亞共析軸承合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明廣義上涉及合金領(lǐng)域，涉及淬透鋼的軸承鋼組合物（bearing steel composition)，其中碳含量小于或基本等于其共析點(diǎn)時(shí)的碳含量。
【背景技術(shù)】
[0002] 軸承是在兩個(gè)部件之間允許限制性相對(duì)運(yùn)行的裝置。滾動(dòng)元件軸承包括內(nèi)部或外 部滾道（raceway)和若干個(gè)設(shè)置在其間的滾動(dòng)元件（滾球或滾子）。為了長期的可靠性和 性能，重要的是若干個(gè)元件對(duì)滾動(dòng)疲勞、磨損和蠕變有耐受性。軸承鋼的重要特性是淬透 性，即在使合金經(jīng)歷熱處理過程后，使合金硬化所達(dá)的最大深度。
[0003] 軸承鋼類型的一個(gè)實(shí)例是DIN I. 3536(100CrMo7-3(W5))。然而，仍有改進(jìn)的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于定義上述類型的鋼合金組合物，其中抑制在奧氏體相區(qū)域中的 滲碳體相，有利于更希望和更穩(wěn)定的富Cr碳化物、例如M 7C3，其中M是（Cr, Fe, Mo, Μη)。在 本發(fā)明中，相比于常規(guī)的M3C(滲碳體，或合金滲碳體），化學(xué)計(jì)量的M7C 3賦予了抑制奧氏體 晶粒過度生長的優(yōu)勢(shì)。另外，化學(xué)計(jì)量的M7C3在由所述鋼合金制造的淬透軸承構(gòu)件中導(dǎo)致 更好的機(jī)械性質(zhì)和對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞的改進(jìn)的耐受性。
[0005] 通過包含以下組分的合金實(shí)現(xiàn)了上述目的：
[0006] 0· 6~0· 9重量％的碳，
[0007] 0· 1~0· 5重量％的硅，
[0008] 0· 1~1. 5重量％的錳，
[0009] 1. 5~2. 0重量％的鉻，
[0010] 0· 2~0· 6重量％的鑰，
[0011] 0~0.25重量％的鎳，
[0012] 0~0.3重量％的銅，
[0013] 0~0.2重量％的釩，
[0014] 0~0.2重量％的鈷，
[0015] 0~0.2重量％的鋁，
[0016] 0~0.1重量％的鈮，
[0017] 0~0.2重量％的鉭，
[0018] 0~0.05重量％的磷，
[0019] 0~0.03重量％的硫，
[0020] 0~0· 075重量％的錫，
[0021] 0~0· 075重量％的銻，
[0022] 0~0· 075重量％的砷，
[0023] 0~0.01重量％的鉛，
[0024] 最大 350ppm 的氮，
[0025] 最大 IOOppm 的氧，
[0026] 最大50ppm的鈣，
[0027] 最大50ppm的硼，
[0028] 最大50ppm的鈦，
[0029] 余量鐵以及任何其它不可避免的雜質(zhì)，其中所述合金包含重量比例為0. 4 < Mo/ Si彡6. 0的鑰和硅和重量比例為0. 1彡Mo/Cr彡0. 4的鑰和鉻。
[0030] 現(xiàn)在將進(jìn)一步描述本發(fā)明。在以下段落中更加詳細(xì)地定義了本發(fā)明的不同方面。 所定義的每個(gè)方面可以和其它任何一個(gè)或若干個(gè)方面相結(jié)合，除非明確給出相反的說明。 特別地，指明為優(yōu)選的或有利的任何特征可以和指明為優(yōu)選的或有利的其它任何一個(gè)或若 干個(gè)特征相結(jié)合。
[0031] 在本發(fā)明中，鋼合金組合物包含0. 6~0. 9重量％的碳、優(yōu)選0. 7~0. 8重量％ 的碳、更優(yōu)選〇. 72~0. 78重量％的碳。和其它合金元素相結(jié)合，這導(dǎo)致了所需的顯微結(jié) 構(gòu)。亞共析軸承鋼的相對(duì)低的碳含量影響鋼的淬透性，并可能限制鋼在具有中等壁厚的構(gòu) 件（例如軸承套圈）的應(yīng)用性。為了繞開所述可能的問題，使鋼合金的錳含量和鑰含量接 近于在上述DIN 1.3536鋼中對(duì)這些元素通常規(guī)定的范圍的上限。
[0032] 鋼組合物包含1. 5~2重量％的鉻。除對(duì)淬透性具有積極影響外，在熱力學(xué)計(jì)算 期間發(fā)現(xiàn)鉻含量極大地影響在硬化期間能夠得到的碳化物的類型，因?yàn)槿魸舛冗^低，就穩(wěn) 定了不想要的滲碳體相。因此，合金包含至少1.5重量％的鉻。另一方面，必須限制鉻含量 以例如在硬化期間在奧氏體相中固溶體中保證足夠的碳。為了使奧氏體在較低的溫度下轉(zhuǎn) 化成足夠硬的結(jié)構(gòu)（從57HRC至63HRC)，它必須具有足夠的溶解性碳和氮。因此，鋼合金包 含最大2. 0重量％的鉻。鋼組合物優(yōu)選包含1. 5~1. 8重量％的鉻，更優(yōu)選1. 6~1. 7重 量％的鉻。
