CN101874124A - 冷加工性优异的高频淬火用钢、由该钢构成的滚动构件和使用滚动构件的运动导向装置 - Google Patents

冷加工性优异的高频淬火用钢、由该钢构成的滚动构件和使用滚动构件的运动导向装置 Download PDF

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Abstract

该高频淬火用钢，以质量％计，含有C：0.7～0.9％、Si：0.4～1.0％、Mn：0.5～1.25％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Cr：0.4％以下、Al：0.05％以下、Ti：0.003％以下、O：0.0020％以下，并且满足[Mn]≤0.5+0.35/[Si]，余量由Fe和不可避免的杂质构成，淬火硬度为93HRB以下且高频淬火后的高频淬火层具有残留奥氏体20～40％，硬度为61HRC以上。由此，能够提供一种高频淬火用钢，即使有异物混入运动导向装置等的润滑油中，以其压痕的应力集中为主要原因而在装置的钢材表面发生因润滑不良造成的剥离，或者即使发生金属滑移，其也难以发生疲劳寿命的降低。

Description

冷加工性优异的高频淬火用钢、由该钢构成的滚动构件和使用滚动构件的运动导向装置
技术领域
本发明涉及在不良润滑下难以发生疲劳寿命的降低的高频淬火用钢，还涉及其一部分包含由此高频淬火用钢制造的滚动构件的运动导向装置。
背景技术
图1是用于说明运动导向装置的概略结构的部分破断立体外观图，例如表示装配到机床上并对于工件支撑用的工作台等进行引导的直线运动导向装置。该运动导向装置由如下构成：沿纵长方向形成有滚珠滚动面1a的轨道导轨(轨道轮)1；经由作为滚动体的多个滚珠2嵌合在该轨道导轨1上，并且在内部具有该滚珠2的无限循环通路的滑动台(滑动构件)3，随着滚珠2的循环，滑动台3在轨道导轨1上往复运动。但是，也有将滑动台3作为固定侧而使轨道导轨1进行反复运动的情况。
上述的滑动台3由如下构成：具有用于安装工作台等(未图示)的安装面5a的大体上为鞍状的滑块(block)5；固定在该滑块5的前后两个端面的一对端板(end plate)6。上述的无限循环通路由如下构成：在该滑块5上对应轨道导轨1的滚珠滚动面1a所形成的负荷滚珠滚动面5b和滚珠返回孔5c；形成于两端板6并连通该负荷滚珠滚动面5b和滚珠返回孔5c的转向路径(未图示)。
在这样的运动导向装置中，滚珠2与轨道导轨1以及滚珠2与滑动台3大体上以接近点的状态接触，该接触部分在同一轨道上反复移动，因此轨道导轨1和滑动台3上会承受滚动负荷。
运动导向装置在良好的环境下使用时，在滚珠2与轨道导轨1以及滚珠2与滑动台3的接触部分不会发生问题，但是在一般的工厂等的开放环境下使用时，有使用环境中的灰尘、污垢或加工时由机床等发生的切削粉末等的异物附着在接触部分的情况。附着在接触部分的异物随着滑动台3的运转会侵入滚珠滚动面1a，有异物侵入的轨道导轨1会发生疲劳寿命显著降低这样的问题。另外，构造上因为在滚珠2与轨道导轨1和滚珠2与滑动台3的接触部分润滑油膜厚薄，所以会引起金属滑移，还会发生轨道导轨1和滑动台3的表面区域损伤，疲劳寿命显著降低这样的问题。
历来，针对该问题所采取的方法有如下等：盐水淬火SUJ2等轴承钢，提高轨道导轨的构成材料的硬度的方法；渗碳淬火碳钢而加深渗碳硬化层，增加硬度而使异物压痕难以附着的方法；使用SUJ3和SUJ5等的轴承钢实施马氏体等温淬火等的高温热处理，以提高轨道导轨的构成材料的断裂韧性的方法。
然而，在盐水淬火轴承钢的方法中，硬度变得过高，缺乏韧性，早期裂纹就从因异物的混入和金属滑移引起的损伤之处产生，由于该裂纹的传播而容易产生剥离，不能使其寿命提高。另外，渗碳淬火的方法和高温热处理的方法因为生产率降低而成为成本上升的原因，所以实用上存在很大的问题。
