一、研究的背景与问题
腐蚀导致零部件精度丧失、性能退化甚至突然灾难。对滚动轴承而言，腐蚀加速了疲劳和磨损，显著降低轴承寿命与可靠性。为此航空航天、海洋舰船以及医疗设备大力提倡使用不锈轴承钢轴承，以保障丝杠及轴承等基础件的使役性能与安全性，亟需开展高耐蚀和长寿命的高氮高强马氏体不锈钢Cronirdur30(30Cr15Mo1N)的国产化研制与应用研究。本项目在国家“十一五”到“十四五”多个项目支持下，开展并完成了高氮高强马氏体不锈钢的加压电渣冶炼研制和推广应用工作，解决了大型飞机用高氮高强马氏体不锈钢国产化及零部件制造与应用等关键问题。
二、解决问题的思路与技术方案
高氮高强马氏体钢30Cr15Mo1N是高硬度和高耐蚀材料的王牌钢种，国外已应用于航空航天、海洋设施、医疗卫生等丝杠副、轴承等零部件。与传统钢铁材料冶炼技术不同，高氮高强马氏体不锈钢30Cr15Mo1N制备需向钢中加入超过溶解度极限的N元素并实现稳定均匀控制，这涉及到高氮高强马氏体不锈钢棒线材的合金化优化设计、电极母坯冶炼、电渣坯冶炼、热变形与热处理等材料工业化技术和飞机用丝杠副及轴承等零部件加工制造与考核验证等技术的系统研究。基于大型飞机及宽体客机等需求，本项目制定了如图1所示研究路线图。涉及研究内容具体介绍如下：
1. 高氮高强马氏体钢棒线材工业研制：(1)开展以30Cr15Mo1N为主的高氮高强马氏体不锈钢原型钢设计与验证，(2)开展真空感应与炉外精炼等两种电极制备工艺技术研究；(3)开展加压电渣冶炼用增氮剂Si3N4与保护渣的系统研究；(4)开展加压电渣炉的加压电渣冶炼工艺研究；(5)开展高氮高强马氏体不锈钢的热变形工艺技术研究，(6)打通30Cr15Mo1N电极坯制备、电渣坯冶炼和热变形及热处理工业化制备技术，(7)开展了钢线材拉拔工艺研究；(8)制定高氮高强马氏体钢产品技术条件。
2.针对高氮高强马氏体钢棒线材推广应用，开展以下6方面研究：(1)开展高氮高强马氏体钢的耐蚀性能和疲劳性能研究；(2)开展30Cr15Mo1N钢一材四状态的热处理调控技术研究；(3)开展表面脱碳脱氮控制、表面超硬化热处理技术和30Cr15Mo1N全面性能评价等应用技术研究；(4)开展丝杠副和多种机体轴承等零部件的批量制造、台架考核验证和装机应用研究；(5)开展高氮高强不锈钢两大海域的使役性能研究，为未来高氮高强马氏体不锈钢在不同海域应用积累了数据；(6)初步开展直径220mm和270mm更大规格高氮高强马氏体钢棒材试制，为大型飞机丝杠副和宽体客机研制奠定了超大规格棒材基础。
图1 高氮高强马氏体不锈钢棒线材研制及应用项目的理论、制造和应用研究路线图
通过以上本项目研究，打通了加压电渣生产工艺流程，形成了直径φ3.5-φ170的高氮高强马氏体不锈钢棒材和线材产品，实现了批量稳定供货，产品质量达到甚至超过了国外Cronidur30同类产品。棒线材产品的高强韧性(抗拉强度Rm≥2000MPa)、高接触疲劳性能(4.0GPa下L10≥1.67x107次)、高耐蚀性能(耐蚀性能超过440钢100倍以上，中性盐雾腐蚀超过192小时)以及超细尺寸碳化物(大颗粒碳化物≤10微米)等质量性能水平。产生了系列高氮马氏体钢、新型PESR冶炼冶工艺、棒线材工业化技术以及高氮高强马氏体钢应用技术等四大创新研究成果。
三、主要创新性成果
创新点(一): 研制出X30N、X60N和X90N等系列化高氮高强马氏体不锈钢原型钢，阐明了高氮高强马氏体不锈钢中氮元素存在形式与控制机理，奠定了本项目材料研制和推广应用的理论与实验基础。
主要包括(1) 发明了高硬度、高耐蚀和抗疲劳X30N、X60N和X90N等高氮高强马氏体不锈钢原型钢，获得了高硬度、耐腐蚀和优异抗疲劳性能。图2所示研究结果表明本项目研发的系列化高氮高强马氏体不锈钢450℃以下回火后可以获得高硬度、高耐蚀和优异的接触疲劳寿命，为本项目高氮高强马氏体不锈钢研制与推广应用奠定了合金化基础。(2) 发现了回火温度对微观组织结构和耐蚀性能影响规律，首次揭示了高氮高强马氏体不锈钢中N的存在形式及其对耐蚀性能影机制。图3给出了X30在160-620℃等不同温度回火对钝化膜成分影响结果，提出了低温与高温回火腐蚀机制示意图，该研究成果为本项目高耐蚀热处理技术研究奠定了理论基础。
