TWI267556B - Steel product excellent in rolling contact fatigue life and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

1267556 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於稱為滾動軸承或滾珠軸承之斜角滾珠軸承等 所使用之鋼材，特別係關於即便在嚴苛的使用環境中，仍 具有優異的滾動疲勞壽命之鋼材及其製造方法。 【先前技術】 在汽車及產業機械等之中所使用的斜角滾珠轴承材 料，自習知前起，多數情況乃使用J I S G 4 8 0 5所規定的高 碳鉻軸承鋼S U J 2。 一般對軸承鋼要求的重要性質之一，乃是其滾動疲勞壽 命長之事。截至目前為止，對軸承鋼的滾動疲勞壽命造成 影響的因素中，鋼中非金屬介質被認為屬最重要的因子。 所以，例如在曰本專利特開平1 - 3 0 6 5 4 2號公報、或曰本專 利特開平3 - 1 2 6 8 3 9號公報中，便有揭示降低鋼中的氧量， 並控制著非金屬介質的量、形狀、及大小，是提昇滾動疲 勞壽命的方法。 但是，本發明者等，針對軸承鋼的滚動疲勞壽命進行各 種研究，發現在高負荷或高溫之類的嚴苛使用環境中，因 為發生如下述現象，因而如上述方法，僅藉由控制著非金 屬介質之量、形狀、及大小，並無法充分地提昇滚動疲勞 壽命。 . 換句話說，隨軸承使用環境的嚴苛化，而在軸承内外圈 與滾動體進行接觸時所發生的剪應力，導致在軸承鋼接觸 面的下層部分（表層部）生成白色微觀組織變化層，此變化 5 3 12/發明說明書(補件)/93-06/93110682 1267556 層將隨滾動次數的增加而迅速地成長，最後將引起疲勞剝 離現象，而降低滾動疲勞壽命。特別在更嚴苛使用環境的 高面壓下（小型化）之溫度上升，截至發生此微觀組織變化 層為止前的滾動次數將縮短，而明顯地降低滾動疲勞壽命。 所以，在抑制因此種使用環境的嚴苛化，所造成滾動疲 勞壽命降低方面，習知技術的僅控制非金屬介質之量、形 狀及大小的方式將嫌不足，必須抑制微觀組織的長期間變 化。 作為可抑制因高負荷滾動疲勞時的重複應力負荷，所發 生微觀組織變化的軸承鋼，本發明者等便在日本專利特開 平6 - 287691號公報中，提案由含有：C: 0.5〜1.5wt%、Cr: 超過 2 . 5 w t % J- 8.0wt% 以下、Sb: 0.001 〜0.015wt%、0: 0.002wt%以下，其餘為Fe及無法避免之雜質所構成的軸承 鋼，以及在此轴承鋼中，更含有Si:超過0.5wt%且2.5wt% 以下、Μη : 0.05〜2.0wt% 、 Mo : 0.05〜0.5wt% 、 A1 : 0 . 0 0 5〜0 . 0 7 w t %等的軸承鋼。該等軸承鋼將提昇B 5。高負荷 滾動疲勞壽命（在滾動疲勞壽命試驗中，累積破損機率5 0 % 至微觀組織變化層剝離為止的總負荷次數）。 但是，現況中，軸承的使用環境已較日本專利特開平 6 — 2 8 7 6 9 1號公寿艮申請時更力口嚴苛，單僅規範化學組成係無 法充分地得到滾動疲勞壽命。所以，熱切期盼滾動疲勞壽 命更優異的軸承用鋼材。 【發明内容】 本發明者等經進行各種探討，發現藉由狹義規範鋼材使 6 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 1267556 用時的微觀組織，即便在較習知更嚴苛的環境下，仍可更 加延長軸承壽命之下述具有優異滾動疲勞壽命的鋼材。 換句話說，一種具有優異的滾動疲勞壽命之鋼材，係由 含有依質量 °/◦計，C ·· 0 . 7 〜1 · 1 %、S i : 0 · 2 〜2 · 0 %、Μ η : 0 · 4 〜2 · 5 °/〇、 C r : 1 · 6 〜4 . 0 %、Μ 〇 : 0 . 