專利名稱：長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承鋼，特別涉及長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，當(dāng)在高負(fù)載下用作軸承件如外圈(滾動(dòng)軸承)、內(nèi)圈(滾動(dòng)軸承)、軋輥與滾珠時(shí)，該軸承鋼具有極好的滾動(dòng)疲勞特性。
由于近年來生產(chǎn)大功率和滿足環(huán)境污染限制要求的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，也要求軸承件提高滾動(dòng)疲勞壽命。一般認(rèn)為軸承件的滾動(dòng)疲勞破壞起始于氧化物夾雜物。
因此，延長(zhǎng)軸承鋼壽命的嘗試包括降低氧含量與提高鋼的清潔度。例如，Japan Institute of Metals 32，No，6，441—443公開了一種結(jié)合偏口爐底部出鋼、RH真空除氣等的方法，將軸承鋼的氧含量降低到3—6ppm，產(chǎn)生不多的氧化物夾雜物并提高了滾動(dòng)疲勞壽命。然而，當(dāng)在高負(fù)載下使用該鋼材時(shí)，通過上述方法延長(zhǎng)軸承鋼的壽命并不特別令人滿意。另一方面，日本未經(jīng)審查的專利(公開)公報(bào)No.3—64430透露與上述降低氧含量提高鋼清潔度相反，當(dāng)鋼中的氧含量增加到0.002—0.005％以致生成氧化物夾雜物Al2O3—CalO(MnO)體系時(shí)，該鋼材反而顯示出壽命增加了。
然而，即令如此獲得的軸承鋼在高負(fù)載下使用時(shí)也不一定顯示出充分延長(zhǎng)的壽命。如上所述，尤其當(dāng)軸承鋼在高負(fù)載下使用時(shí)，強(qiáng)烈要求開發(fā)一種更長(zhǎng)壽命的鋼材。
本發(fā)明的目的是提供一種用于軸承件的高碳軸承鋼，尤其是在高負(fù)載下工作的軸承件，該軸承鋼應(yīng)顯示出極好的滾動(dòng)疲勞特性。
本發(fā)明的要點(diǎn)如下(1)一種長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，它包含(按重量)0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的總Mg、不大于0.025％P、不大于0.0040％Ti、不大于0.0015％總O，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
(2)一種長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，它包含(按重量)0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的總Mg、一種或至少兩種選自于以下數(shù)量的以下元素0.03—0.7％的V、0.005—0.3％的Nb與0.10—2.00％的Ni，不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的總O，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
(3)根據(jù)(1)或(2)的長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，其中氧的數(shù)量比滿足以下公式(MgO·Al2O3的數(shù)量＋MgO的數(shù)量)/(總氧化物夾雜物的數(shù)量)≥0.08為了獲得即令在高負(fù)載下也具有極好滾動(dòng)疲勞特性的高碳軸承鋼，本發(fā)明者們深入細(xì)致地進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)如下(1)在高負(fù)載下的滾動(dòng)疲勞破壞中，滾動(dòng)疲勞破壞起始于非金屬夾雜物，在該夾雜物的邊緣上伴生有白色組織與碳化物組織。該白色組織與碳化物組織涉及硬度降低。通過使非金屬夾雜物精細(xì)化可以抑制白色組織與碳化物組織的形成。
