CN103261450A - 高碳铬轴承钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种制造方法，其将被处理材料在渗碳气氛中加热至高于Ac1相变点的温度，接着一边保持渗碳气氛一边以70℃/Hr以下缓慢冷却至满足下述(1)式的温度T，然后在氧化气氛中进行冷却，Ar1-20≥T(℃)≥300℃(1)。根据该方法，可以使用热制管后的钢管有效地制造钢材表面的脱碳层或过渗碳层深度处于0～0.2mm的范围内的切削费用少的切削性优异的高碳铬轴承钢。

Description

高碳铬轴承钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及用作轴承的原材料的切削性优异的高碳铬轴承钢及其制造方法。
只要不另外记载，则本说明书中的用语的定义如下所述。
“渗碳”：指的是通过气体渗碳等处理从钢材表面渗透碳。
“脱碳”：指的是由于热处理等而钢材表层部的碳浓度与母材的碳浓度相比减少。
“二次增碳”：指的是对由于脱碳而碳浓度减少的部分进行渗碳，恢复到脱碳前的状态。
“过渗碳”：指的是由于二次增碳过度进行而渗碳过度进行，钢材表面的碳浓度超过母材的碳浓度。
“%”：表示对象物(高碳铬轴承钢)中含有的各成分的质量百分率。
背景技术
轴承中使用的轨道轮由于局部反复受到大的表面压力而要求耐磨耗性。这种轴承的轨道轮使用JIS G4805中规定的高碳铬轴承钢。该钢，实施了提高母材的碳含量、将碳化物球化的热处理(球化退火处理)，发挥与硬的钢表面良好的滑动特性、切削性。
上述高碳铬轴承钢由于母材的碳含量高，因此，加热至高温时只要没有特别控制炉内气氛则其表面会脱碳。这种轴承钢类钢材，由于在铸造-开坯-热制管的工序中，通常在脱碳性气氛中加热至高温，因此即使在轧制加工(冷轧、冷拔)后，在钢材表面也残留脱碳层。
对于高碳铬轴承钢，实施切断、切削、淬火等加工，供于用作轨道轮等部件，但是若切削后还存在脱碳层，则在脱碳层部分得不到规定的强度、组织，导致滑动性的劣化。因此，脱碳层深的情况下，还在切断前通过磨削等手段去除脱碳层，但是会由于工时的增加、收率的降低等而制造成本大幅增加。
作为其解决方法，公开了通过气氛控制来使脱碳层二次增碳的热处理方法。例如专利文献1中记载了高温的奥氏体区域的渗碳。即，公开了一种球化退火方法，其将轴承钢或过共析钢作为对象，在球化退火的加热曲线的初期，加热至Acm相变点以上的奥氏体(γ)区域进行渗碳处理，可以防止以往的球化退火中产生的脱碳。
与此相对，专利文献2、专利文献3中记载了铁素体区域的渗碳。专利文献2中公开了一种高碳铬轴承钢的渗碳-热处理方法，明确了与高温的γ相相比低温的α相的情况下，碳的扩散速度显著快，即使α相区域也能充分二次增碳，并且在进行球化退火时，在A1相变点以下的720～700℃的温度区域采用渗碳气氛，同时进行脱碳层的二次增碳和球化。
另外，专利文献3中公开了一种热处理方法，其通过对被处理材料的抽出温度、抽出部的气氛气体流速和炉内压力、冷却速度、A1相变点以下且500℃以上的温度区域中气氛的(CO)2/CO2值进行控制，防止煤烟的产生，可以通过二次增碳来实现脱碳层的降低。
另一方面，专利文献4中记载了通过气体渗碳和碳扩散来控制脱碳水平。即，公开了一种高碳铬轴承钢的脱碳抑制方法，其在气氛退火炉中进行球化的同时进行二次增碳及过渗碳，然后在直火式退火炉中继续进行球化的同时，充分进行过渗碳部分的剥落和碳的扩散，由此控制脱碳水平。
专利文献5中记载了除氧化皮后的二次增碳。即公开了一种高碳铬轴承钢钢管切环的二次增碳处理方法，其在渗碳气氛中的热处理之前，通过除氧化皮处理去除氧成分而形成易二次增碳的状态，然后，通过在渗碳气氛中进行退火，进行二次增碳或过渗碳。
