CN103189535B - 球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢 - Google Patents

球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢，其通过将钢组成设成以质量％计含有C：0.85～1.10％、Si：0.30～0.80％、Mn：0.90～2.00％、P：0.025％以下、S：0.02％以下、Al：0.05％以下、Cr：1.8～2.5％、Mo：0.15～0.4％、N：0.0080％以下以及O：0.0020％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，从而在氢侵入的环境下也能有效地抑制WEA的生成，提高滚动疲劳寿命，而且还一并改善了坯料的切削性、锻造性等加工性。

Description

球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢
技术领域
本发明涉及一种球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢，其能够抑制在汽车、风车以及产业机械等的通用轴承钢（JIS-SUJ2）制轴承中成为问题的、源自氢引起的白色组织的轴承损伤，并且抑制合金添加量而使坯料的加工性向SUJ2看齐。
背景技术
由于轴承是要求优异的滚动疲劳寿命的部件，所以一直以来在进行有关提高滚动疲劳的各种研究。作为轴承部件可举出汽车交流发电机用轴承等。作为轴承的滚动疲劳破损的主要因素，已知在轴承滚动接触部正下方生成被称为白色组织的组织变化，发生龟裂并发展，从而引起疲劳破损。
在此，白色组织被分为如下三种：
(1)相对于滚动接触部不具有特定的方位关系，不规则地生成的白色组织（以下称为WEA）；
(2)在非金属夹杂物的周边以45°方向生成的白色组织（以下称为蝴蝶（Butterfly））；
(3)相对于滚动接触部具有约80°和约30°的方位关系的白色组织（以下称为白亮带（Whiteband））。
尤其是生成WEA时，将会在比预想的轴承寿命更短的时间内发生疲劳破损，所以强烈需要其对策。
如专利文献1所述，WEA的发生机理认为是轴承中所使用的润滑油或侵入到轴承的水因摩擦化学反应发生分解而生成氢，该氢向钢中侵入、蓄积而被促进的。
作为抑制这样的WEA的生成的方法，例如专利文献2中提出了提高Cr以及N添加量来增加残余奥氏体量的方法，在专利文献3中提出了添加Ni或同时添加Ni和Mo的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-255399号公报
专利文献2:日本特开2007-262449号公报
专利文献3:日本特开2002-60904号公报
发明内容
另一方面，制造轴承时，对轴承坯料进行切削加工等而实施，所以具有优异的切削加工性也是对轴承钢要求的重要的特性之一。然而，上述的专利文献所述的技术中，关于切削等的加工性完全没有考虑或者仅给予了通常程度的考虑。
本发明是鉴于上述的现状进行的，目的在于提供一种球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢，其在从润滑油等侵入氢的环境下也能有效地抑制WEA的生成，提高滚动疲劳寿命，而且还一并改善了坯料的切削性、锻造性等加工性。
由此，发明人等为了开发出维持与通用钢JISSUJ2同等的切削性的基础上耐氢疲劳特性比SUJ2还良好的钢材，进行了深入的研究。
下面对该研究成果进行说明。并且，以下的说明中，钢中的元素的含量（％）均指质量％。
首先，对于分别改变Si、Cr以及Mo量的钢，调查了充氢后的滚动疲劳寿命B10。基础钢为0.9％C－1％Mn－0.016％P－0.008％S－0.025％Al－0.003％N－0.0015％O。并且，为了进行比较，对相当于通用钢SUJ2的钢（1.05％C－0.25％Si－0.45％Mn－0.016％P－0.008％S－0.025％Al－1.45％Cr－0.003％N－0.0010％O），也调查了滚动疲劳寿命B10。在此，试验片的制作条件以及滚动疲劳试验条件如同后述的实施例所记载。
