CN1297680C - 具有优良韧性和在次高温区滚动疲劳寿命的表面淬火轴承用钢 - Google Patents

具有优良韧性和在次高温区滚动疲劳寿命的表面淬火轴承用钢 Download PDF

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Abstract

提供在次高温区具有优良的滚动疲劳寿命，并且在常温下具有优良的韧性的表面淬火轴承用钢。具体解决的方法如下。以质量%计，成分为C：0.15质量%以上、0.30质量%以下、Si：0.5质量%以上、2.0质量%以下、Mn：0.3质量%以上、2.0质量%以下、Cr：1.3质量%以上、2.5质量%以下、Mo：0.3质量%以上、1.0质量%以下和O：0.0012质量%以下、其余为铁和不可避免的杂质，此外在被检测面积为320mm2时，氧化物类非金属夹杂物的直径在12.5μm以下，而且相当于圆的直径在3μm以上的氧化物类非金属夹杂物个数在250个以下，此外利用渗碳处理使表层部的C浓度调整到0.7质量%以上、1.2质量%以下范围。

Description

具有优良韧性和在次高温区滚动疲劳寿命的表面淬火轴承用钢
技术领域
本发明涉及用于称为滚动轴承和球轴承转动的轴承的表面淬火轴承用钢。
特别涉及一种适当应对随轴承的使用环境苛刻化、其中的高速化、高表面压力化带来的使用温度的升高，即使在150℃到250℃温度范围(以下称为次高温区)使用，也可以发挥优良的滚动疲劳寿命，而且具有优良韧性的轴承用钢。
背景技术
用于转动的轴承等的耐热轴承材料要求在次高温区具有长的滚动疲劳寿命。因此，例如在特公昭54-41014号公报中，利用大量添加碳化物形成元素，以期改善常温和高温的特性。此外在特开平3-253542号公报中着眼于回火软化稳定性，提出增加Si和Mo的钢材的方案。可是在原有韧性低的轴承钢中添加上述元素的话，韧性进一步降低。使用上会受到限制和产生各种制约。
此外在特开昭63-60257号公报中，提出通过在成分中降低S和O，改善抗点蚀性和耐久性的渗碳用钢。使即是这种钢，在次高温区也未必能得到稳定的滚动疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的是有效地解决上述问题，提出一种在次高温区具有优良的滚动疲劳寿命，并且在常温下具有优良的韧性的表面淬火轴承用钢。
发明人要解决上述问题，对表面淬火钢合金元素对在次高温区的滚动疲劳寿命的影响进行了各种研究。表面淬火钢的情况下，由于只是从表面到深1mm左右的一层为高碳区而硬化，所以滚动疲劳时的应力状态与高碳轴承钢不同。因此，可以认为滚动疲劳时的组织变化和合金元素对它的影响与高碳轴承钢不同。
而发明人关于这一点对研究合金元素的影响的结果，证实了添加Si和Mo是有效的。
此外发现在次高温区的滚动疲劳寿命不单取决于金属组织，氧化物类非金属夹杂物的存在也有重要影响。特别是最新发现，控制氧化物类非金属夹杂物的尺寸和个数对改善次高温区的滚动疲劳寿命非常有效。
此外，对改善这种高合金型轴承钢韧性的方法也进行了各种研究，结果表明降低钢材内部的C含量，利用仅对表层进行渗碳处理，以调整到适当的C浓度，可以确保在高温区优良的滚动疲劳寿命，同时也能确保韧性。
本发明是立足于上述认识的发明。
也就是本发明的具有优良韧性和在次高温区滚动疲劳寿命的表面淬火轴承用钢，其特征是由在满足(Si+Mo)≥1.0质量％的情况下含有
C：0.15质量％以上、0.30质量％以下、
Si：0.5质量％以上、2.0质量％以下、
Mn：0.3质量％以上、2.0质量％以下、
Cr：1.3质量％以上、2.5质量％以下、
Mo：0.3质量％以上、1.0质量％以下和
O：0.0012质量％以下、其余为铁和不可避免的杂质构成，此外氧化物类非金属夹杂物的直径在被检测面积为320mm2的情况下在12.5μm以下，相当于圆的直径在3μm以上的氧化物类非金属夹杂物个数在被检测面积为320mm2的情况下时，为250个以下，此外利用渗碳处理使表层部的C浓度调整到0.7质量％以上、1.2质量％以下范围。
实施发明的最佳方式
下面对本发明中将钢的成分限定在上述范围的原因进行说明。
C：0.15质量％以上、0.30质量％以下
C是固溶到基体中或形成碳化物，有利于提高钢材强度、韧性的元素。为了确保轴承部件的强度和韧性要含有C。可是含量小于0.15质量％它的添加效果差，另一方面由于在超过0.25质量％情况下，过于硬化，此外韧性也降低，所以C限定在0.15质量％以上、0.30质量％以下的范围。
Si：0.5质量％以上、2.0质量％以下
Si是通过固溶到基体中，增加回火软化稳定性，使淬火、回火后的强度提高，使在次高温区的滚动疲劳寿命提高的元素。可是含量小于0.5质量％它的添加效果差，另一方面由于在超过2.0质量％情况下加工性能降低，所以将Si限定在0.5质量％以上、2.0质量％以下的范围。
Mn：0.3质量％以上、2.0质量％以下
