用于滚动轴承的合金的制作方法

专利名称：用于滚动轴承的合金的制作方法
本发有涉及一种用于航空运输工具滚动轴承的合金。
此外，本发明的对象还有轴承和轴承部件。
运输工具的滚动轴承应尽可能长时间地承受着在运行时受到的各式各样的应力和负荷，属于这一类的除其它方面外，有因为轴承部件的互相滑动及滚动而形成的动力学的机械应力以及由于侵蚀性的润滑剂所致的腐蚀作用，对航空运输工具而言，这种作用更为严重，因为滚动轴承的工作温度可能在几百度的摄氏温度之间，例如飞机涡轮机轴承本身在空转状态时负荷虽很小，但没有再进行冷却，测得的温度在250℃左右。
因此，航空运输工具的滚动轴承具有完全特殊的高要求，它的负荷需求和使用周期必须得到满足，才能作为适用的材料，在应用时要求高强度和韧性，微小磨损和极小的滚动接触疲劳以及在高温时耐腐蚀性。此外滚动轴承表面对绝大多数喷气发动涡轮机II机油中存在的助剂磷酸三甲苯酯要有足够的活性，这样可形成一能大大降低磨损的保护性反应层，轴承表面对润滑剂助剂的活性与轴承表面的化学特性有密切关系。总之，对航空运输工具的滚动轴承有复杂的要求特征，这可以通过应用一合适的合金来满足。
按DIN17230最常用的滚动轴承材料可分为五类第一种淬透性滚动轴承钢(例如1000r6或SAE52100)；第二种渗碳钢(例如17MnCr5或SAE8620)；第三种调质钢(例如43CrMo4或SAE4340)；第四种耐腐蚀钢(例如AISI440C，X30CrMoN15或X45Cr13)和第五种耐热钢和硬合金(例如M50或AISI TI)。对航空运输工具轴承从可提供的材料种类中是用耐热钢，其中主要是合金M50，一种低合金化的高速切削钢和这种合金的变体，M50合金由于其机械性能和良好的疲劳性能，几十年来它都在航空运输工具的滚动轴承中占主导地位，然而它的耐腐蚀性却远不能满足要求，由于缺乏可替代的合金迄今只能勉为其难地扩大公差使用。
由于对更高效和更可靠滚动轴承的持续渴求，一直在寻求比合金M50更好的合金，在US4150978中公开的少数合金其组成范围(重量％)为0.8至1.6％的碳，最高0.5％的硅、最高0.5％的锰、最高0.1％的硫、最高0.015％磷、12至20％的铬、2至5％的钼、直至3％的钨、0.5至3.0％的钒、直至0.5％的钛、最高0.03％的铝、最高0.5％的镍、最高0.5％的钴、最高0.5％、最高0.5％的铜、最0.05％的硼、最高0.05％氮，其余为铁和杂质。该合金与M50相比在滚动接触试验中显示其性能有改进，也可应用于腐蚀性介质中，但在实践中并未能使用。
目前另一炉料的组成是表层硬化的耐腐蚀的合金含有最高0.1重量％的碳和铬含量至少为13重量％，为达到足够的表面硬度从而达到足够的耐磨损性，该材料必须经表面硬化工艺方法，例如经渗碳和氮化作用进行处理，但其腐蚀性能随同渗碳和氮化过程伴有明显的损害。
在航空运输工具的滚动轴承已知的合金中可以满足在本文开始时所说明的一些要求特征的若干性能，但至少有一种性能例如腐蚀性能显著下降，这样一种性能的降低，至少使其使用寿命大为缩短和从而限制了该滚动轴承的应用范围。对于一种滚动轴承的价值和使用期而言，是否由于其疲劳-或腐蚀现象之间的交换最后都是一样的。用另一种说法是，如果由于腐蚀性能而导致轴承提前不能使用，最好的机械性能也就不能利用；相反如果经短时间的使用寿命产生疲劳断裂和/或提前磨损，再好的耐腐蚀性也无法利用。
