轴承钢的制作方法

专利名称：轴承钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及钢和轴承的领域。更具体地，本发明涉及新型轴承钢组合物(Steel composition)和形成轴承的方法。
背景技术：
轴承是允许两个部件之间进行受限相对运动的装置。滚动零件轴承包含内滚道和外滚道以及大量设置在它们之间的滚动零件(滚珠或滚柱)。对于长期可靠性和性能而言， 重要的是不同零件对滚动接触疲劳、磨损和蠕变具有高的耐受性。
取决于所需的钢产品应用，现代钢使用铁和合金元素的各种组合而制造。铬是常用的合金元素，用于抗蚀和抗锈。不锈钢和外科不锈钢包含最小量为10%的铬。
不锈钢组合物的一个实例是B0hlerN360koextra 。该钢包含0. 30重量％碳(C)、 0. 60 重量 ％硅(Si)、0. 40 重量 ％ 猛(Mn)、15. 00 重量 ％ 铬(Cr)、1. 00 重量 ％钼(Mo)和 0. 40 重量％氮(N)。该钢是抗腐蚀的、马氏体硬化的不锈钢，其显示了高硬度和抗压强度。
Bohler N360 Isoextra 钢使用高压电渣重熔(P-ESR)方法而制造。在P-ESR方法中，自耗电极在保护气氛下浸入水冷模具中的炉渣池中。电流(通常为AC)流经炉渣、电极和形成的钢锭之间，并且使炉渣过热从而由电极熔融成金属液滴。金属液滴经过炉渣至水冷模具的底部，它们在此处进行凝固。当钢锭形成时，炉渣池向上移动。精炼材料的新钢锭从模具的底部起缓慢形成。所形成的钢锭是均勻的且克服了与传统铸造钢锭在从外部向内凝固时的核心缺陷相关的问题。
用于制造B0hlerN36(Us0extm 的保护气氛包括氮以增加所制造的钢的氮含量。 固态氮-轴承添加剂也加入熔融体中。氮作为增强钢性能的廉价合金元素是有吸引力的。 由于再熔化期间液相中的金属液滴的保压时间非常短，经由气相的氮的混入(pick-up)是最小量的，但是体系中的高压抑制了氮从引入在熔融钢中的添加剂中逃逸出来。
多种缺陷，例如树年轮图案和斑点的形成，可能会在再熔融的钢锭中发生。另外， 来自电极的树枝状骨架(skeleton)或小碎片可能将在钢锭中产生结构缺陷。该过程不能用在偏析-敏感合金(segregation-sensitive alloy)上，该偏析-敏感合金在通过杂散磁场熔融时会不期望地被搅动。为了避免杂散磁场的效应，一般将熔炉设计为同轴的，这限制了可以制造的钢的尺寸和形状。
本发明的目的是提供可选的钢组合物，提供可选的制造该组合物的方法，以及克服或至少减轻与现有技术相关的一些问题。发明内容
根据第一方面，本发明提供了轴承钢组合物，其包含
碳约0. 4至约0. 8重量％ ；
氮约0. 1至约0. 2重量％ ；
铬约12至约18重量
钼约0.7至约1.3重量％ ；
硅约0. 3至约1重量
锰约0.2至约0.8重量％ ；以及
铁约78至约86. 3重量％。
优选地，铁和不可避免的杂质一起形成了组合物的余量。
根据第二方面，本发明提供了由本文所述的组合物所形成的轴承构件。
根据第三方面，本发明提供了包含根据本发明的轴承构件的轴承。
根据第四方面，本发明提供了形成钢轴承构件的方法。该方法包括以下步骤提供根据本发明的粉末化的钢组合物以及使其经历热等静压以形成构件。现在将参考附图通过实施例进一步对本发明进行说明，其中


图1示出了本发明方法的实施方案的示意图。
图2示出了在本发明方法的一实施方案中的步骤的流程图。
图3示出了本发明组合物的相图，该组合物具有变化的碳含量和恒定的0. 15重量％的氮含量。
现在将对本发明进一步进行说明。在以下段落中将更详细地对本发明的不同方面 /实施方案进行说明。如此说明的每个方面/实施方案可以组合一个或多个另外的方面/ 实施方案，除非另有清楚的说明。特别地，表示为优选的或有利的任意特征可以组合表示为优选的或有利的任意其他一种或多种特征。
