CN104520462A - 具有出色滚动疲劳寿命的钢构件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有出色滚动疲劳寿命的用于机械部件的钢构件，其中限制钢中的氧含量和硫含量，并且将夹杂物与相邻基体之间的粘附性的指标的空隙率限制为不大于特定值。钢构件是用于具有58HRC以上的表面硬度的机械部件的钢构件，所述钢构件具有出色滚动疲劳寿命，该钢构件具有8ppm以下的氧含量和0.008质量％以下的硫含量，其中从包含钢构件的滚动体在负荷下在其上滚动的滚动面平行于滚动面收集的待检测的面积为40mm2以上且400mm2以下的试样，观察所有有效有害长度4为10μm以上并且有效有害宽度6为2μm以上的夹杂物1，计算每个夹杂物1的定义为空隙率＝空隙2的面积/(空隙2的面积+夹杂物1的面积)的空隙率，所有所观察的夹杂物1的空隙率的平均值为8％以下，并且作为空隙率小于1.0％的夹杂物1与所有所观察的夹杂物1的比例的空隙零个数率为30％以上。

Description

具有出色滚动疲劳寿命的钢构件
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年8月10日提交的日本专利申请号2012-178515和在2013年4月4日提交的日本专利申请号2013-78577的优先权，它们的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及用于机械部件或装置的钢构件，对于所述机械部件或装置要求出色滚动疲劳寿命，并且所述机械部件或装置硬化为具有58HRC以上的表面硬度并用作如轴承、齿轮、轮毂单元、环形CVT装置、等速万向节或曲柄销。
背景技术
近年来，随着各种机械装置日益高性能化，对其要求滚动疲劳寿命的机械部件或装置的使用环境已变得严苛。因此，对于改善这些机械部件或装置的操作寿命和可靠性的要求增加了。对应这样的要求，作为钢构件方面的手段，已经进行了钢成分的适当调节或者对滚动疲劳寿命有害的杂质元素的减少，以改善操作寿命和可靠性。
作为常规的钢，已经提出轴承钢，其是具有出色滚动疲劳寿命的钢，并且其中氧化物系非金属夹杂物的最大粒径为8μm以下，其为用于制造机械部件的钢(例如，见专利文献1)。
此外，已经提议了表面硬化钢，其中作为对于钢的洁净度的评价值的通过极值统计法得到的√面积最大值为30μm以下，并且其在准高温环境下具有出色的滚动疲劳特性(例如，参见专利文献2)。
现有技术文献1和现有技术文献2直接关注夹杂物的尺寸作为解决问题的手段。
引用清单
专利文献
专利文献1：JP6-271982A
专利文献2：JP2001-234275A
发明概述
本发明的发明人为了防止早期破损着眼于需要出色滚动疲劳寿命的机械部件的L10寿命，定量评价了钢中的非金属夹杂物与钢(基体)之间的粘附性，并进行了深入研究。作为结果，本发明的发明人发现，如下所定义的有效有害长度和有效有害宽度中的每一个上的降低，对于改善L10寿命以及对于帮助改善轴承寿命的可靠性而言是有效的。本发明的发明人随后发现，除了夹杂物本身的直径上的降低之外，通过消除夹杂物周围的空隙改善夹杂物和基体之间的粘附性对于此目的而言也是有效的。上述L10寿命是，在同一堆试样在相同条件下试验时，90％的试样没有剥离地旋转的转数。
通过以下两个表达式定义有效有害长度和有效有害宽度：
有效有害长度＝夹杂物长度+夹杂物长度方向上的空隙长度；以及
有效有害宽度＝夹杂物宽度+夹杂物宽度方向上的空隙宽度。
长期以来，已经注意到了在非金属夹杂物中的氧化物的有害性质。这是因为氧化物系夹杂物在任何加工温度范围中都比基体钢更硬，并且因此在加工钢的过程中很难跟随基体且很难变形，并且因此，在加工之后，可能存在没有与基体密切接触的部分。本发明的发明人已经发现，为了降低氧化物系夹杂物对滚动疲劳寿命的不利影响，至少必须将钢中的氧含量限制在8ppm以下。相反，硫化物系夹杂物在加工钢的过程中容易跟随基体并且容易变形，并且因此被认为比氧化物系夹杂物具有更低水平的有害性质。然而，钢中较高的S含量导致容易产生大的硫化物系夹杂物，从而对滚动疲劳寿命有害。因此，为了降低硫化物系夹杂物对滚动疲劳寿命的不利影响，至少必须将钢中的S含量限制在0.008质量％以下。