进而，专利文献6、专利文献7中记载了通过去除氧化皮中的氧成分或去除氧化皮来防止脱碳。专利文献6中公开了一种钢材的热处理方法，其在最终加热之前，控制气氛的(CO)2/CO2来去除氧化皮中的氧成分，在最终热处理中进行既不实行二次增碳也不实行脱碳的气氛控制。另外，专利文献7中公开了一种防止钢管内表面脱碳的方法，其在使用直火式热处理炉对钢管实施球化退火时，去除氧化皮后，密闭两管端来进行退火。认为这是为了，被处理材料内表面不与炉内气氛气体反应地进行被处理材料内部的碳扩散。
专利文献8中记载了通过涂布石墨来防止内表面脱碳。即，公开了一种防止钢管的内表面脱碳的方法，其在脱碳性气氛炉对钢管进行热处理时，将石墨和高温下不易燃烧的液体的混合物涂布到管内表面，由此升高管内表面的碳势而进行二次增碳。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平2-54717号公报
专利文献2：日本特开平3-126858号公报
专利文献3：日本特开平5-148611号公报
专利文献4：日本特开平4-136117号公报
专利文献5：日本特开2003-27144号公报
专利文献6：日本特开2000-319723号公报
专利文献7：日本特开平5-78734号公报
专利文献8：日本特开平3-2327号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，利用前述的专利文献1中公开的方法时，若在γ区域对钢进行长时间加热，则奥氏体晶粒粗化，存在得不到均匀分散的球状碳化物的问题。
利用专利文献2中记载的方法时，作为渗碳性气体使用CO、H2、CO2和N2的混合气体，但是该气体组成的控制是困难的、并且成本高。在高于A1相变点的温度区域也形成渗碳气氛、在N2气氛中进行冷却的情况下，硬度高的过渗碳层变深，在轴承制造时的切削工序中切削效率降低。另外，利用专利文献3中记载的控制气氛的(CO)2/CO2值的方法时，在碳浓度高、为0.6%以上的情况下，钢材的碳势升高，因此难以二次增碳，脱碳层深的情况下二次增碳不充分。
利用专利文献4中记载的方法时，在气氛退火炉进行二次增碳，但是管坯的脱碳层的碳浓度为0.5%以下、脱碳大的情况下，气氛退火炉中的二次增碳不充分，即使利用直火式退火炉中的碳的扩散，脱碳也得不到抑制。
利用预先通过除氧化皮而形成易二次增碳的状态的专利文献5中记载的方法时，特别是管坯的脱碳层浅的情况下，过渗碳层变深，加工时的切削效率降低。另外，利用控制气氛的(CO)2/CO2来去除氧化皮中的氧成分的专利文献6中记载的方法时存在如下问题：管坯的氧化皮厚的情况下，不能去除氧化皮中的氧成分，管坯的脱碳层深的情况下，即使去除氧化皮的氧成分，最终热处理后也会残留脱碳层。
利用专利文献7中记载的方法时，由于盖上密闭塞，存在工时增加的问题。另外，脱碳层深的情况下，为了通过碳扩散进行二次增碳而需要长时间的退火，热处理工序效率变低。利用专利文献8中记载的方法时，对管内表面涂布石墨和高温下不易燃烧的液体的混合物需要很多工时、费用，而且对于小直径的钢管而言，难以涂布到内表面。
如此，仍然存在未充分进行二次增碳而残留脱碳层的问题，另一方面，还存在由于二次增碳过度进行而产生硬度高的过渗碳层，对高碳铬轴承钢施加切断、切削、淬火等加工时，切削工具的寿命变短的问题。另外，还存在不能避免工时、费用的增加的问题。
本发明是基于现有技术中的上述问题进行研究后而提出的，其目的在于，提供有效制造用作轴承的原材料的切削性优异的高碳铬轴承钢的方法、以及利用该方法制造的高碳铬轴承钢，该方法没有下述问题：二次增碳不充分而残留很多脱碳层、或二次增碳过度进行而存在厚的过渗碳层。
