CN110699610B - 钢合金 - Google Patents

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Abstract

一种钢合金，包括：0.05至0.25重量％的碳，10至14重量％的铬，1.5至4重量％的钼，0.3至1.2重量％的钒，0.3至3重量％的镍，6至11重量％的钴，0.05至0.4重量％的硅，0.1至1重量％的锰，0.02至0.06重量％的铌，可选地，一个或多个以下元素：0至2.5重量％的铜，0至0.1重量％的铝，0至250ppm的氮，0至30ppm的硼，和余量铁，以及任何不可避免的杂质，其中，所述合金具有的Nieq大于11.5，所述Nieq由公式Nieq＝Ni+Co+(0.5×Mn)+(30×C)定义，以重量％计。

Description

钢合金
技术领域
本发明涉及钢和轴承领域。更具体地，本发明涉及一种新型钢合金、形成轴承部件的方法以及包括这种部件的轴承。
背景技术
轴承是允许两个部件之间受约束的相对运动的装置。滚动元件轴承包括内滚道和外滚道以及设置在它们之间的多个滚动元件(滚珠或滚子)。为了长期的可靠性和性能，重要的是各个元件具有高的抗滚动疲劳、磨损和蠕变的能力。用于航空航天应用的轴承通常需要在可能暴露于潮湿的环境中在高负载和极端温度下操作。因此，除了优异的表面硬度和芯延展性之外，这些部件还需要具有韧性、高温性能和耐腐蚀性的最佳组合。
不锈钢是已知的并且通常含有至少10重量％的Cr以实现所需的耐腐蚀性。例如，
Figure BDA0002123672560000011
675不锈钢是一种渗碳耐腐蚀钢，其设计成用于提供超过HRC60的表面硬度以及坚韧的韧性芯。/>
Figure BDA0002123672560000013
675不锈钢已用于轴承和齿轮传动类应用。/>
Figure BDA0002123672560000012
675不锈钢含有约0.07重量％的碳和13重量％的铬以及钼、钒、镍、钴、硅、锰和铁。EP0411931公开了一种用于飞机轴承的可表面硬化的耐腐蚀合金的示例。
通常，轴承是全钢轴承；也就是说，轴承环和滚动元件由钢制成。混合轴承是具有钢轴承环和陶瓷滚动元件的轴承。使用陶瓷滚动元件增加了轴承的承载能力，但为了充分利用陶瓷滚动元件的承载能力，轴承环的钢表面需要比目前使用现有可表面硬化合金可实现的更加坚固。
此外，耐腐蚀性的要求来自环境方面比如湿度以及使用可能包含侵蚀性化学品的润滑剂。
形成合金部件的钢合金的芯微结构优选具有低含量的δ-铁素体相。这是因为过量的δ-铁素体会损害芯微结构的韧性，从而损害轴承环的韧性和抗开裂性。例如，由于存在δ-铁素体而导致的冲击韧性的降低描述在A.Rajasekhar的“Influence of Microstructureon Mechanical Properties of Martensitic Stainless Steel Welds”,Journal ofMechanical and Civil Engineering Volume 12,Issue 2Ver.VI(Mar-Apr.2015),pp 05-10以及Ye.A.Sagalevich,Ya.M.Potak和V.V.Sachkov的“Effect of Delta-Ferrite onthe Properties of Low Carbon Martensitic Stainless Steels”,Moscow.Tsentral'nyy NauchnoIssledovatel'skiy Institut Chernoy Metallurgii.Sbornik Trudov(Moscow.Central Scientific Research Institute of Ferrous Metallurgy.CollectedPapers),1968,No.63,pp.90-95中。