CN1611628B - 滚动轴承部件和制造该滚动轴承部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由包含0.15-0.5重量％碳、1-2.5重量％铬以及0.7-3.5重量％镍的钢制成的滚动轴承部件。滚动表面的表面层部分的维氏硬度为700-800。碳化物和碳氮化物沉积在表面层部分中。碳化物和碳氮化物的总含量的面积比不高于20％，碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸不大于2微米。滚动轴承部件满足下列关系：0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％，且[N]≥0.05重量％，其中[C]表示表面层部分中的碳含量，[N]表示表面层部分中的氮含量。

Description

滚动轴承部件和制造该滚动轴承部件的方法
背景技术
本发明涉及一种滚动轴承部件，该滚动轴承部件阿用作钢工业机器中的大尺寸滚动轴承的轴承套，例如用于支撑轧钢机上的滚动颈口的滚动轴承。
在背景技术中，这样的滚动轴承部件是通过在用表面硬化(case-hardened)钢如JIS SNCM815(例如，见非专利文献1)制成预定形状的加工部件原材料上渗碳而制造的。
然而，背景技术中的滚动轴承部件在耐腐蚀性方面是不够的。滚动轴承部件会生锈，从而可能由此导致剥落。因此，存在对滚动轴承部件的使用寿命变短的担心。
非专利文献1
由日本标准协会在1976年12月1日出版在第395页，由如何选择和使用滚动轴承编辑委员会编辑的“如何选择和使用滚动轴承(新版本)”。
发明的概述
为了解决前述的问题，本发明的一个目的是提供一种具有较好耐腐蚀性的滚动轴承部件以及制造该轴承部的方法。
根据本发明的滚动轴承部件由含有0.15-0.5重量％碳，1-2.5重量％铬和0.7-3.5重量％镍的钢制成。滚动表面的表面层部分上的维氏硬度设定为700-800。碳化物和碳氮化物沉积在表面层部分中。碳化物和碳氮化物的总含量的面积比不超过20％，并且碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸不大于2微米。滚动轴承部件满足下面的关系：0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％并且[N]≥0.05重量％，其中[C]表示表面层部分中的碳含量，[N]表示表面层部分中的氮含量。
根据本发明的滚动轴承部件的各个数值由于下述理由而被限制。
碳含量
碳是钢的一个基本成份。当碳含量低于0.15重量％时，作为滚动轴承部件所需要的内在硬度就不能保证。当碳含量超过0.5重量％时，内在硬度过而不能保证内在韧性。优选的碳含量为0.15-0.3重量％。
铬含量
镍具有这样的特性，可延长使用滚动轴承部件的滚动轴承的滚动疲劳寿命，同时改善滚动轴承部件的耐腐蚀性。当铬含量低于1重量％时，所需的滚动疲劳寿命和所需的耐腐蚀性不能保证。当铬含量超过2.5重量％时，粗糙的碳化物和碳氮化物沉积，由碳化物和碳氮化物产生铁锈，并且热处理性能退化。
镍含量
镍具有这样的特性，可延长使用滚动轴承部件的滚动轴承的滚动疲劳寿命，同时改善滚动轴承部件的耐腐蚀性，并进一步改善内部韧性。当镍含量低于0.7重量％时，所需的滚动疲劳寿命，所需的耐腐蚀性和所需的内在韧性不能保证。当镍含量超过3.5重量％时，热处理性能退化，同时残留奥氏体的含量过高而不能保证所需的硬度。因此优选地镍含量为1.4-3.1重量％。
维氏硬度
作为滚动轴承的最佳维氏硬度(Hv)是在滚动表面的表面层部分中为700-800。
表面层部分中的碳化物和碳氮化物的含量
碳化物和碳氮化物通过实施一种具有渗碳效果和渗氮效果的热处理而形成，例如，通过实施渗碳和碳氮共渗，实施碳氮共渗，或者实施渗碳和渗氮。碳化物和碳氮化物的含量被限制成面积比不高于20％的原因是，当碳化物和碳氮化物的含量超过20％时，由于碳化物和碳氮化物产生的铁锈而导致耐腐蚀性变差。面积比具有一个大约为1％的下限。
表面层部分中的碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸
颗粒尺寸被严格限制在不大于2微米的原因在于，当平均颗粒尺寸超过2微米时，由于碳化物和碳氮化物产生的铁锈而导致耐腐蚀性变差。
表面层部分中的碳含量[C]和氮含量[N]
碳和氮都具有提高表面层部分的硬度的特性。然而，碳具有降低耐腐蚀性的特性而氮具有提高耐腐蚀性的特性。当满足0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％以及[N]≥0.05重量％这样的关系时，可提高耐腐蚀性同时保证表面层部分所需的硬度。