用于解决问题的方案
本发明人等为了解决上述问题而进行了深入地研究，结果确认，通过对热制管后的钢管采用以下的手段，可以消除以往提出的方法中的问题。
即，制造高碳铬轴承钢时，将热制管后的钢管在渗碳气氛中加热至高于Ac1相变点(从低温加热的情况的A1相变点)的温度。然后一边保持渗碳气氛一边缓慢冷却至(Ar1相变点-20)℃以下的适当温度，促进脱碳层的渗碳而进行二次增碳。此时，存在渗碳过度进行而形成过渗碳的情况。接着，通过以氧化气氛进行冷却，将脱碳层或过渗碳层的深度控制在适当范围。前述(Ar1相变点-20)℃以下的适当温度根据从铸造到热制管的工艺中产生的脱碳的程度进行规定。
根据该方法，通过根据被处理材料(热制管后的钢管)的脱碳的程度调整氧化气氛中开始冷却的温度，能够促进二次增碳或抑制过渗碳，以及能够将脱碳层深度或过渗碳层深度控制在适当范围。因此，可以消除以往提出的方法中的问题，即过渗碳层变深(前述专利文献2、5中记载的方法)，二次增碳不充分而残留脱碳层(专利文献3、4、6中记载的方法)，热处理工序效率变低(专利文献7中记载的方法)，需要很多工时、费用(专利文献8中记载的方法)等问题，可以有效地制造同时进行球化和二次增碳、脱碳层深度被控制在0～0.2mm的范围内、另外过渗碳层深度被控制在0～0.2mm的范围内(即，对于钢管而言通常容许的脱碳层深度的范围)、切削费用少而易切削、切削性优异的高碳铬轴承钢。
另外，本发明中所称的高碳铬轴承钢指的是以JIS G4805的SUJ1～5为代表的碳的含量多的高碳铬钢，进而根据需要含有Mo、W和V中的一种或两种以上的钢也可以作为对象。
本发明的宗旨在于，下述(1)的高碳铬轴承钢的制造方法以及下述(2)～(3)的高碳铬轴承钢。
(1)一种高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于，其将被处理材料在渗碳气氛中加热至高于Ac1相变点的温度，接着一边保持渗碳气氛一边以70℃/Hr以下缓慢冷却至满足下述(1)式的温度T，然后在氧化气氛中进行冷却，
Ar1-20≥T(℃)≥300℃     (1)
在此，“Ac1”指的是从低温加热的情况下，从铁素体(α)和渗碳体(θ)的两相区域转变成奥氏体(γ)和渗碳体的两相区域的A1相变点。另外，“Ar1”指的是从高温冷却的情况下，从奥氏体和渗碳体的两相区域转变成铁素体和渗碳体的两相区域的A1相变点。
前述“被处理材料”指的是高碳铬轴承钢的制造过程中，熔解、铸造后，通过各种热制管法(挤出制管、冲压制管、满乃斯曼制管等)得到的管坯。
(2)一种高碳铬轴承钢，其特征在于，其通过前述(1)所述的方法制造，并且含有C：0.6～1.5%、Cr：0.5～5.0%、Si：1.0%以下、Mn：2.0%以下，剩余部分为Fe和杂质。
(3)前述(2)所述的高碳铬轴承钢，其特征在于，其含有Mo：1.0%以下、W：1.0%以下和V：1.0%以下中的一种或两种以上来替代Fe的一部分。
发明的效果
本发明的高碳铬轴承钢的制造方法为下述方法：在对热制管后的管坯进行球化退火的工序中，在渗碳气氛中促进二次增碳或过渗碳后，形成氧化气氛，由此控制脱碳层深度或过渗碳层深度。根据该方法，能够有效地制造切削费用少、能够抑制切削效率降低的切削性优异的本发明的高碳铬轴承钢。
附图说明
图1为表示本发明中采用的球化退火处理的加热曲线的一例的图。
图2为表示被处理材料的碳浓度的EPMA线性分析结果、即距被处理材料的外表面的距离与碳浓度的关系的图。
具体实施方式
