CN100439540C - 具有良好的滚动疲劳寿命的钢材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有良好的滚动疲劳寿命的钢材及其制造方法，该钢材以质量%计含有C：0.7—1.1%、Si：0.2—2.0%、Mn：0.4—2.5%、Cr：1.6—4.0%、Mo：0.1%以上且不到0.5%、Al：0.010—0.050%，余量由Fe及不可避免的杂质构成，该钢材接受淬火回火处理，且残余渗碳体的粒径为0.05—1.5μm，原奥氏体的粒径为30μm以下，在将本发明的钢材用于轴承钢时，即使在苛刻的使用环境下也可延长轴承的使用寿命。

Description

具有良好的滚动疲劳寿命的钢材及其制造方法
技术领域
本发明涉及到一种用于滚子轴承或滚珠轴承这样的滚动轴承等中的钢材，特别涉及到一种即使在苛刻的使用环境下也具有良好的滚动疲劳寿命的钢材及其制造方法。
背景技术
一直以来，用于汽车及工业机械等中的滚动轴承的材料使用最多的是JIS G 4805所规定的高碳素铬轴承钢SUJ2。
一般情况下，作为其重要性质之一，要求轴承钢的滚动疲劳寿命较长。目前为止，作为对轴承钢的滚动疲劳寿命产生影响的因素主要认为是钢材中的非金属夹杂物的影响。因此例如在特开平1-306542号公报、特开平3-126839号公报中，公开了降低钢材中的氧含量、控制非金属夹杂物的量、形状及大小，从而提高滚动疲劳寿命的方法。
但是，本发明人在对轴承钢的滚动疲劳寿命进行各种研究时发现，在高负荷或高温等苛刻的使用环境下，由于会发生如下所述的现象，因此仅仅象上述方法一样通过单纯控制非金属夹杂物的量、形状及大小是无法充分提高滚动疲劳寿命的。
即，随着轴承的使用环境的恶化，由于轴承的内外轮和转动体接触时所产生的剪切应力，在轴承钢的接触面的下层部分(表层部)生成白色的微组织变化层，该变化层随着转动次数的增加逐渐成长，最终引起疲劳剥离，从而降低滚动疲劳寿命。特别是在作为较苛刻使用环境的高面压下(小型化)的温度上升会缩短到产生该微组织变化层为止的转动次数，从而显著缩短滚动疲劳寿命。
因此，为了抑制这种随着使用环境恶化而引起的滚动疲劳寿命下降，仅控制现有技术下的非金属夹杂物的量、形状及大小是不充分的，需要抑制微组织的历时变化。
作为可抑制因高负荷滚动疲劳时的反复应力负荷所引起的微组织的变化的轴承钢，本发明人等在特开平6-287691号公报中提出了如下所述的轴承钢：含有C：0.5-1.5wt％、Cr：超过2.5wt且在8.0wt％以下、Sb：0.001-0.015wt％、O：0.002wt％以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成的轴承钢；以及该轴承钢中进一步含有Si：超过0.5wt％且在2.5wt％以下、Mn：0.05-2.0wt％、Mo：0.05-0.5wt％、Al：0.005-0.07wt％等的轴承钢。在这些轴承钢中，B50高负荷滚动疲劳寿命(滚动疲劳寿命试验中的累积破损概率50％下的到微组织变化层剥离为止的总负荷次数)得到提高。
但是现在，轴承的使用环境和特开平6-287691号公报申请时相比变得更为苛刻，仅以单纯的化学组成进行规定是无法获得充分的滚动疲劳寿命的。因此非常需要具有更高的滚动疲劳寿命的轴承用钢材。
发明内容
本发明人进行了各种研究，结果发现了一种通过狭义地规定钢材使用时的微组织，即使在比现有的使用环境更苛刻的环境下也可更加延长轴承使用寿命的如下所述的具有良好的滚动疲劳寿命的钢材。
