工藝?yán)珏懺臁D壓或壓制，或者鑄造和熱軋也可以在一個(gè)工序中完成即連鑄連軋。本行業(yè)內(nèi)通用的其它熱加工工藝也可以被用在這里。

在熱加工之后，通過(guò)對(duì)工件進(jìn)行熱處理來(lái)得到馬氏體和奧氏體的雙目標(biāo)組織，包括：

(a)在ac3+20℃至100℃的溫度將工件保溫一段時(shí)間t1＝10-30分鐘，以便奧氏體化處理而得到全奧氏體相。其中ac3是指所有鐵素體全部轉(zhuǎn)變成奧氏體的溫度。這一過(guò)程可以是工件在熱加工結(jié)束后先冷卻至室溫然后加熱到ac3+20℃至100℃，也可能是在熱加工結(jié)束后直接將處于ac3+20℃至100℃溫度范圍內(nèi)的工件保溫。保溫結(jié)束后，以冷卻速度u≥0.5℃/s將工件冷卻至室溫，以避免慢冷時(shí)形成鐵素體相。冷卻手段包括水冷、油冷、風(fēng)冷或其它通用的冷卻手段。根據(jù)本發(fā)明的組分和含量，冷卻結(jié)束后會(huì)形成少量馬氏體和殘余奧氏體，但不會(huì)形成其它組織。

(b)將工件在溫度等于或低于-100℃的冷卻介質(zhì)且優(yōu)選為-196℃的液氮中進(jìn)行過(guò)冷處理并保溫一段時(shí)間t2。t2的最小值t2min為能保證整個(gè)工件在冷卻介質(zhì)中進(jìn)行過(guò)冷處理時(shí)的溫度都達(dá)到了冷卻介質(zhì)溫度例如液氮的-196℃時(shí)所需的時(shí)間。優(yōu)選地，t2min為1個(gè)小時(shí)。保溫時(shí)間t2越長(zhǎng)，越能夠得到更多馬氏體，從而提高軸承鋼強(qiáng)度。t2通常不設(shè)上限，但出于經(jīng)濟(jì)性選擇，t2一般不超過(guò)冷卻介質(zhì)處理過(guò)程中馬氏體含量達(dá)到飽和所需的時(shí)間。通過(guò)此工序，能夠在低溫區(qū)域的時(shí)效處理形成細(xì)小的馬氏體相，從而在原有的少量馬氏體基礎(chǔ)上獲得更多細(xì)小的馬氏體組織結(jié)構(gòu)，但仍然有足夠的奧氏體組織結(jié)構(gòu)可提供高塑性。由此，得到馬氏體和奧氏體的雙相組織。

其中，基于步驟(a)所述的冷卻速度u不設(shè)上限，這就意味著步驟(a)中的冷卻至室溫和步驟(b)中的液氮過(guò)冷處理可以在一起實(shí)施，即在步驟(a)中保溫結(jié)束后，直接將工件置于液氮中冷卻并接著進(jìn)行過(guò)冷處理。

(c)從冷卻介質(zhì)中取出工件并使其在空氣中恢復(fù)至室溫，然后將工件加熱至620-630℃并保溫一段時(shí)間t3，其中300分鐘≥t3≥20分鐘。隨后，以冷卻速度u≥0.5℃/s將工件冷卻至室溫。冷卻手段包括水冷、油冷、風(fēng)冷或其它通用的冷卻手段。這一步是用來(lái)在馬氏體和奧氏體之間形成碳的 配分，即馬氏體中的碳會(huì)擴(kuò)散到奧氏體中，從而增加奧氏體的碳含量，增加奧氏體的穩(wěn)定性，及在變形過(guò)程中形成形變孿晶，增加鋼鐵的延性。此外，這一步驟還能去除因液氮過(guò)冷處理而存在的殘余應(yīng)力。