[0033] 鋼組合物包含0. 2~0. 6重量％的鑰，優(yōu)選0. 3~0. 5重量％的鑰，更優(yōu)選0. 3~ 0.4重量％的鑰。鑰可以起到避免晶界脆化的作用。然而，更高的鑰含量可能導(dǎo)致大量的奧 氏體保留在結(jié)構(gòu)中。
[0034] 在0. 1和0. 4之間的Mo/Cr比例增強(qiáng)了富Cr碳化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性。更優(yōu)選地， Mo/Cr比例位于0. 15和0. 3之間。
[0035] 鋼合金組合物包含0. 1~0.5重量％的硅，優(yōu)選0. 1~0.4重量％的硅，更優(yōu)選 0. 2~0. 3重量％的硅。和其它合金元素相結(jié)合，這形成了所需的顯微結(jié)構(gòu)，其具有最小含 量的所保留的奧氏體含量。硅有助于抑制滲碳體的沉淀和碳化物的形成。然而，過高的碳 含量可能導(dǎo)致不希望的表面氧化物和差的表面光潔度。鑒于這個(gè)原因，最大的硅含量為〇. 5 重量％。具有高娃含量的鋼因該元素的抑制碳化物（carbide-suppressing)的特性而傾向 于在其經(jīng)硬化的結(jié)構(gòu)中保留更多的奧氏體。因此，可降低鋼的硅濃度以減少所保留的奧氏 體含量。
[0036] 在0. 4和6. 0之間的Mo/Si比例有助于保證在鋼固化期間偏析減少。更優(yōu)選，Mo/ Si比例在0.5和3.0之間。
[0037] 鋼合金組合物包含0. 1~1. 5重量％的猛，優(yōu)選0. 1~1. 0重量％的猛，更優(yōu)選 0. 5~1. 0重量％的錳，還更優(yōu)選0. 7~0. 9重量％的錳。相對(duì)于鐵素體，錳起到增加奧氏 體穩(wěn)定性的作用。錳也可以起到改進(jìn)淬透性的作用。
[0038] 由于鋼碳含量較少，在硬化期間保留的碳化物的總百分比通常較小，這具有在制 造中實(shí)施較低的硬化溫度的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)明顯地成本節(jié)省。另一方面，在奧氏體化期間所保留 的碳化物越少，對(duì)機(jī)械性質(zhì)和疲勞有害的奧氏體晶粒生長的風(fēng)險(xiǎn)越高。
[0039] 為了阻止在硬化期間任何可能的過度奧氏體晶粒生長，認(rèn)為有利的是，加入微合 金添加劑和氮使得形成小的、非常細(xì)的沉淀物，其釘?。≒in)原先的奧氏體晶界。為了這一 目的，可以加入元素 V、Ta、Nb和N以形成MX[M : (V，Cr, Nb/Ta，F(xiàn)e) ;X :主要是N以及一些C]。
[0040] 因此，在一些實(shí)施方式中，加入氮使得鋼包含50~350ppm的氮，優(yōu)選100~ 350ppm的氮。在其它實(shí)施方式中，沒有刻意加入氮。但是，由于暴露于環(huán)境中，合金必然仍 可以包含至少50ppm的氮。
[0041] 優(yōu)選地，鋼合金包含外加的氮，進(jìn)一步包含以如下重量百分比計(jì)的下列合金元素 中的一種或多種：最大0.2重量％的釩；最大0. 1重量％的鈮；和最大0.2重量％的鉭。
[0042] 當(dāng)鋼合金包含釩和鈮時(shí)，這些合金元素優(yōu)選以2. 0彡V/Nb彡6. 0的重量比例存 在。該比例保證了富V沉淀物的良好熱力學(xué)穩(wěn)定性并使它們的細(xì)化（refinement)增強(qiáng)。優(yōu) 選地，V/Nb比例在3. 0和5. 0之間。
[0043] 當(dāng)鋼合金包含釩和鉭時(shí)，這些合金元素優(yōu)選以I. 0 < V/Ta < 12. 0的重量比例存 在。該比例保證了富V沉淀物的良好熱力學(xué)穩(wěn)定性并使它們的細(xì)化增強(qiáng)。優(yōu)選地，V/Ta比 例在1.5和4.0之間。
[0044] 鈮和鉭在富釩和富氮沉淀物中的刻意溶解是有利的，因?yàn)檫@使它們更加穩(wěn)定。所 述富鑰;和富氮沉淀物甚至比M7C3更加穩(wěn)定。
[0045] 在本工作中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)富釩和富氮沉淀物顯著地改進(jìn)了最終軸承鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和 硬度，這導(dǎo)致對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞更好的耐受性。
