专利名称：滚动接触疲劳寿命特性优异的轴承钢、轴承用铸锭件以及它们的制造方法
技术领域：
本发明涉及适合作为汽车、风力发电(wind power)、输送机械、电气机械以及精密机械以及其他一般工业机械等中使用的轴承的素材的、具有优异的滚动接触疲劳寿命(rolling contact fatigue life)特性的轴承钢(bearing steel)及其制造方法。
背景技术：
作为这种轴承钢大多利用高碳铬钢(high carbon chromium steel:JIS G4805规格SUJ2)。通常，对于轴承钢而言，滚动接触疲劳寿命特性优异是重要的性质之一，而该滚动接触疲劳寿命因钢中的非金属夹杂物或共晶碳化物(eutectic carbide)而下降。在最近的研究中认为钢中的非金属夹杂物最影响滚动接触疲劳寿命的下降，进而一直在采取通过减少钢中氧含量来控制非金属夹杂物的量和大小，由此提高轴承寿命的对策。 例如，有专利文献I和2等的提案，它们是控制钢中的氧化物系非金属夹杂物的组成、形状或分布状态的技术，但为了制造非金属夹杂物少的轴承钢，需要高价的熔炼设备或者需要对现有设备进行大幅改造，存在经济负担大这样的问题。另外，专利文献3是通过控制碳的中心偏析率、钢中的氧含量以及硫含量来提高滚动接触疲劳寿命特性的技术，但是，如上所述，为了使氧含量进一步减少而制造非金属夹杂物更少的轴承钢，需要高价的熔炼设备或者需要对现有设备进行大幅度改造，存在经济负担大的问题。因此，不仅是减少钢中的非金属夹杂物，对减少钢中的共晶碳化物也开始受到关注。例如，高碳铬钢含有0.95质量％以上的C，非常硬质，钢的耐磨损性良好，但是铸片中心部产生的偏析(以下，简称为中心偏析)的程度高，而且铸片中会生成巨大的共晶碳化物，所以存在使滚动接触疲劳寿命下降的问题。因此，在铸片中央部冲孔作成废料，或者实施长时间的扩散处理(diffusion treatment:以下，简称为均热处理(soaking)),使它们充分消散后再使用。关于这样的偏析的问题，专利文献4中公开了如下方法:使其具有C:0.6 1.2质量％等特定成分组成，并且将在线状或棒状轧钢中的通过轴心的纵断面的中心线上的包括该纵断面的轴心且从该轴心线向一侧分别为D/8 (D:该纵断面的宽度)以内的中心区域上出现的厚度2 以上的碳化物的总断面积，相对于上述纵断面积控制为0.3%以下的方法。并且，该文献中定量地明确了巨大碳化物量对滚动接触疲劳寿命特性的影响，表明钢中残留有使滚动接触疲劳寿命下降的巨大共晶碳化物。专利文献5中公开了具有C:0.50 1.50质量％和Sb:0.0010 0.0150质量％
等特定的成分组成，且脱碳层的形成少、热处理生产率优异的轴承钢。该文献中以通过添加Sb来减少钢的脱碳层的形成，省略热处理后的切削或磨削工序，从而提高热处理生产率为目的，但Sb存在对人体有强毒性的嫌疑，所以其应用要求慎重。另外，如果添加Sb则Sb在中心偏析部浓化，使中心偏析恶化。在Sb浓化的部分发生局部的固化，所以与母材产生硬度差，有可能成为滚动接触疲劳破坏的起点，导致滚动接触疲劳寿命的下降。在此，为了消散高碳铬轴承钢的铸造时产生的中心偏析和该中心偏析部产生的巨大共晶碳化物，例如，专利文献6中公开了暂时对铸造件进行压延制成钢坯，对该钢坯进行均热处理的方法。然而，也存在如下问题点，S卩，均热处理时的钢中温度不均匀，所以当均热处理温度部分地达到超过固相线的温度时，局部地再次开始溶解，引起共晶反应，会生成更巨大的共晶碳化物。因此，根据轴承的用途，有时不使用上述高碳铬钢，而是使用低碳合金钢。例如，淬硬钢仅次于高碳铬钢广泛被使用。但是，淬硬钢中，为了使C量成为0.23质量％以下以便得到所需的淬硬性和机械强度，将添加适量的Mn、Cr、Mo以及Ni等，并从提高疲劳强度的观点出发，利用渗碳或渗碳氮化处理来使表面硬化。例如，专利文献7中公开了一种淬硬钢，所述淬硬钢具有C:0.10 0.35%等特定的化学组成，且通过使由 Q=34140 — 605 [%Si]+183 [%Mn]+136 [%Cr]+122 [%Mo]所定义的钢中的碳扩散的活化能控制为34000kcal以下，使得在短时间内能够进行渗碳。同样地，专利文献8中公开了关于滚动接触疲劳特性优异的渗碳件的技术，所述渗碳件具有C:0.1 0.45%等特定的化学组成，渗碳层的奥氏体晶粒度为7级以上，表面的碳含量为0.9 1.5%,表面的残余奥氏体量为25 40%。然而，存在如下问题，S卩，虽然通过进行上述渗碳或渗碳氮化而能使滚动接触疲劳寿命特性提高，但是导致制造成本的上升，或者因变形、尺寸变化大而使成品率下降，导致产品成本的上升。
