长寿命渗碳轴承钢 本发明涉及一种长寿命渗碳轴承钢。具体地说，本发明涉及的钢由一种渗碳-淬火工艺过程生产，适用于轴承部件如外环、内环、滚珠等，在高负荷条件下应用。
更大功率的汽车发动机及近年来所制订的更加严格的环境法规，对于提高轴承部件的滚动疲劳寿命提出了强烈的要求。为了适应这些要求，已可通过提高钢的洁净程度来实现更长的服役寿命，因为滚动疲劳破坏被认为是以非金属夹杂物为起始点而产生的。例如，据JapanInstitute of Metals(日本金属学会)32卷6期411-443页报道，可以以一种偏心炉底出钢(渣)技术及一种RH真空除气法等相结合，来减少氧化物类夹杂物，从而改善滚动疲劳寿命。然而，这种材料的寿命并不总是足够长，特别是当轴承在高负荷条件下使用时，需要开发服役寿命更长的钢种。
作为该领域中地一个钢种，以SUJ2(据JIS)为例，通常都作为有较好滚动疲劳寿命的钢种使用。为了改进该轴承钢的可切削性，日本未审专利公报(公开)55-145148号公开了一种含碲的轴承钢，日本未公开专利公报(公开)1-255651号公开了一种添加了REM的轴承钢。但是，对于这些钢在高负荷条件下有更长寿命的强烈要求依然存在。
相比之下，本发明的发明人在日本专利申请6-134535提出了一种含适量Mg和Mo的高碳铬型轴承钢，使用这种钢可获得优良的滚动疲劳特性。然而，还存在高碳铬轴承钢需要一个很长的退火工序以细化粗大碳化物的问题，因为C和Cr的含量高在轴承钢中形成粗大共晶碳化物，粗大碳化物会降低疲劳寿命。明确地说，高碳铬型的轴承钢在高负载下使用达不到足够的疲劳寿命。
本发明的目的是提供一种用于轴承部件并表现出优良的滚动疲劳特性的渗碳轴承钢。本发明解决了前述现有技术中存在的问题。
权利要求1到4每项的发明，提供一种长寿命轴承钢，其重量百分比组成为：0.10至0.35％的C，0.3到2.0％的Mn，0.001到0.03％的S，0.4到150％的Cr，0.010到0.07％的Al，0.003到0.015％的N，0.0005到0.0300％总含量的Mg；另外还有0.35到1.70％的Si，或者0.05到1.70％的Si和0.30到1.20％的Mo；或者另从下述元素按下述含量的组合中选取一种或至少两种元素：0.10到2.00％的Ni，0.03到0.7％的V；另外还有不超过0.025％的P，不超过0.005％的Ti，总含量不超过0.0020％的O，其余是铁和不可避免的杂质。
如权利要求1到4所提出的发明，权利要求5的发明涉及长寿命渗碳轴承钢，其氧化物含量按数量比满足下式：
(MgO·Al2O3数+MgO数)/氧化物型夹杂物总数≥0.80。
本发明特别注重于一种中碳钢渗碳工序，以实现轴承部件的生产，在此过程中没有共晶碳化物的形成，也就是在此过程中无须很长的退火时间，并且疲劳寿命不因粗大碳化物而下降，明确说就是即使在高负荷下也可获得长寿命，上述目的已由本发明实现。
下面具体描叙本发明：为了获得轴承部件的优良滚动疲劳特性，本发明的发明人特别注重于一种中碳钢渗碳工序，用以取代常规高碳铬型轴承钢的硬化、回火工序。由于在渗碳-淬火材料表面存在很大的残余压应力，可以有效地获得较长的服役寿命。为了得到在高负荷下也可获得优良滚动疲劳特性的渗碳轴承钢，本发明人进行了深入研究并作了如下观察：
(1)在高负荷下的滚动疲劳破坏过程中，滚动疲劳破坏起始于非金属夹杂物，其周围伴随有白色组织及碳化物组织。白色组织和碳化物组织与硬度降低相关。白色组织和碳化物组织的出现因非金属夹杂物的细化而受到抑制。
(2)如上所述，细化非金属夹杂物对于延长钢的寿命是有效的。(细化非金属夹杂物有以下两个好处：(i)降低应力集中，此前应力集中就被认为会引起裂纹萌生；(ii)抑制新近发现的白色组织和碳化物组织的形成。)另外，抑制滚动疲劳过程中非金属夹杂物周围白色组织和碳化物组织的形成从而避免硬度下降也很重要。
