CN1251622A - 制造轴承部件的钢和方法 - Google Patents

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G·鲍德里
G·杜德拉格恩
D·吉罗丁
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A·温森特
G·劳曼德
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Abstract

公开了用于制造滚珠轴承部件的钢。该钢的化学组成如下,以重量百分比计:0.6%≤C≤1.5%、0.4%≤Mn≤1.5%、0.75%≤Si≤2.5%、0.2%≤Cr≤2%、0%≤Ni≤0.5%、0%≤Mo≤0.2%、0%< Al≤0.05%、S≤0.04%;其余为铁和工艺过程中引入的杂质。所述组成还满足以下关系:Mn≤0.75+0.55×Si和Mn≤2.5－0.8×Si。还公开了制造滚珠轴承部件的方法。

Description

制造轴承部件的钢和方法
本发明涉及一种轴承部件的制造方法，并且特别涉及一种用于滚珠，滚针或者滚柱轴承的轴承座圈的制造。
轴承部件，比如轴承座圈、滚珠、滚针、或滚柱，通常是由100Cr6或100CrMn6钢制造的，该钢包含0.6％-1.5％的碳，1.3％-1.6％的铬，0.3％-1％的镁和不足0.4％的硅和极少的夹杂物。该钢以轧制的条材、无缝钢管或者线材形式使用，将其切割成坯段，该坯段在机加工之前通过热的或者冷的塑性变形成形然后淬火和退火。用这种方式获得的该部件至少在通常的使用条件，尤其是在不足150℃的工作温度下很硬而且具有抵抗轴承疲劳必需的断裂韧性。然而，获得的部件在逐渐变得更为普遍的更严酷的服役条件下抗轴承疲劳特性不足。这些更严酷的服役条件的特征尤其是在于150℃以上的操作温度并且可能高达350℃，和/或轴承表面由于压入而发生劣化。该现象在于发生由压入即由在润滑剂中的硬颗粒引起变形导致的表面裂纹出现。
已经提出了使用很硬的材料例如陶瓷或硬材料的沉积物来限制压入的影响。然而，这种技术的缺点是可靠性较差，因为这些材料太脆并且其易碎的性质使得它们对极小的缺陷非常敏感。
还提出了使用包含尤其是从0.3％到0.6％的碳，从3％到14％的铬，从0.4％到2％的钼，从0.3％到1％的钒和不足2％镁的钢，例如参见美国专利5,030,017。该部件在轴承表面附近进行了渗碳或者碳氮共渗，以获得碳和氮浓度之和在0.03％到1％的范围，然后淬火，以使在占该部件体积10％到25％的表面层中的显微组织包含从20％到50％体积的残余奥氏体。这种技术有两个缺点：需要使用高合金元素含量的钢，这使其因此而造价昂贵；和需要费时的和昂贵的渗碳或者碳氮共渗处理。
还已经在德国专利申请DE 195 24 957中提出了使用一种钢，该钢包含从0.9％到1.3％的碳，从0.6％到1.2％的硅，从1.1％到1.6％的镁和从1.3到1.7％的铬，剩余部分为铁和生产中的杂质，这种钢的组织包含7％到25％的残余奥氏体。然而，由于其化学组成，该钢在可浇铸性、适合冷成形的能力或者残余奥氏体的浓度和稳定性方面没有提供保证。改善抗压入疲劳性能所需具体的残余奥氏体含量也需要对由这种钢制造的轴承进行困难的热处理，包括将其在淬火和退火之间在大致100℃保持十小时以上，而不是在淬火之后或者退火之前返回到室温。此外，在低于循环弹性极限的多向加载条件下，该奥氏体只有在低于120℃的热应力下可稳定2000小时以上，这对一些应用场合太低。
本发明的目的是克服上述的缺点，使用相对标准的热处理提出制造轴承部件的经济方法，该部件能抵抗压入，尤其是当其局部或者偶然地使用在300℃以上的温度时，而且它并不非常脆。
为此，本发明包括一种用于制造轴承部件的钢，其特征在于其化学组成包含，按重量计算：
         0.6％≤C≤1.5％
         0.4％≤Mn≤1.5％
         0.75％≤Si≤2.5％
         0.2％≤Cr≤2％
         0％≤Ni≤0.5％
         0％≤Mo≤0.2％
         0％＜Al≤0.05％
         0％＜Ti≤0.04％
        S≤0.04％
剩余部分为铁和工艺过程中引入的杂质，所述组成另外符合下列条件：
        Mn≤0.75+0.55×Si
        Mn≤2.5-0.8×Si
该钢的化学组成优选分别为或，更好的是同时为：
         0.8％≤Mn≤1.2％
         0.8％≤Si≤1.7％
和：
         0.9％≤C≤1.1％
         1.3％≤Cr≤1.6％
硅含量优选大于1.2％。本发明人意外地发现如果硅含量大于1.2％并且同时锰含量小于1.5％，并且优选不足1.2％但是大于0.8％时，奥氏体的稳定性可显著地得以改善。
本发明还涉及一种制造轴承部件的方法，其中：
-生产根据本发明钢制造的一种半成品，
-对该半成品进行热的塑性变形成形以获得一种产品坯体，更特别地是一种无缝钢管坯体，
-对该产品坯体进行球化处理，包括将其加热到750℃到850℃之间的范围，随后以10℃/小时最大冷却速度冷却到650℃，以获得一种Vickers硬度小于270HV的并且包括细小弥散分布的碳化物的组织，并且，可能地，通过冷塑性变形例如冷轧或者冷拉拔进行成形，以获得一种产品，