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另外，也存在如下问题，即，根据轴承钢的用途而需要大断面(large section)化，因此需要对进行渗碳或渗碳氮化的设备进行大幅改造，经济负担大。专利文献1:日本特开平1-306542号公报专利文献2:日本特开平3-126839号公报专利文献3:日本特开平7-127643号公报专利文献4:日本专利第3007834号公报专利文献5:日本特开平5-271866号公报专利文献6:日本特开平3-75312号公报专利文献7:日本专利第4066903号公报专利文献8:日本专利第4050829号公报
发明内容
随着风力发电、输送机械、其他一般工业机械逐年大型化，它们中使用的轴承钢的进一步大断面化成为了当务之急。对于该轴承钢的大断面化而言，以往，通过用铸锭法(ingot casting)制造由连续铸造(continuous casting)制造的素材，由此来应对小断面到大断面，但由该铸锭法制造的钢(以下，称为铸锭件)中，在V形偏析(V-segregation)部、倒V形偏析(inverse V-segregation)部这样的偏析部上生成巨大的共晶碳化物的情况尤其成为问题。这是由于铸锭件与连续铸造件的情况相比偏析程度高，所以巨大的共晶碳化物的生成频度也高，因此，抑制共晶碳化物的生成变得尤为重要。因此，本发明的目的在于，提供一种对于利用连续铸造件，尤其是对利用铸锭件制造的轴承钢也能抑制上述偏析部中的共晶碳化物的生成的方法。本发明人等对解决上述课题的方法进行了深入研究，其结果发现，对于以往的轴承钢，将C、S1、Mn、Cr以及Al的添加量限定在特定的范围，并且，崭新地导入共晶碳化物生成指数(eutectic carbide formation index)和偏析度,将其值也限定在特定的范围是有利的。即，新发现了通过这些限定，从而能够避免特别是在铸锭件中成为问题的V形偏析部、倒V形偏析部上的巨大的共晶碳化物的生成，能够提供滚动接触疲劳寿命特性优异的轴承钢。即，本发明人等制作改变了 C、S1、Mn、Cr、Al以及Mo量，且改变了后述式(I)表示的共晶碳化物生成指数Ec以及由CM。(max)/CM。(ave)定义的Mo的偏析度(degree of Mosegregation:CMo (111￡1!￡)为Mo的强度值的最大值，CM。(ave)为Mo的强度值的平均值)的轴承钢，认真研究了其组织和滚动·接触疲劳寿命特性，结果发现即使是铸锭件，只要是成分组成、Ec值以及偏析度满足规定范围的钢，就能够得到钢中不存在共晶碳化物的钢，能够提高滚动接触疲劳寿命特性，从而完成了本发明。本发明的主要构成如下所述。1.一种轴承钢，其特征在于，成分组成为含有:C:0.56 质量 ％ 0.70 质量 ％，S1:0.15质量％以上且小于0.50质量％，Mn:0.60 质量 ％ 1.50 质量 ％,Cr:0.50 质量 ％ 1.10 质量 ％，Mo:0.05 质量 ％ 0.5 质量 ％,P:0.025 质量 ％ 以下，S:0.025 质量 ％ 以下，Al:0.005 质量 ％ 0.500 质量 ％，0:0.0015质量％以下，以及N:0.0030 质量 ％ 0.015 质量 ％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且，由下述式(I)定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0< Ec≤0.25，并且，由下述(2)式定义的偏析度为2.8以下；Ec= (- 0.07X [%Si]- 0.03X [%Mn]+0.04X [%Cr]- 0.36X [%Al]+0.79)-[%C]…(I)其中，[]为括号内的各成分的含量(质量％)CMo(fflax)/CMo(ave)≥2.8- (2)其中，CM。