在根据本发明的滚动轴承部件中，前述的钢还包括0.05-0.5重量％的硅，0.1-1重量％的锰，以及1重量％或者更少的钼。
在此，硅含量，锰含量和钼含量由于下述的原因被限制。
硅含量
硅具有一种使得碳化物和碳氮化物更精细的特性。当硅含量不超过0.05重量％时，不能获得这样的效果。硅还是一种阻止碳进入的元素。当硅含量超过0.5重量％时，所需数量的碳化物和碳氮化物的形成被阻止。此外，可塑性加工性(plastic workability)同样降低。优选地硅的含量为0.15-0.35重量％。
锰含量
加入锰用以改善钢的淬透性。当锰含量低于0.1重量％时，淬透性改善效果不能被获得。当锰含量超过1重量％时，残留奥氏体的稳定分解被阻止，同时可塑性加工性变差。优选地锰的含量为0.2-0.8重量％。
钼含量
加入钼用以改善钢的淬透性。当钼含量超过1重量％时，可切削加工性降低。钼含量的下限不是零。为了获得一个足够的淬透性改善效果，优选地钼含量为0.2重量％。
也就是说，根据本发明的滚动轴承部件由包含下列成份的钢制成：0.15-0.5重量％碳，1-2.5重量％铬，0.7-3.5重量％镍，0.05-0.5重量％硅，0.1-1重量％锰，1重量％或者更少的钼，以及平衡铁和不可避免的杂质。
优选地，根据本发明的滚动轴承部件是一个大尺寸滚动轴承的轴承套，该滚动轴承的外径例如不小于300毫米，尤其是不小于400毫米。
在此，滚动表面的表面层部分表示对滚动/滑动表面的寿命有影响的深度部分。例如，表面层部分是达到这样一个深度的部分，在该深度，最大剪切力导致剥落由内部开始。该深度取决于接触状况。在绝大多数的滚动/滑动部件中深度达到约0.5毫米。
一种制造根据本发明的滚动轴承部件的方法包括下面的步骤：在930℃或者更高的均热温度下，对由包含0.15-0.5重量％碳，1-2.5重量％铬和0.7-3.5重量％镍的钢制成的加工部件原材料进行渗碳；然后在880-910℃的温度下，在一个由渗碳气体和以3-10％到100％的比率与渗碳气体混合的NH3气体构成，并具有1.2-1.4的渗碳能力的渗碳气氛中，对加工部件原材料进行均热处理；然后对加工部件原材料进行淬火；接着对加工部件原材料实施中间退火；然后加热加工部件原材料到770-830℃并且迅速冷却加工部件原材料从而对加工部件原材料进行淬火；之后对加工部件原材料进行回火。这样获得的滚动轴承部件在滚动表面的表面层部分中具有700-800的维氏硬度，在表面层部分沉积着碳化物和碳氮化物，碳化物和碳氮化物的总量面积比不超过20％，碳化物和碳氮化物具有一个不大于2微米的平均颗粒尺寸，并且具有下列关系：0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％以及[N]≥0.05重量％，其中[C]表示表面层部分的碳含量，[N]表示表面层部分的氮含量。
在制造根据本发明的滚动轴承的方法中，热处理条件由于下述的原因被限制。顺带地，所使用的铁中包含的成份/元素被限制的原因与前述的滚动轴承部件的原因相同。
渗碳环境
作为渗碳环境基础的渗碳气体没有被特别地限制。然而，优选地渗碳能力设置为1.3-1.5。当渗碳能力低于1.3时，不会允许所需含量的碳进入到部件原材料的表面层部分中。当渗碳能力超过1.5时，大量的对操作过程不利的碳黑会在热处理过程中产生。
渗碳温度
均热处理温度被限制成不低于930℃的原因是为了缩短处理时间。
渗碳之后的处理环境
由于下述原因，渗碳之后的处理环境的渗碳能力被限制为1.2-1.4。当渗碳能力低于1.2时，不允许所需数量的碳进入到部件原材料的表面层部分中。当渗碳能力超过1.4时，大量的对操作不利的碳黑在热处理过程中产生。此外，由于下述的原因，混合在渗碳气体中的NH3气体的含量被限制为3-10％。当含量低于3％时，不允许所需数量的氮进入到部件原材料的表面层部分中。当含量超过10％时，未分解的残余NH3增加，不利于碳氮化物在部件的表面层部分中有效地沉积。
渗碳之后的处理温度
由于下述的原因，该温度被限制为880-910℃。当温度超出该范围时，表面层部分中的碳含量[C]和氮含量[N]的关系不能满足关系0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％。
渗碳的时间以及渗碳后的处理时间
