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CN104662192B - 亚共析轴承合金 - Google Patents

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CN104662192B CN201380050233.6A CN201380050233A CN104662192B CN 104662192 B CN104662192 B CN 104662192B CN 201380050233 A CN201380050233 A CN 201380050233A CN 104662192 B CN104662192 B CN 104662192B
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Abstract

本发明提供了一种钢合金，其包含0.6～0.9重量％的碳、0.1～0.5重量％的硅、0.1～1.5重量％的锰、1.5～2.0重量％的铬、0.2～0.6重量％的钼、0～0.25重量％的镍、0～0.3重量％的铜、0～0.2重量％的钒、0～0.2重量％的钴、0～0.2重量％的铝、0～0.1重量％的铌、0～0.2重量％的钽、0～0.05重量％的磷、0～0.03重量％的硫、0～0.075重量％的锡、0～0.075重量％的锑、0～0.075重量％的砷、0～0.01重量％的铅、最大350ppm的氮、最大100ppm的氧、最大50ppm的钙、最大50ppm的硼、最大50ppm的钛、余量铁以及任何其它不可避免的杂质，其中所述合金包含重量比例为0.4≤Mo/Si≤6.0的钼和硅和重量比例为0.1≤Mo/Cr≤0.4的钼和铬。

Description

亚共析轴承合金
技术领域
本发明广义上涉及合金领域，涉及淬透钢的轴承钢组合物(bearing steelcomposition)，其中碳含量小于或基本等于其共析点时的碳含量。
背景技术
轴承是在两个部件之间允许限制性相对运行的装置。滚动元件轴承包括内部或外部滚道(raceway)和若干个设置在其间的滚动元件(滚球或滚子)。为了长期的可靠性和性能，重要的是若干个元件对滚动疲劳、磨损和蠕变有耐受性。轴承钢的重要特性是淬透性，即在使合金经历热处理过程后，使合金硬化所达的最大深度。
轴承钢类型的一个实例是DIN 1.3536(100CrMo7-3(W5))。然而，仍有改进的空间。
发明内容
本发明的目的在于定义上述类型的钢合金组合物，其中抑制在奥氏体相区域中的渗碳体相，有利于更希望和更稳定的富Cr碳化物、例如M7C3，其中M是(Cr,Fe,Mo,Mn)。在本发明中，相比于常规的M3C(渗碳体，或合金渗碳体)，化学计量的M7C3赋予了抑制奥氏体晶粒过度生长的优势。另外，化学计量的M7C3在由所述钢合金制造的淬透轴承构件中导致更好的机械性质和对滚动接触疲劳的改进的耐受性。
通过包含以下组分的合金实现了上述目的：
0.6～0.9重量％的碳，
0.1～0.5重量％的硅，
0.1～1.5重量％的锰，
1.5～2.0重量％的铬，
0.2～0.6重量％的钼，
0～0.25重量％的镍，
0～0.3重量％的铜，
0～0.2重量％的钒，
0～0.2重量％的钴，
0～0.2重量％的铝，
0～0.1重量％的铌，
0～0.2重量％的钽，
0～0.05重量％的磷，
0～0.03重量％的硫，
0～0.075重量％的锡，
0～0.075重量％的锑，
0～0.075重量％的砷，
0～0.01重量％的铅，
最大350ppm的氮，
最大100ppm的氧，
最大50ppm的钙，
最大50ppm的硼，
最大50ppm的钛，
余量铁以及任何其它不可避免的杂质，其中所述合金包含重量比例为0.4≤Mo/Si≤6.0的钼和硅和重量比例为0.1≤Mo/Cr≤0.4的钼和铬。
现在将进一步描述本发明。在以下段落中更加详细地定义了本发明的不同方面。所定义的每个方面可以和其它任何一个或若干个方面相结合，除非明确给出相反的说明。特别地，指明为优选的或有利的任何特征可以和指明为优选的或有利的其它任何一个或若干个特征相结合。