(3)为了细化非金属夹杂物，添加适量的Mg，如本发明人在日本未审专利公报(公开)7-54103号中所提出，是有效的。该方法的基本概念如下：Mg加入到一种含Al的实用碳素钢，氧化物成分由Al2O3转变成MgO·Al2O3或MgO；结果是避免了氧化物集聚，氧化物以细小弥散方式存在。由于与Al2O3相比MgO·Al2O3或MgO与钢水接触时表面能低，非金属夹杂物不易形成集聚，就此获得细小弥散结构。如上所述，细化非金属夹杂物有两个好处，即降低造成裂纹萌生的应力集中和抑制白色组织和碳化物组织的形成。因而Mg的加入对于延长用这种钢制成的轴承的寿命非常有效。
(4)其次，为了抑制白色组织和碳化物组织的形成以避免硬度下降，提高Si含量是有效的，添加Mo也有效。
(5)除上述影响之外，抑制白色组织和碳化物组织形成并避免硬度下降的作用因Ni和V的加入而增强。
本发明在上述新发现的基础上完成。限制本发明中钢的化学成分范围的理由解释如下：
C：0.1到0.35％
碳是提高渗碳轴承部件芯部硬度的有效元素。其含量低于0.1％时强度不够，含量超过0.35％时则韧性下降并很少产生有效地提高硬化部件疲劳强度的残余压应力，因此，C含量定为0.10到0.35％。
Mn：0.3到2.0％
Cr：0.4到1.50％
锰和铬是改善可硬化性并增加渗碳后残余奥氏体的有效元素。但是，当Mn少于0.03％而Cr少于0.4％时，这种影响不够强，超过2.0％Mn和1.5％Cr时这种影响达到饱和，添加这些元素不但昂贵而且不必要。因此，Mn含量限制为0.30到2.0％，Cr含量为0.4到1.5％。
S：0.001到0.03％。
硫在钢中以MnS形成存在，并从而提高可切削性及细化组织。但是，S含量少于0.001％时其作用不够强。另一方面，当S含量超过0.03％后，其作用达到饱和，且滚动疲劳特性显著恶化，据上述理由，S含量定为0.001到0.03％。
铝作为脱氧及细化晶粒的元素加入，当Al含量小于0.010％时其作用不够强。另一方面，当Al含量超过0.07％时韧性显著下降。因此，Al含量定为0.010到0.07％。
N：0.003到0.015％
氮通过AlN的析出行为有利于细化奥氏体晶粒。但是，当N含量小于0.003％时其作用不够强。另一方面，当N含量超过0.015％时其作用饱和且韧性下降，因此，N含量定为0.003到0.015％。
Mg总含量：0.0005到0.0300％
镁是一种强脱氧元素并在钢中与Al2O3反应。其加入是为了从Al2O3脱去O及形成MgO·Al2O3或MgO。因此，除非是至少加入与Al2O3含量即与O的总重量百分比含量一致的预定含量的Mg，否则会残留不必要的未反应Al2O3。为此进行了一系列实验，结果发现通过将Mg的总重量百分比限制为至少0.0005％可以避免未反应Al2O3的残留，氧化物完全转化为MgO·Al2O3或MgO。但是，如果Mg加入量超过总重量百分比0.0300％，将形成Mg的碳化物和Mg的硫化物，这种化合物产生对材料来说是不利的。因此，Mg含量限制为0.0005到0.0300％。还有，“Mg的总含量”代表钢中可溶解的Mg含量、形成氧化物以及不可避免地形成其它Mg化合物的Mg含量的总和。
另外，除以上所述之外在本发明权利要求1中的钢中加入了0.35到1.70％的Si，在权利要求3中的钢中加入了0.05到1.70％的Si和0.30到1.20％的Mo。
硅的加入是为了脱氧以及通过抑制白色组织和碳化物组织的形成及通过避免滚动疲劳过程中的硬度下降来延长最终产品的寿命。但是，Si单独加入其含量低于0.35％时其作用不够强。另一方面，当含量超过1.70％时，其作用达到饱和，并且最终产品的韧性显著下降。因此Si含量定为0.35到1.70％。
其次，Mo的加入是为了通过抑制滚动疲劳过程中白色组织和碳化物组织的形成来提高最终产品的寿命。但是，当Si和Mo复合加入时，如果Si和Mo的含量分别低于0.05％和0.30％，其作用不够强。另一方面，当Si和Mo分别超过1.70％和1.20％时，其作用饱和，并显著造成最终产品韧性恶化。因此，Si和Mo的含量分别限制在0.05到1.70％和0.03到1.20％。
P：不超过0.025％