Mn通过提高钢的淬透性，可以有效地使基体马氏体的韧性、硬度提高、使滚动疲劳寿命提高。为了达到此目的至少必须含0.3质量％以上，含量过多的话，由于切削性能显著恶化，所以将Mn限定在0.3质量％以上、2.0质量％以下的范围。
Cr：1.3质量％以上、2.5质量％以下
Cr是有助于提高淬透性、提高强度和提高耐磨性，进而提高滚动疲劳寿命的有用成分。可是含量小于1.3质量％它的添加效果差，另一方面由于在超过2.5质量％情况下，滚动疲劳寿命和切削性能恶化，所以将Cr限定在1.3质量％以上、2.5质量％以下的范围。
Mo：0.3质量％以上、1.0质量％以下
Mo通过固溶到基体中，增加回火稳定性，提高淬火、回火后的强度，可以有效地使次高温区的滚动疲劳寿命提高的元素。可是含量小于0.3质量％它的添加效果差，另一方面由于在超过1.0质量％情况下，加工性能降低，所以将Mo限定在0.3质量％以上、1.0质量％以下的范围。
(Si+Mo)≥1.0质量％
为了得到本发明目标的在高温回火后的优良的硬度和在次高温区优良的滚动疲劳寿命，在上述的成分中Si和Mo特别重要，为了稳定地得到上述期望的效果，使这些元素合计在1.0质量％以上是必要的。因此，在本发明中限定在(Si+Mo)≥1.0质量％的范围。
O：0.0012质量％以下
在本发明中，控制氧化物类非金属夹杂物的尺寸和个数是非常重要的。因此希望尽可能降低作为形成氧化物类非金属夹杂物形成元素的氧。从此观点考虑，把氧控制在0.0012质量％以下。
以上，对本发明适宜的成分范围进行了说明，为了达到本发明所期望的目的，使成分限定在上述范围是不够的，同时控制在钢中形成的氧化物类非金属夹杂物的尺寸和个数是重要的。
也就是，发明人就氧化物类非金属夹杂物对滚动疲劳寿命及韧性的恶劣影响、对它的尺寸和个数进行了系统研究。其结果，发现通过同时控制尺寸和个数，能够得到在次高温区的优良滚动疲劳寿命。
也就是，发现通过将氧化物类非金属夹杂物的直径控制在12.5μm以下，同时在被检测面积在320mm2时，相当于圆直径3μm以上的氧化物类非金属夹杂物个数在250个以下，能够得到在次高温区的优良滚动疲劳寿命。
其中为将氧化物类非金属夹杂物的尺寸和个数控制在上述范围，在把钢中氧含量控制在0.0012质量％以下的基础上，最好在生产钢材工序中特别在RH脱气等的真空脱气工序中延长脱气时间，促进夹杂物的分离、细化、上浮。
对于除脱气工序以外的生产工序没有特别的限定，可以按现有公知的方法进行。
此外，在本发明中生产上述钢材后，重要的是，利用渗碳处理把钢材表层的C浓度调整到0.7质量％以上、1.2质量％以下范围。
通过进行渗碳处理，表面不仅变硬，而且形成残余压应力，使滚动疲劳寿命提高。表面的C浓度小于0.7质量％的话，不能得到上述的效果，另一方面超过1.2质量％，硬度高到需要的硬度以上，引起在滚动疲劳过程中的组织变化造成的寿命劣化。将表层的C浓度限定在0.7质量％以上、1.2质量％以下范围。
其中，所谓表层是指从钢的表面到深0.5mm的范围。此外，为了把表层的C浓度控制在上述范围，可以在气体渗碳的碳势从0.7％到1.2％的条件下进行渗碳处理。
实施例
转炉精炼后，进行RH脱气处理，然后利用连续铸造生产表1所示各种成分组成的多根大型毛坯。然后在1240℃进行30小时的扩散退火，再轧制成直径为65mm的棒材。此后，把上述棒材进行软化退火，加工成冲击试验片和滚动疲劳试验片的形状。此外，在上述制造工序中，氧化物类非金属夹杂物的析出状态的控制，可以通过调整RH脱气处理时的脱气时间进行，发明例比现有示例延长脱气时间。
冲击试验片做成10mm见方、半径：20mm的圆形缺口(深度3mm)的摆锤式冲击试验片，此外滚动疲劳试验片做成轴向型试验片。
对于如上述加工的各个试验片，把No.1的现有示例(SUJ2)进行淬火和回火处理，此外对发明例和比较例都进行渗碳淬火和回火处理，然后提供给各试验。
滚动疲劳寿命是使轴向试验中的试验润滑油温度为150℃，求出到累计破损概率为10％时的断裂的应力负荷次数(B10寿命)，用以现有示例(SUJ2)的寿命为1时的相对值进行评价。
得到的结果示于表1。成分组成和夹杂物条件满足本发明主要条件的发明例No.2、3、4、5和No.14不仅中心部位的韧性，而且在次高温区的滚动疲劳寿命都比现有示例有大幅度提高。
与此相比，比较例No.6、7，合金成分满足本发明的适宜范围，O含量和夹杂物条件不符合本发明的适宜范围。滚动疲劳寿命与现有示例相比高，与发明例相比低，没有得到足够的改善效果。
比较例No.8，由于C含量超过本发明的上限，所以滚动疲劳寿命比现有示例提高，但是中心部位的硬度高，韧性显著降低。
比较例No.9，由于C含量不满足本发明的下限，所以滚动疲劳寿命比现有示例提高，但是中心部位的硬度低，强度不够。
比较例10、11、12，由于成分组成偏离本发明的适宜范围，所以不能得到像充分满足这样的滚动疲劳寿命的改善效果。
比较例No.13、15，是与发明例No.14相同组成的钢，是改变渗碳条件，使渗碳后表层的C含量改变的示例。由于比较例13、15渗碳后表层的C含量偏离本发明的适宜范围，韧性好，但滚动疲劳寿命显著降低。
产业上利用的可能性