(max)为Mo的强度值(intensity value)的最大值，并且CM。(ave)为Mo的强度值的平均值。应予说明，如实施例1所示，各强度值是通过利用能够进行元素映射(elemental mapping)的分析装置对钢断面进行线分析而得的值。2.如上述I所述的轴承钢，其特征在于，在上述成分组成的基础上还含有选自
Cu:0.005 质量 % 0.5 质量 ％，和N1:0.005 质量 ％ 1.00 质量 ％中的I种或2种。3.如上述I或2所述的轴承钢，其特征在于，在上述成分组成的基础上还含有选自W:0.001 质量 ％ 0.5 质量 ％，Nb:0.001 质量 ％ 0.1 质量 ％，T1:0.001 质量 ％ 0.1 质量 ％，Zr:0.001质量％ 0.1质量％,以及V:0.002 质量 ％ 0.5 质量 ％中的I种或2种以上。4.如上述I 3中任一项所述的轴承钢，其特征在于，在上述成分组成的基础上还含有B:0.0002 质量 ％ 0.005 质量 ％。5.一种轴承钢的制造方法，其特征在于，将具有上述I 4中任一项所述的成分组成的轴承钢材在1150°C以上且小于1350°C的温度区域加热超过10小时。6.一种轴承用铸锭件，其特征在于，成分组成为含有C:0.56 质量 ％ 0.70 质量 ％，S1:0.15质量％以上且小于0.50质量％，Mn:0.60 质量 ％ 1.50 质量 ％,Cr:0.50 质量 ％ 1.10 质量 ％，Mo:0.05 质量 ％ 0.5 质量 ％,P:0.025 质量 ％ 以下，S:0.025 质量 ％ 以下，Al:0.005 质量 % 0.500 质量 %,0:0.0015质量％以下，以及N:0.0030 质量 ％ 0.015 质量 ％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且由下述式(I)定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0 < Ec 彡 0.25，并且，由下述(2)式定义的偏析度为2.8以下；Ec= (- 0.07X [%Si]- 0.03X [%Mn]+0.04X [%Cr]- 0.36X [%Al]+0.79)-[%C]…(I)其中，[]为括号内的各成分的含量(质量％)，CMo(fflax)/CMo(ave)^2.8- (2)其中，CM。(max)为Mo的强度值的最大值，并且CM。(ave)为Mo的强度值的平均值7.如上述6所述的轴承用铸锭件，其特征在于，在上述成分组成的基础上还含有选自Cu:0.005 质量 ％ 0.5 质量 ％，和N1:0.005 质量 ％ 1.00 质量 ％
中的I种或2种。8.如上述6或7所述的轴承用铸锭件，其特征在于，在上述成分组成的基础上还含有选自W:0.001 质量 ％ 0.5 质量 ％，Nb:0.001 质量 ％ 0.1 质量 ％，T1:0.001 质量 ％ 0.1 质量 ％，Zr:0.001质量％ 0.1质量％,以及V:0.002 质量 ％ 0.5 质量 ％中的1种或2种以上。9.如上述6 8中任一项所述的轴承用铸锭件，其特征在于，在上述成分组成的基础上还含有B:0.0002 质量 % 0.005 质量 ％。10.一种轴承用铸锭件的制造方法，其特征在于，将具有上述6 9中任一项所述的成分组成的轴承用铸锭件在1150°C以上且小于1350°C的温度区域加热超过10小时。根据本发明，能够稳定地制造具有远优于以往的轴承钢的耐滚动接触疲劳寿命特性的轴承钢。特别是 允许应用铸锭件，所以能够实现从小断面到大断面的轴承钢的制造，有助于风力发电机、输送机械、其他一般工业机械的大型化，可得到工业上有益的效果。
