CN1061699C - 长寿命的感应淬硬轴承钢 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种感应淬硬轴承钢，该轴承钢能以低成本生产轴承件并能提供极好的滚动疲劳特性，本发明提供一种长寿命的高频淬硬轴承钢，它包含(以重量百分率表示)：0.45～0.70的C、0.05～1.70%的Si、0.35～2.0%的Mn、0.001～0.03%的S、0.010～0.07%的Al、0.003～0.015%的N、0.0005～0.0300%的总Mg、0.005～1.2%的Mo、特定数量的至少一种选自Cr、Ni、V、Nb、和B的元素、不大于0.025%的P、不大于0.0040%的Ti和不大于0.0020%的总O，其中，在钢中含有的Mg型氧化物的数目比至少为0.70。

Description

长寿命的感应淬硬轴承钢
本发明的范围
本发明涉及长寿命的感应淬硬轴承钢。更具体地说，本发明涉及一种通过控制氧化夹杂物工序和感应淬硬工序而生产的钢，这种钢适宜于在高负载条件下使用的轴承件，例如外箍圈、内箍圈、轧辊等等。
本发明的背景
由于更大功率的汽车引擎和近几年提出的更严格的环境法规要求而十分需要提高轴承件的滚动疲劳寿命。为了满足这种要求，并由于认为轴承件的滚动(rolling)疲劳损坏起始于作为起始点的非金属夹杂物，所以通过获取更高洁净度的钢来寻找更长的使用寿命。例如，The Japan Institute of Metals(Vol 32，No．6，pp．411-443)报告，将偏心炉底出钢技术和RH真空脱气法等结合起来就能够减少氧化物型夹杂的数量，从而可以提高滚动疲劳寿命。然而，通过这种方法而获取的较长寿命并不总是足够的，特别是在高负载条件下使用轴承时，更是如此，所以一直强烈要求开发使用寿命更长的钢材。
例如，在该领域中作为一种类型的钢，SUJ2(根据JIS)一直被广泛地用作提高滚动疲劳寿命的钢。因为在这种钢中的C和Cr含量高，形成了大的共晶碳化物，由于这些共晶碳化物而必需长时间的退火。为了提高这种轴承钢的可切削性，日本未经审查的专利公报(公开)No．55-145158公开了一种含Te轴承钢，日本未经审查的专利公报(公开)No．1-255651公开了一种添加REM的轴承钢。然而，仍然强烈要求这些钢材在高负载条件下具有更长的寿命。
与此不同，本发明的发明者们在日本专利申请No．6-134535中提出了一种含有适当数量Mg与Mo的高碳铬型轴承钢。使用这种钢能够得到极好的滚动疲劳特性。为了用高碳铬型轴承钢生产轴承件，球化退次工序和硬化／回火工序是必需的，从而生产成本就高了。因此，包括材料成本增加在内，用含Mg与Mo的高碳铬型轴承钢生产轴承的总成本就变得非常高。为此，还存在着以低成本生产轴承件的强烈要求。
本发明的公开
本发明的目的是提供一种感应淬硬轴承钢，这种钢能够以低成本生产轴承件，并使轴承件具有极好的滚动疲劳特性。
本发明的发明者们特别注意感应淬硬化工序，该工序将代替普通高碳铬型轴承钢的硬化／回火工序，或者代替中碳钢的渗碳工序。由于在感应淬硬材料的表层内产生了大的压缩残余应力，从而能有效地获得更长的使用寿命。为了获得即使在高负载条件下也能具有极好滚动疲劳特性的感应淬硬轴承钢，本发明者们进一步进行了研究和以下实验。
(1)在高负载条件下的滚动疲劳损坏中，滚动疲劳损坏起始于在其周边上附带有白色组织与碳化物组织的非金属夹杂物。该白色组织与碳化物组织涉及到硬度下降。使非金属夹杂物细化可以抑制白色组织与碳化物组织的形成。
(2)如上所述，使非金属夹杂物细化对延长钢材寿命是有效的(使非金属夹杂物细微化具有以下两个优点：(Ⅰ)降低压力集中，这种压力集中被认为是产生裂纹的原因，(Ⅱ)抑制白色组织与碳化物组织的形成，这是新近才发现的)。从而，在滚动疲劳过程中抑制非金属夹杂物周边的白色组织和碳化物组织的形成并防止硬度下降就变得十分重要了。
(3)为了使非金属夹杂物细微化，如同本发明者们在日本未经审查的专利公报(公开)No．7-54103中建议的那样，添加适量的Mg是有效的。这种方法的基本概念如下：向含Al的实用碳钢中添加Mg，该氧化物组成从Al2O3转变成MgO·Al2O3或MgO，防止了氧化物团聚，该氧化物呈细粒形态被分散。因为MgO·Al2O3或MgO同钢水接触时与Al2O3相比其表面能低，非金属夹杂物很难变成团块，从而实现了细粒分散的目的。如上所述，使非金属夹杂物细粒化具有两个优点，换句话说，即降低引起裂纹产生的压力集中和抑制白色组织与碳化物组织形成。因此，添加Mg在延长钢制轴承的寿命上极为有效。