1 % 以上且未滿 0 · 5 °/◦及 A 1 : 0 . 0 1 0〜0 . 0 5 0 %，其餘為F e與無法避免之雜質所構成，接受 淬火回火處理，且殘留雪明碳體（c e m e n t i t e )粒徑為 0.05〜1.5// m，舊沃斯田體（austenite)粒徑在30μ m以下。 再者，此具有優異的滾動疲勞壽命之鋼材，可利用包含 有下述步驟的方法製得，即：對具上述成分的鋼材施行加熱 至7 5 0〜8 5 0 °C之後，依0 . 0 1 5 °C / s以下的冷卻速度，冷卻 至 7 0 0 °C以下之球狀化退火的步驟；以及對經球狀化退火 後的鋼材施行淨火回火處理的步驟。 【實施方式】 本發明者等，針對在嚴苛的使用環境中，因重複應力負 荷造成的轴承鋼微觀組織變化進行探討，而獲得以下見解： 1 )微觀組織變化的主因乃對鋼材硬質部分的應力集 中、與其周邊的碳（C)之擴散，僅要缓和應力集中，或抑制 C之擴散的話，便可抑制微觀組織的變化。 2 )在抑制鋼中的C之擴散方面，僅要於淬火時的加熱階 段中，將沃斯田體（以下記為 「7」）粒細微化，而且將經 淬火回火處理後所殘留雪明碳體粒徑設為0 . 0 5〜1 . 5 # m的 話便可。 3)在上述JIS G 4805高碳軸承鋼SUJ2中，受鑄造熔鋼 7 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 1267556 時所析出粗大碳化物的影響，在經施行淬火回火處理 將殘留粒徑 5 // m以上之通稱「共晶碳化物」的粗大 物，此將成為應力集中源並產生作用，而促進微觀組 變化。此外，球狀化退火時所生成的球狀碳化物，亦 其尺寸的粗大化，而成為應力集中源並產生作用，促 觀組織的變化。 本發明乃根據此種見解而構思，詳細說明如下。 (I )化學組成 C ·· C係固溶於鋼基質中，強化麻田散體（m a r t e n s i t 確保淬火回火處理後的硬度，提昇滚動疲勞壽命。為 須將C設為0 · 7質量％以上，若超過1 · 1質量％的話， 進如共晶碳化物之粗大碳化物的形成，同時將因鋼中 之擴散而助長微觀組織的變化，降低滾動疲勞壽命。所 將C設為0 . 7〜1 . 1質量°/〇。 S i : S i係除具鋼的脫氧劑作用之外，將固溶於基質 並在淬火後的回火時抑制強度的降低。此外，在滚動 環境中將抑制微觀組織變化。為此必須將 S i設定在 質量％以上，若超過2 . 0質量％的話，鍛造性、被削性 大幅劣化。所以，S i將設定為0 · 2〜2. 0質量°/〇。 Μη : Μη係具鋼的脫氧劑作用，乃屬低氧化的有效元 此外，將提昇淬火性，並提昇基質中麻田散體韌性與強 而提昇滾動疲勞壽命。此外，亦具有使雪明碳體安定 抑制微觀組織變化的效果。因而必須將Μ η設定在0 . 4 %以上，若超過2. 5質量％的話，鍛造性、被削性等將 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 後， 碳化 織的 將隨 進微 e)， 此必 將促 的 C 以， 中， 負荷 0. 2 等將 素。 度， 化、 質量 大幅 8 1267556 劣化。所以，Μ η設定在Ο · 4〜2 . 5質量％。

Cr : Cr係使雪明碳體安定化而抑制鋼中的C之擴 且將抑制雪明碳體的粗大化而防止應力集中現象， 滾動疲勞壽命。為此必須將C r設定在1 . 6質量％以 超過4. 0質量％以上的話，C對麻田散體的固溶量將 而降低淬火回火處理後的硬度，降低滾動疲勞壽命。 C r設定為1 . 6〜4 . 0質量％。

