专利名称：球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢，其能够抑制在汽车、风车以及产业机械等的通用轴承钢(JIS-SUJ2)制轴承中成为问题的、源自氢引起的白色组织的轴承损伤，并且抑制合金添加量而使坯料的加工性向JIS-SUJ2 看齐。
背景技术：
轴承是要求优异的滚动疲劳寿命的部件，而近年在汽车、风车以及产业机械等的通用轴承钢(JIS-SUJ2)制的轴承中滚动疲劳寿命低已成为问题。因此，一直以来在进行有关提高滚动疲劳寿命的各种研究。另外，作为轴承部件可举出汽车交流发电机用轴承等。
已知决定轴承的滚动疲劳寿命的滚动疲劳破损现象是在轴承滚动接触部正下方生成被称为白色组织的组织变化，在轴承发生龟裂并发展，从而引起的。
在此，白色组织被分为如下三种:
(I)相对于滚动接触部不具有特定的方位关系，不规则地生成的白色组织(以下也称为WEA)；
(2)在非金属夹杂物的周边以45°方向生成的白色组织(蝴蝶(Butterfly))；
(3)相对于滚动接触部具有约80°和约30°的方位关系的白色组织(白亮带(White band))ο
尤其是生成WEA时，将会在比预想的轴承寿命更短的时间内发生疲劳破损，因此其属于最需要对策的白色组织。
如专利文献I 所述，WEA的发生机理认为是轴承中所使用的润滑油或侵入到轴承的水因摩擦化学反应发生分解而生成氢，其向钢中侵入、蓄积而被促进的。
作为抑制这样的WEA的生成的方法，例如专利文献2中提出了提高Cr以及N的添加量来增加残余奥氏体量的方法，在专利文献3中提出了添加Ni或同时添加Ni和Mo的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-255399号公报
专利文献2:日本特开2007-262449号公报
专利文献3:日本特开2002-60904号公报发明内容
另一方面，制造轴承时，需要对轴承钢的坯料进行切削加工等，所以对轴承钢要求抑制WEA的生成的同时具有优异的球化退火后的切削加工等的加工性。
然而，上述的专利文献I 3中，关于对轴承钢的切削等的加工性完全没有考虑或者仅给予了通常程度的考虑。
本发明是鉴于上述的现状进行的，目的在于提供一种球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢，其在从润滑油等侵入氢的环境下也能有效地抑制WEA的生成，提高滚动疲劳寿命，而且坯料的切削性、锻造性等加工性也良好。
发明人等为了开发出维持与通用钢JIS-SUJ2同等的切削性且耐氢疲劳特性比JIS-SUJ2还良好的钢材，进行了深入的研究。
应予说明，以下的说明中，表示钢中的元素的含量的表述仅为％时，均指质量％。
首先，对于改变S1、Cr、Mo量的钢，调查了充氢后的滚动疲劳寿命B1(l。基础钢为0.9% C - 1% Mn - 0.016% P — 0.008% S — 0.025% Al — 0.003% N — 0.0015% O。
并且，为了进行比较，对相当于通用钢113-5叩2的钢(1.05% C - 0.25% S1-0.45% Mn - 0.016% P — 0.008% S — 0.025% Al — 1.45% Cr — 0.003% N — 0.0010%0)，也调查了滚动疲劳寿命81(|。在此，试验片的制作条件以及滚动疲劳试验条件如同后述的实施例所记载。
对于各钢，将得到的滚动疲劳寿命Bltl除以相当于JIS-SUJ2的钢的滚动疲劳寿命B10的值，评价相对于通用钢的寿命提高度(Bltl寿命比=B10寿命/相当于JIS-SUJ2的钢的B10寿命)。