即，一种具有良好的滚动疲劳寿命的钢材，以质量％计含有C：0.7-1.1％、Si：0.2-2.0％、Mn：0.4-2.5％、Cr：1.6-4.0％、Mo：0.1％以上且不到0.5％、Al：0.010-0.050％，余量由Fe及不可避免的杂质构成，接受淬火回火处理，且残余渗碳体的粒径为0.05-1.5μm，原奥氏体粒径为30μm以下。
并且，该具有良好滚动疲劳寿命的钢材可通过具有以下工序的方法进行制造：进行将具有上述成分的钢材加热至750-850℃后以0.015℃/s以下的冷却速度冷却到700℃以下的球化退火的工序；以及对上述球化退火后的钢材进行淬火回火处理的工序。
具体实施方式
本发明人对苛刻的使用环境下的反复应力负荷所引起的轴承钢的微组织变化进行了研究，得出以下结论。
1)微组织变化的主要原因在于钢材硬质部分的应力集中及其周边的碳(C)扩散，如果缓和应力集中或抑制C的扩散，则可抑制微组织的变化。
2)为了抑制钢中的C的扩散，在淬火时的加热阶段使奥氏体(以下用γ表示)粒子微小化的同时使淬火回火处理后残余渗碳体的粒径为0.05-1.5μm即可。
在上述JIS G 4805的高碳轴承钢SUJ2中，在铸造钢水时析出的粗大碳化物的影响下，实施淬火回火处理后有时会残余粒径为5μm以上的称作“共晶碳化物”的粗大碳化物，其作为应力集中源而发挥作用，促进微组织的变化。并且，球化退火时生成的球状碳化物也随着其尺寸的粗大化而作为应力集中源发挥作用，促进微组织的变化。
本发明是基于上述见解而进行的，以下对其具体内容进行说明。
(I)化学组成
C：C固溶于钢的基底，强化马氏体，确保淬火回火处理后的硬度，提高滚动疲劳寿命。因此需要使C为0.7质量％以上，但当超过1.1质量％时，会促进形成共晶碳化物这样的粗大碳化物，同时会助长钢中的C的扩散引起的微组织变化，并降低滚动疲劳寿命。因此C为0.7-1.1质量％。
Si：Si除了作为钢的脱氧剂起作用外，还固溶于基底并抑制淬火后进行回火时强度下降。并且，还抑制转动负荷环境下的微组织变化。因此需要使Si为0.2质量％以上，但当超过2.0质量％时，锻造性、被切削性会大幅恶化。因此Si为0.2-2.0质量％。
Mn：Mn作为钢的脱氧剂起作用，是实现低氧化的有效元素。并且，可提高淬火性、作为基底的马氏体的韧性及强度、及滚动疲劳寿命。进一步还具有使渗碳体稳定化、抑制微组织变化的效果。因此，需要使Mn为0.4质量％以上，但当超过2.5质量％时，锻造性、被切削性会大幅恶化。因此Mn为0.4-2.5质量％。
Cr：Cr可使渗碳体稳定化并抑制钢中的C的扩散，同时可抑制渗碳体的粗大化、防止应力集中，并提高滚动疲劳寿命。因此需要使Cr为1.6质量％以上，但当超过4.0质量％时会降低C对马氏体的固溶量，并降低淬火回火处理后的硬度，从而降低滚动疲劳寿命。因此，Cr为1.6-4.0质量％。
Mo：Mo固溶于基底，具有抑制淬火后进行回火时的强度下降的作用。并且可提高淬火回火处理后的硬度及滚动疲劳寿命。进一步，通过碳化物的稳定化还具有抑制微组织变化的作用。因此，需要使Mo为0.1质量％以上，但当添加0.5质量％以上时其效果饱和，会导致成本上升。因此Mo为0.1质量％以上、不到0.5质量％。
Al：Al作为钢的脱氧剂是必需的，同时与钢中的N结合使淬火回火处理后的原γ粒子细小化，并提高滚动疲劳寿命。因此需要使Al为0.010质量％以上，但当超过0.050质量％时，由于过量析出的AlN会导致滚动疲劳寿命下降。因此，Al为0.010-0.050质量％。
除了这些元素外，进一步以质量％计还优选含有选自Ni：0.5-2.0％、V：0.05-1.00％、Nb：0.005-0.50％、Sb：0.0010-0.0050％中的至少一种元素，其理由如下。
Ni：Ni固溶于基底，抑制回火后的强度下降，因此可根据需要添加。为了获得充分的效果，需要使Ni为0.5质量％以上，但当超过2.0质量％时，会生成多余的残余γ，降低淬火回火处理后的强度。因此，Ni为0.5-2.0质量％。
