轴承用铸锭材料及制造方法
【专利摘要】本发明提供一种即使作为利用铸锭材料制成的轴承钢，也可抑制在偏析部的偏析度和最大夹杂物直径的方法。一种轴承用铸锭材料，含有C：0.56质量%～0.70质量%、Si：0.15质量%以上且小于0.50质量%、Mn：0.60质量%～1.50质量%、Cr：0.50质量%～1.10质量%、Mo：0.05质量%～0.5质量%、P：0.025质量%以下，S：0.025质量%以下，Al：0.005质量%～0.500质量%、O：0.0015质量%以下以及N：0.0030质量%～0.015质量%，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，进而，偏析度为2.8以下，根据极值统计算的30000mm2中的最大夹杂物直径的预测值为60μm以下。
【专利说明】轴承用铸锭材料及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及适合作为用于汽车、风力发电、运输机械、电动机械及精密机械或者其它一般产业机械等的轴承的原材料且具有优异的滚动疲劳寿命特性的轴承用铸锭材料及其制造方法。
【背景技术】
[0002]作为这种供给轴承的钢，大多利用高碳铬钢(JIS G4805规格SUJ2)。通常认为，就轴承钢而言，滚动疲劳寿命特性优异是重要的性质之一，但该滚动疲劳寿命会由于钢中的非金属夹杂物或共晶碳化物而降低。
[0003]在最近的研究中，作为对滚动疲劳寿命的降低带来的影响，认为钢中的非金属夹杂物的影响最大，从而采用通过降低钢中氧量控制非金属夹杂物的量及大小而提高轴承寿命的策略。
[0004]例如，在专利文献I和2等中提出了方案，这些方案是对钢中的氧化物系非金属夹杂物的组成、形状或分布状态进行控制的技术，但为了制造非金属夹杂物少的轴承钢，需要高价的熔炼设备或以往设备的大幅度改造，有经济负担大这种问题。
[0005]此外，专利文献3中公开了一种通过对碳的中心偏析率以及钢中的氧量和硫含量进行控制来提高滚动疲劳寿命特性的技术，但是，如上所述，为了进一步减少氧含量而制造非金属夹杂物更少的轴承钢，需要高价的熔炼设备或以往设备的大幅度改造，有经济负担大这种问题。
[0006]因此，不仅钢中的非金属夹杂物的降低受到关注，而且钢中的共晶碳化物的降低也受到关注。例如，高碳铬钢 含有0.95质量％以上的C而非常坚硬，钢的耐磨损性良好，但是在铸片中心部发生的偏析(以下，简称为中心偏析)的程度增加，进而在铸片中生成巨大的共晶碳化物，因此存在使滚动疲劳寿命降低的问题。为此，对铸片中央部进行冲裁而制成废料，或者实施长时间的扩散处理(以下，简称为徐热(soaking))而使这些巨大的共晶碳化物充分消散后使用。
[0007]关于这样的偏析的问题，专利文献4中公开了如下方法:在具有C:0.6~1.2质量％等特定的成分组成并穿过线状或棒状轧制材料的轴心的纵截面的中心线，使在包括该纵截面的轴心并在单侧距该轴心线各自为D/8 (D:该纵截面的宽度)以内的中心区域出现的厚度为2μπι以上的碳化物的总截面积相对于上述纵截面积为0.3%以下。此外，在该文献中，可定量地查明巨大碳化物量对滚动疲劳寿命特性带来的影响，并显示出使滚动疲劳寿命降低的巨大共晶碳化物残留在钢中。
[0008]专利文献5中公开了具有C:0.50~1.50质量％以及Sb:0.0010~0.0150质量％
等特定的成分组成、脱炭层的形成少并且热处理生产率优异的轴承钢。对于该文献所记载的技术而言，通过添加Sb，使钢的脱炭层的形成少，目的在于通过省略热处理后的切削或磨削工序而提高热处理生产率，但由于怀疑Sb对人体具有强毒性，因此在应用上要求慎重。另外，若添加Sb，则Sb在中心偏析部富集，使中心偏析恶化。在Sb富集的部分，发生局部硬化，因此与母材产生硬度差，成为滚动疲劳破坏的起点，可能使滚动疲劳寿命降低。