Mo : Mo係固溶於基質中，具有抑制在淬火後於回 強度降低作用。此外，將提昇淬火回火處理後的硬 滾動疲勞壽命。甚且隨碳化物的安定化，亦具有抑 組織變化的作用。所以，必須將Μ 〇設定在0 · 1質量S 即便添加0 . 5質量％以上的話，其效果已達飽和，將 本上升。所以，將Μ 〇設定在0. 1質量％以上，且未 質量％。 A 1 : A 1係屬於鋼之必要脫氧劑，與鋼中的Ν鍵結 淬火回火處理後的舊7粒細微化，而提昇滾動疲勞 為此必須將A 1設定在0 . 0 1 0質量％以上，若超過0 . 量％的話，將因析出多量的A 1 N，而降低滾動疲勞壽 以，將A 1設定為0 . 0 1 0〜0 . 0 5 0質量°/〇。 除上述元素之外，最好更含有由依質量％計 0 · 5 〜2 · 0 %、V : (K 0 5 〜1 · 0 0 0/〇、N b : 0· 0 0 5 〜0 · 5 0 0/〇， 0 . 0 0 1 0〜0 . 0 0 5 0 %組群中，至少選擇1種的元素，理 述。 N i : N i乃為固溶於基質中，為抑制回火後的強度 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 散，而 並提昇 上，若 降低， 所以， 火時的 度、及 制微觀 6以上， 導致成 滿0 · 5 ，將經 壽命。 0 5 0質 命。所 ，Ni : 、Sb : 由如下 降低， 9 1267556 而配合需要添加。為獲得充分地效果，必須將 Ni設定在 0 . 5質量％以上，若超過2 . 0質量％的話，將產生多量的殘 留7 ，而降低淬火回火處理後的強度。所以，N i 設定在 0 . 5〜2 . 0質量％範圍内。 V : V乃因為具有形成安定的碳化物而提昇硬度，同時抑 制微觀組織變化而提昇滾動疲勞壽命的作用，因而配合需 要添加。為獲得充分地效果，必須將V設定在0 . 0 5質量％ 以上，若超過1 · 0 0質量％的話，固溶C將降低，而降低淬 火回火處理後的硬度。所以，將V設定在0 . 0 5〜1 . 0 0質量％ 範圍内。

Nb: Nb乃因為如同V，具有形成安定的碳化物而提昇硬 度，同時抑制微觀組織變化而提昇滾動疲勞壽命的作用， 因而配合需要添加。為獲得充分地效果，必須將Nb設定在 0 . 0 0 5質量％以上，即便超過0 . 5 0質量％，其效果亦已達飽 和。所以，將N b設定在0 . 0 0 5〜0 . 5 0質量％範圍内。

Sb : Sb乃因為抑制熱處理時的脫碳，同時藉由將淬火回 火處理後的舊7粒徑細微化，以提昇滾動疲勞壽命，因而 配合需要添加。為獲得充分地效果，必須將 Sb設定在 0 . 0 0 1 0質量％以下，若超過0 . 0 0 5 0質量％的話，效果已達 飽和，熱加工性與勃性將劣化。所以，將 Sb 設定在 0 . 0 0 1 0〜0 . 0 0 5 0質量％範圍内。 (I I )殘留雪明碳體粒徑 軸承用C量較高的鋼材乃接受淬火回火處理，在處理後 的鋼材中將殘留著淬火前所存在的雪明碳體。如上述，此 10 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 1267556 殘留的雪明碳體將抑制鋼中的C之擴散，並抑制在嚴苛使 用環境中，因重複應力負荷所造成的軸承鋼微觀組織變 化。但是，若殘留雪明碳體的平均粒徑未滿0 . 0 5 # m的話， 表面積相對於雪明碳體體積的比率將變大，因將促進C對 基質的溶出，因而無法充分地獲得C之擴散抑制效果，反 之，若超過的話，因為對殘留雪明碳體與基質之界 面的應力集中將增加，而將促進微觀組織的變化。所以， 淬火回火處理後的殘留雪明碳體粒徑必須設定在 0 . 0 5 〜1 · 5 // m 〇 (m )舊r粒徑 除抑制上述微觀組織變化之外，抑制因滾動疲勞所發生 龜裂傳遞之事，對滾動疲勞壽命提昇方面亦具有效果。為 提昇其在嚴苛使用環境中之效果，必須將淬火回火處理後 的舊r粒徑設定在3 0 // m以下。 (I V )製造方法 本發明乃以將具有上述本發明範圍内之化學組成的鋼 進行熔製，例如經利用連續鑄造而形成鑄片之後，再經熱 軋而形成棒鋼的鋼材為起始材料。然後，對此鋼材依普通 條件施行回火後，加熱至 7 5 0〜8 5 0 °C之後，依 0 . 