CN1129465A - 长寿命的高碳轴承钢 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于滚动疲劳特性极好的轴承件的轴承钢。它包含(按重量)：0.70-1.20％的C、0.15-1.70％的Si、0.15-1.20％的Mn、0.50-2.00％的Cr、0.05-1.50％的Mo、0.001-0.03％的S、0.010-0.05％的Al、0.003-0.015％的N、0.0005-0.0300％的总Mg、不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的总O，一种或至少两种选自于特定数量的V、Nb与Ni的元素，以及钢中所含Mg的氧化物的数量比至少为0.8。

Description

长寿命的高碳轴承钢
本发明涉及轴承钢，特别涉及长寿命的高碳轴承钢，当在高负载下用作轴承件如外圈(滚动轴承)、内圈(滚动轴承)、轧辊与滚珠时，该轴承钢具有极好的滚动疲劳特性。
由于近年来生产大功率和满足环境污染限制要求的汽车发动机，也要求轴承件提高滚动疲劳寿命。一般认为轴承件的滚动疲劳破坏起始于氧化物夹杂物。
因此，延长轴承钢寿命的尝试包括降低氧含量与提高钢的清洁度。例如，Japan Institute of Metals 32，No，6，441—443公开了一种结合偏口炉底部出钢、RH真空除气等的方法，将轴承钢的氧含量降低到3—6ppm，产生不多的氧化物夹杂物并提高了滚动疲劳寿命。然而，当在高负载下使用该钢材时，通过上述方法延长轴承钢的寿命并不特别令人满意。另一方面，日本未经审查的专利(公开)公报No.3—64430透露：与上述降低氧含量提高钢清洁度相反，当钢中的氧含量增加到0.002—0.005％以致生成氧化物夹杂物Al2O3—CalO(MnO)体系时，该钢材反而显示出寿命增加了。
然而，即令如此获得的轴承钢在高负载下使用时也不一定显示出充分延长的寿命。如上所述，尤其当轴承钢在高负载下使用时，强烈要求开发一种更长寿命的钢材。
本发明的目的是提供一种用于轴承件的高碳轴承钢，尤其是在高负载下工作的轴承件，该轴承钢应显示出极好的滚动疲劳特性。
本发明的要点如下：
(1)一种长寿命的高碳轴承钢，它包含(按重量)：0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的总Mg、不大于0.025％P、不大于0.0040％Ti、不大于0.0015％总O，其余是Fe和不可避免的杂质。
(2)一种长寿命的高碳轴承钢，它包含(按重量)：0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的总Mg、一种或至少两种选自于以下数量的以下元素：0.03—0.7％的V、0.005—0.3％的Nb与0.10—2.00％的Ni，不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的总O，其余是Fe和不可避免的杂质。
(3)根据(1)或(2)的长寿命的高碳轴承钢，其中氧的数量比满足以下公式
(MgO·Al2O3的数量＋MgO的数量)/(总氧化物夹杂物的数量)≥0.08
为了获得即令在高负载下也具有极好滚动疲劳特性的高碳轴承钢，本发明者们深入细致地进行了调查研究，发现如下：
(1)在高负载下的滚动疲劳破坏中，滚动疲劳破坏起始于非金属夹杂物，在该夹杂物的边缘上伴生有白色组织与碳化物组织。该白色组织与碳化物组织涉及硬度降低。通过使非金属夹杂物精细化可以抑制白色组织与碳化物组织的形成。
(2)如上所述，使非金属夹杂物精细化对延长钢材寿命中有效的。非金属夹杂物精细化具有以下两个优点：(i)可以降低被认为是造成裂纹形成的应力集中，(ii)可以抑制形成新近被发现的白色组织与碳化物组织。而且，在滚动疲劳过程中抑制非金属夹杂物边缘上形成白色组织与碳化物组并防止硬度降低变得相当重要。
(3)为了使非金属夹杂物精细化，如同本发明者们在日本未经审查的(公开)公报No.7—54103中建议的那样，添加适量的Mg是有效的。该方法的基本概念如下：向含Al的实用碳钢中添加Mg，将氧化物组成从Al2O3转变成MgO·Al2O3；结果防止了氧化物聚集体的形成，该氧化物呈精细状态分散。由于MgO·Al2O3或MgO同钢水接触时表面能低，非金属夹杂物不容易变成聚集体，从而实现了夹杂物的精细分散。如上所述，非金属夹杂物精细化具有两个优点，也就是降低造成裂纹产生的应力集中，以及抑制形成白色组织与碳化物组织。因此，添加Mg对延长轴承钢材的寿命是十分有效的。
(4)其次，以下方法在抑制形成白色组织与碳化物组织和防止硬度降低方面是有效的。
(i)添加Mg，以及
(ii)增加Si含量。
(5)除了上述方法以外，根据以下方法的另外一些添加剂也可以增强抑制白色组织与碳化物组织形成和防止硬度降低的效果：
(i)添加V与Nb，以及
