專利名稱：球化退火后的加工性優異且淬火回火后的耐氫疲勞特性優異的軸承鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種球化退火后的加工性優異且淬火回火后的耐氫疲勞特性優異的軸承鋼，其能夠抑制在汽車、風車以及產業機械等的通用軸承鋼(JIS-SUJ2)制軸承中成為問題的、源自氫引起的白色組織的軸承損傷，并且抑制合金添加量而使坯料的加工性向JIS-SUJ2 看齊。
背景技術：
軸承是要求優異的滾動疲勞壽命的部件，而近年在汽車、風車以及產業機械等的通用軸承鋼(JIS-SUJ2)制的軸承中滾動疲勞壽命低已成為問題。因此，一直以來在進行有關提高滾動疲勞壽命的各種研究。另外，作為軸承部件可舉出汽車交流發電機用軸承等。
已知決定軸承的滾動疲勞壽命的滾動疲勞破損現象是在軸承滾動接觸部正下方生成被稱為白色組織的組織變化，在軸承發生龜裂并發展，從而引起的。
在此，白色組織被分為如下三種:
(I)相對于滾動接觸部不具有特定的方位關系，不規則地生成的白色組織(以下也稱為WEA)；
(2)在非金屬夾雜物的周邊以45°方向生成的白色組織(蝴蝶(Butterfly))；
(3)相對于滾動接觸部具有約80°和約30°的方位關系的白色組織(白亮帶(White band))ο
尤其是生成WEA時，將會在比預想的軸承壽命更短的時間內發生疲勞破損，因此其屬于最需要對策的白色組織。
如專利文獻I 所述，WEA的發生機理認為是軸承中所使用的潤滑油或侵入到軸承的水因摩擦化學反應發生分解而生成氫，其向鋼中侵入、蓄積而被促進的。
作為抑制這樣的WEA的生成的方法，例如專利文獻2中提出了提高Cr以及N的添加量來增加殘余奧氏體量的方法，在專利文獻3中提出了添加Ni或同時添加Ni和Mo的方法。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本特開號公報
專利文獻2:日本特開號公報
專利文獻3:日本特開2002-60904號公報發明內容
另一方面，制造軸承時，需要對軸承鋼的坯料進行切削加工等，所以對軸承鋼要求抑制WEA的生成的同時具有優異的球化退火后的切削加工等的加工性。
然而，上述的專利文獻I 3中，關于對軸承鋼的切削等的加工性完全沒有考慮或者僅給予了通常程度的考慮。
本發明是鑒于上述的現狀進行的，目的在于提供一種球化退火后的加工性優異且淬火回火后的耐氫疲勞特性優異的軸承鋼，其在從潤滑油等侵入氫的環境下也能有效地抑制WEA的生成，提高滾動疲勞壽命，而且坯料的切削性、鍛造性等加工性也良好。
發明人等為了開發出維持與通用鋼JIS-SUJ2同等的切削性且耐氫疲勞特性比JIS-SUJ2還良好的鋼材，進行了深入的研究。
應予說明，以下的說明中，表示鋼中的元素的含量的表述僅為％時，均指質量％。
首先，對于改變S1、Cr、Mo量的鋼，調查了充氫后的滾動疲勞壽命B1(l。基礎鋼為0.9% C - 1% Mn - 0.016% P — 0.008% S — 0.025% Al — 0.003% N — 0.0015% O。
并且，為了進行比較，對相當于通用鋼113-5叩2的鋼(1.05% C - 0.25% S1-0.45% Mn - 0.016% P — 0.008% S — 0.025% Al — 1.45% Cr — 0.003% N — 0.0010%0)，也調查了滾動疲勞壽命81(|。在此，試驗片的制作條件以及滾動疲勞試驗條件如同后述的實施例所記載。
對于各鋼，將得到的滾動疲勞壽命Bltl除以相當于JIS-SUJ2的鋼的滾動疲勞壽命B10的值，評價相對于通用鋼的壽命提高度(Bltl壽命比=B10壽命/相當于JIS-SUJ2的鋼的B10壽命)。
