CN105986193A - 轴承钢 - Google Patents

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Abstract

一种用于轴承的钢合金，所述合金包括以下的组成：0.04-0.1wt.％的碳，11.5-13wt.％的铬，1.5-3.5wt.％的钼，0.3-0.8wt.％的钒，0.3-1.75wt.％的镍，6-9wt.％的钴，0.1-0.4wt.％的硅，0.2-0.8wt.％的锰，0-2wt.％的铜，0-0.05wt.％的铌，0-0.1wt.％的铝，0-250ppm氮，0-30ppm硼，和余量的铁，以及任意不可避免的杂质。

Description

轴承钢
技术领域
本发明大体涉及冶金领域。更特别地，本发明涉及用于生产轴承的不锈钢合金。
背景技术
轴承为准许两部件间的约束相对运动的装置。滚动元件轴承包括内和外滚道以及置于其间的多个滚动元件(例如球和/或滚子)。对于长期可靠性和性能，各种元件对滚动接触疲劳、磨损、腐蚀和蠕变具有高耐性是重要的。
用于生产金属组件的常规技术包括热轧或热锻以形成条、棒、管或环，接着是软成形/机械加工工艺以获得预期的近终形组件。表面硬化和穿透硬化工艺为已知的并且被用于成品或半成品组件表面的硬度，从而改善例如耐磨性和耐疲劳性。一些表面或表层硬化工艺也已知用于改善滚动接触疲劳耐性。
典型的硬化轴承钢微观结构由通常是贝氏体或回火马氏体的基体以及碳化物构成。所述碳化物可包括渗碳体颗粒。例如，在钢体系100Cr6中，其可具有化学计量学M3C(M＝金属，通常为铁)。发现于经典轴承钢硬化微观结构中的碳化物颗粒在轴承应用中至关重要，尤其是如果在加速期间在轴承接触中发生滑动。然而，在疲劳的情况下，这些颗粒，尽管相对非常硬且强，并且尺寸小，约1μm或更少，仍表现出内部微缺口。
因为硬化金属通常比软金属更脆，对于金属部件经受某种应力的用途，穿透硬化(即，在工件的各个部分均匀硬化金属)通常不是合适选择。在此情形下，可使用表层硬化或表面硬化。
表层硬化或表面硬化是硬化金属物体表面的工艺，从而在物体表面形成一层更硬金属(称作表层)。对于具有低碳含量的铁或钢，一旦淬火具有较差硬度，表层硬化，工艺(例如，表层渗碳)包括注入额外的碳到表层中。表层硬化通常在部件已经形成其最终形状，例如形成轴承组件，之后进行。
更详细地，在高温下，通常通过使碳(渗碳)、氮(渗氮)和/或硼(渗硼)扩散将至钢的外层以获得表层硬化钢。因此这些为热化学工艺。通常接在其后的是表面层的热处理以实现所需硬度和性质。
关于渗碳，在碳扩散至低碳钢表面以将碳含量增加至足够水平，从而表面将产生硬质、耐磨层的情况下，通常使用的有三种：气体渗碳、液体渗碳(或氰化处理)和固体(包裹)渗碳。所有三种工艺取决于在淬火下奥氏体向马氏体的转变。表面碳含量的增加必须足够高以产生具有充分硬度，通常约750HV的马氏体层，以提供耐磨表面。扩散后需要的表面碳含量通常为0.8-1.2wt.％。这些工艺可以在普通碳钢、合金钢和铸铁的宽范围内进行，其中块体碳含量最大为0.4％并且通常小于0.25％。
不锈钢已知并且通常包含最少10.1％Cr以达到所需的耐腐蚀性。例如，不锈钢设计为提供超过HRC60的表层硬度连同坚韧、易延展核心的渗碳、耐腐蚀钢。不锈钢已经用于轴承和齿轮类型应用。不锈钢包含约0.07wt.％C和13wt.％Cr以及Mo、V、Ni、Co、Si、Mn和Fe。
本发明的一个目的是解决与现有技术相关的一些问题，或至少提供其商业有用的可替换物。