图 2列化高氮高强马氏体不锈钢的性能验证 (a)回火温度对硬度影响, (b)180℃回火耐蚀性能比较，(c)500℃回火耐蚀性能比较和(d)180℃回火接触疲劳性能比较
图3 高氮马氏体不锈钢的电化学腐蚀研究及腐蚀机制(a)回火温度对钝化膜成分影响, (b)回火温度对钝化膜稳定性影响和(c)高氮马氏体钢耐蚀行为与回火温度关系的耐蚀机制示意图
创新点(二): 开发了高氮高强马氏体不锈钢的加压冶炼PESR增碳控氮技术，打通了VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR两条冶炼工艺流程，开发了“高温慢锻”、“低温快轧”的热加工工艺，实现了高氮高强马氏体不锈钢的批量稳定工业生产。
主要包括(1) 如图4所示的发明了VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR两条冶炼工艺流程，解决了电极冶炼问题、突破了保护渣、增氮剂和加压电渣冶炼选材与优化，打通了高氮高强马氏体不锈钢冶炼流程。 (2) 发明了高氮马氏体钢的高温慢锻和低温快轧的双阶段热变形技术，解决了表面开裂和碳化物网带问题，形成了高成材率的热变形与热处理关键核心技术。如图5所示，建立了丝杠用超纯净棒材和低成本轴承钢棒材的高氮马氏体钢棒材生产线，实现了包括最大直径270mm的棒材产品稳定生产和批量供货。
图4 开发了高氮高强马氏体不锈钢的VIM+PESR和EAF+LF+VD+PESR两条冶炼工艺流程与工艺(a)IIM+PESR流程和(b)EAF+LF+VD+PESR流程
图5 不同应变量下轴承钢Cronidur30钢热加工图工艺谱(a)0.1,(b)0.2,(c)0.4和(d)0.6 (高温1100-1250℃的低速变形(10-5-10-2/s)和低温1000-1100℃的高速变形(10-1-10+2/s))
创新点(三): 首次发现了高氮高强马氏体不锈钢中马氏体孪晶为疲劳起裂源和纳米析出的抗疲劳现象及机制，阐明了表面脱碳脱氮自由能控制机制，开发了纳米析出第二相的抗疲劳组织调控技术和丝材拉拔工业生产技术。
主要包括（1）开发出高氮高强马氏体不锈钢的纳米析出抗疲劳组织调控技术，大幅提升疲劳强度与寿命。研究发现180℃回火X30和500℃回火X30的Rm为2000MPa，但s-1从715MPa提升到1020MPa，L10=1.67×107提升到L10=3.99×107。通过构建抗疲劳组织结构单元，揭示了纳米析出可同时提升疲劳强度与疲劳寿命的机制，为新型抗疲劳材料研制提供了思路。（2）开发出高氮高强马氏体不锈钢的丝材拉拔工业化生产工艺技术，揭示了脱碳脱氮机制。针对高氮高强马氏体不锈钢丝材的表面无脱碳脱氮要求，开展了不同热处理条件下的脱碳脱氮行为与规律研究，如图6所示。实现了直径5mm线材的产品稳定生产和批量供货。
图6 奥氏体化温度及气氛对高氮高强马氏体钢C/N分布规律影响(a)氧化气氛下基体组织与析出物,(b) EPMA表征C/N分布,(c)氧化气氛下C/N沿分布结果和(d)真空热处理C/N分布
创新点(四): 完成了高氮高强马氏体钢的热处理、零部件加工制造与考核验证等应用适应性技术研究，开发出一材四状态处理和表面超硬化处理技术，满足了丝杠副等零部件制造需求，实现了零部件制造与应用。
图7 高氮高强马氏体不锈钢基体与表面热处理对性能影响研究.(a)X30一材四状态工艺性能图,(b)X30一材四状态的拉伸曲线,(c)X30一材四状态旋弯疲劳性能和(d)X30钢表面渗氮硬度和耐温性能
四、应用情况与效果
本项目研制的高氮高强马氏体不锈钢，形成了批量制造与稳定供货能力，实现了在大型运输机等的机体轴承、航发轴承以及高强韧丝杠副的批量装机应用，保障了国产大型飞机的生产与研制进程。同时高氮高强马氏体不锈钢产品已进入C919等大飞机用材目录，奠定了大型宽体客机用丝杠与机体轴承的材料基础。本项目成果多个指标达到甚至超过国外产品，钢材产品实物质量性能达到国外水平，实现申报发明专利20件(获批12件发明专利)，发表论文20余篇(SCI收录文章6篇和EI收录14篇)。