(ii)添加Ni。
本发明详细说明如下。
限制本发明钢的化学组成范围的原因解释如下：
C：
尽管C在获得滚动疲劳强度以及用作为成品的轴承件所必需的耐磨性方面是一种有效元素，但当C含量低于0.70％时，该效果并不充分。然而，当C含量超过1.20％时，晶界处的网状初始渗碳体的数量变得相当大。结果，在球化处理后钢的可加工性与成品的强度变坏。因此，将C含量规定在0.70—1.20％。
Si：
为了脱氧以及在滚动疲劳过程中抑制形成白色组织与碳化物组织和防止硬度降低以延长成品的寿命而添加Si。然而，当Si含量低于0.15％时该效果不充分。另一方面，当Si含量超过1.70％时，这种效果处于饱和，成品的韧性也相当恶化。因此，将Si含量规定在0.15—1.70％。
Mn：
通过提高可淬硬性而延长成品寿命方面Mn是一种有效元素。然而，当Mn含量低于0.15％时该效果不充分。另一方面，当Mn含量超过1.20％时，该效果处于饱和，成品的韧性也相当恶化。因此，将Mn含量规定在0.15—1.20％。
Cr：
Cr在提高可淬硬性使钢韧化及通过形成碳化物来提高耐磨性方面是一种有效元素。但当Cr含量低于0.5％时该效果不充分。另一方面，当Cr含量超过2.0％时，该效果处于饱和，成品的韧性也相当恶化。因此，将Cr含量规定在0.50—2.0％。
Mo：
添加Mo以便于提高可淬硬性以及通过抑制在滚动疲劳过程中形成白色组织与碳化物而延长成品寿命。然而，当Mo含量低于0.05％时该效果不充分。另一方面，当Mo含量超过1.5％时，该效果处于饱和，成品的韧性也相当恶化。因此，将Mo含量规定在0.05—1.50％。
S：
S以MnS形态存在于钢中，它有助于提高钢的可机加工性并使组织精细化。然而，当S含量低于0.001％时，该效果不充分。另一方面，当S含量超过0.03％时，该效果处于饱和，滚动疲劳特性也相当恶化。为了上述原因，将S含量规定在0.001—0.03％。
Al：
尽管添加元素Al用于脱氧和使晶粒精细化，但当Al含量低于0.010％时该效果不充分。另一方面，当Al含量超过0.05％时，该效果处于饱和，韧性也相当恶化。因此，将Al含量规定在0.010—0.05％。
N：
由于AlN的沉析作用，N有助于使奥氏体晶粒精细化。然而，当N含量低于0.003％时该效果不充分。另一方面，当N含量超过0.015％时，该效果处于饱和，韧性也相当恶化。因此，将N含量规定在0.003—0.015％。
总Mg：
Mg是一种强脱氧元素，添加Mg以致Mg同钢中的Al2O3进行反应使O脱离那里而生成MgO·Al2O3或MgO。为了实现上述反应，要求添加一定量的Mg，该Mg量应根据Al2O3量(即按重量百分比的总O量)至少达到一定水平。否则，将不可取地残留下未进行反应的Al2O3。通过为确定Mg量进行的试验，当使按重量百分比的总Mg量至少为0.0005％时，发现没有残留下未进行反应的Al2O3，该氧化物完全被转变成MgO·Al2O3或MgO。然而，当添加Mg以致按重量百分比的Mg量超过0.0300％时，生成了镁的碳化物与镁的硫化物，就材料性能而论该结果是不可取的。为了上述原因，将Mg含量规定在0.0005—0.0300％。此外，该总Mg含量是钢中可溶性Mg含量、Mg氧化物中的Mg含量与其它Mg化合物(不可避免地生成)中的Mg含量之和。
P：
P造成钢中的晶界分离和中心线偏析，使成品强度变坏。由于在P含量超过0.025％时强度下降特别明显，从而限制P含量不大于0.025％。
Ti：
Ti形成硬的沉淀物TiN，这会造成白色组织与碳化物组织形成，也就是，该组织成为滚动疲劳破坏的起始点。因此，TiN造成成品滚动疲劳寿命下降。由于在Ti含量超过0.0040％时寿命下降特别明显，所以规定Ti含量不大于0.0040％。
总O：
在本发明中，总O含量是钢中溶解的O含量同钢中组成氧化物(主要是氧化铝)的O含量之和。然而，总O含量大致与同组成氧化物的O含量一致。因此，当总O含量较高时，钢中被还原的Al2O3量也较大。能达到本发明预期效果的总O含量的极限已经进行了调查研究。结果，发现当总O含量超过0.0015％(按重量)时，Al2O3量过剩，结果钢中的Al2O3总量不能被转变成AgO·Al2O3或MgO而在添加Mg时将氧化铝遗留在钢中。因此，限制本发明钢中的总O含量不大于0.0015％(按重量)。
其次，本发明第二方面中，钢可以包含一种或至少两种选自V、Nb与Ni的元素，以便在滚动疲劳期间防止硬度下降和抑制形成白色组织与碳化物组织。
Nb、V
添加V与Nb以便通过沉淀硬化防止在滚动疲劳期间硬度下降。然而，当V添加量低于0.03％或Nb添加量低于0.005％时，该效果不明显。另一方面，当V含量超过0.7％或Nb含量超过0.3％时，该效果处于饱和，韧性也相当恶化。因此，将V含量规定在0.03—0.7％，而Nb含量规定在0.01—0.3％。
Ni：