V：V形成稳定的碳化物并提高硬度，同时抑制微组织的变化并提高滚动疲劳寿命，因此可根据需要添加。为了获得充分的效果，需要使V为0.05质量％以上，但当超过1.00质量％时，固溶C下降，淬火回火处理后的硬度下降。因此V为0.05-1.00质量％。
Nb：Nb与V一样形成稳定的碳化物并提高硬度，同时抑制微组织的变化并提高滚动疲劳寿命，因此可根据需要添加。为了获得充分的效果，需要使Nb为0.005质量％以上，但当超过0.50质量％时其效果饱和。因此Nb为0.005-0.50质量％。
Sb：Sb可抑制热处理时的脱碳，同时通过使淬火回火处理后的原γ粒子细小化提高滚动疲劳寿命，因此可根据需要添加。为了获得充分的效果，需要使Sb为0.0010质量％以下，但当超过0.0050质量％时，不仅其效果饱和，而且热加工性及韧性恶化。因此，Sb为0.0010-0.0050质量％。
(II)残余渗碳体的粒径
轴承用的C量较高的钢材受到淬火回火处理，但处理后的钢材中残余淬火前存在的渗碳体。如上所述，该残余渗碳体抑制钢中的C的扩散，并抑制苛刻的使用环境下的反复应力负荷所引起的轴承钢的微组织的变化。但是，当残余渗碳体的平均粒径不到0.05μm时，表面积相对于渗碳体体积的比率变大，促进了C向基底溶出，因此无法获得充分的C的扩散抑制效果，当超过1.5μm时，对残余渗碳体和基底的界面的应力集中增加，因此会促进微组织的变化。因此，淬火回火处理后的残余渗碳体的粒径需要为0.05-1.5μm。
(III)原γ粒径
除了上述抑制微组织变化外，抑制因滚动疲劳而产生的裂纹传播对于提高滚动疲劳寿命也是有效的。在苛刻的使用环境下为了提高这一点，需要使淬火回火处理后的原γ粒径为30μm以下。
(IV)制造方法
在本发明中，熔炼具有上述本发明范围的化学组成的钢，例如通过连铸做成铸坯后，将通过热轧做成棒钢的钢材作为原材料。并且对该钢材在通常的条件下进行正火后，进行加热至750-850℃后以0.015℃/s以下的速度冷却到700℃以下的球化退火后，进行淬火回火处理。通过这种球化退火，可以使淬火回火处理后的残余渗碳体的粒径为0.05-1.5μm。当球化退火的加热温度超过850℃时，球化渗碳体变得粗大，淬火回火处理后的残余渗碳体也变得粗大，加热后冷却时形成新的层状的渗碳体。并且，当加热温度低于750℃时，在球化退火前存在的珠光体残留下来，无法获得所需的残余渗碳体。
淬火回火处理在通常的本领域的条件下来进行。特别是当淬火时的加热温度低于800℃时，球化渗碳体向母相奥氏体的固溶无法充分进行，从而在淬火回火处理后无法获得充分的硬度，并且会导致残余渗碳体的粗大化。相反当加热温度超过950℃时，渗碳体的固溶过度进行，并且会导致奥氏体晶粒的粗大化。因此，在淬火回火处理后为获得所需的残余渗碳体、并使原γ粒径为30μm以下，将淬火时的加热温度设为800-950℃是很重要的。此外，淬火回火处理后的渗碳体的体积率主要根据C量而变化，在本发明的组成范围下为3-25％。
(实施例)
在将具有表1所示的试样No.1-25的化学组成的钢在转炉中熔炼后，进行连铸获得铸坯。表1的试样No.1-7的化学组成不在本发明范围内，试样No.1是相当于JIS G 4805的SUJ2的现有钢材，试样No.2中C不在本发明范围内，试样No.3中Si不在本发明范围内，试样No.4中Mn不在本发明范围内，试样No.5中Cr不在本发明范围内，试样No.6中Mo不在本发明范围内，试样No.7中Al不在本发明范围内。所获得的铸坯在1240℃下退火30小时后，热轧为65mmφ的棒钢。
