具有優(yōu)良滾動疲勞壽命的鋼的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求基于在2013年8月8日提交的日本專利申請?zhí)?013-165629的優(yōu)先權， 其全部公開內容通過引用結合在此。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及用于機械部件或裝置的鋼，對于所述機械部件或裝置要求優(yōu)異的滾動 疲勞壽命，并且所述機械部件或裝置硬化為具有58HRC以上的表面硬度并用作如軸承、齒 輪、輪轂單元、環(huán)形CVT裝置、等速萬向節(jié)或曲柄銷。
【背景技術】
[0004] 近年來，隨著各種機械裝置日益高性能化，對其要求滾動疲勞壽命的機械部件或 裝置的使用環(huán)境已變得嚴苛。因此，對于改善這些機械部件或裝置的操作壽命和可靠性的 要求增加了。對應這樣的要求，作為鋼材方面的手段，已經進行了鋼成分的適當調節(jié)或者對 滾動疲勞壽命有害的雜質元素的減少，以改善操作壽命和可靠性。
[0005] 在鋼組成中所含的雜質元素中，例如氧是構成可能引起失效的氧化物系夾雜物如 氧化鋁的元素。因此，已經將具有特別高的有害性的氧的含量降低至ppm量級。當需要更高 品質時，氧的含量可以通過特殊的熔融如VAR或ESR進一步降低。而且，已經采取了手段，通 過將其他雜質元素的含量降低至0.01質量％量級，來防止這些元素的不利效果。
[0006] 已經多種多樣地建議了鋼中具有低氧含量的高清潔度鋼。在這些建議中，已經建 議了一種高碳系長壽軸承鋼，其中在鋼中的氧化物的數量方面，{(MgO · AI2O3的數量+MgO的 數量)/全部氧化物系夾雜物的數量}的值為0.80以上（例如，見專利文獻1)。在專利文獻1 中，沒有特別地描述MgO和AI2O3的組成范圍。由于不是通過Mg〇-Al2〇3而是通過顯示在分子 式中的化學計量組成的MgO · AI2O3來表達，所以表示了一種包含按質量％計28.3%的MgO和 71.7%的Al2〇3的化合物。此外，已經建議了一種高碳鉻軸承鋼，其中氧化鋁系氧化物和尖晶 石系氧化物的總數小于氧化物總數的6 0 %，以及用于制備該鋼的方法（例如，見專利文獻 2)。在專利文獻2涉及的范圍內，限定了所述氧化鋁系氧化物是其中（MgO)和(Si0 2)中的每 一種都小于3%且在(CaO)方面(Ca0)/((Ca0) + (Al203))的比率為0.08以下的氧化物，并且所 述尖晶石系氧化物是一種具有尖晶石型晶體結構的氧化物，其中15%以下(CaO)和/或15% 以下（Si0 2)可以混合到以3%至20%包含(MgO)且余量為(Al2〇3)的二元氧化物中。此外，已 經建議了一種高清潔度軸承鋼，其中鋼中的氧含量小于lOppm并且通過電子束熔融法漂浮 和聚集的氧化物系夾雜物的表面暴露面積為20μπι 2/克以下（例如，見專利文獻3)。另一方 面，在本發(fā)明以之為目標的穩(wěn)定地提供具有優(yōu)異滾動疲勞壽命的鋼即在推力(thrust)型滾 動疲勞試驗中具有優(yōu)異1^壽命（當批次相同的試件在相同條件下受測時的循環(huán)數，在該循 環(huán)數時99%的試件在沒有剝落的情況下旋轉）的鋼的情況下，影響U壽命的大于20μπι的非 金屬夾雜物極為偶然且不大可能產生。因此，非常難以探測非金屬夾雜物的產生。此外，在 專利文獻3中描述的鋼中，夾雜物熔融并聚集，并且因此，不太可能精確評價夾雜物的直徑 和數量。而且，在根據常規(guī)技術的用于評價非金屬夾雜物的方法中，大體積的鋼材的檢查由 于待探測的小面積而需要大量的時間。因此，難以判斷鋼材是好還是不好。
[0007] 而且，已經建議了一種評價方法，其中，組合使用極值統計技術和超聲缺陷探測技 術兩者，其中，例如，對最大夾雜物直徑為?οομπι以下的夾雜物進行極值統計，并且對大約 100μπι以上的夾雜物進行缺陷探測頻率為5至25MHz的超聲缺陷探測（例如，見專利文獻4)。 該文獻建議了利用組合的評價方法，其中，例如，對最大夾雜物直徑為小于100μπι的非金屬 夾雜物進行極值統計并且對100μπι以上的非金屬夾雜物進行缺陷探測頻率為5至25MHz的超 聲缺陷探測。然而，在極值統計中，與如上所述的類似，待探測的面積小，可能不足以在20μπι 以上且小于lOOwii的非金屬夾雜物方面判斷鋼材是好還是不好。另一方面，因為由超聲缺陷 探測在5至25MHz的缺陷探測頻率下探測的夾雜物的直徑為100μπι以上，所以仍然可能不足 以評價20μπι以上且小于100μπι的夾雜物。因此，需要能夠穩(wěn)定提供具有優(yōu)異1^壽命的鋼的評 價方法。而且，已經建議了一種鋼，其中，通過利用在20至125MHz的缺陷探測頻率下的超聲 缺陷探測評價100μπι以下的夾雜物，來設定夾雜物的數量和尺寸(例如，見專利文獻5)。