CN102639735A - 轴承用模铸材以及轴承用钢的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轴承用模铸材，通过采用如下所述的成分组成来抑制共晶碳化物在偏析部的生成，其中，作为所述成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成，而且共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25。

Description

轴承用模铸材以及轴承用钢的制造方法
技术领域
本发明涉及适合作为用于汽车、风力发电机(wind power)、输送机械、电气机械及精密机械或者其他一般产业机械等的轴承的原材料并且具有优良的滚动疲劳寿命(rolling contact fatigue life)特性的轴承用模铸材(ingot steel for(or using)the bearing：面向轴承用钢的模铸钢材)。此外，本发明涉及使用上述轴承用模铸材的轴承用钢(bearing steel)的制造方法。
背景技术
作为这种轴承钢，大多利用高碳铬钢(high carbon chromium steel：JIS G4805标准SUJ2)。通常认为，对于轴承钢而言，滚动疲劳寿命特性优良是重要的性质之一，但该滚动疲劳寿命会由于钢中的非金属夹杂物或者共晶碳化物(eutectic carbide)而降低。
在最近的研究中，作为给滚动疲劳寿命的降低带来的影响，认为钢中的非金属夹杂物的影响最大。因此，采取通过降低钢中的氧量来控制非金属夹杂物的量及大小而使轴承寿命提高的策略。
例如，提出了专利文献1及专利文献2等的方案，这些方案是对钢中的氧化物系非金属夹杂物的组成、形状或分布状态进行控制的技术。但是，为了制造非金属夹杂物少的轴承钢，需要昂贵的熔炼设备，或者需要现有设备的大幅度改造，因而存在经济负担大的问题。
另外，在专利文献3中，公开了一种通过对碳的中心偏析率以及钢中的氧量和硫含量进行控制来提高滚动疲劳寿命特性的技术。但是，如上所述，为了制造使氧含量进一步减少并且使非金属夹杂物更少的轴承钢，需要昂贵的熔炼设备或现有设备的大幅度改造，因而经济负担大成为问题。
因此，不仅钢中的非金属夹杂物的降低受到关注，而且钢中的共晶碳化物的降低也受到关注。例如，高碳铬钢含有0.95质量%以上的C而非常硬质，虽然钢的耐磨损性良好，但在铸片中心部发生的偏析(以下，简称为中心偏析)的程度增大，进而在铸片中生成巨大的共晶碳化物，因此，存在使滚动疲劳寿命降低的问题。因此，对铸片中央部进行冲裁而制成废材，或者实施长时间的扩散处理(diffusion treatment，以下简称为浸湿(soaking))而充分消除这些巨大的共晶碳化物后使用。
关于这种偏析的问题，在专利文献4中，公开了使厚度为2μm以上的碳化物的总剖面面积相对于下述纵剖面面积为0.3%以下的方法，所述碳化物具有C：0.6~1.2质量%等特定的成分组成，并且出现在穿过线状或棒状轧制材料的轴心的纵剖面的中心线上包括该纵剖面的轴心在内、距该轴心线单侧各自为1/8·D(D：该纵剖面的宽度)以内的中心区域。而且，在该文献中，定量地查明了巨大碳化物的量给滚动疲劳寿命特性带来的影响，并且指出使滚动疲劳寿命降低的巨大共晶碳化物残留在钢中。
在专利文献5中，公开了具有C：0.50~1.50质量%及Sb：0.0010~0.0150质量%等特定的成分组成、脱碳层的形成少并且热处理生产率优良的轴承钢。在该文献中，其目的在于，通过添加Sb来减少钢的脱碳层的形成，从而可以省略热处理后的切削或磨削工序，使热处理生产率提高。但是，由于怀疑Sb对人体具有强毒性，因此在应用上要求慎重。另外，当添加Sb时，Sb会在中心偏析部富集，从而使中心偏析变差。在Sb富集的部分，发生局部硬化，因此，与母材产生硬度差而成为滚动疲劳破坏的起点，因而有可能使滚动疲劳寿命降低。
在此，为了消除高碳铬轴承钢的铸造时发生的中心偏析以及在该中心偏析部产生的巨大共晶碳化物，例如，专利文献6中公开了一种一次性地对铸造材料进行轧制而制成坯段并且对该坯段进行浸湿的方法。
但是，由于浸湿时的钢中温度不均匀，因此存在如下问题：在浸湿温度局部地达到超过固相线的温度时，开始再次局部地溶解而引起共晶反应，从而生成更巨大的共晶碳化物。
因此，根据轴承的用途，有时不使用上述的高碳铬钢，而是使用低碳合金钢。例如，仅次于高碳铬钢地大量利用表面渗碳钢。但是，对于表面渗碳钢而言，为了使C量为0.23质量%以下并且得到必要的淬透性和机械强度而添加适量的Mn、Cr、Mo及Ni等，从提高疲劳强度的观点出发，通过渗碳或渗碳氮化处理使表面硬化。
例如，专利文献7中公开了通过具有C：0.10~0.35%等特定的化学组成并且使由Ｑ=34140-605[%Si]+183[%Mn]+136[%Cr]+122[%Mo]定义的钢中的碳扩散的活化能为34000kcal以下而能够以短时间进行渗碳的表面渗碳钢。
同样地，专利文献8中公开了涉及一种滚动疲劳特性优良的渗碳材料的技术，其中，所述渗碳材料具有C：0.1~0.45%等特定的化学组成，渗碳层的奥氏体晶粒度为7号以上，表面的碳含量为0.9~1.5%，并且表面的残余奥氏体量为25~40%。