(4)其次，为了抑制白色组织与碳化物组织形成并防止硬度下降，增加Si含量是有效的，添加Mo也是有效的。
(5)除了上述作用以外，还进一步添加Cr、Ni、V、Nb和B对抑制白色组织与碳化物组织形成和防止硬度下降的作用变得更大。
在上述新颖发现的基础上完成了本发明，其要点在于以下几点。
根据本发明的第一方面，提供了一种长寿命的感应淬硬轴承钢，按重量％：它含有0．45～0．70％的C、0．05～1．70％的Si、0．35～2．0％的Mn、0．001～0．03％的S、0．010～0．07％的Al、0．003～0．015％的N、0．0005～0．0300％的总Mg、还含有不大于0．025％的P、不大于0．0040％的Ti、不大于0．0020％的总O，其余是铁和不可避免的杂质。
根据本发明的第二方面，提供了一种长寿命的感应淬硬轴承钢，按重量％：它含有0．45～0．70％的C、0．05～1．70％的Si、0．35～2．0％的Mn、0．001～0．03％的S、0．010～0．07％的Al、0．003～0．015％的N、0．0005～0．0300％的总Mg、0．05～1．20％的Mo、还含有不大于0．025％的P、不大于0．0040％的Ti、不大于0．0020％的总O，其余是铁和不可避免的杂质。
根据本发明的第三方面，提供了一种长寿命的感应淬硬轴承钢，按重量％：它含有0．45～0．70％的C、0．05～1．70％的Si、0．35～2．0％的Mn、0．001～0．03％的S、0．010～0．07％的Al、0．003～0．015％的N、0．0005～0．0300％的总Mg，以及至少一种选自0．03～1．50％的Cr、0．10～2．00％的Ni、0．03～0．7％的V、0．005～0．3％的Nb、0．0005～0．005％的B的元素；还含有不大于0．025％的P、不大于0．0040％的Ti、不大于0．0020％的总O，其余是铁和不可避免的杂质。
根据本发明的第四方面，提供了一种长寿命的感应淬硬轴承钢，按重量％：它含有0．45～0．70％的C、0．05～1．70％的Si、0．35～2．0％的Mn、0．001～0．03％的S、0．010～0．07％的Al、0．003～0．015％的N、0．0005～0．0300％的总Mg、0．05～1．20％的Mo，以及至少一种选自0．03～1．50％的Cr、0．10～2．00％的Ni、0．03～0．7％的V、0．005～0．3％的Nb、0．0005～0．005％的B的元素；还含有不大于0．025％的P、不大于0．0040％的Ti、不大于0．0020％的总O，其余是铁和不可避免的杂质。
根据本发明的第五方面，在上述第一至第四方面涉及的长寿命感应淬硬轴承钢中包含的各氧化物满足以下公式，用数目比(number ratio)表示：
(MgO·Al2O3数目+MgO数目)／全部氧化物型夹杂数目≥0．70
本发明的最佳模式
本发明特别注意感应淬硬工序，该工序将代替普通高碳铬型轴承钢的硬化／回火工序，或者代替中碳钢的渗碳工序，以便于以低成本生产轴承件，本发明获得了一种轴承钢。由于在感应淬硬材料的表层内产生的压缩残余压力大，这对于提高寿命是有效的，此外，即使在高负载条件下也能够获得极好的滚动疲劳特性。
以下对本发明进行详细说明。还对限制本发明钢的化学组成范围的原因进行说明。
碳对于获得作为最终产品的轴承件所必需的滚动疲劳强度和耐磨损性是一种有效元素。在感应淬硬钢的情况下，当C含量低于0．45％时，它的作用不够；与此相反，当C含量超过0．70％时，韧性恶化，强度也发生恶化。因此，将C含量规定为0．45～0．70％。
添加硅是为了在滚动疲劳过程中通过抑制白色组织与碳化物组织形成和防止硬度下降而达到脱氧和延长最终产品寿命的目的。然而，当Si含量低于0．05％时，该作用变得不够。另一方面，当该含量超过1．70％，这种作用趋于饱和，最终产品的韧性也相当恶化。因此，将Si含量规定为0．05～1．70％。