添加Ni以提高钢的可淬硬性以及通过在滚动疲劳期间抑制形成白色组织与碳化物组织而延长成品寿命。然而，当Ni含量低于0.10％时，该效果不明显。另一方面，当Ni含量超过2.00％时，该效果处于饱和，并且在经济上也不可取。因此，将Ni含量规定在0.10—2.005。
其次，将说明本发明第三方面中限制钢中氧化物夹杂物数量比的原因。本发明范围以外的氧化物夹杂物，也就是由于在钢的精炼过程中部分地不可避免地混合有除了AgO·Al2O3与MgO以外的氧化物夹杂物。使不可避免地混合的氧化物夹杂物的数量与全部氧化物夹杂物数量之比低于20％，这能够稳定地使氧化物夹杂物高度精细分散、在滚动疲劳期间抑制形成碳化物组织与白色组织以及制止硬度下降。结果，观察到明显地延长了寿命。由于上述原因，规定(MgO·Al2O3的数量＋MgO的数量)与全部氧化物夹杂物数量之比至少为0.8。此外，通过电子显微镜观察滚动方向上的横截面并获得每mm2面积的数量，来定量地确定属于各自基团的氧化物夹杂物的数量。
此外，对生产本发明钢的方法没有特别限制。也就是，既可以通过高炉—转炉法也可以通过电炉法来制备母钢水。而且，对母钢水添加的各成分也没有限制。而母钢水中添加包含各添加成分的金属或金属合金都是令人满意的。可以通过任何一种方法自由地进行，如自然降落进行添加、使用惰性气将各添加成分吹入母钢水进行添加以及投放其中充填Mg源的铁丝进行添加。因而，对由母钢水生产钢锭与轧制钢锭的方法也没有限制。
以下根据各实施例更详细地说明本发明。
通过高炉—转炉连续浇铸法来生产具有表1与表2所示化学组成的钢锭。
                                                     表    1
类别     No.      C   Si      Mn      Cr      Mo      S      Al     N
本发明钢     1     0.99  0.26     0.35     1.45     0.43     0.005     0.025     0.006
    2     1.02  0.21     0.41     1.37     0.31     0.003     0.016     0.004
    3     0.97  0.25     0.47     1.38     0.73     0.004     0.031     0.005
    4     0.99  0.22     0.31     1.38     0.15     0.008     0.024     0.005
    5     1.04  0.24     0.36     1.41     1.12     0.005     0.027     0.006
    6     1.01  0.84     0.33     1.45     0.33     0.006     0.019     0.009
    7     0.98  1.42     0.35     1.51     0.48     0.004     0.030     0.005
    8     1.02  0.73     0.37     1.37     0.72     0.004     0.047     0.005
    9     0.96  0.26     0.37     1.42     0.51     0.005     0.031     0.006
    10     0.97  0.21     0.33     1.45     0.29     0.008     0.024     0.006
    11     0.97  0.24     0.35     1.44     0.17     0.005     0.026     0.007
    12     1.01  0.23     0.35     1.45     0.21     0.003     0.025     0.005
对比钢     13     1.00  0.24     0.36     1.38     -     0.006     0.026     0.005
    14     0.97  0.26     0.35     1.45     0.25     0.004     0.031     0.004
    15     0.99  0.41     0.37     1.37     0.21     0.006     0.025     0.006
    16     1.01  0.04     0.37     1.41     0.10     0.005     0.031     0.005
    17     1.01  0.25     0.35     1.43     0.01     0.004     0.025     0.005