然而，虽然通过进行上述的渗碳或渗碳氮化，能够提高滚动疲劳寿命特性，但会导致制造成本上升，或者使变形及尺寸变化增加而降低成品率，因此，问题在于会导致产品成本上升。
另外，根据轴承钢的用途，需要进行大截面(large section)化，因此，需要大幅度改造进行渗碳或渗碳氮化的设备，因而经济负担大也成为问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平1-306542号公报
专利文献2：日本特开平3-126839号公报
专利文献3：日本特开平7-127643号公报
专利文献4：日本专利第3007834号公报
专利文献5：日本特开平5-271866号公报
专利文献6：日本特开平3-75312号公报
专利文献7：日本专利第4066903号公报
专利文献8：日本专利第4050829号公报
发明内容
发明所要解决的问题
风力发电机、输送机械、其他一般产业机械正在逐年大型化，因而这些机械中使用的轴承钢的进一步大截面化已成为当务之急。钢锭的制造方法大致划分为模铸法(ingot casting)和连铸法(continuouscasting)，但就该轴承钢的大截面化而言，通过利用模铸法来制造以往通过连铸制造的原材料，能够应对从小截面到大截面的制造。但是，对于通过该模铸法制造的钢(以下，称为模铸材)而言，特别成为问题的是，在V偏析(V-segregation)部和逆V偏析(inverse  V-segregation)部等偏析部生成巨大的共晶碳化物。其原因在于，与连铸材的情况相比，模铸材的偏析程度较高，因此，巨大的共晶碳化物的生成频率也增加，因而抑制共晶碳化物的生成变得重要。
因此，本发明的目的在于提供能够抑制共晶碳化物在由模铸法得到的轴承用模铸材的上述偏析部生成的方法。
用于解决问题的方法
发明人对用于解决上述问题的方法进行了深入研究，结果发现，将以往的轴承钢的C、Si、Mn、Cr及Al的添加量限定在特定的范围内，并且重新引入共晶碳化物生成指数(eutectic carbide formation index)，将其值也限定在特定的范围内。即发现，通过这些限定，能够避免特别是在模铸材中成为问题的、巨大的共晶碳化物在V偏析部和逆V偏析部的生成，因此，能够提供滚动寿命特性优良的轴承用模铸材。
即，发明人制作了使C、Si、Mn、Cr及Al量改变并且使由后述的(1)式表示的共晶碳化物生成指数Ec改变而得到的轴承用模铸材，并且对其组织及滚动疲劳寿命特性进行了深入调查，结果发现，即使是模铸材，只要是成分组成及Ec值满足预定范围的钢，就能够得到钢中不存在共晶碳化物的钢，并且能够提高滚动疲劳寿命特性，从而完成了本发明。
本发明的主旨构成如下。
1.一种轴承用模铸材，其特征在于，作为其成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成，
而且由下述(1)式定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25，
Ec=(-0.07×[%Si]-0.03×[%Mn]+0.04×[%Cr]-0.36×[%Al]+0.79)-[%C]……(1)
其中，[]表示括号内各成分的含量(质量%)。
2.如上述1所述的轴承用模铸材，其特征在于，在上述成分组成的基础上，还含有选自：Cu：0.005质量%以上且0.5质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下及Mo：0.01质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
3.如上述1或2中任一项所述的轴承用模铸材，其特征在于，在上述成分组成的基础上，还含有选自W：0.001质量%以上且0.5质量%以下、Nb：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Ti：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Zr：0.001质量%以上且0.1质量%以下及V：0.002质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
4.如上述1~3中任一项所述的轴承用模铸材，其特征在于，在上述成分组成的基础上，还含有B：0.0002质量%以上且0.005质量%以下。
即，如果对上述1~4的发明进行归纳，则本发明的轴承用模铸材的特征在于，作为成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，
或者，还含有下述(A)~(C)中的至少任意一种：
(A)选自Cu：0.005质量%以上且0.5质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下及Mo：0.01质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上，