于是，提出通过增多残留奥氏体量而使疲劳寿命提高得以改善的发明(例如参照下述专利文献1)。但是，在此发明中，虽然能够改善异物混入时的疲劳寿命，但是却存在对于金属滑移造成的疲劳寿命的降低不能稳定改善的问题。
以下述专利文献1为引用文献，公开通过减少残留奥氏体量而改善异物混入少时的疲劳寿命提高的发明(例如参照专利文献2)。但是在此发明中，如下述专利文献1，存在不能稳定改善异物混入时的疲劳寿命的问题。
此外，作为用于降低化学成分和初析铁素体的生成量的规定的公式、偏析和马氏体组织开始生成温度的Ms点以外的条件，提出有通过规定夹杂物的大小而获得滚动疲劳寿命优异的高频棒钢的技术(例如参照下述专利文献3)。但是在同专利文献所述的发明中，没有考虑残留奥氏体量和高频淬火后的表面硬度。特别是在这一发明中的C：0.5～0.7％的范围下，表面硬度低，不能稳定获得优异的滚动疲劳寿命，另外，还有不能稳定抑制由于异物混入和金属滑移引起的损伤这样的问题。
专利文献1：特开平11-209844号公报
专利文献2：特开2001-165161号公报
专利文献3：特开2004-183016号公报
发明内容
本发明想要解决的课题是，提供一种高频淬火用钢，即使有异物混入运动导向装置等的润滑油中，以其压痕的应力集中为主要原因而在运动导向装置的钢材表面发生因润滑不良造成的剥离，或者即使因为表面粗糙度大且润滑油粘度低或润滑油量缺乏而造成的润滑油膜厚度薄，从而发生金属滑移，其也难以发生疲劳寿命的降低，并提供由该高频淬火用钢制造的滚动构件和具有滚动构件的运动导向装置。
本发明者们对于作为本申请人的发明的先申请的上述专利文献1进行了锐意的研究，其结果发现，为了也改善由金属滑移造成的疲劳强度降低，需要含有Si为0.4％以上，以使高频淬火后的硬度达到61HRC以上。另一方面，若增加Si的添加量，则冷加工性受损。因此为了确保冷加工性，需要减少C、Mn、Cr。但是，若减少C，则不能充分获得高频淬火后的硬度。另外，若减少Mn则淬火性受损。但是，本发明者们发现，通过减少Cr，退火硬度降低，能够大幅地改善冷加工性，从而得到本发明的方法。即，为了解决上述的课题，本发明的高频淬火用钢由退火硬度为93HRB以下的钢构成，其以质量％计，含有C：0.7～0.9％、Si：0.4～1.0％、Mn：0.5～1.25％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Cr：0.4％以下、Al：0.05％以下、Ti：0.003％以下、O：0.0020％以下，并且满足[Mn]≤0.5+0.35/[Si]，余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且高频淬火后的高频淬火层具有20～40％的残留奥氏体，硬度为61HRC以上。
本发明的高频淬火用钢是耐异物环境和耐金属滑移用的高频淬火用钢，钢成分具有C：0.7～0.9％、Si：0.4～1.0％的范围，退火硬度为93HRB以下，因此冷加工容易，此外将来自冷加工的加工物进行了高频淬火的高频淬火层具有20～40％的残留奥氏体，并且具有61HRC以上的高硬度，韧性优异，此外，从由于制品中的异物的混入和金属滑移而引起的损伤处很难发生裂纹，即使假如有裂纹发生，产生的裂纹也难以传播，难以发生剥离，因此能够使其寿命提高。此外，高频淬火层的硬度为61HRC以上这样高的硬度，优选作为运动导向装置的轨道导轨，在能够获得兼具高韧性、高硬度的钢材这一点上，是优异的高频淬火用钢。另外，该耐异物环境和耐金属滑移用的高频淬火用钢，不需要进行渗碳处理，因此能够在低成本且高硬度下获得高韧性的钢材，实用上特别优选。
此外，本发明的高频淬火用钢由于以碳、硅、锰、铬构成主要元素，所以由高频淬火用钢构成的部件具有高硬度和高韧性，即使在异物环境和金属滑移下也能够长寿命地使用，并且高频淬火用钢廉价，被削性和冷加工性也优异。