[0009]这里，为了消除高碳铬轴承钢铸造时发生的中心偏析以及在该中心偏析部产生的巨大共晶碳化物，例如，专利文献6中公开了一种对铸造材料进行顶端轧制而制成坯段并对该坯段进行徐热的方法。
[0010]然而，由于徐热过程中的钢中温度不均匀，因此还存在如下问题:在徐热温度局部地达到超过固相线的温度时，再次开始局部熔解，引起共晶反应，从而生成更巨大的共晶碳化物。
[0011]因此，根据轴承的用途，有时不使用上述高碳铬钢而使用低碳合金钢。例如，仅次于高碳铬钢地大量利用表面渗碳钢。但是，对于表面渗碳钢，为了使C量为0.23质量％以下而得到所需的淬透性和机械强度，添加适量的Mn、Cr、Mo以及Ni等，从提高疲劳强度的观点出发，通过渗碳或渗碳氮化处理而使表面硬化。
[0012]例如，专利文献7中公开了通过具有C:0.10~0.35%等特定的化学组成且使由Q=34140-605 [%Si] + 183 [%Mn] + 136 [%Cr] + 122 [%Mo]定义的钢中的碳扩散的活化能为34000kcal以下，从而能够以短时间进行渗碳的表面渗碳钢。
[0013]同样地，专利文献8中公开了一种涉及滚动疲劳特性优异的渗碳材料的技术，其中，所述渗碳材料具有C:0.1~0.45%等特定的化学组成，渗碳层的奥氏体晶粒度为7号以上,表面的碳含量为0.9~1.5%,表面的残留奥氏体量为25~40%。
[0014]然而，虽然通过进行上述的渗碳或渗碳氮化，能够提高滚动疲劳寿命特性，但会导致制造成本的上升，或者使变形、尺寸变化增加而降低成品率，因此有导致制品成本上升的问题。
[0015]另外，根据轴承钢的用途而需要进行大截面化，因此需要大幅度改造进行渗碳或渗碳氮化的设备而经济负担大也成为问题。
[0016]专利文献
[0017]专利文献1:日本特开平1-306542号公报
[0018]专利文献2:日本特开平3-126839号公报
[0019]专利文献3:日本特开平7-127643号公报
[0020]专利文献4:日本特许第3007834号公报
[0021]专利文献5:日本特开平5-271866号公报
[0022]专利文献6:日本特开平3-75312号公报
[0023]专利文献7:日本特许第4066903号公报
[0024]专利文献8:日本特许第4050829号公报
【发明内容】
[0025]迄今为止，风力发电、运输机械、其它一般产业机械正在逐年大型化，在这些机械中使用的轴承钢的进一步 大截面化已成为当务之急。对于该轴承钢的大截面化而言，以往，通过利用铸锭法来对用连续铸造制造的原材料进行制造，能够应对从小截面到大截面的制造，但是对于用该铸锭法制造的钢(以下，称为铸锭材料)而言，特别成为问题的是，在V偏析部和逆V偏析部这样的偏析部在轴承钢的滚动面出现时，滚动疲劳寿命特性反而降低。其原因在于，铸锭材料与连续铸造材料的情况相比，偏析程度高，因此，偏析度、非金属夹杂物的大小也增大，因而抑制偏析度、非金属夹杂物的大小的增大变得重要。
[0026]因此，本发明的目的在于提供一种即使作为利用铸锭材料制成的轴承钢，也可抑制上述偏析部的偏析度、粗大的非金属夹杂物的生成的方法。
[0027]发明人等对解决上述课题的手段进行深入研究，结果发现对于以往的轴承钢，通过使C、S1、Mn、Cr以及Al的添加量合理化，并且将制造条件最优化，能够抑制偏析度的降低、粗大的非金属夹杂物的生成。特别是能够抑制在铸锭材料中成为问题的在V偏析部、逆V偏析部的偏析度的降低、粗大的非金属夹杂物的生成，能够提供滚动寿命特性优异的轴承钢。
[0028]即，发明人等用铸锭材料制作了使C、S1、Mn、Cr、Al以及Mo量改变并且使由后述的(I)式表示的偏析度改变的轴承钢，并对其组织及滚动疲劳寿命特性进行了深入调查，结果发现即使是铸锭材料，只要是成分组成和偏析度满足规定范围的钢，就可提高滚动疲劳寿命特性。另外，用铸锭材料制作使锻造时的锻压成型比改变的轴承钢，对其组织及滚动疲劳寿命特性进行了深入调查，结果发现即使是铸锭材料，只要是锻压成型比满足规定范围的钢，就可提高滚动疲劳寿命特性，从而完成本发明。
