CN111511947A - 轴承钢部件及轴承钢部件用棒钢 - Google Patents

轴承钢部件及轴承钢部件用棒钢 Download PDF

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Abstract

一种轴承钢部件及适于得到该轴承钢部件的轴承钢部件用棒钢，所述轴承钢部件具有规定的化学组成，在任意的部件截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且Al2O3相对于CaO、Al2O3及SiO2的合计质量的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下，距离滚动面为50μm深度的维氏硬度为750以上，滚动面的压缩残余应力为900MPa以上。

Description

轴承钢部件及轴承钢部件用棒钢
技术领域
本公开涉及轴承钢部件及轴承钢部件用棒钢。
背景技术
汽车等中使用的轴承钢部件因用于提高燃料效率的部件的小型化或润滑油的低粘度化而导致近年来使用环境的严酷性增加。特别是有时产生以通过磨粉等异物咬入而形成的压痕周缘的***部作为起点的剥离，作为轴承的功能受损。为了防止这样的现象，期望提高了压痕存在时的滚动疲劳寿命(以下记为耐压痕寿命)的轴承钢部件。
以往，为了提高耐压痕寿命，专利文献1中示出了通过提高滚动面的残留奥氏体量来抑制压痕周缘的***部的技术。另外专利文献1中叙述了将残留奥氏体量设定为20％～45％的范围。
在专利文献2中公开了通过使对轴承钢部件的喷丸硬化(也可称为喷丸强化)加工***、即降低压缩残余应力来抑制喷丸硬化时产生的微小的裂纹的产生。而且，在专利文献2中，公开了通过抑制微小的裂纹的产生而提高耐压痕寿命。
除此以外，在专利文献3～6中也公开了关于轴承钢部件的技术。具体如下所述。
在专利文献3中公开了将预测的最大氧化物系夹杂物的面积的平方根规定为25μm～19.7α+1.2μm的滚动轴承。而且，在专利文献3中，公开了通过控制最大氧化物系夹杂物的面积，除了生产率良好以外，还不易产生内部起点型剥离而延长寿命。
另外，在专利文献4中公开了一种轴承用钢材，其中，钢材的长度方向截面的规定组成的氧化物系夹杂物的最大长径为20μm以下，并且具有球状渗碳体组织。而且，在专利文献4中，公开了通过控制氧化物系夹杂物的最大长径，从而使滚动疲劳特性变得优异，能够抑制早期剥离。
另外，在专利文献5中公开了一种轴承用钢材，其中，平均组成相对于CaO、Al2O3、SiO2、MnO、MgO、ZrO2的合计100％含有CaO：20～45％、Al2O3：20～45％、SiO2：30～50％、ZrO2：2.0～10％的氧化物系夹杂物，其具有球状渗碳体组织。而且，在专利文献5中公开了通过控制氧化物系夹杂物的平均组成，从而使滚动疲劳特性变得优异，能够抑制早期剥离。
另外，在专利文献6中公开了一种轴承钢钢材，其中，S及Te的以质量％计的含量满足Te/S>0.4的条件，具有偏晶凝固的硫化物系夹杂物。而且，在专利文献6中公开了通过控制S及Te的含量及偏晶凝固的硫化物系夹杂物的存在来提高适宜的滚动疲劳寿命。
专利文献1：日本特开昭64-55423号公报
专利文献2：日本特开2006-329319号公报
专利文献3：日本特开2015-090207号公报
专利文献4：日本特开2012-214829号公报
专利文献5：日本特开2014-19911号公报
专利文献6：日本特开2012-36434号公报
发明内容
发明所需解决的课题
但是，专利文献1的轴承钢部件由于残留奥氏体的增加会降低表面硬度，所以耐压痕寿命以外的滚动疲劳寿命(即相对于清洁环境中的夹杂物起点的内部疲劳断裂、或由烧结引起的断裂的强度)降低。另外，无法将表面硬度维持在一般用于汽车用途的一般轴承钢部件水平以上(维氏硬度为750以上)。
另外，为了进一步提高耐压痕寿命，需要不像专利文献2的轴承钢部件那样使压缩残余应力降低、而是赋予充分的压缩残余应力。
而且，专利文献3～6中公开的关于轴承钢部件的技术是关于以非金属夹杂物作为起点的内部疲劳断裂的抑制(即耐压痕寿命以外的滚动疲劳寿命的提高)的技术，关于耐压痕寿命未作任何考虑。因此，就专利文献3～6中公开的关于轴承钢部件的技术而言，关于耐压痕寿命的提高存在改善的余地。
于是，本公开的目的是提供将表面硬度维持在与一般轴承钢部件同等的水平并且耐压痕寿命优异的轴承钢部件及适于得到该轴承钢部件的轴承钢部件用棒钢。
用于解决课题的手段
上述课题包含以下的方案。
<1>一种轴承钢部件，其以质量％计含有：
C：0.76～1.20％、
Si：0.70～3.00％、
Mn：0.10～2.00％、
Cr：0.10～3.00％、
Mo：0.001～0.100％、
S：0.001～0.030％、
N：0.004～0.020％、
Ca：0.0002～0.0100％、
Al：0.001～0.010％、
O：0～0.005％、
P：0～0.030％、
Ni：0～3.00％、
Cu：0～1.00％、
Co：0～3.00％、
W：0～1.00％、
V：0～0.30％、
Ti：0～0.300％、
Nb：0～0.300％、
B：0～0.0050％、
Pb：0～0.50％、
Bi：0～0.50％、
Mg：0～0.0100％、
Zr：0～0.0500％、
Te：0～0.1000％、
稀土类元素：0～0.0050％、
Sn：0～2.0％、
In：0～0.50％、以及
剩余部分：由Fe及杂质构成，
在任意的部件截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且上述Al2O3相对于上述CaO、上述Al2O3及上述SiO2的合计质量的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下，
距离滚动面为50μm深度的维氏硬度为750以上，
滚动面的压缩残余应力为900MPa以上。
<2>根据<1>所述的轴承钢部件，其以质量％计含有：