基于此，本发明的目的是制备出一种合金，由其制成的滚动轴承除具良好的机械性能外，且具有低微的磨损和很低的滚动接触疲劳，同时还具有高的耐腐蚀性。
本发明另一目的是获得轴承或轴承部件，特别是滚动轴承或滚动轴承部件的数据，除其良好的机械性能、低微的磨损和很低的滚动接触疲劳之外，还具有高的耐腐蚀性。
本发明的第一个目的通过按权利要求1的合金获得解决，按本发明合金的衍生体是权利要求2至12项的目标。
按本发明合金的优点在于，它的性能特征特别出色地适合于作为航空运输工具的滚动轴承，这种作为滚动轴承材料应用的性能特征包括特别高的强度、低微的磨损和很低的滚动接触疲劳以及特别高的耐腐蚀性。所以能够达到此性能特征是由于各合金元素的协调配合，即本发明的含有物的特征在于其各合金元素的作用，又由于它们之间的交互作用，下面对这种作用作出阐明。
碳(C)的含量预定为0.45至1.0％，以便使制成的本发明合金能有一高硬度，含量超过1％时存在的危险是形成尤其是M7C3型的富铬的金属碳化物，从而铬金属会从基体中被提取出来，此金属对于耐腐蚀性是起主要作用的，其结果是耐腐蚀性下降，且M7C3-碳化物为粗颗粒，它对轴承的磨损性能有负面作用。含量小于0.45时会使硬度变低，并可能在制造时生成不希望存在的δ-铁素体。最佳的碳含量应在0.55至0.75％的范围，在这一含量区间可以达到最有利的碳化物形态，即绝大多数形成MC-碳化物或MC-混合碳化物，MC-碳化物对高硬度有重要作用，但却对耐腐蚀性没有负面影响，因为它只是从基体中提取少量对形成钝化层所需要的铬。
在本发明的合金中锰(Mn)最高可达2.0％，为保持微少的残余奥氏体锰含量优选最高限制在0.3％。
硅(Si)对脱氧作用是需要的，其含量可预计最高为1.0％，因为硅有强烈的脆化作用，并有利于形成δ-铁素体，故优选的硅含量应保持在0.05至0.2％的范围。
和硅相似，铝(Al)也有利于δ-铁素体的生成，因而铝的含量最高应为0.1％。
预定铬(Cr)的含量在8.5至11.5％，铬含量若超过11.5％，则导致增加粗颗粒的M7C3-碳化物的生成，如所述它对耐腐蚀性有负面作用。当铬含量低于8.5％时则达不到所要求的耐腐蚀性，优选存在的与碳含量相匹配的铬含量在9.5至10.5％区间，在该范围内M7C3-碳化物的成份微少，并能在具有良好的机械性能同时达到一非常高的耐腐蚀性。
钼(Mo)的成分在1.0至4.5％，在这一含量范围有利于高耐腐蚀性，在高于4.5％时在上述存在的碳含量时令人惊异地发现对耐腐蚀性不会有再提高的作用，而较高的钼含量和所给出的碳含量时耐腐蚀性还呈下降趋势，这可以解释为形成更多的M7C3-和/或M6C-碳化物，这样就会导致在基体中钼的减少，从而增加了对腐蚀的敏感性。
钒(V)的存在范围为1.0至2.5％，在该范围内能促进所希望的MC-碳化物，如果高于2.5％的含量则会在制造时从熔融体中折出粗碳化物，当小于1.0％的含量时则减弱了对生成MC-碳化物的作用。
钨(W)的含量预定达到至2.0％，高于2.0％的含量则不利，这与钼含量大于4.5％时特别能形成M6C-碳化物的情况相似，并与上述的铬含量一起增加了M7C3-生成的趋势，优选的钨含量限制在0.5％。
铌(Nb)和/或钽(Ta)在按本发明的合金中可各为最高达0.5％，这一微少含量却有利于促进生成MC-碳化物。高于0.5％含量有可能导致从熔体中沉析出粗颗粒的碳化物，这种粗粒子是不受欢迎的，因为它们对轴承的滚动及滑动性能有负面影响。
