亚共析轴承合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明广义上涉及合金领域，涉及淬透钢的轴承钢组合物（bearing steel composition)，其中碳含量小于或基本等于其共析点时的碳含量。
【背景技术】
[0002] 轴承是在两个部件之间允许限制性相对运行的装置。滚动元件轴承包括内部或外 部滚道（raceway)和若干个设置在其间的滚动元件（滚球或滚子）。为了长期的可靠性和 性能，重要的是若干个元件对滚动疲劳、磨损和蠕变有耐受性。轴承钢的重要特性是淬透 性，即在使合金经历热处理过程后，使合金硬化所达的最大深度。
[0003] 轴承钢类型的一个实例是DIN I. 3536(100CrMo7-3(W5))。然而，仍有改进的空间。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于定义上述类型的钢合金组合物，其中抑制在奥氏体相区域中的 渗碳体相，有利于更希望和更稳定的富Cr碳化物、例如M 7C3，其中M是（Cr, Fe, Mo, Μη)。在 本发明中，相比于常规的M3C(渗碳体，或合金渗碳体），化学计量的M7C 3赋予了抑制奥氏体 晶粒过度生长的优势。另外，化学计量的M7C3在由所述钢合金制造的淬透轴承构件中导致 更好的机械性质和对滚动接触疲劳的改进的耐受性。
[0005] 通过包含以下组分的合金实现了上述目的：
[0006] 0· 6~0· 9重量％的碳，
[0007] 0· 1~0· 5重量％的硅，
[0008] 0· 1~1. 5重量％的锰，
[0009] 1. 5~2. 0重量％的铬，
[0010] 0· 2~0· 6重量％的钥，
[0011] 0~0.25重量％的镍，
[0012] 0~0.3重量％的铜，
[0013] 0~0.2重量％的钒，
[0014] 0~0.2重量％的钴，
[0015] 0~0.2重量％的铝，
[0016] 0~0.1重量％的铌，
[0017] 0~0.2重量％的钽，
[0018] 0~0.05重量％的磷，
[0019] 0~0.03重量％的硫，
[0020] 0~0· 075重量％的锡，
[0021] 0~0· 075重量％的锑，
[0022] 0~0· 075重量％的砷，
[0023] 0~0.01重量％的铅，
[0024] 最大 350ppm 的氮，
[0025] 最大 IOOppm 的氧，
[0026] 最大50ppm的钙，
[0027] 最大50ppm的硼，
[0028] 最大50ppm的钛，
[0029] 余量铁以及任何其它不可避免的杂质，其中所述合金包含重量比例为0. 4 < Mo/ Si彡6. 0的钥和硅和重量比例为0. 1彡Mo/Cr彡0. 4的钥和铬。
[0030] 现在将进一步描述本发明。在以下段落中更加详细地定义了本发明的不同方面。 所定义的每个方面可以和其它任何一个或若干个方面相结合，除非明确给出相反的说明。 特别地，指明为优选的或有利的任何特征可以和指明为优选的或有利的其它任何一个或若 干个特征相结合。
[0031] 在本发明中，钢合金组合物包含0. 6~0. 9重量％的碳、优选0. 7~0. 8重量％ 的碳、更优选〇. 72~0. 78重量％的碳。和其它合金元素相结合，这导致了所需的显微结 构。亚共析轴承钢的相对低的碳含量影响钢的淬透性，并可能限制钢在具有中等壁厚的构 件（例如轴承套圈）的应用性。为了绕开所述可能的问题，使钢合金的锰含量和钥含量接 近于在上述DIN 1.3536钢中对这些元素通常规定的范围的上限。
