專利名稱：具有優良韌性和在次高溫區滾動疲勞壽命的表面淬火軸承用鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于稱為滾動軸承和球軸承轉動的軸承的表面淬火軸承用鋼。
特別涉及一種適當應對隨軸承的使用環境苛刻化、其中的高速化、高表面壓力化帶來的使用溫度的升高，即使在150℃到250℃溫度范圍(以下稱為次高溫區)使用，也可以發揮優良的滾動疲勞壽命，而且具有優良韌性的軸承用鋼。
背景技術：
用于轉動的軸承等的耐熱軸承材料要求在次高溫區具有長的滾動疲勞壽命。因此，例如在特公昭54-41014號公報中，利用大量添加碳化物形成元素，以期改善常溫和高溫的特性。此外在特開平3-253542號公報中著眼于回火軟化穩定性，提出增加Si和Mo的鋼材的方案。可是在原有韌性低的軸承鋼中添加上述元素的話，韌性進一步降低。使用上會受到限制和產生各種制約。
此外在特開昭63-60257號公報中，提出通過在成分中降低S和O，改善抗點蝕性和耐久性的滲碳用鋼。使即是這種鋼，在次高溫區也未必能得到穩定的滾動疲勞壽命。
發明內容
本發明的目的是有效地解決上述問題，提出一種在次高溫區具有優良的滾動疲勞壽命，并且在常溫下具有優良的韌性的表面淬火軸承用鋼。
發明人要解決上述問題，對表面淬火鋼合金元素對在次高溫區的滾動疲勞壽命的影響進行了各種研究。表面淬火鋼的情況下，由于只是從表面到深1mm左右的一層為高碳區而硬化，所以滾動疲勞時的應力狀態與高碳軸承鋼不同。因此，可以認為滾動疲勞時的組織變化和合金元素對它的影響與高碳軸承鋼不同。
而發明人關于這一點對研究合金元素的影響的結果，證實了添加Si和Mo是有效的。
此外發現在次高溫區的滾動疲勞壽命不單取決于金屬組織，氧化物系非金屬夾雜物的存在也有重要影響。特別是最新發現，控制氧化物系非金屬夾雜物的尺寸和個數對改善次高溫區的滾動疲勞壽命非常有效。
此外，對改善這種高合金型軸承鋼韌性的方法也進行了各種研究，結果表明降低鋼材內部的C含量，利用僅對表層進行滲碳處理，以調整到適當的C濃度，可以確保在高溫區優良的滾動疲勞壽命，同時也能確保韌性。
本發明是立足于上述認識的發明。
也就是本發明的具有優良韌性和在次高溫區滾動疲勞壽命的表面淬火軸承用鋼，其特征是由在滿足(Si+Mo)≥1.0質量％的情況下含有C0.15質量％以上、0.30質量％以下、Si0.5質量％以上、2.0質量％以下、Mn0.3質量％以上、2.0質量％以下、Cr1.3質量％以上、2.5質量％以下、Mo0.3質量％以上、1.0質量％以下和O0.0012質量％以下、其余為鐵和不可避免的夾雜物構成，此外氧化物系非金屬夾雜物的最大直徑在被檢測面積為320mm2的情況下在12.5μm以下，相當于圓的直徑在3μm以上的氧化物系非金屬夾雜物個數在被檢測面積為320mm2的情況下時，為250個以下，此外利用滲碳處理使表層部的C濃度調整到0.7質量％以上、1.2質量％以下范圍。
實施發明的最佳方式下面對本發明中將鋼的成分限定在上述范圍的原因進行說明。C0.15質量％以上、0.30質量％以下C是固溶到基體中或形成碳化物，有利于提高鋼材強度、韌性的元素。為了確保軸承部件的強度和韌性要含有C。可是含量小于0.15質量％它的添加效果差，另一方面由于在超過0.25質量％情況下，過于硬化，此外韌性也降低，所以C限定在0.15質量％以上、0.30質量％以下的范圍。
Si0.5質量％以上、2.0質量％以下Si是通過固溶到基體中，增加回火軟化穩定性，使淬火、回火后的強度提高，使在次高溫區的滾動疲勞壽命提高的元素。可是含量小于0.5質量％它的添加效果差，另一方面由于在超過2.0質量％情況下加工性能降低，所以將Si限定在0.5質量％以上、2.0質量％以下的范圍。