发明内容
本发明提供用于轴承的不锈钢合金，所述合金包括以下的组成：
0.04-0.1wt.％的碳，
11.5-13wt.％的铬，
1.5-3.5wt.％的钼，
0.3-0.8wt.％的钒，
0.3-1.75wt.％的镍，
6-9wt.％的钴，
0.1-0.4wt.％的硅，
0.2-0.8wt.％的锰，
0-2wt.％的铜，
0-0.05wt.％的铌，
0-0.1wt.％的铝，
0-250ppm氮，
0-30ppm硼，和
余量的铁，以及任意不可避免的杂质。
现在将进一步描述本发明。在以下章节中更详细地限定了本发明的不同方面。如此限定的每一方面可以与任意其它方面或或多个方面结合，除非明显相反指示。特别地，任意表明为优选或有利的特征可以与任意其它特征或表明为优选或有利的特征结合。
在本发明中，钢合金组合物包括0.04-0.1wt.％的C，优选0.05-0.09wt.％的C，更优选0.06-0.08wt.％的C，进一步更优选约0.07wt.％的C。与其它合金元素结合，这导致有利于轴承应用的所需微观结构(例如，淬火马氏体基体)和机械性质。该钢合金优选为表层可渗碳的。虽然高于约0.1wt.％的碳含量可改善强度，然而一旦在硬化期间淬火其降低核心奥氏体的马氏体初始温度(Ms)是不期望的。相对于表层的马氏体初始温度，核心的高马氏体初始温度确保获得轴承组件中良好的压缩残余应力分布。为此，碳含量选择为≤0.1wt.％，优选≤0.09wt.％，更优选≤0.08wt.％。
该钢组合物包括11.5-13wt.％Cr，优选11.7-12.7wt.％Cr，更优选11.7-12.5wt.％Cr，进一步更优选12-12.5wt.％Cr。在耐腐蚀性方面，Cr已知是有益的，并且不锈钢必须包含最小量的Cr。因此，最小Cr含量设为11.5wt.％。Cr含量(连同其它合金元素，特别是Mo)优选为最小化核心中不期望的高温铁素体相(δ-铁素体)的发生，同时最大化PREN数(见下文)。Cr为铁素体稳定剂，并且因此其含量如此优选以在热处理期间在核心中不形成不期望的δ-铁素体相。δ-铁素体相，如果在核心中存在，可引起奥氏体碳含量的大幅增加，这反过来降低马氏体初始温度。另外，当δ-铁素体以显著量存在于核心中时，预期有较差的机械性质。为此，Cr含量选择为≤13wt.％，，优选≤12.7wt.％，更优选≤12.5wt.％。
钢组合物包括1.5-3.5wt.％Mo。Mo可起作用以避免由于杂质，如磷，导致的奥氏体晶界脆化。Mo还可起作用以增加可硬化性。Mo比Cr对PREN数的影响更大。因此，对于给定的Cr当量数，优选平衡Mo和Cr含量以最小化核心中δ-铁素体的发生，同时最大化PREN数。Mo为铁素体稳定剂，并且因此其含量如此优选以在热处理期间在核心中不形成δ-铁素体相。δ-铁素体相，如果在核心中存在，可引起奥氏体碳含量的大幅增加，这反过来降低马氏体初始温度。另外，当δ-铁素体以显著量存在于核心中时，预期有较差的机械性质。为此，Mo含量选择为1.5-3.5wt.％，，优选1.8-3.2wt.％，更优选2-3wt.％。
如上所述，Mo和Cr影响耐点蚀当量数(PREN)，其定义为PREN＝Cr％+3.3Mo％(元素以wt.％计)。PREN是对在含氯化物环境中不锈钢耐腐蚀性的众所周知的指示。总之，PREN值越高，钢越耐腐蚀。在本发明中，钢合金组合物优选具有18-22的PREN(核心)，优选18.5-22，更优选19-22wt.％。上限优选为≥20，更优选≥21，进一步更优选≥21.5，并且最优选为约22。