[0029]本发明的主旨构成如下所述。
[0030]1.一种轴承用铸锭材料，其特征在于，具有如下成分组成:
[0031]所述轴承用铸锭材料含有如下成分:
[0032]C:0.56 质量 ％ ~0.70 质量 ％，
[0033]S1:0.15质量％以上且小于0.50质量％，
[0034]Mn:0.60 质量 ％ ~1.50 质量 ％,
[0035]Cr:0.50 质量 ％ ~1.10 质量 ％，
[0036]Mo:0.05 质量 ％ ~0.5 质量 ％,
[0037]P:0.025 质量 ％ 以下，
[0038]S:0.025 质量 ％ 以下，
[0039]Al:0.005 质量 ％ ~0.500 质量 ％，
[0040]O:0.0015质量％以下，以及
[0041]N:0.0030 质量 ％ ~0.015 质量 ％，
[0042]剩余部分为Fe及不可避免的杂质；
[0043]由下述(I)式定义的偏析度为2.8以下，
_4] CMo(fflax) / CMo(ave)^ 2.8 …(I)
[0045]其中，CM。(max)为Mo的强度值的最大值，并且CM。(ave)为Mo的强度值的平均值，
[0046]进而，根据极值统计计算的30000mm2中的最大夹杂物直径的预测值为60 μ m以下。
[0047]2.根据上述I记载的轴承用铸锭材料，其特征在于，在上述成分组成的基础上，进一步含有选自如下成分中的I种或者2种:
[0048]Cu:0.005质量％~0.5质量％，以及
[0049]Ni:0.005 质量 ％ ~1.00 质量 ％。
[0050]3.根据上述I或2记载的轴承用铸锭材料，其特征在于，在上述成分组成的基础上，进一步含有选自如下成分中的I种或2种以上:[0051]W:0.001 质量 ％ ~0.5 质量 ％，
[0052]Nb:0.001 质量 ％ ~0.1 质量 ％，
[0053]Ti:0.001 质量 ％ ~0.1 质量 ％，
[0054]Zr:0.001质量％~0.1质量％，以及
[0055]V:0.002 质量 ％ ~0.5 质量 ％。
[0056]4.根据上述I~3中任一项记载的轴承用铸锭材料，其特征在于，在上述成分组成的基础上，进一步含有B:0.0002质量％~0.005质量％。
[0057]5.一种轴承用铸锭材料的制造方法，其特征在于，用铸锭法将具有上述I~4中任一项记载的成分组成的钢制成铸片，然后进行锻压成型比为2.0以上的锻造，以及进行在1150°C以上且低于1350°C的温度域加热超过10小时的加热处理。
[0058]这里，上述锻压成型比为JIS G0701中记载的实体锻压。
[0059]根据本发明，能够稳定地制造具有远比以往的轴承钢优异的耐滚动疲劳寿命特性的轴承用铸锭材料。另外，因此，能够实现从小截面到大截面的轴承钢的制造，也有助于风力发电机、运输机械、其它一般产业机械的大型化，带来对产业上有益的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]图1是表示从方形锻造后的钢片采集微观组织观察用样品时的采集位置和被检面尺寸的图。
[0061]图2是表示从圆形锻造后的钢片采集微观组织观察用样品时的采集位置和被检面尺寸的图。
[0062]图3是表示EPMA中的被检面积的图。
[0063]图4是表示在EPMA中实施线分析的位置的图。
[0064]图5是表示从方形锻造后的钢片采集滚动疲劳寿命评价用样品时的采集位置和试验片尺寸的图。
[0065]图6是表示从圆形锻造后的钢片采集滚动疲劳寿命评价用样品时的采集位置和被检面尺寸的图。
【具体实施方式】
[0066]接下来，对本发明的轴承钢进行详细说明。
[0067]首先，从本发明的轴承钢中的成分组成的各成分含量的限定理由依次说明。
[0068]C:0.56 质量 ％ ~0.70 质量 ％