(2)如上所述，使非金屬夾雜物精細(xì)化對(duì)延長(zhǎng)鋼材壽命中有效的。非金屬夾雜物精細(xì)化具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)(i)可以降低被認(rèn)為是造成裂紋形成的應(yīng)力集中，(ii)可以抑制形成新近被發(fā)現(xiàn)的白色組織與碳化物組織。而且，在滾動(dòng)疲勞過程中抑制非金屬夾雜物邊緣上形成白色組織與碳化物組并防止硬度降低變得相當(dāng)重要。
(3)為了使非金屬夾雜物精細(xì)化，如同本發(fā)明者們?cè)谌毡疚唇?jīng)審查的(公開)公報(bào)No.7—54103中建議的那樣，添加適量的Mg是有效的。該方法的基本概念如下向含Al的實(shí)用碳鋼中添加Mg，將氧化物組成從Al2O3轉(zhuǎn)變成MgO·Al2O3；結(jié)果防止了氧化物聚集體的形成，該氧化物呈精細(xì)狀態(tài)分散。由于MgO·Al2O3或MgO同鋼水接觸時(shí)表面能低，非金屬夾雜物不容易變成聚集體，從而實(shí)現(xiàn)了夾雜物的精細(xì)分散。如上所述，非金屬夾雜物精細(xì)化具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，也就是降低造成裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力集中，以及抑制形成白色組織與碳化物組織。因此，添加Mg對(duì)延長(zhǎng)軸承鋼材的壽命是十分有效的。
(4)其次，以下方法在抑制形成白色組織與碳化物組織和防止硬度降低方面是有效的。
(i)添加Mg，以及(ii)增加Si含量。
(5)除了上述方法以外，根據(jù)以下方法的另外一些添加劑也可以增強(qiáng)抑制白色組織與碳化物組織形成和防止硬度降低的效果(i)添加V與Nb，以及(ii)添加Ni。
本發(fā)明詳細(xì)說明如下。
限制本發(fā)明鋼的化學(xué)組成范圍的原因解釋如下C盡管C在獲得滾動(dòng)疲勞強(qiáng)度以及用作為成品的軸承件所必需的耐磨性方面是一種有效元素，但當(dāng)C含量低于0.70％時(shí)，該效果并不充分。然而，當(dāng)C含量超過1.20％時(shí)，晶界處的網(wǎng)狀初始滲碳體的數(shù)量變得相當(dāng)大。結(jié)果，在球化處理后鋼的可加工性與成品的強(qiáng)度變壞。因此，將C含量規(guī)定在0.70—1.20％。
Si為了脫氧以及在滾動(dòng)疲勞過程中抑制形成白色組織與碳化物組織和防止硬度降低以延長(zhǎng)成品的壽命而添加Si。然而，當(dāng)Si含量低于0.15％時(shí)該效果不充分。另一方面，當(dāng)Si含量超過1.70％時(shí)，這種效果處于飽和，成品的韌性也相當(dāng)惡化。因此，將Si含量規(guī)定在0.15—1.70％。
Mn通過提高可淬硬性而延長(zhǎng)成品壽命方面Mn是一種有效元素。然而，當(dāng)Mn含量低于0.15％時(shí)該效果不充分。另一方面，當(dāng)Mn含量超過1.20％時(shí)，該效果處于飽和，成品的韌性也相當(dāng)惡化。因此，將Mn含量規(guī)定在0.15—1.20％。
CrCr在提高可淬硬性使鋼韌化及通過形成碳化物來提高耐磨性方面是一種有效元素。但當(dāng)Cr含量低于0.5％時(shí)該效果不充分。另一方面，當(dāng)Cr含量超過2.0％時(shí)，該效果處于飽和，成品的韌性也相當(dāng)惡化。因此，將Cr含量規(guī)定在0.50—2.0％。
Mo添加Mo以便于提高可淬硬性以及通過抑制在滾動(dòng)疲勞過程中形成白色組織與碳化物而延長(zhǎng)成品壽命。然而，當(dāng)Mo含量低于0.05％時(shí)該效果不充分。另一方面，當(dāng)Mo含量超過1.5％時(shí)，該效果處于飽和，成品的韌性也相當(dāng)惡化。因此，將Mo含量規(guī)定在0.05—1.50％。
SS以MnS形態(tài)存在于鋼中，它有助于提高鋼的可機(jī)加工性并使組織精細(xì)化。然而，當(dāng)S含量低于0.001％時(shí)，該效果不充分。另一方面，當(dāng)S含量超過0.03％時(shí)，該效果處于飽和，滾動(dòng)疲勞特性也相當(dāng)惡化。為了上述原因，將S含量規(guī)定在0.001—0.03％。
Al盡管添加元素Al用于脫氧和使晶粒精細(xì)化，但當(dāng)Al含量低于0.010％時(shí)該效果不充分。另一方面，當(dāng)Al含量超過0.05％時(shí)，該效果處于飽和，韌性也相當(dāng)惡化。因此，將Al含量規(guī)定在0.010—0.05％。