-从该产品切割一段钢料并且对其通过热的或者冷的塑性变形或者通过机加工进行成形以获得轴承部件坯体，并且
-在800℃到950℃温度范围内奥氏体化之后通过冷却，例如在油中，对该轴承部件坯体进行淬火热处理，并且在100℃到400℃温度范围并优选在250℃以下进行退火热处理，以获得一种轴承部件，该部件的组织具有在58 HRC到67 KRC范围的Rockwell C硬度并且其包括残余碳化物、马氏体和5％到30％的残余奥氏体。
一方面，本发明最后涉及由本发明钢制造的无缝钢管，和另一方面，涉及由本发明钢制造的轴承部件，其具有由残余碳化物、马氏体以及5％到30％残余奥氏体组成的组织，其中残余奥氏体直到至少400℃是热稳定的。
以不加限制的方式和通过实施例现在更详细地描述本发明。
为了例如由无缝钢管制造一种具有高抗压入能力的轴承部件例如轴承座圈或轴承体，使用一种钢，其化学组成按重量计包含：
-0.6％以上和优选0.9％以上的碳，以获得足够的硬度和足够的残余奥氏体，但小于1.5％和优选小于1.1％以防止过分的偏析并且限制形成一次碳化物，
-0.75％以上，优选0.8％以上并且甚至更优选1.2％以上的硅，以改善残余奥氏体在高温下(在大约170℃到大约450℃的范围，而且优选在300℃以上)的硬度和稳定性，但是应小于2.5％并且优选小于1.7％，因为如果硅含量太高，该钢变得非常脆，特别是在塑性变形成形时，
-0.4％以上并且优选0.8％以上的锰，以获得一种包含5％以上并且优选15％以上残余奥氏体的淬火组织；锰含量应为：Mn≤0.75+0.55×Si，以获得优良的可浇铸性而又不难于获得充分地干净的钢以保证高抗滚动疲劳性能，并且使得：
-Mn≤2.5-0.8×Si，以能够通过冷塑性变形精整和定形；由上述的条件可见锰含量应小于1.5％并且优选少于1.2％。
-0.2％到2％并且优选1.3％到1.6％的铬以获得足够的淬透性和形成均匀分布并且足量的具有小于2μm尺寸的球状半碳化物，
-小于0.5％的镍，它并非是不可缺少的残余元素，但是它在淬透性上具有有利作用，
-小于0.2％的钼，它减缓退火软化，和
-不超过0.05％的铝和小于0.04的硫，剩余部分为铁和工艺过程中引入的杂质。
铸造该钢并且可以进行轧制以制造一种半成品，当由无缝钢管制造轴承座圈时该半成品为圆管。
然后通过热的塑性变形，对该半成品进行成形以获得产品坯体，例如通过热轧获得无缝钢管。
然后对该产品坯体进行球化热处理，包括将其加热到750℃到850℃的温度范围，随后以10℃/小时的最大冷却速度冷却到650℃，以获得具有小于270HV的Vickers硬度并且包括细小弥散分布的碳化物的组织。该热处理对于使钢具有优良的冷塑性变形定形性能和优良的机加工定形性能是很必要的，例如用于制造冷轧或者冷拉拔产品的工艺中。可以是无缝钢管的所述产品的特征在于它具有精确的尺寸。它用于制造部件坯体，例如轴承座圈坯体。
对所述产品切割得到的料段进行热或者冷的成形或者进行机加工，最后进行由淬火和退火组成的热处理以制造部件坯体。这样就获得一种轴承部件。调整淬火之前的高于800℃的奥氏体化温度，以获得一种由马氏体、5％到30％残余奥氏体和残余碳化物组成的淬火后的组织。用于获得高抵抗压入能力所不可缺少的的残余奥氏体的含量取决于马氏体转变起始温度Ms的值，Ms值又取决于钢的组成和奥氏体化条件。熟练技术人员知道如何确定这些参数，例如利用膨胀测量试验。严格来说退火是一种去应力工序，其通过加热到100℃以上的温度完成，以便稳定组织，但是应在400℃以下并且优选在250℃以下，以便不使残余奥氏体失稳。
在第一个实施例中，进行十个实验室浇铸试验，两个按照本发明(A和B)和八个用于比较(C，D，E，F，G，H，I和J)。在这些浇铸试样中此外还包括标准100Cr6钢，这些试样基本上是为了揭示合金元素对轴承钢各种性能的影响并且具有下列化学组成(以重量百分比表示，但是只示出主要元素，其余为铁和杂质)
 C  Si  Mn  Ni  Cr  Mo  Al  S
 A  0.957  1.508  1.006  0.138  1.632  0.019  0.033  0.008
 B  0.972  1.080  1.100  0.161  1.520  0.023  0.038  0.010
 C  0.950  2.501  1.016  0.132  1.571  0.021  0.034  0.007
 D  0.959  2.508  2.074  0.126  1.607  0.021  0.033  0.007
 E  0.938  0.446  2.110  0.129  1.605  0.020  0.035  0.008
 F  0.972  1.509  2.045  0.124  1.539  0.019  0.032  0.008
 G  0.950  1.513  0.263  0.131  1.570  0.020  0.027  0.006
 H  0.952  0.501  1.022  0.139  1.606  0.021  0.022  0.004
 I  0.985  1.040  0.345  0.149  1.490  0.017  0.032  0.009