图1中示出以Si含量为横轴、以Bltl寿命比为纵轴进行整理的结果。
由该图可知，Cr含量为1.8%以上且将Mo含有0.15%的钢中，当Si含量为0.3%以上时，Bltl寿命比提高到4倍以上。相对于此，Cr含量为1.7%时，即使将Mo添加0.15%且使Si为0.3%以上，也几 乎确认不到Bltl寿命的提高。另外，即使Cr含量为1.8%以上，在Mo含量为O %的钢中将Si添加0.3%以上也不能确认到Bltl寿命的提高。
另外，观察达到滚动疲劳寿命的试验片的剥离部分的组织的结果，在剥离的部分上观察到了 WEA，明确了剥离均以WEA为起因。
由以上可知，通过使Cr含1.8%以上，使Si含0.3%以上，使Mo含0.15%以上，能够推迟WEA的发生，可提高滚动疲劳寿命。
接着，对进行了上述滚动疲劳寿命的调查的钢，分别进行了通过外周旋削试验的切削性的调查。试验条件的详细如同后述的实施例，测定刀具的后刀面磨损量成为0.2mm为止的时间(以下称为刀具寿命)。该时间长则方可判断为切削性良好。并且，通过将各种钢的所得到的刀具寿命除以相当于JIS-SUJ2的钢的刀具寿命的值，评价相对于通用钢的刀具寿命的提高度(刀具寿命比=刀具寿命/相当于JIS-SUJ2的钢的刀具寿命)。
图2中示出以Si含量为横轴、以刀具寿命比为纵轴进行整理的结果。
如图2所示，滚动疲劳寿命Bltl呈高值的1.8 % Cr — 0.15 % Mo钢、以及2.5 % Cr —0.15% Mo钢，在Si含量超过0.8%时，刀具寿命急剧下降。另外，2.7% Cr — 0.15% Mo钢不论Si含量如何，刀具寿命呈低值。
由以上可知，在含Mo的钢中，通过使Cr含量为2.5%以下且Si含量为0.8%以下，能够确保与通用钢JIS-SUJ2相同的切削性。
在此基础上，发明人等得到了以下见解:通过对调整S1、Cr、Mo的量而提高了滚动疲劳寿命的钢，进一步添加Sb，则可在维持切削性的状态下能使滚动疲劳寿命进一步提高。
下面说明得到上述见解的试验。
图3、图 4 是将基础钢设为 0.9 % C-1 % Mn-0.016 % P-0.008 % S-0.025 %A1-0.003% N-0.0015% 0-0.0016% Sb，如同图1、图 2，进行了调整 S1、Cr、Mo 的量的试验的结果。即，以Si含量与Bltl寿命比的关系以及Si含量与刀具寿命比的关系整理了结果的坐标图。
如图3所示，可知将Cr添加1.8 %以上、将Si添加0.3 %以上以及将Mo添加0.15%以上，而且使Sb含0.0016%时，能推迟WEA的发生，提高滚动疲劳寿命。
另外，如图4所示，可知在含有Mo的钢中，将Cr含量设为2.5 %以下、将Si含量设为0.8%以下，而且进一步含有Sb时，能确保与通用钢JIS-SUJ2相同的切削性。在此，可知将Cr设为1.8%以上、将Si设为0.3%以上、将Mo设为0.15%以上时的Bltl寿命的提高幅度，与未添加Sb的情况相比，添加了 Sb的情况时显著高。
本发明是在以上的见解上进一步结合对可确保切削性的Mo含量、混入氢时的滚动疲劳寿命、与切削性相关的其他成分元素的影响的调查结果而完成的。
即，本发明的要旨构成如下所述。
1.一种轴承钢，以质量％计含有C:0.85 1.10%,Si:0.30 0.80%,Mn:0.90 2.00%, P:0.025% 以下、S:0.02% 以下、Al:0.05% 以下、Cr:1.8 2.5%、Mo:0.15 0.4%,N:0.0080%以下以及O:0.0020%以下，并且，还含有Sb:大于0.0015%且小于等于0.0050%，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