圖1中示出以Si含量為橫軸、以Bltl壽命比為縱軸進行整理的結果。
由該圖可知，Cr含量為1.8%以上且將Mo含有0.15%的鋼中，當Si含量為0.3%以上時，Bltl壽命比提高到4倍以上。相對于此，Cr含量為1.7%時，即使將Mo添加0.15%且使Si為0.3%以上，也幾 乎確認不到Bltl壽命的提高。另外，即使Cr含量為1.8%以上，在Mo含量為O %的鋼中將Si添加0.3%以上也不能確認到Bltl壽命的提高。
另外，觀察達到滾動疲勞壽命的試驗片的剝離部分的組織的結果，在剝離的部分上觀察到了 WEA，明確了剝離均以WEA為起因。
由以上可知，通過使Cr含1.8%以上，使Si含0.3%以上，使Mo含0.15%以上，能夠推遲WEA的發生，可提高滾動疲勞壽命。
接著，對進行了上述滾動疲勞壽命的調查的鋼，分別進行了通過外周旋削試驗的切削性的調查。試驗條件的詳細如同后述的實施例，測定刀具的后刀面磨損量成為0.2mm為止的時間(以下稱為刀具壽命)。該時間長則方可判斷為切削性良好。并且，通過將各種鋼的所得到的刀具壽命除以相當于JIS-SUJ2的鋼的刀具壽命的值，評價相對于通用鋼的刀具壽命的提高度(刀具壽命比=刀具壽命/相當于JIS-SUJ2的鋼的刀具壽命)。
圖2中示出以Si含量為橫軸、以刀具壽命比為縱軸進行整理的結果。
如圖2所示，滾動疲勞壽命Bltl呈高值的1.8 % Cr — 0.15 % Mo鋼、以及2.5 % Cr —0.15% Mo鋼，在Si含量超過0.8%時，刀具壽命急劇下降。另外，2.7% Cr — 0.15% Mo鋼不論Si含量如何，刀具壽命呈低值。
由以上可知，在含Mo的鋼中，通過使Cr含量為2.5%以下且Si含量為0.8%以下，能夠確保與通用鋼JIS-SUJ2相同的切削性。
在此基礎上，發明人等得到了以下見解:通過對調整S1、Cr、Mo的量而提高了滾動疲勞壽命的鋼，進一步添加Sb，則可在維持切削性的狀態下能使滾動疲勞壽命進一步提高。
下面說明得到上述見解的試驗。
圖3、圖 4 是將基礎鋼設為 0.9 % C-1 % Mn-0.016 % P-0.008 % S-0.025 %A1-0.003% N-0.0015% 0-0.0016% Sb，如同圖1、圖 2，進行了調整 S1、Cr、Mo 的量的試驗的結果。即，以Si含量與Bltl壽命比的關系以及Si含量與刀具壽命比的關系整理了結果的坐標圖。
如圖3所示，可知將Cr添加1.8 %以上、將Si添加0.3 %以上以及將Mo添加0.15%以上，而且使Sb含0.0016%時，能推遲WEA的發生，提高滾動疲勞壽命。
另外，如圖4所示，可知在含有Mo的鋼中，將Cr含量設為2.5 %以下、將Si含量設為0.8%以下，而且進一步含有Sb時，能確保與通用鋼JIS-SUJ2相同的切削性。在此，可知將Cr設為1.8%以上、將Si設為0.3%以上、將Mo設為0.15%以上時的Bltl壽命的提高幅度，與未添加Sb的情況相比，添加了 Sb的情況時顯著高。
本發明是在以上的見解上進一步結合對可確保切削性的Mo含量、混入氫時的滾動疲勞壽命、與切削性相關的其他成分元素的影響的調查結果而完成的。
即，本發明的要旨構成如下所述。
1.一種軸承鋼，以質量％計含有C:0.85 1.10%,Si:0.30 0.80%,Mn:0.90 2.00%, P:0.025% 以下、S:0.02% 以下、Al:0.05% 以下、Cr:1.8 2.5%、Mo:0.15 0.4%,N:0.0080%以下以及O:0.0020%以下，并且，還含有Sb:大于0.0015%且小于等于0.0050%，剩余部分由Fe和不可避免的雜質構成。