钢组合物包括0.3-0.8wt.％的V。已经发现V的添加在改善热-硬性以及还有在回火期间结构响应的控制方面是有益的。另外，V有益于确保细晶粒结构。过高的V含量将锁住MC-类型碳化物中更多的碳，这导致淬火马氏体基体不表现出足够强度和硬度，所述强度和硬度对轴承应用是必需的。另外，V为铁素体稳定剂，因此其含量必须与其它奥氏体稳定元素平衡。因此在本发明中，V含量为0.3-0.8wt.％，优选0.4-0.7wt.％，更优选0.5-0.6wt.％。
钢组合物包括0.3-1.75wt.％的Ni。在本发明中降低Ni含量以使Co含量可以增加(见下文)。核心的低碳含量确保良好的韧性，并且Ni含量可因此降低。Ni也是相对昂贵的合金元素。因此在本发明中，Ni含量为0.3-1.75wt.％，优选0.3-1.5wt.％，更优选0.4-1.2wt.％，进一步更优选0.5-1wt.％。
钢组合物包括6-9wt.％的Co。Co和Ni均有助于Ni当量，并且同样优选平衡。对于给定的N当量，较低的Ni含量能够增加合金的Co含量。已经发现较高的Co含量在结构中形成更精细碳化物方面是有益的，这对于更高的硬度和强度方面有益。然而，过高的Co含量可降低Ms温度，导致奥氏体在淬火时向马氏体转换的困难。因此在本发明中，Co含量为6-9wt.％，优选6-8wt.％，更优选6.5-7.7wt.％，进一步更优选7-7.5wt.％。
钢合金组合物包括0.1-0.4wt.％的Si，优选0.1-0.3wt.％的Si，更优选0.15-0.25wt.％的Si。与其它合金元素组合，这导致具有最小量残余奥氏体的所需微观结构。Si改善钢微观结构的回火耐性，并且为此添加最小量0.15wt.％的Si。Si还可有助于Cr当量，因此过高的Si含量可更大可能性的导致稳定组分核心中不期望的δ-铁素体相。另外，Si可降低基体的弹性性质。为此，最大硅含量为0.4wt.％，优选0.3wt.％，更优选0.25wt.％。
钢合金组合物包括0.2-0.8wt.％的Mn，优选0.3-0.7wt.％的Mn，更优选0.4-0.6wt.％的Mn。Mn含量为至少0.2wt.％。因为这与其它合金元素组合有助于达到所需微观结构和性质。Mn还可起作用来改善可硬化性。另外，Mn用来增加奥氏体相对于铁素体的稳定性。然而，高于约0.8wt.％的Mn水平可用来增加残余奥氏体的量。这可导致实际的冶金问题，例如过多稳定残余奥氏体，导致轴承组件尺寸稳定性的潜在问题。
钢合金组合物可被Nieq和Creq进一步限定。特别地，Nieq被定义为Ni+Co+0.5Mn+30C，并且通常介于10-11，优选10.1-10.8，更优选10.2-10.6，进一步更优选10.3-10.5范围内。类似地，Creq被定义为Cr+2Si+1.5Mo+5V，并且通常介于17.8-20，优选18-19.7，更优选18.2-19.6，进一步更优选18.5-19.4范围内。
如上所述，钢组合物可任选地包括以下元素的一种或多种：
0-2wt.％的铜，
0-0.05wt.％的铌，
0-0.1wt.％的铝，
0-250ppm氮，
0-30ppm硼。
钢组合物可任选地包括高达2wt.％的铜，例如0.01-0.5wt.％的铜。Cu增加了合金可硬化性和耐腐蚀性。然而，因为其是奥氏体稳定剂，其量必须被合适控制。如果存在量超过0.3wt.％，Cu含量捆绑于Ni含量，假设Cu/Ni的wt.％比优选为约2(偏差正或负0.2)。这确保减轻热脆性。
钢组合物可任选地包括高达0.05wt.％的Nb。特别地，为避免在表层渗碳或热处理期间过多奥氏体晶粒生长，可添加小量的Nb(优选0.005-0.02wt.％)。