[0046] 在包含釩和外加氮的鋼合金的實(shí)例中，富釩和富氮沉淀物的形成優(yōu)于釩碳化物的 形成，因?yàn)榍罢邿崃W(xué)上更加穩(wěn)定。對(duì)于給定分?jǐn)?shù)的釩碳化物和釩氮化物，釩氮化物傾向于 更小、更穩(wěn)定并由此在釘住原先的奧氏體晶界方面更有效。富釩和富氮沉淀物還更加有助 于強(qiáng)化軸承鋼結(jié)構(gòu)。
[0047] 優(yōu)選地，鋼合金包含不超過0. 1重量％的鋁。更優(yōu)選地，鋼合金不含鋁，特別是當(dāng) 鋼合金包含微合金元素（V和/或Nb和/或Ta)中的一種或多種。存在鋁是不希望的，因 為鋁氮化物的形成能夠?qū)е碌膿p失。然而，當(dāng)存在少量鋁是不可避免時(shí)，合金適當(dāng)?shù)匕?重量比例為〇. 014彡A1/N彡0. 6、優(yōu)選0. 014彡A1/N彡0. 1的鋁和氮。該比例保證不是全 部氮和鋁結(jié)合，剩下一些可用于得到例如富V沉淀物的氮，由此細(xì)化（refining)和穩(wěn)定它 們。
[0048] 如上所述，鋼組合物還可以任選地包括下列元素中的一種或多種：
[0049] 0~0· 25重量％的鎳（例如0· 02~0· 2重量％的鎳）
[0050] 0~0· 3重量％的銅（例如0· 02~0· 2重量％的銅）
[0051] 0~0· 2重量％的釩（例如0· 05~0· 2重量％的釩）
[0052] 0~0· 2重量％的鈷（例如0· 05~0· 2重量％的鈷）
[0053] 0~0· 2重量％的鋁（例如0· 05~0· 1重量％的鋁）
[0054] 0~0· 1重量％的銀（例如0· 05~0· 1重量％的銀）
[0055] 0~0· 2重量％的鉭（例如0· 05~0· 2重量％的鉭）
[0056] 0~0· 〇35重量％的氮（例如5〇~35Oppm的氮）
[0057] 要理解本文所指的鋼合金可以包含不可避免的雜質(zhì)，盡管總的來說，這些雜質(zhì)不 可能超過組合物的〇. 3重量％。優(yōu)選地，合金包含含量為不超過組合物的0. 1重量％的不 可避免的雜質(zhì)，更優(yōu)選不超過組合物的〇. 05重量％。特別地，鋼組合物也可能包含一種或 多種雜質(zhì)元素。雜質(zhì)的非詳盡列表包括例如：
[0058] 0~0· 05重量％的磷
[0059] 0~0· 03重量％的硫
[0060] 0~0· 075重量％的砷
[0061] 0~0.075重量％的錫
[0062] 0~0· 075重量％的銻
[0063] 0~0· 01重量％的鉛
[0064] 0~0· 005重量％的硼。
[0065] 鋼合金組合物優(yōu)選包含少量或不包含硫，例如0~0. 015重量％的硫。
[0066] 鋼合金組合物包含少量或不包含磷，例如0~0. 025重量％的磷。
[0067] 鋼組合物優(yōu)選包含小于等于15ppm的氧。氧可能以雜質(zhì)存在。鋼組合物優(yōu)選包含 小于等于30ppm的鈦。鈦可能以雜質(zhì)存在。鋼組合物優(yōu)選包含小于等于IOppm硼。硼可能 以例如1~5ppm的雜質(zhì)存在。
[0068] 鋼組合物優(yōu)選包含小于等于30ppm的鈣。該可能以雜質(zhì)存在但是也可以故意以例 如1~3ppm的非常少的量被加入。
[0069] 鋼合金組合物可以基本由所述元素組成。因此，要理解除了那些必需元素之外，其 它非特定元素可以存在于組合物中，只要這些元素的存在不會(huì)實(shí)質(zhì)地影響組合物的基本性 質(zhì)。
[0070] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了包含如本文所述的鋼合金的軸承構(gòu)件。能夠使用 所述鋼的軸承構(gòu)件的實(shí)例包括滾動(dòng)元件（滾球或滾子）、內(nèi)圈或外圈。本發(fā)明也提供包括如 本文所述的軸承構(gòu)件的軸承。
[0071] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了包含如本文所述的鋼合金的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、裝甲構(gòu) 件、齒輪構(gòu)件或火車軌道構(gòu)件。該材料也可以應(yīng)用于海洋和航空應(yīng)用，例如齒輪（gears)和 軸（shafts)的應(yīng)用。
[0072] 現(xiàn)在將以示例的方式參考合適的鋼合金熱處理進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0073] 通常在800~890°C溫度范圍內(nèi)對(duì)由本發(fā)明的鋼合金制造的軸承構(gòu)件實(shí)施奧氏體 化（硬化）10~60分鐘。奧氏體經(jīng)細(xì)化（refined)的富鉻碳化物主要在奧氏體化階段的 末端（剛