锰是一种通过改进感应淬硬性来提高最终产品的寿命的有效元素。然而，当其含量低于0．35％时，这种作用不够；另一方面，如果它的含量超过2．0％时，该作用饱和，并发现最终产品的韧性恶化。因此，将Mn含量规定为0．35～2．0％。
硫以MnS存在于钢中，这有助于提高钢的机加工性并使组织细化。然而，当S含量低于0．001％时，该作用不够。另一方面，当S含量超过0．03％时，该作用饱和而滚动疲劳特性相当恶化。由于上述原因，将S含量规定为0．001～0．03％。
作为一种用于脱氧和使晶粒细化的元素而添加铝，当Al含量低于0．010％时，该作用变得不够充分。另一方面，当Al含量超过0．070％时，该作用饱和并且韧性相当恶化。因此，将Al含量规定为0．010～0．07％。
由于AlN的沉淀行为，氮有助于奥氏体晶粒细粒化。然而，当N含量低于0．003％时，该作用不够充分。另一方面，当N含量超过0．015％时，该作用饱和并且韧性相当恶化。因此，将N含量规定为0．003～0．015％。
镁是一种强脱氧元素并同钢中的Al2O3发生反应。添加Mg以便于夺取Al2O3的O并形成MgO·Al2O3或MgO。因此，除非根据Al2O3数量，也就是根据总Owt．％添加至少是预定数量的Mg，否则将会残留下不希望有的未反应的Al2O3。通过这方面的一系列实验，结果发现，通过将总Mg wt％限制到至少为0．0005％，就能够避免未反应的Al2O3残留并且各氧化物能完全转变成MgO·Al2O3或MgO。然而，如果超过总Mgwt％的0．0300％则会生成Mg的碳化物和Mg的硫化物，从材料方面来看，这种化合物的生成是不希望的。因此，Mg含量被限定于0．0005～0．0300％。顺便提一提，术语“总Mg含量”在此处表示可在钢中溶解的Mg含量，形成氧化物的Mg含量和其它Mg化合物(不可避免地被生成)之和。
磷在钢中引起晶界离析和中心线离析，并导致最终产品强度的恶化。特别当P含量超过0．025％时，强度恶化变得更明显。因此，0．025％被规定为P的上限。
钛形成硬沉淀物TiN，它会导致白色组织与碳化物组织形成。换句话说，它成为滚动疲劳损坏的起始点并导致最终产品滚动寿命恶化。尤其当Ti含量超过0．0040％时，寿命恶化更为显著。因此，0．0040％被规定为Ti的上限。
在本发明中，总O含量是在钢中溶解的O含量和钢中形成氧化物(主要是氧化铝)的O含量之和。然而，总O含量近似于形成氧化物的O含量。因此，当总O含量愈高，在钢中待变换的Al2O3数量愈大。已经调查研究了，能够期待本发明在感应淬硬材料中起作用的总O含量极限。结果发现，当总O含量超过0．0020％时，Al2O3数量变成得过大，结果不能将钢中的全部Al2O3数量转变成MgO·Al2O3或MgO，以致在添加Mg时钢中还留有氧化铝。本发明中钢中的总O含量必须被限制在不大于0．0020％(重量)。
其次，根据本发明第二方面的钢含有Mo，以防止在滚动疲劳过程中硬度下降，并抑制形成白色组织与碳化物组织。
添加Mo通过在滚动疲劳过程中抑制形成白色组织与碳化物组织，以提高感应硬度和延长最终产品的寿命。然而，当Mo含量低于0．05％时，这种作用不够充分，另一方面，当Mo含量超过1．2％时，该作用被饱和并发现最终产品的韧性相当恶化。因此，Mo含量被限制在0．05～1．20％。
其次在根据本发明第三和第四方面的钢中，至少添加Cr、Ni、V、Nb与B中的一种元素以提高感应淬硬性，防止在滚动疲劳过程中硬度下降和抑制形成白色组织与碳化物组织。
Cr：   0．03～1．50％
Ni：   0．10～2．00％
V：    0．03～0．7％
Nb：   0．005～0．30％
B：    0．0005～0．005％
所有这些元素都能提高可淬硬性，并对在滚动过程中限制位错密度下降和在重复过程中限制形成渗碳体以防止重复软化是有效的。当Cr低于0．03％、Ni低于0．10％、V低于0．03％，Nb低于0．005％和B低于0．005％时，这种作用是不够的。另一方面，当这些元素超过以下范围时：Cr 1．50％、Ni 2．00％、V 0．7％、Nb 0．3％和B 0．005％时，该作用被饱和并发现最终产品的韧性相当恶化。因此，它们的含量被限制在上述范围。