Ni：0.01～3.00％、
Cu：0.01～1.00％、
Co：0.01～3.00％、
W：0.01～1.00％、
V：0.01～0.30％、
Ti：0.001～0.300％、
Nb：0.001～0.300％及
B：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
<3>根据<1>或<2>所述的轴承钢部件，其以质量％计含有：
Pb：0.01～0.50％、
Bi：0.01～0.50％、
Mg：0.0001～0.0100％、
Zr：0.0001～0.0500％、
Te：0.0001～0.1000％及
稀土类元素：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
<4>一种轴承钢部件用棒钢，其以质量％计含有：
C：0.76～1.20％、
Si：0.70～3.00％、
Mn：0.10～2.00％、
Cr：0.10～3.00％、
Mo：0.001～0.100％、
S：0.001～0.030％、
N：0.004～0.020％、
Ca：0.0002～0.0100％、
Al：0.001～0.010％、
O：0～0.005％、
P：0～0.030％、
Ni：0～3.00％、
Cu：0～1.00％、
Co：0～3.00％、
W：0～1.00％、
V：0～0.30％、
Ti：0～0.300％、
Nb：0～0.300％、
B：0～0.0050％、
Pb：0～0.50％、
Bi：0～0.50％、
Mg：0～0.0100％、
Zr：0～0.0500％、
Te：0～0.1000％、
稀土类元素：0～0.0050％、
Sn：0～2.0％、
In：0～0.50％、以及
剩余部分：由Fe及杂质构成，
在任意的棒钢截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且上述Al2O3相对于上述CaO、上述Al2O3及上述SiO2的合计质量的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下。
<5>根据<4>所述的轴承钢部件用棒钢，其以质量％计含有：
Ni：0.01～3.00％、
Cu：0.01～1.00％、
Co：0.01～3.00％、
W：0.01～1.00％、
V：0.01～0.30％、
Ti：0.001～0.300％、
Nb：0.001～0.300％及
B：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
<6>根据<4>或<5>所述的轴承钢部件用棒钢，其以质量％计含有：
Pb：0.01～0.50％、
Bi：0.01～0.50％、
Mg：0.0001～0.0100％、
Zr：0.0001～0.0500％、
Te：0.0001～0.1000％及
稀土类元素：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
发明效果
根据本公开，能够提供将表面硬度维持在与一般轴承钢部件同等的水平并且耐压痕寿命优异的轴承钢部件及适于得到该轴承钢部件的轴承钢部件用棒钢。
附图说明
图1是表示外形尺寸为φ12mm×22mm的圆柱状滚动疲劳试验片的概略表面图。
具体实施方式
以下，对作为本公开的一个例子的实施方式进行说明。
需要说明的是，在本说明书中，使用“～”表示的数值范围是指包含“～”的前后记载的数值作为下限值及上限值的范围。
另外，对“～”的前后记载的数值标注有“超过”或“低于”时的数值范围是指不包含这些数值作为下限值或上限值的范围。
另外，关于化学组成的元素的含量，“％”是指“质量％”。
(轴承钢部件)
本实施方式所涉及的轴承钢部件具有规定的化学成分，在任意的部件截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且Al2O3相对于CaO、Al2O3及SiO2的合计质量的含有率为50％质量以上的氧化物(以下，也称为“当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50％质量以上的氧化物”。)的个数密度为3.0个/cm2以下，距离滚动面为50μm深度的维氏硬度为750以上，滚动面的压缩残余应力为900MPa以上。
本实施方式所涉及的轴承钢部件通过上述构成而成为将表面硬度维持在与一般轴承钢部件同等的水平并且耐压痕寿命优异的轴承钢部件。本实施方式所涉及的轴承钢部件通过以下的见解而被发现。
首先，本发明人们为了实现将表面硬度维持在与一般轴承钢部件同等以上水平并且耐压痕寿命优异的轴承钢部件，实施了下述的评价。具体而言，对于***地改变了化学组成的轴承钢材，实施了将各种加工工艺组合而制成轴承钢部件时的耐压痕寿命评价。其结果是，得到下述(1)～(2)的见解。
(1)耐压痕寿命降低起因于从压痕周缘的***表面产生的龟裂。
(2)通过选择当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数少的钢材，进一步对部件的滚动面通过喷丸硬化赋予压缩残余应力，从而龟裂得以抑制，能够提高耐压痕寿命。
这里，认为通过降低当量圆直径为5μm以上并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数，从而钢中存在的微小的夹杂物的性质(例如与母材的密合性)发生变化。认为其结果是，在喷丸硬化时产生的微小的裂纹及***部的龟裂的产生得以抑制。
在专利文献2中，通过使喷丸硬化的加工***、即降低压缩残余应力而抑制了微小裂纹的产生。但是，通过实施非柔软的通常的喷丸硬化，可实现给与充分的压缩残余应力并且不产生微小的裂纹的轴承钢部件。
另外，对于耐压痕寿命的提高，是不使用残留奥氏体的机理、即利用了由压缩残余应力带来的效果及微小裂纹的抑制效果的机理，由于不需要大量的残留奥氏体，所以还具有不会降低表面硬度的优点。
