CN1201026C - 轴承材料 - Google Patents

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Abstract

不采用特别的二次精炼工艺、以低的成本提供通用的长寿命轴承用钢。具体地讲，本发明提供一种轴承材料，其特征在于：具有含有0.95～1.10质量%C、0.15～0.70质量%Si、1.15质量%以下的Mn、0.90～1.60质量%Cr、0.025质量%以下的P，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量%以下、O在0.0012质量%以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时为250个以下，并且材料中含有0.020质量%以下的AlN、和/或厚度1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时为1200个以下。

Description

轴承材料
技术领域
本发明涉及滚柱轴承或球轴承的滚动轴承用的轴承材料，尤其涉及滚动疲劳寿命特性优异的轴承材料。
背景技术
滚动轴承等使用的轴承材料要求较长的滚动疲劳寿命。作为滚动疲劳寿命评价方法之一，使用B10寿命。所谓B10寿命是指统计的累积破损几率推定为10％为止的总负荷次数。众所周知，通常轴承的滚动疲劳寿命受材料中存在的硬质的氧化物系非金属夹杂物的影响。因此，通过降低以往材料中的氧含量而试图减少氧化物系非金属夹杂物含量，谋求滚动疲劳寿命的提高。现在，在精炼技术进步的帮助下，材料中的氧含量接重量比计能够降低到10ppm以下。但是，以低氧化提高滚动疲劳寿命的方法几乎达到极限。又，在氧含量降低到10ppm以下时，制造成本增加，因此很难用于通用钢。
最近，提出了以进一步提高滚动疲劳寿命为目标的提案。例如，在特开平3-126839号公报中公开了通过限制单位面积或单位体积中的氧化物系非金属夹杂物的个数实现长寿命的轴承材料。又，在特开平5-25587号公报中公开了通过限制由极值统计所推定的氧化物系非金属夹杂物的预测最大直径实现长寿命的轴承材料。但是，对于氧含量降至10ppm以下这一接近极限值的超洁净钢，氧化物系非金属夹杂物的颗粒尺寸与个数的关系不一定很清楚。
特开平9-291340号公报，着眼于钢中的硫化物系非金属夹杂物的厚度和个数、以及氧化物系非金属夹杂物的预测最大直径，公开了通过控制厚度在1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积320mm2时在1200个以下和/或在被检测面积320mm2时的氧化物的预测最大直径在10μm以下实现长寿命的轴承用钢。但是，采用特开平9-291340号公报所公开的技术，氧化物系非金属夹杂物的最大颗粒直径在10μm以上的轴承钢其B10寿命不能达到5×107以上。上述从前的技术是以将氧化物的个数或最大直径减低到极低值为基础的。为了实现这样的超洁净钢，要求钢包精炼那样的特殊的2次精炼工艺，制造工艺以及能够实施该工艺的钢铁厂受到制约，由于钢的精炼成本非常高，所以很难扩展到向通用实用钢的应用。
本发明的目的在于，提供没有精炼工艺制约、且不增加制造成本的通用的长寿命轴承材料。
发明的公开
本发明是为了上述目的而完成的。即，本发明者们发现，对于控制本发明所规定的钢组成以及AlN和/或硫化物系非金属夹杂物的钢，氧化物系非金属夹杂物的预测最大直径即使超过10μm也在15μm以下、且只要将其个数控制在规定数量以下，就可以实现长寿命的轴承钢，从而完成了本发明。
以下列举本发明的特定事项。
即，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且材料中含有0.020质量％以下AlN，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
又，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P，进一步含有0.10～0.25质量％Mo，含有非金属夹杂物形成元素S和O，其中S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且材料中含有0.020质量％以下AlN，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
又，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P，进一步含有0.0010质量％以下Sb，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且材料中含有0.020质量％以下AlN，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下、且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