例如，高δ-铁素体含量对韧脆转变温度的负面影响描述在D.Carrouge,H.K.D.H.Bhadeshia和P.Woollin的“Effect ofδ-ferrite on impactproperties of supermartensitic stainless steel heat affected zones”,Scienceand Technology of Welding and Joining 2004Vol.9No.5pp 377-389中。
GB2553583描述了一种用于轴承的不锈钢合金，该合金具有的组成包括：0.04至0.1重量％的碳、10.5至13.0重量％的铬、1.5至3.75重量％的钼、0.3至1.2重量％的钒、0.3至2.0重量％的镍、6至9重量％的钴、0.05至0.4重量％的硅、0.2至0.8重量％的锰、0.02至0.06重量％的铌、0至2.5重量％的铜、0至0.1重量％的铝、0至250ppm的氮、0至30ppm的硼和余量铁以及任何不可避免的杂质。然而，这种合金的微结构可能含有大量的δ-铁素体，通常超过9体积％的δ-铁素体。结果，机械性能比如韧性通常不足以使钢合金用于航空航天应用的混合轴承。US2018/073113A1涉及一种可表面硬化的不锈钢合金。
本发明的目的是解决或至少减轻与现有技术相关的一些问题，并提供一种用于制造表面硬化轴承部件的不锈钢合金，其带来高表面强度以及优异的芯韧性和耐腐蚀性。
发明内容
第一方面，本发明提供了一种钢合金，包括：
0.05至0.25重量％的碳，
10至14重量％的铬，
1.5至4重量％的钼，
0.3至1.2重量％的钒，
0.3至3重量％的镍，
6至11重量％的钴，
0.05至0.4重量％的硅，
0.1至1重量％的锰，
0.02至0.06重量％的铌，
可选地，一个或多个以下元素：
0至2.5重量％的铜，
0至0.1重量％的铝，
0至250ppm的氮，
0至30ppm的硼，和
余量铁，以及任何不可避免的杂质，
其中，所述合金的Nieq大于11.5，所述Nieq由式Nieq＝Ni+Co+(0.5x Mn)+(30x C)定义，以重量％计。
钢合金可以是轴承钢合金。钢合金可以表现出高硬度、耐高温和高耐腐蚀性的有利组合，并且特别适用于例如航空航天发动机应用的混合轴承。
现在将进一步描述本发明。在以下段落中，更详细地定义了本发明的不同方面。除非明确地相反指出，否则如此定义的每个方面可以与任何其他方面组合。特别地，被指示为优选或有利的任何特征可以与被指示为优选或有利的任何其他特征组合。
该组合物的Nieq(“镍当量”)大于11.5，Nieq由式Nieq＝Ni+Co+(0.5×Mn)+(30×C)定义，以重量％计(即镍含量+钴含量+0.5×锰含量+30×碳含量，以重量％计)。优选地，Nieq为11.6至17，更优选11.7至16，甚至更优选12至15。在优选实施例中，该合金的Nieq大于14.4，优选14.5至15。这样的Nieq值可导致钢表现出具有低含量δ-铁素体的微结构，通常小于3体积％的δ-铁素体。这种低含量的δ-铁素体可导致钢表现出有利的机械性能，特别是高韧性。
钢合金组合物包括0.05至0.25重量％的碳。与其他合金元素组合，这可导致所需的微结构(例如淬火后的马氏体基体)和有助于轴承应用的机械性能。钢合金适用于表面硬化，因此表面富含碳或氮或者碳和氮。
在优选实施例(“高碳实施例”)中，钢合金组合物包括大于0.1至0.25重量％的碳(即0.1重量％<碳≤0.25重量％)，优选0.11至0.2重量％的碳，更优选0.12至0.19重量％的碳，甚至更优选0.13至0.18重量％的碳。这种碳含量可有助于提供具有低含量δ-铁素体的有利微结构，通常小于3体积％的δ-铁素体。