通过以上的见解，发现本实施方式所涉及的轴承钢部件成为将表面硬度维持在与一般轴承钢部件同等的水平并且耐压痕寿命优异的轴承钢部件。
而且，本实施方式所涉及的轴承钢部件由于具有优异的耐压痕寿命，所以即使在异物混入环境中也可以使用。
以下，对本实施方式所涉及的轴承钢部件进行详细说明。
(化学成分)
首先，对本实施方式所涉及的钢的化学成分的限定理由进行说明。
C：0.76～1.20％
C含量会影响轴承钢部件的硬度。为了确保所需的硬度，将C含量的下限值设定为0.76％。另一方面，由于若C含量过多，则在淬火后大量地产生残留奥氏体，硬度降低，所以将C含量的上限值设定为1.20％。C含量的优选的下限为0.78％，进一步优选为0.80％。C含量的优选的上限为1.10％，进一步优选为1.05％。
Si：0.70～3.00％
Si是对钢的脱氧有效且对氧化物的组成造成影响的元素，同时是为了赋予作为轴承钢部件所需的高温环境下的强度而有效的元素。Si含量低于0.70％时，其效果不充分。另外，若Si含量超过3.00％，则出现含有Si的氧化物，成为喷丸硬化时的裂纹的原因。由于以上的理由，需要将Si含量设定为0.70～3.00％的范围内。Si含量的优选的下限为0.75％，进一步优选为0.80％。另外，Si含量的下限也可以为超过0.90％或1.0％。Si含量的优选的上限为2.50％，进一步优选为2.00％。
Mn：0.10～2.00％
Mn是为了对钢赋予必要的强度及淬透性而有效的元素。Mn含量低于0.10％时，其效果不充分。另外，若Mn含量超过2.00％，则在淬火后残留奥氏体变成大量，硬度降低。由于以上的理由，需要将Mn含量设定为0.10～2.00％的范围内。Mn含量的优选的下限为0.20％，进一步优选为0.40％。Mn含量的优选的上限为1.80％，进一步优选为1.40％。
Cr：0.10～3.00％
Cr是为了对钢赋予必要的强度及淬透性而有效的元素。Cr含量低于0.10％时，其效果不充分。若Cr含量超过3.00％，则其效果饱和。由于以上的理由，需要将Cr含量设定为0.10～3.00％的范围内。Cr含量的优选的下限为0.15％，进一步优选为0.20％。Cr含量的优选的上限为2.80％，进一步优选为2.50％。
Mo：0.001～0.100％
Mo由于除了赋予必要的淬透性以外，而且抑制P在晶界中偏析，所以是为了提高钢的疲劳强度而有效的元素。Mo含量低于0.001％时，其效果不充分。若Mo含量超过0.100％，则其效果饱和。由于以上的理由，需要将Mo含量设定为0.001～0.100％的范围内。Mo含量的优选的下限为0.010％，进一步优选为0.020％。Mo含量的优选的上限为0.090％，进一步优选为0.080％。
S：0.001～0.030％
S在钢中形成MnS，由此提高钢的切削性。为了得到能够对部件切削加工的水平的切削性，需要与一般的机械结构用钢同等的S含量。由于以上的理由，需要将S的含量设定为0.001～0.030％的范围内。S含量的优选的下限为0.002％，进一步优选为0.003％。S含量的优选的上限为0.025％，进一步优选为0.020％。
N：0.004～0.020％
N是不可避免地混入的元素，但具有由与Al、Ti、V、Cr等形成化合物带来的晶粒微细化效果。因此，N需要添加0.004％以上。但是，若N含量超过0.020％则化合物变得粗大，得不到晶粒微细化效果。由于以上的理由，需要将N含量设定为0.004～0.020％的范围内。N含量的优选的下限为0.0045％，进一步优选为0.005％。N含量的优选的上限为0.015％，进一步优选为0.012％。
Ca：0.0002～0.0100％
Ca是对钢的脱氧有效、且降低氧化物中的Al2O3的含有率的元素。Ca含量低于0.0002％时，其效果不充分。若Ca含量超过0.0100％，则大量地出现含有Ca的粗大的氧化物，成为滚动疲劳寿命降低的原因。由于以上的理由，需要将Ca含量设定为0.0002～0.0100％的范围内。Ca含量的优选的下限为0.0003％，进一步优选为0.0005％。Ca含量的优选的上限为0.0080％，进一步优选为0.0060％。
Al：0.001～0.010％
Al作为Al2O3在钢中结晶，对在喷丸硬化时产生的裂纹及压痕周缘***部的龟裂的产生造成影响。因此，Al含量需要限制为0.010％以下。Al含量的优选的上限为0.009％，进一步优选为0.007％。由于Al含量优选较少，因此Al含量优选为0％。但是，由于一定会作为在制造时使用的副原料等杂质混入，因此Al含量的下限为0.001％。
O：0～0.005％
O由于在钢中形成氧化物，所以是对喷丸硬化时的裂纹及***部的龟裂的产生造成影响的元素。O含量需要限制为0.005％以下。O含量的优选的上限为0.003％以下，进一步优选为0.002％。由于O含量优选较少，因此O含量的下限值为0％。即，O也可以不含有。需要说明的是，O含量也可以为超过0％。
P：0～0.030％
P在淬火前的加热时在奥氏体晶界中偏析，由此使疲劳强度降低。因此，需要将P含量限制为0.030％以下。P含量的优选的上限为0.025％以下，进一步优选为0.023％。由于P含量优选较少，因此P含量的下限值为0％。即，P也可以不含有。需要说明的是，P含量也可以为超过0％。但是，在超过必要地进行P的除去的情况下，制造成本增大。因此，P含量的实质的下限值成为0.004％较佳。
为了提高淬透性或晶粒微细化效果，本实施方式所涉及的轴承钢部件也可以进一步含有选自由Ni、Cu、Co、W、V、Ti、Nb及B构成的组中的1种或2种以上来代替Fe的一部分。即，这些元素的含量的下限为0％。而且，在含有这些元素的情况下，元素的含量的上限值设定为后述的范围的上限值。各元素的含量优选为超过0％且后述的范围的上限值以下，更优选为后述的范围。
Ni：0.01～3.00％
Ni是为了对钢赋予必要的淬透性而有效的元素。Ni含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，Ni含量优选为0.01％以上。若Ni含量超过3.00％，则有时在淬火后残留奥氏体变得大量，硬度降低。由于以上的理由，将Ni含量的上限设定为3.00％。Ni含量的上限优选为2.00％，进一步优选为1.80％。优选的Ni含量的下限为0.10％，进一步优选为0.30％。