[0032] 钢组合物包含1. 5~2重量％的铬。除对淬透性具有积极影响外，在热力学计算 期间发现铬含量极大地影响在硬化期间能够得到的碳化物的类型，因为若浓度过低，就稳 定了不想要的渗碳体相。因此，合金包含至少1.5重量％的铬。另一方面，必须限制铬含量 以例如在硬化期间在奥氏体相中固溶体中保证足够的碳。为了使奥氏体在较低的温度下转 化成足够硬的结构（从57HRC至63HRC)，它必须具有足够的溶解性碳和氮。因此，钢合金包 含最大2. 0重量％的铬。钢组合物优选包含1. 5~1. 8重量％的铬，更优选1. 6~1. 7重 量％的铬。
[0033] 钢组合物包含0. 2~0. 6重量％的钥，优选0. 3~0. 5重量％的钥，更优选0. 3~ 0.4重量％的钥。钥可以起到避免晶界脆化的作用。然而，更高的钥含量可能导致大量的奥 氏体保留在结构中。
[0034] 在0. 1和0. 4之间的Mo/Cr比例增强了富Cr碳化物的热力学稳定性。更优选地， Mo/Cr比例位于0. 15和0. 3之间。
[0035] 钢合金组合物包含0. 1~0.5重量％的硅，优选0. 1~0.4重量％的硅，更优选 0. 2~0. 3重量％的硅。和其它合金元素相结合，这形成了所需的显微结构，其具有最小含 量的所保留的奥氏体含量。硅有助于抑制渗碳体的沉淀和碳化物的形成。然而，过高的碳 含量可能导致不希望的表面氧化物和差的表面光洁度。鉴于这个原因，最大的硅含量为〇. 5 重量％。具有高娃含量的钢因该元素的抑制碳化物（carbide-suppressing)的特性而倾向 于在其经硬化的结构中保留更多的奥氏体。因此，可降低钢的硅浓度以减少所保留的奥氏 体含量。
[0036] 在0. 4和6. 0之间的Mo/Si比例有助于保证在钢固化期间偏析减少。更优选，Mo/ Si比例在0.5和3.0之间。
[0037] 钢合金组合物包含0. 1~1. 5重量％的猛，优选0. 1~1. 0重量％的猛，更优选 0. 5~1. 0重量％的锰，还更优选0. 7~0. 9重量％的锰。相对于铁素体，锰起到增加奥氏 体稳定性的作用。锰也可以起到改进淬透性的作用。
[0038] 由于钢碳含量较少，在硬化期间保留的碳化物的总百分比通常较小，这具有在制 造中实施较低的硬化温度的优势，同时明显地成本节省。另一方面，在奥氏体化期间所保留 的碳化物越少，对机械性质和疲劳有害的奥氏体晶粒生长的风险越高。
[0039] 为了阻止在硬化期间任何可能的过度奥氏体晶粒生长，认为有利的是，加入微合 金添加剂和氮使得形成小的、非常细的沉淀物，其钉住（Pin)原先的奥氏体晶界。为了这一 目的，可以加入元素 V、Ta、Nb和N以形成MX[M : (V，Cr, Nb/Ta，Fe) ;X :主要是N以及一些C]。
[0040] 因此，在一些实施方式中，加入氮使得钢包含50~350ppm的氮，优选100~ 350ppm的氮。在其它实施方式中，没有刻意加入氮。但是，由于暴露于环境中，合金必然仍 可以包含至少50ppm的氮。
[0041] 优选地，钢合金包含外加的氮，进一步包含以如下重量百分比计的下列合金元素 中的一种或多种：最大0.2重量％的钒；最大0. 1重量％的铌；和最大0.2重量％的钽。
[0042] 当钢合金包含钒和铌时，这些合金元素优选以2. 0彡V/Nb彡6. 0的重量比例存 在。该比例保证了富V沉淀物的良好热力学稳定性并使它们的细化（refinement)增强。优 选地，V/Nb比例在3. 0和5. 0之间。
[0043] 当钢合金包含钒和钽时，这些合金元素优选以I. 0 < V/Ta < 12. 0的重量比例存 在。该比例保证了富V沉淀物的良好热力学稳定性并使它们的细化增强。优选地，V/Ta比 例在1.5和4.0之间。
[0044] 铌和钽在富钒和富氮沉淀物中的刻意溶解是有利的，因为这使它们更加稳定。所 述富钥;和富氮沉淀物甚至比M7C3更加稳定。
[0045] 在本工作中，已经发现富钒和富氮沉淀物显著地改进了最终轴承钢结构的强度和 硬度，这导致对滚动接触疲劳更好的耐受性。