又，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P，进一步含有0.10～0.25质量％Mo以及0.0010质量％以下Sb，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且材料中含有0.020质量％以下AlN，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
再者，上述各发明的轴承材料，厚度在1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在1200个以下为宜。
其次，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且在材料中厚度在1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在1200个以下，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
又，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，还进一步含有0.10～0.25质量％Mo，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且在材料中厚度在1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在1200个以下，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
又，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P、含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，还进一步含有0.0010质量％以下Sb，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且在材料中厚度在1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在1200个以下，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
又，本发明是一种轴承材料，它具有含有0.95～1.10质量％C、0.15～0.70质量％Si、1.15质量％以下Mn、0.90～1.60质量％Cr、0.025质量％以下P、含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，还进一步含有0.10～0.25质量％Mo以及0.0010质量％以下Sb，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且在材料中厚度在1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在1200个以下，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下、且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时在250个以下。
附图的简要说明
图1是表示被检测面积为320mm2时氧化物系非金属夹杂物的最大直径与相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数以及滚动疲劳寿命的关系的图。
实施发明的最佳形态
对于象上述那样限定有关本发明的轴承材料的成分组成的理由，详述如下。又，本发明轴承材料具有以JIS G4805高碳铬轴承钢为基础进行合金设计的成分组成。因此，以下以轴承钢的实例进行说明。
C：0.95～1.10质量％
C是固溶于基体对马氏体强化起有效作用的元素，是为了确保淬火回火后的强度并由此提高滚动疲劳寿命而使其含有的。其含量不到0.95质量％时不能得到这样的效果，另一方面当超过1.10质量％时，在铸造过程中生成粗大的碳化物，加工性能以及滚动疲劳寿命降低，因此限定在0.95～1.10质量％的范围。
Si：0.15～0.70质量％
Si作为固溶于基体通过回火软化抗力的增大而提高淬火回火后的强度，使滚动疲劳寿命提高的元素是有效的。在这样的目的下添加的Si的含量规定在0.15～0.70质量％的范围。
Mn：1.15质量％以下
Mn通过使钢的淬透性提高使基体马氏体的韧性、硬度提高，对滚动疲劳寿命的提高起有效的作用。为了达到这一目的，添加量在1.15质量％以下就足够了。对于下限不需要特别地设定，但是为了脱氧等，添加0.10质量％以上较为妥当。
Cr：0.90～1.60质量％
Cr是通过提高淬透性和形成稳定的碳化物，使强度提高和耐磨性提高，进而使滚动疲劳寿命提高的成分。为了得到这样的效果，需要添加0.90～1.60质量％。
P：0.025质量％以下
P由于使钢的韧性以及滚动疲劳寿命降低，因此希望尽可能地降低含量，其容许上限为0.025质量％。