2.如上述I所述的轴承钢，其中，上述钢组成以质量％计还含有选自T1:0.01 %以下、N1:0.10%以下、Cu:0.10%以下以及B:0.0010%以下中的I种或2种以上。
根据本发明，可得到不仅切削等的加工性优异，而且耐氢疲劳特性与以往的轴承钢相比显著优异的轴承用钢，其结果，有助于轴承的滚动疲劳寿命的提高，在产业上带来有益的效果。
图1是表示S1、Cr、Mo量对滚动疲劳寿命Bltl的影响的坐标图。
图2是表示S1、Cr、Mo量对刀具寿命的影响的坐标图。
图3是表示添加Sb时的、S1、Cr、Mo量对滚动疲劳寿命Bltl的影响的坐标图。
图4是表示添加Sb时的、S1、Cr、Mo量对刀具寿命的影响的坐标图。
具体实施方式
下面，对将本发明的轴承钢的成分组成的含量的限定理由进行说明。并且，在以下的说明中，各元素的含量(％)表示质量％。
C:0.85 1.10%
C是确保淬火回火后的硬度、使轴承的滚动疲劳寿命确保在高水平所必需的元素，因此需要含有0.85%以上。另一方面，C含量超过1.10%则残留粗大的碳化物，导致滚动疲劳寿命的下降。因此，将C含量设为0.85 1.10%的范围。
S1:0.30 0.80%
Si在本发明中在提高耐氢疲劳特性方面是特别重要的元素，是对确保混入氢的情况下的滚动疲劳寿命特别重要的元素。如上所述，Si不足0.30%时不能显现上述的效果。另一方面，如上所述，Si含量超过0.80%则切削性变差。因此，将Si含量设为0.30 0.80%的范围。更优选的下限为0.40%。
Mn:0.90 2.00%
Mn是确保淬火回火后的硬度、将轴承的滚动疲劳寿命确保在高水平所必需的元素，因此需要含有0.90%以上。另一方面，Mn含量超过2.00%则切削性变差。因此，将Mn含量设为0.90 2.00%，优选设为0.90 1.35%的范围。也可以设为0.90 1.15%的范围。
P:0.025% 以下
P在奥氏体的晶粒间界上进行偏析，降低晶粒间界强度，从而助长淬火时发生淬火开裂。因此，优选尽量减少其含量，但0.025%以下则可容许。另外，优选为0.020%以下。工业上P以超过O %的量被含有，但若可能则优选O %。
S:0.02% 以下
S是为了在钢中形成MnS，提高切削性而添加的元素，但超过0.02%地添加则将成为滚动时的破损的起点，降低滚动疲劳强度，所以添加0.02%以下。优选0.01%以下。只要在S:0.0003%以上就能够得到由形 成MnS带来的上述效果。
Al:0.05% 以下
Al是对脱氧有效的用于低氧化的有用元素，但钢中存在的Al氧化物会降低滚动疲劳特性，所以本发明中添加0.05%以下。脱氧后残留的Al量最小可抑制到0.004%左右。
Cr:1.8 2.5%
Cr是对抑制白色组织(WEA)的生成有效的元素，本发明中是重要的元素。这是因为如同上述当添加量不足1.8%时，通过抑制氢气氛下的白色组织的生成而获得的滚动疲劳寿命的提高效果将变不足，另一方面，超过2.5%地添加则不仅成本提高，还会使切削性显著变差。因此，将Cr添加量的范围设为1.8 2.5%。
Mo:0.15 0.4%
Mo是对抑制白色组织(WEA)的生成有效的元素，本发明中是重要的元素。当添加量不足0.15%时,氢气氛下的滚动疲劳寿命提高效果将变不足,另一方面,超过0.4%地添加则不仅成本提高，还会使切削性显著变差。因此，将Mo添加量的范围设为0.15 0.4%。
Sb:大于 0.0015%且小于等于 0.0050%
