制造軸承部件的鋼和方法

專利名稱：制造軸承部件的鋼和方法
技術領域：
本發明涉及一種軸承部件的制造方法，并且特別涉及一種用于滾珠，滾針或者滾柱軸承的軸承座圈的制造。
軸承部件，比如軸承座圈、滾珠、滾針、或滾柱，通常是由100Cr6或100CrMn6鋼制造的，該鋼包含0.6％-1.5％的碳，1.3％-1.6％的鉻，0.3％-1％的鎂和不足0.4％的硅和極少的夾雜物。該鋼以軋制的條材、無縫鋼管或者線材形式使用，將其切割成坯段，該坯段在機加工之前通過熱的或者冷的塑性變形成形然后淬火和退火。用這種方式獲得的該部件至少在通常的使用條件，尤其是在不足150℃的工作溫度下很硬而且具有抵抗軸承疲勞必需的斷裂韌性。然而，獲得的部件在逐漸變得更為普遍的更嚴酷的服役條件下抗軸承疲勞特性不足。這些更嚴酷的服役條件的特征尤其是在于150℃以上的操作溫度并且可能高達350℃，和/或軸承表面由于壓入而發生劣化。該現象在于發生由壓入即由在潤滑劑中的硬顆粒引起變形導致的表面裂紋出現。
已經提出了使用很硬的材料例如陶瓷或硬材料的沉積物來限制壓入的影響。然而，這種技術的缺點是可靠性較差，因為這些材料太脆并且其易碎的性質使得它們對極小的缺陷非常敏感。
還提出了使用包含尤其是從0.3％到0.6％的碳，從3％到14％的鉻，從0.4％到2％的鉬，從0.3％到1％的釩和不足2％鎂的鋼，例如參見美國專利5,030,017。該部件在軸承表面附近進行了滲碳或者碳氮共滲，以獲得碳和氮濃度之和在0.03％到1％的范圍，然后淬火，以使在占該部件體積10％到25％的表面層中的顯微組織包含從20％到50％體積的殘余奧氏體。這種技術有兩個缺點需要使用高合金元素含量的鋼，這使其因此而造價昂貴；和需要費時的和昂貴的滲碳或者碳氮共滲處理。
還已經在德國專利申請DE 195 24 957中提出了使用一種鋼，該鋼包含從0.9％到1.3％的碳，從0.6％到1.2％的硅，從1.1％到1.6％的鎂和從1.3到1.7％的鉻，剩余部分為鐵和生產中的雜質，這種鋼的組織包含7％到25％的殘余奧氏體。然而，由于其化學組成，該鋼在可澆鑄性、適合冷成形的能力或者殘余奧氏體的濃度和穩定性方面沒有提供保證。改善抗壓入疲勞性能所需具體的殘余奧氏體含量也需要對由這種鋼制造的軸承進行困難的熱處理，包括將其在淬火和退火之間在大致100℃保持十小時以上，而不是在淬火之后或者退火之前返回到室溫。此外，在低于循環彈性極限的多向加載條件下，該奧氏體只有在低于120℃的熱應力下可穩定2000小時以上，這對一些應用場合太低。
本發明的目的是克服上述的缺點，使用相對標準的熱處理提出制造軸承部件的經濟方法，該部件能抵抗壓入，尤其是當其局部或者偶然地使用在300℃以上的溫度時，而且它并不非常脆。
為此，本發明包括一種用于制造軸承部件的鋼，其特征在于其化學組成包含，按重量計算0.6％≤C≤1.5％0.4％≤Mn≤1.5％0.75％≤Si≤2.5％0.2％≤Cr≤2％0％≤Ni≤0.5％0％≤Mo≤0.2％0％＜Al≤0.05％0％＜Ti≤0.04％S≤0.04％剩余部分為鐵和工藝過程中引入的雜質，所述組成另外符合下列條件Mn≤0.75+0.55×SiMn≤2.5-0.8×Si該鋼的化學組成優選分別為或，更好的是同時為
0.8％≤Mn≤1.2％0.8％≤Si≤1.7％和0.9％≤C≤1.1％1.3％≤Cr≤1.6％硅含量優選大于1.2％。本發明人意外地發現如果硅含量大于1.2％并且同時錳含量小于1.5％，并且優選不足1.2％但是大于0.8％時，奧氏體的穩定性可顯著地得以改善。