在另一优选实施例(“低碳实施例”)中，钢合金组合物包括0.05至0.09重量％的碳，优选0.06至0.08重量％的碳或0.07至0.08重量％的碳。虽然这样的碳含量可能导致钢表现出较低的强度，但是在硬化期间淬火时可增加芯奥氏体的马氏体起始温度(Ms)。相对于表面而言，芯的高马氏体起始温度确保在由钢形成的轴承部件内获得良好的压缩残余应力分布。
钢合金组合物包括10至14重量％的铬，优选10.5至13重量％的铬，更优选10.7至12.8重量％的铬，甚至更优选11至12.5重量％的铬。已知铬在耐腐蚀性方面是有益的，并且不锈钢必须含有至少约10重量％的铬，以被归类为不锈钢。铬可用于在高温下保持钢合金的高硬度，使得该合金适用于航空发动机。铬含量与其他合金元素特别是钼一起可以帮助最大化PREN数。铬是铁素体稳定剂，因此其含量优选使得在热处理期间不形成芯中不希望的δ-铁素体相。如果存在于芯中，δ-铁素体相可能导致奥氏体碳含量的显著增加，这反过来降低了马氏体起始温度。此外，当在芯中大量存在δ-铁素体时，预期机械性能差。由于这些原因，Cr含量选择为小于14重量％，优选小于13重量％，更优选小于12.8重量％，甚至更优选小于12.5重量％。
钢合金组合物包括1.5至4重量％的钼，优选2至3.9重量％的钼，更优选2.5至3.8重量％的钼，甚至更优选2.7至3.7重量％的钼。钼可用于在高温下保持钢合金的高硬度，使该合金适用于航空发动机。钼可以用于避免由于诸如磷之类的杂质造成的奥氏体晶界脆化。钼也可以用于提高淬透性。钼对PREN数的影响大于铬。因此，对于给定的Creq(“铬当量”)数，优选平衡钼和铬含量以使芯中δ-铁素体的出现最小化同时使PREN数最大化。钼是铁素体稳定剂，因此其含量优选使得在热处理期间不形成芯中的δ-铁素体相。如果存在于芯中，δ-铁素体相可能导致奥氏体碳含量的显著增加，这反过来降低了马氏体起始温度。此外，当在芯中大量存在δ-铁素体时，预期机械性能差。
如上所述，钼和铬影响耐点蚀当量数(PREN)，其定义为PREN＝Cr+3.3Mo+16N(元素重量％)。PREN是不锈钢在含氯环境中耐腐蚀性的众所周知的指示。通常，PREN值越高，钢的耐腐蚀性越强。在本发明中，钢合金组合物可具有约14.95至约27.6的PREN(芯)。PREN值优选尽可能高，例如至少18.5，优选至少19，更优选至少22。
当应用碳氮共渗表面硬化时，在该情况下固溶体中增加的氮将导致相对较高的PREN。因此，与仅使用表面渗碳相比，可以预期以这种方式加工的轴承部件将表现出改进的停用耐腐蚀性。
钢合金组合物包括0.3至1.2重量％的钒，优选0.35至1.1重量％的钒，更优选0.35至1重量％的钒，甚至更优选0.4至0.7重量％的钒。钢合金组合物可有利地包括0.65至1.2重量％的钒。在改善热硬度方面添加钒可能是有益的，并且还可以在回火期间控制微结构的响应。钒可用于在高温下保持钢合金的高硬度，使得该合金适用于航空发动机。此外，钒可有利于确保细粒结构。钒含量太高可能会锁定MC型碳化物中更多的碳，这可能导致淬火后的马氏体基体表现出不足的强度和硬度，这对轴承应用是不利的。此外，钒是铁素体稳定剂，因此其含量必须与其他奥氏体稳定元素平衡。
钢合金组合物包括0.3至3重量％的镍，优选0.3至1.9重量％的镍，更优选0.4至1.8重量％的镍。这种相对低的镍含量可以确保可以有利地提高钴含量。芯的低碳含量可以确保良好的韧性，因此可以相应地降低镍含量。镍也是一种相对昂贵的合金元素。
钢合金组合物包括6至11重量％的钴，优选7至10重量％的钴，更优选7.5至9.5重量％的钴，甚至更优选8.1至9.3重量％的钴。钴可用于在高温下保持钢合金的高硬度，使该合金适用于航空发动机。钴和镍都对Nieq有贡献，因此优选是平衡的。对于给定的Nieq，较低的镍含量使得能够提高合金的钴含量。就结构中更细碳化物的形成而言，更高的钴含量可能是有益的，在更高的硬度和强度方面具有益处。然而，过高的钴含量会降低Ms温度，导致难以在淬火时将奥氏体转变成马氏体。