[0069]C是对提高钢的强度且提高钢的滚动疲劳寿命特性有效的元素，本发明中使其含有0.56质量％以上。另一方面，若含有超过0.70质量％，则在原材料的铸造中生成巨大共晶碳化物，导致滚动疲劳寿命的降低。基于以上理由，使C量为0.56质量％~0.70质量％。优选为0.56质量％~0.67质量％。
[0070]Si:0.15质量％以上且小于0.50质量％
[0071]Si是作为脱酸剂，另外，为了通过固溶强化提高钢的强度且提高钢的耐滚动疲劳寿命特性而添加的元素，本发明中，添加0.15质量％以上。但是，添加0.50质量％以上时，会与钢中的氧结合，作为氧化物残留在钢中，导致滚动疲劳寿命特性的劣化。此外，在偏析部富集时，容易生成共晶碳化物。基于以上理由，Si的上限为小于0.50质量％。优选为0.15质量％~0.45质量％。
[0072]Mn:0.60 质量 ％ ~1.50 质量 ％
[0073]Mn是为了提高淬透性、提高钢的强韧性且提高钢材的耐滚动疲劳寿命特性而添加的元素，本发明中添加0.60质量％以上。但是,添加量超过1.50质量％时,使滚动疲劳寿命特性降低。另外，在偏析部富集时，容易生成非金属夹杂物。基于以上理由，使Mn的上限为1.50质量％。优选为0.60质量％~1.45质量％。
[0074]Cr:0.50 质量 ％ ~1.10 质量 ％
[0075]Cr与Mn同样地是为了提高钢的强韧性且提高钢材的耐滚动疲劳寿命特性而添加的元素，本发明中，添加0.50质量％以上。但是,添加量超过1.10质量％时，容易生成共晶碳化物，使滚动疲劳寿命特性降低，因此使Cr的上限为1.10质量％。优选为0.60质量％~
1.10质量％。
[0076]Mo:0.05 质量 ％ ~0.5 质量 ％
[0077]Mo是提 高淬透性和回火后的强度且提高钢的滚动疲劳寿命特性的元素，添加
0.05质量％以上。但是，添加量超过0.5质量％时，在V偏析、逆V偏析或中心偏析部形成Mo的富集层，使Mo的偏析度恶化，导致钢材的耐滚动疲劳寿命特性的降低，因此使Mo的上限为0.5质量％。优选为0.05质量％~0.40质量％。
[0078]P:0.025 质量 ％ 以下
[0079]P是使钢的母材韧性、滚动疲劳寿命降低的有害元素，优选尽可能地降低。特别是，若P的含量超过0.025质量％时，母材韧性及滚动疲劳寿命的降低增大。由此，使P为0.025质量％以下。优选为0.020质量％以下。应予说明，在工业上难以使P含量为0%，大多数情况下含有0.002质量％以上。
[0080]S:0.025 质量 ％ 以下
[0081]S作为非金属夹杂物的MnS存在于钢中。就轴承钢而言,易成为滚动疲劳的起点的氧化物少，因此，仅次于氧化物而易成为滚动疲劳的起点的MnS大量存在于钢中时，导致滚动疲劳寿命降低。因此，优选尽可能降低，本发明中，使其为0.025质量％以下。优选为
0.020质量％以下。应予说明，工业上难以使S含量为0%，大多含有0.0001质量％以上。
[0082]Al:0.005 质量 ％ ~0.500 质量 ％
[0083]Al是作为脱酸剂，另外，为了作为氮化物生成而使奥氏体粒微细化并提高韧性和滚动疲劳寿命特性而添加的元素，需要添加0.005质量％以上。但是,若添加量超过0.500质量％，则粗大的氧化物系夹杂物存在于钢中，导致钢的滚动疲劳寿命特性降低。基于以上理由，使Al含量的上限为0.500质量％。优选为0.450质量％以下。
[0084]O:0.0015 质量 ％ 以下
[0085]O与Si或Al结合，形成硬质的氧化物系非金属夹杂物，因此导致滚动疲劳寿命降低。因此，O尽可能越低越好，为0.0015质量％以下。优选为0.0012质量％以下。应予说明，工业上难以使O含量为0%，大多含有0.0003质量％以上。
[0086]N:0.0030 质量 ％ ~0.015 质量 ％
[0087]N与Al结合，形成氮化物系非金属夹杂物，使奥氏体粒微细化，提高韧性和滚动疲劳寿命特性，因此添加0.0030质量％以上。但是，若添加量超过0.015质量％，则氮化物系夹杂物大量存在于钢中，因此导致滚动疲劳寿命特性降低。另外，在钢中会大量存在不以氮化物形式生成的N (游离N)，导致韧性降低，因此使N含量的上限为0.015质量％。优选为
