CN101012855A - 滚动轴承长寿命的确保方法 - Google Patents

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CN101012855A CNA200710007271XA CN200710007271A CN101012855A CN 101012855 A CN101012855 A CN 101012855A CN A200710007271X A CNA200710007271X A CN A200710007271XA CN 200710007271 A CN200710007271 A CN 200710007271A CN 101012855 A CN101012855 A CN 101012855A
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Abstract

本发明公开了一种滚动轴承长寿命的确保方法，其中，多个滚动元件在周向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中所述滚动轴承用直径为180mm或更小、壁厚为25mm或更小的无缝钢管作为原材料制成，并被确保在原材料阶段不含有长度为1mm或更大的缺陷。

Description

滚动轴承长寿命的确保方法
本申请是一项分案申请，相应母案的申请号为03802443.8，申请日为2003年1月17日，发明名称为“轴承用钢、轴承用钢中大尺寸夹杂物的评估方法以及滚动轴承”，申请人为日本精工株式会社。
技术领域
本发明涉及一种轴承用钢和一种评估这种钢内大尺寸夹杂物的方法，以及一种滚动轴承。
背景技术
迄今，众所周知的是，存在于在轴承环表面上和该表面仅下面的大尺寸非金属夹杂物(以下称为大尺寸夹杂物)在无干扰物侵入的润滑条件下对滚动轴承的寿命有很大的影响。
由于作为滚动轴承材料的诸如钢等金属材料的清洁度因近来冶金技术的改进而大大提高，上述金属材料中存在的大尺寸夹杂物进一步减少，而大尺寸夹杂物的尺寸也减小。
鉴于上述情况，定量检测偶然或极低概率形成的大尺寸夹杂物已变得非常困难，因此对能够精确检测上述大尺寸夹杂物的评估金属材料清洁度的方法的要求在增加。
在金属材料清洁度的评估方法中，最常用的方法就是通过钢内含氧量的评估方法。但是，在近些年来由于金属材料内含氧量大的改善且稳定在较低水平，根据钢内含氧量的评估方法就不适于用以判断大尺寸夹杂物数量的充分程度。
而且，其他定量评估金属材料清洁度的方法包括：根据JIS(日本工业标准学会)或者ASTM(美国测试及材料学会)的使用光学显微镜的方法，以及基于由上述方法获得的数据、通过极值统计方法确定钢材料预定区域内存在的诸如主要包括AL2O3的氧化物型夹杂物和Ti型夹杂物等硬质夹杂物的数量的方法(例如，可参考文献1(日本未审专利公开NO.平6-145883)、文献2(日本未审专利公开NO.平3-56640)、文献3(日本未审专利公开NO.平5-117804)以及、文献4(日本未审专利公开NO.平-192790))。但是，根据文献1至文献4中描述的显微观测评估方法，由于检测区域小到几百平方毫米，所以很难检测少量的大尺寸夹杂物。
而且，其他定量评估金属材料清洁度的方法包括：利用酸溶液从金属材料中提取夹杂物并通过显微镜评估夹杂物的颗粒尺寸和数量的方法(例如，参考文献5(日本未审专利公开NO.平9-125199))，以及利用EB熔化方法熔化金属材料并通过显微镜观察浮升的夹杂物的方法(参考文献6(日本未审专利公开NO.平9-125200))。但是在文献5和文献6所述的评估方法中，需要检测的容积为大约几千立方毫米，且不能有效评估大尺寸夹杂物。而且在文献5或文献6所述的方法中，由于不能进行无损检测，所以会担心的是大尺寸夹杂物会溶解在酸中或者大尺寸夹杂物自身熔化掉或烧结，以致于不能用于存在于具有高清洁度的金属材料中的大尺寸夹杂物的评估。
上述金属材料清洁度的评估方法没有一种可进行无损检测，而是它们检测一批量钢材料的典型样本，并评估由上述批量钢材料制成的滚动轴承的寿命。因此，由于存在于作为产品的滚动轴承中的大尺寸夹杂物不能各个被评估，所以就不可能精确评估较少制造的短寿命产品。
而且，作为利用超声探伤评估金属材料中大尺寸夹杂物的方法，根据文献7(日本未审专利公开NO.2000-141704)，迄今为止已经提出利用高频探针(探伤频率＝50MHz-100MHz)以及通过利用光学显微镜进行极值统计方法评估，但在检测体积小时，就充分大尺寸的大尺寸夹杂物而言仍然难以进行评估。
于是，在不可能定量评估轴承用钢中的大尺寸夹杂物的情况下，这不可能评估尽管较少发生的源于大尺寸夹杂物的短寿命破裂的那些轴承的出现。即，除非可以找到适当的大尺寸夹杂物的评估方法，否则轴承用钢本身不可进行定量评估。
即，目前不能得到这样一种金属材料的高清洁度的评估方法，其能百分之百地检测作为产品的滚动轴承并能够可靠地评估高存在于清洁度金属材料中的极少量大尺寸夹杂物。
另一方面，载荷和表面压力一直在增大，钢铁设备中轧制设施尺寸不断缩小，且例如在造纸设备中，对更高的温度需求也越来越苛刻。
例如，以辊颈轴承为代表的用于钢铁加工的滚动轴承，用在重载且高表面压力的条件下。轧制装置近来尺寸减小，而且轴承插入的外壳也逐渐小型化。这样，例如在外壳刚度不足的情况下，轴承顺应外壳，重复的弯曲应力作用在外环上有可能导致出现短寿命产品或者破裂。
而且，用于造纸机的滚动轴承的内环在承受装配应力的条件下使用，且在近年来的更高温度环境下，轴承上经常作用有较大的周向应力。举例来说，在周向应力作用在内环的情况下，内直径表面的表面处产生最大拉应力，且该拉应力朝向内侧减小。如果存在包括诸如大尺寸夹杂物等的缺陷，局部应力集中增加增加从而引发破裂。
例如，在采用在线定期检测和保养的制造系统的钢铁设备或者造纸机中，如果短寿命产品或者破裂产品万一出现，则生产线就会被停止而招致巨大损失。因此，用于这些钢铁设备或者造纸机中的滚动轴承就要求延长寿命，并消除偶然出现的短寿命或破裂产品。
鉴于上述情形，迄今已经采用了应对措施，诸如例如对滚动轴承的表面进行渗碳处理等进行表面处理，从而在表面上施加一压应力，以避免破裂(例如参考文献8(日本未审专利公开NO 平6-307457))。
而且，对于检测裂纹引发的缺陷，在轧制和去除诸如宏观划痕缺陷或孔隙等之后利用超声探伤方法进行进行百分之百检测的操作已经在钢厂中施行，从而可将大的缺陷消除(例如参考文献9(特种钢，Vol.46，NO.6，31页，由特种钢会社编辑))。
但是，在钢厂中施行的利用超声探伤方法的检测通常在产品诸如钢管或圆棒等阶段沿轴向进行扫描来施行。由于轴向检测间距可通过降低检测速度作细，因此就可发现细小的缺陷，但这会导致检测时间过长的问题。此外，关于用于探伤的频率，虽然根据探伤原理，在频率高时可以检测到较小缺陷，但在频率过高时声波相对于探伤距离更多地衰减，从而造成使得探伤范围变窄的问题。
所以在钢厂中采用的超声探伤方法考虑到生成率在较慢的情况下以几十m/min的速度以及在较快的情况下以超过100m/min的快速作为探伤所需的检测速度下进行。而且，由于需要以良好的通用性对大、小直径的钢材料进行检测，所以希望将用于探伤的频率选定在几MHz或更高并在10MHz以下，以减少声波在深度方向的衰减。
但是，由于在钢厂中进行的超声探伤方法是在转动探针或钢材料的同时、在上述探伤所需的高检测速度下进行的高速探伤，其导致了倾向于引发混杂噪音且不能较大地提高探伤仪灵敏性的问题。
由于上述原因，可由在钢厂中进行的超声探伤方法检测的缺陷受到宽度几百μm和长度大约为几十mm的检测限制。
在用于例如钢铁设备或造纸机中的滚动轴承中，已经发现，几百μm尺寸的大尺寸非金属夹杂物或者单个很小但烧结成大团的夹杂物的缺陷存在于遭受短寿命产品或者破裂产品问题的那些轴承中的起源点处。但是，由于在钢厂中施行的超声探伤方法应用于处于检测表面经受轧制的表面状态的钢管或圆棒，因此钢材内和表面层的颗粒尺寸粗糙而增加超声探伤检测时混杂噪音，以致于尺寸为几百μm的缺陷不能以高精确检测。
即，即使在象用于钢铁加工中的轴承那样在重载和高表面压力条件下使用的情况下，以及在象用于造纸机中的轴承那样在内环上施加大的安装应力的同时用于高温下的苛刻环境下使用的情况下，目前仍不能得到不用担心出现短寿命轴承或破裂轴承且具有高可靠性的滚动轴承。
鉴于上述，本发明是根据前述情形而获得，且其第一目的是提供一种轴承用钢内大尺寸夹杂物的评估方法，即使在高清洁度下，也能够定量评估大尺寸夹杂物。而且，本发明的第二目的是提供一种基于上述轴承用钢内大尺寸夹杂物评估方法所评估的合适轴承用钢。另外，本发明的第三目的是提供一种滚动轴承，能够消除寿命短的轴承或破裂轴承，并对于所有轴承获得长寿命。