从获得的棒钢的相当于直径1/4的位置开始，通过切削加工采取15mmφ×20mm的圆柱状试验片及用于测量滚动疲劳的试验片(以下称为滚动疲劳试验片)，依次按照进行正火、球化退火、淬火回火的顺序进行热处理。球化退火从表1所示的加热温度开始以0.004-0.020℃/s的冷却速度冷却到650℃，之后放置冷却。滚动疲劳试验中为了完全去除脱碳层而进一步从表面进行1mm以上的研磨，之后进行精磨，使试验片的尺寸为12mmφ×22mm。
利用各试样的圆柱状试验片，沿圆柱的轴方向剪断，对该剪断面依次用苦味酸酒精溶液、硝酸酒精溶液进行腐蚀，观察微组织，并通过图像解析测量残余渗碳体的平均粒径及平均原γ粒径。
并且，利用各试样的滚动疲劳试验片，通过径向型的滚动疲劳寿命试验设备，在最大赫兹接触应力为5880MPa、反复应力数约为46500cpm的条件下进行了滚动疲劳试验。试验结果以所谓“威伯尔分布”总结在了概率纸上，利用相对于使用现有钢材的No.1的平均寿命(上述B50高负荷滚动疲劳寿命)为1时的比进行了评价。此外，为了在比现有环境苛刻的使用环境下获得较长的滚动疲劳寿命，需要该比值为10以上。
结果如表1所示。
可以发现：具有本发明范围内的化学组成，残余渗碳体的粒径及原γ粒径也处于本发明范围内的试样No.9-18及20-25均显示出了比现有钢材的试样No.1高10倍以上的B50，在比现有环境更苛刻的使用环境下，也可以具有良好的滚动疲劳寿命。
此外，在使试样No.10淬火时的加热温度为通常的温度范围以外的试样No.10b、10c中，无法获得所需的残余渗碳体的粒径、及原γ粒径，B50明显较低。
另一方面，具有本发明范围以外的化学组成的试样No.2-7的B50与现有钢材的试样No.1相比，均为同等以下。特别是在Cr量较低的试样No.5中，残余渗碳体的粒径超过1.5μm，Al量较低的试样No.7中，原γ粒径超过30μm，B50明显较低。
并且，虽然化学组成在本发明范围之内，但残余渗碳体的粒径超过1.5μm的试样No.8及残余渗碳体的粒径不到0.05μm的试样No.19与现有钢材的试样No.1相比，显示出较高的B50，但其比至多为3.8左右，不够充分。
Figure C20048001025000111

Claims (4)

1.一种具有良好的滚动疲劳寿命的钢材，以质量％计含有C：0.7-1.1％、Si：0.2-2.0％、Mn：0.4-2.5％、Cr：1.6-4.0％、Mo：0.1％以上且不到0.5％、Al：0.010-0.050％，余量由Fe及不可避免的杂质构成，接受淬火回火处理，且残余渗碳体的粒径为0.05-1.5μm，原奥氏体粒径为30μm以下。
2.根据权利要求1所述的具有良好的滚动疲劳寿命的钢材，以质量％计还含有选自Ni：0.5-2.0％、V：0.05-1.00％、Nb：0.005-0.50％、Sb：0.0010-0.0050％中的至少一种元素。
3.一种残余渗碳体的粒径为0.05-1.5μm，原奥氏体粒径为30μm以下的具有良好的滚动疲劳寿命的钢材的制造方法，具有以下工序：
对以质量％计含有C：0.7-1.1％、Si：0.2-2.0％、Mn：0.4-2.5％、Cr：1.6-4.0％、Mo：0.1％以上且不到0.5％、Al：0.010-0.050％，余量由Fe及不可避免的杂质构成的钢材，进行加热至750-850℃后以0.015℃/s以下的冷却速度冷却到700℃以下的球化退火的工序；和对上述球化退火后的钢材进行淬火回火处理的工序。
4.根据权利要求3所述的具有良好的滚动疲劳寿命的钢材的制造方法，使用以质量％计含有选自Ni：0.5-2.0％、V：0.05-1.00％、Nb：0.005-0.50％、Sb：0.0010-0.0050％中的至少一种元素的钢材。
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