其次，将对限制本发明第五方面的钢中氧化夹杂物的数目比(number-ratio)的原因进行说明。在钢的精炼过程中，氧化夹杂物超出本发明的范围，也就是，由于不可避免的混合物而存在着MgO·Al2O3和MgO以外的氧化夹杂物。当规定这些夹杂物的数量低于总量的20％(以数目比表示)时，各氧化夹杂物的细分散能够大大地被稳定化，并可以认为材料得到进一步改进，因此，该数目比被限制在
(MgO·Al2O3数目+MgO数目)／全部氧化物型夹杂的数目≥0．7
顺便提一提，为了使氧化物夹杂的数目比落在本发明范围内，防止外部系统氧化物(如来自耐火材料的氧化物)的混合物是一种有效的方法，但本发明并不特别限制涉及这种要求的生产条件。
本发明钢的生产方法没有特殊的限定。换句话说，可能通过高炉-转炉法或电炉法进行原钢水的冶炼。也不特别限制向母钢水中添加各成分的方法，或者向母钢水中添加含有待添加各成分的金属，或者也可以添加它们的合金。添加方法也可以是使用自然坠落的方法，用惰性气体的鼓风法、将填充Mg源的铁丝供入钢水的方法等等。此外，用母钢水生产钢锭和轧制钢锭的方法也没有特别限制。
尽管本发明旨在通过感应淬硬工艺生产用于轴承的钢材，但对感应淬硬条件、实现回火、进行回火时的条件等等并没有特殊的限定。
在下文中，将参考各实施例更加具体地介绍本发明的各种作用。
实施例
通过高炉-转炉-连续铸造法生产具有表1或2所示各化学组成的钢坯。利用将填充金属Mg粒子和Fe-Si合金粒子的铁丝供入从转炉排放到浇包内的钢水的方法添加Mg。
其次，通过初轧和条钢轧制生产具有65mmΦ直径的圆钢。测量轧制方向上钢材截面内各氧化物的数目比和各氧化物的尺寸。结果，所有本发明的各钢材都落在如表3和4所示的适宜范围内。收集由本发明的各个钢材制备用于滚动疲劳试验的试件，然后以100KHz频率和2-3mm的硬化层深度进行感应淬硬处理，此后在160℃进行回火。使用圆柱形滚动疲劳试件通过Mori推力(thrusttype)型接触滚动疲劳试验机(Herzian最大接触应力为529MPa
和点接触型滚动疲劳试验机(Herzian最大接触应力为588MPa
来评价滚动疲劳寿命。作为疲劳寿命的尺度，“直到在Weibull曲线上划出试验结果得到累积破坏概率为10％疲劳损坏的应力循环次数”通常被用作L10寿命。在表3和4中，也出示了各钢材的这种L10寿命的相对值(当对比例No．34的L10寿命被规定为1时)。本发明的各钢材与各对比钢材相比具有更加优良的疲劳特性。此外，在滚动疲劳108次后的各试件中检验了白色组织与碳化物组织的存在情况，该结果也表示在表3和4中。
在对比例34中，MgO型氧化物的数目比为0，氧化物的粒径最大为20μm，是粗粒子。与此不同，对比例37代表在成分近似对比例34的材料中添加了适量Mg的材料。MgO型氧化物的数目比变为0．76，氧化物的粒径降到最大为7μm。结果，尽管在滚动疲劳过程中形成了白色组织和碳化物组织，但颗粒变得比对比例34中的颗粒更细小。同对比例34相比，对比例37在Mori推力型接触滚动疲劳试验和点接触型滚动疲劳试验中的滚动疲劳特性都低5倍，这是不够的。这是因为在对比例37中Si的添加量低于本发明的范围，同时在滚动疲劳过程中形成了白色组织与碳化物组织，尽管其数量轻微。
其次，对比实施35和36代表除Mg以外的元素系统都在本发明范围内的情况，但在对比例35中Mg的添加量小于本发明的范围，而对比例36中Mg的添加量大于本发明的范围。在对比例35中，MgO型氧化物的数目比低到0．48，氧化物的粒径粗到最大为14μm。在对比例36中，MgO型氧化物的数目比高，但由于添加过量的Mg而形成粗粒的MgO，该氧化物的粒径也较粗最大为14μm。同对比例34相比较，尽管受到限制，但在滚动疲劳过程中仍形成了白色组织与碳化物组织。结果，同对比例34相比较，这些对比例在Mori推力型接触滚动疲劳试验和点接触型滚动疲劳试验中的滚动疲劳特性都低4倍，因而该滚动疲劳特性仍是不够充分。
与此不同，在本发明的各钢材中，MgO型氧化物的数目比至少为0．7，该氧化物的粒径较细最大仅为9μm。此外，白色组织与碳化物组织的形成也由于对Si含量与其它元素含量进行最佳化处理而受到限制。因此，同先有技术钢材的对比例34相比较，本发明的各钢材都具有极好的滚动疲劳特性，在推力型接触滚动疲劳试验中，该特性约为对比例34的6～11倍，而在点接触型滚动疲劳试验中，该特性约为对比例34的6～15倍，特别是，根据本发明的第五方面的轴承钢具有极好的滚动寿命，在推力型接触滚动疲劳试验中，该寿命约为先有技术钢材滚动寿命的8倍，而在点接触型滚动疲劳试验中，该寿命至少约为先有技术钢材滚动寿命的9倍。