另外，本发明的滚动构件是对于上述的高频淬火用钢进行冷加工而形成滚动构件的形状，再通过对其实施高频淬火和回火，从而形成具有残留奥氏体20～40％，并且硬度为61HRC以上的高频淬火层。
此外，优选将上述的滚动构件用于运动导向装置的构件的一部分，例如轨道导轨或滑动台，从而形成运动导向装置。
在这一本发明的运动导向装置中，通过将上述使这样的钢所构成的钢材用于运动导向装置的轨道导轨和滑动台的任意一方或双方，该钢成分的C具有0.7～0.9％的范围、使Si具有0.4～1.0％的范围，冷加工后的高频淬火层的硬度具有61HRC以上的高硬度，且具有20～40％的残留奥氏体，则由于异物混入到所使用的润滑油中和金属滑移所引起的损伤处作为起源的裂纹很难在运动导向装置的轨道导轨上发生，其结果是能够提高运动导向装置的寿命。
在本发明的高频淬火用钢中，因为高频淬火层的残留奥氏体层为20～40％，所以韧性优异，作为制品时即使有尘埃和切削粉末等的混入制品构件间也难以发生损伤，因此以损伤为起点的裂纹难以发生。即使有裂纹发生，发生的裂纹也难以传播，剥离难以发生，由此钢构成的制品构件的寿命能够提高。此外，在本发明的高频淬火用钢中，因为高频淬火层的硬度为61HRC以上的高硬度，所以优选作为运动导向装置的轨道轴，因为有着高韧性且高硬度，在不良润滑下难以发生金属滑移，损伤难以发生，所以难以发生以损伤为起点的裂纹。即使有裂纹发生，发生的裂纹也难以传播，剥离难以发生，由此钢构成的制品构件的寿命能够提高，因此为优异的高频淬火钢。此外，该高频淬火用钢具有的效果是，作为成分仅以不可避免的杂质的水平含有高价的Ni和Mo，不需要进行渗碳淬火处理，因此廉价，能够得到冷加工性和被削性优异的耐异物环境用的高频淬火用钢。
另外，本发明的滚动构件，是将上述本发明的高频淬火用钢冷加工成滚动构件的形状后，实施高频淬火、回火，从而具有20～40％的残留奥氏体，因此从疲劳寿命的观点出发优选，具有形成硬度61HRC以上的高频淬火层这样的效果。
此外，本发明的运动导向装置，是将上述本发明的滚动构件用于其中一部分的运动导向装置，因此该运动导向装置具有61HRC以上的高硬度和20～40％的残留奥氏体层和高韧性，即使在异物环境下使用，裂纹也难以从异物为原因引起的损伤处发生，即使有裂纹发生，该裂纹也难以传播，剥离难以发生。此外，本发明的运动导向装置即使在不良润滑下也难以发生金属滑移，难以引起损伤，因此难以发生以损伤为起点的裂纹。即使发生裂纹，发生的裂纹也难以传播，剥离难以发生。另外，本发明的运动导向装置不含高价的材料和阻碍加工性的材料，所以具有长寿命、性价比优异的效果。
附图说明
图1是运动导向装置的概略图。
具体实施方式
作为用于实施本发明的最佳的方式，参照表和附图，分别对于高频淬火用钢、使用了该高频淬火用钢的滚动构件和将得到的滚动构件包含在构件中的运动导向装置进行具体地说明。还有，本说明书中的所谓“不良润滑”，是指在润滑油中有异物混入，以其压痕的应力集中为主要原因导致剥离的状态，和表面粗糙度大或润滑油粘度低或润滑油量缺乏，或者几种情况组合致使润滑油膜厚薄，从而主要是发生金属滑移的状态。另外，所谓本发明的运动导向装置，定义为图1所示的直线运动导向装置以及未图示的滚珠花键(ball spline)和滚珠丝杠(ball screw)等，是经由滚珠或辊等滚动体，相对可移动地组装轨道轴和滑动构件的装置的统称。
首先，本发明的高频淬火用钢具有如下合金组成：以质量％计，含有C：0.7～0.9％、Si：0.4～1.0％、Mn：0.5～1.25％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Cr：0.4％以下、Al：0.05％以下、Ti：0.003％以下、O：0.0020％以下，并且满足[Mn]≤0.5+0.35/[Si]，余量由Fe和不可避免的杂质构成。由此组成构成的高频淬火用钢，是高频淬火后的高频淬火层具有20～40％的残留奥氏体，并具有61HRC以上的硬度的钢。