轴承钢组合物的氮含量为0. 1至0. 2重量％，优选为0. 11至0. 18重量％以及更优选为0. 13至0. 17重量％。氮含量用于增加钢制品的硬度。然而，在高温时钢加工期间奥氏体中的氮浓度取决于铬、锰和钼浓度，因此难以将更多的氮引入组合物中，除非增加这些合金元素的含量。额外地，借由高压冶金(pressure metallurgy)可以增加氮溶解度。
碳的含量为0. 4至0. 8重量％，优选0. 45至0. 7重量％以及更优选0. 45至0. 6 重量％。碳用于增加所形成的钢制品的硬度。如果存在的碳小于0.4%，那么钢将不会具有充分的硬度。碳溶解度和铬浓度成反比的关系；如果铬重量百分比增加，那么最终组合物中的碳含量可能减少。
优选地，存有的碳和氮的合计百分比是0. 5至1重量％，更优选为0. 5至0. 88重量％，更优选为0. 5至0. 77重量％以及最优选为0. 5至0. 7重量％。已发现这些范围提供了最终钢组合物的最大硬度。
为了补偿将更多的氮引入组合物中的困难，而不借由高压冶金复杂的其他步骤， 碳含量优选为0.45至0.6重量％。这有助于提供上述的碳和氮的优选总量。该碳含量以及约0. 15重量％的氮含量使得最大量的可溶间隙原子残留在奥氏体中或在硬化后的马氏体中，以提供可接受的硬度/承重性能。
图3示出了本发明组合物的经计算的伪二元(等值线)图(pseudo-binary (isopleth) diagram)，该组合物的氮含量为0. 15重量％并具有可变的碳含量。在碳含量为 0.3重量％时，在约1227°C形成δ-铁素体相。奥氏体区域在当碳含量为约0.45重量％时表现最宽(就温度而言)，其实现最好的可加工性。
假设完全的碳溶解性，对于0. 45重量％的碳和0. 15重量％或更大的氮的奥氏体组合物，C+N总含量为约0.6重量％。该值提供大于58HRC的硬度值。图3示出了当γ/Y +L(液)相线没有急剧减小时碳含量可能进一步增加。
铬的含量为12至18重量％，优选15至17重量％以及更优选15. 5至16. 5重量％。 铬向钢提供改进的抗腐蚀性。铬在金属表面上提供了硬氧化物以抑制腐蚀。
钼的含量为0.7至1.3重量％，优选为0.9至1. 1重量％。向钢中加入钼赋予重负荷运行用的韧性，以及特别提供耐热合金。常规碳钢包含小于0. 5重量％的Mo，但是在本发明组合物中存有更大量的钼，联合其他合金元素，改进了机械性能例如硬度。
硅的含量为0. 3至1重量％，优选0. 5至0. 9重量％。
锰的含量为0. 2至0. 8重量％，优选0. 3至0. 6重量％。锰增加了淬透性以及有助于钢的强度。
铁的含量为78至86. 3重量％以及优选和不可避免的杂质一起作为组合物的余量。
可能存在的其他元素包括氧、磷和硫。优选的是这些元素的存在量为0. 02重量％ 或更小。磷含量优选不超过0.01重量％。硫含量优选不超过0.002重量％。氧含量优选不超过0. 0001重量％。
可以理解，用于根据本发明的轴承构件中的钢可能包含不可避免的杂质，虽然，总体来说，这些不太可能超过组合物的0. 5重量％。优选地，合金具有含量不大于组合物的 0. 3重量％的不可避免杂质，更优选含量不大于组合物的0. 1重量％的不可避免杂质。磷和硫含量优选保持至最小量。
根据本发明的合金可基本上由所述元素组成。因此要认识到除了这些必要的元素之外，其他非-具体说明的元素可以存在于组合物中，只要该组合物的主要特征不受它们存在的实质影响。