本發明還涉及一種制造軸承部件的方法，其中-生產根據本發明鋼制造的一種半成品，-對該半成品進行熱的塑性變形成形以獲得一種產品坯體，更特別地是一種無縫鋼管坯體，-對該產品坯體進行球化處理，包括將其加熱到750℃到850℃之間的范圍，隨后以10℃/小時最大冷卻速度冷卻到650℃，以獲得一種Vickers硬度小于270HV的并且包括細小彌散分布的碳化物的組織，并且，可能地，通過冷塑性變形例如冷軋或者冷拉拔進行成形，以獲得一種產品，-從該產品切割一段鋼料并且對其通過熱的或者冷的塑性變形或者通過機加工進行成形以獲得軸承部件坯體，并且-在800℃到950℃溫度范圍內奧氏體化之后通過冷卻，例如在油中，對該軸承部件坯體進行淬火熱處理，并且在100℃到400℃溫度范圍并優選在250℃以下進行退火熱處理，以獲得一種軸承部件，該部件的組織具有在58 HRC到67 KRC范圍的Rockwell C硬度并且其包括殘余碳化物、馬氏體和5％到30％的殘余奧氏體。
一方面，本發明最后涉及由本發明鋼制造的無縫鋼管，和另一方面，涉及由本發明鋼制造的軸承部件，其具有由殘余碳化物、馬氏體以及5％到30％殘余奧氏體組成的組織，其中殘余奧氏體直到至少400℃是熱穩定的。
以不加限制的方式和通過實施例現在更詳細地描述本發明。
為了例如由無縫鋼管制造一種具有高抗壓入能力的軸承部件例如軸承座圈或軸承體，使用一種鋼，其化學組成按重量計包含-0.6％以上和優選0.9％以上的碳，以獲得足夠的硬度和足夠的殘余奧氏體，但小于1.5％和優選小于1.1％以防止過分的偏析并且限制形成一次碳化物，-0.75％以上，優選0.8％以上并且甚至更優選1.2％以上的硅，以改善殘余奧氏體在高溫下(在大約170℃到大約450℃的范圍，而且優選在300℃以上)的硬度和穩定性，但是應小于2.5％并且優選小于1.7％，因為如果硅含量太高，該鋼變得非常脆，特別是在塑性變形成形時，-0.4％以上并且優選0.8％以上的錳，以獲得一種包含5％以上并且優選15％以上殘余奧氏體的淬火組織；錳含量應為Mn≤0.75+0.55×Si，以獲得優良的可澆鑄性而又不難于獲得充分地干凈的鋼以保證高抗滾動疲勞性能，并且使得-Mn≤2.5-0.8×Si，以能夠通過冷塑性變形精整和定形；由上述的條件可見錳含量應小于1.5％并且優選少于1.2％。
-0.2％到2％并且優選1.3％到1.6％的鉻以獲得足夠的淬透性和形成均勻分布并且足量的具有小于2μm尺寸的球狀半碳化物，-小于0.5％的鎳，它并非是不可缺少的殘余元素，但是它在淬透性上具有有利作用，-小于0.2％的鉬，它減緩退火軟化，和-不超過0.05％的鋁和小于0.04的硫，剩余部分為鐵和工藝過程中引入的雜質。
鑄造該鋼并且可以進行軋制以制造一種半成品，當由無縫鋼管制造軸承座圈時該半成品為圓管。
然后通過熱的塑性變形，對該半成品進行成形以獲得產品坯體，例如通過熱軋獲得無縫鋼管。
然后對該產品坯體進行球化熱處理，包括將其加熱到750℃到850℃的溫度范圍，隨后以10℃/小時的最大冷卻速度冷卻到650℃，以獲得具有小于270HV的Vickers硬度并且包括細小彌散分布的碳化物的組織。該熱處理對于使鋼具有優良的冷塑性變形定形性能和優良的機加工定形性能是很必要的，例如用于制造冷軋或者冷拉拔產品的工藝中。可以是無縫鋼管的所述產品的特征在于它具有精確的尺寸。它用于制造部件坯體，例如軸承座圈坯體。