渗碳的处理时间以及渗碳之后均热处理的时间没有被特别的限制，但是取决于部件原材料的尺寸。在前述大尺寸滚动轴承的轴承套的情况下，时间优选地设置如下。也就是，优选地渗碳的处理时间为15-100小时，尤其是20-50小时。原因是为了允许碳进入到足够的深度，从而保证轴承套的强度。优选地，渗碳之后的均热处理的处理时间为5-20小时，尤其是6-10小时。原因是为了允许氮进入到表面层部分中的一个预定的深度，从而保证耐腐蚀性，例如在用于支撑轧钢机滚动颈口的轴承的情况下。
淬火中的加热温度
由于下述的原因，该温度被限制为770-830℃。当温度低于770℃时，淬火不完全而不能获得所需的硬度。当温度超过830℃时，残留奥氏体的含量过高而不能获得所需的硬度。
中间退火的加热时间以及淬火的加热时间
这些时间没有被特别的限制，但是取决于部件原材料的尺寸。在前述大尺寸滚动轴承的轴承套的情况下，优选地中间退火的加热时间为3-6小时，淬火的加热时间为0.5-3小时。
发明的效果
在根据本发明的滚动轴承部件中，滚动表面的表面层部分具有最适合用于滚动轴承的表面硬度，而耐腐蚀性优先。由于耐腐蚀性优先，阻止铁锈的产生以及阻止由于铁锈而发生的剥离是可能的。因此，可能延长使用寿命。
根据制造本发明的滚动轴承部件的方法，可能制造具有上述效果的滚动轴承部件。此外，通过在880-910℃的温度下，在由渗碳气体和以3-10％到100％的比率与渗碳气体混合的NH3构成，并且在预定的渗碳之后具有1.2-1.4的渗碳能力的环境中进行均热处理，能够制造一种滚动轴承部件，该轴承部具有作为大尺寸滚动轴承的轴承套所需的强度以及尤其作为用于支撑轧钢机的滚动颈口的轴承所需的耐腐蚀性。也就是，通过渗碳，允许碳进入到部件原材料的表面层部分距表面足够深度来保证强度，同时通过在渗碳之后在前述的环境中进行均热处理，能够有效地将保证耐腐蚀性的氮实施在表面层部分上。
附图的简单说明
图1显示了用于制造例1中的滚动轴承套的热处理条件。
优选实施例的详细描述
本发明的一个特定例将在下面与一个对照例一起进行描述。
例1
一个具有450毫米外径，400毫米内径和100毫米宽度的滚动轴承套的原材料由包含下列成份的钢形成：0.2重量％的碳，1.2重量％的铬，3.0重量％的镍，0.25重量％的硅，0.5重量％的锰，0.6重量％的钼，以及平衡铁和不可避免的杂质。
然后，在图1所示的条件下对原材料进行热处理。也就是，原材料在由渗碳能力为1.4的渗碳气体构成的渗碳环境中在温度980℃下进行均热处理30小时。然后，温度降低到900℃。在此，以渗碳气体4％一100％的比例引入NH3气体，并且原材料在900℃下均热处理7小时，接着油冷至80℃。附带地，在900℃下均热处理环境中的渗碳能力为1.3。
接着，通过在660℃下均热处理4小时而对原材料进行中间退火。然后，原材料在780℃下均热处理1.5小时，然后油冷至80℃。这样完成淬火。最后原材料在180℃下均热处理4小时，从而完成回火。这样制造出滚动轴承套。
滚动轴承套的套表面的表面层部分的表面硬度为维氏硬度760。在表面层中沉积的碳化物和碳氮化物的总含量的面积比为9％。碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸为0.9微米。此外，[C]+1.5[N]为1.15重量％，并且[N]为0.2重量％，其中[C]表示表面层部分中的碳含量，[N]表示表面层部分中的氮含量。
对照例1
一个具有450毫米外径，400毫米内径和100毫米宽度的滚动轴承套的原材料由JIS SNCM815形成，该JIS SNCM815含有0.15重量％的碳，0.8重量％的铬，4.00重量％的镍，0.20重量％的硅，0.40重量％的锰，0.20重量％的钼，以及平衡铁和不可避免的杂质。
然后，原材料在由渗碳能力为1.4的渗碳气体构成的渗碳环境中在980℃下均热处理32小时。之后，温度降低到900℃，接着原材料被油冷至80℃。然后，通过在660℃下均热处理4小时而对原材料进行中间退火。接着，原材料在790℃下均热处理1.5小时，然后油冷至80℃。这样完成淬火施。最后，原材料在180℃下均热处理4小时，从而完成回火。这样制造出滚动轴承套。
滚动轴承套的套表面的表面层部分的表面硬度为维氏硬度740，在表面层中沉积的碳化物的总含量的面积比为3％。碳化物的平均颗粒尺寸为0.7微米。此外，表面层部分中的碳含量为0.9重量％，其氮含量为0重量％。
评定测试
例1和对照例1中的滚动轴承套被充分地脱脂，然后将它们放置在一个温度为50℃湿度为95或者更高的温度恒定和湿度恒定的罐中。经过一段预定时间之后，测量生锈的面积比。表1中显示了结果。
表1
  1小时后   24小时后   48小时后   96小时后