需要注意的是，軸承鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)優(yōu)選在滿(mǎn)足前述各組分含量范圍的基礎(chǔ)上同時(shí)保證冷卻介質(zhì)處理后能夠得到30％-50％體積的馬氏體。如果冷卻介質(zhì)處理之后形成的馬氏體體積含量較少例如＜10％，則需要降低錳元素含量，即在8.0-12.0wt％的范圍內(nèi)靠近下限取值。因?yàn)榻档吞荚睾繒?huì)顯著降低軸承鋼的強(qiáng)度，因此一般不考慮通過(guò)降低碳元素含量來(lái)得到更多的馬氏體含量。如果在冷卻介質(zhì)處理之后形成的馬氏體體積含量較多例如＞80％，則需要增加錳元素和/或碳元素含量，即在8.0-12.0wt％和/或0.4-0.6wt％范圍內(nèi)靠近上限取值?；谇笆隼碛桑话銉?yōu)先選擇通過(guò)提高碳元素含量來(lái)得到更少的馬氏體含量。

具有不同的錳元素含量和碳元素含量的軸承鋼在冷卻介質(zhì)處理后所能得到的馬氏體體積含量(f)通過(guò)以下公式(1)來(lái)計(jì)算：

f＝1-exp(-c1(ms-t))(1)

其中，c1是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)之后得到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般可以選擇c1＝-0.011，ms是馬氏體相變開(kāi)始的溫度，t是小于ms的溫度，在這里是指冷卻介質(zhì)冷卻的溫度。

而馬氏體相變開(kāi)始的溫度(ms)可以通過(guò)以下公式(2)來(lái)計(jì)算：

ms＝539-423c-30.4mn-17.7ni-12.1cr-7.5mo-7.5si(℃)(2)

在上式中，c是所選擇的碳元素的質(zhì)量百分比含量，mn為所選擇的錳元素的質(zhì)量百分比含量，ni為所選擇的鎳元素的質(zhì)量百分比含量，cr為所選擇的鉻元素的質(zhì)量百分比含量，mo為所選擇的鉬元素的質(zhì)量百分比含量，si為所選擇的硅元素的質(zhì)量百分比含量。

下面結(jié)合圖1至圖5描述對(duì)根據(jù)本發(fā)明所制備的軸承鋼以及根據(jù)其它工藝制備的軸承鋼分別進(jìn)行的拉伸實(shí)驗(yàn)。

圖1示出的是fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)工件根據(jù)前述熱處理工藝經(jīng)連續(xù)退火進(jìn)行奧氏體化-水冷至室溫-液氮過(guò)冷處理-恢復(fù)至室溫-加熱并在兩相區(qū)保溫以制備拉伸樣品的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)圖。

在此，由感應(yīng)爐冶煉生成含有上述組分的鋼液，在澆注成錠后熱加工成50毫米厚板坯，然后經(jīng)單機(jī)架軋機(jī)軋至4毫米的熱軋薄板。熱軋的開(kāi)軋溫度為1200℃，終軋溫度為900℃。然后，放于空氣中冷卻至室溫，形 成熱軋薄板。從熱軋薄板上切出標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣品后，被對(duì)半切開(kāi)。

拉伸樣品在不同奧氏體化溫度被退火10分鐘，被水冷至室溫，在液氮中淬火1小時(shí)，再在625℃溫度保溫不同的時(shí)間，之后測(cè)量其機(jī)械性能(對(duì)應(yīng)于圖2至圖4)。另外，以沒(méi)有經(jīng)過(guò)液氮過(guò)冷處理得到的拉伸樣品作為對(duì)照樣品進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)(對(duì)應(yīng)于圖5)。

具體來(lái)說(shuō)，圖2示出的是fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)熱軋板制備成的拉伸樣品的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖。其中，將熱軋板放在850℃空氣爐中保溫10分鐘進(jìn)行奧氏體化處理。然后取出熱軋板水冷至室溫。接著將熱軋板放在液氮容器中保溫1小時(shí)，取出熱軋板在空氣中恢復(fù)至室溫。之后將熱軋板放在625℃設(shè)備中分別保溫20分鐘、60分鐘、300分鐘。最后取出熱軋板水冷至室溫，從而制備出拉伸樣品。

拉伸實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。拉伸樣品的樣距長(zhǎng)度為32毫米，拉伸時(shí)的夾具速度為1.2毫米/分鐘。由此得到圖2所示的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖，其中曲線(xiàn)①對(duì)應(yīng)保溫20分鐘所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)②對(duì)應(yīng)保溫60分鐘所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)③對(duì)應(yīng)保溫300分鐘所得到的拉伸樣品。