钴(Co)的组份最高可达0.5％，该元素在高回火温度时对耐腐蚀性有负作用，因为它提高了M7C3-碳化物生成的驱动力。此外，随着钴含量的增加，由于回火的原因在二次硬度最大值方面存在问题，使韧性急剧下降。因此该元素在含量上优选局限在低于0.2％。
镍(Ni)类似于Co，由于对M7C3-碳化物的生成有较高的驱动力会降低耐腐蚀性，但镍含量的提高能改进延展性，根据所要求的特征其含量力求在0至3％。
氮(N)能促进残余奥氏体的形成，所以最高含量应为0.01％。
通过按权利要求12的轴承或轴承部件达到了本发明的其它附加的目的，因为轴承或轴承部件在强度、合适的磨损性能和低微的滚动接触疲劳方面需满足复杂的要求特征和同时还要有特别高的耐腐蚀性及长使用寿命，主要是在这方面和在其高负荷承受力下以及在与腐蚀性介质接触或者在这一类综合情况下本发明的轴承或轴承部件显示出它的优点。
本发明的其它优点和作用可从说明和实施实例的相关部分中得出。
下面将借助实验结果和与目前的技术现状进行比较中对本发明作进一步阐明。
图示

图1实施滚珠在轮盘(BOD)中试验的实验安排；
图2对合金A到M进行BOD试验时磨损痕迹深度示意图；图3由合金D和M制成的样品经滚压试验达到的使用寿命示意图；图4合金A至E点状腐蚀电位、静止电位和再钝化电位图；图5合金D和G的显微照片；图6合金H、I和J与合金D相比的点状腐蚀电位、静止电位和再钝化电位图；图7合金K和L与合金D相比的点状腐蚀电位、静止电位和再钝化电位图；图8不同回火温度合金D的电流-电位曲线；图9不同回火温度合金D的点状腐蚀电位硬度变化和过程示意图；图10合金D经过400℃和560℃2小时三次回火后的透射电子显微镜(TEM)和铬分布照片。
从表1中了解试验合金的化学组成，合金是在真空中进行熔化或再熔化，经制成的工件紧接着进行由奥氏体化、淬火和三次2小时回火等热处理过程，在所有情况下残余奥氏体成分小于6体积百分数。
表1经试验的合金A至O的化学组成
1.强度特性值对相应于滚动轴承材料M50的合金A至L以及参照合金M在经热处理状态测定了强度特性值和伸长特性值。在所有情况下的热处理是经在1100℃至1200℃之间温度的奥氏体化，继而淬火和在510℃至585℃之间经三次回火过程构成的。其硬度为59±1HRC，并表明在该硬度时所有合金的拉伸强度值RP0.2及Rm都分别达到大于1700MPa及2000Mpa，合金D例如RP0.2值为2000MPa和Rm值为2334MPa，因而它们都在参照合金M的数值范围内。
就拉伸特性值而言，特别是断裂拉伸值，合金A至D、H、I、K和L明显优于合金M，例如合金A至D的断裂伸长值高于50％(如合金D为4.44％而合金M相应为2.55％)。合金E和F在测试可靠性情况下大致与合金M的断裂值范围相当，合金J的断裂伸长值仅为0.07％。
从测定得到的强度和拉长数值可看出，在所试验的合金中除合金J外都能满足作为滚动轴承材料用的强度和伸长的最低要求。
II.滚珠在轮盘中的试用如图1所示的滚珠在轮盘中的试验方法检验合金A至M的磨损性能和测定它们的磨损痕迹深度。为使在BOD试验中达到传动装置轴承相同的润滑比，调正相同的λ-值为0.8(在润滑间隙中接触条件的特性参数)试验参数为痕迹半径5mm滑动速度10cm/s施加力15N磨损痕迹长度1000m滚珠直径6mm滚珠材料合金M温度150℃周围环境介质油(喷气发动机11用油)该试验结果表达于图2中，可看出，合金D至G以及I、K和L的磨损痕迹深度小于合金M，从而可说明这些合金作为轴承材料在磨损性能方面是优异的。