S：0.025质量％以下
S与Mn结合形成MnS等硫化物系夹杂物，使被切削性提高。但是，在多量含有时使滚动疲劳寿命降低，因此上限必须限定在0.025质量％。但是，如后文所述，为了采用通常的熔炼、轧制法将夹杂物的个数限定在规定的数量，将0.003质量％作为上限为宜。
O：0.0012质量％以下
O形成硬质的氧化物系非金属夹杂物，使滚动疲劳寿命降低，因此希望低一些，容许含量在0.0012质量％以下，因此上限定为0.0012质量％。
Mo：0.10～0.25质量％
Mo在本发明中根据需要添加。但是，由于是高价的元素，因此只是在需要进一步提高淬透性的场合才添加。为了得到其效果，Mo以0.10～0.25质量％的范围添加就足够了。
Sb：0.0010质量％以下
Sb往往从废钢等炼钢原料混入，是使滚动疲劳寿命降低的元素，因此通过严格挑选废钢等的手段，将其上限控制在0.0010质量％为宜。
AlN量：0.020质量％以下
AlN在钢中含量超过0.020质量％时滚动疲劳寿命显著降低，因此将0.020质量％作为上限，尽可能地降低为宜。又，作为减少钢中AlN含量的方法，减少钢中Al含量以及钢中N含量最为有效。又，通过提高淬火时的保温温度有可能得到解决，但存在使轴承的制造性显著恶化的可能性。为了满足上述的AlN含量，必须将钢中的Al控制在0.030质量％以下、最好控制在0.020质量％以下；又将N控制在0.010质量％以下、最好控制在0.008质量％以下。
又，作为本发明的另一种实施形态，是使厚度1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时限定在1200个以下。在本发明中，关于硫化物系非金属夹杂物的形态限定在厚度1μm以上的理由在于：这是能可见性识别非金属夹杂物的组成的界限的尺寸，与滚动疲劳寿命的对应也好。又，硫化物系非金属夹杂物的个数，对于滚动疲劳寿命的提高而言尽可能地少为宜。该厚度1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积320mm2时若超过1200个，则B10寿命急剧下降，因此其上限定为1200个。
其次，就本发明最重要的特定事项的氧化物系夹杂物的最大直径与个数的限定理由进行叙述。
对于上述的成分组成的JIS G4805高碳铬轴承钢(相当于SUJ2的钢)，就控制AlN和/或硫化物系非金属夹杂物的钢所调查的结果，进行叙述。图1是表示被检测面积为320mm2时氧化物系非金属夹杂物的最大直径与相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数的关系以及与滚动疲劳寿命的关系的图。
从图1可以看出，如果氧化物的最大直径即使超过10μm也在15μm以下，并且3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在250个以下的范围，则可以得到优异的滚动疲劳寿命。即，即使不将氧化物系非金属夹杂物的最大直径降低到10μm以下那样的极低值，同时只要控制其个数，则能够得到长寿命钢。因此，不受精炼成本增加与工艺的制约，可以制造长寿命钢，所以定为这一范围。
实施例
通过转炉熔炼具有表1所示化学组成以及AlN含量、硫化物系非金属夹杂物以及氧化物的JIS G4805高碳铬轴承用钢2种(相当于SUJ2钢)，进行RH脱气，然后连铸并轧制成φ65mm棒材。又，为了比较，在转炉熔炼后也熔炼进行了钢包精炼的超洁净钢。其次，经过正火、球化退火以后于830℃保温30min后进行油淬，于180℃进行2h回火，通过切削以及研磨加工得到φ60mm×5mm的圆盘形滚动疲劳寿命试片。又，非金属夹杂物的测定，是从棒材的1/4直径部位沿着轧制方向切取具有16mm×120mm的被检测面的试片，实测被检测面积为320mm2时氧化物系非金属夹杂物的最大直径、个数以及厚度1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的总个数。又，滚动疲劳试验是使用森式推力型滚动疲劳试验机，在赫兹最大接触应力5260MPa、循环应力数30Hz以及润滑油为#68透平油的条件下进行的。将其试验结果归纳到按照威布尔(ワイブル)分布的概率坐标纸上，作为B10寿命评价。
将上述的评价结果一并示于表1。从表1所示可以清楚看出，本发明范围的钢与任何一种比较钢相比，均显示出长寿命。
钢No.7是AlN含量以及硫化物系夹杂物超出本发明的范围、氧化物被控制在本发明的范围内的比较钢。可以知道，没有观察到滚动疲劳寿命显著的改善效果，在控制AlN和/或硫化物系夹杂物的同时，通过同时控制氧化物的颗粒尺寸和个数才能得到本发明的效果。
又，钢No.8和No.9是氧化物系夹杂物的最大直径或个数超过本发明特定的范围的比较钢。可以看出，滚动疲劳寿命显著地降低。
又，钢No.10是通过采用钢包精炼工艺将氧化物系夹杂物的最大直径限定在10μm以下的比较钢。的确实现了长寿命，但是制造成本升高，制造工艺以及制造厂受到制约。作为通用钢并不适宜。
产业上的利用可能性