Cu：0.01～1.00％
Cu是对钢的淬透性的提高有效的元素。Cu含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，Cu含量优选为0.01％以上。若Cu含量超过1.00％，则有时热延展性降低。因此，将Cu含量的上限设定为1.00％。作为Cu含量的上限，也可以设定为0.50％、0.30％或0.20％。在含有Cu而得到上述的效果的情况下，Cu含量的优选的下限为0.05％，进一步优选为0.10％。
Co：0.01～3.00％
Co是对钢的淬透性的提高有效的元素。Co含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，Co含量优选为0.01％以上。若Co含量超过3.00％，则有时其效果饱和。因此，将Co含量的上限设定为3.00％。作为Co含量的上限，也可以设定为0.30％、0.20％或0.10％。在含有Co而得到上述的效果的情况下，Co含量的优选的下限为0.05％，进一步优选为0.10％。
W：0.01～1.00％
W是对钢的淬透性的提高有效的元素。W含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，W含量优选为0.01％以上。若W含量超过1.00％，则有时其效果饱和。因此，将W含量的上限设定为1.00％。作为W含量的上限，也可以设定为0.30％、0.20％或0.10％。在含有W而得到上述的效果的情况下，W含量的优选的下限为0.05％，进一步优选为0.10％。
V：0.01～0.30％
V是与C及N形成化合物、带来晶粒微细化效果的元素。V含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，V含量优选为0.01％以上。若V含量超过0.30％，则有时化合物变得粗大，得不到晶粒微细化效果。因此，将V含量的上限设定为0.30％。作为V含量的上限，也可以设定为0.20％或0.10％。在含有V而得到上述的效果的情况下，V含量的优选的下限为0.10％，进一步优选为0.15％。
Ti：0.001～0.300％
Ti是在钢中生成微细的TiC、(Ti，Nb)C及TiCS等Ti系析出物、带来晶粒的微细化效果的元素。Ti含量低于0.001％时，有时其效果变得不充分。因此，Ti含量优选为0.001％以上。若Ti含量超过0.300％，则有时其效果饱和。由于以上的理由，将Ti的含量设定为0.300％以下。Ti含量的优选的上限为0.250％，进一步优选为0.200％。
Nb：0.001～0.300％
Nb是在钢中生成(Ti，Nb)C、带来晶粒微细化效果的元素。Nb含量低于0.001％时，有时其效果变得不充分。因此，Nb含量优选为0.001％以上。若Nb含量超过0.300％，则有时其效果饱和。由于以上的理由，将Nb的含量设定为0.300％以下。Nb含量的优选的上限为0.250％，进一步优选为0.200％。
B：0.0001～0.0050％
B具有抑制P的晶界偏析的作用。另外，B还具有晶界强度及粒内强度的提高效果及淬透性的提高效果，这些效果会提高钢的疲劳强度。B含量低于0.0001％时，有时其效果变得不充分。因此，B含量优选为0.0001％以上。若B含量超过0.0050％，则有时其效果饱和。由于以上的理由，将B的含量设定为0.0050％以下。B含量的优选的上限为0.0045％，进一步优选为0.0040％。
基于本实施方式的轴承钢部件的化学组成也可以进一步含有选自由Pb、Bi、Mg、Zr、Te及稀土类元素(REM)构成的组中的1种或2种以上来代替Fe的一部分。即，这些元素的含量的下限为0％。而且，在含有这些元素的情况下，元素的含量的上限值设定为后述的范围的上限值。各元素的含量优选为超过0％且后述的范围的上限值以下，更优选为后述的范围。
Pb：0.01～0.50％
Pb是通过在切削时熔融、脆化而提高切削性的元素。Pb含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，Pb含量优选为0.01％以上。另一方面，若过量地添加则有时制造性降低。因此，Pb含量的上限设定为0.50％。作为Pb含量的上限，也可以设定为0.30％、0.20％或0.10％。在含有Pb而得到上述的效果的情况下，Pb含量的优选的下限为0.02％，进一步优选为0.05％。
Bi：0.01～0.50％
Bi是通过硫化物微细分散而提高切削性的元素。Bi含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，Bi含量优选为0.01％以上。另一方面，若过量地添加则有时钢的热加工性劣化，热轧变得困难。因此，将Bi含量的上限设定为0.50％。作为Bi含量的上限，也可以设定为0.20％、0.10％或0.05％。在含有Bi而得到上述的效果的情况下，优选的下限为0.02％，进一步优选为0.05％。
Mg：0.0001～0.0100％
Mg是脱氧元素，在钢中生成氧化物。进而，Mg所形成的Mg系氧化物容易成为MnS的结晶和/或析出的核。另外，Mg的硫化物通过成为Mn及Mg的复合硫化物而使MnS球状化。像这样，Mg是为了控制MnS的分散、改善切削性而有效的元素。Mg含量低于0.0001％时，有时其效果变得不充分。因此，Mg含量优选为0.0001％以上。但是，若Mg含量超过0.0100％，则有时大量地生成MgS，钢的切削性降低。因此，在含有Mg而得到上述的效果的情况下，将Mg含量的上限设定为0.0100％。Mg含量的优选的上限为0.0080％，进一步优选为0.0060％。Mg含量的优选的下限为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
Zr：0.0001～0.0500％