发明内容
为了完成上述发明目的，提供了一种滚动轴承长寿命的确保方法，其中，多个滚动元件在周向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中所述滚动轴承用直径为180mm或更小、壁厚为25mm或更小的无缝钢管作为原材料制成，并被确保在原材料阶段不含有长度为1mm或更大的缺陷。
根据本发明第一方面，提供了一种轴承用钢中大尺寸夹杂物评估方法包括：将作为评估对象的轴承用钢制成的圆棒和超声探针设置在超声波传输媒介中，通过超声探伤测量存在于探伤体积内的大尺寸夹杂物的尺寸和数量，并测算为评估对象的轴承用钢内大尺寸夹杂物存在的概率。
本发明主要用于对比和评估不同炼钢方法获得的装料，且还用于评估同一炼钢方法获得的不同装料，或者对于同一装料(charge)测算的初始阶段与随后阶段之间的对比。
当针对小区域或小体积进行检测时，很难检测到低存在概率的大尺寸夹杂物。而且，同样在基于数据的极值统计中，在检测体积较小的情况下对象包括中尺寸到小尺寸的夹杂物，且不适用于预测大尺寸夹杂物。因此，对于评估大尺寸夹杂物，需要检测大的体积。作为认真的研究结果，本发明人发现通过超声探伤方法，大体积的评估是可能的。例如，在36mmφ×2m的轴承用钢的情况下，体积在进行探伤的所有截面中对应于2.0×106mm3的体积，这是很大的。
因此这就增加了能够检测大尺寸夹杂物的概率，而这些大尺寸夹杂物以现有检测区域或检测体积仅能偶尔被检测到。
而且，根据本发明的轴承用钢内大尺寸夹杂物评估方法的第一种优选方案，用于超声探伤的探伤方法为斜角探伤技术。
通常，根据利用水作为超声传输媒介的浸没方法的超声探伤方法包括斜角探伤技术和垂直探伤技术。每种方法中缺陷的检测限制分别与他们产生的波的声速成比例。通常，斜角探伤技术使用横波，而垂直探伤技术使用纵波。由于横波在钢材料中传播的声速是纵波的大约一半，所以利用横波的检测限制也大约为纵波的一半。即，由于在声速较低时可检测出较小夹杂物，所以利用横波的斜角探伤技术可以检测出较小的夹杂物。如后所述，由于作为平方根长度表示的即使是大尺寸夹杂物的尺寸为大约0.2mm，因此利用横波的斜角探伤技术优选地用于以较少滤波和高精度地进行探伤。
而且，根据本发明的轴承用钢内大尺寸夹杂物评估方法的第二种优选方案，斜角探伤技术在15MHz或更低的探伤频率下施行。
缺陷的检测限制与探伤频率之间的关系被认为是波长的1/2-1/4。因此，虽然在探伤频率升高时探测限制得到改善，但探测深度由于声波传播的衰减而减小。本发明旨在通过利用斜角探伤技术检测出有害于轴承寿命的尺寸的大尺寸夹杂物，且已经发现用于获得尽可能大的检测体积的最佳探伤频率。
而且，根据本发明的轴承用钢内大尺寸夹杂物评估方法的第三种优选方案，用于超声探伤的探伤方法为利用聚焦式聚合物探针作为超声探针的垂直探伤技术。
虽然相比较于垂直探伤法，斜角探伤技术可检测更小的夹杂物，由于超声波具有在入射到钢材料之后取决于入射角的反射性质，所以相比较于垂直探伤技术，其对于识别缺陷部分的精确位置存在有限制限。而且，由于在斜角探伤技术中超声波传播倾斜于深度方向，因此其具有的缺陷是，探伤深度的范围相比较于垂直探伤技术较窄。但是，为了检测与斜角探伤技术中相同尺寸的缺陷，采用垂直探伤技术需要增加频率，且这导致问题是，超声波在钢材料中显著衰减而限制探伤深度。作为热衷研究的结果，本发明人发现，通过采用把聚合物树脂用于传感器的聚合物探针，采用垂直探伤法的探测是可行的。
由于聚合物探针在接收反射的超声波信号时阻尼特性极佳，特别是在探伤必须在高频(例如50MHz或者更高)下进行的情况下已经知道是有效的，因为相比于使用通常陶瓷传感器的情况其带来较少的由共鸣引起的非灵敏区。因此，目前还没有应用于大约本发明范围内的频带。但是，当本发明人将聚合物探针应用到轴承用钢的超声探伤中时，发现即使在相比于现有陶瓷探针频率升高时超声波也较少衰减，而且可以针对更深的区域有效地进行探伤。即，由于可以使探伤频率更高，所以可以采用能够对较深区域进行较少的大尺寸夹杂物探测的垂直探伤技术。即，轴承用钢的超声探伤可针对更多截面精确地进行。因此，对于在更宽的区域内检测较少的大尺寸夹杂物，利用聚合物探针的垂直探伤技术是优选的。
而且，根据本发明的轴承用钢内大尺寸夹杂物评估方法的第四种优选方案，在30MHz或者更低的探伤频率下施行垂直探伤法。
如上所述，当提高探伤频率时，虽然探测限制得以改善，但探测深度变浅，因为传播声波进一步衰减。本发明旨在通过利用垂直探伤技术在更深区域上检测有害于轴承寿命的大尺寸夹杂物尺寸，并已经发现能够探测更小尺寸的大尺寸夹杂物的最佳探伤频率。
而且，根据本发明第二方面，提供了一种根据本发明第一方面所述的轴承用钢中大尺寸夹杂物评估方法的应用，用于检测出在测算的大尺寸夹杂物中，具有0.2mm平方根长度或更大的大尺寸夹杂物以每2.0×106mm3探伤体积为10.0或更少的数量存在的轴承用钢。
而且，根据本发明第三方面，提供了一种根据本发明第一方面所述的轴承用钢中大尺寸夹杂物评估方法的应用，用于检测出在测算的大尺寸夹杂物中，每1.0×106mm3探伤体积内存在的长度为0.5mm或更大的大尺寸夹杂物的总长度为80mm或更小的轴承用钢。
即，在根据本发明第三方面检测出的轴承用钢中，在测定每预定探伤体积内存在的具有0.2mm平方根长度或更大的大尺寸夹杂物的数量时，5mm长度的长夹杂物和0.5mm长度的短夹杂物中的每一个例如都评估为一个夹杂物。除了上述限定，作为本发明人依据夹杂物长度的有害程度评估的结果，已经发现，通过不仅限制轴承用钢中每预定探伤体积内存在的平方根长度为0.2mm或更大的大尺寸夹杂物的数量，而且限制每单位体积存在的夹杂物的总长度，可以以更大的概率延长轴承寿命。
而且，根据本发明第四方面，提供了一种根据本发明第一方面所述的轴承用钢大尺寸夹杂物评估方法的应用，用于检测出在测算的大尺寸夹杂物中，具有0.2mm平方根长度或更大的大尺寸夹杂物以每4.0×105mm3探伤体积为2.0或更少的数量存在的轴承用钢。
即，对于根据本发明第四方面检测出的轴承用钢，在清洁度差于根据本发明第二或第三方面检测出的轴承用钢的清洁度的情况下，可通过更小的探伤体积来保证品质，从而能够缩短检测时间(尤其是在判断残次产品时)。
而且，根据本发明另一方面，提供了一种滚动轴承，其中多个滚动元件在周向方向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中该轴承利用根据第二种优选方案的大尺寸夹杂物评估方法测算的轴承用钢作为原材料制成。
而且，根据本发明另一方面，提供了一种滚动轴承，其中多个滚动元件在周向方向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中该轴承利用根据第四种优选方案的大尺寸夹杂物评估方法测算的轴承用钢作为原材料制成。
而且，根据本发明另一方面，提供了一种滚动轴承，其中多个滚动元件在周向方向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中该轴承利用根据本发明第二至第四方面检测出的轴承用钢作为原材料制成。
而且，根据本发明另一方面，提供了一种滚动轴承，其中多个滚动元件在周向方向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中该轴承用直径为180mm或更小、壁厚为25mm或更小的无缝钢管作为原材料制成，并被确保在原材料阶段不含有长度为1mm或更大的缺陷。
而且，根据本发明另一方面，提供了一种滚动轴承，其中多个滚动元件在周向方向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，该轴承用直径为60mm或更小的圆棒作为原材料制成，并被确保在原材料阶段不含有长度为1mm或更大的缺陷。
本发明人到目前为止已经公开了一种在成品轴承产品阶段探测恰好在座圈面下面的大尺寸非金属夹杂物的方法，并提出了一种能够确保轴承的长寿命效果的方法，作为文献10(日本未审专利公开NO.Hei 11-337530)和文献11(日本未审专利公开NO.2000-130447)中叙述的探测有害于轴承寿命的大尺寸非金属夹杂物的方法。
但是，由于它们中的任一种都是在成品轴承产品阶段探测大尺寸非金属夹杂物是否存在并进行检验，检验的轴承在成品产品阶段确定为残次品，浪费的成本很大。因此，在有害于轴承寿命的大尺寸非金属夹杂物可以在制造滚动轴承的原材料阶段进行探测的情况下，可以说就成本而言提供了的显著的优点。