(B)选自W：0.001质量%以上且0.5质量%以下、Nb：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Ti：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Zr：0.001质量%以上且0.1质量%以下及V：0.002质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上，
(C)B：0.0002质量%以上且0.005质量%以下，
余量由Fe及不可避免的杂质构成，而且由上述(1)式定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25。
5.一种轴承用钢的制造方法，其特征在于，利用模铸法对钢锭进行铸造而制成模铸材，将该模铸材加热至1000~1350℃，然后，进行锻造成形比(forging ratio)为2.0以上的热锻，制成短边(short side)尺寸为400mm以上的方形截面(square section)或直径为400mm以上的圆形截面(circular cross-section)的钢材，其中，
作为所述钢锭的成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成，
而且所述钢锭的由下述(1)式定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25，
Ec=(-0.07×[%Si]-0.03×[%Mn]+0.04×[%Cr]-0.36×[%Al]+0.79)-[%C]……(1)
其中，[]表示括号内各成分的含量(质量%)。
6.如上述5所述的轴承用钢的制造方法，其特征在于，所述轴承用钢在具有上述成分组成的基础上，还含有选自Cu：0.005质量%以上且0.5质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下及Mo：0.01质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
7.如上述5或6中任一项所述的轴承用钢的制造方法，其特征在于，所述轴承用钢在具有上述成分组成的基础上，还含有选自W：0.001质量%以上且0.5质量%以下、Nb：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Ti：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Zr：0.001质量%以上且0.1质量%以下及V：0.002质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
8.如上述5~7中任一项所述的轴承用钢的制造方法，其特征在于，所述轴承用钢在具有上述成分组成的基础上，还含有B：0.0002质量%以上且0.005质量%以下。
即，如果对上述5~8的发明进行总结，则本发明的轴承用钢的制造方法的特征在于，利用模铸法对如下的钢锭进行铸造而制成模铸材，将该模铸材加热到1000~1350℃，然后进行锻造成形比为2.0以上的热锻，制成短边尺寸为400mm以上的方形截面或直径为400mm以上的圆形截面的钢材，其中，
作为所述钢锭的成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，
或者，还含有下述(A)~(C)中的至少任意一种：
(A)选自Cu：0.005质量%以上且0.5质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下及Mo：0.01质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上，
(B)选自W：0.001质量%以上且0.5质量%以下、Nb：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Ti：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Zr：0.001质量%以上且0.1质量%以下及V：0.002质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上，
(C)B：0.0002质量%以上且0.005质量%以下，
余量由Fe及不可避免的杂质构成，而且由上述(1)式定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25。
发明效果
根据本发明，能够稳定地制造具有远比以往的轴承钢优良的耐滚动疲劳寿命特性的轴承用模铸材。因此，能够实现从小截面到大截面的轴承钢的制造，也有助于风力发电机、输送机械以及其他一般产业机械的大型化，因而带来在产业上有益的效果。
附图说明
图1是将滚动疲劳寿命的评价结果(纵轴：B10寿命比)与Ec值(横轴：质量%)的关系进行整理而得到的曲线图。