  例1   1％或更低   1％或更低   2％   4％
  对照例1   1％或更低   2％   15％   30％

Claims (8)

1.一种由包含0.15-0.5重量％碳，1-2.5重量％铬，大于0.05重量％且小于等于0.5重量％的硅，0.7-3.5重量％镍，0.1-1重量％锰，大于0重量％且小于等于1重量％的Mo，以及平衡铁和不可避免的杂质的钢制成的耐腐蚀性优良的滚动轴承部件，其中
滚动轴承部件的滚动表面的表面层部分具有700-800的维氏硬度，
碳化物和碳氮化物沉积在表面层部分中，
碳化物和碳氮化物的总含量的面积比设定为不高于20％，
碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸设定为不大于2微米，并且
满足下列关系：0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％，且[N]≥0.05重量％，其中[C]表示表面层部分中的碳含量，[N]表示表面层部分中的氮含量。
2.一种由包含0.15-0.5重量％碳，1-2.5重量％铬，大于0.05重量％且小于等于0.5重量％的硅，0.7-3.5重量％镍，0.1-1重量％锰，大于0重量％且小于等于1重量％的Mo，以及平衡铁和不可避免的杂质的钢制成的滚动轴承部件，其中
进行渗碳处理后，
在880-910℃的温度下，在由渗碳气体和以渗碳气体3-10％的比例混入的NH3气体构成的环境下，进行均热处理，
对加工部件原材料进行淬火，
对加工部件原材料进行中间退火，
将加工部件原材料加热至770-830℃并且迅速冷却加工部件原材料，从而对加工部件原材料进行淬火，以及
对加工部件原材料进行回火，从而
滚动轴承部件的滚动表面的表面层部分具有700-800的维氏硬度，
碳化物和碳氮化物沉积在表面层部分中，
碳化物和碳氮化物的总含量的面积比设定为不高于20％，
碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸设定为不大于2微米，并且
满足下列关系：0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％，且[N]≥0.05重量％，其中[C]表示表面层部分中的碳含量，[N]表示表面层部分中的氮含量。
3.根据权利要求1或2所述的滚动轴承部件，其中钢中的碳含量不低于0.15重量％并且不高于0.3重量％。
4.根据权利要求1或2所述的滚动轴承部件，其中钢中的镍含量不低于1.4重量％并且不高于3.1重量％。
5.根据权利要求1所述的滚动轴承部件，其中钢中的硅含量不低于0.15重量％并且不高于0.35重量％。
6.根据权利要求1所述的滚动轴承部件，其中钢中的锰含量不低于0.2重量％并且不高于0.8重量％。
7.根据权利要求1所述的滚动轴承部件，其中钢中的钼含量不低于0.2重量％并且不高于1重量％。
8.一种制造滚动轴承部件的方法，该方法包括下列步骤：
在930℃或者更高的均热处理温度下，对由包含0.15-0.5重量％的碳，1-2.5重量％的铬，大于0.05重量％且小于等于0.5重量％的硅，0.7-3.5重量％镍，0.1-1重量％锰，大于0重量％且小于等于1重量％的Mo，以及平衡铁和不可避免的杂质的钢制成的加工部件原材料进行渗碳处理；
在880-910℃的温度下，在一个由渗碳气体和以渗碳气体3-10％的比率混合的NH3构成的具有1.2-1.4渗碳能力的环境下，对加工部件原材料进行均热处理；
对加工部件原材料进行淬火；
对加工部件原材料进行中间退火；
将加工部件原材料加热至770-830℃并且迅速冷却加工部件原材料，从而对加工部件原材料进行淬火；以及
对加工部件原材料进行回火，
这样获得由包含0.15-0.5重量％碳、1-2.5重量％铬、大于0.05重量％且小于等于0.5重量％的硅，0.7-3.5重量％镍，0.1-1重量％锰，大于0重量％且小于等于1重量％的Mo，以及平衡铁和不可避免的杂质的钢制成的滚动轴承部件，其中
滚动轴承部件的滚动表面的表面层部分的维氏硬度为700-800，
碳化物和碳氮化物沉积在表面层部分中，
碳化物和碳氮化物的总含量的面积比设定为不高于20％，
碳化物和碳氮化物的平均颗粒尺寸设定为不大于2微米，并且
满足下列关系：0.85重量％≤[C]+1.5[N]≤1.3重量％，且[N]≥0.05重量％，其中[C]表示表面层部分中的碳含量，[N]表示表面层部分中的氮含量。
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