于是，作为认真研究的结果，本发明人注意到，轴承环通常通过使用最佳直径和厚度的钢管、通过车削进行加工、随后进行热处理和研磨同时分别考虑内外环的产额作为轴承制造方法来进行制造。于是，本发明人发现，在使用直径为180mm或更小以及壁厚为25mm或更小的无缝钢管作为原材料制造轴承中，可以在原材料阶段探测最大长度为1mm或更大的夹杂物，还发现长寿命滚动轴承可以进行百分之百地检测地予以提供而较之以往对制造成本有较少的影响，从而实现本发明。
而且，本发明人注意到，近些年来在轴承制造方法中，轴承环通常是通过利用热煅用钢材形成坯料、然后进行冷轧或车削加工来制造以提高材料的产额。于是，本发明人业已发现，对于直径为60mm或更小的圆棒作为原材料，长度为1mm或更大的夹杂物可以在原材料阶段探测为有害于寿命的夹杂物，且通过进行百分之百检测，长寿命滚动轴承可以提供而较之以往对制造成本有较少的影响，从而实现本发明。
而且，根据本发明另一方面，提供了一种滚动轴承，其中多个滚动元件在周向方向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，检测体积内、用于内环、外环和上述滚动件的钢材料的外直径表面下面的所有截面上的缺陷约尺不超过0.6mm的最大长度，且在车削阶段表面粗糙度为5μm Ra或更小。
上述文献10提及了一种针对探伤体积在包括刚好在轴承环表面下面的深度位置的所有截面上探测尺寸从几十到几百μm的非金属夹杂物的方法，以及作为本发明人为提高探伤精堵所作的进一步认真研究的结果，已经发现，通过将轴承用钢材料的外直径表面的表面粗糙度限定为5μm Ra或更小，最大长度超过0.6mm的缺陷(包括非金属夹杂物的聚合体)可以在内外环和滚动件的所有截面上以良好的精度予以检测；而且还发现，只要缺陷的最大长度为0.6mm或更小，源于缺陷的早期剥落和裂纹可以在包括表面附近区域的所有轴承截面上得到防止，从而实现本发明。
而且，在上述文献10所述的发明中，指出热处理之后进行研磨的轴承对于缺陷探测是优选的，但是作为本发明人作出的进一步认真研究的结果后来已经发现，即使进行车削的那些也具有适于缺陷探测的表面粗糙度范。
即，作为研究表面粗糙度和检测强度之间关系的结果，由于5μm Ra或更低的表面粗糙度展现出可探测的S/N比，因此在其超过上述范围时，检测强度就会变得极差，从而难以检测超过0.6mm最大长度的尺寸的缺陷，从而上述范围被限定。因而根据本发明，尽管缺陷的缺陷检测精度有所降低，但研磨之前的车削表面也可以简单而又方便地发现缺陷，这能够降低成本。
附图说明
图1是示出用根据本发明的轴承用钢制造的滚动轴承的实施例的垂直剖视图。
图2是示出用于根据本发明的轴承用钢中大尺寸夹杂物的评估方法中的超声探伤检测装置实例的结构示意图。
图3是用以解释斜角探伤技术和垂直探伤技术的角度调整方法的示意图。
图4是示出根据本发明的轴承用钢中探伤体积和夹杂物数量之间关系的示意图。
图5是示出陶瓷用于传感器的情况下根据本发明的轴承用钢中利用垂直探伤技术检测的夹杂物数量与利用斜角探伤技术检测的夹杂物数量之间的差别的示意图。
图6是示出在由根据本发明的轴承用钢制成的圆棒上形成人造缺陷状态的横向剖面图。
图7是示出根据本发明的轴承用钢中探伤频率和探伤深度之间的关系的示意图。
图8是示出根据本发明的轴承用钢中探伤频率和探伤长度之间的关系的示意图。
图9是示出轴承寿命试验机的实例的简要示意图。
图10是根据本发明的轴承用钢中每种装料的轴承寿命的示意图。
图11是示出根据本发明的轴承用钢中夹杂物数量和轴承寿命之间关系的示意图。
图12是示出根据本发明的轴承用钢中探伤体积和夹杂物数量之间关系的示意图。
图13是根据本发明的轴承用钢中每种装料的轴承寿命的示意图。
图14是示出根据本发明的轴承用钢中探伤深度和探伤频率之间关系的示意图。
图15是示出根据本发明的轴承用钢中探伤长度和探伤频率之间关系的示意图。
图16是根据本发明的轴承用钢中每种装料的轴承寿命的示意图。
图17是示出根据本发明的轴承用钢中探伤体积与每单位体积中存在的长度为0.5mm或更大的夹杂物的总长度之间关系的示意图。
图18是示出在由根据本发明的轴承用钢制成的无缝密封管上形成人造缺陷的状态的透视图。
图19是示出距测试样本表面的距离(深度)与相对回声强度之间关系的曲线图。
图20是示出探针相对于测试样本的在周向移动范围和相对回声强度之间关系的曲线图。
图21是示出距测试样本表面的距离(深度)与相对回声强度之间关系的曲线图。
图22是示出探针相对于测试样本的在周向移动范围和相对回声强度之间关系的曲线图。
图23A和23B是用以解释热处理方法的示意图，其中图23A是用于渗碳钢，而图23B是用于淬透钢。
图24是示出用于根据本发明的轴承用钢中大尺寸夹杂物的评估方法的超声探伤检测装置的另一实例的简要结构视图。
图25是用以解释内环破裂寿命试验机的示意图。
图26是示出用于通过超声探伤方法检测人造缺陷的轴承用钢测试件的剖视图。
图27是示出测试样本的外直径表面粗糙度和S/N比之间关系的曲线图。
具体实施方式
下面将叙述本发明的各个实施例。
【第一实施例】
图1是该实施例中由轴承用钢制成的滚动轴承的剖视图。该滚动轴承为锥形滚子轴承，轴承号为HR 32017×J，内径为85mmφ，外径为130mmφ，宽度为29mm。在图中，参考标记1为内环，参考标记2为外环，而参考标记3为滚动元件(锥形滚子)。
首先，如表1所示，源于不同炼钢方法的轴承用钢用四种类型的装料(charge)A、B、C和D制备。表1还示出了含氧量连同极值统计方法的评估结果。在表中，可以看到含氧量(通过惰性气体熔化燃烧方法测得)差别很小。
而且，极值统计方法的结果也没有观察到显著的差别，结果以通过在10mm×10mm×30视域内检测、由极值统计方法测定的、存在于3×104mm2中的最大夹杂物的面积的平方根长度表示。此外，在极值统计方法的结果中，没有发现作为本发明目标的、0.2mm平方根长度量级的大尺寸夹杂物的存在。另外，在“细小缺陷和夹杂物的影响”中具体描述了上述极值统计方法(由Yukitaka Murakami所著，Youkendo出版)。而且，氧化物型夹杂物和硫化物型夹杂物是本实施例中所示大尺寸夹杂物的对象，下面提及的大尺寸夹杂物也具有相同的含义。
随后，通过超声探伤方法评估对应于上述相应装料的轴承用钢。
图2示出用于根据本发明的轴承用钢中的大尺寸夹杂物评估方法的超声探伤检测装置的结构示意图。在图中，参考标记11表示作为评估对象的由轴承用钢制成的圆棒。而且，参考标记12是聚焦式超声探针，其与圆棒11一起浸在储放作为超声波传递媒介的水的水槽13中。圆棒11的尺寸在下面将作具体描述。
作为评估对象的由轴承用钢制成的圆棒通过电机14沿预定的方向旋转，而超声探针12通过电机15、16、17在图示的X-Y-Z轴线方向上移动，针对预定的体积进行缺陷检测以便检测大尺寸夹杂物。电机14-17中的每一个都由电机控制器18所驱动，超声探针12的检测信号由探伤仪19来加以分析。电机控制器18根据个人计算机20输入受控操作。电机控制器18通过控制电机14-17中每一个的旋转方向、旋转速度和旋转角度来控制探针12和圆棒11之间的位置关系。而且，探伤仪19基于探伤频率、探针12的反射回声和反射回声的强度监侧所检测到的夹杂物的尺寸，并将其存储到上述个人计算机20的存储器中。
如上所述，用于本发明方法的上述超声探伤方法包括垂直探伤方法(normal beam technique)和斜角探伤方法(angle beam technique)。在检测对象为圆棒，且探针超声波的传输方向为垂直向下时，通过垂直探伤检测法来进行探伤，而将探针设定于恰好在中心线正上方。与此相反，通过将上述探针移离圆棒的中心线(偏置)，而以斜角探伤技术进行探伤。斜角探伤技术中超声波的入射角通过用圆棒半径除以偏置量而获得的值的反正弦来确定，并被输入到上述个人计算机，且由上述电机控制器控制。
于是，对于斜角探伤技术和垂直探伤技术中的角度控制，如图3所示，超声探针12沿透视深度方向进给x，以将θ控制到一所需角度(角度θ＝19°)。根据附图，由关系式：Rsinθ＝x得出sinθ＝x/R，因此θ＝sin-1(x/R)。由于测试样本TP1的外半径R是预先知道的，所以x可以主要根据与θ的关系确定。
利用上述超声探伤检测装置，对应于上述相应装料的各轴承用钢经受超声探伤。在此情况下，利用斜角探伤技术作为超声探伤方法，在10MHz的探伤频率下、对轴承用钢的超声波入射角为19°并针对3.5×106mm3的探伤体积进行探伤，并确定检测到的夹杂物的数量和位置。