钢合金组合物包括0.05至0.4重量％的硅，优选0.05至0.3重量％的硅，更优选0.15至0.25重量％的硅。在这些范围内存在的硅与其它合金元素的组合可以产生具有最小量的残余奥氏体的所需微结构。硅可以改善钢微结构的抗回火性，因此添加最少量的0.05重量％的Si。Si也可能对Creq有贡献。因此，硅含量太高可导致更加可能稳定部件芯中的不希望的δ-铁素体相。此外，硅可能降低基体的弹性。由于这些原因，最大硅含量为0.4重量％，优选0.3重量％，更优选0.25重量％。
钢合金组合物包括0.1至1重量％的锰，优选0.13至0.7重量％的锰，更优选0.14至0.6重量％的锰，甚至更优选0.15至0.19重量％的锰。锰含量至少为0.1重量％，因为这与其它合金元素组合有助于获得所需的微结构和性能。锰还可以提高淬透性。另外，锰用于提高奥氏体相对于铁素体的稳定性。然而，高于约1重量％的锰含量可用于增加残余奥氏体的量。这可能导致实际的冶金问题，比如过多地稳定残余奥氏体，导致轴承部件的尺寸稳定性的潜在问题。
钢合金组合物包括0.02至0.06重量％的铌，优选0.025至0.055重量％的铌，更优选0.03至0.05重量％的铌。在这样的范围内添加铌有利于在表面硬化或任何随后的硬化热处理期间防止过量的奥氏体晶粒生长。此外，当钢合金含有足够量的钒时，铌的存在促进了钒碳化物的沉淀。在这样的实施例中，钢合金包括0.3至1.2重量％的钒。然后该合金可具有包括富含铌和富含钒的沉淀物的微结构。
在优选实施例中，钢合金包括2至3.9重量％的钼，优选2.5至3.8重量％的钼，更优选2.7至3.7重量％的钼；和/或0.35至1.1重量％的钒，优选0.35至1重量％的钒，更优选0.4至0.7重量％的钒；和/或0.3至1.9重量％的镍，优选0.4至1.8重量％的镍；和/或7至10重量％的钴，优选7.5至9.5重量％的钴，更优选8.1至9.3重量％的钴；和/或0.05至0.3重量％的硅，优选0.15至0.25重量％的硅；和/或0.13至0.7重量％的锰，优选0.14至0.6重量％的锰，更优选0.15至0.19重量％的锰；和/或0.025-0.055重量％的铌，优选0.03至0.05重量％的铌。
在优选实施例中，钢合金包括0.14至0.18重量％的碳，11.1至11.5重量％的铬，3.42至3.46重量％的钼，0.31至0.35重量％的钒，0.41至0.45重量％的镍，9.1至9.3重量％的钴，0.15至0.19重量％的硅，0.21至0.25重量％的锰，0.03至0.05重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。在一示例中，钢合金包括约0.16重量％的碳，约11.3重量％的铬，约3.44重量％的钼，约0.33重量％的钒，约0.43重量％的镍，约9.2重量％的钴，约0.17重量％的硅，约0.23重量％的锰，约0.04重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。
在另一优选实施例中，钢合金包括0.09至0.13重量％的碳，11至11.4重量％的铬，3.55至3.65重量％的钼，0.53至0.57重量％的钒，0.39至0.43重量％的镍，8.9至9.3重量％的钴，0.14至0.18重量％的硅，0.14至0.18重量％的锰，0.03至0.05重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。在一示例中，钢合金包含约0.11重量％的碳，约11.2重量％的铬，约3.6重量％的钼，约0.55重量％的钒，约0.41重量％的镍，约9.1重量％的钴，约0.16重量％的硅，约0.16重量％的锰，约0.04重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。