圖3示出的是fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)熱軋板制備成的拉伸樣品的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖。其中，將熱軋板放在900℃空氣爐中保溫10分鐘進(jìn)行奧氏體化處理。然后取出熱軋板水冷至室溫。接著將熱軋板放在液氮容器中保溫1小時(shí)，取出熱軋板在空氣中恢復(fù)至室溫。之后將熱軋板放在625℃設(shè)備中分別保溫20分鐘、60分鐘、300分鐘。最后取出熱軋板水冷至室溫，從而制備出拉伸樣品。

拉伸實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。拉伸樣品的樣距長(zhǎng)度為32毫米，拉伸時(shí)的夾具速度為1.2毫米/分鐘。由此得到圖3所示的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖，其中曲線(xiàn)①對(duì)應(yīng)保溫20分鐘所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)②對(duì)應(yīng)保溫60分鐘所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)③對(duì)應(yīng)保溫300分鐘所得到的拉伸樣品。

圖4示出的是fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)熱軋板制備成的拉伸樣品的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖。其中，將熱軋板放在950℃空氣爐中保溫10分鐘進(jìn)行奧氏體化處理。然后取出熱軋板水冷至室溫。接著將熱軋板放在液氮容器中保溫1小時(shí)，取出熱軋板在空氣中恢復(fù)至室溫。之后將熱軋板放在625℃設(shè)備中分別保溫20分鐘、60分鐘、300分鐘。最后取出熱軋板水冷至室溫，從而制備出拉伸樣品。

拉伸實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。拉伸樣品的樣距長(zhǎng)度為32毫米，拉伸時(shí)的 夾具速度為1.2毫米/分鐘。由此得到圖4所示的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖，其中曲線(xiàn)①對(duì)應(yīng)保溫20分鐘所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)②對(duì)應(yīng)保溫60分鐘所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)③對(duì)應(yīng)保溫300分鐘所得到的拉伸樣品。

圖5為fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)熱軋板制備成的拉伸樣品的對(duì)照實(shí)驗(yàn)的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖。其中包含三條拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)不同的熱處理?xiàng)l件：(1)熱軋板不經(jīng)過(guò)任何熱處理直接作為拉伸樣品；(2)熱軋板僅在900℃空氣爐中保溫10分鐘進(jìn)行奧氏體化處理后就取出作為拉伸樣品；以及(3)熱軋板放在900℃空氣爐中保溫10分鐘進(jìn)行奧氏體化處理，然后將熱軋板水冷至室溫，再將熱軋板放在625℃設(shè)備中保溫20分鐘，之后取出熱軋板水冷至室溫，隨即得到拉伸樣品。

拉伸實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。拉伸樣品的樣距長(zhǎng)度為32毫米，拉伸時(shí)的夾具速度為1.2毫米/分鐘。由此得到圖5所示的對(duì)照實(shí)驗(yàn)的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖，其中曲線(xiàn)①對(duì)應(yīng)熱處理?xiàng)l件(1)所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)②對(duì)應(yīng)熱處理?xiàng)l件(2)所得到的拉伸樣品，曲線(xiàn)③對(duì)應(yīng)熱處理?xiàng)l件(3)所得到的拉伸樣品。

對(duì)比圖2至圖4以及圖5可知，沒(méi)有經(jīng)過(guò)液氮過(guò)冷處理的拉伸樣品(圖5)，其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如液氮過(guò)冷處理后的拉伸樣品(圖2-4)，證明了液氮處理在得到該高強(qiáng)高塑性軸承鋼的過(guò)程中所起的重要作用。液氮處理的時(shí)間增加會(huì)增加馬氏體的含量，因此會(huì)相應(yīng)的增加屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)奧氏體化溫度在850到950℃之間，625℃保溫20分鐘至5個(gè)小時(shí)，均可以達(dá)到良好的力學(xué)性能。這意味著該工藝窗口寬泛，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)。尤其突出的是在625℃保溫20分鐘即可得到優(yōu)良的力學(xué)性能。