 J  0.966  2.060  0.297  0.159  1.520  0.019  0.038  0.006
 100Cr6  1.000  0.200  0.300    -  1.500   -     -    -
该钢铸造成65公斤的钢锭，将其轧制成20×20毫米正方条，然后通过在珠光体向奥氏体的转变结束时温度30℃以上的温度保持一个小时进行球化处理，随后以在8℃和10℃每小时之间的速率冷却到650℃，随后在空气中冷却到室温。然后通过在600℃测量CVN冲击强度，单位为daJ/cm2，评价冷成形性能；如果该冲击强度高于4.2daJ/cm2则冷成形性能优良，否则该性能差。然后，将钢坯段在895℃奥氏体化之后在冷油中淬火，并且测量残余奥氏体量τ和该残余奥氏体开始失稳的温度θ。
还评价了可浇铸性。结果如下。
  Si(％)    Mn(％)   0.75+0.55Si   浇铸性能   2.5-0.8Si    在60℃时的KCUdaJ/cm2     τ     θ
    A   1.508   1.006   1.579   好   1.294     4.2   14％ 390℃
    B   1.080   1.100   1.344   好   1.636     5.5   17％ 400℃
    C   2.501   1.016   2.125   好   0.499     1.3   15％ 405℃
    D   2.508   2.074   2.129   好   0.494     0.5   19％ 440℃
    E   0.446   2.110   0.995   差   2.143     5.6 未测出 260℃
    F   1.509   2.045   1.580   差   1.293     2.1   22％ 410℃
    G   1.513   0.263   1.582   好   1.290     4.6   9％ 350℃
    K   0.501   1.022   1.025   好   2.099     6.7   9％ 225℃
    I   1.040   0.345   1.322   好   1.668     6.0   14％ 未测出
   J   2.060   0.297   1.883   好   0.852     4.4   12％ 未测出
 100Cr6   0.200   0.300   0.86   好   2.34     6.6   7％ 170℃
结果表明，只有本发明浇铸样品A和B具有所有的必需的性能，即优良的可浇铸性，好的冷变形性能，高含量的残余奥氏体和高温下稳定的组织；这后两个特性显著优于标准100Cr6钢相应的特性。
而且，在单调变形和循环压缩下残余奥氏体稳定性试验表明：
-对于硅含量大于1％的浇铸样品，当经受相当于1400Mpa剪应力的压缩应力时残余奥氏体保持稳定；而在相同的条件下，100Cr6钢(包含小于0.5％Si)中50％残余奥氏体已发生失稳并且
-在对残余奥氏体进行的循环压缩应力(其应力相当于200Hz下，在25MPa到1025MPa范围之间的剪应力)失稳试验中，对于包含大约1％锰和1.5％硅的浇铸样品(浇铸样品A)在1百万次循环后不发生失稳。
第二个实施例为本发明钢的工业浇铸样品，用它制造轴承座圈。该钢的化学组成为，按重量计算：
                        C＝0.9％
                        Si＝1.25％
                        Mn＝1％
                        Cr＝1.4％
                        Ni＝0.25％
                        Mo＝0.015％
剩余部分为铁和工艺过程中引入的杂质。
浇铸该钢并且轧制成100毫米直径圆管。
该圆管在两个轧辊之间热穿轧，然后热轧以获得外径和内径分别为67.5毫米和36.5毫米的无缝钢管坯体。通过保持在800℃二小时对该管坯体进行球化处理随后以10℃每小时冷却到650℃以获得240HB的Brinell硬度。然后冷轧该管坯体以获得外径和内径分别为42.9毫米和22.7毫米的无缝钢管。
切割该管得到轴承座圈，进行机加工然后在900℃奥氏体化之后进行油淬，并且在200℃对其进行退火以获得包含18％残余奥氏体的组织。
对预先在轨道上压入两个对称布置的Vickers压痕的轴承座圈利用高赫兹-压力邻接疲劳型(Hertz high-pressure abutment fatigue type)试验，并测量其起皮次数，进行抗压入能力试验。比较按照本发明的和由100Cr6钢制造的现有技术的轴承座圈压痕的对角线长度，它们分别为267微米和304微米。本发明和现有技术轴承座圈的Rockwell C硬度均为63 HRC。
结果如下：
        压痕的尺寸
267微米 304微米
本发明 ＞269小时 252小时
现有技术(100Cr6) 145小时 75小时
这些结果表明本发明的轴承座圈对于大压痕具有两倍以上的使用寿命。
本发明的钢特别地适于由无缝钢管制造轴承座圈，但是同样地也适于从轧制棒材或者线材制造轴承座圈、滚珠、滚柱和滚针。所述部件可以通过热的或者冷的塑性变形或者通过机加工进行成形。