N由于AlN的沉析作用，N有助于使奧氏體晶粒精細(xì)化。然而，當(dāng)N含量低于0.003％時(shí)該效果不充分。另一方面，當(dāng)N含量超過0.015％時(shí)，該效果處于飽和，韌性也相當(dāng)惡化。因此，將N含量規(guī)定在0.003—0.015％。
總MgMg是一種強(qiáng)脫氧元素，添加Mg以致Mg同鋼中的Al2O3進(jìn)行反應(yīng)使O脫離那里而生成MgO·Al2O3或MgO。為了實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)，要求添加一定量的Mg，該Mg量應(yīng)根據(jù)Al2O3量(即按重量百分比的總O量)至少達(dá)到一定水平。否則，將不可取地殘留下未進(jìn)行反應(yīng)的Al2O3。通過為確定Mg量進(jìn)行的試驗(yàn)，當(dāng)使按重量百分比的總Mg量至少為0.0005％時(shí)，發(fā)現(xiàn)沒有殘留下未進(jìn)行反應(yīng)的Al2O3，該氧化物完全被轉(zhuǎn)變成MgO·Al2O3或MgO。然而，當(dāng)添加Mg以致按重量百分比的Mg量超過0.0300％時(shí)，生成了鎂的碳化物與鎂的硫化物，就材料性能而論該結(jié)果是不可取的。為了上述原因，將Mg含量規(guī)定在0.0005—0.0300％。此外，該總Mg含量是鋼中可溶性Mg含量、Mg氧化物中的Mg含量與其它Mg化合物(不可避免地生成)中的Mg含量之和。
PP造成鋼中的晶界分離和中心線偏析，使成品強(qiáng)度變壞。由于在P含量超過0.025％時(shí)強(qiáng)度下降特別明顯，從而限制P含量不大于0.025％。
TiTi形成硬的沉淀物TiN，這會(huì)造成白色組織與碳化物組織形成，也就是，該組織成為滾動(dòng)疲勞破壞的起始點(diǎn)。因此，TiN造成成品滾動(dòng)疲勞壽命下降。由于在Ti含量超過0.0040％時(shí)壽命下降特別明顯，所以規(guī)定Ti含量不大于0.0040％。
總O在本發(fā)明中，總O含量是鋼中溶解的O含量同鋼中組成氧化物(主要是氧化鋁)的O含量之和。然而，總O含量大致與同組成氧化物的O含量一致。因此，當(dāng)總O含量較高時(shí)，鋼中被還原的Al2O3量也較大。能達(dá)到本發(fā)明預(yù)期效果的總O含量的極限已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)查研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)總O含量超過0.0015％(按重量)時(shí)，Al2O3量過剩，結(jié)果鋼中的Al2O3總量不能被轉(zhuǎn)變成AgO·Al2O3或MgO而在添加Mg時(shí)將氧化鋁遺留在鋼中。因此，限制本發(fā)明鋼中的總O含量不大于0.0015％(按重量)。
其次，本發(fā)明第二方面中，鋼可以包含一種或至少兩種選自V、Nb與Ni的元素，以便在滾動(dòng)疲勞期間防止硬度下降和抑制形成白色組織與碳化物組織。
Nb、V添加V與Nb以便通過沉淀硬化防止在滾動(dòng)疲勞期間硬度下降。然而，當(dāng)V添加量低于0.03％或Nb添加量低于0.005％時(shí)，該效果不明顯。另一方面，當(dāng)V含量超過0.7％或Nb含量超過0.3％時(shí)，該效果處于飽和，韌性也相當(dāng)惡化。因此，將V含量規(guī)定在0.03—0.7％，而Nb含量規(guī)定在0.01—0.3％。
Ni添加Ni以提高鋼的可淬硬性以及通過在滾動(dòng)疲勞期間抑制形成白色組織與碳化物組織而延長(zhǎng)成品壽命。然而，當(dāng)Ni含量低于0.10％時(shí)，該效果不明顯。另一方面，當(dāng)Ni含量超過2.00％時(shí)，該效果處于飽和，并且在經(jīng)濟(jì)上也不可取。因此，將Ni含量規(guī)定在0.10—2.005。