Zr是脱氧元素，生成氧化物。进而，Zr所形成的Zr系氧化物容易成为MnS的结晶和/或析出的核。像这样，Zr是为了控制MnS的分散、改善切削性而有效的元素。Zr含量低于0.0001％时，有时其效果变得不充分。因此，Zr含量优选为0.0001％以上。但是，若Zr量超过0.0500％，则有时其效果饱和。因此，在含有Zr而得到上述的效果的情况下，将Zr含量的上限设定为0.0500％。Zr含量的优选的上限为0.0400％，进一步优选为0.0100％。Zr含量的优选的下限为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
Te：0.0001～0.1000％
Te由于促进MnS的球状化，所以改善钢的切削性。Te含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，Te含量优选为0.01％以上。若Te含量超过0.1000％，则有时其效果饱和。因此，在含有Te而得到上述的效果的情况下，将Te含量的上限设定为0.1000％。Te含量的优选的上限为0.0800％，进一步优选为0.0600％。作为Te含量的上限，也可以设定为0.0100％、0.0070％或0.0050％。Te含量的优选的下限为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
稀土类元素：0.0001～0.0050％
稀土类元素是通过在钢中生成硫化物、且该硫化物成为MnS的析出核而促进MnS的生成的元素，改善钢的切削性。稀土类元素的合计含量低于0.0001％时，有时其效果变得不充分。因此，稀土类元素的合计含量优选为0.0001％以上。但是，若稀土类元素的合计含量超过0.0050％，则有时硫化物变得粗大，使钢的疲劳强度降低。因此，在含有稀土类元素而得到上述的效果的情况下，将稀土类元素的合计含量的上限设定为0.0050％。稀土类元素的合计含量的优选的上限为0.0040％，进一步优选为0.0030％。稀土类元素的合计含量的优选的下限为0.0005％，进一步优选为0.0010％。
本说明书中所谓的稀土类元素是周期表中的从原子序号为57的镧(La)至原子序号为71的镥(Lu)的15个元素加上钇(Y)及钪(Sc)而得到的17个元素的总称。稀土类元素的含量是指它们中的1种或2种以上的元素的总含量。
基于本实施方式的轴承钢部件的化学组成也可以进一步含有选自由Sn及In构成的组中的1种或2种来代替Fe的一部分。即，这些元素的含量的下限为0％。而且，在含有这些元素的情况下，元素的含量的上限值设定为后述的范围的上限值。各元素的含量优选为超过0％且后述的范围的上限值以下，更优选为后述的范围。
Sn：0.01％～2.0％
Sn具有使铁素体脆化而延长工具寿命、并且提高切削加工后的表面粗糙度的效果。为了稳定地得到该效果，Sn含量优选为0.01％以上。另外，即使超过2.0％而含有Sn，其效果也饱和。因而，在含有Sn的情况下，将Sn含量设定为2.0％以下。
In：0.01％～0.50％
In是通过在切削时熔融、脆化而提高切削性的元素。In含量低于0.01％时，有时其效果变得不充分。因此，In含量优选为0.01％以上。另一方面，若过量地添加则有时制造性降低。因此，In含量的上限设定为0.50％。作为In含量的上限，也可以设定为0.30％、0.20％或0.10％。在含有In而得到上述效果的情况下，In含量的下限更优选为0.02％，进一步优选为0.05％。
本实施方式所涉及的轴承钢部件含有上述的合金成分，剩余部分包含Fe及杂质。只要其混入量为不对钢的特性造成影响的水平则容许上述的合金成分以外的元素(例如Sb、Ta、As、H、Hf、Zn等元素)作为杂质从原材料及制造装置混入钢中。
(金属组织)
接着，对本实施方式所涉及的轴承钢部件的金属组织进行说明。
对当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度进行说明。
为了抑制喷丸硬化时的裂纹及从压痕周缘的***部的龟裂产生、传播，发明人们使用氧化物的种类及量不同的钢材，调查了氧化物与耐压痕寿命的关系。
首先，对构成氧化物的氧化物种的种类、量的影响进行了研究。其结果获知，在钢中存在各种氧化物种中，Al2O3、CaO及SiO2的比例对耐压痕寿命造成影响，Al2O3相对于这3种氧化物的合计质量的含有率相对于耐压痕寿命存在密切相关。即，获知即使在氧化物中包含Al2O3、CaO及SiO2以外的氧化物，Al2O3相对于Al2O3、CaO及SiO2的合计质量的含有率相对于耐压痕寿命也存在密切相关。
接着，对影响耐压痕寿命的氧化物的形状、个数进行了研究。其结果获知，当量圆直径为5μm以上的氧化物的个数密度与耐压痕寿命相关。于是，对于给耐压痕寿命造成大的影响的Al2O3的含有率和当量圆直径为5μm以上的氧化物的个数密度，分别以纵轴、横轴绘图并进行整理，结果认识到：在当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下的区域得到良好的耐压痕寿命，越脱离该区域，则耐压痕寿命越降低。
推测这是由于，伴随着控制当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物，能够将由无法用光学显微镜辨别的水平的微小的夹杂物产生的“在喷丸硬化时产生的微小的裂纹”及“***部的龟裂的产生”无害化。
而且，当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度成为3.0个/cm2以下的轴承钢部件见不到裂纹，得到良好的耐压痕寿命。因此，将氧化物的个数密度的上限设定为3.0个/cm2。Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度的优选的上限为2.0个/cm2，进一步优选为1.5个/cm2。氧化物由于优选不存在，因此下限为0个/cm2。
