具有优良滚动疲劳寿命的钢的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求基于在2013年8月8日提交的日本专利申请号2013-165629的优先权， 其全部公开内容通过引用结合在此。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于机械部件或装置的钢，对于所述机械部件或装置要求优异的滚动 疲劳寿命，并且所述机械部件或装置硬化为具有58HRC以上的表面硬度并用作如轴承、齿 轮、轮毂单元、环形CVT装置、等速万向节或曲柄销。
【背景技术】
[0004] 近年来，随着各种机械装置日益高性能化，对其要求滚动疲劳寿命的机械部件或 装置的使用环境已变得严苛。因此，对于改善这些机械部件或装置的操作寿命和可靠性的 要求增加了。对应这样的要求，作为钢材方面的手段，已经进行了钢成分的适当调节或者对 滚动疲劳寿命有害的杂质元素的减少，以改善操作寿命和可靠性。
[0005] 在钢组成中所含的杂质元素中，例如氧是构成可能引起失效的氧化物系夹杂物如 氧化铝的元素。因此，已经将具有特别高的有害性的氧的含量降低至ppm量级。当需要更高 品质时，氧的含量可以通过特殊的熔融如VAR或ESR进一步降低。而且，已经采取了手段，通 过将其他杂质元素的含量降低至0.01质量％量级，来防止这些元素的不利效果。
[0006] 已经多种多样地建议了钢中具有低氧含量的高清洁度钢。在这些建议中，已经建 议了一种高碳系长寿轴承钢，其中在钢中的氧化物的数量方面，{(MgO · AI2O3的数量+MgO的 数量)/全部氧化物系夹杂物的数量}的值为0.80以上（例如，见专利文献1)。在专利文献1 中，没有特别地描述MgO和AI2O3的组成范围。由于不是通过Mg〇-Al2〇3而是通过显示在分子 式中的化学计量组成的MgO · AI2O3来表达，所以表示了一种包含按质量％计28.3%的MgO和 71.7%的Al2〇3的化合物。此外，已经建议了一种高碳铬轴承钢，其中氧化铝系氧化物和尖晶 石系氧化物的总数小于氧化物总数的6 0 %，以及用于制备该钢的方法（例如，见专利文献 2)。在专利文献2涉及的范围内，限定了所述氧化铝系氧化物是其中（MgO)和(Si0 2)中的每 一种都小于3%且在(CaO)方面(Ca0)/((Ca0) + (Al203))的比率为0.08以下的氧化物，并且所 述尖晶石系氧化物是一种具有尖晶石型晶体结构的氧化物，其中15%以下(CaO)和/或15% 以下（Si0 2)可以混合到以3%至20%包含(MgO)且余量为(Al2〇3)的二元氧化物中。此外，已 经建议了一种高清洁度轴承钢，其中钢中的氧含量小于lOppm并且通过电子束熔融法漂浮 和聚集的氧化物系夹杂物的表面暴露面积为20μπι 2/克以下（例如，见专利文献3)。另一方 面，在本发明以之为目标的稳定地提供具有优异滚动疲劳寿命的钢即在推力(thrust)型滚 动疲劳试验中具有优异1^寿命（当批次相同的试件在相同条件下受测时的循环数，在该循 环数时99%的试件在没有剥落的情况下旋转）的钢的情况下，影响U寿命的大于20μπι的非 金属夹杂物极为偶然且不大可能产生。因此，非常难以探测非金属夹杂物的产生。此外，在 专利文献3中描述的钢中，夹杂物熔融并聚集，并且因此，不太可能精确评价夹杂物的直径 和数量。而且，在根据常规技术的用于评价非金属夹杂物的方法中，大体积的钢材的检查由 于待探测的小面积而需要大量的时间。因此，难以判断钢材是好还是不好。
[0007] 而且，已经建议了一种评价方法，其中，组合使用极值统计技术和超声缺陷探测技 术两者，其中，例如，对最大夹杂物直径为?οομπι以下的夹杂物进行极值统计，并且对大约 100μπι以上的夹杂物进行缺陷探测频率为5至25MHz的超声缺陷探测（例如，见专利文献4)。 该文献建议了利用组合的评价方法，其中，例如，对最大夹杂物直径为小于100μπι的非金属 夹杂物进行极值统计并且对100μπι以上的非金属夹杂物进行缺陷探测频率为5至25MHz的超 声缺陷探测。然而，在极值统计中，与如上所述的类似，待探测的面积小，可能不足以在20μπι 以上且小于lOOwii的非金属夹杂物方面判断钢材是好还是不好。另一方面，因为由超声缺陷 探测在5至25MHz的缺陷探测频率下探测的夹杂物的直径为100μπι以上，所以仍然可能不足 以评价20μπι以上且小于100μπι的夹杂物。因此，需要能够稳定提供具有优异1^寿命的钢的评 价方法。而且，已经建议了一种钢，其中，通过利用在20至125MHz的缺陷探测频率下的超声 缺陷探测评价100μπι以下的夹杂物，来设定夹杂物的数量和尺寸(例如，见专利文献5)。在此 专利文献5中所述的方法中，已经建议了具有优异滚动疲劳寿命的钢(一种钢，其中在推力 型滚动疲劳试验中在最大赫茨应力(Hertzian stress)Pmax = 5.3GPa时获得L1Q寿命>1.0Χ 1〇7次循环），其中将300mm3的钢材体积中的具有0.008质量％以下的硫含量的非金属夹杂物 的数量设置为12个/300mm 3以下，并且在所述非金属夹杂物中通过超声缺陷探测所探测的 夹杂物的直径为20μπι/以上。而且，已经建议了一种钢的评价方法。然而，在该方法中，针对 使用中的轴承的大大早于计算寿命发生的失效的可靠性没有得到评价，并且因此，可能不 能稳定地提供具有优异。寿命的钢（当批次相同的试件在相同条件下受测时的循环数，在 该循环数时99%的试件在没有剥落的情况下旋转），所述。寿命是用于针对早期失效的可 靠性的指标。