图4示出了轴承用钢中的夹杂物数量与探伤体积之间关系。夹杂物的数量以装料A的夹杂物数量和其他装料B-D的夹杂物数量之间的比率示出。从图中清楚地看出，虽然在探伤体积较小时，夹杂物数量的比率发生变化，但当探伤体积增大时，夹杂物数量的比率保持稳定，并在2.0×106mm3或更大的探伤体积区域中基本上保持恒定。当探伤体积增加时，虽然探伤的时间增加，但对于2.0×106mm3或更大的体积探伤的可靠性得以增加，使得在这个实施例中探伤体积被设定为2.0×106mm3。
下面将比较垂直探伤技术和斜角探伤技术。
图5示出了当针对2.0×106mm3的检测体积、在10MHz的探伤频率下利用垂直探伤检测方法和斜角探伤技术进行探伤时检测到的夹杂物的数量的比率。检测到的夹杂物的数量以装料A的检测到的夹杂物数量和其他装料B-D的检测到的夹杂物的数量之间的比率示出。从图中清楚地看出，在斜角探伤技术中比在垂直探伤技术中的检测的数量大，鉴于上述，考虑到在超声探伤方法中高可靠性地确保清洁度，斜角探伤技术是优选的。
下面探讨在超声检测方法中改变探伤频率的结果。
图6是示出对于根据本发明包括轴承用钢的圆棒形成人造缺陷的状态的剖面视图。
首先，如图6所示，各圆柱孔(尺寸为φ0.5×15mm)每一个都形成在这样一个位置处，即从作为上述评估对象的、由轴承用钢制成的圆棒11的外周面向中心轴线O错移深度A(2mm，5mm，10mm或15mm)，每一孔的中心轴线01分别平行于上述中心轴线O以便制备带有人造缺陷的圆棒。然后，对于带有人造缺陷的圆棒，通过采用图2所示的超声探伤检测装置(USD15，由Krautkramer Japan Co.，Ltd.制造)同时利用采用陶瓷传感器(5MHz，10MHz，15MHz，20MHz；传感器直径：6mm，浸水焦距：25mm)的陶瓷探针通过斜角探伤技术(入射角：19°，水距离(water distance)：10mm)进行超声探伤。
图7是示出每一探伤频率和探伤深度之间关系的示意图。对于探伤深度，回声强度为峰值回声强度一半处的深度被定义为有效探伤深度。
从图中可清楚地看出，在探伤频率升高时，探伤深度减小。这就意味着在探伤深度小时，在扫描等同的面积时探伤体积也小。例如，当检测50mmφ(直径)的圆棒的缺陷时，当缺陷深度小时，在该实施例中达到2.0×106mm3的所需探伤体积的长度范围就长。
图8示出了当利用斜角探伤技术在每一探伤频率下检测50mmφ(直径)的圆棒时，用于探伤的体积达到2.0×106mm3的所需探伤体积时的探伤长度与探伤频率之间的关系。
从图中可以清楚地看出，在15MHz或更高的探伤频率下，探伤长度陡增。鉴于上述，在该实施例中，实际的探伤频率被确定为15MHz或更低。
于是，图1所示的锥形滚子轴承用对应于上述每一装料的轴承用钢制成，并利用图9所示的轴承寿命测试机对上述锥形滚子轴承进行寿命测试。测试条件如下所示：
轴承：锥形滚子轴承 HR32017XJ
径向载荷：53750N
轴向载荷：22680N
内环转数：1500min-1
润滑：油脂
图10示出了寿命测试的结果。
由装料C和装料D制成的轴承为短寿命的那些轴承。这可以从在L10寿命或更低(即，寿命短)部分处装料A和装料B展现出长寿命而装料C和装料D展现出短寿命看出。也就是，装料C和D与装料A和B相比包括更加短寿命的那些，并展现出作为轴承用钢缺乏寿命可靠性。上述短寿命产品上的发裂部分发生在使用评估材料的每一内环和外环上，并可以看到短寿命产品在存在有大尺寸夹杂物的情况下发生而与轴承各部分的特定部分无关。
表2示出了利用斜角探伤技术在15MHz或更低的探伤频率下、针对2.0×106mm3的探伤体积以及19°入射角的条件下，进行超声探伤的结果。而且表2示出了具有0.15mm平方根长度尺寸或更大尺寸的夹杂物数量以及具有0.2mm平方根长度尺寸或更大尺寸的夹杂物数量的评估。
从表中清楚地看出，取决于各个装料的差别明显地表现为夹杂物的数量。图11示出了通过上述斜角探伤技术测得的、具有0.15mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物的数量和具有0.2mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物数量与轴承寿命(L10寿命)之间的关系。
针对具有0.15mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物和具有0.2mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物两者，示出了寿命随着夹杂物数量的增加而变短的相互关系。在他们当中，由于对于具有0.15mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物数量来说，上述寿命随夹杂物数量的增加而逐渐变短，从而难以确定夹杂物数量的阈值。与此相反，在具有0.2mm平方根长度或更大的夹杂物数量中在相应于检测到的夹杂物数量为10的边界处寿命急剧变短。而且，在具有0.15mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物的情况下数量的检测变得复杂化，因为每2.0×106mm3探伤体积的数量过大。鉴于上述，在该实施例中，用于确定寿命的夹杂物尺寸确定为具有0.2mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物，而检测到的夹杂物的数量限定为每2.0×106mm3探伤体积为十或更少。
【第二实施例】
随后，描述根据本发明的轴承用钢及其大尺寸夹杂物的评估方法的第二实施例。
这里描述的情形是，与上述第一实施例相比，在预期含有更多大尺寸夹杂物或者在检测之后更多地含有大尺寸夹杂物的情况下，有效地保证更小的探伤体积中的清洁度。
首先，如表3所示，源于不同炼钢方法的轴承用钢用三种类型的装料A、E和F制备。在他们当中，装料A的轴承用钢和上述第一实施例中装料A的相同。
表3还示出了含氧量连同极值统计方法的评估结果。
从表中清楚地看出，对于每一装料含氧量都存在差别。而且，以可能存在于每种填料上的10mm×10mm×30视域内进行检测获得的3×104mm2中的并由极值统计方法测定的最大夹杂物面积的平方根长度示出的极值统计方法结果和超声评估方法(以基于根据本发明方法评估每4×105mm3体积的具有0.2mm平方根长度或更大的夹杂物的数量示出)的结果之间也存在差别。这是因为通过极值统计方法测定的最大夹杂物直径没有示出实际出现的大尺寸夹杂物的存在，而是基于统计评估值。
然后，对应于上述每种装料的轴承用钢经受利用和第一实施例中相同的超声探伤检测装置进行的超声探伤。上述斜角探伤技术用于超声探伤方法，且他们在10MHz的探伤频率下并针对4.0×106mm3的探伤体积进行检测，以便确定检测的夹杂物的数量和位置。
图12示出了探伤体积和每单位体积内存在的大尺寸夹杂物数量之间的关系。
从图中清楚地看出，当探伤体积小到2.0×105mm3时，具有0.2mm平方根长度或更大的夹杂物的数量变化，而当探伤体积增加时，夹杂物的数量稳定下来，且在该实施例中，在探伤体积为4.0×105mm3或更大的区域中，展现出稳定趋势，而且也在更大检测数量的装料E和F上，检测的数量在具有4.0×105mm3的探伤体积的区域中稳定下来。鉴于上述，该实施例中推荐的探伤体积限定为4.0×105mm3。
然后，图1所示的锥形滚子轴承用对应于上述每种装料的轴承用钢制成，并利用图8所示的轴承寿命测试机、以与上述第一实施例相同的方式对上述锥形滚子轴承进行寿命测试。测试条件和第一实施例中的相同。
图13示出了上述寿命测试的结果。
从图中清楚地看出，用装料E和装料F制成的锥形滚子轴承通常呈现较短的寿命。
表3示出了在15MHz或更低的探伤频率下、利用斜角探伤技术(入射角19°)的超声探伤的评估结果。表3示出了当针对4.0×105mm3的探伤体积进行超声探伤时具有0.2mm平方根长度尺寸或更大的大尺寸夹杂物的数量。
参考图13所示的寿命测试的结果，在长寿命的装料A中检测的每4.0×105mm3探伤体积，具有0.2mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物的数量是2.0或者更少。于是，在该实施例中，确保使用寿命的夹杂物的尺寸确定为具有2.0mm平方根长度尺寸或更大的夹杂物，且其检测的数量限定为每4.0×105mm3探伤体积为2.0或更少。
前述中，本发明的轴承用钢已经在第一实施例和第二实施例中描述，对于确保清洁度的程序，首先如第二实施例中示出的那样判断存在于每4.0×105mm3探伤体积中的、具有2.0mm平方根长度或更大的夹杂物是否为2.0或者更少，且通过将不满足同样条件的那些限定为残次以及满足条件的那些限定为良好来确保作为确保对象的装料的清洁度。然后，考虑到缩短检测时间，优选的是仅只针对确保为满意的轴承用钢如第一实施例中所示那样进行费时但更严格的确保。