钢组合物可任选地包括高达0.1wt.％的Al，例如0.005-0.05wt.％的Al，优选0.01-0.03wt.％的Al。Al可做为脱氧剂。然而，Al的使用需要严格的钢生产控制以确保洁净，并且这增加加工成本。因此，钢合金包括不超过0.05wt.％的Al。然而，如果通过粉末冶金路线或喷射成形生产合金，Al含量将必须被降低至痕量级并且优选保持至绝对最小值。
在一些实施方式中，可添加氮以使钢合金包括50-250ppm的N，优选75-150ppm的N。N的存在可有益于促进复合氮化物和/或碳氮化物的形成。在其它实施方式中，没有故意添加N。然而，所述合金可仍然必要地包括高达50ppm的N。如果通过VIM-VAR加工路线生产合金，Al浓度可介于0.01-0.03wt.％范围内，例如，并且N浓度可介于30-60ppm范围内。两种元素有助于钉扎氮化铝沉淀形式的奥氏体晶界，因此确保有益于轴承应用需要的更细晶粒结构。
钢组合物可任选地包括0-30ppm的B。例如，当需要增加的可硬化性时可添加B。
应当注意的是此处提及的钢合金可包含不可避免的杂质，尽管总体来说这些杂质可能不超过组合物的0.3wt.％。优选地，合金包含不超过组合物的0.1wt.％，更优选不超过组合物0.05wt.％的量的不可避免的杂质。特别地，钢组合物还可包括一种或多种杂质元素。杂质的非穷尽名单包括，例如：
0-0.025wt.％的磷
0-0.015wt.％的硫
0-0.04wt.％的砷
0-0.075wt.％的锡
0-0.075wt.％的锑
0-0.01wt.％的钨
0-0.005wt.％的钛
0-0.002wt.％的铅
钢合金组合物优选包括很少或没有硫，例如0-0.015wt.％硫。
钢合金组合物优选包括很少或没有磷，例如0-0.025wt.％磷。
钢合金组合物优选包括≤15ppm O。O可作为杂质存在。钢合金组合物优选包括≤30ppm钛。钛可作为杂质存在。钢合金组合物优选包括≤50ppm钙，钙可作为杂质存在。
在本发明优选的实施方式中，钢合金组合物包括：
0.06-0.08wt.％的碳，
11.7-12.5wt.％的铬，
1.8-3.2wt.％的钼，
0.4-0.7wt.％的钒，
0.4-1.2wt.％的镍，
6.5-7.7wt.％的钴，
0.1-0.3wt.％的硅，
0.3-0.7wt.％的锰，
0-0.4wt.％的铜，
0-0.05wt.％的铌，
0-0.05wt.％的铝，
0-150ppm氮，和
余量的铁，以及任意不可避免的杂质。
根据本发明的钢合金组合物可基本由列举的元素组成。因此应当注意的是除了这些强制性的元素，其它未指定的元素可存在于组合物中，只要组合物的基本特性不被其存在产生实质影响。
根据本发明的钢合金组合物优选具有包括马氏体(通常是回火马氏体)，(ii)碳化物，和/或碳氮化物，以及(iii)任选地一些残余奥氏体的微观结构。低水平的残余奥氏体是有利的，因为其改善了轴承组件的尺寸稳定性。所述微观结构可进一步包括氮化物。还有，在微观结构中有很少或没有不期望的δ-铁素体相是优选的。其含量水平≤10％，优选≤3％。
钢合金的结构可由常规微观结构表征技术确定，诸如，光学显微镜、TEM、SEM、AP-FIM，以及X-射线衍射，包括两种或多种这些技术的组合。