對所述產品切割得到的料段進行熱或者冷的成形或者進行機加工，最后進行由淬火和退火組成的熱處理以制造部件坯體。這樣就獲得一種軸承部件。調整淬火之前的高于800℃的奧氏體化溫度，以獲得一種由馬氏體、5％到30％殘余奧氏體和殘余碳化物組成的淬火后的組織。用于獲得高抵抗壓入能力所不可缺少的的殘余奧氏體的含量取決于馬氏體轉變起始溫度Ms的值，Ms值又取決于鋼的組成和奧氏體化條件。熟練技術人員知道如何確定這些參數，例如利用膨脹測量試驗。嚴格來說退火是一種去應力工序，其通過加熱到100℃以上的溫度完成，以便穩定組織，但是應在400℃以下并且優選在250℃以下，以便不使殘余奧氏體失穩。
在第一個實施例中，進行十個實驗室澆鑄試驗，兩個按照本發明(A和B)和八個用于比較(C，D，E，F，G，H，I和J)。在這些澆鑄試樣中此外還包括標準100Cr6鋼，這些試樣基本上是為了揭示合金元素對軸承鋼各種性能的影響并且具有下列化學組成(以重量百分比表示，但是只示出主要元素，其余為鐵和雜質)
該鋼鑄造成65公斤的鋼錠，將其軋制成20×20毫米正方條，然后通過在珠光體向奧氏體的轉變結束時溫度30℃以上的溫度保持一個小時進行球化處理，隨后以在8℃和10℃每小時之間的速率冷卻到650℃，隨后在空氣中冷卻到室溫。然后通過在600℃測量CVN沖擊強度，單位為daJ/cm2，評價冷成形性能；如果該沖擊強度高于4.2daJ/cm2則冷成形性能優良，否則該性能差。然后，將鋼坯段在895℃奧氏體化之后在冷油中淬火，并且測量殘余奧氏體量τ和該殘余奧氏體開始失穩的溫度θ。
還評價了可澆鑄性。結果如下。
結果表明，只有本發明澆鑄樣品A和B具有所有的必需的性能，即優良的可澆鑄性，好的冷變形性能，高含量的殘余奧氏體和高溫下穩定的組織；這后兩個特性顯著優于標準100Cr6鋼相應的特性。
而且，在單調變形和循環壓縮下殘余奧氏體穩定性試驗表明-對于硅含量大于1％的澆鑄樣品，當經受相當于1400Mpa剪應力的壓縮應力時殘余奧氏體保持穩定；而在相同的條件下，100Cr6鋼(包含小于0.5％Si)中50％殘余奧氏體已發生失穩并且-在對殘余奧氏體進行的循環壓縮應力(其應力相當于200Hz下，在25MPa到1025MPa范圍之間的剪應力)失穩試驗中，對于包含大約1％錳和1.5％硅的澆鑄樣品(澆鑄樣品A)在1百萬次循環后不發生失穩。
第二個實施例為本發明鋼的工業澆鑄樣品，用它制造軸承座圈。該鋼的化學組成為，按重量計算C＝0.9％Si＝1.25％
Mn＝1％Cr＝1.4％Ni＝0.25％Mo＝0.015％剩余部分為鐵和工藝過程中引入的雜質。
澆鑄該鋼并且軋制成100毫米直徑圓管。
該圓管在兩個軋輥之間熱穿軋，然后熱軋以獲得外徑和內徑分別為67.5毫米和36.5毫米的無縫鋼管坯體。通過保持在800℃二小時對該管坯體進行球化處理隨后以10℃每小時冷卻到650℃以獲得240HB的Brinell硬度。然后冷軋該管坯體以獲得外徑和內徑分別為42.9毫米和22.7毫米的無縫鋼管。
切割該管得到軸承座圈，進行機加工然后在900℃奧氏體化之后進行油淬，并且在200℃對其進行退火以獲得包含18％殘余奧氏體的組織。
對預先在軌道上壓入兩個對稱布置的Vickers壓痕的軸承座圈利用高赫茲-壓力鄰接疲勞型(Hertz high-pressure abutment fatigue type)試驗，并測量其起皮次數，進行抗壓入能力試驗。比較按照本發明的和由100Cr6鋼制造的現有技術的軸承座圈壓痕的對角線長度，它們分別為267微米和304微米。本發明和現有技術軸承座圈的Rockwell C硬度均為63 HRC。