                                                     表    2
类别 No.     T.Mg     P     Ti   T.O  V     Nb     Ni     备注
本发明钢 1     0.0031   0.016  0.0013  0.0007  -     -     -
2     0.0010   0.012  0.0014  0.0008  -     -     -
3     0.0261   0.009  0.0016  0.0007  -     -     -
4     0.0030   0.013  0.0014  0.0004  -     -     -
5     0.0039   0.018  0.0015  0.0006  -     -     -
6     0.0027   0.015  0.0023  0.0007  -     -     -
7     0.0061   0.016  0.0009  0.0005  -     -     -
8     0.0010   0.014  0.0014  0.0006  0.24     -     -
9     0.0027   0.009  0.0015  0.0006  -     0.026     -
10     0.0030   0.017  0.0014  0.0007  -     -     1.03
11     0.0033   0.013  0.0015  0.0006  0.07     -     0.95
12     0.0046   0.014  0.0015  0.0007  0.13     -     0.54
对比钢 13     -   0.013  0.0011  0.0006  -     -     -  无Mg添加剂
14     0.0003   0.012  0.0014  0.0008  -     -     -  Mg≤下限
15     0.0325   0.009  0.0015  0.0008  -     -     -  Mg≥上限
16     0.0027   0.013  0.0015  0.0007  -     -     -  Si≤下限
17     0.0035   0.015  0.0014  0.0009  -     -     -  Mo≤下限
从高炉排出的铁水进行脱磷与脱硫，并供入转炉，吹氧精炼，以得到具有预定C、P与S含量的母钢水。将其排入浇包期间与RH处理期间在母钢水中添加Al、Si、Mn、C与Mo。通过RH处理对该母钢水进行脱气与去除夹杂物。在RH处理后向浇包中的母钢水添加Mg合金。使用至少一种选自于Si—Mg合金、Fe—Si—Mg合金、Fe—Mn—Mg合金、Fe—Si—Mn—Mg合金(上述合金各自具有0.5—30wt％的Mg含量)以及各自具有5—70wt％Mg含量的Al—Mg合金的Mg合金。通过投放其中充填粒状Mg合金的铁丝向母钢水添加Mg合金。通过连铸制得扁钢坯。
将扁钢坯初轧成方坯，将钢棒轧成直径为65mm的圆钢棒。测量在所得钢棒轧制方向横截面中的氧化物的数量比与大小，结果发现全部本发明钢都在如表3和4所示的适当范围内。
                                        表    3
类别 No.        氧化物        Mori′s推力型接触滚动疲劳试验
 粒度(μm)   数量比     L10 存在白色组织与碳化物组织
本发明钢 1  2-7     0.77     7.8     无
2  3-7     0.72     7.5     无
3  2-7     0.90     9.3     无
4  2-7     0.75     6.7     无
5  3-7     0.88     10.4     无
6  2-7     0.76     8.3     无
7  2-7     0.85     9.7     无
8  3-8     0.71     9.0     无
9  2-7     0.75     8.5     无
10  3-7     0.75     9.4     无
11  2-7     0.77     9.4     无
12  2-7     0.87     10.0     无
对比钢 13  5-20     0     1     有
14  5-15     0.54     3.3     有
15  4-15     0.90     4.0     有
16  2-7     0.75     3.1     有
17  2-7     0.80     4.7     有