Sb是成为氢的捕捉位(trap site)，对抑制白色组织的生成有效的元素。Sb添加量为0.0015%以下时，该添加效果不足，所以，需要添加大于0.0015%。另一方面，即使添加大于0.0050%的Sb，该效果也已饱和。因此，将Sb的添加量设为大于0.0015%且小于等于 0.0050% ο
N:0.0080% 以下
N具有与Al、Ti形成氮化物或碳氮化物，在为了淬火而进行加热时抑制奥氏体的生长的效果，另一方面，粗大的氮化物、碳氮化物将会引起滚动疲劳寿命的下降，因此，本发明中抑制为0.0080%以下。优选0.0060%以下。只要N:0.0015%以上就能够得到因形成氮化物、碳氮化物的而引起的上述效果。
O:0.0020% 以下
O作为硬质的氧化物系非金属夹杂物存在，O量的增大将使氧化物系非金属夹杂物的尺寸粗大化。这些粗大化夹杂物特别是对滚动疲劳特性有害，所以优选尽量减少，因此至少需要将O量减少至0.0020%以下。优选减少至0.0010%以下。工业上O将以超过0%的量被含有，但若可能则优选设为0%。
以上对基本成分进行了说明，但除此以外本发明中还可以适宜添加以下所示的各成分中的I种或2种以上。
T1:0.01% 以下
Ti通过与钢中的N结合而成为TiN，从而在奥氏体区域发挥钉扎效应，具有抑制晶粒生长的效果，所以优选进行添加。但大量添加则因TiN大量析出而降低滚动疲劳寿命，所以将添加量控制为0.01%以下。为了得到上述效果，优选添加0.003%以上的Ti。
N1:0.10% 以下
Ni是提高淬火性的元素，所以调整淬火性时可使用。然而，Ni是高价元素，添加量过多则钢材价格变高，因此，添加0.10%以下。为了得到上述效果，优选添加0.03%以上的Ni。
Cu:0.10% 以下
Cu是提高淬火性的元素，所以可以添加。但超过0.10%则有可能阻碍热加工性，所以添加0.10%以下。为了得到上述效果，优选添加0.03%以上。
B:0.0010% 以下
B具有提高淬火性的效果，所以调整淬火性时可使用。然而，即使超过0.0010%地添加，其效果也已饱和，所以添加0.0010 %以下。为了得到上述效果，优选添加0.0003 %以上。
另外，上述成分以外的剩余部分为在制造工序中混入的不可避免的杂质和Fe。
以上说明的成分组成的轴承钢，可使用公知方法来制造。
S卩，使用转炉、脱气设备等熔炼方法进行熔炼后，进行铸造而得到铸片，将该铸片经由扩散退火、轧制或锻造成型工序，制成规定尺寸的钢材。对该钢材实施以往公知的球化退火，制成轴承部件加工用坯料。其后，经过切削加工、锻造加工等的加工工序，成为本发明的轴承钢。
另外，若例示特别优选的制造条件则如下所述。
球化退火优选的是实施在750 820°C下保持4 16小时左右，以8 20°C /h左右缓冷至650°C左右的处理。球化退火后的加工用坯料的组织优选包含铁素体以及球状渗碳体，维氏硬度优选为180 250左右。
将上述加工坯料加工成轴承部件的形状后，进行淬火和回火，成为轴承部件。并且，可根据需要，在淬火回火后加工成最终精度的部件形状。
淬火优选的 是在800 950°C保持15 120分钟左右后，实施油淬火、水淬火等急冷处理。回火处理优选的是在150 250°C、30 180分钟左右的条件下进行。淬火回火后的轴承用钢(轴承部件)优选到达内部为止含有回火马氏体且以面积率计含有90%左右以上。并且，维氏硬度优选为700 800左右。
实施例
将表I和表2所示的成分组成(剩余部分为Fe和不可避免的杂质)的钢锭(100kg)进行真空熔炼，进行1250°C、30小时的扩散退火后，锻造成直径:60mm的圆棒。接着，进行990°C、2小时的正火后，在785°C保持10小时，以15°C / h进行缓冷，由此实施了球化退火。