在硬化之前，根据本发明的钢一般包含奥氏体作为主要的相。S卩，至少50重量％、 优选至少70重量％和更优选至少90重量％为奥氏体。在优选的实施方案中，组合物基本上全是奥氏体。即，至少95重量％，更优选98重量％以及最优选至少99重量％为奥氏体。 奥氏体是碳和铁的金属性无磁性的固溶体，其在常规钢中在高于723°C的临界温度上形成。 它具有面心立方(FCC)结构，其使得它可以在固溶体(solution)中保持高比率的碳。当钢组合物经历硬化和回火时，它将显示回火马氏体组织，并含有一些残留奥氏体和碳化物/ 碳氮化物。钢的相和组织在本领域内是熟知的。
如果奥氏体缓慢冷却，则组织会分解为铁素体和渗碳体(通常呈珠光体或贝氏体组织形式)的混合物。快速冷却可以导致马氏体的形成。冷却速率决定这些相的相对比例， 从而决定钢的机械性能(例如硬度，抗张强度)。淬火(以诱导马氏体转化)，之后进行回火(以分解一些马氏体和残留的奥氏体，以及沉淀(析出)一些碳化物/碳氮化物)，是针对高性能钢的最常用的热处理。也可以在(一个或多个)硬化和/或回火阶段后应用深冷处理。
针对轴承应用，本发明的钢组合物优选具有包含马氏体、任意残留奥氏体和沉淀碳化物和/或碳氮化物的显微组织。
本发明中所使用的方法是一种粉末冶金形式。粉末冶金通常依赖包含以下三个主要加工阶段的成形(forming)和制造技术
·粉末化待处理的材料经物理粉末化并分成很多小的单独颗粒。
·模制将粉末注入模具中或使其经过冲模以制造尺寸上接近于所需产品的弱粘结结构(cohesive structure)。
·压制模制的制品经历压缩以及任选经历高温以形成最终制品。
本发明方法由上述的轴承钢组合物至少形成轴承构件的磨损部分(wearing portion)。该钢包含多种规定量的元素。
在该方法中使用的组成优选相应于所制造的最终制品的组成。然而，当大多数元素的重量百分比保持基本上恒定时，氮含量可能因为脱气而略微减小。尽管通过本发明的热等静压步骤初始制造出的组合物主要为奥氏体，该组合物优选经历进一步的加工步骤以引入马氏体相。因此，根据本发明制备的轴承构件将通常包含具有一些残留奥氏体(1-30 重量<% )和一些碳化物/碳氮化物(< 5重量％ )的马氏体显微组织。
优选粉末化的钢组合物首先通过常规技术例如通过在熔融坩埚中熔融合适组分而形成。然后可以对熔融成分进行粉末化用于本发明的方法中。
合适的组分包括组分的粗制单质或氧化物类或盐类，其可以在加热下分解。组分优选在超过1500°C的温度熔融以确保组合物完全熔融。如果温度更低，则可能发生固体部分例如S-铁素体等的析出。熔融物可以在感应炉中制造和/或流入感应加热的钢包中， 在该感应加热的钢包中，可以在保护气氛下加入其他的合金元素。可以在整个过程中对熔融物进行搅拌以及进行温度控制。在雾化(atomisation)之前，熔融物可以流入中间包中， 其中在该中间包中，熔融物受到例如保护性渣覆盖物(protective slag cover)或惰性气氛的保护。
现在就本发明方法对每个粉末冶金步骤更详细地进行讨论。
第一个步骤是提供钢组合物的粉末。粉末是干燥的松散(bulk)固体，其包含大量非常细小的颗粒，当摇晃或倾斜时可以自由流动。粉末是粒状材料的一具体亚类。特别地，粉末涉及具有更细晶粒大小以及因而在流动时具有更大的形成块体的更大倾向性的那些粒状材料。根据本发明，钢组合物的粉末优选具有的粒径为ι μ m至1000 μ m,优选IOym 至250 μ m以及最优选50 μ m至125 μ m。
一种制造粉末的技术是雾化。该技术是特别优选的，因为它实现了从熔融钢组合物中捕获特别优选的相。其他的技术也是已知的，例如粉碎、研磨、化学反应、离心崩解或电解沉积。