在另一优选实施例中，钢合金包括0.07至0.11重量％的碳，11.1至11.5重量％的铬，3.45至3.55重量％的钼，0.45至0.55重量％的钒，1.75至1.85重量％的镍，8.6至9重量％的钴，0.16至0.2重量％的硅，0.16至0.2重量％的锰，0.04至0.06重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。在一示例中，钢合金包括约0.09重量％的碳，约11.3重量％的铬，约3.5重量％的钼，约0.5重量％的钒，约1.8重量％的镍，约8.8重量％的钴，约0.18重量％的硅，约0.18重量％的锰，约0.05重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。
在另一优选实施例中，钢合金包括0.04至0.07重量％的碳，13至14重量％的铬，2.5至3重量％的钼，0.47至0.57重量％的钒，1.4至1.7重量％的镍，8至8.5重量％的钴，0.15至0.19重量％的硅，0.45至0.55重量％的锰，0.02至0.04重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。在一示例中，钢合金包括约0.054重量％的碳，约13.4重量％的铬，约2.74重量％的钼，约0.53重量％的钒，约1.54重量％的镍，约8.16重量％的钴，约0.17重量％的硅，约0.51重量％的锰，约0.032重量％的铌，以及余量铁和任何不可避免的杂质。
钢合金可以进一步由Creq(“铬当量”)定义。Creq定义为Cr+2Si+1.5Mo+5V(重量％)，并且通常可以为约13.9至约26.8。Creq优选为18至20.5，更优选为18.5至19.7。在这样的范围内的Creq值可以增加钢的耐腐蚀性。
如上所述，钢合金可任选地包括一种或多种下列元素：0至2.5重量％的铜，0至0.1重量％的铝，0至250ppm的氮以及0至30ppm的硼。
钢合金可任选地包含至多2.5重量％的铜，例如0.01至0.5重量％的铜。铜提高了合金的淬透性和耐腐蚀性。但是，其量必须适当控制，因为它是奥氏体稳定剂。如果以超过0.3重量％的含量存在，则铜含量与镍的含量相关，因为Cu/Ni的重量％比优选为约2(±0.2)。这确保了减轻热脆性。当考虑到VIM-VAR加工途径时，由于元素的高蒸气压，在钢组合物中添加铜可能不太理想。然而，在使用VIM-ESR处理钢合金组合物的实施例中，可以在ESR处理过程中添加铜。
钢合金可任选地包括至多0.1重量％的铝，例如0.005至0.05重量％的铝，优选0.01至0.03重量％的铝。铝可以用作脱氧剂。然而，铝的使用需要严格的钢生产控制以确保相对于非金属夹杂物的清洁度，这增加了加工成本。因此，钢合金包括不超过0.05重量％的铝。然而，如果合金是通过粉末冶金途径或通过喷射成形制造的，则铝含量必须降低到痕量级并且优选保持在绝对最小值。
在一些实施例中，可以添加氮，使得钢合金包括50至250ppm的氮，优选75至150ppm的氮。氮的存在可有利于促进复合氮化物和/或碳氮化物的形成。在其他实施例中，没有有意添加氮。然而，合金可能仍然必须包括高达50ppm的氮。如果合金是通过VIM-VAR加工途径制造的，则铝浓度可以在例如0.01至0.03重量％的范围内，并且氮浓度可以在30至60ppm的范围内。这两种元素都有助于以氮化铝沉淀物的形式钉扎奥氏体晶界，从而确保更细的晶粒结构，这有利于要求苛刻的轴承应用。
钢合金可任选地包括0至30ppm的硼。例如，当需要提高淬透性时，可以添加硼。