在本发明中，钢合金组合物包含0.6～0.9重量％的碳、优选0.7～0.8重量％的碳、更优选0.72～0.78重量％的碳。和其它合金元素相结合，这导致了所需的显微结构。亚共析轴承钢的相对低的碳含量影响钢的淬透性，并可能限制钢在具有中等壁厚的构件(例如轴承套圈)的应用性。为了绕开所述可能的问题，使钢合金的锰含量和钼含量接近于在上述DIN 1.3536钢中对这些元素通常规定的范围的上限。
钢组合物包含1.5～2重量％的铬。除对淬透性具有积极影响外，在热力学计算期间发现铬含量极大地影响在硬化期间能够得到的碳化物的类型，因为若浓度过低，就稳定了不想要的渗碳体相。因此，合金包含至少1.5重量％的铬。另一方面，必须限制铬含量以例如在硬化期间在奥氏体相中固溶体中保证足够的碳。为了使奥氏体在较低的温度下转化成足够硬的结构(从57HRC至63HRC)，它必须具有足够的溶解性碳和氮。因此，钢合金包含最大2.0重量％的铬。钢组合物优选包含1.5～1.8重量％的铬，更优选1.6～1.7重量％的铬。
钢组合物包含0.2～0.6重量％的钼，优选0.3～0.5重量％的钼，更优选0.3～0.4重量％的钼。钼可以起到避免晶界脆化的作用。然而，更高的钼含量可能导致大量的奥氏体保留在结构中。
在0.1和0.4之间的Mo/Cr比例增强了富Cr碳化物的热力学稳定性。更优选地，Mo/Cr比例位于0.15和0.3之间。
钢合金组合物包含0.1～0.5重量％的硅，优选0.1～0.4重量％的硅，更优选0.2～0.3重量％的硅。和其它合金元素相结合，这形成了所需的显微结构，其具有最小含量的所保留的奥氏体含量。硅有助于抑制渗碳体的沉淀和碳化物的形成。然而，过高的碳含量可能导致不希望的表面氧化物和差的表面光洁度。鉴于这个原因，最大的硅含量为0.5重量％。具有高硅含量的钢因该元素的抑制碳化物(carbide-suppressing)的特性而倾向于在其经硬化的结构中保留更多的奥氏体。因此，可降低钢的硅浓度以减少所保留的奥氏体含量。
在0.4和6.0之间的Mo/Si比例有助于保证在钢固化期间偏析减少。更优选，Mo/Si比例在0.5和3.0之间。
钢合金组合物包含0.1～1.5重量％的锰，优选0.1～1.0重量％的锰，更优选0.5～1.0重量％的锰，还更优选0.7～0.9重量％的锰。相对于铁素体，锰起到增加奥氏体稳定性的作用。锰也可以起到改进淬透性的作用。
由于钢碳含量较少，在硬化期间保留的碳化物的总百分比通常较小，这具有在制造中实施较低的硬化温度的优势，同时明显地成本节省。另一方面，在奥氏体化期间所保留的碳化物越少，对机械性质和疲劳有害的奥氏体晶粒生长的风险越高。
为了阻止在硬化期间任何可能的过度奥氏体晶粒生长，认为有利的是，加入微合金添加剂和氮使得形成小的、非常细的沉淀物，其钉住(pin)原先的奥氏体晶界。为了这一目的，可以加入元素V、Ta、Nb和N以形成MX[M：(V,Cr,Nb/Ta,Fe)；X：主要是N以及一些C]。
因此，在一些实施方式中，加入氮使得钢包含50～350ppm的氮，优选100～350ppm的氮。在其它实施方式中，没有刻意加入氮。但是，由于暴露于环境中，合金必然仍可以包含至少50ppm的氮。
优选地，钢合金包含外加的氮，进一步包含以如下重量百分比计的下列合金元素中的一种或多种：最大0.2重量％的钒；最大0.1重量％的铌；和最大0.2重量％的钽。
当钢合金包含钒和铌时，这些合金元素优选以2.0≤V/Nb≤6.0的重量比例存在。该比例保证了富V沉淀物的良好热力学稳定性并使它们的细化(refinement)增强。优选地，V/Nb比例在3.0和5.0之间。
当钢合金包含钒和钽时，这些合金元素优选以1.0≤V/Ta≤12.0的重量比例存在。该比例保证了富V沉淀物的良好热力学稳定性并使它们的细化增强。优选地，V/Ta比例在1.5和4.0之间。
铌和钽在富钒和富氮沉淀物中的刻意溶解是有利的，因为这使它们更加稳定。所述富钒和富氮沉淀物甚至比M7C3更加稳定。
在本工作中，已经发现富钒和富氮沉淀物显著地改进了最终轴承钢结构的强度和硬度，这导致对滚动接触疲劳更好的耐受性。
在包含钒和外加氮的钢合金的实例中，富钒和富氮沉淀物的形成优于钒碳化物的形成，因为前者热力学上更加稳定。对于给定分数的钒碳化物和钒氮化物，钒氮化物倾向于更小、更稳定并由此在钉住原先的奥氏体晶界方面更有效。富钒和富氮沉淀物还更加有助于强化轴承钢结构。