对于上述各钢，将得到的滚动疲劳寿命B10除以相当于SUJ2的钢的滚动疲劳寿命B10的值，评价相对于通用钢的寿命提高度（B10寿命比＝B10寿命／相当于SUJ2的钢的B10寿命）。
图1中示出以Si含量为横轴、以B10寿命比为纵轴进行整理的结果。
由图1可知，Cr含量为1.8％以上且将Mo含有0.15％的钢中，当Si含量为0.3％以上时，B10寿命比提高到4倍以上。相对于此，Cr含量为1.7％时，即使将Mo添加0.15％且使Si为0.3％以上，也几乎确认不到B10寿命的提高。另外，即使Cr含量为1.8％以上，在Mo含量为0％的钢中将Si添加0.3％以上也不能确认到B10寿命的提高。
另外，观察剥离后的组织的结果，在剥离的部分上观察到了WEA，明确了剥离均以WEA为起因。
由以上可知，通过使Cr含1.8％以上，使Si含0.3％以上，使Mo含0.15％以上，能够推迟WEA的发生，可提高滚动疲劳寿命。
接着，对进行了上述滚动疲劳寿命的调查的钢，分别通过外周旋削试验进行了切削性的调查。试验条件的详细如同后述的实施例的情况，测定刀具的后刀面磨损量成为0.2mm为止的时间（以下称为刀具寿命）。该时间长则方可判断为切削性良好。并且，通过将各种钢的所得到的刀具寿命除以相当于SUJ2的钢的刀具寿命的值，评价相对于通用钢的刀具寿命的提高度（刀具寿命比＝刀具寿命／相当于SUJ2的钢的刀具寿命）。
图2中示出以Si含量为横轴、以刀具寿命比为纵轴进行整理的结果。
如图2所示，滚动疲劳寿命B10呈高值的1.8％Cr－0.15％Mo钢、以及2.5％Cr－0.15％Mo钢，在Si含量超过0.8％时，刀具寿命急剧下降。另外，2.7％Cr－0.15％Mo钢不论Si含量如何，刀具寿命呈低值。
由以上可知，在含Mo的钢中，通过使Cr含量为2.5％以下、Si含量为0.8％以下，能够确保与通用钢SUJ2相同的切削性。
本发明是在以上的见解上进一步结合对可确保切削性的Mo含量、混入氢时的滚动疲劳寿命、与切削性相关的其他成分元素的影响的调查结果而完成的，其要旨构成如下所述。
1．一种轴承钢，以质量％计含有：
C：0.85～1.10％、
Si：0.30～0.80％、
Mn：0.90～2.00％、
P：0.025％以下、
S：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：1.8～2.5％、
Mo：0.15～0.4％、
N：0.0080％以下以及
O：0.0020％以下，
剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
2．如上述1所述的轴承钢，其中，上述轴承钢以质量％计还含有选自
Ti：0.01％以下、
Ni：0.10％以下、
Cu：0.10％以下以及
B：0.0010％以下
中的1种或2种以上。
根据本发明，可得到不仅切削等加工性优异，而且耐氢疲劳特性与以往的轴承钢相比显著优异的轴承用钢，其结果，有助于轴承的滚动疲劳寿命的提高，在产业上带来有益的效果。
附图说明
图1是表示Si、Cr、Mo量对滚动疲劳寿命B10的影响的坐标图。
图2是表示Si、Cr、Mo量对刀具寿命的影响的坐标图。
具体实施方式
下面对本发明的轴承钢进行具体的说明。
首先，对将本发明的轴承钢的成分组成限定为上述的范围的理由进行说明。并且，在以下的说明中，各元素的含量（％）表示质量％。
C：0.85～1.10％
C是确保淬火回火后的硬度、使轴承的滚动疲劳寿命确保在高水平所必需的元素，因此需要含有0.85％以上。然而，C含量超过1.10％则残留粗大的碳化物，导致滚动疲劳寿命的下降。因此，将C含量设为0.85～1.10％的范围。
Si：0.30～0.80％
Si对耐氢疲劳特性的提高有效，本发明中是对确保混入氢的情况下的滚动疲劳寿命特别重要的元素。为了显现上述的效果，至少需要0.30％的Si，但Si含量超过0.80％则切削性变差。因此，将Si含量设为0.30～0.80％的范围。更优选的下限为0.40％。
Mn：0.90～2.00％