钢合金可显示出高硬度、耐腐蚀性和/或尺寸稳定性。这意味着钢合金可在轴承组件，诸如滚动元件和内或外滚道，的生产中有效地获得应用。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种轴承组件，包括在此描述的钢合金。其中可用不锈钢的轴承组件的实例包括滚动元件(例如，球、滚筒或锥形滚动元件)、内环和外环。本发明还提供了包括此处描述的轴承组件的轴承。
钢合金或轴承组件可经历表面改质，无论热化学、机械，或是两者。可应用此类工艺以提高轴承组件的性能。
现在就钢合金的合适热处理进一步描述本发明，以举例方式提供。
附图说明
现在通过举例就随附的非限制性附图进一步描述本发明，其中：
图1是根据本发明的钢合金的实例的相图。
图2是根据本发明的钢合金微观结构的显微图(按比例示出)。
具体实施方式
如从图1中可以看出，在根据本发明的钢合金中，在1200℃下均热处理期间避免了δ-铁素体相的形成。还可参见以下实施例1、2和3以及图2，在1100℃下短时间均化之后，图2显示“痕量”(即非常小的量)的δ-铁素体(深灰色)。主相为马氏体。
可通过例如双真空熔化VIM-VAR工艺，通过粉末冶金(PM)工艺路线，或通过喷射成形生产不锈钢。另外，凭借低碳，核心合金还可3D打印。这些也是常规的生产技术。在PM或喷射形成的合金变体中将Al含量降低至痕量水平并优选保持最小。对于VIM-VAR变体，Al浓度可在0.01-0.03wt.％范围内。N浓度可在30-60ppm范围内。两种元素都有助于以氮化铝沉淀形式钉扎奥氏体晶界，因此确保有益于轴承应用需要的更细晶粒结构。
如上所述，为避免过多在表层渗碳或热处理期间过多奥氏体晶粒生长，可添加约0.02wt.％的小量的Nb。
如此控制钢制品的锻造工艺以使晶粒尺寸对随后的渗碳工艺足够细，以不导致过多大晶界碳化物的形成。例如，晶粒尺寸通常在30-65μm范围内。
优选在低压下(小于大气压力)，并且通常在合适的预氧化步骤之后(例如，在875-1050℃的空气中加热清洁的轴承组件1小时，接着通过空气冷却)，根据本发明的不锈钢设计用于表层渗碳。例如，可以在含碳介质中，在870-950℃范围的温度下进行渗碳。此渗碳处理在现有技术中是常规的并且确保在渗碳表层中足够的碳富集，以使在核心和表层之间有充分的ΔMs(奥氏体的)。反过来这确保有益的压缩残余应力分布穿过轴承组件的硬化表层的厚度并朝向核心发展。
在表层渗碳后，轴承组件通常被硬化并回火。在第一次回火之后，该部分在接近液氮温度下深度冷冻，然后再次回火。此外，此处理在现有技术中是常规的。
硬化由在例如约1100℃的奥氏体化，接着油淬或气淬组成。回火可以为双回火，或如果必要甚至三回火，在回火步骤之间进行深冷处理。
为了获得进一步对滚动接触疲劳的耐性，可接着对表层渗碳、硬化和回火轴承组件进行例如表面渗氮或渗硼，以进一步增加轴承组件的表面硬度。这特别适用于轴承滚道的表面硬度。因此，在优选的实施方式中，一旦轴承组件的表面被表层渗碳，所述表面可经历表面氮化处理以进一步改善表面层的机械性质。
钢合金或轴承组件可经历表面精加工技术。例如，抛光，尤其是对于滚道，接着回火和空气冷却。然后，可通过硬切削和/或精加工操作，诸如例如精磨、研磨和珩磨，来精修钢合金或轴承组件。
所述抛光和回火操作可使受影响区域的屈服强度增加，硬度、压缩残余应力显著改善，且对滚动接触疲劳的耐性更好。
实施例
现在就非限制性实施例进一步描述本发明-参见表1。
表1：实施例1、实施例2和实施例3的三种不锈钢的以重量百分比计化学组成。余量是铁以及任意不可避免的杂质。
在实施例3中，合金进一步包含0.026wt.％的铝、0.03wt.％的铌、0.02wt.％的氮和＜0.005wt.％的铜。