Claims (11)

1.一种用于制造轴承部件的钢，其特征在于其化学组成包含，按重量计算：
        0.6％≤C≤1.5％
        0.4％≤Mn≤1.5％
        0.75％≤Si≤2.5％
        0.2％≤Cr≤2％
        0％≤Ni≤0.5％
        0％≤Mo≤0.2％
        0％＜Al≤0.05％
       S≤0.04％
其余为铁和工艺过程中引入的杂质，所述组成还符合下列条件：
       Mn≤0.75+0.55×Si
       Mn≤2.5-0.8×Si。
2.根据权利要求1的钢，其特征在于其化学组成中：
        0.8％≤Mn≤1.2％
        0.8％≤Si≤1.7％
3.根据权利要求1或者2的钢，其特征在于其化学组成中：
       Si≥1.2％
4.根据权利要求1的钢，其特征在于其化学组成中：
        0.9％≤C≤1.1％
        1.3％≤Cr≤1.6％
5.根据权利要求4的钢，其特征在于其化学组成中：
            0.8％≤Mn≤1.2％
            0.8％≤Si≤l.7％
6.根据权利要求4或者5的钢，其特征在于其化学组成中：
           Si≥1.2％
7.制造轴承部件的方法，其特征在于：
-获得一种根据权利要求1-6任何一项的钢制造的半成品，
-对该半成品进行热的塑性变形成形以获得一种产品坯体，更特别地是一种无缝钢管坯体，
-对该产品坯体进行球化处理，包括将其加热到750℃与850℃之间的范围，随后以10℃/小时最大冷却速度冷却到650℃，以获得一种Vickers硬度小于270HV并且包括细小弥散分布的碳化物的组织，并且可能地通过冷塑性变形，例如冷轧或者冷拉拔进行成形以获得一种产品，
-切割该产品得到一钢料段并且对其通过热的或者冷的塑性变形或者通过机加工进行成形以获得轴承部件坯体，并且
-在800℃到950℃温度范围内奥氏体化之后对该轴承部件坯体进行等温淬火或者冷却热处理，例如油冷，并且在100℃到400℃温度范围并且优选在250℃以下进行退火热处理，以获得一种轴承部件，该部件的组织具有58 HRC到67 HRC范围的Rockwell C硬度并且其包括残余碳化物、马氏体和5％到30％的残余奥氏体。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于所述产品是无缝钢管。
9.根据权利要求1-6任何一项的钢制造的无缝管。
10.根据权利要求1-6任何一项的钢制造的轴承部件，具有包含碳化物、马氏体和5％到30％的残余奥氏体的组织。
11.根据权利要求10的部件，其特征在于它是轴承座圈。
CN98803825A 1997-04-04 1998-04-01 制造轴承部件的钢和方法 Pending CN1251622A (zh)

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