Figure 9519133100151
表2(wt．％)
Figure 9519133100161
表3备注：1．氧化物的大小等效于每mm2面积的球面直径2．氧化物的数目比：(MgO·Al2O3数目+MgO数目)／全部氧化物夹杂的总数目，条件是该数目以每mm2为基础。3．L10：以在对比例34中被规定为1的L10为基础的相对值。
表4
Figure 9519133100181
工业上的可应用性
如上所述，本发明的感应淬硬轴承钢能够实现形成细粒的氧化物夹杂，抑制形成白色组织与碳化物组织和防止硬度下降。结果，可以提供一种轴承钢，该轴承钢在高负载下能极大地改进轴承件的滚动疲劳寿命。因此，本发明在工业中的作用是极为显著的。

Claims (5)

1．一种长寿命的感应淬硬轴承钢，该轴承钢包含(以重量百分率表示)：C：    0．45～0．70％Si：   0．05～1．70％Mn：   0．35～2．0％S：    0．001～0．03％Al：   0．010～0．07％N：    0．003～0．015％总Mg： 0．0005～0．0300％P：    不大于0．025％Ti：   不大于0．0040％总O：  不大于0．0020％，以及
其余是铁和不可避免的杂质。
2．一种长寿命的感应淬硬轴承钢，该轴承钢包含(以重百分率表示)：C：     0．45～0．70％Si：    0．05～1．70％Mn：    0．35～2．0％Mo：    0．05～1．20％S：     0．001～0．03％  Al：    0．010～0．07％N：     0．003～0．015％总Mg：  0．0005～0．0300％P：     不大于0．025％Ti：    不大于0．0040％总O：   不大于0．0020％，以及
其余是铁和不可避免的杂质。
3．一种长寿命的感应淬硬轴承钢，该轴承钢包含(以重量百分率表示)：C：     0．45～0．70％Si：    0．05～1．70％Mn：    0．35～2．0％S：     0．001～0．03％Al：    0．010～0．07％N：     0．003～0．015％总Mg：  0．0005～0．0300％
至少一种选自以下元素中的元素：Cr：    0．03～1．50％Ni：    0．10～2．00％V：     0．03～0．7％Nb：    0．005～0．3％  B：     0．0005～0．005％；以及P：     不大于0．025％Ti：    不大于0．0040％总O：   不大于0．0020％，以及
其余是铁和不可避免的杂质。
4．一种长寿命的感应淬硬轴承钢，该轴承钢包含(以重量百分率表示)：C：     0．45～0．70％Si：    0．05～1．70％Mn：    0．35～2．0％Mo：    0．05～1．20％S：     0．001～0．03％Al：    0．010～0．07％N：     0．003～0．015％总Mg：  0．0005～0．0300％
至少一种选自以下元素中的元素：Cr：    0．03～1．50％Ni：    0．10～2．00％V：     0．03～0．7％Nb：    0．005～0．3％B：     0．0005～0．005％；以及P：     不大于0．025％  Ti：     不大于0．0040％总O：    不大于0．0020％，以及
其余是铁和不可避免的杂质。
5．一种根据权利要求1～4任一项的长寿命感应淬硬轴承钢，其中，在所述钢中含有的各氧化物满足以下公式(以数目比表示)：
(MgO·Al2O3数目+MgO数目)／全部氧化物型夹杂的数目≥0．70。
CN95191331A 1994-11-24 1995-11-24 长寿命的感应淬硬轴承钢 Expired - Fee Related CN1061699C (zh)

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