以下，对于上述本实施方式中的高频淬火用钢的化学成分组成的限定理由以及高频淬火层的残留奥氏体的量和硬度进行说明。还有，以下成分范围中的％表示质量％。
(C：0.7～0.9％)
C经高频淬火形成碳化物，是用于使高频淬火层在回火后的硬度达到61HRC以上所需要的元素，并且是用于在高频淬火层中生成20～40％的残留奥氏体特别有效的元素。但是，C低于0.6％时，在高频淬火层中得不到期望的硬度。此外C低于0.7％时，在金属滑移发生的环境下由该钢构成的运动导向装置的寿命变短。另一方面，若C超过0.9％，则被削性和冷加工性差，。此外高频淬火时容易产生淬火裂纹。因此C为0.7～0.9％。
(Si：0.4～1.0％)
Si是作为脱氧剂而被添加的元素。但是，如果Si低于0.4％，则在金属滑移发生的情况下由该钢构成的运动导向装置的寿命变短。另一方面，若超过1.0％，则被削性和冷加工性变差，另外在金属滑移发生的情况下的寿命变短。因此，Si为0.4～1.0％。
(Mn：0.5～1.25％，优选为0.75～1.25％)
Mn是使高频淬火性提高效果显著的元素，是用于使高频淬火层大量生成残留奥氏体有效的元素。Mn低于0.5％时，不能在高频淬火后确保充分的淬火性。另一方面，若超过1.25％，则被削性和冷加工性差。因此，Mn为0.5～1.25％，优选为0.75～1.25％。
([Mn]≤0.5+0.35/[Si])
除了规定上述的Mn含量，之所以还规定[Mn]≤0.5+0.35/[Si]，是考虑到若确保用于获得滚动疲劳寿命所需要的Si含量，则加工性会劣化。因此，借助与Si量的关系来控制Mn量，以获得良好的加工性。因此，满足[Mn]≤0.5+0.35/[Si]。
(Cr：0.4％以下，优选0.35％以下)
Cr是具有提高钢的高频淬火性和韧性的效果的元素，但另一方面，其是碳化物形成元素，因为使碳化物稳定化，所以软化退火后的硬度不会降低。因此Cr为0.4％以下，优选0.35％以下。
(Al：0.05％以下)
Al是作为脱氧剂而被添加的元素，但是若Al比0.05％多，则Al氧化物增加，使钢的疲劳强度降低，使加工性降低。因此A1为0.05％以下。
(Ti：0.003％以下)
Ti对于防止晶粒的粗大化是有效的元素，但是若Ti多，则加工性降低。因此Ti为0.003％以下。
(P：0.030％以下)
P是具有使耐腐蚀性提高的效果的元素。但是若P添加超过0.030％，则在晶界偏析而容易促进晶界脆化，冲击强度和弯曲强度降低。因此P为0.030％以下。
(S：0.030％以下)
S与Mn结合而成为MnS，防止红热脆性。但是MnS形成非金属夹杂物，也成为使疲劳寿命降低的原因。若S超过0.030％，则容易发生疲劳寿命的降低，因此S为0.030％以下。还有，MnS具有改善被削性的效果，因此优选为0.010％以上。
(O：0.0020％以下)
O与其他金属元素形成氧化物，在晶界偏析而成为红热脆性的要因。若O超过0.0020％，则有使疲劳寿命降低的情况。因此O为0.0020％以下，优选为0.0015％以下。
还有，除了上述的元素以外，也可以还含有N。这种情况下，N一部分固溶在钢中而提高强度，另一方面若过多含有，则显著助长低温脆性，因此N适宜添加时优选适量。其范围在0.01％以下。
(高频淬火层的残留奥氏体为20～40％)