图2是表示从方形锻造后的钢片上裁取显微组织(microstructure)观察用试样时的裁取位置和受检面尺寸的图。
图3是表示从方形锻造后的钢片上裁取滚动寿命评价用试样时的裁取位置和试验片尺寸的图。
图4是表示从圆形锻造后的钢片上裁取显微组织观察用试样时的裁取位置和受检面尺寸的图。
图5是表示从圆形锻造后的钢片上裁取滚动寿命评价用试样时的裁取位置和受检面尺寸的图。
图6是表示从方形锻造后的钢片上裁取切削性评价用试样时的裁取位置和试验片尺寸的图。
图7是表示从圆形锻造后的钢片上裁取切削性评价用试样时的裁取位置和试验片尺寸的图。
具体实施方式
下面，对本发明的轴承用模铸材进行详细说明。
首先，从本发明的轴承用模铸材中的成分组成的各成分含量的限定理由开始依次进行说明。
C：0.56质量%以上且0.70质量%以下
C是对提高钢的强度且提高钢的滚动疲劳寿命特性有效的元素，在本发明中，使其含有0.56质量%以上。另一方面，当超过0.70质量%而含有时，会在原材料的铸造中生成巨大共晶碳化物，从而导致滚动疲劳寿命降低。基于以上的理由，使C量为0.56质量%以上且0.70质量%以下。
Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%
Si作为脱氧剂发挥作用，另外，具有通过固溶强化而提高钢的强度并且提高钢的耐滚动疲劳寿命特性的作用，因此，Si是为了发挥这些作用而添加的元素。为了发挥这些作用，在本发明中，添加0.15质量%以上的Si。但是，0.50质量%以上的添加会使钢的切削性和锻造性变差。另外，Si与钢中的氧结合，以氧化物的形式残留在钢中，从而导致滚动疲劳寿命特性变差。而且，在偏析部富集时，容易生成共晶碳化物。基于以上的理由，使Si的上限为低于0.50质量%。
Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下
Mn是为了提高淬透性、提高钢的强韧性并且提高钢材的耐滚动疲劳寿命特性而添加的元素，在本发明中，添加0.60质量%以上的Mn。但是，超过1.50质量%的添加会使切削性降低。另外，在偏析部富集时，容易生成共晶碳化物。基于以上的理由，使Mn的上限为1.50质量%。
Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下
Cr是与Mn同样地为了提高钢的强韧性并且提高钢材的耐滚动疲劳寿命特性而添加的元素，在本发明中，添加0.50质量%以上的Cr。但是，超过1.10质量%的添加会使切削性降低，因此，使Cr的上限为1.10质量%。
P：0.025质量%以下
P是使钢的母材韧性和滚动疲劳寿命降低的有害元素，优选尽可能地降低。特别是，当P的含量超过0.025质量%时，母材韧性及滚动疲劳寿命的降低增大。因而，使P为0.025质量%以下。优选为0.020质量%以下。需要说明的是，在工业上难以使P含量为0%，因而多数情况下含有0.002质量%以上。
S：0.025质量%以下
S以作为非金属夹杂物的MnS的形式存在于钢中。对于轴承钢而言，由于易成为滚动疲劳的起点的氧化物少，因此，当MnS在钢中大量地存在时，会导致滚动疲劳寿命降低。因此，优选尽可能地降低，在本发明中，使其为0.025质量%以下。优选为0.020质量%以下。需要说明的是，在工业上难以使S含量为0%，因而多数情况下含有0.0001质量%以上。
Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下
Al作为脱氧剂发挥作用，另外，Al生成氮化物而使奥氏体晶粒微细化，从而具有提高韧性及滚动疲劳寿命特性的作用，因此，Al是为了发挥这些作用而添加的元素。为了发挥这些作用，在本发明中，添加0.005质量%以上的Al。但是，超过0.500质量%而添加时，在钢中存在粗大的氧化物系夹杂物，从而导致钢的滚动疲劳寿命特性降低。另外，在偏析部富集时，容易生成共晶碳化物。基于以上的理由，使Al含量的上限为0.500质量%。优选为0.450质量%以下。
O：0.0015质量%以下
O与Si或Al结合而形成硬质的氧化物系非金属夹杂物，因此导致滚动疲劳寿命降低。因此，O尽可能地越低越好，使其为0.0015质量%以下。需要说明的是，在工业上难以使O含量为0%，因而多数情况下含有0.0003质量%以上。
N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下
N通过与Al结合而形成氮化物系非金属夹杂物，使奥氏体晶粒微细化，从而提高韧性以及滚动疲劳寿命特性，因此，添加0.003质量%以上。但是，超过0.015质量%而添加时，在钢中大量地存在氮化物系夹杂物，因此导致滚动疲劳寿命特性降低。另外，在钢中大量地存在不以氮化物形式生成的N(游离N)，从而导致韧性降低，因此，使N含量的上限为0.015质量%。优选使其为0.010质量%以下。
共晶碳化物生成指数Ec：0＜Ec≤0.25
发明人对利用真空熔炼炉对具有各种成分组成的钢进行熔炼而得到的钢锭调查了共晶碳化物的有无。进而，对于其结果，将参数(主要影响因素)的选择进行各种变更，并进行了回归计算。结果，得到了如下见解：作为能够抑制共晶碳化物生成的钢组成，由以下的(1)式定义的共晶碳化物指数Ec值需要满足0＜Ec≤0.25，其中，