根據(jù)上述拉伸實(shí)驗(yàn)所得的拉伸曲線(xiàn)可知，本發(fā)明所公開(kāi)的軸承鋼，其屈服強(qiáng)度在1.1-1.45gp，優(yōu)選為1.3-1.4gpa,拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.3-1.75gp，優(yōu)選1.72-1.75gpa,而延伸率可以維持在20％以上，優(yōu)選20-42％。這個(gè)拉伸強(qiáng)度優(yōu)于常用的軸承鋼100cr6(1.62gpa)和gcr15(0.86gpa)，接近于gcr15simn(1.83gpa)。但是本發(fā)明所得軸承鋼的塑性性能優(yōu)于所有常用軸承鋼。

圖6為fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)熱軋板經(jīng)900度保溫10分鐘進(jìn)行奧氏體化處理-液氮保溫1小時(shí)-625℃保溫1小時(shí)所得到的樣品的電子背散射衍射相圖。其中奧氏體為黃色，馬氏體為紅色，而藍(lán)色線(xiàn)為奧氏體的 晶粒邊界。

圖7為圖6相應(yīng)的電子背散射衍射晶粒取向圖。

圖8為碳化釩的投射電鏡形貌圖，其中實(shí)線(xiàn)箭頭所指為碳化釩顆粒，虛線(xiàn)箭頭所指為透射電鏡元素線(xiàn)掃描的位置和方向。

圖9為碳化釩的透射電鏡元素線(xiàn)掃描圖。

除了fe-10mn-0.47c-2al-0.7v(wt％)熱軋板，還根據(jù)本發(fā)明選擇了其它組分和含量進(jìn)行機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)，選擇的主要依據(jù)是將層錯(cuò)能控制在10-20之間，從而可以發(fā)生馬氏體相變及形變孿晶以增加塑性性能。具體所選擇的組分和含量見(jiàn)表1：

表1

g1-g11分別對(duì)應(yīng)于1-11組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)表明，g1-g11各組根據(jù)本發(fā)明所述方法制備出的軸承鋼，其力學(xué)性能均較為優(yōu)良，且塑性性能優(yōu)于常用軸承鋼。

如前所述，本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是基于軸承鋼中的奧氏體相能夠改善鋼的塑性，而奧氏體相的含量以及穩(wěn)定性依賴(lài)于化學(xué)元素的種類(lèi)以及含量?；谶@種考慮，本發(fā)明通過(guò)增加促使奧氏體穩(wěn)定化的元素來(lái)增加軸承鋼的奧氏體含量，進(jìn)而增加軸承鋼的塑性。而對(duì)于大量奧氏體的引入所導(dǎo)致的強(qiáng)度下降，本發(fā)明采用析出物來(lái)強(qiáng)化增強(qiáng)軸承鋼的強(qiáng)度，從而得到高強(qiáng)高 塑性的軸承鋼。

具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)改變現(xiàn)有軸承鋼的化學(xué)組分，即增加錳元素含量和添加釩元素來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。增加錳元素含量能夠增加軸承鋼中奧氏體含量，進(jìn)而增加軸承鋼塑性；而添加釩元素能夠形成碳化釩析出物來(lái)增加軸承鋼的強(qiáng)度，之后采用冷卻介質(zhì)淬火和短時(shí)間退火來(lái)得到高性能軸承鋼。

本發(fā)明基于合理化學(xué)成分設(shè)計(jì)和合金元素的配分，關(guān)鍵在于使用溫度等于或低于-100℃的冷卻介質(zhì)淬火形成馬氏體和奧氏體的雙相結(jié)構(gòu)，從而在兩相區(qū)退火時(shí)馬氏體中的碳元素配分到奧氏體中，得到機(jī)械穩(wěn)定性更好的奧氏體相。這些奧氏體相可以在軸承鋼變形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)trip或twip機(jī)制，提高軸承鋼的塑性性能。并且軸承鋼的碳化釩析出物可以進(jìn)一步增加該軸承鋼的強(qiáng)度。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其它實(shí)施方式。

以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的范圍。對(duì)任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結(jié)合均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。