0.010质量％以下。
[0088]根据极值统计计算的30000mm2中的最大夹杂物直径的预测值为60 μ m以下
[0089]接下来，发明人等按照表1所示的成分组成、表2所示的制造条件制作铸锭材料，对基于上述式(I)的Mo的偏析度(以下，也简称为偏析度)、最大夹杂物直径以及滚动疲劳寿命特性进行调查。应予说明，基准钢A-1是作为轴承钢而非常常用的相当于JIS SUJ2的钢。偏析度、最大夹杂物直径以及滚动疲劳寿命特性用与后述的实施例同样的试验方法实施。从锻造后的钢片中，分别如图1所示采集非金属夹杂物观察用以及EPMA测绘用的试验片，以及如图5所示采集滚动疲劳试验片，通过后述的试验法分别调查偏析度、非金属夹杂物直径和滚动疲劳寿命特性。
[0090]这里，试验片是从各自锻造后的钢片的铸锭材料的相当于底侧的部分采集的。
[0091]表1
[0092]表1
[0093]化学成分(质量％)
[0094]
IH N0.1s fsl [Mn~[p is [Cr III [Mo ?0 [N |备注 Pl 1.05 0.25 0.45 0.016 0.008 1.45 0.025 `0.18 0.0010 0.0031 基准钢 TjZ~ 0.64 0.25 0.86 0.008 0.002 0.78 0.030 0.26 0.0009 0.0033 适用钢
[0095]表 2
【权利要求】
1.一种轴承用铸锭材料，其特征在于，具有如下成分组成: 所述轴承用铸锭材料含有如下成分: C:0.56质量％~0.70质量％， S1:0.15质量％以上且小于0.50质量％， Mn:0.60质量％~1.50质量％， Cr:0.50质量％~1.10质量％， Mo:0.05质量％~0.5质量％， P:0.025质量％以下， S:0.025质量％以下，
Al:0.005 质量 % ~0.500 质量 ％， 0:0.0015质量％以下，以及 N:0.0030 质量 ％ ~0.015 质量 ％， 剩余部分为Fe及不可避免的杂质； 由下述(I)式定义的偏析度为2.8以下，
?Mo (max) I Cm。(ave) ^ 2.8( I ) 其中，CM。(max)为Mo的强度值的最大值，并且CM。(ave)为Mo的强度值的平均值， 进而，根据极值统计计算的30000mm2中的最大夹杂物直径的预测值为60μπι以下。
2.根据权利要求1所述的轴承用铸锭材料，其特征在于，在所述成分组成的基础上，进一步含有选自如下成分中的I种或者2种: Cu:0.005质量％~0.5质量％，以及 N1:0.005质量％~1.00质量％。
3.根据权利要求1或2所述的轴承用铸锭材料，其特征在于，在所述成分组成的基础上，进一步含有选自如下成分中的I种或2种以上: W:0.001质量％~0.5质量％， Nb:0.001质量％~0.1质量％， T1:0.001质量％~0.1质量％， Zr:0.001质量％~0.1质量％，以及 V:0.002质量％~0.5质量％。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的轴承用铸锭材料，其特征在于，在所述成分组成的基础上，进一步含有B:0.0002质量％~0.005质量％。
5.一种轴承用铸锭材料的制造方法，其特征在于，用铸锭法将具有权利要求1~4中任一项所述的成分组成的钢制成铸片，然后进行锻压成型比为2.0以上的锻造，以及进行在1150°C以上且低于1350°C的 温度域加热超过10小时的加热处理。
【文档编号】C22C38/00GK103827337SQ201280047872
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】本庄稔, 上井清史, 三田尾真司 申请人:杰富意钢铁株式会社, Ntn株式会社