Mn0.3質量％以上、2.0質量％以下Mn通過提高鋼的淬透性，可以有效地使基體馬氏體的韌性、硬度提高、使滾動疲勞壽命提高。為了達到此目的至少必須含0.3質量％以上，含量過多的話，由于切削性能顯著惡化，所以將Mn限定在0.3質量％以上、2.0質量％以下的范圍。
Cr1.3質量％以上、2.5質量％以下Cr是有助于提高淬透性、提高強度和提高耐磨性，進而提高滾動疲勞壽命的有用成分。可是含量小于1.3質量％它的添加效果差，另一方面由于在超過2.5質量％情況下，滾動疲勞壽命和切削性能惡化，所以將Cr限定在1.3質量％以上、2.5質量％以下的范圍。
Mo0.3質量％以上、1.0質量％以下Mo通過固溶到基體中，增加回火穩定性，提高淬火、回火后的強度，可以有效地使次高溫區的滾動疲勞壽命提高的元素。可是含量小于0.3質量％它的添加效果差，另一方面由于在超過1.0質量％情況下，加工性能降低，所以將Mo限定在0.3質量％以上、1.0質量％以下的范圍。
(Si+Mo)≥1.0質量％為了得到本發明目標的在高溫回火后的優良的硬度和在次高溫區優良的滾動疲勞壽命，在上述的成分中Si和Mo特別重要，為了穩定地得到上述期望的效果，使這些元素合計在1.0質量％以上是必要的。因此，在本發明中限定在(Si+Mo)≥1.0質量％的范圍。
O0.0012質量％以下在本發明中，控制氧化物系非金屬夾雜物的尺寸和個數是非常重要的。因此希望盡可能降低作為形成氧化物系非金屬夾雜物形成元素的氧。從此觀點考慮，把氧控制在0.0012質量％以下。
以上，對本發明適宜的成分范圍進行了說明，為了達到本發明所期望的目的，使成分限定在上述范圍是不夠的，同時控制在鋼中形成的氧化物系非金屬夾雜物的尺寸和個數是重要的。
也就是，發明人就氧化物系非金屬夾雜物對滾動疲勞壽命及韌性的惡劣影響、對它的尺寸和個數進行了系統研究。其結果，發現通過同時控制尺寸和個數，能夠得到在次高溫區的優良滾動疲勞壽命。
也就是，發現通過將氧化物系非金屬夾雜物的最大直徑控制在12.5μm以下，同時在被檢測面積在320mm2時，相當于圓直徑3μm以上的氧化物系非金屬夾雜物個數在250個以下，能夠得到在次高溫區的優良滾動疲勞壽命。
其中為將氧化物系非金屬夾雜物的尺寸和個數控制在上述范圍，在把鋼中氧含量控制在0.0012質量％以下的基礎上，最好在生產鋼材工序中特別在RH脫氣等的真空脫氣工序中延長脫氣時間，促進夾雜物的分離、細化、上浮。
對于除脫氣工序以外的生產工序沒有特別的限定，可以按現有公知的方法進行。
此外，在本發明中生產上述鋼材后，重要的是，利用滲碳處理把鋼材表層的C濃度調整到0.7質量％以上、1.2質量％以下范圍。
通過進行滲碳處理，表面不僅變硬，而且形成殘余壓應力，使滾動疲勞壽命提高。表面的C濃度小于0.7質量％的話，不能得到上述的效果，另一方面超過1.2質量％，硬度高到需要的硬度以上，引起在滾動疲勞過程中的組織變化造成的壽命劣化。將表層的C濃度限定在0.7質量％以上、1.2質量％以下范圍。
其中，所謂表層是指從鋼的表面到深0.5mm的范圍。此外，為了把表層的C濃度控制在上述范圍，可以在氣體滲碳的碳勢從0.7％到1.2％的條件下進行滲碳處理。
實施例轉爐精煉后，進行RH脫氣處理，然后利用連續鑄造生產表1所示各種成分組成的多根大型毛坯。然后在1240℃進行30小時的擴散退火，再軋制成直徑為65mm的棒材。此后，把上述棒材進行軟化退火，加工成沖擊試驗片和滾動疲勞試驗片的形狀。此外，在上述制造工序中，氧化物系非金屬夾雜物的析出狀態的控制，可以通過調整RH脫氣處理時的脫氣時間進行，發明例比現有示例延長脫氣時間。