其次，將說明本發(fā)明第三方面中限制鋼中氧化物夾雜物數(shù)量比的原因。本發(fā)明范圍以外的氧化物夾雜物，也就是由于在鋼的精煉過程中部分地不可避免地混合有除了AgO·Al2O3與MgO以外的氧化物夾雜物。使不可避免地混合的氧化物夾雜物的數(shù)量與全部氧化物夾雜物數(shù)量之比低于20％，這能夠穩(wěn)定地使氧化物夾雜物高度精細(xì)分散、在滾動(dòng)疲勞期間抑制形成碳化物組織與白色組織以及制止硬度下降。結(jié)果，觀察到明顯地延長(zhǎng)了壽命。由于上述原因，規(guī)定(MgO·Al2O3的數(shù)量＋MgO的數(shù)量)與全部氧化物夾雜物數(shù)量之比至少為0.8。此外，通過電子顯微鏡觀察滾動(dòng)方向上的橫截面并獲得每mm2面積的數(shù)量，來定量地確定屬于各自基團(tuán)的氧化物夾雜物的數(shù)量。
此外，對(duì)生產(chǎn)本發(fā)明鋼的方法沒有特別限制。也就是，既可以通過高爐—轉(zhuǎn)爐法也可以通過電爐法來制備母鋼水。而且，對(duì)母鋼水添加的各成分也沒有限制。而母鋼水中添加包含各添加成分的金屬或金屬合金都是令人滿意的?？梢酝ㄟ^任何一種方法自由地進(jìn)行，如自然降落進(jìn)行添加、使用惰性氣將各添加成分吹入母鋼水進(jìn)行添加以及投放其中充填Mg源的鐵絲進(jìn)行添加。因而，對(duì)由母鋼水生產(chǎn)鋼錠與軋制鋼錠的方法也沒有限制。
以下根據(jù)各實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
通過高爐—轉(zhuǎn)爐連續(xù)澆鑄法來生產(chǎn)具有表1與表2所示化學(xué)組成的鋼錠。
表1
表2
從高爐排出的鐵水進(jìn)行脫磷與脫硫，并供入轉(zhuǎn)爐，吹氧精煉，以得到具有預(yù)定C、P與S含量的母鋼水。將其排入澆包期間與RH處理期間在母鋼水中添加Al、Si、Mn、C與Mo。通過RH處理對(duì)該母鋼水進(jìn)行脫氣與去除夾雜物。在RH處理后向澆包中的母鋼水添加Mg合金。使用至少一種選自于Si—Mg合金、Fe—Si—Mg合金、Fe—Mn—Mg合金、Fe—Si—Mn—Mg合金(上述合金各自具有0.5—30wt％的Mg含量)以及各自具有5—70wt％Mg含量的Al—Mg合金的Mg合金。通過投放其中充填粒狀Mg合金的鐵絲向母鋼水添加Mg合金。通過連鑄制得扁鋼坯。
將扁鋼坯初軋成方坯，將鋼棒軋成直徑為65mm的圓鋼棒。測(cè)量在所得鋼棒軋制方向橫截面中的氧化物的數(shù)量比與大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)全部本發(fā)明鋼都在如表3和4所示的適當(dāng)范圍內(nèi)。
表3
<p>表4
備注1)氧化物粒度指存在于每mm2面積中的等球直徑。
2)氧化物數(shù)量比(MgO·Al2O3數(shù)量＋MgO數(shù)量)/全部氧化物夾雜物的數(shù)量，條件是效量以mm2為基礎(chǔ)。
3)L10以在對(duì)比實(shí)施例13中被規(guī)足為1的L10為基礎(chǔ)的相對(duì)值。
對(duì)本發(fā)明鋼材進(jìn)行球化處理以得到滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)塊，在840℃加熱、160℃淬火與回火條件下進(jìn)行淬水與回火。通過Mori′s推力型接觸滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)(最大赫茲接觸應(yīng)力為540kgf/mm2)與點(diǎn)接觸型滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)(圓柱形滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)塊，最大赫茲接觸應(yīng)力為600kgf/mm2)對(duì)該試驗(yàn)塊進(jìn)行滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)滾動(dòng)疲勞特性。使用L10壽命作為疲勞壽命的度量單位，也就是直到通過在Weibull概率坐標(biāo)紙上繪制試驗(yàn)結(jié)果得到10％的累積破壞概率時(shí)發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。表3與4示出了以L10壽命為基礎(chǔ)的各鋼材的L10壽命的相對(duì)值，在對(duì)比例13中將該相對(duì)值規(guī)定為1。Nos.1、2、4與6是本發(fā)明第一方面中的各實(shí)施例。Nos.8、9、10與11是本發(fā)明第二方面中的各實(shí)施例。在這些實(shí)施例中，這些鋼同對(duì)比例13的鋼相比較顯示出良好的疲勞特性。而且，Nos.3、5、7與12是本發(fā)明第三方面中的各實(shí)施例，其中MgO型的氧化物數(shù)量比至少為0.8。同本發(fā)明第一方面中的No.1與其它的鋼以及本發(fā)明第二方面中的No.8及其它鋼相比較，這些實(shí)施例中的鋼顯示出更為良好的疲勞特性。