Ec=(-0.07×[%Si]-0.03×[%Mn]+0.04×[%Cr]-0.36×[%Al]+0.79)-[%C]…(1)
其中，[]表示括号内各成分的含量(质量%)。
进而，发明人按照表1所示的成分组成及Ec值来制作轴承钢，对滚动疲劳寿命特性进行了调查。滚动疲劳寿命特性通过与后述的实施例同样的试验方法来实施。
需要说明的是，为了调查成分组成及Ec值给共晶碳化物的生成的有无、滚动疲劳寿命特性带来的影响，将轴承钢的制造条件设为相同。即，利用转炉熔炼后，利用模铸法制成1350mm×1250mm截面(顶侧)、1280×830mm截面(底侧)的模铸材(锭)，然后将所得到的模铸材锻造成550mm见方的截面。锻造成形比在顶侧为5.6，在底侧为3.5。从锻造后的钢片上，如图2所示裁取共晶碳化物生成的有无观察用试验片，并且如图3所示裁取滚动疲劳试验片，利用后述的试验法分别调查共晶碳化物的生成的有无、滚动疲劳寿命特性以及切削性(利用工具寿命比进行评价)。在此，试验片分别从锻造后的钢片的、相当于模铸材的底侧的部分裁取。
表1                                                                                    化学成分(质量％)
  钢No.   C   Si   Mn   P   S   Cr   Al   O   N   Ec   备注
  A-1   1.05   0.25   0.45   0.016   0.008   1.45   0.025   0.0010   0.0031   -0.24   基准钢
  A-2   0.70   0.49   1.49   0.018   0.007   0.51   0.020   0.0011   0.0033   0.02   发明钢
  A-3   0.70   0.49   1.50   0.012   0.008   0.51   0.121   0.0009   0.0045   -0.01   比较钢
  A-4   0.63   0.32   0.97   0.010   0.006   0.88   0.024   0.0008   0.0052   0.14   发明钢
  A-5   0.57   0.16   0.73   0.015   0.004   0.72   0.021   0.0009   0.0049   0.21   发明钢
  A-6   0.48   0.18   0.56   0.012   0.005   1.09   0.033   0.0008   0.0045   0.31   比较钢
  A-7   0.56   0.22   0.73   0.009   0.001   0.92   0.029   0.0008   0.0033   0.22   发明钢
  A-8   0.55   0.23   0.72   0.008   0.002   0.92   0.031   0.0009   0.0039   0.23   比较钢
  A-9   0.58   0.16   0.60   0.008   0.001   1.01   0.037   0.0007   0.0033   0.21   发明钢
  A-10   0.58   0.16   0.58   0.006   0.001   1.04   0.036   0.0008   0.0035   0.21   比较钢
  A-11   0.70   0.49   1.49   0.009   0.003   0.51   0.331   0.0009   0.0043   -0.09   比较钢
  A-12   0.67   0.45   0.97   0.008   0.001   0.55   0.035   0.0010   0.0035   0.07   发明钢
将滚动疲劳寿命的评价结果示于表2中，将以该评价结果与Ec值的关系进行整理而得到的图示于图1中。如该图所示，在Ec值为0以下的区域，在钢中生成巨大的共晶碳化物，即使使Ec值在该区域内增大，滚动疲劳寿命相对于基准材料的水平也几乎未得到改善。但是，当Ec值超过0时，未生成共晶碳化物，并且观察到滚动疲劳寿命的显著改善。但是，当Ec值超过0.25时，由于添加的C量变少，因此，不能确保淬火后的钢的强度，从而使滚动疲劳寿命降低。由以上可知，通过使Ec值为0＜Ec≤0.25，不会在钢中生成共晶碳化物，因此，滚动疲劳寿命特性提高。另外，即使Ec值在本发明的范围内、但C量在本发明的范围外的A-8以及即使Ec值在本发明的范围内、但Mn量在本发明的范围外的A-10，钢的强度降低，因此滚动疲劳寿命降低。
表2                试验结果
Figure BDA00001703806200141
在此，如上所述，通过限制Ec值来制备没有共晶碳化物的钢的理由在于，如上所述，如果共晶碳化物在钢中生成，则会以共晶碳化物为起点发生滚动疲劳，结果导致耐滚动疲劳寿命特性降低。