高频淬火层的残留奥氏体低于20％时，钢制部件在异物环境下发生异物的侵入时，有疲劳寿命降低的情况，寿命改善效果不充分。残留奥氏体己知具有使韧性提高效果，因此在有尘埃、污垢、切削粉末等的异物存在的环境下，例如即使在运动导向装置的轨道导轨上发生异物的侵入，也难以发生金属滑移，另外具有使疲劳的降低难以发生的效果。为此高频淬火层中的残留奥氏体层中的残留奥氏体量的下限为20％以上，特别优选为25％以上。另一方面，因为残留奥氏体软，所以若高频淬火层的残留奥氏体超过40％，则虽然不会发生异物环境下的疲劳寿命的降低，但是难以确保高频淬火钢的表面硬度达到61HRC，因此招致金属滑移造成的疲劳寿命的降低。因此，高频淬火层中的残留奥氏体的上限为40％以下，特别优选为35％以下。
(高频淬火钢的表面硬度61HRC以上)
使高频淬火钢的表面硬度达到61HRC以上，可既具有高韧性又具有高强度，由此钢材构成的部件即使在异物环境下以及发生金属滑移，也能够长寿命地使用。
接下来，本实施方式的滚动构件，是通过使用本实施方式的高频淬火用钢，进行冷加工而形成。这种情况下，冷加工前的高频淬火用钢的硬度为退火硬度为93HRB以下，因此以冷加工便能够轻易地形状化为滚动构件的形状，此外，对于该形状化了的滚动构件进行高频淬火，即以950～1050℃经6～8秒的高频加热来加热表面并进行淬火，回火温度为130～180℃，优选以150℃，以60～180分钟、优选以80分钟左右的回火时间进行低温回火，由此成为具有20～40％的残留奥氏体，且硬度为61HRC以上的高频淬火层形成于表面的滚动构件。上述中，若来自高频加热的表面加热温度超过1050℃，则淬火裂纹容易发生。表面加热温度低于950℃时，则有不能确保20％以上的残留奥氏体的情况。
本发明的运动导向装置，是将上述本实施方式的滚动构件用于图1所示的直线运动导向装置7的轨道导轨1，以及用于设于轨道导轨1上的滑动台3。
本实施方式的运动导向装置，即直线运动导向装置7由具有高硬度和高韧性，即使在异物环境下也能够长寿命使用的耐异物环境和耐金属滑移用的高频淬火钢构成，一部分的构件，特别是轨道导轨1或设于轨道导轨1上的滑动台3由本实施方式的高频淬火用钢构成。因此，该直线运动导向装置7即使在异物环境中使用，源自异物原因引起的损伤处和金属滑移引起的损伤处的裂纹也难以发生，另外即使有裂纹发生，发生的裂纹也难以传播，剥离很难发生。此外，该直线运动导向装置7的原材中不以有为的含量含有高价的Ni和Mo，因此会成为既有长寿命、性价比又优异的直线运动导向装置。
实施例1
以100kgVIM(真空感应熔炉)熔炼表1所示的由实施例1～8和比较例1～6的各化学成分构成的钢而作为钢材，以1150～1200℃热锻该钢材，锻拉成
Figure GPA00001141485700091
和
Figure GPA00001141485700092
的圆棒。表1中的实施例的No.1～8是本发明的高频淬火用钢，比较例的No.1～6是成分的某一种脱离本发明的范围的比较钢，附加影线表示脱离本发明的范围的成分。还有，表1中有影线的Ni是废料等的电炉精炼中作为杂质范围而含有的实用上不可避免的成分。另外，比较例的No.4的“0.5+0.35/Si”值的影线部分表示脱离本发明的条件。
[表1]
(单位为质量％其中O是ppm)
(带网的部分是权利要求之外)
(异物环境推力型滚动疲劳试验)
对于由表1所示的实施例和比较例的各钢材锻拉成而得到的各圆棒，以870℃进行退火，以740℃进行球化退火后，从其上切割下厚10mm的圆盘状的平板。高频加热此厚10mm的圆盘状的平板而使表面温度保持在1000℃达7秒后，实施聚合物淬火，再在150℃下进行80分钟的回火。此外，通过磨削和研磨加工等使该淬火、回火材的表面成为镜面状态，制成各试验片。另外，以洛氏硬度计测定这些试验片的试验面的表面硬度。
异物环境推力型滚动疲劳试验，是在森式推力型滚动疲劳试验机上，在润滑油中投入异物而进行滚动疲劳试验的方法。以下面所示的条件进行该试验，以L50(50％累积破损概率)评价耐异物环境的滚动疲劳寿命。在该评价中，关于本申请的发明例和比较例，取比较例的No.6的L50为1时的比，表示各自的评价。表示在表2中。