【第三实施例】
下面描述根据本发明轴承用钢和其大尺寸夹杂物评估方法的第三实施例。
在该实施例中，通过利用采用作为本发明一个实例的聚合物传感器的聚合物探针(20MHz，30MHz，40Mhz，传感器直径：6mm，浸水焦距：25mm)以及使用现有陶瓷传感器的陶瓷探针(10MHz，15MHz，20Mhz，传感器直径：6mm，浸水焦距：25mm)，针对前述图6中所示生产的带有人造缺陷的圆棒以在15mm的水距离、利用垂直探伤技术进行超声波探伤。
图14示出了在每一探伤频率下、人造缺陷回声强度和探伤深度之间的关系。回声强度减小至峰值回声强度一半处的探伤深度定义为有效探伤深度。而且，由于陶瓷探针和聚合物探针之间的特性不同，对于同一缺陷的反射强度在同一放大器强度下也是不同的，所以它们通过调节进行比较使得对于在表面以下2mm位置处的缺陷在采用陶瓷传感器时在20MHz下以及在采用聚合物传感器时在30MHz下其达到100％，以便对应(匹配)对于相同缺陷的检测性能。
可以从图中清楚地看出，当本发明的聚合物探针和现有陶瓷探针进行比较时，可以看到，由于对于聚合物探针即使当频率高时声波也较少衰减，因此探伤频率为30MHz的聚合物探针比探伤频率为15MHz的陶瓷探针具有更深的探伤深度。而且，当对相同的探针进行相互对比时，频率高时探伤深度减小。这就意味着当探伤深度小时，在对相同区域进行扫描时探伤体积也变小。例如，在当检测50mmφ的圆棒时，由于缺陷检测深度浅，因此需要更大的长度来达到上述第一和第二实施例中所示的2.0×106mm3的所需探伤体积。
图1 5示出了在利用垂直探伤技术在相应探伤频率下检测50mmφ圆棒的情况下，在探伤体积达到2.0×106mm3的所需探伤体积时，探伤频率和探伤长度之间的关系。
从图中可以清楚地看出，在现有陶瓷探针中，在超过15MHz的探伤频率下，探伤长度急剧增加。与此相反，在根据本发明的聚合物探针中，即使当探伤频率变高时探伤范围也可以拓宽，且当探伤频率超过30MHz和到达40MHz时，探伤长度急剧增加。鉴于上述，利周聚合物探针进行超声探伤的情况下，实际的探伤频率确定为30MHz。
随后，如表4所示，源于不同炼钢方法的轴承用钢用六种类型的装料I、II、III、IV、V和VI制备。表4示出了含氧量和极值统计方法的评估结果。
在表中，虽然五种类型的装料I-V展现出低至9ppm或更少的含氧量值，但装料VI却展现出13ppm的高值。由上述极值统计方法评估的夹杂物的尺寸，以对应于在每种填料上的10mm×10mm×30视域内进行检测而获得的最大夹杂物面积的平方根长度、利用极值统计方法所测定的存在于3×106mm2中的最大夹杂物面积的平方根长度来表述。对于该数值，类似含氧量的结果，虽然五种类型的装料I-V展现出小至32μm或更小的最大平方根长度，但装料VI却展现出48μm的高值。
随后，利用用于第一实施例中的超声探伤检测装置通过超声探伤方法来评估对应于上述每种装料的轴承用钢。在该实施例超声探伤的评估中，在20MHz的探伤频率下并针对1.5×107mm3的探伤体积通过采用聚焦式聚合物探针的垂直探伤技术进行探伤。
表4示出了通过检测每种装料I-V上的1.5×105mm3的探伤体积，转换成每2.0×106mm3探伤体积内具有0.2mm平方根长度或更大的夹杂物的数量，以及转换成每1.0×106mm3探伤体积内具有0.5mm长度或更大的夹杂物的总长度。
随后，图1所示的锥形滚子轴承利用上述每种装料的轴承用钢、采用和第一实施例相同的方式制成，并利用图9所示的轴承寿命测试机以与第一实施例相同的方式进行寿命测试。测试条件与第一实施例中的相同。
图16示出了寿命测试的结果。
参考示于该图和表4中的超声探伤的评估，清楚地看出装料VI就含氧量、极值统计方法和超声探伤任一种而言评估都很差，而且寿命短。此外，装料IV和装料V展现出短寿命，尽管具有等同于装料I-III的含氧量和极值统计值。而且，当对装料III和装料IV进行超声探伤时，尽管存在于2.0×106mm3探伤体积中的具有0.2mm平方根长度或更大的夹杂物的数量是相同的，但对于装料IV寿命却急剧变短。即，对于采用超声检测方法、每1.0×106mm3探伤体积中存在的具有0.5mm长度或更大的夹杂物，寿命总长度为80mm的边界处急剧变短。于是，在该实施例中，用于确保寿命的、每单位体积(1.0×106mm3)内存在的具有0.5mm长度或更大的夹杂物的总长度限定为80mm或更小。
图17示出了每一探伤体积和每单位体积内存在的具有0.5mm长度或更大的夹杂物总长度之间的关系。夹杂物总长度在从1.0×105到4.0×106mm3的探伤体积中针对装料I、装料III和装料VI进行评估，并在每一探伤体积下表述为每1.0×106mm3单位体积的夹杂物总长度的换算值。此外，图中所示的结果是基于在将4.0×106mm3探伤体积假定为1的情况下每一装料的评估结果，并展现出夹杂物总长度在减小探伤体积时如何变化。
从图中清楚地看出，夹杂物总长度的比率在探伤体积小时发生变化，但当探伤体积增加时夹杂物总长度的比率温度下来，且在探伤体积为2.0×106mm3或更大时的区域中比率基本保持不变。虽然探伤时间因探伤体积增加而增加，由于通过检测2.0×106mm3或更大体积孔更多道地提高可靠性，因此在本实施例中所需的探伤体积限定为：2.0×106mm3。即，由于所需探伤体积和第一实施例中所示结果相同，所以希望对2.0×106mm3或更大的探伤体积进行探伤，以便获得每单位体积中存在的具有0.5mm长度或更大的夹杂物的总长度和夹杂物的数量两者的稳定值。
尽管通过以非金属夹杂物作为实例结合第一到第三实施例描述了本发明轴承用钢中的缺陷，但是本发明可应用其上的缺陷的确保还可以应用于宏观裂痕缺陷、缝隙和裂纹。而且，上述缺陷的平方根长度还可根据缺陷的形状由以下确定。
1)在缺陷形状为线性的(线性缺陷)的情况下，上述平方根长度定义为长度L和宽度D的乘积的平方根(L×D)1/2。
2)在缺陷形状为颗粒状、球或者块状(非线性缺陷)的情况下，平方根长度定义为为最大直径(长轴直径)D1和最小直径(短轴直径)D2之乘积的平方根(D1×D1)1/2。
【第四实施例】
随后，描述根据本发明的轴承用钢及其大尺寸夹杂物的评估方法的第四实施例。
在该实施例中，如图18所示，具有外径180mmφ×内径130mmφ(25mm厚)的无缝钢管被切割为300mm的长度，而圆柱孔(尺寸为0.5mmφ×20mmφ)形成在从无缝钢管的外周面向中心轴线O错移深度A(2mm，5mm，10mm，15mm，20mm或25mm)的位置处，使得中心轴线O1平行于圆棒11的中心轴线O以便制备具有人造缺陷的钢管。
随后，利用和第一实施例中所示相同的超声探伤检测装置(USD15，由Krautkramer Japan Co.，Ltd.制造)对具有人造缺陷的上述钢管进行超声探伤，并进行探测以确定检测极限。本实施例中的超声探伤方法在入射角为19°(折射角：45°)、15MHz探伤频率的条件下、利用聚焦式探针(传感器直径：6mm，浸水焦距：25mm)以10mm的水距离通过斜角探伤技术进行。而且，对于处在表面以下2mm位置的缺陷，放大器灵敏度设定为100％。图19示出了利用超声探伤、在带有人造缺陷的钢管深度方向上的探伤结果，而图20示出了利用超声探伤对于2mm深度位置处的人造缺陷在周向方向上的探伤结果。图20示出了在保持上述探伤操性能的状态下轴向运动所需的有效探伤间距的验证。
从图19中清楚地看出，得以验证的是距具有人造缺陷的钢管表面2mm-5mm位置示出了100％相对回声强度，而相对回声强度相对于上述100％回声强度下降到一半时的深度在25mm深度的位置，且可以对25mm厚的所有截面进行探伤。因此，可以看出，在25mm限定为回声强度下降到一半(-6dB)的位置的情况下，在所述条件下在深度方向的可探伤范围是在从表面到25mm位置。
从图20中清楚地看出，其中回声高度下降至一半(-6dB)的范围是大约2.5mm作为移动距离，而且其中其下降至1/4(-3dB)的宽度是大约4mm。
图20示出了通过控制位置使得人造缺陷的回声高度在从表面错移深度A＝5mm位置处为最高、随后将回声高度的灵敏性控制为100％回声高度、并在作为周向中心位置的前后细调节距的同时进行探伤而得到的具有人造缺陷的钢管的探伤结果。图20示出了当利用和第一实施例中相同的超声探伤检测装置、在从具有人造缺陷的钢管的表面错移深度A＝5mm的位置处进行人造缺陷检测时，相对于相对于峰值(100％)的每一移动距离(旋转距离)的相对回声强度。即，示出的状态为，其中相对回声强度朝向探针达到峰值的点(0点)逐渐增大，在经过上述0点后又逐渐减小。上述相对回声强度和缺陷的长度成比例。因此，只有0点(峰值)在移动范围中加以标注，并利用图2示出的个人计算机20进行峰值保持处理(peak hold treatment)，使得上述峰值总是得以存储。这是因为由于上述相对回声强度不稳定使得本发明的具有1.0mm或1.1mm长度的缺陷不能准确确定，除非上述移动范围予以指定。