[0046] 在包含钒和外加氮的钢合金的实例中，富钒和富氮沉淀物的形成优于钒碳化物的 形成，因为前者热力学上更加稳定。对于给定分数的钒碳化物和钒氮化物，钒氮化物倾向于 更小、更稳定并由此在钉住原先的奥氏体晶界方面更有效。富钒和富氮沉淀物还更加有助 于强化轴承钢结构。
[0047] 优选地，钢合金包含不超过0. 1重量％的铝。更优选地，钢合金不含铝，特别是当 钢合金包含微合金元素（V和/或Nb和/或Ta)中的一种或多种。存在铝是不希望的，因 为铝氮化物的形成能够导致氮的损失。然而，当存在少量铝是不可避免时，合金适当地包含 重量比例为〇. 014彡A1/N彡0. 6、优选0. 014彡A1/N彡0. 1的铝和氮。该比例保证不是全 部氮和铝结合，剩下一些可用于得到例如富V沉淀物的氮，由此细化（refining)和稳定它 们。
[0048] 如上所述，钢组合物还可以任选地包括下列元素中的一种或多种：
[0049] 0~0· 25重量％的镍（例如0· 02~0· 2重量％的镍）
[0050] 0~0· 3重量％的铜（例如0· 02~0· 2重量％的铜）
[0051] 0~0· 2重量％的钒（例如0· 05~0· 2重量％的钒）
[0052] 0~0· 2重量％的钴（例如0· 05~0· 2重量％的钴）
[0053] 0~0· 2重量％的铝（例如0· 05~0· 1重量％的铝）
[0054] 0~0· 1重量％的银（例如0· 05~0· 1重量％的银）
[0055] 0~0· 2重量％的钽（例如0· 05~0· 2重量％的钽）
[0056] 0~0· 〇35重量％的氮（例如5〇~35Oppm的氮）
[0057] 要理解本文所指的钢合金可以包含不可避免的杂质，尽管总的来说，这些杂质不 可能超过组合物的〇. 3重量％。优选地，合金包含含量为不超过组合物的0. 1重量％的不 可避免的杂质，更优选不超过组合物的〇. 05重量％。特别地，钢组合物也可能包含一种或 多种杂质元素。杂质的非详尽列表包括例如：
[0058] 0~0· 05重量％的磷
[0059] 0~0· 03重量％的硫
[0060] 0~0· 075重量％的砷
[0061] 0~0.075重量％的锡
[0062] 0~0· 075重量％的锑
[0063] 0~0· 01重量％的铅
[0064] 0~0· 005重量％的硼。
[0065] 钢合金组合物优选包含少量或不包含硫，例如0~0. 015重量％的硫。
[0066] 钢合金组合物包含少量或不包含磷，例如0~0. 025重量％的磷。
[0067] 钢组合物优选包含小于等于15ppm的氧。氧可能以杂质存在。钢组合物优选包含 小于等于30ppm的钛。钛可能以杂质存在。钢组合物优选包含小于等于IOppm硼。硼可能 以例如1~5ppm的杂质存在。
[0068] 钢组合物优选包含小于等于30ppm的钙。该可能以杂质存在但是也可以故意以例 如1~3ppm的非常少的量被加入。
[0069] 钢合金组合物可以基本由所述元素组成。因此，要理解除了那些必需元素之外，其 它非特定元素可以存在于组合物中，只要这些元素的存在不会实质地影响组合物的基本性 质。
[0070] 根据本发明的另一方面，提供了包含如本文所述的钢合金的轴承构件。能够使用 所述钢的轴承构件的实例包括滚动元件（滚球或滚子）、内圈或外圈。本发明也提供包括如 本文所述的轴承构件的轴承。
[0071] 根据本发明的第三方面，提供了包含如本文所述的钢合金的发动机构件、装甲构 件、齿轮构件或火车轨道构件。该材料也可以应用于海洋和航空应用，例如齿轮（gears)和 轴（shafts)的应用。
[0072] 现在将以示例的方式参考合适的钢合金热处理进一步描述本发明。
[0073] 通常在800~890°C温度范围内对由本发明的钢合金制造的轴承构件实施奥氏体 化（硬化）10~60分钟。奥氏体经细化（refined)的富铬碳化物主要在奥氏体化阶段的 末端（刚