从球化退火后的钢粗加工出直径:60mm、厚:5.5mm的疲劳试验片。将得到的粗加工试验片在840°C保持30分钟后进行油淬火，进一步进行180°C、2小时的回火。将回火后的粗加工试验片精加工为直径:60mm、厚:5.0mm的试验片。对精加工后的试验片进行了充氢。充氢是通过在50°C的20%硫氰化铵(NH4SCN)水溶液中保持24小时而进行的。该条件下，对通用钢JIS-SUJ2 (表I中的N0.1钢)，通过升温式氢分析测定600°C为止的氢量，从而确认了钢中已侵入有0.5质量ppm的氢。
对得到的试验片，使用推力型滚动疲劳试验机，在上述的充氢后的30分钟以内实施试验，进行了模拟氢环境下的使用的滚动疲劳试验。该滚动疲劳试验是在赫兹应力:3.8GPa、应力负载速度:3600cpm、透平油(FBK turbine68、JX Nippon Oil&EnergyCorporation制)润滑(室温)的条件下实施的。对各钢种类，每个进行10次的试验，实施利用威布尔图的整理，求出了累积破损概率成为10%的Bltl寿命。
对于各钢，将得到的滚动疲劳寿命Bltl除以相当于JIS-SUJ2的钢的滚动疲劳寿命B10的值，评价相对于通用钢的寿命的提高度(Bltl寿命比=B10寿命/相当于JIS-SUJ2的钢的Bltl寿命)。
接着，对于球化退火后的各钢，进行求出刀具寿命的试验(外周旋削试验)。试验条件如下:
切削速度:120m/min (无润滑剂)、
移动:0.2mm/ rev、
切割深度:1.0mm、
刀具材料种类:相当于超硬P10。
在上述的切削条件下，将刀具的后刀面磨损量成为0.2mm为止的时间作为刀具寿命进行了调查。对各钢，将得到的刀具寿命除以相当于JIS-SUJ2的钢的刀具寿命的值，求出相对于通用钢的刀具寿命的提高度(刀具寿命比=刀具寿命/相当于JIS-SUJ2的钢的刀具寿命)，进行评价。
将得到的结果分别示于表I和表2。
权利要求
1.一种轴承钢，以质量％计含有C:0.85 1.10%、S1:0.30 0.80%、Mn:0.90 2.00%, P:0.025% 以下、S:0.02% 以下、Al:0.05% 以下、Cr:1.8 2.5%、Mo:0.15 0.4%,N:0.0080%以下以及O:0.0020%以下，并且，还含有Sb:大于0.0015%且小于等于0.0050%，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
2.如权利要求1所述的轴承钢，其中，所述钢组成以质量％计还含有选自T1:0.01%以下、N1:0.10%以下、Cu:0.10%以下以 及B:0.0010%以下中的I种或2种以上。
全文摘要
本发明提供一种球化退火后的加工性优异且淬火回火后的耐氢疲劳特性优异的轴承钢，其通过将钢组成设成以质量％计含有C0.85～1.10％、Si0.30～0.80％、Mn0.90～2.00％、P0.025％以下、S0.02％以下、Al0.05％以下、Cr1.8～2.5％、Mo0.15～0.4％、N0.0080％以下以及O0.0020％以下，并且，还含有Sb:大于0.0015％且小于等于0.0050％，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，从而在氢侵入的环境下也能有效地抑制WEA的生成，提高滚动疲劳寿命，而且还一并改善了坯料的切削性、锻造性等加工性。
文档编号C22C38/60GK103189536SQ20118005267
公开日2013年7月3日 申请日期2011年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者平井康正, 上井清史 申请人:杰富意钢铁株式会社