Mn是确保淬火回火后的硬度、将轴承的滚动疲劳寿命确保在高水平所必需的元素，因此需要含有0.90％以上。另一方面，Mn含量超过2.00％则将导致切削性的下降。因此，将Mn含量设为0.90～2.00％，优选设为0.90～1.35％的范围。更优选设为0.90～1.15％的范围。
P：0.025％以下
P在奥氏体的晶粒间界上进行偏析，降低晶粒间界强度，从而助长淬火时发生淬火开裂。因此，优选尽量减少其含量，但0.025％以下则可容许。优选为0.020％以下。工业上P以超过0％的量被含有，但若可能则优选0％。
S：0.02％以下
S在钢中形成MnS，提高切削性，所以可以添加，但超过0.02％地添加则将有可能成为滚动疲劳试验中的破损起点，降低滚动疲劳强度，所以添加0.02％以下。优选0.01％以下。只要在S：0.0003％以上就能够得到由形成MnS带来的上述效果。
Al：0.05％以下
Al是对脱氧有效的用于低氧化的有用元素，但钢中存在的Al氧化物会降低滚动疲劳特性，所以优选不进行必要以上的添加。因此，将Al添加0.05％以下。脱氧后残留的Al量最小可抑制到0.004％左右。
Cr：1.8～2.5％
Cr是对抑制白色组织（WEA）的生成有效的元素，是本发明中的特别重要的元素。如同上述图1所示，当Cr添加量不足1.8％时，通过抑制氢气氛下的白色组织的生成而获得的滚动疲劳寿命的提高效果将变不足，另一方面，超过2.5％地添加则不仅成本提高，还会导致切削性的显著变差。因此，将Cr添加量设为1.8～2.5％的范围。
Mo：0.15～0.4％
Mo是对抑制白色组织（WEA）的生成有效的元素，是本发明中的重要的元素。当Mo添加量不足0.15％时，通过抑制氢气氛下的白色组织的生成而获得的滚动疲劳寿命提高效果将变不足，另一方面，超过0.4％地添加则不仅成本提高，还会使切削性显著变差。因此，将Mo添加量设为0.15～0.4％的范围。
N：0.0080％以下
N具有与Al、Ti形成氮化物或碳氮化物，在为了淬火而进行加热时抑制奥氏体的生长的效果，另一方面，粗大的氮化物、碳氮化物将会引起滚动疲劳寿命的下降，因此，将N添加量设为0.0080％以下。优选0.0060％以下。只要N：0.0015％以上就能够得到因形成氮化物、碳氮化物而引起的上述效果。
O：0.0020％以下
O作为硬质的氧化物系非金属夹杂物存在，O量的增大将使氧化物系非金属夹杂物的尺寸粗大化。这些特别是对滚动疲劳特性有害，所以优选尽量减少，至少需要减少至0.0020％以下。优选减少至0.0010％以下。工业上O将以超过0％的量被含有，但若可能则优选设为0％。
以上对基本成分进行了说明，但除此以外本发明中还可以适宜添加以下所示的各元素。
Ti：0.01％以下
Ti通过与N结合而成为TiN，从而在奥氏体区域发挥钉扎效应，其具有抑制晶粒生长的效果，但大量添加则因TiN大量析出而降低滚动疲劳寿命，所以将Ti添加0.01％以下。为了得到上述效果，优选添加0.003％以上。
Ni：0.10％以下
Ni是提高淬火性的元素，所以调整淬火性时可使用。另一方面，Ni是高价元素，添加量过多则钢材价格变高，因此，将Ni添加0.10％以下。为了得到上述效果，优选添加0.03％以上。
Cu：0.10％以下
Cu是提高淬火性的元素，但超过0.1％地添加则有可能阻碍热加工性，所以将Cu添加0.1％以下。为了得到上述效果，优选添加0.03％以上。
B：0.0010％以下
B是提高淬火性的元素，所以调整淬火性时可使用。然而，即使超过0.0010％地添加，其效果也已饱和，所以将B添加0.0010％以下。为了得到上述效果，优选添加0.0003％以上。
另外，本发明的轴承钢中，上述以外的成分为Fe和不可避免的杂质。
对于作为上述的成分组成的轴承钢的制造方法没有特别限定，可使用以往的公知方法来制造。
即，使用转炉、脱气设备等进行熔炼后，进行铸造而得到铸片，将该铸片经由扩散退火、轧制或锻造成型工序，制成规定尺寸的钢材。对该钢材实施球化退火，制成轴承部件加工用坯料。
另外，若例示特别优选的制造条件则如下所述。
球化退火优选的是实施在750～820℃下保持4～16小时左右，以8～20℃/h左右缓冷至650℃左右的处理。球化退火后的加工用坯料的组织优选包含铁素体以及球状渗碳体，维氏硬度优选为180～250左右。
