CN107760986A - 改进型轴承钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承钢，其包括至少0.6重量％的碳、0.007重量％或者更少的磷和任选其它合金元素(一种或多种)，余量为铁或铁和杂质。本发明也涉及以一种由该轴承钢构成的轴承。

Description

改进型轴承钢
本申请是国际申请日为2012年5月16日、申请号为201280024073.3、发明名称为“改进型轴承钢”的发明专利申请的分案申请。
本发明技术领域
本发明涉及一种轴承钢。本发明还涉及由轴承钢制造的轴承。
背景
轴承，例如滚子轴承(roller bearing)和滚珠轴承(ball bearing)，在使用过程中承受高负荷。因此，轴承应该具有高疲劳强度，并且此外，具有高硬度。
已知的是，高含量碳的钢具有高硬度，但是存在该钢具有低疲劳强度的问题。
发明简述
本发明的一个目的是提供具有改进的疲劳强度(fatigue strength)的轴承钢。本发明另一个目的是提供由根据本发明的轴承钢制造的轴承。
根据本发明的第一个方面，通过一种轴承钢来实现其目的，该轴承钢包括至少0.6重量％的碳、0.007重量％或者更少的磷(phosphorous)和任选地，其它合金元素(一种或多种)，余量为铁。
可以理解的是，除铁之外，该余量可以包括杂质。该杂质可以为通常存在于铁或钢中的杂质和微量元素。因此，该轴承钢可以包括至少0.6重量％的碳、0.007重量％或者更少的磷和任选地，其它合金元素(一种或多种)，余量为铁或铁和杂质。
所包括的杂质的含量为0.5重量％或者更少，优选0.425重量％或者更少。示例性的杂质可以为，例如Cu、As、Sn、Sb、Pb、Ti或者O，或者它们的组合。低含量的杂质，例如Ti和O，导致低含量的硬的非金属夹杂物(hard non-metallic inclusion)，其与低含量的具有在奥氏体晶界(austenite grain boudary)聚集趋势的其它元素结合，使得该轴承钢具有高疲劳强度。具体地，根据本发明的低含量的磷和低含量的杂质结合，从而生成具有高疲劳强度的轴承钢。
该铁基本为纯铁，即基本不含杂质。
根据本发明的碳量使钢具有适用于轴承的高硬度。根据本发明的磷量生成具有高疲劳强度的轴承钢。
该轴承钢可具有的磷含量为0.007重量％以下，优选0.003～0.007重量％，例如0.004～0.006重量％。在炼钢厂(steelwork)可以有效地制造具有该含量磷的钢，并且该钢具有高疲劳强度。磷含量小于0.003重量％可能难于制造和制造成本高，而大于0.007重量％含量不会产生所需的高疲劳强度。
本发明的优点是低含量的磷结合一定含量的碳产生具有高疲劳强度的轴承钢。
轴承钢中的碳含量可以为0.6～1.5重量％，例如0.7～1.3重量％，或者0.7～1.1重量％，碳含量优选为0.7～1.2重量％，更优选0.8～1.1重量％。例如，其含量可以为0.9～1.0重量％。这些碳含量使得轴承钢具有理想的性质，例如高硬度。甚至例如在0.9～1.1重量％这么高的碳含量下，当和含量为0.007重量％或者更少的磷组合时，该轴承钢具有高疲劳强度。
因此，可以将该轴承钢视为高碳钢或者超高碳钢。
该轴承钢还可以包含硫(S)，含量为0.02重量％或者更少。硫含量可以为0.0001～0.02重量％，如0.0001～0.016重量％，或者0.0001～0.011重量％。根据本发明的一个实施方式，硫含量为0.0001～0.002重量％，如0.0001～0.001重量％，例如0.0001～0.0002重量％。如此低的硫含量使得轴承钢具有高疲劳强度。根据本发明另一个实施方式，硫含量可以为0.002～0.02重量％，如0.002～0.013重量％，例如0.003～0.012重量％、0.005～0.012重量％或0.007～0.011重量％。即使在如此高的硫含量下，和如此高的硫含量结合根据本发明的高碳含量和磷含量下，轴承钢仍然具有高疲劳强度。