图1是以与Ec值的关系进行整理的滚动接触疲劳寿命评价结果的座标图。图2是以与偏析度(CM。(max)/CMo(ave))的关系进行整理的滚动接触疲劳寿命评价结果的图。图3是表示从方形锻造(square forging)后的钢片中采样微观组织(microstructure)观察用样本时的采样位置和被检测面尺寸的图。图4是表示从圆形锻造(circular forging)后的钢片中采样微观组织观察用样本时的采样位置和被检测面尺寸的图。图5是表示EPMA中的被检测面积的图。图6在EPMA中实施线分析的位置的图。图7是表示从方形锻造后的钢片中采样滚动接触疲劳寿命评价用样本时的采样位置和试验片尺寸的图。图8是表示从圆形锻造后的钢片中采样滚动接触疲劳寿命评价用样本时的采样位置和被检测面尺寸的图。图9是表示从方形锻造后的钢片中采样切削性评价用样本时的采样位置和试验片尺寸的图。图10是表示从圆形锻造后的钢片中采样切削性评价用样本时的采样位置和试验片尺寸的图。
具体实施例方式接着，对本发明的轴承钢进行详细说明。
首先，根据本发明的轴承钢中的成分组成的各成分含量的限定理由依次进行说明。C:0.56质量％ 0.70质量％
C是对提高钢的强度，提高钢的滚动接触疲劳寿命特性有效的元素，在本发明中含有0.56质量％以上。另一方面，如果含有超过0.70质量％，则在素材的铸造中生成巨大共晶碳化物，导致滚动接触疲劳寿命的下降。根据以上，使C量为0.56质量％ 0.70质量％。
Si:0.15质量％以上且小于0.50质量％
Si是作为脱氧剂，并且为了通过固溶强化来提高钢的强度，提高钢的耐滚动接触疲劳寿命特性而添加的元素，在本发明中添加0.15质量％以上。但是,0.50质量％以上的添加使钢的切削性(machinability by cutting)、锻造性劣化。另外，Si与钢中的氧结合而作为氧化物残留于钢中，导致滚动接触疲劳寿命特性的劣化。并且，在偏析部浓化时容易生成共晶碳化物。根据以上，使Si的上限小于0.50质量％。
Mn:0.60 质量 ％ 1.50 质量 ％
Mn是为了提高淬硬性、提高钢的强韧性、提高钢材的耐滚动接触疲劳寿命特性而添加的元素,在本发明中添加0.60质量％以上。但是，超过1.50质量％的添加使切削性下降。另外，在偏析部浓化时，容易生成共晶碳化物。根据以上，使Mn的上限为1.50质量％。
Cr:0.50 质量 ％ 1.10 质量 ％
Cr与Mn同样地是为了提高钢的强韧性、提高钢材的耐滚动接触疲劳寿命特性而添加的元素，在本发明中添加0.50质量％以上。但是，超过1.10质量％的添加使切削性下降，所以使Cr的上限为1.10质量％。
Mo:0.05 质量 ％ 0.5 质量 ％
Mo是提高淬硬性、回火后的强度，提高钢的滚动接触疲劳寿命特性的元素，添加0.05质量％以上。但是，超过0.5质量％的添加将在V形偏析、倒V形偏析或中心偏析部形成Mo的浓化层，使Mo的偏析度恶化，导致钢材的耐滚动接触疲劳寿命特性的下降，所以使Mo的上限为0.5质量％。
P:0.025 质量 ％ 以下
P是使钢的母材韧性、滚动接触疲劳寿命下降的有害元素，优选尽量减少。特别是如果P的含量超过0.025质量％，则母材韧性和滚动接触疲劳寿命的下降会变大。因此，使P为0.025质量％以下。优选为0.020质量％以下。应予说明，在工业上难以使P含量为0%，大多时含有0.002质量％以上。
S:0.025 质量 ％ 以下
S作为非金属夹杂物MnS存在于钢中。由于容易成为轴承钢的滚动接触疲劳的起点的氧化物，所以如果MnS大量存在于钢中，则导致滚动接触疲劳寿命的下降。因此，优选尽量减少，在本发明中设为0.025质量％以下。优选为0.020质量％以下。应予说明，在工业上难以使S含量为0%，大多时含有0.0001质量％以上。
Al:0.005 质量 ％ 0.500 质量 ％
Al是为了作为 脱氧剂且作为氮化物而生成，进而使奥氏体晶粒微细化、提高韧性和滚动接触疲劳寿命特性而添加的元素，需要添加0.005质量％以上。但是，如果超过0.500质量％地进行添加，则钢中将存在粗大的氧化物系夹杂物，导致钢的滚动接触疲劳寿命特性的下降。另外，在偏析部浓化时，容易生成共晶碳化物。根据以上，使Al含量的上限为0.500质量％。优选为0.450质量％以下。