雾化可例如通过迫使熔融金属流在适度压力时流经喷口或通过高压气体流崩解熔融金属流在雾化室中完成。当组合物接触气体或喷嘴或喷口时，其温度可能下降； 这可以有利于奥氏体形成。优选该室填充由气体以促进熔融金属射流的进一步湍流 (turbulence)。优选地，雾化由熔融钢组合物接触一种或多种气体射流而引起，该气体例如优选空气、氮气或惰性气体。
可选地，简单的雾化可以通过迫使液体金属以足够高的速率经过喷口以提供必要的湍流从而产生粉末而得以使用。喷嘴振动、喷嘴不对称、多重碰撞流或熔融-金属注入环境气体中皆可以用于增强雾化的程度。
当钢组合物以粉末形式提供时，它可以任选存放在惰性气体气密性密封的容器中。可选地，它可以在最短休风(delay)使用。
在第二个步骤中，将粉末置于模具中。在一实施方案中，这包括将粉末装入低碳钢的容器中，其通过薄板金属成形和焊接而制造。可以对这样的模具或容器进行设计以给予最后产品所需的形状。可选地，模具可以由本领域中已知的耐热材料形成。化合物产品 (compound products)可以通过独立的用于不同粉末的隔间来设计容器或模具而制备，或与粉末一起封住固体材料的部份而制造。
模具优选经历增加的温度和高度真空以从粉末中除去空气和水分。模具然后优选在热等静压之前被密封。使用惰性气体高压和增加的温度可以除去内部空隙以及在整个材料中设置强冶金结合(metallurgical bond)。结果是完全(clean)均勻材料，其具有一致的细晶粒大小和接近于100%的密度。
在热等静压(HIP)期间，填充的模具或容器(capsule)放置在常规热等静压机中， 在此处它经历高压和高温。压力、温度和时间的HIP参数是预先确定的，以便使得材料具有真密度(full density)和所需的性能。合适的温度是当组合物在Y相(例如图3相图中的Y区域)中时的那些温度。即，从约1350至1100°C，更优选从1300至1200°C。合适的压力可以是最高达200MPa，但是理想的是约lOOMPa。压力可以在10至150MPa的范围中， 以及更优选在95至105MPa的范围中。自冷起动的处理时间(即包括温度上升(ramp up) 所需的时间)优选为1分钟至M小时，更优选为1小时至10小时以及最优选为2小时至 8小时。
优选地，热等静压步骤在惰性气氛下进行。合适的惰性气氛包括稀有气体例如氩气。
在另一优选的实施方案中，热等静压在空气下进行以避免方法和装置的过度复杂化。
根据本发明的一实施方案，方法可以另外包括渗氮(或表面硬化)经热等静压的轴承构件(制品)的步骤。这样的加工步骤是高密集度的且不需要的，因为本发明方法提供了具有合适硬度的产品，而不需这样的步骤。渗氮可以用于硬化制品的至少表面部分。因此，经精加工的制品或组合物可以更高氮含量提供，相比较通过别的方式可以实现的。
合适的渗氮过程在本领域中是熟知的以及包括气体渗氮；液体或盐浴渗氮；和， 离子或等离子体渗氮。在气体渗氮中，供体是富氮气体通常为氨(NH3),其接触预热的制品。 优选在200至800°C进行渗氮，以及允许保持(dwell)至少30分钟。氨在接触加热的工件时分解为氮和氢。氮然后从表面扩散至材料的核心。
在液体或盐浴渗氮中，氮供给媒介是含氮盐如氰化物盐。使用的温度通常为 550-600 "C。
等离子体渗氮依赖氮离子的等离子体以及允许集中的和特别的渗氮。
本发明方法可以另外包括精加工步骤和/或回火和/或退火步骤。除了以上提及的深冷处理之外，另外的可能步骤可以是对硬化制品进行消除应力退火。这样的步骤是本领域中熟知的。取决于材料的类型和应用，可以对产品进行热处理、切削加工，和经历多种类型的质量控制，例如超声检查、染料渗透测试、机械性能测试等。如果低碳钢板用作模具， 那么它则可以通过切削或通过酸洗移去。