而且，图19通过相对于距表面的深度对于0.5φmm×20mm的人造缺陷回声强度的比率、在作为相对回声强度的纵坐标上示出了按照上述确定的峰值(从2到5mm为100％)。可以看出，在距表面的距离深时，上述回声强度减小。
如上所述，其导致的不利是，上述相对回声强度即使对于取决于深度(随距离加深而衰减)的相同长度缺陷来说也是不同的。
因此，首先采用的是，可利用个人计算机20基于从振荡超声波在缺陷上反射到由探针再次检测的时间与震动频率之间的关系，准确确定0.5mmφ×20mm的缺陷距表面的深度(与回声强度无关)。
那么，对于因深度而衰减的相对回声强度，通过利用上述人造缺陷预先确定如图19所示的关系。
在实际测量中，图19中的关系被存储在个人计算机20中作为在每一深度位置处的回声强度的校正系数(作为例如作为倒数获得的缺陷回声相对于深度的校正系数)并进行计算。
当对应于距无缝钢管表面深度的缺陷回声值(峰值)被相继存储到个人计算机20的存储器内并进行计算时，所有横截面(包括远至预期深度)上的缺陷的长度能够被检测。
即，在该实施例中，对应于所有横截面的缺陷的长度都可在用于180mmφ或更小直径、25mm或更小厚度的无缝钢管的原材料阶段进行检测，迄今为止钢制造厂中不能检测的、适用于用户所需轴承的原材料的所有截面可以整体进行检测。于是，在该实施例中，已经发现，当所有截面中都没有长度为1mm或更大的缺陷时，可以获得长的寿命。
从上述结果，已经发现当在本实施例中上述的条件下进行探伤时，它保证了对于在深度方向距表面大约25mm的以及大约2.5mm的有效探伤间距(波束直径)的探伤性能。
因此，对于在该实施例中针对所有横截面对直径为180mm或更小、壁厚为25mm或更小的无缝钢管材料进行评估，针对所有横截面的评估是可能，因为探伤深度是大约25mm，。
而且，在对于本发明的限定范围的实例中，关于探伤速度，已经发现通过把探伤间距限定为大约2.5mm，以及另外考虑到市场上有售的探伤设备的超声波传输/接收速度，对直径为180mmφ的直径可以在大约7m/min的速度下对缺陷进行检测。
这相比较于迄今在钢制造厂中施行的超过100m/min的商用检测速度水平而言是比较慢的，且这是一种从生产率的角度不能为钢制造厂所采用的速度。但是，举例来说，由于例如通过热锻的制造速度最高是大约10m/min，因此在轴承制造步骤中，这仍然处于能够充分进行百分之百探伤的范围之内。
因此，在该实施例中，当直径为180mmφ、壁厚为25mm或更小的无缝钢管用作制造轴承的原材料时，可以看到超声探伤评估可以针对所有横截面进行百分之百的检测，而并不降低生产率。于是，使用由第四实施例所示的方法选定的高质量无缝钢管作为原料制造的滚动轴承的寿命被证实得以改进。
在通用钢材用于轴承的情况下，由于清洁度令人满意且大尺寸夹杂物存在于轴承座圈表面的可能性减小，所以先前曾制备了清洁度差的无缝钢管以使本发明的效果更加清楚。于是，针对清洁度差的无缝钢管利用第四实施例中所示的精密超声探伤检测缺陷的存在与否，且效果通过对使用此种钢管制成的滚动轴承进行寿命测试得以证实。
首先，使用用于外环的无缝钢管(102mmφ外径和6mm壁厚)以及用于内环的无缝钢管(57mmφ外径和7mm壁厚)作为原材料，在下列探伤条件下进行超声探伤。随后，通过进行超声探伤来选择材料，借助于车削加工、热处理和研磨分别利用确保为高清洁度的无缝钢管和没有进行超声探伤、清洁度差的无缝钢管作为原材料来制造6309深槽滚动轴承。
而且作为对比，通常材料(良好清洁度的材料)的无缝钢管被使用，且通过进行超声探伤选择上述材料来制造6309深槽球轴承。在与前述第四实施例中的那些相同的条件下对上述原材料进行探伤。
对上述两种不同清洁度材料的超声探伤评估结果可分别由除以长度为1mm或更大的夹杂物的数量来表示。利用评估体积(重量)，上述夹杂物可在有效探伤体积范围内进行检测。
而且，为了在超声探伤评估中评估缺陷(夹杂物)的长度，获取在缺陷被预先检测的情况下利用图2所示超声探伤检测装置测定的缺陷长度与横截面缺陷测查发现的实际夹杂物的长度之间的相互关系，以及确定一校准线并进行下列评估。
然后，针对通过每一评估制造的滚动轴承进行寿命测试。上述寿命测试条件如下所示。
寿命测试条件如下：
测试轴承：6309深槽球轴承
测试载荷：径向载荷21200N
转数：3900min-1
润滑剂：对应于VG68的矿物油
由于在上述测试条件下，计算寿命为67小时，而测试终止在200小时，即计算寿命的三倍且现场评估是否出现剥落。
表5示出了评估结果。
表5中NO.2和NO.4是用在所有截面中都没有1mm或更大长度的缺陷的无缝钢管制成的本发明实例中的测试轴承(球：根据SUJ2的淬硬和回火产品)，且可以看到这二者中任一个都通过了200小时测试。
根据表5，在利用清洁度差的材料的测试轴承(NO.1，NO.2)中，相比较于使用通常材料的测试轴承(NO.3，NO.4)，对于所有横截面长度为1mm或更大的夹杂物存在率增加，但是，在包括没有针对1mm或更大长度的夹杂物进行检测的选定材料的测试轴承(NO.2)中，即使其超过200小时后也没产生剥落且获得了稳定的长寿命。与此相反，在包括未经超声探伤选定的材料的测试轴承(NO.1)中，在直到测试终止的200小时期间，剥落以10中有4的高比率发生。而且同样在使周通常材料的测试轴承(NO.3)中，剥落十中有一地发生，尽管发生频率较低，但可以看到这相对于经超声探伤选定的产品在获得稳定长寿命方面较差。
而且，在使用根据有无长度为1.2mm或更大的夹杂物而选定的材料的测试轴承(NO.5)中，尽管进行了探伤并去除了夹杂物，但如同NO.3中那样10个轴承中有一个发生剥落，尽管可能性较低。因此，为了稳定地获得长寿命，重要的是就不应存在长度为1mm或更大的夹杂物。
【第五实施例】
下面描述根据本发明的轴承用钢及其大尺寸夹杂物评估方法的第五实施例。
在该实施例中，类似于上述图6所述，60mmφ的轴承用材料被切割为300mm的长度，在从圆棒钢材料的外周面向中心轴线O错移深度A(5mm，10mm，15mm，20mm，25mm或30mm)位置处上形成有圆柱孔(尺寸为1.0mmφ×20mm)，使得中心轴线01平行于上述圆棒11的中心轴线O以便制备具有人造缺陷的钢管。
随后，利用与第一实施例中相同的超声探伤检测装置(USD15，由Krautkramer Japan Co.，Ltd.制造)对具有人造缺陷的上述圆棒进行超声探伤，并进行探测以确定检测极限。本实施例中的超声探伤方法在0°入射角、15MHz的探伤频率的条件下，利用聚焦式探针(传感器直径：6mm，浸水焦距：50mm)、在10mm的水距离下通过由垂直探伤技术进行。图21示出利用超声探伤在带有人造缺陷的圆棒的深度方向上的探伤结果。图22示出了在带有人造缺陷的圆棒的周向上的探伤结果。图22示出了在保持上述探伤操性能的状态下轴向运动所需的有效探伤间距的验证。
从图21中清楚地看出，示出了从带有人造缺陷的圆棒表面错移深度A＝10mm的位置展现出100％相对回声强度，而在本实施例的条件下，相对回声强度相对所述100％下降到一半50％时的深度A处于25mm深度的位置处。因此可以看到，在所述条件下，在其限定为回声强度下降到一半(-6dB)的位置的情况下，在深度方向上的可探伤范围是从表面到深度A＝33mm位置。
从图22中清楚地看出，作为移动宽度，其中回声高度减小到一半的范围大约为1.6mm作为移动宽度，而且其中回声高度减小到1/4(-3dB)时的所述宽度在为大约1mm。
图22示出了通过控制位置使得人造缺陷的回声高度在从表面错移深度A＝10mm位置处为最高、随后将回声高度的灵敏性控制为100％回声高度、并在作为周向中心位置的前后细调节距的同时进行探伤而得到的具有人造缺陷的圆棒的探伤结果。
但是，由于上述方法采用垂直探伤技术，不能探伤的区域(不敏感带)从带有人造缺陷的圆棒的表面到大约深度A＝2-3mm之间形成。但是，由于上述深度区域将在完成轴承之前通过车削等加工被切掉或者如果有存留的话对应于轴承的径向外表面，所以这是一个不对寿命产生影响的范围。
同样在这个实施例中，当象上述第四实施例中那样对应于距圆棒材料表面深度A的缺陷回声值(峰值)被相继存储到个人计算机20的存储器内并进行计算时，所有横截面(包括远至预期深度)上的缺陷的长度能够被检测。