需要说明的是，氧化物的个数密度是通过除了观察视野的选定以外在[实施例]中记载的方法而测定的值。观察视野只要切断面的观察部的面积能够确保合计4cm2即可。
接着，对距离滚动面为50μm深度的维氏硬度进行说明。
若降低表面硬度，则由于压痕周缘的***部被压扁，所以能够提高耐压痕寿命，但耐压痕寿命以外的滚动疲劳寿命降低。因此，为了维持耐压痕寿命以外的滚动疲劳寿命，要求一般用于汽车用途的轴承钢部件水平的硬度、即以维氏硬度计为750左右的硬度。由此，表面的硬度、即距离滚动面为50μm深度处的维氏硬度需要为750以上。但是，由于若维氏硬度变得过高则变脆，所以需要将1050设定为上限。维氏硬度的优选的上限为1000，进一步优选为950。
需要说明的是，维氏硬度是通过除了切断位置以外在[实施例]中记载的方法而测定的值。切断位置根据部件形状的不同而不同，只要是与滚动部表面垂直地切断的截面即可。
接着，对滚动面的压缩残余应力进行说明。
滚动面的压缩残余应力具有抑制从压痕周缘的***部的龟裂产生而提高耐压痕寿命的效果。为了得到该效果，滚动面的压缩残余应力需要为900MPa以上。滚动面的压缩残余应力越高越优选，但为了过度提高压缩残余应力而变得需要提高喷丸硬化时的投射压力等剧烈的加工，部件形状改变而变得不发挥功能。因此，滚动面的压缩残余应力的上限为2000MPa。
需要说明的是，压缩残余应力是通过[实施例]中记载的方法而测定的值。
接着，对轴承钢部件的金属组织进行说明。
本实施方式所涉及的轴承钢部件例如由于在淬火前的加热时处于奥氏体和渗碳体的2相域，所以进行淬火回火而获得。
因此，作为轴承钢部件的金属组织，例示出例如包含回火马氏体及渗碳体作为主体(例如面积率为60％以上)、且包含残留奥氏体及剩余部分(包含贝氏体、夹杂物)的金属组织。需要说明的是，从将维氏硬度设定为750以上的观点出发，残留奥氏体的面积率优选为10％以下，更优选为2～8％，更优选为3～7％。
但是，根据淬火时的冷却速度与部件形状的关系，有时在部件内部淬火变得不充分，在轴承钢部件的金属组织中，回火马氏体的比例降低而包含许多贝氏体。
其中，残留奥氏体的面积率使用XRD(X射线衍射装置)来测量。具体而言，关于残留奥氏体的面积率，由起因于马氏体的156.40度附近的峰面积和起因于残留奥氏体的128.40度附近的峰面积算出残留奥氏体的体积率，将该体积率定义为残留奥氏体的面积率。
轴承钢部件的金属组织是比距离轴承钢部件表面为2.00mm的深度更靠内部的金属组织。
(轴承钢部件用棒钢)
适于得到本实施方式所涉及的轴承钢部件的本实施方式所涉及的轴承钢部件用棒钢如下所述。
本实施方式所涉及的轴承钢部件用棒钢具有与本实施方式所涉及的轴承钢部件相同的化学组成，在任意的棒钢截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且Al2O3相对于CaO、Al2O3及SiO2的合计质量的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下。
需要说明的是，氧化物的个数密度的测定方法与本实施方式所涉及的轴承钢部件中的氧化物的个数密度的测定方法相同。
本实施方式所涉及的轴承钢部件用棒钢的金属组织可例示出包含珠光体及贝氏体作为主体(例如面积率为60％以上)、且包含初析渗碳体、铁素体、剩余部分的金属组织。
轴承钢部件用棒钢的金属组织是比距离轴承钢部件用棒钢表面为2.00mm的深度更靠内部的金属组织。
(轴承钢部件的制造方法)
接着，对本实施方式所涉及的轴承钢部件的制造方法进行说明。
对于具有上述金属组织的轴承钢部件，作为一个例子，如下那样进行制造较佳。
首先，使用铁矿石或废铁基料的原料用转炉进行一次精炼。相对于从转炉出钢的钢液添加Si，之后添加Al而实施脱氧处理。在脱氧处理后，通过利用浇包精炼法、使用了真空处理装置的精炼法的二次精炼，调整为具有上述化学组成的钢液成分。将成分调整后的钢液进行连续铸造而制成钢锭较佳。通过控制该精炼方法，能够控制上述氧化物的个数密度。需要说明的是，在仅实施Al脱氧的情况下，例如即使包含Si作为化学成分，另外即使在添加的熔剂中包含SiO2，SiO2成分也不会混入作为夹杂物的氧化物中。这是由于还原作用对Si或SiO2发挥作用。
其中，在铸造时，中间包内的钢液温度过热5～200℃，在铸型内进行电磁搅拌。
接着，对钢锭进行开坯，通过热轧而加工成规定的截面形状后，冷却而得到轴承钢部件用棒钢。热轧后的冷却速度以钢材的表面温度为800℃～300℃之间的平均冷却速度计控制在0.1～5℃/秒的范围较佳。
接着，将所得到的轴承钢部件用棒钢通过热锻造、冷锻造、机械加工等而制成加进了研磨除去成分的部件形状，进行淬火回火。为了提高锻造或机械加工的效率，在此期间，也可以实施正火、球状化退火等热处理。另外，淬火回火优选在减压、或非氧化气氛下实施。在淬火回火后也可以进行机械加工。
然后，对处理后的加工品实施喷丸硬化处理。之后，为了确保尺寸精度而实施研磨。在喷丸硬化处理后能够确保既定的尺寸精度的情况下，也可以省略研磨工序。通过像这样操作来制造轴承钢部件，可得到上述金属组织。
实施例
接着，对本公开的实施例进行说明，但实施例中的条件是为了确认本公开的可实施性及效果而采用的一条件例，本公开并不限定于该一条件例。只要不脱离本公开的主旨、达成本公开的目的，则本公开可采用各种条件。
将具有表1中所示的化学成分的各种钢锭进行热轧，得到棒钢。
然后，将棒钢热锻造成直径为28mm，得到锻造品。钢号25为通用轴承钢的JIS规定的SUJ2。锻造前的加热温度设定为1250℃。之后，以在表1中所示的正火加热温度(900～1050℃)下保持1小时并完全奥氏体化后放冷的条件，对锻造品实施了正火处理。
接着，在795℃下保持1.5小时后，在以12℃/小时的条件冷却至650℃而放冷的条件下，对正火品实施了球状化退火。
接着，将退火品加工成φ12.2mm×150mm的圆柱。然后，对于圆柱品，在氩气氛的830℃下保持0.5小时，在60℃的油冷却的条件下实施淬火后，以在180℃下保持2小时的条件实施了回火。