为了允许钢具有出色滚动疲劳寿命，即出色的L10，必须如上所述将钢中的氧含量限制在8ppm以下，将钢中的S含量限制在0.008质量％以下，并且款所得到的钢的加工设计为满足如下所示的评价方法和评价指标。
这意味着，通过以下方式进行该评价方法：从通过接收负荷而旋转的滚动体的滚动面平行于滚动面收集和观察具有40mm2以上且400mm2以下的待检测面积的试样。在完成本发明时的技术水平上，评价夹杂物周围粘附性的手段是直接观察法，并且该观察是必须的。以这样的方式通过观察法评价夹杂物的技术包括ASTM方法等。顺带提及，至今对夹杂物周围粘附性的定量评价尚未有提及，并且在常规技术中的关注尚未聚焦于该评价。
就此而言，本发明所要解决的问题是通过以下方式提供在具有出色滚动疲劳寿命的机械部件中使用的钢构件：限制钢中的氧和硫的含量，并且在通过合适的加工制备的构件中，观察在滚动面附近一定范围内的钢材料，以定量地评价夹杂物和相邻基体之间的粘附性，并调节该粘附性指数至合适的范围内。
根据本发明的一个实施方案，提供了具有出色滚动疲劳寿命的钢构件，其用于具有58HRC以上的表面硬度的机械部件中，所述钢构件具有8ppm以下的氧含量和0.008质量％以下的硫含量，其中，当从滚动体在负荷下在其上旋转的滚动面附近收集具有40mm2以上的待检测面积的试样，且所述面积平行于所述滚动面确定时，观察所有具有10μm以上的有效有害长度以及2μm以上的有效有害宽度的夹杂物；计算每个夹杂物的如下限定的空隙率；所有所观察的夹杂物的空隙率的平均值为8％以下；并且将空隙零个数率定义为空隙率＜1.0％的夹杂物的个数与所有所观察的夹杂物的比例，空隙零个数率为30％以上，条件是
空隙率＝空隙面积/(空隙面积+夹杂物面积)
其中有效有害长度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的长度，并且所述有效有害宽度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的长度。
根据本发明的另一个实施方案，提供了一种具有出色滚动疲劳寿命的钢构件，其用于具有58HRC以上的表面硬度的机械部件中，所述钢构件具有8ppm以下的氧含量和0.008质量％以下的硫含量，其中，当从滚动体在负荷下在其上旋转的滚动面附近收集具有40mm2以上且400mm2以下的待检测面积的试样，且所述面积平行于所述滚动面确定时，观察所有具有10μm以上的有效有害长度以及2μm以上的有效有害宽度的夹杂物；计算每个夹杂物的如下限定的空隙率；所有所观察的夹杂物的空隙率的平均值为8％以下；并且将空隙零个数率定义为在所有所观察的夹杂物中空隙率小于1.0％的夹杂物的个数与所有所观察的夹杂物的个数的比例，空隙零个数率为30％以上，条件是
空隙率＝空隙面积/(空隙面积+夹杂物面积)
其中所述有效有害长度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的长度，且所述有效有害宽度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的宽度。
根据本发明的另一个实施方案，提供了具有出色滚动疲劳寿命的钢构件，其用于具有58HRC以上的表面硬度的机械部件中，
所述钢构件具有8ppm以下的氧含量和0.008质量％以下的硫含量，其中
当从滚动体在负荷下在其上旋转的滚动面收集具有40mm2以上且400mm2以下的待检测面积的试样，并且所述面积平行于所述滚动面确定时，观察所有具有10μm以上的有效有害长度以及2μm以上的有效有害宽度的夹杂物，所述有效有害长度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的长度，所述有效有害宽度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的宽度；并且计算每个夹杂物的由以下表达式定义的空隙率：
空隙率＝空隙面积/(空隙面积+夹杂物面积)，
所有所观察的夹杂物的空隙率的平均值为8％以下；并且
假如将空隙零个数率定义为在所有所观察的夹杂物中空隙率少于1.0％的夹杂物与所有所观察的夹杂物的比例，空隙零个数率为30％以上。