本发明的高碳铬轴承钢的制造方法，如前文所述为以对热制管后的管坯的球化退火和此后的冷却的方式作为特征的制造方法，对于轴承钢的制造方法中的基本性的部分没有特别限制。即，以作为本发明的对象的高碳铬轴承钢的组成将钢熔解、铸造后，通过各种热制管法(挤出制管、冲压制管、满乃斯曼制管等)形成管坯，对该管坯实施本发明中规定的球化退火。在球化退火的之前之后的工序中，可以进行除氧化皮、其它的热处理、冷加工。
本发明的制造方法中，在渗碳气氛中进行球化退火处理是为了促进依赖于钢材的碳势和直到热制管的工艺而产生的脱碳层的渗碳，进行二次增碳，但是此时也存在渗碳过度进行而变成过渗碳的情况。
对于用于形成渗碳气氛的气氛气体的控制方法没有特别限制。作为气氛气体的例子，可列举出仅使用吸热型转换气(RX气体)的方法、在RX气体中混合放热型转换气(NX气体)而成的CO-CO2-H2-H2O-N2系气体的方法等。
仅使用RX气体形成渗碳气氛的情况下，用于产生必要的RX气体的燃料费用升高。另一方面，使用RX气体和NX气体的混合气体的情况下，与仅RX气体的气氛相比，碳势低，但是用于产生NX气体的燃料费用比RX气体低，因此比较廉价。通过两种气体的投入比，可以控制气氛气体的碳势。
本发明的高碳铬轴承钢的制造方法为下述方法：如此对热制管后的管坯，在渗碳气氛中加热、保持后，一边保持渗碳气氛一边进行缓慢冷却至满足前述(1)式的温度的球化退火处理，促进渗碳，然后在氧化气氛中冷却，由此控制脱碳层深度或过渗碳层深度。
球化退火处理可以为通常使用的任意一种方法。例如有(a)在刚低于A1相变点的温度下长时间保持的方法、(2)在刚高于和刚低于A1相变点的温度下重复加热的方法、(3)在刚高于A1相变点的温度下加热后缓慢冷却的方法。
图1为本发明中采用的球化退火处理的加热曲线的一例，相当于前述(c)的球化退火处理方法。
如图1所示，将被处理材料(热制管后的管坯)在渗碳气氛中加热至高于Ac1相变点的温度，并保持在该温度，接着在渗碳气氛中进行缓慢冷却至满足前述(1)式的温度T(也就是说，(Ar1-20)℃以下且300℃以上的范围内的温度)的球化退火处理。图示的例子中，加热到800℃、并保持在800℃，以70℃/Hr(小时)以下的冷却速度缓慢冷却至对应于T的时间轴上的t点。然后，在氧化气氛中冷却。
关于球化退火时间，为了确保对于渗碳而言充分的时间，期望在渗碳气氛中，在高于A1相变点的温度下保持120分钟以上，在A1相变点以下(即，从A1相变点直至满足(1)式的温度T为止的温度区域)保持15分钟以上。
处于渗碳气氛的温度区域为满足(1)式的温度、即(Ar1-20)℃以下且300℃以上的理由如下所述。
即，这是由于，直至得到热制管而成的管坯为止的工序中产生的脱碳层越深，则越增大处于渗碳气氛的温度区域，从而越充分进行二次增碳，直至得到热制管而成的管坯为止的工序中产生的脱碳层深的情况下，由于需要大量二次增碳，需要增大处于渗碳气氛的温度区域，随之处于氧化气氛的温度区域变小。相反地，脱碳层浅的情况下，无需那样程度的二次增碳，因此处于渗碳气氛的温度区域可以减小。因此，使由渗碳气氛改变为氧化气氛的温度带有一定范围，可以根据钢材的碳势和直到热制管的工艺中产生的脱碳的程度来确定满足(1)式的温度、也就是说结束渗碳气氛中的缓慢冷却、开始氧化气氛中的冷却的温度。
假设从高于(Ar1-20)℃的温度开始就处于氧化气氛的情况下，渗碳气氛中的脱碳层的二次增碳不充分，而且此后在氧化气氛中脱碳，结果产生脱碳层深度超过0.2mm的情况。另外，如前文所述，脱碳层深的情况下，为了充分增大处于渗碳气氛的温度区域，需要使改变为氧化气氛的温度例如为常温。
前述图1中，虚线包围的部分表示如此能够根据脱碳的程度适当确定满足(1)式的温度T的范围。即，该范围的上限为(Ar1相变点)-20℃，下限为300℃。实际的操作中，能够直至常温为止处于渗碳气氛，但是从控制过渗碳层深度的观点、气氛气体的成本升高的观点考虑，形成氧化气氛的温度最低为300℃。