采用本发明的话，可以稳定地提供在次高温区的滚动疲劳寿命和在常温下的韧性兼顾的表面淬火轴承用钢，轴承的寿命长，有对提高安全性有很大贡献。
表1
                             成分(质量％)   氧化物夹杂物 渗碳表层的C含量(质量％) 中心部位硬度Hv 韧性*1(J/cm2) 滚动疲劳寿命*2B10 备注
  C   Si   Mn   Cr   Mo   O   Si+Mo   最大直径(μm)   个数
  1   1.00   0.25   0.42   1.48   0.00   0.0015   0.25   15.8   320   不渗碳   740   32   1.0   现有例
  2   0.22   0.98   0.53   1.95   0.47   0.0008   1.45   8.5   161   0.98   414   63   12.6   发明例
  3   0.17   1.32   0.62   1.75   0.56   0.0010   1.88   8.1   132   1.02   365   58   11.5   发明例
  4   0.17   1.10   0.54   1.88   0.48   0.0006   1.58   7.2   95   1.10   360   58   16.5   发明例
  5   0.23   1.15   0.47   1.84   0.44   0.0004   1.59   6.8   78   1.05   420   60   18.2   发明例
  6   0.23   1.02   0.55   1.88   0.47   0.0018   1.49   15.6   230   1.05   425   56   4.5   比较例
  7   0.22   1.02   0.51   1.78   0.52   0.0025   1.54   16.2   292   1.04   418   54   3.7   比较例
  8   0.34   0.98   0.50   1.88   0.50   0.0009   1.48   8.4   157   0.97   508   38   13.2   比较例
  9   0.12   1.00   0.55   1.93   0.47   0.0009   1.47   8.6   162   1.02   320   64   12.5   比较例
  10   0.21   0.52   0.55   1.87   0.38   0.0010   0.90   8.5   160   1.04   408   63   6.4   比较例
  11   0.20   0.20   0.51   1.87   0.47   0.0009   0.67   8.1   148   1.04   398   61   5.2   比较例
  12   0.22   0.55   0.53   1.95   0.25   0.0008   0.80   8.5   160   1.11   415   60   5.8   比较例
  13   0.23   1.15   0.47   1.84   0.44   0.0004   1.59   6.8   78   0.61   420   60   5.2   比较例
  14   0.23   1.15   0.47   1.84   0.44   0.0004   1.59   6.8   78   0.81   418   55   18.2   发明例
  15   0.23   1.15   0.47   1.84   0.44   0.0004   1.59   6.8   78   1.44   422   52   5.8   比较例
*1：韧性值：摆锤式实物尺寸试验片、缺口20mmR、深度：3mm、试验温度：20℃
*2：滚动疲劳寿命：以现有钢的SUJ2寿命为1时的相对值

Claims (1)

1.一种具有优良的韧性和在次高温区滚动疲劳寿命的表面淬火轴承用钢，其特征在于：由在满足(Si+Mo)≥1.0质量％情况下含有
C：0.15质量％以上、0.25质量％以下、
Si：0.5质量％以上、2.0质量％以下、
Mn：0.3质量％以上、2.0质量％以下、
Cr：1.3质量％以上、2.5质量％以下、
Mo：0.3质量％以上、1.0质量％以下和
O：0.0012质量％以下、其余为铁和不可避免的杂质组成，此外氧化物类非金属夹杂物的直径，在被检测面积为320mm2时，为12.5μm以下，而且相当于圆的直径在3μm以上的氧化物类非金属夹杂物个数在被检测面积为320mm2时，为250个以下，此外利用渗碳处理使表层部的C浓度调整到0.7质量％以上、1.2质量％以下范围。
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