需要说明的是，在本发明中，即使是在利用模铸法制造的模铸材的情况下，也能够抑制共晶碳化物的生成，特别是提高滚动疲劳寿命的效果强，因此限定为模铸材。另外，当利用模铸法制造原材料时，能够应对从小截面到大截面的轴承产品的制造。
而且，在上述基本成分的基础上，还可以适当添加以下所示的各成分。
(A)选自Cu：0.005~0.5质量%、Ni：0.005~1.00质量%及Mo：0.01~0.5质量%中的一种或两种以上
Cu、Ni及Mo是提高淬透性和回火后的强度并且提高钢的滚动疲劳寿命特性的元素，可以根据需要的强度选择(即，选择Cu、Ni、Mo、Cu+Ni、Cu+Mo、Ni+Mo及Cu+Ni+Mo中的任意一种)添加。为了得到上述效果，Cu及Ni优选添加0.005质量%以上，Mo优选添加0.01质量%以上。但是，Cu、Mo超过0.5质量%而添加时或Ni超过1.00质量%而添加时，钢的切削性降低，因此，优选以上述值为上限来添加Cu、Ni、Mo。
同样地，在本发明的轴承钢中，为了提高强度或者提高钢的滚动疲劳寿命特性，在上述成分的基础上，还可以添加以下的成分。
(B)W：0.001~0.5质量%、Nb：0.001~0.1质量%、Ti：0.001~0.1质量%、Zr：0.001~0.1质量%及V：0.002~0.5质量%中的一种或两种以上
W、Nb、Ti、Zr及V均为提高淬透性和回火后的钢的强度并且提高钢的滚动疲劳寿命特性的元素，可以根据需要的强度选择(即，选择W、Nb、Ti、Zr、V、W+Nb、W+Ti、W+Zr、W+V、Nb+Ti、Nb+Zr、Nb+V、Ti+Zr、Ti+V、Zr+V、W+Nb+Ti、W+Nb+Zr、W+Nb+V、W+Ti+Zr、W+Ti+V、W+Zr+V、Nb+Ti+Zr、Nb+Ti+V、Nb+Zr+V、Ti+Zr+V、W+Nb+Ti+Zr、W+Nb+Ti+V、W+Nb+Zr+V、W+Ti+Zr+V、Nb+Ti+Zr+V及W+Nb+Ti+Zr+V中的任意一种)添加。为了得到上述效果，W、Nb、Ti及Zr分别优选以0.001质量%以上进行添加，V优选以0.002质量%以上进行添加。但是，当W及V超过0.5质量%而添加时，或Nb、Ti、Zr超过0.1质量%而添加时，钢的切削性降低，因此，优选以上述值为上限而进行添加。
(C)B：0.0002~0.005质量%
B是通过增大淬透性来提高回火后的钢的强度并且提高钢的滚动疲劳寿命特性的元素，可以根据需要来添加。为了得到该效果，优选以0.0002质量%以上进行添加。但是，超过0.005质量%而添加时，加工性变差，因此，B优选以0.0002~0.005质量%的范围进行添加。
在追加除基本成分以外的元素的情况下，可以采用(A)、(B)、(C)各元素组的任意组合。即，可以从任意一个元素组中选择元素来添加，也可以从任意的两个元素组中分别选择元素来添加，还可以从全部的元素组中分别选择元素来添加。
在本发明的轴承用模铸材中，上述以外的成分为Fe及不可避免的杂质。作为不可避免的杂质，可例示Sn、Sb、As、Ca等，但不限于这些。
将具有上述成分组成的轴承用模铸材利用真空熔炼炉或转炉以及脱气工序等公知的精炼法进行熔炼，接着，利用模铸法制成铸片。在本发明中，在利用共晶碳化物特别容易析出的模铸法来制成铸片的情况下，能够得到防止共晶碳化物生成的模铸材，因此，也能够实现特别难以利用连铸来制造的大型原材料的制造。
接着，对本发明的轴承用钢的制造方法进行说明。
利用热锻对上述的轴承用模铸材进行实体锻造(solid forging：将材料沿径向挤压而使长度伸长的锻造法)而制成方形截面的钢材(以下，称为方钢材(square steel bar))或圆形截面的钢材(以下，称为圆钢材(roundsteel bar))。然后，实施将该钢材顶锻(upsetting)成轴承的外圈(outer ring)或内圈(inner ring)等部件的形状的锻造等，制成轴承部件。在此，将轴承用模铸材一次性地实体锻造成方形截面或圆形截面的钢材，其理由在于，在利用模铸法制造的铸片的内部，容易发生粗大气孔(porosity)聚集的孔洞缺陷(cavity defect)等内部缺陷，因此通过热锻来使其减少。
在此，制成圆钢材或方钢材的锻造通过在1000~1350℃的加热温度下对模铸材进行加热而趁热进行。在加热温度低于1000℃时，对通过模铸法制造的铸片进行热锻时，锻造中的负荷增大，从而难以进行锻造。因此，需要进行再加热-再热锻，因而制造效率降低，从而导致制造成本增加。另外，在加热温度超过1350℃时，在铸片内发生局部熔融，从而使圆钢材或方钢材产生裂纹。基于以上的理由，将加热温度设定为1000℃以上且1350℃以下。
进而，在锻造时，需要进行锻造成形比为2.0以上的延伸。如上所述，在通过模铸法制造的铸片的内部，容易发生粗大气孔聚集的孔洞缺陷等内部缺陷，因此通过热锻来使其减少。为了得到该效果，优选使锻造成形比为2.0以上。在锻造成形比低于2.0的情况下，会存在粗大的孔洞缺陷等缺陷，因而在加工中，轴承钢产生内部裂纹。基于以上的理由，优选进行使锻造成形比为2.0以上的实体锻造。进一步优选的锻造成形比为2.5以上。不需要特别规定上限，就实际而言为8.0以下。