磷在钢中造成品界偏聚和中心线偏聚，并从而造成最终产品强度下降。特别是当P含量超过0.025％时，强度下降变得很显著。因此0.025％被设定为P含量的上限。
Ti：不超过0.0050％。
钛形成硬析出相TiN，TiN引发白色组织和碳化物组织的形成。换句话说，它起到滚动疲劳破坏起始点的作用，造成最终产品滚动寿命的下降。特别是当Ti含量超过0.0050％时，寿命下降变得很显著。因此，0.0050％被设定为Ti含量的上限。
O的总含量：不超过0.0020％。
在本发明中，氧的总含量是钢中溶解的O与形成氧化物(主要是氧化铝)的O含量之和。但是，O的总含量与形成氧化物的氧含量大致相同。因此，O总含量越高，钢中需转化Al2O3量越大。研究了可在诱导硬化材料中产生本发明所述作用的O的总含量的范围。结果发现，O的总含量超过重量百分比0.0020％时，Al2O3的含量过剩，结果在加入Mg时钢中的Al2O3不能全部都转化为MgO·Al2O3或MgO，因而在钢中残留有Al2O3。因此，本发明的钢中O的总含量限制在低于重量百分比0.0020％。
其次，根据本发明权利要求2和4的钢为了提高可硬化性，避免滚动疲劳过程中的硬度下降以及抑制白色组织和碳化物组织的形成，可含有Ni和V中的一种或两种。
Ni：0.10到2.00％
V：0.03到0.7％
这两种元素都提高可硬化性，在通过阻止滚动过程中位错密度下降或通过阻止循环过程中渗碳体形成而避免循环软化方面也是有效的，当Ni含量低于0.10％及V含量低于0.03％时，这种作用不够强。另一方面，当元素成分超过Ni：2.00％和V：0.7％的范围时，其作用达到饱和，并显著地引起最终产品韧性的下降。因而这些元素的成分限制在上述范围之内。
其次，将解释本发明权利要求5中限制钢中氧化物夹杂数量比的理由。在钢的精炼过程中，超出本发明规定范围的氧化物夹杂，即除MgO·Al2O3或MgO之外的氧化物，因不可避免的混合而存在。当这些夹杂物的含量限制在以数量比表示的夹杂物总含量的20％以下时，氧化物夹杂的细小弥散状态可以是高度稳定的，材料即可获得进一步改善。因此，其数量比限制为：
(MgO·Al2O3数+MgO数)/氧化物型夹杂物总数≥0.80
另外，为使氧化物夹杂的数量比达到本发明的范围，避免来自外部系统如耐火材料的氧化物混合物是一种有效的方法，但本发明并不就此要求特别地限制生产条件。
本发明中钢的生产方法不作特别限制。换句话说，基础钢水的熔化可用高炉-转炉法或电炉法。将合金成分加入母体钢水中的方法也不作限制，含有每种组分的金属或是其合金都可加入母体钢水中。加入的方法，也可是利用自然滴入加入，利用惰性气体吹加、向钢水中输送其中置有Mg源的铁丝等等方法。另外，由母体钢水生产钢锭及轧制钢锭的方法，也不作特别限制。
虽然本发明针对以渗碳-淬火工艺生产的轴承部件用钢，对于渗碳和淬火的条件，是否采用回火，以及采用回火时其工艺条件等都不作特别限制。
实施例
后文中将通过举例对本发明的作用进行更具体的说明
含有表1和2所列化学成分的钢锭由高炉-转炉-连铸法生产。采用向钢水中传送填有金属镁颗粒和Fe-Si合金颗粒混合物的铁丝的方法加入Mg，钢水从转炉倒入钢包中。
然后，经初轧和棒材轧制制得直径为φ65mm的圆棒，测量了钢材轧向截面氧化物的数量比和氧化物尺寸比。结果表明，本发明所有钢材如表3和4所示均在适宜范围。从本发明的各种钢材取样，加工成滚动疲劳试验样品，再经下述工序的渗碳处理：
930℃×30分钟→830℃×30分钟→130℃油淬→160℃×60分钟回火