III.滚压性能(滚动接触疲劳试验)滚压试验是用一三滚珠对应轴的试验器有意识地以超高的平面压力进行试验，在试验条件下接触区的最大压力控制在6400GPa。
结果及Weifull-分布显示，合金A至L除合金J外在滚压试验中与合金M相比具有相等或更长的使用寿命，尤其是合金D从滚压性能看，该合金比合金M具有明显优越的性能(参见图3)，合金D在滚压过程中呈现5.50*106负荷变换时的故障几率为10％，而合金M在1.57*106负荷变换时即已达到同样的故障几率。
IV.耐腐蚀性能从I至III所得到的试验结果可以确定如下结论，合金D、E、F、G、I、K和L在强度、伸长、磨损特性和滚压性能方面都在合金M及标准材料M50的范围内，在这些性能上能满足作为滚动轴承材料的要求。
其它的系列实验是确定这些试验的合金在耐腐蚀方面达到的程度，这样它们在腐蚀性介质中可应用，但这些介质对快速腐蚀的高切削钢M50及合金M却不是这种情况。这些实验通过测绘在一含有50ppm氯离子的氯化钠水溶液中的电流密度-电位-曲线即可从中看出各个合金的点状腐蚀电位。
从图4中可观察到，对于合金A至E随着铬含量的增多，点状腐蚀电位及耐腐蚀性由合金A至合金D是增大的，而对合金E又稍减小，合金A、B和C由于铬含量少的情况没表现出所希望的耐腐蚀性，但对合金D却大为改观，而合金E的铬含量虽高于合金D，所以它才有较高的PREN-值，PREN-值(计算方法按PREN＝％Cr+3.3％Mo*(16-30％N))对耐腐蚀性的关系是专业人员预期随着罚高的PREN-值应用较高的耐腐蚀性，但事实是，随着铬含量的增高，特别是超过11.5％重量百分数时，却析出M7C3-碳化物，这种碳化物带来了硬度，显示根据化学计算铬的成分高，但结果是这种碳化物的形成，使铬从基体中被取走，从而使耐腐蚀性降低了。
在本发明中的合金中对于不同钼含量的作用可以确定的是合金D具有最高的耐腐蚀性，在其中主要存在的是MC-碳化物，在合金F中的钼含量较少，因而其耐腐蚀性也差，在合金G中虽钼含量较高，但M7C3成分也较多，另外还产生M6C-碳化物，这可从图5中看出，因而合金G虽有较高的钼含量，其腐蚀性却低于合金D。
钴和镍的影响从图6(Co)和7(Ni)中可了解，对两种元素都适用，即随着含量的增加，耐腐蚀性降低，与此相应的是合金I、J、K和L没有带来所要求的耐腐蚀性，其原因可能是对M7C3的形成存在高推动力，它是由钴和/或镍引起的。
从腐蚀试验中可确定的结论是，合金D、F、G和H可满足对腐蚀性能的要求。
综观机械性能，磨损-和滚压性能以及耐腐蚀性能可以得出，合金D、F和G具有要求的性能特征，而其它所试验的合金至少在一种性能上还达不到最低限度值。
在大规模制造合金D时还对不同回火温度影响性能的变化进行了试验，此时令人惊异地显示，耐腐蚀性与回火温度是有关联的，如图8的电流密度-电位曲线所示，对合金D在回火温度直至450℃有一高的点状腐蚀电位；相反在较高的560℃回火温度却得到较低的点状腐蚀电位，大约为+20mV。