0 1 5 °C / s 以下的速度，施行冷卻至7 0 0 °C以下的球狀化退火，然後， 再施行淬火回火處理。藉由此種球狀化退火，便可將淬火 回火處理後的殘留雪明碳體粒徑設定在0 . 0 5〜1 . 5 // m範圍 内。若球狀化退火的加熱溫度超過 8 5 0 °C的話，球狀化雪 明碳體將變粗大，淬火回火處理後的殘留雪明碳體亦將變 312/發明說明補件)/93-06/93110682 11 1267556 粗大，在加熱後的冷卻時將形成新的層狀雪明碳體。反之， 若加熱溫度未滿 7 5 0 °C的話，球狀化退火前所存在的珠光 體（p e r 1 i t e )將殘留，無法獲得所需的殘留雪明碳體。 淬火回火處理乃依通常在此領域中所採行的條件實 施。特別係若淬火時的加熱溫度未滿 8 0 0 °C的話，球狀化 雪明碳體對母相沃斯田體的固·溶情況將無法充分地進行， 淬火回火處理後將無法獲得充分地硬度，而且將導致殘留 雪明碳體粗大化情況發生。反之，若加熱溫度超過 9 5 0 °C 的話，雪明碳體的固溶將過度進行，而且將導致沃斯田體 粒粗大化。所以，為在淬火回火處理後獲得所需殘留雪明 碳體，將舊7粒徑設定在3 0 // m以下，將淬火時的加熱溫 度設定在 8 0 0〜9 5 0 °C之事乃屬重要一環。另外，淬火回火 處理後的雪明碳體體積率，主要隨C量而變化，在本發明 的組成範圍中設為3〜2 5 %。 (實施例） 將具有表1所示試料N 〇. 1〜2 5化學組成的鋼，利用轉爐 進行熔製之後，經連續鑄造而形成鑄片。表1之試料N 〇. 1〜7 的化孥組成係在本發明範圍外，試料 N 〇. 1相當於 J I S G 4 8 0 5之S U J 2的習知鋼，而試料N 〇 . 2為C、試料N 〇 . 3為 Si、試料N 〇. 4為Μη、試料Ν 〇. 5為C r、試料No. 6為Mo、 試料No. 7為A1超過本發明範圍外。所獲得鑄片在1 2 4 0 °C 中施行3 0小時退火之後，熱軋為6 5 m m 0的棒鋼。 從相當於所獲得棒鋼的直徑1 / 4位置處起，利用切削加 工而採取1 5 m m 0 X 2 0 m m的圓柱狀測試片，以及測定滾動疲 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 12 1267556 勞的測試片（以下稱「滾動疲勞測試片」）， 火、球狀化退火、淬火回火的熱處理。淬火 表1所示加熱溫度起，依0 . 0 0 4〜0 . 0 2 0 °C / s 冷卻至 6 5 0 °C ，然後放置冷卻。相關滾動疲 以完全去除脫碳層之目的下，從表面研磨1【 施行研磨精修，而形成測試片尺寸1 2 in in 0 X 採用各試料的圓柱狀測試片’朝圓柱的轴 此切斷面依序使用苦味酸醇溶液、硝酸醇溶 然後觀察微觀組織，並利用影像解析測定殘 均粒徑、及平均舊7粒徑。 再者，採用各試料的滾動疲勞測試片，利 疲勞壽命測試機，依赫兹（h e r t z )最大接觸β 重複應力數約4 6 5 Ο 0 c p m的條件，施行滾動疲 試結果依照所謂「韋氏分布（W e i b u 1 1 d i s t r 繪在機率紙上，並以將使用習知鋼的試料 N (上述B 5。高負荷滾動疲勞壽命）為1時的比 另外，在較習知嚴苛的使用環境中，仍可獲 勞壽命者，此比率值必須達1 〇以上。 結果，如表1所示。 具有本發明範圍内之化學組成，殘留雪明 舊7粒徑亦在本發明範圍内的試料N 〇. 9〜1 8 顯示出較習知鋼的試料N 〇. 1高出1 0倍以上 較習知嚴苛的使用環境中，將具有優異的滾 另外，在試料N 〇. 1 0中，將淬火時的加熱 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 並依序施行回 回火係施行從 的冷卻速度， 勞測試片係在 im以上之後， 22mm狀態。 方向切斷，對 液進行腐蝕， 留雪明碳體平 用徑向式滚動 力 5880MPa、 勞測試。