                          表    4
类别 号     点接触滚动疲劳试验 备注
    L10 白色组织碳化物组织存在
本发明钢 1     10.6     无     本发明第一方面
2     9.1     无     本发明第一方面
3     14.0     无     本发明第三方面
4     8.5     无     本发明第一方面
5     16.2     无     本发明第三方面
6     11.4     无     本发明第一方面
7     15.8     无     本发明第三方面
8     12.2     无     本发明第二方面
9     11.7     无     本发明第二方面
10     13.5     无     本发明第二方面
11     13.7     无     本发明第二方面
12     15.9     无     本发明第三方面
对比钢 13     1     有
14     3.8     有
15     4.7     有
16     4.3     有
17     5.4     有
备注：1)氧化物粒度指存在于每mm2面积中的等球直径。
      2)氧化物数量比：
        (MgO·Al2O3数量＋MgO数量)/全部氧化物夹杂物
        的数量，条件是效量以mm2为基础。
      3)L10：以在对比实施例13中被规足为1的L10为基础的相对
        值。
对本发明钢材进行球化处理以得到滚动疲劳试验块，在840℃加热、160℃淬火与回火条件下进行淬水与回火。通过Mori′s推力型接触滚动疲劳试验机(最大赫兹接触应力为540kgf/mm2)与点接触型滚动疲劳试验机(圆柱形滚动疲劳试验块，最大赫兹接触应力为600kgf/mm2)对该试验块进行滚动疲劳试验，以评价滚动疲劳特性。使用L10寿命作为疲劳寿命的度量单位，也就是直到通过在Weibull概率坐标纸上绘制试验结果得到10％的累积破坏概率时发生疲劳破坏的应力循环数。表3与4示出了以L10寿命为基础的各钢材的L10寿命的相对值，在对比例13中将该相对值规定为1。Nos.1、2、4与6是本发明第一方面中的各实施例。Nos.8、9、10与11是本发明第二方面中的各实施例。在这些实施例中，这些钢同对比例13的钢相比较显示出良好的疲劳特性。而且，Nos.3、5、7与12是本发明第三方面中的各实施例，其中MgO型的氧化物数量比至少为0.8。同本发明第一方面中的No.1与其它的钢以及本发明第二方面中的No.8及其它钢相比较，这些实施例中的钢显示出更为良好的疲劳特性。
此外，对经过108次滚动疲劳试验循环以后的试验块检查是否存在白色组织与碳化物组织，所得结果补充示于表3与4中。在本发明的钢中，白色组织与碳化物组织的形成受到抑制。另一方面，在对比例13中Mo与Mg含量低于本发明的含量范围。在对比例14、16与17中Mg、Si与Mo含量也低于本发明的含量范围。对比例15中Mg的含量高于本发明的含量范围。在上述各对比例中的所有试验块各自的疲劳寿命都比对比例13试验块的疲劳寿命低6倍。在各对比例的全部试验块上都观察到了白色组织与碳化物组织的形成。
如上所述。本发明能够形成精细的氧化物夹杂物、抑制形成白色组织与碳化物组织以及防止硬度降低。结果，提供一种在高负载下大大提高轴承件滚动疲劳寿命的轴承钢是可能的。因此，本发明在工业中的作用是极为重要的。

Claims (3)

1.一种长寿命的高碳轴承钢，它包含(按重量)：0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的总Mg、不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的总O，其余是Fe和不可避免的杂质。
2.一种长寿命的高碳轴承钢，它包含(按重量)：0.70—1.20％的C、0.15—1.70％的Si、0.15—1.20％的Mn、0.50—2.00％的Cr、0.05—1.50％的Mo、0.001—0.03％的S、0.010—0.05％的Al、0.003—0.015％的N、0.0005—0.0300％的总Mg，一种或至少两种选自于以下数量的以下元素：0.03—0.7％的V、0.005—0.3％的Nb与0.10—2.00％的Ni，不大于0.025％的P、不大于0.0040％的Ti、不大于0.0015％的总O，其余是Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2的长寿命的高碳轴承钢，其中，钢中所含氧化物的数量比满足以下公式：
(MgO·Al2O3的数量＋MgO的数量)/(总氧化物夹杂物的数量)≥0.8。
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