轴承钢还可以包含总量为0.02重量％或者更少的硫和磷。该硫和磷的总量产生具有高疲劳强度的轴承钢。
轴承钢还可以包含作为合金元素的铝，其含量为0.01重量％或者更多。铝含量优选为0.015重量％或者更多，或者更优选0.02重量％或者更多。最大铝含量可以为0.05重量％。因此，轴承钢中的铝含量可以为0.015～0.05重量％。
轴承钢还可以包含钼(Mo)，其含量为0.1～0.7重量％，优选0.3～0.7重量％，并且最优选0.5～0.7重量％，例如0.51～0.6重量％。该钼含量可以导致具有高疲劳强度的硬轴承钢。此外，该钼含量可对于具有贝氏体结构的轴承钢的制造是有效的。
轴承钢可以具有贝氏体结构或者为贝氏体硬化(淬火)的。可以理解的是，该轴承钢也可以包括除贝氏体结构外的其他结构。优选该轴承钢中超过50％具有贝氏体结构，例如该轴承钢中的50～90％具有贝氏体结构。
贝氏体结构导致机械性质得以改进，具有高韧性和高裂纹扩展阻力(crackpropagation resistance)。因此，由于在平常和特殊使用过程中该钢和轴承承受高的负荷，贝氏体结构对轴承钢和轴承是有益的。根据本发明相关的实施方式，相对高的碳含量、低的磷含量、相对高的钼含量和/或相对高的硫含量的组合生成具有高的轴承疲劳强度的轴承钢。
根据以下方法可以得到轴承钢的贝氏体硬化：使钢经受奥氏体化(austenitization)和淬火；将该钢置于在最初马氏体形成温度(Ms)以上的起始温度(T1)；在贝氏体转化过程中，降低T1至Ms以下但在实际马氏体形成温度以上的温度。
用于贝氏体硬化的方法导致可以有效地得到轴承钢的贝氏体结构，其具有短的贝氏体硬化时间和高的轴承钢硬度。
轴承钢的硬度可以在59HRC以上，例如为59～62HRC，或者大于62HRC。
因此，轴承钢或轴承可以基本具有贝氏体结构和至少62HRC的硬度。
轴承钢也可以具有马氏体结构或者为马氏体硬化的，仍具有高疲劳强度。
具有0.1～0.7重量％Mo含量的轴承钢适用于0～150mm材料厚度的轴承。该轴承钢可以具有0.1～0.5重量％的Mo含量，该Mo含量可以适用的材料厚度为0～150mm，例如15～100mm，例如15～45mm。
具有0.5～0.7重量％Mo含量的轴承钢特别适用于材料厚度为45mm或者更高的轴承，例如材料厚度为45～150mm，或者45～80mm。该轴承可以为，例如具有45～80mm壁厚的滚子轴承。
用于15mm以下材料厚度的轴承的轴承钢可具有0.35重量％以下，或者0～0.35重量％含量的Mo。该轴承钢可以具有贝氏体结构。
具体地，包含0.1～0.7重量％Mo含量的轴承钢可具有贝氏体结构。
该轴承钢可以包含铬(Cr)，其含量为1.0～3.0重量％，例如1.3～2.0重量％。1.0～1.5重量％的铬含量可以特别适用于材料厚度为0～45mm的轴承，例如15～45mm。1.5～3.0重量％的铬含量，例如1.5～2.0重量％，特别适用于材料厚度为45mm以及更大的轴承，例如45～80mm，或者45～150mm。
包含Cr含量为1.0～3.0重量％的该轴承钢可适用于贝氏体结构。
任选的其它合金元素(一种或多种)可以选自下组，其包括Si、Mn、S、Cr、Ni、Mo、V和Al，或者它们的组合。
该任选的其它合金元素可适用于给予该钢合适的性质。
如果该任选的其它合金元素存在于轴承钢中，其合适的含量可以在以下范围：
硅(Si)：0～2.5重量％，例如0.0001～2.5重量％。