2.如上述I所述的軸承鋼，其中，上述鋼組成以質量％計還含有選自T1:0.01 %以下、N1:0.10%以下、Cu:0.10%以下以及B:0.0010%以下中的I種或2種以上。
根據本發明，可得到不僅切削等的加工性優異，而且耐氫疲勞特性與以往的軸承鋼相比顯著優異的軸承用鋼，其結果，有助于軸承的滾動疲勞壽命的提高，在產業上帶來有益的效果。


圖1是表示S1、Cr、Mo量對滾動疲勞壽命Bltl的影響的坐標圖。
圖2是表示S1、Cr、Mo量對刀具壽命的影響的坐標圖。
圖3是表示添加Sb時的、S1、Cr、Mo量對滾動疲勞壽命Bltl的影響的坐標圖。
圖4是表示添加Sb時的、S1、Cr、Mo量對刀具壽命的影響的坐標圖。
具體實施方式
下面，對將本發明的軸承鋼的成分組成的含量的限定理由進行說明。并且，在以下的說明中，各元素的含量(％)表示質量％。
C:0.85 1.10%
C是確保淬火回火后的硬度、使軸承的滾動疲勞壽命確保在高水平所必需的元素，因此需要含有0.85%以上。另一方面，C含量超過1.10%則殘留粗大的碳化物，導致滾動疲勞壽命的下降。因此，將C含量設為0.85 1.10%的范圍。
S1:0.30 0.80%
Si在本發明中在提高耐氫疲勞特性方面是特別重要的元素，是對確保混入氫的情況下的滾動疲勞壽命特別重要的元素。如上所述，Si不足0.30%時不能顯現上述的效果。另一方面，如上所述，Si含量超過0.80%則切削性變差。因此，將Si含量設為0.30 0.80%的范圍。更優選的下限為0.40%。
Mn:0.90 2.00%
Mn是確保淬火回火后的硬度、將軸承的滾動疲勞壽命確保在高水平所必需的元素，因此需要含有0.90%以上。另一方面，Mn含量超過2.00%則切削性變差。因此，將Mn含量設為0.90 2.00%，優選設為0.90 1.35%的范圍。也可以設為0.90 1.15%的范圍。
P:0.025% 以下
P在奧氏體的晶粒間界上進行偏析，降低晶粒間界強度，從而助長淬火時發生淬火開裂。因此，優選盡量減少其含量，但0.025%以下則可容許。另外，優選為0.020%以下。工業上P以超過O %的量被含有，但若可能則優選O %。
S:0.02% 以下
S是為了在鋼中形成MnS，提高切削性而添加的元素，但超過0.02%地添加則將成為滾動時的破損的起點，降低滾動疲勞強度，所以添加0.02%以下。優選0.01%以下。只要在S:0.0003%以上就能夠得到由形 成MnS帶來的上述效果。
Al:0.05% 以下
Al是對脫氧有效的用于低氧化的有用元素，但鋼中存在的Al氧化物會降低滾動疲勞特性，所以本發明中添加0.05%以下。脫氧后殘留的Al量最小可抑制到0.004%左右。
Cr:1.8 2.5%
Cr是對抑制白色組織(WEA)的生成有效的元素，本發明中是重要的元素。這是因為如同上述當添加量不足1.8%時，通過抑制氫氣氛下的白色組織的生成而獲得的滾動疲勞壽命的提高效果將變不足，另一方面，超過2.5%地添加則不僅成本提高，還會使切削性顯著變差。因此，將Cr添加量的范圍設為1.8 2.5%。
Mo:0.15 0.4%
Mo是對抑制白色組織(WEA)的生成有效的元素，本發明中是重要的元素。當添加量不足0.15%時,氫氣氛下的滾動疲勞壽命提高效果將變不足,另一方面,超過0.4%地添加則不僅成本提高，還會使切削性顯著變差。因此，將Mo添加量的范圍設為0.15 0.4%。
Sb:大于 0.0015%且小于等于 0.0050%