[0008] 引用清单
[0009] 专利文献
[0010] [专利文献 1]JP8_3682A
[0011] [专利文献 2]JP2006-200027A
[0012] [专利文献 3]JP6-192790
[0013] [专利文献 4]JP2006-317192
[0014] [专利文献 5]JP2008-121035
[0015] 发明概述
[0016] 本发明的目的是，在需要滚动疲劳寿命的机械部件中，抑制大大早于计算寿命发 生的失效。因此，本发明的发明人关注于U寿命（即，当批次相同的试件在相同条件下受测 时的循环数，在该循环数时99%的试件在没有剥落的情况下旋转)作为用于可靠性的指标。 在常规技术中，尚未彻底评价U寿命。
[0017]因此，本发明的发明人集中研究了非金属夹杂物的控制，以提高滚动疲劳寿命，并 且尤其集中研究了用于减少对滚动疲劳寿命具有高有害性的氧化物系非金属夹杂物的影 响的手段。结果发现，对于在钢中的在常规技术中被认为需要避免的刚性氧化物系夹杂物 来说，通过适当地改变含有Al 2〇3或MgO的刚性氧化物系夹杂物的组成比率和数量比率和进 一步利用超声缺陷探测调整每固定量的钢中的非金属夹杂物的数量，改善了 U寿命。
[0018] 也就是说，获得了以下发现:为了制造在需要滚动疲劳寿命的部件中具有优异U 寿命的钢(其中尤其可以抑制大大早于计算寿命的剥落的发生），优选的是:钢中的氧含量 为按质量百分比计8ppm以下，硫含量为0.008质量％以下，A1含量为0.005至0.030质量％， 在非金属夹杂物方面，其中通过超声缺陷探测在每1000mm 3的钢材体积中所探测到的夹杂 物的直径(在下文中称为"夹杂物直径"）为20μπι以上且小于100μπι的非金属夹杂物的数量为 12.0个以下，此外，其中通过超声缺陷探测在每2.5kg的钢材重量中所探测到的夹杂物直径 为100μπι以上的非金属夹杂物的数量为2.0个以下，并且钢中存在的Mg〇-Al 2〇3系氧化物的平 均组成中的（MgO)/(Al2〇3)的质量％比率被调整到0.25至1.50、更优选0.30至1.30的范围 内，并且Mg〇-Al 2〇3系氧化物与全部的氧化物系夹杂物的数量比率被调整到70%以上、优选 80%以上。本文中定义的Mg〇-Al 2〇3系非金属夹杂物可以包括含有按质量％计15%以下的 CaO和/或按质量％计15%以下的Si02的Mg〇-Al2〇3系非金属夹杂物。氧含量按质量百分比计 为8ppm以下且硫含量为0.008质量％以下的原因是因为可以减少氧化物系夹杂物以及比较 软且容易拉伸的硫化物系夹杂物的尺寸和存在频率。更优选地，氧含量为按质量百分比计 6ppm以下，且硫含量为0.003质量％以下。此外，对于防止改变成为软夹杂物来说以及对于 抑制尽管是刚性的但容易在钢中聚集而成为簇形式的氧化铝(Al 2〇3)的生成来说，必要的 是，A1含量为0.005至0.030质量％，更优选0.008至0.030质量％，再更优选0.011至0.030质 量％。
[0019] 在如上所述的其中调整了氧化物系夹杂物的平均组成并且将所述氧化物系夹杂 物与全部氧化物系夹杂物的数量比例调整到70 %以上、优选80 %以上的钢中，氧化物具有 熔点高的组成，并且因此，在制备钢锭的过程中由熔融的钢中结晶出具有接近球形形状的 小直径氧化物。甚至，在如上所述的以接近球形形状结晶的情况下，因为抑制了随后在熔融 的钢中聚集并容易成为簇形式的纯氧化铝(Al 2〇3)，在熔融的钢固化后，氧化物系夹杂物仍 以小直径和接近球形形状分散在锭中。
[0020] 此外，在其中通过热加工将锭辊乳以制造钢棒并随后将钢棒制成为钢棒或钢管 (所述钢棒或钢管成为部件材料或经由热加工和冷加工成为锻造制品）的材料的情况下，氧 化物系夹杂物是在热或冷加工温度范围内比母体钢更加刚性的夹杂物，并且因此难以跟随 母体并难以在加工中变形，并且因此，甚至在加工之后也可以保持相当接近球形形状。
[0021] 随后，如果需要，对待成为部件材料的钢棒或钢管进行进一步冷加工如CRF，随后 切割加工，通过进一步适当的热处理调节至经受滚动疲劳的部件期望的不小于58HRC的表 面硬度，并随后用作机械部件。然而，对于经受滚动疲劳的部件的传送面下的最大应力施加 方向，可能不必然对应于成为部件的材料的钢材的非金属夹杂物的最小横截面方向，例如， 在比较软的并通过热加工拉伸的氧化物系夹杂物或硫化物系夹杂物的情况下垂直于辊乳 方向的方向。
[0022] 这样，本发明的发明人发现，当实验性地将在含有高温比较软并且通过热加工拉 伸的氧化物系夹杂物的钢制锭时，通过使用由将钢热辊乳获得的钢材作为材料，使得对应 于辊乳方向即氧化物系夹杂物