锰(Mn)：0～2重量％，例如0.0001～2重量％。
硫(S)：0～0.02重量％，例如0.0001～0.02重量％。
铬(Cr)：0～3重量％。
镍(Ni)：0～1重量％，例如0.0001～1重量％。
钼(Mo)：0～1重量％。
钒(V)：0～1重量％，例如0.0001～1重量％。
铝(Al)：0.01～0.050重量％。
该含量的合金元素可导致低含量的硬的非金属夹杂物并且具有高疲劳强度的轴承钢。
根据本发明的第二方面，提供了包括如下轴承钢的轴承或由如下轴承钢构成的轴承，该轴承钢包括至少0.6重量％的碳、0.007重量％或者更少的磷和任选地，其它合金元素(一种或多种)，余量为铁或者铁和杂质。
可以优选地是，该轴承由或者基本上由至少0.6重量％的碳、0.007重量％或者更少的磷和任选地，其它合金元素(一种或多种)来组成。
因此，可提供具有如上所讨论的轴承钢性质的轴承。因此可提供具有高疲劳强度的轴承。
该轴承可以选自：滚珠轴承和滚子轴承；其中滚珠轴承选自深沟滚珠轴承、角接触滚珠轴承、推力滚珠轴承、角接触推力滚珠轴承和自动定位滚珠轴承(self-aligning ballbearing)，或者它们的组合；而其中该滚子轴承可以选自：圆柱滚子轴承、球形滚子轴承、推力圆柱滚子轴承、滚针轴承(needle rollerbearing)、圆环滚子轴承(toroidal rollerbearing)、圆环滚子轴承、组合滚针轴承、圆锥滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、推力滚针轴承、推力球形滚子轴承、组合圆柱滚子/圆锥滚子轴承、滚轮轴承(track runnerbearing)和分度滚子单元(indexing roller unit)，或者它们的组合。该轴承的至少一个部件，例如轴承的滚动体或者轴承套圈可以包括根据本发明的轴承钢。
该轴承可以为选自上组的滚珠轴承和滚子轴承的组合。
该轴承可以具有的材料厚度为0～150mm，例如0～80mm。因此，该轴承可以具有的材料厚度为0～45mm，例如15～45mm，或者该轴承具有的材料厚度为45mm或者更高，例如45～80mm，或者45～150mm。
上述涉及本发明第一方面关于轴承钢的讨论还可以和关于轴承的本发明第二方面的轴承相关联。关于轴承参见本文中的这些讨论。
实施例
在以下的对比实施例中，将会理解和领会本发明的优点。应该理解的是，所包括的实施例是为了加深对本发明的理解，而实施例不应该理解为以任何方式限定本发明的范围。
使用两个钢炉(steel heat)A和B来铸造钢锭A和B。将该钢锭A和B锻造成350mm的圆形钢坯。将该钢坯A和B切割并且机械加工成旋转梁式制品A和B。使用包括盐浴转化的常规贝氏体转化循环在235℃下对该制品A和B进行贝氏体硬化。通过硬态切削(hardturning)、打磨、抛光制成该制品A和B。从炉A和B得到的制品A和B的化学组分在表1中公开。制品A作为对比。
表1：从炉A(对比)和B得到的轴承钢的化学组分
正如表1所示的，制品A和B的不同点在于，制品B中的磷含量明显低于制品A；制品A具有的磷含量为制品B的磷含量的2.8倍。从表1中也可以看出制品B的硫含量为制品A的硫含量的2.5倍。此外，制品B中的Al含量高于对比性的制品A 17％。当将A和B进行比较时，其它元素的含量相同或者相近。
旋转梁疲劳测试和楼梯测试(stair case test)：
将几个制品A和B在1060MPa恒定压力水平下进行测试，并且制造楼梯。该测试结果如图1和图2所示。从该测试和结果中，可以推断根据本发明的制品B在恒定压力测试中的中值寿命(median life)至少为对比制品A的五倍。
如图2中所示，制品A和B的楼梯测试表明，和对比制品A相比，根据本发明的制品B在疲劳极限方面显著提高。