应当理解，本文提到的钢合金可含有不可避免的杂质，但总的来说，这些杂质不可能超过组合物的0.3重量％。优选地，钢含有的不可避免的杂质的量不超过组合物的0.1重量％，更优选不超过组合物的0.05重量％。特别地，钢合金还可包括一种或多种杂质元素。非穷举的杂质列表包括例如：0至0.025重量％的磷，0至0.015重量％的硫，0至0.04重量％的砷，0至0.075重量％的锡，0至0.075重量％的锑，0至0.01重量％钨，0至0.005重量％的钛，0至0.002重量％的铅。钢合金优选包括很少或不含硫，例如0至0.015重量％的硫。钢合金优选包括很少或不含钾，例如0至0.025重量％的钾。钢合金优选包括≤20ppm的氧。氧可以作为杂质存在。钢合金优选包括≤30ppm的钛。钛可以作为杂质存在。钢合金优选包括≤50ppm的Ca。钙可以作为杂质存在。
根据本发明的钢合金可基本上包括所列举的元素。因此，应当理解，除了那些强制性的元素之外，组合物中还可以存在其它非特定元素，只要组合物的基本特征不会受到它们存在的实质性影响。
根据本发明的钢合金优选具有的微结构包括(i)马氏体(通常是回火马氏体)，(ii)碳化物和/或碳氮化物，和(iii)任选地一些残余奥氏体。低水平的残余奥氏体是有利的，因为它改善了轴承部件的尺寸稳定性。微结构还可包括氮化物。如上所述，有利地，在微结构中具有很少或没有不希望的δ-铁素体相，通常小于3％。
钢的结构可以通过常规的微结构表征技术确定，例如光学显微镜、TEM、SEM、AP-FIM和X射线衍射，包括这些技术中的两种或更多种的组合。
在参考示例中，本发明提供了一种钢合金，包括：
大于0.1至0.25重量％的碳，
10至14重量％的铬，
1.5至4重量％的钼，
0.3至1.2重量％的钒，
0.3至3重量％的镍，
6至11重量％的钴，
0.05至0.4重量％的硅，
0.1至1重量％的锰，
0.02至0.06重量％的铌，
可选地，一个或多个以下元素：
0至2.5重量％的铜，
0至0.1重量％的铝，
0至250ppm的氮，
0至30ppm的硼，和
余量铁，以及任何不可避免的杂质。
关于第一方面描述的优选和可选特征同样适用于该参考示例。这种合金的微结构可以表现出低水平的δ-铁素体，通常小于3体积％。因此，本发明该方面的合金可以表现出与第一方面的合金相似的有利机械性能。
在另一方面，本发明提供了一种由本文所述的钢合金形成的轴承部件。该轴承部件可以是滚动元件、内环和外环中的至少一个。
轴承部件的表面优选已经表面硬化，例如通过渗碳、氮化和/或碳氮共渗，优选通过碳氮共渗。在表面硬化之后，部件表面的碳含量优选为例如0.5至2.5重量％。
在另一方面，本发明提供了一种轴承，其包括如本文所述的轴承部件。该轴承优选为混合轴承，更优选地，其中轴承部件是内环和/或外环，并且轴承包括由陶瓷材料制成的滚动元件。
在另一方面，本发明提供了一种制造轴承部件的方法，该方法包括：
(i)提供如本文所述的钢合金；
(ii)由钢合金形成轴承部件；以及
(iii)对部件进行表面硬化。
钢合金本身可以使用选自以下的加工途径形成：真空感应熔炼(VIM)；真空电弧重熔(VAR)；电渣重熔(ESR)或其组合。粉末冶金(PM)加工也是可能的。粉末冶金途径通常需要施加金属粉末的热等静压(HIP)以获得最佳密度。HIP过程之前可以进行冷等静压(CIP)。钢合金可以通过喷射成形来形成。此外，如果需要基质合金组合物中有意的高氮含量，则可以使用VIM然后P-ESR过程。此外，由于碳含量低，芯合金也可以是3D打印的。这些也是传统的制造技术，比如锻造或轧制。铝含量降低至痕量级，并且优选地在PM或喷射成形的合金变体中保持最小。对于VIM-VAR变体，铝浓度可以在0.01至0.03重量％的范围内。氮浓度可以在30至60ppm的范围内。这两种元素都有助于以氮化铝沉淀物的形式钉扎奥氏体晶界，从而确保更细的晶粒结构，这有利于要求苛刻的轴承应用。该合金优选地通过VIM-VAR或PM方法形成。
控制钢制品的锻造过程，使得晶粒尺寸足够精细，以便随后的渗碳或碳氮共渗过程不会导致形成过大的晶界碳化物。例如，晶粒尺寸通常可以为15至85μm。