本发明的高碳铬轴承钢的制造方法中的特征之一在于，可以如此根据被处理材料的碳势和直到热制管的工艺中产生的脱碳的程度来确定满足(1)式的温度、也就是说开始氧化气氛中的冷却的温度。
实际的操作中确定满足(1)式的温度T时，预先关联被处理材料的C含量和直到热制管的工艺来掌握被处理材料(热制管而成的管坯)产生的脱碳的程度，另一方面，预先通过实际操作来求得脱碳的程度与满足(1)式的温度T的相关性。通过积累该实际成果，能够准确地确定满足(1)式的温度、将脱碳层深度或过渗碳层深度控制在0～0.2mm的范围内、制造切削性优异的高碳铬轴承钢。
为了可以确保用于通过钢材表层与碳的反应来降低过渗碳的时间，氧化气氛中的冷却速度期望使上限为200℃/分钟。对下限没有特别规定，若考虑到生产效率，则期望为10℃/Hr。典型的是，关于氧化气氛中的冷却，在空气中自然冷却即可。
本发明的高碳铬轴承钢为适用前述本发明的制造方法得到的轴承钢，如前文所述，其为含有C：0.6～1.5%、Cr：0.5～5.0%、Si：1.0%以下、Mn：2.0%以下，剩余部分由Fe和杂质组成的钢。进而，根据需要可以含有Mo：1.0%以下、W：1.0%以下和V：1.0%以下中的一种或两种以上。
对本发明的高碳铬轴承钢中含有的各成分的作用效果和其含量的限定理由进行说明。
C：0.6～1.5%
C为对提高轴承的强度、硬度和耐磨耗性、提高其寿命有效的元素。为了得到这种效果，使C含量为0.6%以上。另一方面，若C含量增多，则钢材的碳势变高，因此直到热制管的工艺中产生的脱碳的程度大，难以通过控制气氛来进行二次增碳。另外，随着C含量的增加，存在钢中的碳化物巨大化的倾向，析出M3C(M：Fe、Cr)系的巨大碳化物而使轴承的转动疲劳特性降低。因此，C的含量为1.5%以下。C含量的优选范围为0.8～1.2%。更优选为0.95～1.1%。
Cr：0.5～3.0%
Cr为促进渗碳并且有助于碳化物的均匀微细化的有效的元素。为了得到这种效果，优选含有0.5%以上。Cr为3%以下的情况下，Cr碳化物的析出少，碳化物主体为渗碳体，因此C的扩散成为渗碳反应的律速阶段，碳化物的生长加快，从而能够迅速地进行渗碳处理。更期望的Cr含量为0.9～1.6%。
Si：1.0%以下
Si为钢的脱氧所必需的成分，但是若其含量超过1.0%则抑制渗碳的作用太大，不能充分进行二次增碳。另外，钢的韧性也劣化。因此，Si含量优选抑制在1.0%以下。更期望的Si含量为0.15%以上且0.7%以下。
Mn：2.0%以下
Mn与Si同样地作为脱氧剂是有效的。另外，Mn具有抑制由于以杂质形式含有的S所导致的热加工性的劣化的作用。另一方面，过量的Mn不仅导致脆化，而且使Ac1相变点过度降低而使渗碳处理的有效温度降低，结果必须延长处理时间。因此，Mn的上限期望为2.0%。更期望为1.15%。
在本发明的轴承钢中，根据需要可以积极地添加含有Mo、W和V中的任意一种以上。
Mo、W：1.0%以下
Mo、W均为对提高淬火性有效的元素，对于提高回火软化抵抗而提高钢的韧性有效地发挥作用。但是，即使大量含有，坚韧化效果也饱和，因此添加Mo、W的情况下的Mo、W的含量均为1.0%以下为宜。期望为0.25%以下。对Mo、W的含量的下限没有特别规定，为了显著得到其效果，对于Mo、W中的任意一种，期望为0.01%以上。
V：1.0%以下
V在渗碳中与C结合而形成MC型的特殊碳化物，与Fe、Cr的碳化物一起分散析出，从而具有提高转动疲劳寿命的作用。但是，即使含有超过1.0%的V，转动疲劳寿命提高的效果也饱和，因此添加时的V的含量为1.0%以下为宜。