Sb是成為氫的捕捉位(trap site)，對抑制白色組織的生成有效的元素。Sb添加量為0.0015%以下時，該添加效果不足，所以，需要添加大于0.0015%。另一方面，即使添加大于0.0050%的Sb，該效果也已飽和。因此，將Sb的添加量設為大于0.0015%且小于等于 0.0050% ο
N:0.0080% 以下
N具有與Al、Ti形成氮化物或碳氮化物，在為了淬火而進行加熱時抑制奧氏體的生長的效果，另一方面，粗大的氮化物、碳氮化物將會引起滾動疲勞壽命的下降，因此，本發明中抑制為0.0080%以下。優選0.0060%以下。只要N:0.0015%以上就能夠得到因形成氮化物、碳氮化物的而引起的上述效果。
O:0.0020% 以下
O作為硬質的氧化物系非金屬夾雜物存在，O量的增大將使氧化物系非金屬夾雜物的尺寸粗大化。這些粗大化夾雜物特別是對滾動疲勞特性有害，所以優選盡量減少，因此至少需要將O量減少至0.0020%以下。優選減少至0.0010%以下。工業上O將以超過0%的量被含有，但若可能則優選設為0%。
以上對基本成分進行了說明，但除此以外本發明中還可以適宜添加以下所示的各成分中的I種或2種以上。
T1:0.01% 以下
Ti通過與鋼中的N結合而成為TiN，從而在奧氏體區域發揮釘扎效應，具有抑制晶粒生長的效果，所以優選進行添加。但大量添加則因TiN大量析出而降低滾動疲勞壽命，所以將添加量控制為0.01%以下。為了得到上述效果，優選添加0.003%以上的Ti。
N1:0.10% 以下
Ni是提高淬火性的元素，所以調整淬火性時可使用。然而，Ni是高價元素，添加量過多則鋼材價格變高，因此，添加0.10%以下。為了得到上述效果，優選添加0.03%以上的Ni。
Cu:0.10% 以下
Cu是提高淬火性的元素，所以可以添加。但超過0.10%則有可能阻礙熱加工性，所以添加0.10%以下。為了得到上述效果，優選添加0.03%以上。
B:0.0010% 以下
B具有提高淬火性的效果，所以調整淬火性時可使用。然而，即使超過0.0010%地添加，其效果也已飽和，所以添加0.0010 %以下。為了得到上述效果，優選添加0.0003 %以上。
另外，上述成分以外的剩余部分為在制造工序中混入的不可避免的雜質和Fe。
以上說明的成分組成的軸承鋼，可使用公知方法來制造。
S卩，使用轉爐、脫氣設備等熔煉方法進行熔煉后，進行鑄造而得到鑄片，將該鑄片經由擴散退火、軋制或鍛造成型工序，制成規定尺寸的鋼材。對該鋼材實施以往公知的球化退火，制成軸承部件加工用坯料。其后，經過切削加工、鍛造加工等的加工工序，成為本發明的軸承鋼。
另外，若例示特別優選的制造條件則如下所述。
球化退火優選的是實施在750 820°C下保持4 16小時左右，以8 20°C /h左右緩冷至650°C左右的處理。球化退火后的加工用坯料的組織優選包含鐵素體以及球狀滲碳體，維氏硬度優選為180 250左右。
將上述加工坯料加工成軸承部件的形狀后，進行淬火和回火，成為軸承部件。并且，可根據需要，在淬火回火后加工成最終精度的部件形狀。
淬火優選的 是在800 950°C保持15 120分鐘左右后，實施油淬火、水淬火等急冷處理。回火處理優選的是在150 250°C、30 180分鐘左右的條件下進行。淬火回火后的軸承用鋼(軸承部件)優選到達內部為止含有回火馬氏體且以面積率計含有90%左右以上。并且，維氏硬度優選為700 800左右。
實施例
將表I和表2所示的成分組成(剩余部分為Fe和不可避免的雜質)的鋼錠(100kg)進行真空熔煉，進行1250°C、30小時的擴散退火后，鍛造成直徑:60mm的圓棒。接著，進行990°C、2小時的正火后，在785°C保持10小時，以15°C / h進行緩冷，由此實施了球化退火。