即，在该实施例中，对应于所有横截面的缺陷的长度都可在用于60mmφ或更小直径的圆棒的原材料阶段进行检测，迄今为止钢制造厂中不能检测的、适用于用户所需轴承的原材料的所有截面可以整体进行检测。于是，在该实施例中，已经发现，当所有截面中都没有长度为1mm或更大的缺陷时，可以获得长的寿命。
从上述结果，已经发现当在本实施例中上述的条件下进行探伤时，它保证了对于在深度方向距表面大约30mm的以及大约1.5mm的有效探伤间距(波束直径)的探伤性能。
因此，可以看到，对于在该实施例中评估圆棒材料上的所有横截面，由于探伤深度为大约30mm，所以原材料直径的范围限定为60mmφ。
而且，在本发明限定范围的实例中，关于探伤速度，已经发现通过把探伤间距限定为大约1.5mm，以及另外考虑到市场上有售的探伤设备的超声波传输/接收速度，在直径为60mmφ的圆棒材料的情况下可以在大约10m/min的速度下对缺陷进行检测(当直径减小时，每单位时间测量长度增加，而直径为60mmφ提供了限定范围内的最低条件)。
这相比较于迄今在钢制造厂中施行的超过100m/min的商用检测速度水平而言是比较慢的，且这是一种从生产率的角度不能为钢制造厂所采用的速度。但是，举例来说，由于在采用热锻的轴承制造步骤中的制造速度最高是大约10m/min，这是处于能够充分进行百分之百探伤的范围之内。
因此，在该实施例中，可以发现，当直径为60mmφ或更小的圆棒材料用于制造轴承时，超声探伤评估可以针对所有横截面进行百分之百的检测，而并不降低生产率。
随后，通过使用第五实施例中所示方法选择的高质量圆棒作为材料制造的滚动轴承的寿命的延长得到证实。
在通用钢材用于轴承的情况下，由于清洁度令人满意且大尺寸夹杂物存在于轴承座圈表面的可能性减小，所以先前曾制备了清洁度差的圆棒以使本发明的效果更加清楚。于是，针对清洁度差的圆棒材料利用第五实施例中所示的精密超声探伤检测缺陷的存在与否，且效果通过对使用此种钢管制成的滚动轴承进行寿命测试得以证实。
首先，使用35mmφ的圆棒作为原材料，在下列探伤条件下进行超声探伤。随后，借助于车削加工、热处理和研磨分别利用通过进行超声探伤和材料选择选定的确保为高清洁度的圆棒以及利用没有进行超声探伤、清洁度差的圆棒作为原材料来制造6206深槽滚动轴承。
而且作为对比，通常材料(良好清洁度的材料)的圆棒被使用，且通过进行超声探伤选择上述材料来制造6206深槽球轴承。在与前述第五实施例中的那些相同的条件下对上述原材料进行探伤。
对上述两种不同清洁度材料的超声探伤评估结果可分别由除以长度为1mm或更大的夹杂物的数量来表示。利用评估体积(重量)，上述夹杂物可在有效探伤体积范围内进行检测。
而且，为了在超声探伤评估中评估缺陷(夹杂物)的长度，获取在缺陷被预先检测的情况下利用图2所示超声探伤检测装置测定的缺陷长度与横截面缺陷测查发现的实际夹杂物的长度之间的相互关系，以及确定一操作曲线并进行下列评估。
然后，针对通过每一评估制造的滚动轴承进行寿命测试。上述寿命测试条件如下所示。
寿命测试条件如下：
测试轴承：6206深槽球轴承
测试载荷：径向载荷7800N
转数：3900min-1
润滑剂：对应于VG68的矿物油
由于在上述测试条件下，计算寿命为67小时，而测试终止在200小时，即计算寿命的三倍且现场评估是否出现剥落。
表6示出了评估结果。
表6中NO.2和NO.4是用在所有截面中都没有1mm或更大长度的缺陷的圆棒制成的本发明实例中的测试轴承(球：根据SUJ2的淬硬和回火产品)，且可以看到这二者中任一个都通过了200小时测试。
根据表6，在利用清洁度差的材料的测试轴承(NO.1，NO.2)中，相比较于使用通常材料的测试轴承(NO.3，NO.4)，对于所有横截面长度为1mm或更大的夹杂物存在率增加，但是，在包括没有针对1mm或更大长度的夹杂物进行检测的选定材料的测试轴承(NO.2)中，即使其超过200小时后也没产生剥落且获得了稳定的长寿命。与此相反，在包括未经超声探伤选定的材料的测试轴承(NO.1)中，在直到测试终止的200小时期间，剥落以10中有4的高比率发生。而且，同样在使用通常材料的测试轴承(NO.3)中，剥落十中有一地发生，尽管发生频率较低，但可以看到，这与其中稳定长寿命可以稳定获得的通过超声探伤选定的产品相比是较差的。
而且，在使用根据有无长度为1.2mm或更大的夹杂物而选定的材料的测试轴承(NO.5)中，尽管进行了探伤并去除了夹杂物，但如同NO.3中那样10中有一地发生剥落，尽管可能性较低。因此，为了稳定地获得长寿命，重要的是就不应存在长度为1mm或更大的夹杂物现。
【第六实施例】
下面描述根据本发明的轴承用钢及其大尺寸夹杂物评估方法的第六实施例。
在该实施例中，示于表7中的钢品种各自形成为轴承内环的形状，并在对渗碳钢进行渗碳、淬火和回火的热处理，和进行渗碳和回火的热处理以及随后对经受示于图23A和23B中的热处理的淬透钢(through-hardenedsteel)进行精磨以制造具有锥形内径(参考图25)的内环33之后获得。内环33在车削之后被施以如图23A和23B所示的热处理，但并不进行研磨。此外，其被精加工到3.0μm Ra的表面粗糙度。
表7中本发明实例2，3和5的内环和比较实例1和3中的内环，即，渗碳钢(SCR，SCM，SAE)在900-960℃下渗碳10小时，随后在800-860℃下硬化1小时，以及然后在160-200℃下回火，从而进行如图23A所示的热处理。此外，表7中本发明1，4和6的实例的内环和比较实例2的内环，即，淬透钢(SUJ)在800-860℃下硬化一小时，以及随后在160-200℃下回火，从而进行如图23B所示的热处理。
随后，通过图24所示的超声探伤检测装置，针对所有截面对本发明实例1-6的内环和比较实例1-3中内环进行非金属夹杂物的最大长度的检测。
如图24所示，在上述超声探伤检测装置中，包括环形轴承用钢材料的测试件TP(对应于外环)置放在两个滑轮51上，上述滑轮在水槽50中沿水平方向上彼此间隔开，而一轮带54以一标准三角形形状套绕在每一滑轮51和固定在旋转驱动电机52的电机轴上的滑轮53上。
上述旋转驱动电机52借助于电机驱动控制放大器53通过控制装置45进行控制，而通过驱动上述旋转驱动电机52，使置放于各滑轮51上的测试件TP以预定速度旋转。上述控制装置45包括具有CRT等显示装置的个人计算机等。而且，一探针40通过探针固定件43连接到可沿测试TP轴向方向移动设置的线性导向件41的XY台42，且在装接状态下这与上述测试件TP的内周面相对。上述探针40根据来自超声探伤仪44的电压信号将超声脉冲传送到上述测试件TP的内周面，并从其接收反射回声、将其转换成电压信号并将这些电压信号传送到超声探伤仪44。
上述超声探伤仪44基于控制装置45的指令，将包括电压信号的指令信号传输到探针40，并基于传输的信号和接收的信号，将所获得的探伤信息传输到控制装置45，而控制装置45在上述CRT上显示上述信号。
线性导向装置41借助于用于线性导引的由控制器46控制的未示出的伺服电机在测试件TP的轴向方向移动上述探针40。
当设置于测试件TP外周面上的旋转编码器检测到测试件旋转一周(360°)时，线性导向控制器46基于控制装置45的指令控制上述伺服电机，以将探针40在测试件TP的轴向方向上移动预定距离。这样，就可对测试件TP的整个座圈表面下的所有截面进行探伤。虽然对应于外环的轴承用钢材料在图24中作为测试件TP示出，当探针40和滑轮51设置成使得他们位置调换时，也可以应用于包括轴承用钢材料的对应于内环的测试件。
而且本实施例中，在探伤频率为15MHz、利用聚焦式探针(传感器直径：6mm，浸水焦距：25mm)的条件下进行超声探伤。而且，在本实施例中的超声探伤方法中，如此配置使得进入的超声波的入射角为25°，达到距离内环座圈表面的表面大约2mm，而水距离为25mm。另外，对于较深区域，如此配置使得进入内环的超声波的入射角为5°，水距离设定为15mm，而通过利用结构的组合来检测任意深度处的缺陷。
随后，对于非金属夹杂物最大长度，针对多个相应轴承(钢品种)预先进行检测，基于检测到的缺陷的回声宽度、强度和长度等信息针对检测出的缺陷从座圈表面进行探找研磨(run-in grinding)，确定超声回声强度和缺陷尺寸之间的关系以选择表7中所示的各轴承内环。
随后，所制造的本发明实例1-6和比较实例1-3的内环33被压装到图25中所示的内环抗裂寿命测试机的锥形轴31上，从而对内环33施以装配应力(200Mpa)，且锥形轴31在径向载荷为38000N、转数为1800min-1的条件下旋转。这样，内环33的座图表面上就施加有滚动应力，并进行直到内环33在轴向上破裂时检测总转数的抗裂寿命测试。
表7示出了抗裂寿命测试的结果。