如以上所述，本发明的高碳铬轴承钢的制造方法为下述方法：在对热制管后的管坯进行球化退火的工序中，在渗碳气氛中促进二次增碳或过渗碳后，形成氧化气氛，由此控制脱碳层深度或过渗碳层深度，另外，不会伴随一部分现有技术中发现的很多工时、费用。本发明的高碳铬轴承钢为通过本发明的方法制造的轴承钢，切削费用少，能够抑制切削效率的降低，切削性优异。
实施例
将通过热制管得到的相当于JIS G4805中规定的SUJ2的材质的钢管(85.0φ×7.7t(mm))加热至高于Ar1相变点的温度后，在渗碳气氛中用180分钟进行以70℃/Hr缓慢冷却至660℃的球化退火。在低于660℃的温度区域，在氧化气氛中使冷却速度为70℃/分钟来进行冷却。即，在低于660℃的温度区域，在空气中进行冷却。
前述钢管的化学组成如表1所示。
[表1]
Figure BDA00003340768200121
作为渗碳气氛气体，使用RX气体和NX气体的混合气体(CO：12体积(vol)%、CO2：0.6vol%、O2：0.2vol%、H2O：0.7%、H2：21vol%、剩余部分N2)，作为氧化气氛气体，使用CO2：0.03%、O2：21%、剩余部分N2。即，氧化气氛气体是大气气氛而没有准备特别的气氛气体。
通过EPMA线性分析测定前述球化退火和冷却后的钢管(被处理材料)的外表面附近的碳浓度。
图2为表示被处理材料的碳浓度的EPMA线性分析结果，即距从被处理材料的外表面的距离与碳浓度的关系的图。在此，对于以0.01mm间距测得的碳浓度的数值数据，采用连续10点的数值的平均值以0.1mm间距整理数值数据而成的碳浓度连续地为“母材的碳浓度(%)＋0.05(%)以上”的位置距外表面的距离作为过渗碳层深度。
由图2可知，过渗碳层深度为0.03mm，过渗碳层深度处于0～0.2mm的范围内。
需要说明的是，对于球化退火和冷却后产生脱碳层的情况，也通过EPMA线性分析测定被处理材料的外表面附近的碳浓度，与前述同样地整理数值数据而成的碳浓度连续地为“母材的碳浓度(%)-0.05(%)以下”的位置距外表面的距离作为脱碳层深度，由此确认脱碳层深度处于0～0.2mm的范围内。
由上述试验结果可以确认，根据本发明的制造方法，在渗碳气氛中促进二次增碳或过渗碳后，形成氧化气氛，由此控制脱碳层或过渗碳层的深度，从而能够制造切削费用少、并且易切削的切削性优异的高碳铬轴承钢。
产业上的可利用性
本发明的高碳铬轴承钢为钢材表面的脱碳层或过渗碳层深度处于0～0.2mm的范围内的切削费用少的切削性优异的轴承钢。该轴承钢，可以通过在渗碳气氛中进行球化退火处理后、在氧化气氛中冷却的本发明的高碳铬轴承钢的制造方法来有效地制造。因此，本发明可以有效地用于相关产业领域。

Claims (3)

1.一种高碳铬轴承钢的制造方法，其特征在于，
其将被处理材料在渗碳气氛中加热至高于Ac1相变点的温度，接着一边保持渗碳气氛一边以70℃/Hr以下缓慢冷却至满足下述(1)式的温度T，然后在氧化气氛中进行冷却，
Ar1-20≥T(℃)≥300℃   (1)
在此，Ac1：从低温加热的情况下的A1相变点，
Ar1：从高温冷却的情况下的A1相变点。
2.一种高碳铬轴承钢，其特征在于，其通过权利要求1所述的方法制造，
并且按质量%计含有C：0.6～1.5%、Cr：0.5～5.0%、Si：1.0%以下、Mn：2.0%以下，剩余部分为Fe和杂质。
3.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢，其特征在于，按质量%计，其含有Mo：1.0%以下、W：1.0%以下和V：1.0%以下中的一种或两种以上来替代Fe的一部分。
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