从测试中显而易见的是，具有根据表1中制品B的化学组分的轴承钢使得其性质得以相当大的改进，该性质包括改进的疲劳强度。例如，推断出低的磷含量对改进的疲劳强度产生有益的影响。
根据本发明的一个实施方式，该轴承钢可以包含0.9～1.1重量％的碳、0.004～0.007重量％的磷、0.5～0.7重量％的钼和任选地，其它合金元素(一种或多种)，余量为铁或铁和杂质。该轴承钢具有高疲劳强度。
根据本发明的另一个实施方式，该轴承钢可以包含0.9～1.1重量％的碳、0.004～0.007重量％的磷、0.5～0.7重量％的钼、0.002～0.016重量％的硫和任选地，其它合金元素(一种或多种)，余量为铁或铁和杂质。该轴承钢具有高疲劳强度。
本发明还包括：
1.一种轴承钢，其包括至少0.6重量％的碳、0.007重量％或者更少的磷和任选地，其它一种或多种合金元素；余量为铁或铁和杂质。
2.根据项1所述的轴承钢，其中磷的含量在0.007重量％以下，优选在0.004～0.007重量％的范围。
3.根据项1或2所述的轴承钢，其中碳的含量为0.6～1.5重量％。
4.根据项3所述的轴承钢，其中碳的含量为0.8～1.1重量％。
5.根据在先项中的任一项所述的轴承钢，其还包括作为合金元素的硫，其含量为0.02重量％或者更少，优选0.002～0.016重量％。
6.根据在先项中的任一项所述的轴承钢，其还包括作为合金元素的铝，其含量为0.015重量％或者更多。
7.根据在先项中的任一项所述的轴承钢，其还包括作为合金元素的钼，其含量为0.1～0.7重量％，优选0.4～0.7重量％，并且最优选0.5～0.6重量％。
8.根据在先项中的任一项所述的轴承钢，其包括0.9～1.1重量％的碳、0.003～0.007重量％的磷、0.5～0.7重量％的钼和0.002～0.016重量％的硫。
9.根据在先项中的任一项所述的轴承钢，其中所述轴承钢具有贝氏体结构。
10.根据在先项中的任一项所述的轴承钢，其中任选的一种或多种其它合金元素选自Si、Mn、S、Cr、Ni、Mo、V和Al，或者它们的组合。
11.一种轴承，其包括根据项1的轴承钢。
12.根据项11所述的轴承，其中所述轴承具有的材料厚度为45mm或者更低，优选15～45mm。
13.根据项11所述的轴承，其中所述轴承具有的材料厚度为45mm或者更高，优选45～80mm。

Claims (9)

1.一种轴承钢，其包含0.9-1.5重量％的碳、低于0.007重量％且在0.003-0.007重量％范围内的量的磷、和任选的其它一种或多种合金元素；余量为铁或铁和杂质，其中所述轴承钢还包括0.5-0.7重量％的钼和0.02重量％或更低的量的硫，且其中所述轴承钢的50-90％具有贝氏体结构。
2.根据权利要求1的轴承钢，其中碳的量为0.9-1.1重量％。
3.根据在先权利要求任一项的轴承钢，其包含0.002-0.016重量％的量的作为合金元素的硫。
4.根据在先权利要求任一项的轴承钢，其还包含0.015重量％或更高的量的作为合金元素的铝。
5.根据在先权利要求任一项的轴承钢，其中作为合金元素的钼的量为高于0.5重量％且至多0.6重量％。
6.根据在先权利要求任一项的轴承钢，其中任选的其它一种或多种合金元素选自Si、Mn、S、Cr、Ni、Mo、V和Al、或者它们的组合。
7.一种轴承，其包括根据权利要求1的轴承钢。
8.根据权利要求7的轴承，其中所述轴承具有45mm或者更低、优选15-45mm的材料厚度。
9.根据权利要求7的轴承，其中所述轴承具有45mm或者更高、优选45-80mm的材料厚度。
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