需要说明的是，锻造成形比是指JIS G 0701中记载的实体锻造的锻造成形比。即，表示锻造前的截面积A与锻造后的截面积a之比A/a。
在此，为了应对风力发电机、输送机械及其他一般产业机械的大型化，在钢材阶段的尺寸也需要进行大型化。例如，在风力发电机的轴承外圈中，也有外径超过3m的外圈。为了加工成这种大型轴承，作为用于加工的原材料的钢材的尺寸当然也需要进行大型化。因此，在本发明中，就制成圆形截面或方形截面的钢材时的尺寸而言，在方钢材的情况下，优选短边尺寸为400mm以上，在圆钢材的情况下，优选直径为400mm以上。
另外，对于与模铸材的延伸方向垂直的截面的短边尺寸而言，如果在实体锻造为方钢材时比与该方钢材的延伸方向垂直的截面的长边尺寸小，或者在延伸为圆钢材时比该圆钢材的直径小，则在锻造时铸片发生压曲，从而导致锻造效率降低，并且导致制造成本增加。因此，与模铸材的延伸方向垂直的截面的短边尺寸优选比延伸后的钢材的短边尺寸(在方钢材的情况下)或直径(在圆钢材的情况下)大。
实施例
[实施例1]
利用转炉精炼及脱气工序对具有表3所示的成分组成的钢进行熔炼，接着利用模铸法制成表4所示的尺寸的锭。将该锭装入到加热炉中并加热至1000~1350℃，然后，锻造至表4所示的截面尺寸。对该锻造品如下调查共晶碳化物的有无及滚动疲劳寿命特性。
[共晶碳化物的有无]
共晶碳化物的有无通过如下方式进行调查：从锻造后的钢片的(T1/2，T2/2)部(中心部)及(T1/2，T2/4)部(T1=T2为方形锻造后的钢片的边长：图2)或者D/4部及D/2部(D为圆形锻造后的钢片的直径：图4)以使延伸方向截面成为观察面的方式裁取显微组织观察用试样，用3%硝酸乙醇溶液(nital)进行腐蚀，然后，利用扫描电子显微镜(SEM)在500倍的倍率下进行观察，调查共晶碳化物的有无。需要说明的是，受检面积设为10mm×10mm。在此，试验片分别从锻造后的钢片的相当于模铸材的底侧的部分裁取。
[耐滚动疲劳寿命特性]
滚动疲劳寿命特性优选实际进行锻造、切削、淬火、回火并且实际使用后评价，但这样在评价上需要较长时间。因此，滚动疲劳寿命特性的评价如下利用推力型滚动疲劳寿命试验机(thrust type rollingcontact fatigue machine)来进行评价。从锻造后的钢片的(T1/2，T2/4)部(T1=T2为方形锻造后的钢片的边长：图3)或者D/4部(D为圆形锻造后的钢片的直径：图5)切下的圆盘，加热到950℃，然后保持20分钟，利用25℃的油进行淬火。然后，进行加热到170℃后保持1.5小时的回火，直到形成
Figure BDA00001703806200182
的圆盘为止进行平面研磨(flat polish)，将试验面精加工成镜面。对于这样得到的试验片，利用推力滚动疲劳试验机，使钢球在直径约为38mm的圆周上滚动，并且施加5.8GPa的最大赫兹接触应力(maximum Hertzian contact stress)，供于滚动疲劳试验。在此，试验片分别从锻造后的钢片的相当于模铸材的底侧的部分裁取。
滚动疲劳寿命特性的评价如下进行。对10片~15片试验片求出直到试验片发生剥离为止的应力负荷次数，使用威布尔概率纸(Weibullprobability paper)以累积破损概率(cumulative probability)与应力负荷次数的关系进行整理。然后，求出累积破损概率10%(以下，表示为B10寿命)。在该B10寿命相对于基准钢(A-1：SUJ2相当钢)提高10%以上的情况下，判断为滚动疲劳寿命特性提高。
[切削性]
切削性优选实际进行锻造、切削、淬火、回火并且实际进行加工后评价，但这样在评价上需要较长时间。因此，切削性的评价如下通过外圆切削试验来进行评价。从锻造后的钢片的(T1/2，T2/4)部(T1=T2为方形锻造后的钢片的边长：图6)或者D/4部(D为圆形锻造后的钢片的直径：图7)切下的圆棒，加热到950℃，然后保持20分钟，利用25℃的油进行淬火。然后，进行加热到170℃后保持1.5小时的回火。利用外圆切削试验机对这样得到的试验片进行切削性的评价。外圆切削试验使用超硬(P10)的切削工具，在无润滑材料且切削速度为120mm/分钟、进给速度为0.2m/rev、切削深度为1.0mm的条件下进行，以直到工具的后面磨损量达到0.2mm为止的时间作为工具寿命来进行调查。将各钢的工具寿命分别除以基准钢(A-1：SUJ2相当钢)的工具寿命的值，由此来评价寿命的降低程度(工具寿命比=工具寿命/SUJ2相当钢的工具寿命)。在该工具寿命比相对于基准钢提高15%以上的情况下，判断为切削性提高。
Figure BDA00001703806200201
表4    铸锭、锻造后的钢片尺寸
Figure BDA00001703806200211
*1：○表示圆形锻造，□表示方形锻造
*2：圆形锻材表示直径，方形锻材表示边长