从表7中可以清楚地看出，在本发明实例1-6的内环中，非金属夹杂物的最大长度为0.6mm或更小且抗裂寿命长。与此相反，可以看到，在其中非金属夹杂物的最大长度超过0.6mm的比较实例1-3中，相比较于本发明的实例抗裂寿命明显减小。
因此，通过将缺陷(包括非金属夹杂物的聚集体)的最大长度对于在检测体积中滚动轴承座圈表面下面的所有截面限制为不超过0.6mm，可以防止上述轴承环的裂纹。
【第七实施例】
下面描述根据本发明的轴承用钢及其大尺寸夹杂物评估方法的第七实施例。
在该实施例中，图26中所示的包括轴承用钢材料的测试样本的上表面(外直接表面)通过车削加工来制造那些具有不同表面粗糙度1-12μm Ra的样本(参考图27)，且每个为0.5mmφ的各孔(人造缺陷)从测试样本底部沿垂直方向进行加工而达到所述表面下2mm位置。随后对不同表面粗糙度的测试样本的人造缺陷确定噪音比回声强度，以测查缺陷检测的充分程度。
为了检测测试样本中的人造缺陷，采用聚焦式探针(传感器直径：6mm，浸水焦距：25mm)、在探伤频率为15MHz的条件下、利用图24所示的超声探伤检测装置进行超声探伤。在本实施例中的超声探伤中，可以设置成使得进入测试样本的超声波的入射角为25°而水距离设定为15mm。
图27示出了S/N比与测试样本外直径表面的表面粗糙度之间的关系。
从图中清楚地看出，虽然直至测试样本的外直径表面的5μm Ra表面粗糙度都展示出良好的检测强度(S/N比率)，但当粗糙度超过5μm Ra时回声强度极度降低，且长度小于0.6mm的缺陷的检测变得困难。因此，轴承用钢材料的表面粗糙度限制在5μm Ra或更低。
根据本发明的该实例，在轴承用钢材料外直径表面下面的所有截面进行检测的体积内，通过将钢材料外直径表面的表面粗糙度限制在5μm或更低，无论是否进行钢材料现有样本评估的清洁度控制，最大长度为0.6mm或更大的缺陷可都可以以高精确度进行检测。
因此，尽管检测的精确度有所降低，在研磨之前的车削面上也能够简单而方便地发现缺陷，从而可以在制备最终产品之前将其核定为失效，使得相比于在成品阶段降进行选择的通常情况可降低成本。
而且，即使在苛刻的市场条件下也不必要担心断裂的出现，并能消除短寿命轴承产品的出现，从而保证轴承得以百分之百的检测而非样本测试。
【表1】
    装料     钢品种                 评估方法
    含氧量    极值统计值
    0(ppm)     (μm)
    A SUJ2     9     25
    B     8     22
    C     8     24
    D     9     27
【表2】
    装料     钢品种                  超声评估方法
    平方根长度为0.2mm或更大的夹杂物数量(N)     平方根长度为0.15mm或更大的夹杂物数量(N)
    A SUJ2     8     22
    B     10     27
    C     12     39
    D     1 4     4 5
【表3】
    装料     钢品种                 评估方法
    含氧量     极值统计值     超声评估方法
    0(ppm)     (μm)     (N/(4.0×105mm3))
    A SUJ2     9     25     2.0
    E     12     31     6.0
    F     14     35     9.0
【表4】
装料 钢品种                              评估方法
含氧量(ppm) 极值统计值(μm) 超声评估方法
夹杂物数量(N) 夹杂物总长度(mm)
I SUJ2 7 24 8 22
II 9 26 6 64
III 9 31 9 80
IV 8 30 9 93
V 9 32 15 110
VI 13 48 40 302
【表5】
材料 超声探伤的结果(1mm或更大长度的缺陷) 通过超声波选择 寿命(产生剥落的数量/测试的数量)
NO.1 清洁度差的材料 4N/kg 否 10个中有4个发生剥落(N)
NO.2 是 没有发生剥落(200小时或更长)
NO.3 通常材料 0.1N/kg 否 10个中有1个发生剥落(N)
NO.4 是 没有发生剥落(200小时或更长)
材料 超声探伤的结果(1.2mm或更长的缺陷) 由超声波选择 寿命(产生剥落的数量/测试的数量)
NO.5 清洁度差的材料 2N/kg 是 10个中有1个发生剥落(N)
【表6】
材料 超声探伤的结果(1mm或更长的缺陷) 由超声波选择 寿命(产生剥落的数量/测试的数量)
NO.1 清洁度差的材料 6N/kg 否 10个中有6个发生剥落(N)
NO.2 是 没有发生剥落(200小时或更长)
NO.3 通常材料 0.2N/kg 否 10个中有1个发生剥落(N)
NO.4 是     没有发生剥落(200小时或更长)
材料 超声探伤的结果(1.2mm或更长的缺陷) 由超声波选择 寿命((产生剥落的数量/测试的数量))
NO.5 清洁度差的材料 3N/kg 是 10个中有1个发生剥落(N)
【表7】
NO. 钢品种 最大夹杂物长度(mm) 破裂寿命(×106转)
本发明实例1 SUJ2 0.25 100或更大
本发明实例2 SCR420 0.32 100或更大
本发明实例3 SCM435 0.38 99
本发明实例4 SUJ2 0.4 88
本发明实例5 SAE4320 0.55 84
本发明实例6 SUJ3 0.6 80
比较实例1 SCR420 0.64 30
比较实例2 SUJ2 0.72 12
比较实例3 SCM435 1.11 10
工业实用性
如上所述，根据本发明的轴承用钢内大尺寸夹杂物的评估方法，由于作为评估对象的轴承用钢制成的圆棒和超声探针设置在超声传播媒介中，且存在于探伤体积内的大尺寸夹杂物的尺寸和数量通过超声探伤进行测查，且作为评估对象的轴承用钢内的大尺寸夹杂物的存在可能性予以测定，所以可以通过进行超声探伤简单而又容易地测定较大探伤体积内大尺寸夹杂物的存在可能性，而且同样可以对高清洁度的轴承用钢进行大尺寸夹杂物的适当评估。
此外，由于斜角探伤技术用作超声探伤的探伤方法，能够精确地检测小尺寸夹杂物，借此可以更精确地检测出大尺寸夹杂物的存在。
而且，通过以15MHz或更低的探伤频率下可以施行斜角探伤方法，可以检测更深的区域，从而能够缩短大尺寸夹杂物的探伤时间。
另外，通过采用使用聚焦式聚合物探针作为超声探伤的探伤方法的超声探针的垂直探伤方法，能够对更深区域进行细小的大尺寸夹杂物的检测，从而能够更加精确地检测出大尺寸夹杂物的存在。
而且，通过在30MHz或更低的探伤频率下进行垂直探伤检测，孔检测更深的区域，从而能够缩短大尺寸夹杂物的探伤时间。
进而，根据本发明的轴承用钢，由于在上述轴承用钢中大尺寸夹杂物评估方法测定的大尺寸夹杂物中，具有0.2mm平方根长度为或更大的大尺寸夹杂物的以每2.0×106mm3探伤体积为10.0或更少的数量存在，所以可以提供其中大尺寸夹杂物的存在得以定量确保的长寿命轴承用钢。
此外，由于在轴承用钢中大尺寸夹杂物评估方法测定的大尺寸夹杂物中，具有0.2mm平方根长度为或更大的大尺寸夹杂物的以每2.0×106mm3探伤体积为10.0或更少的数量存在，且每1.0×106mm3探伤体积中存在的长度为0.5mm或更大的大尺寸夹杂物的总长度是80mm或更小，所以可以提供其中大尺寸夹杂物的存在得以进一步定量确保的长寿命轴承用钢。
而且，由于在轴承用钢中大尺寸夹杂物评估方法测定的大尺寸夹杂物中，具有0.2mm平方根长度或更大的大尺寸夹杂物以每4.0×105mm3探伤体积为2.0或更少的数量存在，所以可以提供其中大尺寸夹杂物的存在得以定量确保的长寿命轴承用钢。
进而，根据本发明的滚动轴承，可以通过去除短寿命轴承产品并延长所有个轴承的寿命来确保高可靠性。
而且，根据本发明的滚动轴承，可以免除对于短寿命轴承或裂纹轴承存在的担心，从而延长所有轴承的寿命以保证高可靠性，即使在恶劣的环境下使用诸如象用于钢铁设备中的轴承那样在重载荷与大表面压力下使用或者象用于造纸设备中的轴承那样在内环装配应力载荷以及高温下使用的情况下。

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1、一种滚动轴承长寿命的确保方法，其中，多个滚动元件在周向上彼此以预定距离设置在内环与外环之间，其中所述滚动轴承用直径为180mm或更小、壁厚为25mm或更小的无缝钢管作为原材料制成，并被确保在原材料阶段不含有长度为1mm或更大的缺陷。
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