图9表示点状腐蚀电位的过程和硬度随着回火温度的变化，从中清晰可见，在回火温度直至450℃点状腐蚀电位超过+160mVsce，而后急剧下降至约40至60mVsce。另一方面可看出，在低于450℃温度时就能达到实际上所希望的59HRC的硬度，所以在回火温度至450℃即可得到最佳的机械性能和磨损特性也可获得高耐腐蚀性能。
最后图10给出的合金D在400及560℃回火的TEM-照片和Cr-标记图像表明，在560℃回火的合金在碳化物的边界区为浅色，可推断出这是高铬含量所致；相反在周围的基体由于铬含量较少，却显得发暗。这就表明，在较高的回火温度时在次级碳化物表面区的基体是贫铬的，它会导致耐腐蚀性下降。
在大规模制造和热处理合金D中的碳化物组分试验表明，在奥氏体化温度为1140℃时MC-碳化物成分位于0.7体积百分数，在奥氏体化温度为1080℃时MC-碳化物成分为1.8体积百分数，而M7C3-碳化物成分为0.2体积百分数(奥氏体化温度为1140℃)和没有确认含有M7C3-碳化物(奥氏体化温度为1080℃)，在所有情况下存在的碳化物75％以上为MC-碳化物。
权利要求
1.用于航空运输工具的滚动轴承的合金含有(以重量百分数计)0.45至1.0％碳最高2.0％锰最高1.0％硅8.5至11.5％铬1.0至4.5％钼1.0至2.5％钒最高2.0％钨最高0.5％铌最高0.5％钽最高3.0％镍最高0.5％钴最高0.1％铝最高0.01％氮，剩余为铁和取决于制造条件的杂质。
2.按权利要求1的合金，含有0.55至0.85％，优选至0.75％的碳。
3.按权利要求1或2的合金，含有9.5至10.5％的铬。
4.按权利要求1至3之一的合金，含有2.5至3.5％，特别是2.65至3.25％的钼。
5.按权利要求1至4之一的合金，含有1.65至2.25％，特别是1.8至2.5％的钒。
6.按权利要求1至5之一的合金，含有最高为0.5％的钨。
7.按权利要求1至6之一的合金，含有最高为0.3％的锰。8.按权利要求1至7之一的合金，含有0.05至0.2％的硅。
9.按权利要求1至8之一的合金，含有最高为0.5％的镍。
10.按权利要求1至9之一的合金，其中碳化物成分占0.5至7体积百分数。
11.按权利要求1至10之一的合金，其中M7C3型的金属碳化物成分小于3体积百分数。
12.轴承和轴承部件，特别是滚动轴承或滚动轴承部件是由按权利要求1至11之一的合金构成的。
13.按权利要求1至12之一的合金应用于作航空运输工具的构件或组合体。
全文摘要
本发明涉及一用于航空运输工具滚动轴承的合金，由其制造的轴承具有良好的机械性能，同时具有低微的磨损和低的滚动接触疲劳，并具有高耐腐蚀性。提出该合金含有(以重量百分数计)0.45至1.0％的碳，最高2.0％的锰、最高1.0％的硅、8.5至11.5％的铬、1.0至4.5％的钼、1.0至2.5％的钒、最高2.0％的钨、最高0.5％的铌、最高0.5％的钽、最高3.0％的镍、最高0.5％的钴、最高0.1％的铝、最高0.01％的氮；剩余为铁和取决于制造条件的杂质。
文档编号C22C38/26GK101041884SQ200710087808
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月19日 优先权日2006年3月20日
发明者罗朗德·拉比奇, 斯文·派斯尔, 赖因霍尔德·埃布纳, 塞宾·埃格尔泽 申请人:百乐特殊钢公司