根据本发明的优选实施方案，提供了具有出色滚动疲劳寿命的钢构件，其中上述钢构件是使用以下各项的钢构件：JIS标准中规定的高碳铬轴承钢；SAE标准或ASTM标准A295中规定的52100；DIN标准中规定的100Cr6；JIS标准中规定的用于机械结构用途的碳钢；或选自用于机械结构用途的合金钢中的铬钢、铬-钼钢和镍-铬-钼钢的任何一种合金钢。
在本发明中，为了降低氧化物系夹杂物的不利效果，使钢中的氧含量为8ppm以下，为了还降低硫化物系夹杂物对滚动疲劳寿命的不利效果，使钢中的S含量为0.008质量％以下，当从滚动体在负荷下在其上旋转的滚动面收集具有40mm2以上并且400mm2以下的待检测面积的试样，并且所述面积平行于所述滚动面确定时，观察所有具有10μm以上的有效有害长度以及2μm以上的有效有害宽度的夹杂物；计算每个夹杂物的如下定义的空隙率，使所有所观察的夹杂物的空隙率的平均值为8％以下，并且假如空隙零个数率定义为在所有所观察的夹杂物中空隙率小于1.0％的夹杂物的个数与所有所观察的夹杂物的个数的比例，使空隙零个数率为30％以上，从而提供具有出色滚动疲劳寿命并用于机械部件的钢构件，条件是满足空隙率＝空隙面积/(空隙面积+夹杂物面积)。
附图简述
图1是显示显示有效夹杂物的长度和宽度、有效有害长度和有效有害宽度的示意图。
实施方案描述
下面将参照表和图说明本发明的实施方案。
表1和表2显示了实施例中每个样品材料的成分组成、表面硬度、所有所观察的夹杂物的空隙率的平均值和空隙零个数率，所述空隙零个数率是在所有所观察的夹杂物中空隙率小于1.0％的夹杂物的个数与所有所观察的夹杂物的个数的比例。而且，表1和表2显示了基于基准材料的L10寿命，其是使用样品材料进行推力(thrust)型滚动疲劳寿命试验，作为相对于4号条件的值的结果。在表1和表2中，使用作为高碳铬轴承钢的JIS-SUJ2钢用于样品材料1至16，使用JIS-SCr 420钢用于样品材料17，使用JIS-SNCM 420钢用于样品材料18，使用JIS-S53C钢用于样品材料19，使用JIS-SCM 420钢用于样品材料20，使用SAE-52100用于样品材料21，使用ASTM-52100用于样品材料22，并且使用DIN-100Cr6用于样品材料23。
[表1]
将包含在上述表1和表2中所示的样品材料的化学成分的钢在电弧熔化炉中制锭，之后进行钢包精炼，并且随后在真空脱气机中进一步脱气。随后，在脱气后，使用用于铸锭的模具，使用表1和表2中的编号34、编号36、编号38、编号40、编号58、编号60、编号62和编号64的真空脱气钢制备钢锭。相反，通过连续铸造，而不是如上所述的使用用于铸锭的模具制备，使用在表1和表2中其他编号的真空脱气钢制备钢锭。
将如上所述获得的这样的钢锭加热至1150℃，并且通过锻造加工成直径为90mm的钢材料。之后，为了改变在直径为90mm的钢材料中的夹杂物和基体之间的界面的状态，通过进行下文所述的四个过程(1)至(4)中的任何一个过程，制造直径为65mm的钢材料。所进行的过程(1)至(4)在表1和表2中给出。
第一过程的加工是热挤出，并且对应于在表1或表2中的过程栏中所述的(1)。将加热至1150℃的上述直径为90mm的钢材料插入为热挤出所制备的模口，并通过施加约300吨的负荷进行热挤出，并且加工成直径为65mm的钢材料。
第二过程的加工是锻造，并且对应于表1或表2中的过程栏中所述的(2)。用小锤压力机对加热至1150℃的上述直径为90mm的钢材料连续地进行锻造，从而将钢材料加工成直径为65mm的钢材料。
第三过程的加工是一般典型辊轧，并且对应于表1或表2中的过程栏中所述的(3)。对加热至1150℃的上述直径为90mm的钢材料进行一般辊轧，并且以下述道次方案加工成直径为65mm的钢材料：其中，在第一道次中钢材料具有80mm的直径，在第二道次中具有72.3mm的直径，且在第三道次中具有65mm的直径。将每个道次的面积减少百分比(在加工之前和之后横截面积的减少百分比)设定为约20％，该百分比用于典型的辊轧中。
第四过程的加工是在轻压力下辊轧，并且对应于在表1或表2中的过程栏中所述的(4)。对加热至1150℃的上述直径为90mm的钢材料进行辊轧，并且在下述道次方案中加工成直径为65mm的钢材料：其中，在第一道次中钢材料具有85mm的直径，在第二道次中具有81mm的直径，在第三道次中具有77mm的直径，第四道次中具有73.3mm的直径，在第五道次中具有69mm的直径，并且在第六道次中具有65mm的直径。每个道次的面积减少百分比设定为10％。