上述的异物环境推力型滚动疲劳试验的条件
试验温度：常温
最大赫兹压缩应力(Pmax)：540kgf/mm2
最大反复速度：1800cpm
润滑油：锭子油(#60)
异物：将粒度105～150μm硬度760～800HV的高速工具钢(SKH51)的粉粒经1g/升的比例投入润滑油中
(横摇纵摇试验)
对于锻拉成
Figure GPA00001141485700101
的各圆棒，以870℃进行退火，以740℃进行球化退火后，从其上切割下滚动部为
Figure GPA00001141485700102
的圆筒，以高频淬火时的表面加热温度1000℃、7秒钟处理该圆筒后，实施聚合物淬火，再进行150℃、90分钟的回火，通过磨削和研磨加工使表面成为镜面状态，制成试验片。
所谓辊纵摇试验，是高面压下的翻滚，是进行金属滑移试验的方法。对于上述的试验片以下示条件进行试验，以L50(50％累积破损概率)评价金属滑移环境中的疲劳寿命。
试验温度：80℃
面压：3320MPa
转速：2000rpm
滑移率：-40％
大辊：SCM420H钢制辊的渗碳后研磨加工品
金属滑移环境中的疲劳寿命，取比较例的No.6的L50(50％累积破损概率)为1时的比，显示在表1、表2中。
(残留奥氏体量测定)
对于与用于异物环境推力型滚动疲劳试验的试验片同样制作的试验片，测定高频淬火面的残留奥氏体量。测定方法为X射线衍射法，以体积比(％)表示试验结果，显示在表2中。
(退火硬度)
退火硬度是在制作异物环境推力型滚动疲劳试验片时，以740℃进行球化退火后，用洛氏硬度计测定该试验片的试验面的硬度，将其测定结果显示在表2中。
[表2]
Figure GPA00001141485700111
(带网的部分是权利要求之外)
由表2可知，上述的高频炉火用回火后的残留奥氏体量，在本发明的实施例1～8中均为发明范围的20～40％，但在比较例1～6中，比较例1为41％，超过本发明的范围，比较例6为18％，低于本发明的范围。此外，这时的高频淬火层的表面硬度在本发明的实施例1～8中为61.2～62.8HRC，满足本发明的范围61HRC以上。但是比较例1为60.5HRC，比较例6为60.7HRC，这些均不满足本发明的范围。此外，异物环境下的L50寿命，在将比较例6作为基准的1时，本发明的实施例1～8为2.1～2.7。此外作为横摆纵摆试验中的金属滑移环境下的疲劳寿命的L50寿命，同样以比较例6作为基准的1时，本发明的实施例1～8为2.1～3.0，与比较例相比相对高。此外，进行了上述球化退火后的退火硬度，本发明的实施例1～8为91～93HRB，均为93HRB以下。但是，比较例1～6则高达94～98HRB，因此本发明的钢材容易进行冷加工。

Claims (3)

1.一种高频淬火用钢，其特征在于，由退火硬度为93HRB以下的钢构成，该钢以质量％计含有C：0.7～0.9％、Si：0.4～1.0％、Mn：0.5～1.25％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Cr：0.4％以下、Al：0.05％以下、Ti：0.003％以下、O：0.0020％以下，并且满足[Mn]≤0.5+0.35/[Si]，余量是Fe和不可避免的杂质，并且，高频淬火后的高频淬火层具有20～40％的残留奥氏体，硬度为61HRC以上。
2.一种滚动构件，其特征在于，对权利要求1所述的高频淬火用钢进行冷加工形成滚动构件的形状并进行高频淬火和回火，由此形成具有20～40％的残留奥氏体，并且硬度为61HRC以上的高频淬火层。
3.一种运动导向装置，其特征在于，将权利要求2所述的滚动构件用于运动导向装置的构件的一部分而形成。
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