表1 分类 No. 测试钢样化学成分(wt％) C Si Mn S Cr Al N T.Mg P Ti T.O Ni V Mo 本发明钢 1 0.20 0.38 0.80 0.005 0.97 0.024 0.009 0.0032 0.009 0.0007 0.0007 - - - 2 0.21 1.01 0.75 0.003 0.95 0.031 0.012 0.0025 0.011 0.0007 0.0007 - - - 3 0.20 1.49 0.69 0.008 1.12 0.026 0.006 0.0069 0.010 0.0009 0.0008 - - - 4 0.18 0.54 1.52 0.004 0.51 0.025 0.012 0.0030 0.015 0.0008 0.0007 - - - 5 0.25 0.92 0.78 0.006 1.03 0.026 0.008 0.0011 0.009 0.0007 0.0007 1.20 - - 6 0.21 1.04 0.78 0.008 1.02 0.024 0.006 0.0031 0.014 0.0014 0.0006 - 0.15 - 7 0.21 0.63 0.80 0.005 1.05 0.030 0.004 0.0093 0.016 0.0006 0.0006 0.43 0.10 - 8 0.19 0.50 0.77 0.008 0.98 0.025 0.005 0.0025 0.015 0.0006 0.0006 - - 0.54 9 0.20 0.98 0.78 0.006 0.98 0.029 0.009 0.0038 0.015 0.0007 0.0007 - - 0.48 10 0.22 0.22 0.78 0.007 0.99 0.026 0.008 0.0146 0.017 0.0006 0.0006 - - 0.34 11 0.22 1.41 0.81 0.005 1.04 0.020 0.012 0.0032 0.012 0.0005 0.0005 - - 0.53 12 0.20 0.37 0.67 0.003 0.91 0.032 0.006 0.0058 0.009 0.0007 0.0007 - - 1.03 13 0.20 0.25 1.48 0.006 0.46 0.019 0.007 0.0028 0.013 0.0008 0.0006 - - 0.36 14 0.21 0.48 0.78 0.005 1.07 0.027 0.007 0.0018 0.016 0.0007 0.0008 0.89 - 0.48 15 0.19 0.89 0.80 0.007 0.98 0.023 0.006 0.0028 0.014 0.0009 0.0007 - 0.17 0.51 16 0.20 0.67 0.80 0.006 1.15 0.031 0.008 0.0057 0.016 0.0008 0.0007 0.56 0.08 0.38 17 0.19 0.56 0.80 0.005 1.03 0.031 0.009 0.0015 0.017 0.0015 0.0006 - - - 18 0.13 0.40 0.67 0.003 1.41 0.026 0.008 0.0023 0.012 0.0014 0.0007 - - - 19 0.32 0.38 0.90 0.006 0.93 0.025 0.012 0.0018 0.009 0.0016 0.0006 - - - 20 0.20 1.54 1.71 0.005 0.43 0.026 0.007 0.0231 0.013 0.0015 0.0005 - - - 21 0.22 1.42 0.72 0.007 1.36 0.024 0.008 0.0008 0.016 0.0014 0.0007 - - -
表2(续表1) 分类 No. 