結果如下
這些結果表明本發明的軸承座圈對于大壓痕具有兩倍以上的使用壽命。
本發明的鋼特別地適于由無縫鋼管制造軸承座圈，但是同樣地也適于從軋制棒材或者線材制造軸承座圈、滾珠、滾柱和滾針。所述部件可以通過熱的或者冷的塑性變形或者通過機加工進行成形。
權利要求
1.一種用于制造軸承部件的鋼，其特征在于其化學組成包含，按重量計算0.6％≤C≤1.5％0.4％≤Mn≤1.5％0.75％≤Si≤2.5％0.2％≤Cr≤2％0％≤Ni≤0.5％0％≤Mo≤0.2％0％＜Al≤0.05％S≤0.04％其余為鐵和工藝過程中引入的雜質，所述組成還符合下列條件Mn≤0.75+0.55×SiMn≤2.5-0.8×Si。
2.根據權利要求1的鋼，其特征在于其化學組成中0.8％≤Mn≤1.2％0.8％≤Si≤1.7％
3.根據權利要求1或者2的鋼，其特征在于其化學組成中Si≥1.2％
4.根據權利要求1的鋼，其特征在于其化學組成中0.9％≤C≤1.1％1.3％≤Cr≤1.6％
5.根據權利要求4的鋼，其特征在于其化學組成中0.8％≤Mn≤1.2％0.8％≤Si≤l.7％
6.根據權利要求4或者5的鋼，其特征在于其化學組成中Si≥1.2％
7.制造軸承部件的方法，其特征在于-獲得一種根據權利要求1-6任何一項的鋼制造的半成品，-對該半成品進行熱的塑性變形成形以獲得一種產品坯體，更特別地是一種無縫鋼管坯體，-對該產品坯體進行球化處理，包括將其加熱到750℃與850℃之間的范圍，隨后以10℃/小時最大冷卻速度冷卻到650℃，以獲得一種Vickers硬度小于270HV并且包括細小彌散分布的碳化物的組織，并且可能地通過冷塑性變形，例如冷軋或者冷拉拔進行成形以獲得一種產品，-切割該產品得到一鋼料段并且對其通過熱的或者冷的塑性變形或者通過機加工進行成形以獲得軸承部件坯體，并且-在800℃到950℃溫度范圍內奧氏體化之后對該軸承部件坯體進行等溫淬火或者冷卻熱處理，例如油冷，并且在100℃到400℃溫度范圍并且優選在250℃以下進行退火熱處理，以獲得一種軸承部件，該部件的組織具有58 HRC到67 HRC范圍的Rockwell C硬度并且其包括殘余碳化物、馬氏體和5％到30％的殘余奧氏體。
8.根據權利要求7的方法，其特征在于所述產品是無縫鋼管。
9.根據權利要求1-6任何一項的鋼制造的無縫管。
10.根據權利要求1-6任何一項的鋼制造的軸承部件，具有包含碳化物、馬氏體和5％到30％的殘余奧氏體的組織。
11.根據權利要求10的部件，其特征在于它是軸承座圈。
全文摘要
公開了用于制造滾珠軸承部件的鋼。該鋼的化學組成如下,以重量百分比計:0.6%≤C≤1.5%、0.4%≤Mn≤1.5%、0.75%≤Si≤2.5%、0.2%≤Cr≤2%、0%≤Ni≤0.5%、0%≤Mo≤0.2%、0%< Al≤0.05%、S≤0.04%;其余為鐵和工藝過程中引入的雜質。所述組成還滿足以下關系:Mn≤0.75+0.55×Si和Mn≤2.5－0.8×Si。還公開了制造滾珠軸承部件的方法。
文檔編號F16C33/64GK1251622SQ9880382
公開日2000年4月26日 申請日期1998年4月1日 優先權日1997年4月4日
發明者J·貝魯斯, G·鮑德里, G·杜德拉格恩, D·吉羅丁, G·扎科布, A·溫森特, G·勞曼德 申請人:阿斯克邁塔爾公司, Snr軸承公司, 韋爾蒂－滾筒制造有限公司