优选地，钢合金包含不超过0.1重量％的铝。更优选地，钢合金不含铝，特别是当钢合金包含微合金元素(V和/或Nb和/或Ta)中的一种或多种。存在铝是不希望的，因为铝氮化物的形成能够导致氮的损失。然而，当存在少量铝是不可避免时，合金适当地包含重量比例为0.014≤Al/N≤0.6、优选0.014≤Al/N≤0.1的铝和氮。该比例保证不是全部氮和铝结合，剩下一些可用于得到例如富V沉淀物的氮，由此细化(refining)和稳定它们。
如上所述，钢组合物还可以任选地包括下列元素中的一种或多种：
0～0.25重量％的镍(例如0.02～0.2重量％的镍)
0～0.3重量％的铜(例如0.02～0.2重量％的铜)
0～0.2重量％的钒(例如0.05～0.2重量％的钒)
0～0.2重量％的钴(例如0.05～0.2重量％的钴)
0～0.2重量％的铝(例如0.05～0.1重量％的铝)
0～0.1重量％的铌(例如0.05～0.1重量％的铌)
0～0.2重量％的钽(例如0.05～0.2重量％的钽)
0～0.035重量％的氮(例如50～350ppm的氮)
要理解本文所指的钢合金可以包含不可避免的杂质，尽管总的来说，这些杂质不可能超过组合物的0.3重量％。优选地，合金包含含量为不超过组合物的0.1重量％的不可避免的杂质，更优选不超过组合物的0.05重量％。特别地，钢组合物也可能包含一种或多种杂质元素。杂质的非详尽列表包括例如：
0～0.05重量％的磷
0～0.03重量％的硫
0～0.075重量％的砷
0～0.075重量％的锡
0～0.075重量％的锑
0～0.01重量％的铅
0～0.005重量％的硼。
钢合金组合物优选包含少量或不包含硫，例如0～0.015重量％的硫。
钢合金组合物包含少量或不包含磷，例如0～0.025重量％的磷。
钢组合物优选包含小于等于15ppm的氧。氧可能以杂质存在。钢组合物优选包含小于等于30ppm的钛。钛可能以杂质存在。钢组合物优选包含小于等于10ppm硼。硼可能以例如1～5ppm的杂质存在。
钢组合物优选包含小于等于30ppm的钙。该可能以杂质存在但是也可以故意以例如1～3ppm的非常少的量被加入。
钢合金组合物可以基本由所述元素组成。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组合物中，只要这些元素的存在不会实质地影响组合物的基本性质。
根据本发明的另一方面，提供了包含如本文所述的钢合金的轴承构件。能够使用所述钢的轴承构件的实例包括滚动元件(滚球或滚子)、内圈或外圈。本发明也提供包括如本文所述的轴承构件的轴承。
根据本发明的第三方面，提供了包含如本文所述的钢合金的发动机构件、装甲构件、齿轮构件或火车轨道构件。该材料也可以应用于海洋和航空应用，例如齿轮(gears)和轴(shafts)的应用。
现在将以示例的方式参考合适的钢合金热处理进一步描述本发明。
通常在800～890℃温度范围内对由本发明的钢合金制造的轴承构件实施奥氏体化(硬化)10～60分钟。奥氏体经细化(refined)的富铬碳化物主要在奥氏体化阶段的末端(刚要后续冷却的之前)存在。任选地，正如前述部分所说明的，富钒含氮沉淀物也可能在硬化期间存在，并优选地包含使它们更加稳定的铌和钽。所述钒沉淀物将有助于细化奥氏体晶粒，特别是在当为制造厚轴承构件部分所要求的更大淬透性时所通常使用的更高的奥氏体化温度下和/或长保留时间。经细化的晶粒会导致最终的轴承钢产品更好的韧性以及更高的强度和硬度。
奥氏体化之后，即刻使用合适的介质对轴承构件进行淬火，使得在冷却期间避免了全部的再生转变产物，并在钢的显微结构中获得马氏体、贝氏体(贝氏体-铁素体)或两者，同时在回火含马氏体的构件之后或者在贝氏体转变已经停止之后只有少量的保留奥氏体剩余。此后，通常将轴承构件冷却至室温。
可以采用后续的深度冷冻(deep-freezing)和/或回火以进一步减少所保留的奥氏体成分，这保证更高的硬度和强度，以及对滚动接触疲劳的耐受性有积极作用。此外，发现较低的保留奥氏体含量改进了轴承构件的尺寸稳定性，使它们能够在应用温度高于平常的要求苛刻的轴承应用中使用。
附图说明：
现在以非限制性实例的方式结合附于本文的附图描述本发明。
图1：钢1随温度变化的M7C3质量分数。
图2：钢3随温度变化的M7C3和富钒、富氮沉淀物质量分数。
图3：曲线图示出了所采用的球化-退火(spheroidise-annealing)进度的实例。