O:0.0015 质量 ％ 以下
O与S1、Al结合而形成硬质的氧化物系非金属夹杂物，所以导致滚动接触疲劳寿命的下降。因此，O优选尽可能少，设为0.0015质量％以下。应予说明，在工业上难以使O含量为0%，大多时含有0.0003质量％以上。
N:0.0030 质量 ％ 0.015 质量 ％
N与Al结合而形成氮化物系非金属夹杂物，使奥氏体晶粒微细化，提高韧性和滚动接触疲劳寿命特性，所以添加0.0030质量％以上。但是，如果超过0.015质量％地进行添加，则钢中将会大量存在氮化物系夹杂物，会导致滚动接触疲劳寿命特性的下降。另外，在钢中将会大量存在未形成氮化物的N (游离N)，会导致韧性的下降，所以使N含量的上限为0.015质量％。优选为0.010质量％以下。
共晶碳化物生成指数Ec:0 < Ec ^ 0.25
本发明人等将具有各种成分组成的钢用真空熔炼炉熔炼，调查了得到的钢锭中有无共晶碳化物，关于其结果将参数(主要作用元素)的选择进行各种变更，进行回归计算的结果，得到了以下见解。即，作为能够抑制共晶碳化物的生成的钢组成，需要由下述式(I)定义的共晶碳化物指数Ec值满足O < Ec < 0.25。
Ec= (- 0.07X [%Si]- 0.03X [%Μη]+0.04X [%Cr]- 0.36X [%Al]+0.79)-[%C]…(I)
其中，[]为括号内的各成分的含量(质量％)
并且，本发明人等根据表I所示的成分组成和Ec值制作轴承钢，调查了滚动接触疲劳寿命特性。滚动接触疲劳寿命特性的调查是用与后述的实施例相同的试验方法实施的。
应予说明，为了调查有无共晶碳化物的生成、涉及滚动接触疲劳寿命特性的成分组成以及Ec值的影响，将轴承钢的制造条件设为相同。即，在转炉中熔炼后，用铸锭法形成1350mmX 1250mm断面(顶侧)、1280X830mm断面(底侧)的铸锭件(钢锭)，将得到的铸锭件锻造成550mm方形断面(s quare section),以1270°C实施48小时的均热处理处理。从锻造后的钢片中分别采样如图3所示的观察有无共晶碳化物的生成用试验片和EPMA映射(electron probe microanalyzer (ΕΡΜΑ)mapping analysis)用试验片以及如图 7 所不的滚动接触疲劳试验片，用后述 的试验法分别调查有无共晶碳化物的生成、偏析度(CM。(fflax)/Cmo (ave))以及滚动接触疲劳寿命特性。
在此，试验片分别从锻造后的钢片的相当于铸锭件的底侧的部分采样。并且，从锻造后的钢片中采样如图9所示的切削性评价用样本，用后述的试验法进行切削性的调查。
权利要求
1.一种轴承钢，其特征在于，成分组成为含有 C:0.56质量％ 0.70质量％， S1:0.15质量％以上且小于0.50质量％， Mn:0.60质量％ 1.50质量％， Cr:0.50质量％ 1.10质量％， Mo:0.05质量％ 0.5质量％， P:0.025质量％以下， S:0.025质量％以下，Al:0.005 质量 % 0.500 质量 ％， 0:0.0015质 量％以下，以及 N:0.0030 质量 ％ 0.015 质量 ％， 余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且由下述式(I)定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0 < Ec w 0.25, 并且，由下述(2)式定义的偏析度为2.8以下； Ec= (― 0.07X [%Si] — 0.03X [%Mn] +0.04X [%Cr] — 0.36X [%A1] +0.79)—[%C]…(I) 其中，[]为括号内的各成分以质量％计的含量， Mo (max)/Cm。(ave) ^ 2.8 (2) 其中，CM。(max)为Mo的强度值的最大值，CM。为Mo的强度值的平均值。