这些钢合金可如上所述那样生产，并通过常规技术形成轴承组件。如可从图1所见，在均匀化期间，在1200℃下均热处理期间避免了δ-铁素体相的形成。
优选在减压下(小于环境压力)，使合金表层渗碳。例如，可在含碳介质中在900℃温度下进行渗碳。如上所述，此渗碳处理在现有技术中是常规的并且确保在渗碳表层中足够的碳富集，以使在核心和表层之间有充分的ΔMs(奥氏体的)。反过来这确保有益的压缩残余应力分布穿过轴承组件的硬化表层的厚度并朝向核心发展。
前面已经通过解释和说明进行了详细描述，并且并非旨在限制所附权利要求的范围。此处说明的优选实施方式中的许多变形对本领域技术人员是显而易见的，并且保持在所附权利要求及其等价物的范围之内。

Claims (15)

1.一种用于轴承的钢合金，所述合金包括以下的组成：
0.04-0.1wt.％的碳，
11.5-13wt.％的铬，
1.5-3.5wt.％的钼，
0.3-0.8wt.％的钒，
0.3-1.75wt.％的镍，
6-9wt.％的钴，
0.1-0.4wt.％的硅，
0.2-0.8wt.％的锰，
0-2wt.％的铜，
0-0.05wt.％的铌，
0-0.1wt.％的铝，
0-250ppm氮，
0-30ppm硼，和
余量的铁，以及任意不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的钢合金，包含0.05-0.09wt.％的碳，更优选0.06-0.08wt.％的碳，进一步更优选约0.07wt.％的碳。
3.如权利要求1或2所述的钢合金，包含11.7-12.5wt.％的铬，更优选12-12.5wt.％的铬。
4.如前述任一项权利要求所述的钢合金，包含1.8-3.2wt.％的钼，更优选2-3wt.％的钼。
5.如前述任一项权利要求所述的钢合金，包含0.4-0.7wt.％的钒，更优选0.5-0.6wt.％的钒。
6.如前述任一项权利要求所述的钢合金，包含0.3-1.5wt.％的镍，优选0.4-1.2wt.％的镍，更优选0.5-1wt.％的镍。
7.如前述任一项权利要求所述的钢合金，包含6.5-7.7wt.％的钴，更优选7-7.5wt.％的钴。
8.如权利要求1或2所述的钢合金，包含0.1-0.3wt.％的硅，更优选0.15-0.25wt.％的硅。
9.如前述任一项权利要求所述的钢合金，包含0.3-0.7wt.％的锰，更优选0.4-0.6wt.％的锰。
10.如前述任一项权利要求所述的钢合金，包含：
0.06-0.08wt.％的碳，
11.7-12.5wt.％的铬，
1.8-3.2wt.％的钼，
0.4-0.7wt.％的钒，
0.4-1.2wt.％的镍，
6.5-7.7wt.％的钴，
0.1-0.3wt.％的硅，
0.3-0.7wt.％的锰，
0-0.4wt.％的铜，
0-0.05wt.％的铌，
0-0.05wt.％的铝，
0-150ppm氮，和
余量的铁，以及任意不可避免的杂质。
11.如任意前述权利要求所述的钢合金，其成分具有包含马氏体、一种或多种碳化物、氮化物和/或碳氮化物，以及任选残余奥氏体的微观结构。
12.一种由权利要求1-11任一项的钢合金制得的轴承组件。
13.如权利要求12所述的轴承组件，其中轴承组件的表面是表层渗碳的。
14.如权利要求13所述的轴承组件，其中轴承组件的表面是表层渗碳的并且所述表面是随后表面氮化的。
15.一种包含如权利要求12-14任一项所述的轴承组件的轴承。
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