高强韧、高耐磨不锈轴承钢零件的触变成形及组织性能控制

针对应用前景广阔的不锈轴承钢零件，为改善其凝固和变形组织及碳化物的分布、形态等，以保证其高耐磨性与高强韧性二者兼顾的使用性能，本课题采用与传统生产工艺不同的半固态坯料制备技术及触变锻造成形工艺生产不锈轴承钢零件。首先应用工艺简单、流程短、工序少和成本低的新型倾斜板冷却法进行半固态坯料制备，控制其凝固过程和半固态组织形态，搞清均匀、非枝晶的球状组织形成及碳化物不均匀性改善机制；同时研究半固态坯料的物理特性及在触变成形过程中的塑性流变行为，尤其是组织性能呈梯度变化规律、碳化物分布及形态演变机制，探索出具有功能梯度材料特性、高耐磨性与高强韧性的不锈轴承钢零件的触变成形控制理论及应用技术基础。

金属材料在使用过程中，为使其不同部位满足不同使用工况的要求或是实现不同部位的不同功能，往往期望金属材料具备特殊的组织结构。根据轴类零件的使用条件，，轴类零件工作表面和心部在状态、结构和性能要求方面是有较大的差别的，即表面应具有高的耐磨性，而心部则应表现出良好的强韧性，体现出“功能梯度材料”的特性，而传统的轴类零件成形工艺往往使二者不能兼顾。因此，从冶金和先进材料加工的新知识出发，研究和开创新的技术以提高轴类零件的性能，制备具有高强韧性与高耐磨性二者兼顾的高性能轴承，是越来越迫切需要解决的课题。本研究将半固态加工理论及技术与高碳铬不锈轴承钢的组织性能控制相结合，实现具有冶金结合的功能梯度材料制备，建立功能梯度特性材料制备的相关理论模型，提出制备具有外硬内韧特性的高碳铬不锈轴承钢制件的新思路。. 本研究针对高碳铬不锈轴承钢9Cr18和9Cr18Mo材料，首先设计倾斜板浇注系统，利用制备工艺简单的倾斜板冷却法，制取半固态坯料，综合分析了工艺制备参数对半固态坯料组织的影响规律，阐明了半固态坯料的球化机理，得到了适合的最佳制备工艺参数；通过半固态触变压缩实验，研究了高碳铬不锈轴承钢半固态坯料的塑性流变行为及本构模型，分析了触变成形工艺参数对半固态液/固两相的流变特性的影响，首次提出触变因子概念，建立了半固态流变应力数学模型，为后续的触变锻造成形提供理论基础；根据热模拟试验机，设计了制备阶梯轴制件的触变锻造成形系统，集半固态坯料二次加热，成形，后续冷却于一体，减少了半固态坯料的运输，提高触变锻造的自动化控制水平。利用该设备制备了具有功能梯度特性的阶梯轴制件，分析了变形温度、应变速率对触变锻造制件组织和性能的影响规律，阐明了触变锻造成形过程中，液/固两相的流动机理；研究触变锻造制件在后续热处理过程中的组织演变特性，分析材料半固态成形及后续热处理过程独特的组织演变规律。并且，系统分析了触变制件的功能梯度特性，揭示了触变制件芯部强韧性机理，对制件表层耐磨耐蚀性进行评估分析。本研究为开发具有功能梯度材料特性、高耐磨与高强韧性的不锈轴承钢零件提供了理论及应用基础。