如以上说明那样，有关本发明的轴承材料，在控制钢组成以及AlN和/或硫化物系非金属夹杂物的钢中，氧化物系非金属夹杂物的预测最大直径超过10μm而在15μm以下、并且将其个数控制在规定数以下时可进一步改善滚动疲劳寿命。因此，根据本发明，不需要以往为了减低氧化物系非金属夹杂物的最大直径而使用的钢包精炼等，使制造成本被抑制得较低，不存在制造工艺和制造厂的制约，因此能够提供适于通用的长寿命钢的钢。
表1
钢号                                      钢组成                      (质量％) AlN量质量％   硫化物个数(*1)   氧化物最大颗粒直径(*2)μm   氧化物个数(*3)   B10寿命×107 备注
C Si Mn P S Cr Mo Sb O
1  0.98  0.26  0.39  0.014  0.004  1.42  0.0009  0.016     1085     12.1     204     64.2 发明例
2  0.97  0.27  0.38  0.013  0.005  1.42  0.13  0.0008  0.016     1090     11.9     210     56.0 发明例
3  1.01  0.28  0.37  0.013  0.005  1.43  0.004  0.0008  0.015     1121     13.8     170     72.8 发明例
4  1.00  0.27  0.36  0.014  0.004  1.42  0.003  0.0007  0.015     1260     11.5     168     53.0 发明例
5  1.00  0.29  0.37  0.012  0.003  1.44  0.005  0.0008  0.024     980     11.8     172     65.4 发明例
6  0.99  0.27  0.39  0.012  0.004  1.45  0.14  0.002  0.0007  0.017     1043     10.9     220     55.8 发明例
7  1.01  0.27  0.38  0.011  0.004  1.46  0.003  0.0008  0.019     1325     13.2     234     23.2 比较例
8  0.97  0.26  0.41  0.014  0.005  1.46  0.004  0.0008  0.017     1060     17.5     206     8.2 比较例
9  0.98  0.28  0.38  0.013  0.004  1.45  0.003  0.0007  0.015     1040     11.7     280     14.3 比较例
10  1.03  0.29  0.41  0.012  0.006  1.47  0.005  0.0008  0.014     1020     7.2     180     82.0 比较例
(*1)被检测面积320mm2中厚度1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数
(*2)被检测面积320mm2中氧化物系非金属夹杂物的最大直径
(*3)被检测面积320mm2中相当于圆形直径3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数

Claims (6)

1.一种轴承材料，其特征在于：该轴承材料具有含有0.95～1.10质量％的C、0.15～0.70质量％的Si、1.15质量％以下的Mn、0.90～1.60质量％的Cr、0.025质量％以下的P，含有非金属夹杂物形成元素S和O，S在0.025质量％以下、O在0.0012质量％以下，剩余部分由Fe以及不可避免的杂质构成的成分组成，并且材料中厚度1μm以上的硫化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时为1200个以下，而且氧化物系非金属夹杂物的最大直径在被检测面积为320mm2时超过10μm而在15μm以下，且相当于圆形的直径在3μm以上的氧化物系非金属夹杂物的个数在被检测面积为320mm2时为250个以下。
2.根据权利要求1所述的轴承材料，其特征在于：在该材料的上述化学成分基础上，还含有0.10～0.25质量％的Mo。
3.根据权利要求1或2所述的轴承材料，其特征在于：在该材料的上述化学成分基础上，还含有0.0010质量％以下的Sb。
4.根据权利要求1所述的轴承材料，其特征在于：材料中含有0.020质量％以下的AlN。
5.根据权利要求4所述的轴承材料，其特征在于：在该材料的上述化学成分基础上，还含有0.10～0.25质量％的Mo。
6.根据权利要求4或5所述的轴承材料，其特征在于：在该材料的上述化学成分基础上，还含有0.0010质量％以下的Sb。
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