沖擊試驗片做成10mm見方、半徑20mm的圓形缺口(深度3mm)的擺錘式沖擊試驗片，此外滾動疲勞試驗片做成軸向型試驗片。
對于如上述加工的各個試驗片，把No.1的現有示例(SUJ2)進行淬火和回火處理，此外對發明例和比較例都進行滲碳淬火和回火處理，然后提供給各試驗。
滾動疲勞壽命是使軸向試驗中的試驗潤滑油溫度為150℃，求出到累計破損概率為10％時的斷裂的應力負荷次數(B10壽命)，用以現有示例(SUJ2)的壽命為1時的相對值進行評價。
得到的結果示于表1。成分組成和夾雜物條件滿足本發明主要條件的發明例No.2、3、4、5和No.14不僅中心部位的韌性，而且在次高溫區的滾動疲勞壽命都比現有示例有大幅度提高。
與此相比，比較例No.6、7，合金成分滿足本發明的適宜范圍，O含量和夾雜物條件不符合本發明的適宜范圍。滾動疲勞壽命與現有示例相比高，與發明例相比低，沒有得到足夠的改善效果。
比較例No.8，由于C含量超過本發明的上限，所以滾動疲勞壽命比現有示例提高，但是中心部位的硬度高，韌性顯著降低。
比較例No.9，由于C含量不滿足本發明的下限，所以滾動疲勞壽命比現有示例提高，但是中心部位的硬度低，強度不夠。
比較例10、11、12，由于成分組成偏離本發明的適宜范圍，所以不能得到像充分滿足這樣的滾動疲勞壽命的改善效果。
比較例No.13、15，是與發明例No.14相同組成的鋼，是改變滲碳條件，使滲碳后表層的C含量改變的示例。由于比較例13、15滲碳后表層的C含量偏離本發明的適宜范圍，韌性好，但滾動疲勞壽命顯著降低。
產業上利用的可能性采用本發明的話，可以穩定地提供在次高溫區的滾動疲勞壽命和在常溫下的韌性兼顧的表面淬火軸承用鋼，軸承的壽命長，有對提高安全性有很大貢獻。
表1
*1韌性值擺錘式實物尺寸試驗片、缺口20mmR、深度3mm、試驗溫度20℃*2滾動疲勞壽命以現有鋼的SUJ2壽命為1時的相對值
權利要求
1.一種具有優良的韌性和在次高溫區滾動疲勞壽命的表面淬火軸承用鋼，其特征在于由在滿足(Si+Mo)≥1.0質量％情況下含有C0.15質量％以上、0.30質量％以下、Si0.5質量％以上、2.0質量％以下、Mn0.3質量％以上、2.0質量％以下、Cr1.3質量％以上、2.5質量％以下、Mo0.3質量％以上、1.0質量％以下和O0.0012質量％以下、其余為鐵和不可避免的夾雜物組成，此外氧化物系非金屬夾雜物的最大直徑，在被檢測面積為320mm2時，為12.5μm以下，而且相當于圓的直徑在3μm以上的氧化物系非金屬夾雜物個數在被檢測面積為320mm2時，為250個以下，此外利用滲碳處理使表層部的C濃度調整到0.7質量％以上、1.2質量％以下范圍。
全文摘要
提供在次高溫區具有優良的滾動疲勞壽命，并且在常溫下具有優良的韌性的表面淬火軸承用鋼。具體解決的方法如下。以質量％計，成分為C0.15質量％以上、0.30質量％以下、Si0.5質量％以上、2.0質量％以下、Mn0.3質量％以上、2.0質量％以下、Cr1.3質量％以上、2.5質量％以下、Mo0.3質量％以上、1.0質量％以下和O0.0012質量％以下、其余為鐵和不可避免的夾雜物，此外在被檢測面積為320mm
文檔編號C22C38/00GK1617943SQ03802348
公開日2005年5月18日 申請日期2003年4月9日 優先權日2002年4月18日
發明者松崎明博, 巖本隆, 后藤將夫, 木澤克彥 申請人:杰富意鋼鐵株式會社, 光洋精工株式會社