测试钢样的化学成分 (wt％) C Si Mn S Cr Al N T.Mg P Ti T.O Ni V Mo 注 本发明钢 22 0.14 0.40 0.88 0.006 0.82 0.030 0.011 0.0016 0.014 0.0016 0.0008 0.16 - - 23 0.31 0.73 0.68 0.005 0.98 0.025 0.007 0.0019 0.015 0.0014 0.0007 1.69 - - 24 0.20 1.51 1.60 0.003 0.45 0.029 0.006 0.0020 0.012 0.0013 0.0007 - 0.30 - 25 0.19 0.39 0.82 0.008 1.12 0.026 0.008 0.0017 0.009 0.0015 0.0009 0.28 0.07 - 26 0.21 0.08 0.80 0.004 1.02 0.025 0.009 0.0023 0.013 0.0013 0.0008 - - 0.42 27 0.13 0.51 0.72 0.006 0.52 0.032 0.012 0.0008 0.016 0.0015 0.0009 - - 1.05 28 0.32 1.39 1.47 0.007 0.48 0.028 0.006 0.0224 0.014 0.0014 0.0014 - - 0.34 29 0.13 0.42 0.78 0.005 0.98 0.024 0.012 0.0017 0.015 0.0016 0.0009 1.21 - 0.32 30 0.28 0.08 0.79 0.008 1.03 0.031 0.008 0.0021 0.012 0.0015 0.0008 - 0.15 0.36 31 0.19 1.48 1.47 0.006 0.46 0.026 0.006 0.0024 0.015 0.0014 0.0007 0.18 - 0.68 32 0.21 0.41 0.83 0.005 0.52 0.025 0.004 0.0016 0.009 0.0014 0.0009 0.13 0.08 0.49 对比钢 33 0.18 0.24 0.76 0.005 0.95 0.024 0.007 - 0.012 0.0009 0.0006 - - - 注) 34 0.19 0.48 0.77 0.006 1.11 0.031 0.008 0.0003 0.015 0.0007 0.0007 - - -Mg≤下限 35 0.20 0.50 0.76 0.006 0.94 0.026 0.006 0.0362 0.009 0.0008 0.0006 - - -Mg≥上限 36 0.20 0.20 0.81 0.007 1.02 0.024 0.007 0.0033 0.012 0.0008 0.0006 - - -Mo不足，Si≤下限 37 0.19 0.17 0.78 0.006 0.98 0.026 0.006 0.0030 0.010 0.0007 0.0007 - - 0.16Mo≤下限
注)NO.33号是JIS G 4104，SCr420钢的样品。
表3 分类 No. 氧化物 Mori冲击型 接触滚动疲劳试验 点接触式滚 动疲劳试验 注 尺寸 (μm) 数量比 L10白色/碳化物组织存在状况 L10白色/碳化物组织存在状况 本发明钢 1 2 - 7 0.76 7.4 无 9.1 无 发明第一方面 2 2 - 7 0.73 9.6 无 12.4 无 ＂ 3 3 - 7 0.85 9.8 无 12.9 无 发明第五方面 4 2 - 7 0.76 8.0 无 9.7 无 发明第一方面 5 2 - 7 0.71 9.2 无 12.1 无 发明第二方面 6 3 - 7 0.76 9.7 无 12.5 无 ＂ 7 3 - 8 0.86 8.4 无 11.2 无 发明第五方面 8 3 - 7 0.73 10.2 无 12.5 无 发明第三方面 9 2 - 7 0.78 10.3 无 12.7 无 ＂ 10 2 - 7 0.89 9.1 无 10.9 无 发明第五方面 11 2 - 7 0.76 9.8 无 12.2 无 发明第三方面 12 3 - 7 0.82 10.9 无 13.4 无 发明第五方面 13 2 - 7 0.76 8.9 无 10.6 无 发明第三方面 14 2 - 7 0.73 9.6 无 12.5 无 发明第四方面 15 3 - 8 0.75 10.3 无 12.4 无 发明第四方面 16 3 - 7 0.85 9.5 无 11.4 无 发明第五方面 17 3 - 7 0.76 7.8 无 8.8 无 发明第一方面 18 3 - 7 0.84 8.1 无 10.7 无 发明第五方面 19 2 - 7 0.78 7.4 无 8.6 无 发明第一方面 20 3 - 7 0.93 9.8 无 11.7 无 发明第五方面 21 3 - 8 0.71 9.2 无 10.8 无 发明第一方面注)1.氧化物尺寸表示的是每mm2面积中所含的等效球形颗粒直径。2.氧化物数量比：