從球化退火后的鋼粗加工出直徑:60mm、厚:5.5mm的疲勞試驗片。將得到的粗加工試驗片在840°C保持30分鐘后進行油淬火，進一步進行180°C、2小時的回火。將回火后的粗加工試驗片精加工為直徑:60mm、厚:5.0mm的試驗片。對精加工后的試驗片進行了充氫。充氫是通過在50°C的20%硫氰化銨(NH4SCN)水溶液中保持24小時而進行的。該條件下，對通用鋼JIS-SUJ2 (表I中的N0.1鋼)，通過升溫式氫分析測定600°C為止的氫量，從而確認了鋼中已侵入有0.5質量ppm的氫。
對得到的試驗片，使用推力型滾動疲勞試驗機，在上述的充氫后的30分鐘以內實施試驗，進行了模擬氫環境下的使用的滾動疲勞試驗。該滾動疲勞試驗是在赫茲應力:3.8GPa、應力負載速度:3600cpm、透平油(FBK turbine68、JX Nippon Oil&EnergyCorporation制)潤滑(室溫)的條件下實施的。對各鋼種類，每個進行10次的試驗，實施利用威布爾圖的整理，求出了累積破損概率成為10%的Bltl壽命。
對于各鋼，將得到的滾動疲勞壽命Bltl除以相當于JIS-SUJ2的鋼的滾動疲勞壽命B10的值，評價相對于通用鋼的壽命的提高度(Bltl壽命比=B10壽命/相當于JIS-SUJ2的鋼的Bltl壽命)。
接著，對于球化退火后的各鋼，進行求出刀具壽命的試驗(外周旋削試驗)。試驗條件如下:
切削速度:120m/min (無潤滑劑)、
移動:0.2mm/ rev、
切割深度:1.0mm、
刀具材料種類:相當于超硬P10。
在上述的切削條件下，將刀具的后刀面磨損量成為0.2mm為止的時間作為刀具壽命進行了調查。對各鋼，將得到的刀具壽命除以相當于JIS-SUJ2的鋼的刀具壽命的值，求出相對于通用鋼的刀具壽命的提高度(刀具壽命比=刀具壽命/相當于JIS-SUJ2的鋼的刀具壽命)，進行評價。
將得到的結果分別示于表I和表2。
權利要求
1.一種軸承鋼，以質量％計含有C:0.85 1.10%、S1:0.30 0.80%、Mn:0.90 2.00%, P:0.025% 以下、S:0.02% 以下、Al:0.05% 以下、Cr:1.8 2.5%、Mo:0.15 0.4%,N:0.0080%以下以及O:0.0020%以下，并且，還含有Sb:大于0.0015%且小于等于0.0050%，剩余部分由Fe和不可避免的雜質構成。
2.如權利要求1所述的軸承鋼，其中，所述鋼組成以質量％計還含有選自T1:0.01%以下、N1:0.10%以下、Cu:0.10%以下以 及B:0.0010%以下中的I種或2種以上。
全文摘要
本發明提供一種球化退火后的加工性優異且淬火回火后的耐氫疲勞特性優異的軸承鋼，其通過將鋼組成設成以質量％計含有C0.85～1.10％、Si0.30～0.80％、Mn0.90～2.00％、P0.025％以下、S0.02％以下、Al0.05％以下、Cr1.8～2.5％、Mo0.15～0.4％、N0.0080％以下以及O0.0020％以下，并且，還含有Sb:大于0.0015％且小于等于0.0050％，剩余部分由Fe和不可避免的雜質構成，從而在氫侵入的環境下也能有效地抑制WEA的生成，提高滾動疲勞壽命，而且還一并改善了坯料的切削性、鍛造性等加工性。
文檔編號C22C38/60GK103189536SQ20118005267
公開日2013年7月3日 申請日期2011年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者平井康正, 上井清史 申請人:杰富意鋼鐵株式會社