表5中示出了共晶碳化物的有无、滚动疲劳寿命特性及切削性试验的结果。可知，满足根据本发明的成分组成及Ec值的B-1~B-2、B-4~B-5、B-7、B-12~B-18及B-20~B-28的钢，钢中不存在共晶碳化物，并且具有良好的滚动疲劳寿命特性。与此相对，可知，即使成分组成在本发明的范围内、但Ec值不满足本发明范围的B-3、B-6及B-11的钢，钢中存在共晶碳化物，滚动疲劳寿命降低。另外可知，成分组成不满足本发明范围的B-8~B-10、B-19及B-30~B-33的钢，滚动疲劳寿命降低。进而，B-23~B-25为成分组成在本发明范围内、锻造成形比低于2.0的情况，另一方面，B-26~B-28为成分组成在本发明范围内且锻造成形比为2.0以上的发明例。将B-23~B-25与B-26~B-28进行比较，可知，通过使锻造成形比为2.0以上，滚动疲劳寿命特性进一步提高。可知，Ec值在本发明范围内、但Cr量在本发明范围外的B-29的钢，切削性不充分。
表5            试验结果
Figure BDA00001703806200231
产业上的可利用性
根据本发明，能够廉价地制造滚动疲劳寿命特性优良的轴承用模铸材，并且能够提高产业上价值非常高的轴承钢。

Claims (8)

1.一种轴承用模铸材，作为其成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成，
而且由下述(1)式定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25，
Ec=(-0.07×[%Si]-0.03×[%Mn]+0.04×[%Cr]-0.36×[%Al]+0.79)-[%C]……(1)
其中，[]表示括号内各成分的含量(质量%)。
2.如权利要求1所述的轴承用模铸材，其中，在上述成分组成的基础上，还含有选自Cu：0.005质量%以上且0.5质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下及Mo：0.01质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
3.如权利要求1或2中任一项所述的轴承用模铸材，其中，在上述成分组成的基础上，还含有选自W：0.001质量%以上且0.5质量%以下、Nb：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Ti：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Zr：0.001质量%以上且0.1质量%以下及V：0.002质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
4.如权利要求1~3中任一项所述的轴承用模铸材，其中，在上述成分组成的基础上，还含有B：0.0002质量%以上且0.005质量%以下。
5.一种轴承用钢的制造方法，利用模铸法对钢锭进行铸造而制成模铸材，将该模铸材加热至1000~1350℃，然后，进行锻造成形比为2.0以上的热锻，制成短边尺寸为400mm以上的方形截面或直径为400mm以上的圆形截面的钢材，其中，
作为所述钢锭的成分组成，含有C：0.56质量%以上且0.70质量%以下、Si：0.15质量%以上且低于0.50质量%、Mn：0.60质量%以上且1.50质量%以下、Cr：0.50质量%以上且1.10质量%以下、P：0.025质量%以下、S：0.025质量%以下、Al：0.005质量%以上且0.500质量%以下、O：0.0015质量%以下及N：0.0030质量%以上且0.015质量%以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成，
而且所述钢锭的由下述(1)式定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25，
Ec=(-0.07×[%Si]-0.03×[%Mn]+0.04×[%Cr]-0.36×[%Al]+0.79)-[%C]……(1)
其中，[]表示括号内各成分的含量(质量%)。
6.如权利要求5所述的轴承用钢的制造方法，其中，所述轴承用钢在具有上述成分组成的基础上，还含有选自Cu：0.005质量%以上且0.5质量%以下、Ni：0.005质量%以上且1.00质量%以下及Mo：0.01质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
7.如权利要求5或6中任一项所述的轴承用钢的制造方法，其中，所述轴承用钢在具有上述成分组成的基础上，还含有选自W：0.001质量%以上且0.5质量%以下、Nb：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Ti：0.001质量%以上且0.1质量%以下、Zr：0.001质量%以上且0.1质量%以下及V：0.002质量%以上且0.5质量%以下中的一种或两种以上。
8.如权利要求5~7中任一项所述的轴承用钢的制造方法，其中，所述轴承用钢在具有上述成分组成的基础上，还含有B：0.0002质量%以上且0.005质量%以下。
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