图4：SEM显微照片示出了在球化-退火之前(左图)和之后(右侧)的钢A。
图5：钢A、钢B和常规的100CrMo7-3的淬透性数据的对比。
图6：曲线图示出了钢合金如何能够转变为贝氏体的实例。
图7：SEM显微照片示出了由在885℃/120min下奥氏体化的钢A得到的贝氏体显微结构。
实施例：
现在将参照以下非限制性实施例来解释本发明。
钢1，包含以重量％计的
C:0.75
Si:0.2
Mn:0.8
Mo:0.35
Cr:1.65
Ni:最大0.25
Cu:最大0.30
P:最大0.01
S:最大0.015
As+Sn+Sb:最大0.075
Pb:最大0.002
Al:最大0.050
Fe:余量
氧含量应该小于10ppm，Ti含量小于30ppm，并且Ca含量小于10ppm。氮以痕量元素(至少50ppm)存在。As的上限是0.04重量％。Mo/Si比例为1.75。Mo/Cr比例为0.21。
使用Thermo-Calc(TCFE6)的热力学计算示于图1中，图1描绘了随温度变化的M7C3的质量分数。
钢2，包含以重量％计的
C:0.75
Si:0.2
Mn:0.8
Mo:0.35
Cr:1.65
V:0.1
N:0.02
Ni:最大0.25
Cu:最大0.30
P:最大0.01
S:最大0.015
As+Sn+Sb:最大0.075
Pb:最大0.002
Al:最大0.001
Fe:余量
氧含量应该小于10ppm，Ti含量小于30ppm，并且Ca含量小于10ppm。As的上限是0.04重量％。Mo/Si比例为1.75。Mo/Cr比例为0.21。Al/N比例为0.05。
钢3，包含以重量％计的
C:0.75
Si:0.2
Mn:0.8
Mo:0.35
Cr:1.65
V:0.08
Nb:0.02
N:0.02
Ni:最大0.25
Cu:最大0.30
P:最大0.01
S:最大0.015
As+Sn+Sb:最大0.075
Pb:最大0.002
Al:最大0.001
Fe:余量
氧含量应该小于10ppm，Ti含量小于30ppm，并且Ca含量小于10ppm。As的上限是0.04重量％。Mo/Si比例为1.75。Mo/Cr比例为0.21。Al/N比例为0.05。V/Nb比例为4。
使用Thermo-Calc(TCFE6)的热力学计算示于图2中，图2描绘了随温度变化的M7C3的和富钒、富氮沉淀物的质量分数。
钢4，包含以重量％计的
C:0.75
Si:0.2
Mn:0.8
Mo:0.35
Cr:1.65
V:0.08
Ta:0.02
N:0.02
Ni:最大0.25
Cu:最大0.30
P:最大0.01
S:最大0.015
As+Sn+Sb:最大0.075
Pb:最大0.002
Al:最大0.001
Fe:余量
氧含量应该小于10ppm，Ti含量小于30ppm，并且Ca含量小于10ppm。As的上限是0.04重量％。Mo/Si比例为1.75。Mo/Cr比例为0.21。Al/N比例为0.05。V/Ta比例为4。
钢5，包含以重量％计的
C:0.75
Si:0.4
Mn:0.8
Mo:0.35
Cr:1.65
Ni:最大0.25
Cu:最大0.30
P:最大0.01
S:最大0.015
As+Sn+Sb:最大0.075
Pb:最大0.002
Al:最大0.050
Fe:余量
氧含量应该小于10ppm，Ti含量小于30ppm，并且Ca含量小于10ppm。As的上限是0.04重量％。Mo/Si比例为0.875。Mo/Cr比例为0.21。
下文其它实验结果以示例的方式进一步描述本发明。熔融钢(含有和不含钒)的实例。在以下表1中给出了化学组分(全部以重量％计，除*标记的以ppm计)。也给出了对照钢100CrMo7-3的化学组分。每种钢类型以1m长、直径的棒形态、在如热锻条件下供应。钢棒的总数目分别为7。在如热锻条件下的钢表现出完全的珠光体结构，如所预期的。
元素，重量％ 钢A 钢B 100CrMo7-3
C 0.73 0.73 0.97
Si 0.20 0.21 0.26
Mn 0.81 0.82 0.66
Cr 1.63 1.68 1.79
Ni <0.001 <0.001 0.11
Mo 0.36 0.36 0.26
Cu 0.006 0.005 0.206
V 0.106 0.003 0.009