精加工(finishing)步骤的实例包括研磨和磨光。回火步骤的实例包括在100至 500°C、更优选200至450°C回火10分钟至M小时、更优选30分钟至3小时。如果使用硬化步骤例如渗氮，它则可能需要在硬化之后和在回火之前将制品冷却至零下的温度(优选-70°C至_80°C )。优选地，零下处理是在_80°C在空气下处理2小时。优选地，回火在 200°C于空气中进行2小时，其中该回火可以在无其它硬化步骤下进行。
另一精加工步骤是热加工或热轧。这些技术在本领域中是熟知的。热加工涉及以下过程其中金属在高于它们的再结晶温度时发生塑性变形。高于再结晶温度则使得材料可以在变形期间再结晶。这是重要的，因为再结晶抑制材料发生应变硬化，其最终保持屈服强度和硬度小以及延性高。加工温度一般为材料熔融温度的0.6倍。热轧不是特别优选的但是可能用于实现最终所需的尺寸。
热轧是热加工金属加工过程，其中大块金属如板坯或圆坯加热至高于其再结晶温度，然后在辊之间变形以形成更小的横截面。在使用相同数目的阶段时，热轧过程产生比冷轧过程更小的横截面。热轧由于再结晶会减小金属的平均晶粒大小，同时维持等轴的显微组织。
通过使用本发明方法而不采用例如P-ESR，本发明人已发现可以制造出显示高耐腐蚀性的轴承构件。另外，本发明方法提供了很多优于常规方法的优势。
经热等静压的材料的多孔性的减小改进了机械性能以及增加了可加工性。HIP方法消除了内部空隙并形成了完全的牢固的结合和细的均勻的显微组织。这些特性是不可能通过焊接、铸造或P-ESR实现的。内部空隙的实际减少增强了部件性能和改进疲劳强度。 HIP方法的另一优势在于它可以产生只需少量加工的近终形状(near-net shape)。
在熔融操作中，“相律”应用于所有的纯的和组合的元素以及严格规定了针对具体组合物而存在的液相和固相的分布。然而，通过使用粉末冶金，关于固-液相变化的考虑可以省略，从而该过程比铸造、挤出或锻造技术更为灵活。因而可以制造以其他方式会分解或崩解的构件。在本发明情况中，在常规方法(焊接、铸造或P-ESR)条件下的所需组合物的稳定奥氏体相是窄的(就温度方面而言)，本发明要求保护的粉末冶金方法实现了产生稳定相，其不包含会以其他方式产生的可能的杂质。
所要求保护的制造方法产生了非常碎小的金属，并实现了制造不同的产品形状。这个方法的容限是非常精确的，从针对轴向尺寸的+/-0.02cm至针对径向尺寸的 +/-0. 05cm。
本发明的方法和组合物可以用于制造钢产品例如轴承构件。轴承构件通常已经由涉及硬化和回火的过程而形成。结果是，显微组织将一般包含马氏体以及任意残留奥氏体还有碳化物和/或碳氮化物。在一实施方案中，轴承构件基本上是奥氏体的，仅表面磨损部分经历了马氏体全硬化。可选地，可以通过常规方法对整体产品进行回火和硬化以制造马氏体硬化产品。
本发明也提供通过本发明方法形成的轴承构件或由本文所述的钢组合物制造的轴承构件。轴承构件可以是滚动零件、内环和外环中的至少一种。
至少轴承构件的磨损部分(wearing portion)通过本发明方法形成或由本文所述的钢组合物制造。磨损部分，例如，轴承环的滚道可以独立于轴承环的主体而形成以及然后通过常规接合技术例如扩散接合或焊接而接合。
本发明也提供包含本文所述的轴承构件的轴承。
轴承可以用在很多不同类型的机械中以保持和支撑旋转构件例如车辆上的车轮、 风车上的风环(vane)或洗衣机中的滚筒(drum)。本发明特别适用于制造大尺寸轴承(LSB)用的轴承环。LSB具有外径450cm或更大。
本发明的轴承特别适用于用作涡轮机轴承，特别是风力涡轮机或风车轴承。在这些应用中，高耐腐蚀性和高强度特性是关键性的。