将上述加工坯料加工成轴承部件的形状后，进行淬火和回火，成为轴承部件。并且，可根据需要，在淬火回火后加工成最终精度的部件形状。
淬火优选的是实施在800～950℃保持15～120分钟左右后，通过油淬火、水淬火等进行急冷处理。回火处理优选的是在150～250℃、30～180分钟左右的条件下进行。淬火回火后的轴承用钢（轴承部件）优选到达内部为止含有回火马氏体且以面积率计含有90％左右以上。并且，维氏硬度优选为700～800左右。
实施例
将表1所示的成分组成的钢锭（30kg）进行真空熔炼，进行1250℃、30小时的扩散退火后，锻造成的圆棒，接着，进行990℃、2小时的正火后，在785℃保持10小时，其后，以15℃／h进行缓冷，由此实施了球化退火。
从球化退火后的钢粗加工出直径：60mm、厚：5.5mm的疲劳试验片。将得到的粗加工试验片在840℃保持30分钟后进行油淬火，进一步进行180℃、2小时的回火。将回火后的粗加工试验片精加工为直径：60mm、厚：5.0mm的试验片。对精加工后的试验片进行了充氢。充氢是通过在50℃的20％硫氰化铵（NH4SCN）水溶液中保持24小时而进行的。该条件下，对通用钢SUJ2（表1中的No.1钢），通过升温式氢分析测定600℃为止的氢量，从而确认了钢中已侵入有0.5massppm的氢。
对得到的试验片，使用推力型滚动疲劳试验机，在上述的充氢后的30分钟以内实施试验，进行了模拟氢环境下的使用的滚动疲劳试验。该试验是在赫兹应力：3.8GPa、应力负载速度：3600cpm、透平油（FBKturbine68、JXNipponOil&EnergyCorporation制）润滑（室温）的条件下实施的。对各钢种类，每个进行10次的试验，实施利用威布尔图的整理，求出了累积破损概率成为10％的B10寿命。
对于各钢，将得到的滚动疲劳寿命B10除以相当于SUJ2的钢的滚动疲劳寿命B10的值，评价相对于通用钢的寿命的提高程度（B10寿命比＝B10寿命／相当于SUJ2的钢的B10寿命）。
另外，对于球化退火后的钢，进行外周旋削试验，进行了切削性的调查。外周旋削试验是使用超硬（P10）的切削刀具，不存在润滑剂的情况下以切削速度：120m/min、移动速度：0.2mm/rev、切割深度：1.0mm进行的。将刀具的后刀面磨损量成为0.2mm的时间作为刀具寿命。对各钢，将得到的刀具寿命除以相当于SUJ2的钢的刀具寿命的值，评价相对于通用钢的寿命的下降程度（刀具寿命比＝刀具寿命／相当于SUJ2的钢的刀具寿命）。
将得到的结果一并示于表1。
由表1的发明例可知，相对于以往例（No.1；相当于SUJ2的钢），满足本发明的要件的钢的滚动疲劳寿命B10为4倍以上，耐氢疲劳特性优异。另外，由发明例可知，满足本发明的要件的钢的刀具寿命是以往例的0.9倍以上，具有与以往的钢基本同等的切削性。
相对于此，在本发明的成分组成范围外的比较例，滚动疲劳寿命B10或刀具寿命中的任一个均比发明例差。
产业上的利用可能性
根据本发明，通过在钢成分中，特别是将Cr、Mo以及Si含量控制在适宜的范围，能得到不仅切削等加工性优异且耐氢疲劳特性较之以往的轴承钢显著优异的轴承用钢。其结果，能够大幅提高轴承的滚动疲劳寿命，在产业上带来很大的效果。

Claims (2)

1.一种轴承钢，以质量％计含有
C：0.85～1.10％、
Si：0.30～0.80％、
Mn：0.90～2.00％、
P：0.025％以下、
S：0.02％以下、
Al：0.05％以下、
Cr：2.01～2.5％、
Mo：0.15～0.4％、
N：0.0080％以下以及
O：0.0020％以下；
剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
2.如权利要求1所述的轴承钢，其中，所述轴承钢以质量％计还含有选自
Ti：0.01％以下、
Ni：0.10％以下、
Cu：0.10％以下以及
B：0.0010％以下
中的1种或2种以上。
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