表面硬化的步骤可以例如通过在高温下将碳(渗碳)、氮(氮化)、碳和氮(碳氮共渗)和/或硼(硼化)扩散到钢的外层中来进行。因此，这些是热化学过程。这些过程在本领域中是已知的。它们之后通常进行进一步的热处理，以在表面和芯部中获得所需的硬度分布和所需的性能。表面硬化优选在减压(低于大气压)下进行，可能包括合适的预氧化步骤。例如，清洁轴承部件可以在875至1050℃下在空气中加热1小时，然后空气冷却。
在一实施例中，该方法包括表面渗碳。可以应用真空渗碳、气体渗碳、液体渗碳或固体(包)渗碳。这些过程中的每一个都依赖于淬火时奥氏体向马氏体的转变。表面上碳含量的增加必须足够高，以使马氏体层具有足够的硬度，通常约为750HV，以提供耐磨表面。扩散后表面所需的碳含量通常为0.5至2.5重量％。渗碳可以在含碳介质中在870至1100℃的温度下进行。这种渗碳处理在本领域中是常规的并且确保在渗碳情况下足够的碳富集，使得在芯和表面之间存在足够的ΔM(奥氏体)。这反过来确保通过轴承部件的硬化表面的厚度并朝向芯部形成有益的压缩残余应力分布。
在进一步的实施例中，该方法包括碳氮共渗。在渗碳过程中，可以将诸如氨的氮源引入到炉内气氛中。可以通过低压碳氮共渗和气体碳氮共渗来应用包括氨。
当碳氮共渗应用于由根据本发明的钢合金制成的部件时具有许多优点。总的处理时间可能会缩短。此外，由于氮元素在硬化的情况下处于固溶体中，因此实现了轴承部件的更好的耐腐蚀性，尤其是在潮湿环境中停用期间。
在另一实施例中，表面硬化的步骤包括渗碳和碳氮共渗。该实施例对于需要相对大的表面深度的部件是有利的。
表面硬化钢合金表现出高硬度、优异的耐腐蚀性和/或尺寸稳定性。
在表面渗碳或碳氮共渗或两者的组合之后，轴承部件通常被硬化和回火。在第一次回火之后，可以在接近液氮温度下将部件深度冷冻然后再次回火。同样，这种处理在本领域中是常规的。
热处理包括在例如约1100℃下的奥氏体化，然后进行油或气淬火。回火可以是双倍的，或者如果必要的话，甚至可以进行三次回火或更多，在回火步骤之间进行零度以下的处理。
为了获得优异的抗滚动接触疲劳性能，表面硬化和回火轴承部件之后可以进行表面氮化或硼化，例如以进一步提高轴承部件的表面硬度。这特别适用于轴承滚道的表面硬度。因此，在优选实施例中，一旦轴承部件的表面经过表面渗碳，就可以对表面进行表面氮化处理，以进一步改善表面层的机械性能。
可以对钢合金或轴承部件进行表面精加工技术。例如抛光，特别是对于滚道而言，然后在必要时进行回火和空气冷却。然后，钢合金或轴承部件可以通过硬车削和/或精加工操作而被精加工，例如打磨、研磨和珩磨。
抛光和回火操作可以使受影响区域的屈服强度增加，同时硬度、压缩残余应力得到显著改善，并且具有更好的抗滚动接触疲劳性能。
附图说明
现在将通过示例，参考根据本发明的钢合金的许多非限制性实施例，参考适用于钢合金的热处理；以及参考附图，进一步描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的许多钢合金和根据参考示例的许多钢合金的Nieq对Creq的曲线图。
图2示出了具有高δ铁素体含量的钢的热力学模拟结果。
图3示出了具有低δ铁素体含量的钢的热力学模拟结果。
具体实施方式
制备具有表1中列出的组成的多种钢合金。
钢 C Si Mn Cr Mo Ni V Nb Co Nieq
P675* 0.07 0.40 0.65 13.0 1.8 2.6 0.6 - 5.4 10.4
A* 0.076 0.18 0.47 12.42 2.0 0.53 0.6 0.032 7.2 10.3
B2* 0.069 0.16 0.47 12.05 2.5 1.04 0.5 0.030 7.23 10.6
B3* 0.054 0.16 0.47 11.19 3.46 1.02 0.51 0.033 7.18 10.1