之后，根据表2，对所得到的钢号1～24、26～33、35～36的回火后的圆柱品实施了喷丸硬化。
需要说明的是，对于No.1～24、26～33实施了喷丸硬化A，对于No.35实施了喷丸硬化B，对于No.36实施了喷丸硬化C。对于No.25、34，没有实施喷丸硬化。
像这样操作，得到轴承钢部件的试样。
<喷丸硬化A>
·丸粒：Steel Round Cut Wireφ1.0、HV800
·投射压力：0.5MPa
·覆盖率：400％
<喷丸硬化B>
·丸粒：Steel Round Cut Wireφ1.0、HV800
·投射压力：0.3MPa
·覆盖率：200％
<喷丸硬化C>
·丸粒：Steel Round Cut Wireφ1.0、HV600
·投射压力：0.2MPa
·覆盖率：200％
之后，将轴承钢部件的试样通过研磨进行加工，通过抛光进行精加工，得到图1中所示的外形尺寸为φ12mm×22mm的圆柱状滚动疲劳试验片。然后，实施了耐压痕寿命评价。在耐压痕寿命的评价中，使用了NTN圆筒型滚动疲劳试验机。具体如下所述。
首先，在530kgf/mm2的负荷下以46240rpm包括加速时间在内保持10秒钟，标记试验片中的打出压痕的位置。在标记的位置用洛氏硬度试验机每隔90度在4处赋予压痕。之后，在600kgf/mm2的负荷下，润滑油使用JXTG Nippon Oil&Energy Corporation制的FBKTURBINE ISO粘度等级56，以46240rpm用振动计进行剥离产生的探测，以107次作为上限而测定剥离寿命。相对于以N＝10得到的剥离寿命标绘成威布尔(Weibull)线图，将10％破损的寿命设定为耐压痕寿命。另外，作为耐压痕寿命以外的滚动疲劳寿命，在没有赋予压痕的状态下以108次作为上限以N＝2测定剥离寿命，将该平均值设定为滚动疲劳寿命。
距离滚动面为50μm深度的维氏硬度如下进行测定。对于在圆柱状滚动疲劳试验片的试验实施相当位置即距离端面为约7mm位置与长度方向垂直地切断而得到的截面，按照JIS Z 2244：2009使用显微维氏硬度试验机进行测定。具体而言，通过在载荷200g及保持时间10秒的条件下，对于以凹处的中心间距离计相距150μm的5点测定距离滚动面为50μm深度的硬度，并进行相加平均，求出维氏硬度。
滚动面的压缩残余应力如下进行测定。按照以圆柱状滚动疲劳试验片的距离端面为约7mm位置作为中心能够测定2mm×2mm的范围的方式进行覆盖。而且，相对于2mm×2mm的范围，使用理学电气制Automate(使用Cr真空管)，设定为准直器φ1mm通过2θ·sin2ψ法及等倾法(Iso-Inclination Method)测定滚动面的压缩残余应力。
当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度如下进行测定。在圆柱状滚动疲劳试验片的距离端面为3、7、15、19mm位置与长度方向垂直地切断。将各试验片的切断面使用金刚石糊剂进行镜面研磨。之后，对各试验片的切断面中的按照圆的中心与正方形的中心一致的方式设定的1cm×1cm的区域用光学显微镜进行观察，记录当量圆直径为5μm以上的夹杂物的位置。然后，对使用扫描型电子显微镜(日本电子制JSM-6500F)中搭载的能量色散型X射线分析装置(EDS)由该夹杂物区域整体的分析得到的光谱进行分析，进行氧化物、硫化物、碳氮化物的判定。在分析时，加速电压设定为20keV，在各区域进行10秒钟测定。对于光谱的分析、定量化，使用了日本电子制软件AnalysisStation。
对于判定为氧化物的夹杂物，通过求出氧以外的Ca、Al、Si这3种元素的质量比，换算成各3种元素所生成的氧化物(即，CaO、Al2O3及SiO2)的质量比，从而算出Al2O3相对于CaO、Al2O3及SiO2的合计质量的含有率，通过Al2O3的含有率成为50质量％以上的氧化物的个数除以观察面积4cm2(1cm×1cm的观察×4个视野的合计观察面积)而计算个数密度。
需要说明的是，通过同样的方法，测定所得到的锻造前的棒钢的“当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度”。
表2中示出各试样的钢种中的当量圆直径为5μm以上、并且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度(表中标记为“氧化物的个数密度”)、距离滚动面为50μm深度的维氏硬度(表中标记为“表面硬度”)、滚动面的压缩残余应力、耐压痕寿命、滚动疲劳寿命。
另外，在按照已述的方法测定的表2中示出各试样的钢种中的“残留奥氏体的面积率”(表中标记为“残留γ量”)。
需要说明的是，表中，“10^X”的标记是指“10X”。例如，“10^6”是指“106”。
另外，表1及表2的带下划线的值表示为本公开的范围外的值。表1的化学组成的栏的空栏处表示没有有意地添加与该空栏处对应的元素。
Figure BDA0002551774620000221
[表21
Figure BDA0002551774620000231
※带下划线的值表示为本公开的范围外的值。
公开例的No.1～24将距离滚动面为50μm深度的维氏硬度维持在与一般轴承钢部件同等的水平(维氏硬度为750以上)，并且具有良好的耐压痕寿命及滚动疲劳寿命。
比较例的No.25是通用地使用的SUJ2，由于化学成分的含量、当量圆直径为5μm以上且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度及滚动面的压缩残余应力为本公开的规定范围外，所以耐压痕寿命及滚动疲劳寿命中的任一者均变低。
比较例的No.26、27、30～32由于化学成分的含量及当量圆直径为5μm以上且Al2O3的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为本公开的规定范围外，所以仅具有低的耐压痕寿命。
比较例的No.28及29由于化学成分的含量为本公开的规定范围外，即使实施适宜的喷丸硬化处理，距离滚动面为50μm深度的维氏硬度也低，所以仅具有低的滚动疲劳寿命。