此外，對(duì)經(jīng)過108次滾動(dòng)疲勞試驗(yàn)循環(huán)以后的試驗(yàn)塊檢查是否存在白色組織與碳化物組織，所得結(jié)果補(bǔ)充示于表3與4中。在本發(fā)明的鋼中，白色組織與碳化物組織的形成受到抑制。另一方面，在對(duì)比例13中Mo與Mg含量低于本發(fā)明的含量范圍。在對(duì)比例14、16與17中Mg、Si與Mo含量也低于本發(fā)明的含量范圍。對(duì)比例15中Mg的含量高于本發(fā)明的含量范圍。在上述各對(duì)比例中的所有試驗(yàn)塊各自的疲勞壽命都比對(duì)比例13試驗(yàn)塊的疲勞壽命低6倍。在各對(duì)比例的全部試驗(yàn)塊上都觀察到了白色組織與碳化物組織的形成。
如上所述。本發(fā)明能夠形成精細(xì)的氧化物夾雜物、抑制形成白色組織與碳化物組織以及防止硬度降低。結(jié)果，提供一種在高負(fù)載下大大提高軸承件滾動(dòng)疲勞壽命的軸承鋼是可能的。因此，本發(fā)明在工業(yè)中的作用是極為重要的。
權(quán)利要求
1.一種長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，它包含(按重量)0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的總Mg、不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的總O，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.一種長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，它包含(按重量)0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的總Mg，一種或至少兩種選自于以下數(shù)量的以下元素0.03—0.7％的V、0.005—0.3％的Nb與0.10—2.00％的Ni，不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的總O，其余是Fe和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的長(zhǎng)壽命的高碳軸承鋼，其中，鋼中所含氧化物的數(shù)量比滿足以下公式(MgO·Al2O3的數(shù)量＋MgO的數(shù)量)/(總氧化物夾雜物的數(shù)量)≥0.8。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于滾動(dòng)疲勞特性極好的軸承件的軸承鋼。它包含(按重量)0.70-1.20％的C、0.15-1.70％的Si、0.15-1.20％的Mn、0.50-2.00％的Cr、0.05-1.50％的Mo、0.001-0.03％的S、0.010-0.05％的Al、0.003-0.015％的N、0.0005-0.0300％的總Mg、不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的總O，一種或至少兩種選自于特定數(shù)量的V、Nb與Ni的元素，以及鋼中所含Mg的氧化物的數(shù)量比至少為0.8。
文檔編號(hào)C22C38/28GK1129465SQ95190558
公開日1996年8月21日 申請(qǐng)日期1995年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月16日
發(fā)明者越智達(dá)朗, 河內(nèi)雄二 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社