P 0.007 0.006 0.006
S 0.010 0.010 0.004
Al 0.006 0.033 0.028
As 0.001 0.001 0.015
Sn 0.001 0.001 0.011
Sb <0.0015 <0.0015 0.0025
Ti* 15 15 16
B* 4 4 2
Pb* <5 <5 <5
Ca* 1 1 2
N* 118 79 50
O* 8.3 6.0 3.7
表1
然后，对钢进行球化-退火以利于更简单的机械加工和更好的响应于随后的热处理(硬化)步骤。在图3中的曲线图示出了所采用的球化-退火进度的实例。
根据本发明的钢的淬透性是重要的方面，并根据ASTM标准测试规格A255–10进行评估。经评估的结构是未回火的马氏体。
图5中的曲线图清楚地表明，相比于具有约1重量％碳的对照性现有轴承钢，具有约0.75重量％碳的钢A和钢B的优异淬透性。
微合金添加剂、例如钒和氮的加入意味着相比于对照钢，提高奥氏体化温度是可行的，而不会有过度的奥氏体晶粒生长的风险。这能够导致在更大的深度处的优异淬透性，或者更厚的轴承构件的优异淬透性。
另外，由根据本发明的钢合金组合物所显示的淬透性的更加缓慢的下降允许在整个轴承构件部分更好的硬度均匀度。这使得在热处理期间针对构件生长更好的预见性，这导致能更容易地设定随后阶段的磨削余量。
除转变为马氏体外，依据以下图6和表2所呈现的示意性图表也将钢转变为贝氏体。
表2
正如在表2中可以看出的，由根据本发明的钢得到的贝氏体结构的硬度不是显著区别于在对照轴承钢测量的硬度。然而，为了改进硬度，发现稍长的贝氏体转变时间是必要的。
图7提供示出了由在885℃/120min下奥氏体化的钢A得到的贝氏体显微结构的SEM显微照片。
以解释和阐述的方式已经提供了前述详细的说明书，而不是意图限制所附权利要求的范围。在本文所述的现有优选实施方式中的许多变量对于本领域普通技术人员是显而易见的，并落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (13)

1.一种钢合金，其包含：
0.6～0.9重量％的碳，
0.2～0.5重量％的硅，
0.7～1.5重量％的锰，
1.5～2.0重量％的铬，
0.2～0.4重量％的钼，
0～0.25重量％的镍，
0～0.3重量％的铜，
0.05～0.2重量％的钒，
0～0.2重量％的钴，
0～0.2重量％的铝，
0～0.1重量％的铌，
0～0.2重量％的钽，
0～0.05重量％的磷，
0～0.03重量％的硫，
0～0.075重量％的锡，
0～0.075重量％的锑，
0～0.075重量％的砷，
0～0.01重量％的铅，
50～350ppm的氮，
最大100ppm的氧，
最大50ppm的钙，
最大50ppm的硼，
最大50ppm的钛，
余量铁以及任何其它不可避免的杂质，其中所述合金包含重量比例为0.4≤Mo/Si≤6.0的钼和硅和重量比例为0.1≤Mo/Cr≤0.3的钼和铬，和其中所述合金中的铝对氮的重量比为0.014≤Al/N≤0.6。
2.权利要求1所述的钢合金，其包含0.7～0.8重量％的碳。
3.权利要求1或2所述的钢合金，其包含重量比例为0.5≤Mo/Si≤3.0的钼和硅。
4.权利要求1或2所述的钢合金，其包含重量比例为0.15≤Mo/Cr≤0.3的钼和铬。
5.权利要求1或2所述的钢合金，其中所述合金包含至少100ppm的氮。
6.权利要求1或2所述的钢合金，其中所述合金包含重量比例为2.0≤V/Nb≤6.0的钒和铌。
7.权利要求6所述的钢合金，其中所述合金包含重量比例为3.0≤V/Nb≤5.0的钒和铌。
8.权利要求1或2所述的钢合金，其中所述合金包含重量比例为1.0≤V/Ta≤12.0的钒和钽。
9.权利要求8所述的钢合金，其中所述合金包含重量比例为1.5≤V/Ta≤4.0的钒和钽。
10.权利要求1或2所述的钢合金，其包含最大0.1重量％的铝。
11.权利要求2所述的钢合金，其包含0.72～0.78重量％的碳。
12.轴承构件，其由前述权利要求中任一项所述的钢合金制造。
13.发动机构件、装甲构件、齿轮构件或铁路轨道构件，其由权利要求1～11中任一项所述的钢合金制造。
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