B4* 0.050 0.15 0.47 12.37 2.49 1.83 0.51 0.033 6.51 10.1
B5 0.09 0.18 0.18 11.3 3.5 1.8 0.5 0.05 8.8 13.4
C2 0.054 0.17 0.51 13.4 2.74 1.54 0.53 0.032 8.16 11.6
C4* 0.040 0.16 0.47 11.31 3.48 0.54 0.51 0.033 8.47 10.4
D2* 0.050 0.21 0.68 11.45 1.82 0.56 1.01 0.034 8.06 10.5
C5 0.16 0.17 0.23 11.3 3.44 0.43 0.33 0.04 9.2 14.5
C6 0.11 0.16 0.16 11.2 3.6 0.41 0.55 0.04 9.1 12.6
表1-根据本发明的多种钢合金和多种参考例合金*的化学组成。所有数量均以重量％计。余量是铁，以及任何不可避免的杂质。
使用本领域已知的技术，通过光学显微镜确定钢合金的δ-铁素体含量。根据本发明的钢合金具有小于3体积％的δ-铁素体含量，而根据参考示例的一些钢合金具有超过9体积％的δ-铁素体含量。此外，含有大于0.1重量％的碳的合金的δ-铁素体含量总是很低。
图1示出了Nieq对Creq的曲线图。在约11.5的Nieq值以下，δ-铁素体含量可以或高或低，而在约11.5的Nieq值以上，δ-铁素体含量总是很低。
组合物的热力学模型示出了合金化对δ-铁素体相场的尺寸和组合物与该相场的接近度的影响。图2是具有高δ铁素体含量的钢的图。可以看出，表示钢组合物的虚线垂直线实际上经过灰色阴影的δ-铁素体相场。图3是具有低δ-铁素体含量的钢的图，并且可以看出，表示该钢组合物的虚线垂直线远离阴影的δ-铁素体相场。
根据本发明的钢合金经历渗碳、再硬化和回火(二次硬化)。发现钢合金的表面硬度在HV820和HV850之间，即高于标准渗碳Pyrowear675的HV750或HV780的值。

Claims (8)

1.一种钢合金，包括：
0.05至0.09重量％的碳，
10至14重量％的铬，
1.5至4重量％的钼，
0.3至1.2重量％的钒，
0.3至3重量％的镍，
6至11重量％的钴，
0.05至0.4重量％的硅，
0.1至1重量％的锰，
0.02至0.06重量％的铌，
一个或多个以下元素：
0至2.5重量％的铜，
0至0.1重量％的铝，
0至250ppm的氮，
0至30ppm的硼，和
余量铁，以及任何不可避免的杂质，
其中，所述合金包括的Nieq大于11.5，所述Nieq由公式Nieq＝Ni+Co+(0.5×Mn)+(30×C)定义，以重量％计。
2.如权利要求1所述的钢合金，其中，所述Nieq为11.6至17。
3.如权利要求1所述的钢合金，包括10.5至13重量％的铬。
4.如权利要求1所述的钢合金，包括：
2至3.9重量％的钼；
0.35至1.1重量％的钒；
0.3至1.9重量％的镍；
7至10重量％的钴；
0.05至0.3重量％的硅；
0.13至0.7重量％的锰；
0.025至0.055重量％的铌。
5.一种轴承部件，其由权利要求1至4中任一项所述的钢合金形成，其中，所述轴承部件是滚动元件、内环和外环中的至少一个。
6.如权利要求5所述的轴承部件，其中，所述轴承部件的表面已经表面硬化，通过渗碳、氮化和/或碳氮共渗。
7.一种轴承，其包括如权利要求5或6所述的轴承部件，其中，所述轴承部件是内环和/或外环，并且所述轴承包括由陶瓷材料制成的滚动元件。
8.一种制造轴承部件的方法，该方法包括：
(i)提供如权利要求1至4中任一项所述的钢合金；
(ii)由所述钢合金形成轴承部件；以及
(iii)对所述部件进行表面硬化。
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