2.根据权利要求1所述的轴承钢，其特征在于，在所述成分组成的基础上还含有选自 Cu:0.005质量% 0.5质量％，和 N1:0.005质量％ 1.00质量％ 中的I种或2种。
3.根据权利要求1或2所述的轴承钢，其特征在于，在所述成分组成的基础上还含有选白 W:0.001质量％ 0.5质量％， Nb:0.001质量% 0.1质量％， T1:0.001质量％ 0.1质量％， Zr:0.001质量％ 0.1质量％，以及 V:0.002质量％ 0.5质量％ 中的I种或2种以上。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的轴承钢，其特征在于，在所述成分组成的基础上还含有B:0.0002 质量 % 0.005 质量 ％。
5.一种轴承钢的制造方法，其特征在于，将具有权利要求1 4中任一项所述的成分组成的轴承钢材在1150°C以上且小于1350°C的温度区域加热超过10小时。
6.一种轴承用铸锭件，其特征在于，成分组成为含有 C:0.56质量％ 0.70质量％，S1:0.15质量％以上且小于0.50质量％， Mn:0.60质量％ 1.50质量％， Cr:0.50质量％ 1.10质量％， Mo:0.05质量％ 0.5质量％， P:0.025质量％以下， S:0.025质量％以下，Al:0.005 质量 % 0.500 质量 ％， 0:0.0015质量％以下，以及 N:0.0030 质量 ％ 0.015 质量 ％， 余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且由下述式(I)定义的共晶碳化物生成指数Ec满足0< Ec ≤0.25, 并且由下述(2)式定义的偏析度为2.8以下； Ec= (― 0.07X [%Si] — 0.03X [%Mn] +0.04X [%Cr] — 0.36X [%A1] +0.79)—[%C]…(I) 其中，[]为括号内的各成分以质量％计的含量， Mo (max)/Cm。(ave) ^ 2.8 (2) 其中，CM。(max)为Mo的强度值的最大值，CM。为Mo的强度值的平均值。
7.根据权利要求6所述的轴承用铸锭件，其特征在于，在所述成分组成的基础上还含有选自 Cu:0.005质量% 0.5质量％，和 N1:0.005质量％ 1.00质量％ 中的I种或2种。
8.根据权利要求6或7所述的轴承用铸锭件，其特征在于，在所述成分组成的基础上还含有选自 W:0.001质量％ 0.5质量％， Nb:0.001质量％ 0.1质量％， T1:0.001质量％ 0.1质量％， Zr:0.001质量％ 0.1质量％，以及 V:0.002质量％ 0.5质量％ 中的I种或2种以上。
9.根据权利要求6 8中任一项所述的轴承用铸锭件，其特征在于，在所述成分组成的基础上还含有B:0.0002 质量 % 0.005 质量 ％。
10.一种轴承用铸锭件的制造方法，其特征在于，将具有权利要求6 9中任一项所述的成分组成的轴承用铸锭件在1150°C以上且小于1350°C的温度区域加热超过10小时。
全文摘要
本发明的成分组成为含有C0.56质量%～0.70质量%、Si0.15质量%以上且小于0.50质量%、Mn0.60质量%～1.50质量%、Cr0.50质量%～1.10质量%、Mo0.05质量%～0.5质量%、P0.025质量%以下、S0.025质量%以下、Al0.005质量%～0.500质量%、O0.0015质量%以下以及N0.0030质量%～0.015质量%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，并且，共晶碳化物生成指数Ec满足0＜Ec≤0.25且Mo的偏析度满足2.8以下。
文档编号C21D9/00GK103168112SQ201180041620
公开日2013年6月19日 申请日期2011年5月24日 优先权日2010年8月31日
发明者本庄稔, 长谷和邦, 木村达己, 三田尾真司 申请人:杰富意钢铁株式会社, Ntn株式会社