在优选的实施方案中，本发明方法可以用于将轴承的磨损部分粘附(adhere)至轴承构件的主体。即，轴承构件的主体形成了模具的部分以及磨损部分通过使用热等静压覆盖至表面上。因此，例如，较为价廉的材料可以涂覆有一薄层粉末化的钢组合物以产生适用于抗滚动接触疲劳的表面。这通过仅将昂贵的耐磨材料放置在需要的地方而降低了成本。结果是，耐磨性能得以改进而不会引起不必要的成本负担。覆盖层的额外优势在于它可以在用其他不相容材料例如金属粉末、金属间粉末的和陶瓷粉末之间形成结合。作为制品的钢组合物的硬度优选为50HRC或更大，以及最优选55HRC或58HRC或更大。硬度根据本领域中熟知的洛氏硬度测试测量。HRC通过次要负载98N以及金刚砖圆锥主要负载1372N 而测量。实施例
现在参考图1和2通过非限制性实例对不锈钢轴承的制造进行说明。
如图1中所示，钢组合物6在感应炉5中制备。将提供所需组合物的必要成份2进料至感应炉5中。连接交流电源和安置在感应炉5内部的两个电极4用于加热成份2以提供熔融钢组合物6。任选地，熔融组合物6在雾化前于保护气氛下保持在中间包(未示出) 中。
选择成份2以提供以下钢组合物6。
权利要求
1.轴承钢组合物，其包含碳 0. 4至0.8重量％ 氮 0. 1至0. 2重量％ 铬 12至18重量钼 0. 7至1.3重量硅 0. 3至1重量锰 0. 2至0. 8重量％;和铁 78至86. 3重量％。
2.根据权利要求1的轴承钢组合物，其中所述碳和氮的合计含量是全部组合物的0.5至0.7重量％。
3.根据权利要求1或权利要求2的轴承钢组合物，其中所述钢组合物包含具有以下量的元素中的至少一种碳 0. 45至0. 7重量氮 0. 11至0. 18重量％ ； 铬 14至17重量钼 0.9至1.1重量％; 硅 0. 5至0. 9重量％;和锰 0. 3至0. 6重量％。
4.根据上述权利要求中任一项的轴承钢组合物，其中所述钢组合物包含 碳 0. 45至0. 6重量氮 0. 13至0. 17重量％ ； 铬 15至16. 5重量％ 钼 0. 9至1.1重量％ 硅 0. 5至0. 9重量％;和锰 0. 3至0.6重量％，以及余量铁和不可避免的杂质。
5.根据上述权利要求中任一项的轴承钢组合物，其具有的显微组织包括马氏体、残留奥氏体和沉淀碳化物和/或碳氮化物。
6.由根据权利要求1至5中任一项的组合物形成的轴承构件。
7.根据权利要求6的轴承构件，其是滚动零件、内环和外环中的至少一种。
8.包括根据权利要求6或权利要求7所述的轴承构件的轴承。
9.形成轴承构件的方法，其包括以下步骤a)提供根据权利要求1至5中任一项所述的粉末化的钢组合物；b)使该粉末化的钢组合物经历热等静压以形成所述构件。
10.根据权利要求9的方法，其中所述粉末化的钢组合物通过使熔融的钢组合物接触至少一种气体射流将该熔融钢组合物雾化而提供。
11.根据权利要求9或权利要求10的方法，其中所述热·等静压步骤在1000°C 1400°C的温度和最高达200MPa的压力下进行。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述热等静压步骤在惰性气氛下进行。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其另外包括以下步骤a)表面硬化；b)回火；和/或c)精加工。
全文摘要
本发明提供了新型轴承钢组合物和形成轴承的方法。该轴承钢组合物包含碳0.4至0.8重量％；氮0.1至0.2重量％；铬12至18重量％；钼0.7至1.3重量％；硅0.3至1重量％；锰0.2至0.8重量％；以及铁78至86.3重量％。
文档编号C22C38/22GK102498227SQ201080041975
公开日2012年6月13日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年7月21日
发明者A.M.克里根, H.卡尔森, M.谢里夫 申请人:Skf公司