將測 ibution)」描 ο. 1 平均壽命 率進行評估。 得更長滾動疲 碳體粒徑、及 及20〜25 ，均 的B 5。，得知在 動疲勞壽命。 溫度設為普通 13 1267556 溫度範圍以外的試料 Ν ο . 1 0 b、1 0 c，並無法獲得所需 留雪明碳體粒徑、及舊7粒徑，B5Q明顯偏低。 此外，具有本發明範圍外之化學組成的試料 Ν 〇. 2〜 B 5。，在相較於習知鋼的試料Ν ο · 1之下，均在同等級以 特別係C r量偏低的試料Ν 〇. 5中，殘留雪明碳體粒徑 過1 . 5 // m，而A 1量偏低的試料Ν 〇. 7中，舊τ粒徑將 3 0 // m，且B 5。將明顯偏低。 再者，即便化學屬成隸屬於本發明範圍内，殘留雪 體粒徑超過 1 . 5 // m的試料Ν 〇. 8、及殘留雪明碳體粒 滿0 . 0 5 // in的試料Ν ο · 1 9 ’雖顯不較習知鋼之試料Ν 〇 · 高的B 5 〇，但是比率值最高僅有3. 8程度，仍嫌不足。 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682 的殘 7之 下。 將超 超過 明碳 徑未 1為 14 1267556 312/#sisa_(®f+)/93-06/93110682 CO CH DO CO CO DO DO c>o CJD 5； I—1 s CO A h—* o H—i ◦ CO OO 05 on CO to Ι-~ι 試料No. g cn g 〇 o g CD g CO OO g ◦ CD OO to OO CO OO s s o CD CO CO CO OO QJ1 OO o ί Η® g 2 g CO CD g 〇 CO OO o CO OO o c CsD A g to cn to CO OO CO OO to OO ς〇 CO IND C\D cn CsD cn tND s CO IND on CO •CD cn CD OO cn g CD A <Z5 cn DO 〇 cr> 浴 cn> o 私 cn> ◦ A ΟΪ 〇> 03 〇 ◦ CD cn CD cn (T> CD A cr> CD Ul INO CJI 0. 44 A an po g »—i CO OO ISO fo DO CD ΓΟ s IND g CO § OO s DO g IND g GO on l—i CD KO o INO o ro g ro g g CO OO — CO OO CD g g g OO cn c 私 00 CD CO CO CD 私 CJl o 私 CD 〇 A cn o CJ1 o CJl o CD 〇 OD ◦ CJl 〇 CvD o CD o ① o A CJ1 〇> on CD CJI ◦ o ◦ OO ◦ § CO cn CO OO Ξ 0.045 0.031 0.032 0. 030 0.032 0.034 0.031 0.031 0.033 0.030 0.003 0.033 0.032 0.033 0. 033 0. 033 0. 033 0.033 ί 0.033 10.005 0. 031 0.031 0. 030 0.034 0.033 0. 0301 CZ) CD OO Η*1 g H—1 cn OO CD CO 0-Π 0. 48 0.035 0.193 § 0.0031 0. 0018 0. 0025 OO o I g 〇> o g ◦ OO g OO o CD C3 _ s CZ5 CO C=> § CD C3 CD cr> CD 球狀化溫 Ire 0.007 0. 008 0.004 0.006 0.006 0. 006 0.020 0. 005 I 0.008 0.008 0.008 1 i 0.009 0. 007 0.008 0. 005 0.005 I 0.005 0.007 0.006 0. 