(MgO·Al2O3数+MgO数/mm2)/各种氧化物夹杂总数(每mm2所含数量)
3.L10：将33号对比样的数值定为1时的L10相对值。
表4(续表3) 分类 No. 氧物 Mori冲击型 接触滚动疲劳试验 点接触式滚 动疲劳试验 注 尺寸 (μm) 数量比 L10 白色/碳化物组 织存在状况 L10 白色/碳化物 组织存在状况 本发明钢 22 3 - 7 0.75 8.0 无 10.0 无 发明第二方面 23 2 - 7 0.78 8.7 无 10.7 无 ＂ 24 2 - 7 0.82 9.6 无 11.3 无 发明第一方面 25 3 - 7 0.77 8.5 无 10.6 无 发明第二方面 26 2 - 7 0.79 8.2 无 10.5 无 发明第三方面 27 3 - 8 0.72 9.3 无 11.2 无 ＂ 28 2 - 7 0.92 10.2 无 12.1 无 发明第五方面 29 3 - 7 0.76 9.4 无 10.8 无 发明第四方面 30 2 - 7 0.79 8.2 无 10.4 无 ＂ 31 2 - 7 0.84 10.4 无 12.0 无 发明第五方面 32 3 - 7 0.75 9.3 无 10.7 无 发明第四方面 对比钢 33 5 - 20 0 1 有 1 有 34 5 - 14 0.44 3.9 有 4.2 有 35 4 - 14 0.92 4.3 有 4.7 无 36 2 - 7 0.75 5.5 有 4.0 有 37 2 - 8 0.76 6.2 有 5.8 有注)1.氧化物尺寸表示的是每mm2面积中所含的等效球形颗粒直径。
2.氧化物数量比：(MgO·Al2O3数+MgO数/mm2)/各种氧化物夹杂总数(每mm2所含数量)3.L10：将33号对比样的数值定为1时的L10相对值。
滚动疲劳寿命采用Mori冲击型接触滚动疲劳试验机(赫兹最大接触应力540kgf/mm2)及点接触滚动疲劳试验机(赫兹最大接触应力600kgf/mm2)测定，使用圆柱形滚动疲劳试样。疲劳寿命大小即“将测试结果作于Weibull图上得到的累积损伤概率为10％时产生疲劳破坏的应力循环次数”，通常用作L10寿命。表3和4也给出了将33号对比样的L10寿命设为1时各钢材的L10寿命相对值。另外，考察了每个试样经108次滚动疲劳后白色组织和碳化物组织的存在状况，结果也示于表3和4。
从表3和4可以看出，本发明的所有钢材都避免了产生白色和碳化物组织。因此，本发明钢有优良的疲劳特性，Mori冲击型接触滚动疲劳测试结果比对比钢样好约7到11倍，点接触式滚动疲劳测试结果比对比钢样好约9到14倍。
具体地说，本发明第五方面的样品具有优良的疲劳寿命，Mori冲击型接触滚动疲劳测试结果比对比钢样好8倍甚至更多，而点接触式滚动疲劳测试结果好11倍或更多。
另一方面，34号对比样品代表Mg加入量比本发明范围要小的情况。35对比样品代表Mg加入量大于本发明范围的情况。36号对比样品代表不加Mo且Si加入量小于本发明范围的情况。37号对比样品代表Mo加入量小于本发明范围的情况。所有这些样品的滚动疲劳特性以Mori冲击型接触滚动疲劳试验和点接触式滚动疲劳试验测试都比33号对比样差约6.5倍，即其滚动疲劳性能不够强。
如上所述，本发明的渗碳轴承钢可实现产生细小氧化物夹杂、抑制白色组织和碳化物组织及避免硬度下降。其结果是使提供一种用于轴承部件、有高负荷下滚动疲劳寿命有很大提高的钢种成为可能。因此，本发明对工业生产有着特别重大的影响。