上述加工过程意在改变在钢材料中的夹杂物和基体之间的界面的状态。显示最高的改善夹杂物和基体之间的界面的粘附性的效果的加工过程的排序是挤出、锻造、一般典型辊轧和在轻压力下的辊轧。
对于这些不同的钢材料，在推力试验中，在40mm2的范围内观察滚动体在负荷下在其上旋转的滚动面。在该范围内，观察所有在图1中所示的有效有害长度4为10μm以上且有效有害宽度6为2μm以上的夹杂物1，并且对每个夹杂物1计算下文中所定义的空隙率。对于在表1和表2中的每个样品材料，使用这样的空隙率，确定所有被观察的夹杂物的空隙率的平均值，并且确定作为空隙率小于1.0％的夹杂物1与所有所观察的夹杂物的比例的空隙零个数率，作为夹杂物1和基体之间的粘附性的评价指标，并且其结果列于表1和表2中。
空隙率定义为通过以下表达式计算的百分比：
空隙率＝(空隙2的面积)/(空隙2的面积+夹杂物1的而积)。
推力型滚动疲劳试验
对1至64号钢材料和73至78号钢材料在800℃进行球化退火，并且从钢材料制备外径为60mm、内径为20mm并且厚度为5.8mm的圆盘形试样。将这样的试样在835℃保持20分钟，随后通过油冷却淬火，并之后在170℃进行回火处理90分钟，以获得所需的58HRC以上的硬度。随后，对试样进行表面抛光，并作为推力型滚动疲劳试样进行推力型滚动疲劳试验。
对65至68号和71号及72号钢材料在925℃进行正火，并且从钢材料制备外径为60mm、内径为20mm并且厚度为8.3mm的圆盘形试样。将这样的试样在930℃进行渗碳处理，随后通过油冷却淬火，并且随后在180℃进行回火处理90分钟，以获得所需的58HRC以上的硬度。对试样进行表面抛光，并且作为推力型滚动疲劳试样进行推力型滚动疲劳试验。
对69号及70号钢材料在870℃进行正火，并且从钢材料制备外径为60mm、内径为20mm并且宽度为8.3mm的圆盘形试样。对这样的试样感应加热淬火，并且随后在180℃进行回火处理90分钟，以获得所需的58HRC以上的硬度。随后，对试样进行表面抛光，并且作为推力型滚动疲劳试样进行推力型滚动疲劳试验。
上述推力型滚动疲劳试验在5.3GPa的最大赫兹应力Pmax下进行。
在表1和表2中所示的每个样品材料中，基于4号的L10寿命，满足根据本发明的构造的样品材料的L10寿命为作为基准的4号的L10寿命的2.0倍以上。因此，具有根据本发明的构造的钢构件在作为滚动疲劳寿命的L10寿命方面是出色的。
然而，将理解的是，本发明不限于上述实施方案。
附图标记清单
1 夹杂物
2 空隙
3 夹杂物长度
4 有效有害长度
5 夹杂物宽度
6 有效有害宽度

Claims (2)

1.一种具有出色滚动疲劳寿命的钢构件，所述具有出色滚动疲劳寿命的钢构件用于具有58HRC以上的表面硬度的机械部件，
所述钢构件具有8ppm以下的氧含量和0.008质量％以下的硫含量，其中
当从滚动体在负荷下在其上旋转的滚动面收集具有40mm2以上且400mm2以下的待检测面积的试样，并且所述面积平行于所述滚动面确定时，观察所有具有10μm以上的有效有害长度以及2μm以上的有效有害宽度的夹杂物，所述有效有害长度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的长度，所述有效有害宽度是实际夹杂物和所述夹杂物周围的空隙的宽度；并且计算每个夹杂物的由以下表达式定义的空隙率：
空隙率＝空隙面积/(空隙面积+夹杂物面积)，
所有所观察的夹杂物的空隙率的平均值为8％以下；并且
假如将空隙零个数率定义为在所有所观察的夹杂物中空隙率少于1.0％的夹杂物与所有所观察的夹杂物的比例，所述空隙零个数率为30％以上。
2.根据权利要求1所述的具有出色滚动疲劳寿命的钢构件，其中
所述钢构件是使用以下各项的钢构件：
JIS标准中规定的高碳铬轴承钢；
SAE标准或ASTM标准A295中规定的52100；
DIN标准中规定的100Cr6；
JIS标准中规定的用于机械结构用途的碳钢；或
选自用于机械结构用途的合金钢中的铬钢、铬-钼钢和镍-铬-钼钢的任何一种中合金钢。
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