008 0.009 0.007 0.006 0.008 0.004 0.006 1冷卻 °C/s O OO s OO OO CD 〇 OO g OO g CD g CO § OO s OO g O OO g 〇〇 CJ5 o OO g 3 ◦ CD g OO g OO g OO g OO g OO g OO g OO 03 Q g OO g OO CD /TAWTJ 々w 熱溫度。c :¾ i- 0.17 •cr> 〇> DO OO CZ> OO •o OO <=> DO CZ> g 0.18 1 0.32 ·◦ OO un o s <p OO CD OO cn CD OO CJH h—^ cn o ·◦ CO en CD OO cn 3.00 o GO ·◦ OO 05 1.70 0.36 0. 34 o CO ·◦ 2 殘留Θ粒徑 ; //m 」 a Γ*5 蘇 一 〇l OD g CO DO DO OO g 〇 CO C5 20.5 GO 23.3 co CO 21.9 j 19.6 21.7 on OO 43.5 1 21.3 21.8 21.8 70.3 22.7 26.1 23.5 21.4 DO IND CO DO 产 OO 粒徑1 um * :d CO 产 CO 24.7 CO OO OO OO DO 20.2 — »k CO OO OO ·〇〇 OO CD 21.0 一 — 14.4 CD DO ·◦ A V—1 二 a^> GO OO O OO 11 CvD ◦ DO H-* CO CD OO CD CP — .命比 蹲 a 蹲 蹲 蹲 宣 比較例 緣 蹲 發明网 tr 涔 ¥ 1 比較例 rr 终 〇 b匕較例 t匕較例 七較例 〇 旨知例 如一

Claims (1)

1267556 拾、申請專利範圍： 1 . 一種具有優異的滾動疲勞壽命之鋼材，係由含有依質 量 ％ 計，C : 0 · 7 〜1 . 1 %、Si: 0 · 2 〜2 . 0 %、Μη: 0 . 4 〜2 · 5 %、C r : 1 . 6 〜4 · 0 %、Μ 〇 : 0 . 1 % 以上且未滿 0 · 5 % 及 A 1 ·· 0 · 0 1 0 〜0 · 0 5 0 %， 其餘為Fe與無法避免之雜質所構成，接受淬火回火處理， 且殘留雪明碳體粒徑為 0 . 0 5〜1 . 5 // m，舊沃斯田體粒徑在 3 0 // m以下。 2 .如申請專利範圍第1項之具有優異的滾動疲勞壽命之 鋼材，係更使含有由依質量°/◦計，N i : 0 . 5〜2 . 0 °/〇、V : 0 . 0 5 〜；L 0 0 %、N b : 0 . 0 0 5 〜0 · 5 0 %、S b : 0 · 0 0 1 0 〜0 . 0 0 5 0 % 組群 中，至少選擇1種的元素。 3 . —種具有優異的滾動疲勞壽命之鋼材的製造方法，係 包含有： 對由含有依質量％計，C : 0 . 7〜1 · 1 °/〇、S i : 0 . 2〜2 · 0 %、Μ η : 0 · 4 〜2 · 5 %、C r : 1 . 6 〜4 · 0 %、Μ 〇 : 0 · 1 % 以上且未滿 0 · 5 % 及 A 1 : 0 . 0 1 0〜0 . 0 5 0 %，其餘為F e與無法避免之雜質所構成鋼材， 施行加熱至 7 5 0〜8 5 0 °C之後，依0 . 0 1 5 °C / s以下的冷卻速 度，冷卻至7 0 0 °C以下之球狀化退火的步驟；以及 對經上述球狀化退火後的鋼材施行淬火回火處理的步 驟。 4.如申請專利範圍第3項之具有優異的滾動疲勞壽命之 鋼材的製造方法，係使用更使含有由依質量％計，N i : (K 5 〜2 · 0 %、V : 0 . 0 5 〜1 . 0 0 °/〇、N b : 0· 0 0 5 〜0 · 5 0 %、S b : 0 . 0 0 1 0〜0 . 0 0 5 0 %組群中，至少選擇1種元素的鋼材。 16 312/發明說明書(補件)/93-06/93110682