比较例的No.33由于化学成分的含量为本公开的规定范围外，所以耐压痕寿命及滚动疲劳寿命中的任一者均变低。
比较例的No.34由于没有实施喷丸硬化处理，所以距离滚动面为50μm深度的维氏硬度及滚动面的压缩残余应力成为本公开的规定范围外，结果是耐压痕寿命及滚动疲劳寿命中的任一者均变低。
比较例的No.35由于喷丸硬化处理中的投射压力及覆盖率低，滚动面的压缩残余应力成为本公开的规定范围外，所以仅具有低的耐压痕寿命。
比较例的No.36由于喷丸硬化处理中的丸粒的硬度、投射压力及覆盖率低，距离滚动面为50μm深度的维氏硬度及滚动面的压缩残余应力成为本公开的规定范围外，所以耐压痕寿命及滚动疲劳寿命中的任一者均变低。
需要说明的是，获知具有钢号1～24中所示的化学成分的棒钢若实施适宜的喷丸硬化处理，则可得到将表面硬度维持在与一般轴承钢部件同等的水平并且耐压痕寿命优异的轴承钢部件，所以是适于得到该轴承钢部件的棒钢。
需要说明的是，日本专利申请第2018-008180号的公开的整体通过参照被引入到本说明书中。
关于本说明书中记载的所有文献、专利申请以及技术规格，通过参照而引入各文献、专利申请以及技术规格的情况与具体且分别记载的情况同等程度地引入本说明书中。

Claims (6)

1.一种轴承钢部件，其以质量％计含有：
C：0.76～1.20％、
Si：0.70～3.00％、
Mn：0.10～2.00％、
Cr：0.10～3.00％、
Mo：0.001～0.100％、
S：0.001～0.030％、
N：0.004～0.020％、
Ca：0.0002～0.0100％、
Al：0.001～0.010％、
O：0～0.005％、
P：0～0.030％、
Ni：0～3.00％、
Cu：0～1.00％、
Co：0～3.00％、
W：0～1.00％、
V：0～0.30％、
Ti：0～0.300％、
Nb：0～0.300％、
B：0～0.0050％、
Pb：0～0.50％、
Bi：0～0.50％、
Mg：0～0.0100％、
Zr：0～0.0500％、
Te：0～0.1000％、
稀土类元素：0～0.0050％、
Sn：0～2.0％、
In：0～0.50％、以及
剩余部分：由Fe及杂质构成，
在任意的部件截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且所述Al2O3相对于所述CaO、所述Al2O3及所述SiO2的合计质量的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下，
距离滚动面为50μm深度的维氏硬度为750以上，
滚动面的压缩残余应力为900MPa以上。
2.根据权利要求1所述的轴承钢部件，其以质量％计含有：
Ni：0.01～3.00％、
Cu：0.01～1.00％、
Co：0.01～3.00％、
W：0.01～1.00％、
V：0.01～0.30％、
Ti：0.001～0.300％、
Nb：0.001～0.300％及
B：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的轴承钢部件，其以质量％计含有：
Pb：0.01～0.50％、
Bi：0.01～0.50％、
Mg：0.0001～0.0100％、
Zr：0.0001～0.0500％、
Te：0.0001～0.1000％及
稀土类元素：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
4.一种轴承钢部件用棒钢，其以质量％计含有：
C：0.76～1.20％、
Si：0.70～3.00％、
Mn：0.10～2.00％、
Cr：0.10～3.00％、
Mo：0.001～0.100％、
S：0.001～0.030％、
N：0.004～0.020％、
Ca：0.0002～0.0100％、
Al：0.001～0.010％、
O：0～0.005％、
P：0～0.030％、
Ni：0～3.00％、
Cu：0～1.00％、
Co：0～3.00％、
W：0～1.00％、
V：0～0.30％、
Ti：0～0.300％、
Nb：0～0.300％、
B：0～0.0050％、
Pb：0～0.50％、
Bi：0～0.50％、
Mg：0～0.0100％、
Zr：0～0.0500％、
Te：0～0.1000％、
稀土类元素：0～0.0050％、
Sn：0～2.0％、
In：0～0.50％、以及
剩余部分：由Fe及杂质构成，
在任意的棒钢截面中，当量圆直径为5μm以上、并且包含CaO、Al2O3及SiO2且所述Al2O3相对于所述CaO、所述Al2O3及所述SiO2的合计质量的含有率为50质量％以上的氧化物的个数密度为3.0个/cm2以下。
5.根据权利要求4所述的轴承钢部件用棒钢，其以质量％计含有：
Ni：0.01～3.00％、
Cu：0.01～1.00％、
Co：0.01～3.00％、
W：0.01～1.00％、
V：0.01～0.30％、
Ti：0.001～0.300％、
Nb：0.001～0.300％及
B：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的轴承钢部件用棒钢，其以质量％计含有：
Pb：0.01～0.50％、
Bi：0.01～0.50％、
Mg：0.0001～0.0100％、
Zr：0.0001～0.0500％、
Te：0.0001～0.1000％及
稀土类元素：0.0001～0.0050％中的1种或2种以上。
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CN115233109A (zh) * 2022-09-23 2022-10-25 联峰钢铁（张家港）有限公司 一种窄淬透性轴承钢及其生产工艺
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