在此 專利文獻5中所述的方法中，已經建議了具有優(yōu)異滾動疲勞壽命的鋼(一種鋼，其中在推力 型滾動疲勞試驗中在最大赫茨應力(Hertzian stress)Pmax = 5.3GPa時獲得L1Q壽命>1.0Χ 1〇7次循環(huán)），其中將300mm3的鋼材體積中的具有0.008質量％以下的硫含量的非金屬夾雜物 的數量設置為12個/300mm 3以下，并且在所述非金屬夾雜物中通過超聲缺陷探測所探測的 夾雜物的直徑為20μπι/以上。而且，已經建議了一種鋼的評價方法。然而，在該方法中，針對 使用中的軸承的大大早于計算壽命發(fā)生的失效的可靠性沒有得到評價，并且因此，可能不 能穩(wěn)定地提供具有優(yōu)異。壽命的鋼（當批次相同的試件在相同條件下受測時的循環(huán)數，在 該循環(huán)數時99%的試件在沒有剝落的情況下旋轉），所述。壽命是用于針對早期失效的可 靠性的指標。
[0008] 引用清單
[0009] 專利文獻
[0010] [專利文獻 1]JP8_3682A
[0011] [專利文獻 2]JP2006-200027A
[0012] [專利文獻 3]JP6-192790
[0013] [專利文獻 4]JP2006-317192
[0014] [專利文獻 5]JP2008-121035
[0015] 發(fā)明概述
[0016] 本發(fā)明的目的是，在需要滾動疲勞壽命的機械部件中，抑制大大早于計算壽命發(fā) 生的失效。因此，本發(fā)明的發(fā)明人關注于U壽命（即，當批次相同的試件在相同條件下受測 時的循環(huán)數，在該循環(huán)數時99%的試件在沒有剝落的情況下旋轉)作為用于可靠性的指標。 在常規(guī)技術中，尚未徹底評價U壽命。
[0017]因此，本發(fā)明的發(fā)明人集中研究了非金屬夾雜物的控制，以提高滾動疲勞壽命，并 且尤其集中研究了用于減少對滾動疲勞壽命具有高有害性的氧化物系非金屬夾雜物的影 響的手段。結果發(fā)現，對于在鋼中的在常規(guī)技術中被認為需要避免的剛性氧化物系夾雜物 來說，通過適當地改變含有Al 2〇3或MgO的剛性氧化物系夾雜物的組成比率和數量比率和進 一步利用超聲缺陷探測調整每固定量的鋼中的非金屬夾雜物的數量，改善了 U壽命。
[0018] 也就是說，獲得了以下發(fā)現:為了制造在需要滾動疲勞壽命的部件中具有優(yōu)異U 壽命的鋼(其中尤其可以抑制大大早于計算壽命的剝落的發(fā)生），優(yōu)選的是:鋼中的氧含量 為按質量百分比計8ppm以下，硫含量為0.008質量％以下，A1含量為0.005至0.030質量％， 在非金屬夾雜物方面，其中通過超聲缺陷探測在每1000mm 3的鋼材體積中所探測到的夾雜 物的直徑(在下文中稱為"夾雜物直徑"）為20μπι以上且小于100μπι的非金屬夾雜物的數量為 12.0個以下，此外，其中通過超聲缺陷探測在每2.5kg的鋼材重量中所探測到的夾雜物直徑 為100μπι以上的非金屬夾雜物的數量為2.0個以下，并且鋼中存在的Mg〇-Al 2〇3系氧化物的平 均組成中的（MgO)/(Al2〇3)的質量％比率被調整到0.25至1.50、更優(yōu)選0.30至1.30的范圍 內，并且Mg〇-Al 2〇3系氧化物與全部的氧化物系夾雜物的數量比率被調整到70%以上、優(yōu)選 80%以上。本文中定義的Mg〇-Al 2〇3系非金屬夾雜物可以包括含有按質量％計15%以下的 CaO和/或按質量％計15%以下的Si02的Mg〇-Al2〇3系非金屬夾雜物。氧含量按質量百分比計 為8ppm以下且硫含量為0.008質量％以下的原因是因為可以減少氧化物系夾雜物以及比較 軟且容易拉伸的硫化物系夾雜物的尺寸和存在頻率。更優(yōu)選地，氧含量為按質量百分比計 6ppm以下，且硫含量為0.003質量％以下。此外，對于防止改變成為軟夾雜物來說以及對于 抑制盡管是剛性的但容易在鋼中聚集而成為簇形式的氧化鋁(Al 2〇3)的生成來說，必要的 是，A1含量為0.005至0.030質量％，更優(yōu)選0.008至0.030質量％，再更優(yōu)選0.011至0.030質 量％。
[0019] 在如上所述的其中調整了氧化物系夾雜物的平均組成并且將所述氧化物系夾雜 物與全部氧化物系夾雜物的數量比例調整到70 %以上、優(yōu)選80 %以上的鋼中，氧化物具有 熔點高的組成，并且因此，在制備鋼錠的過程中由熔融的鋼中結晶出具有接近球形形狀的 小直徑氧化物。甚至，在如上所述的以接近球形形狀結晶的情況下，因為抑制了隨后在熔融 的鋼中聚集并容易成為簇形式的純氧化鋁(Al 2〇3)，在熔融的鋼固化后，氧化物系夾雜物仍 以小直徑和接近球形形狀分散在錠中。
[0020] 此外，在其中通過熱加工將錠輥乳以制造鋼棒并隨后將鋼棒制成為鋼棒或鋼管 (所述鋼棒或鋼管成為部件材料或經由熱加工和冷加工成為鍛造制品）的材料的情況下，氧 化物系夾雜物是在熱或冷加工溫度范圍內比母體鋼更加剛性的夾雜物，并且因此難以跟隨 母體并難以在加工中變形，并且因此，甚至在加工之后也可以保持相當接近球形形狀。
[0021] 隨后，如果需要，對待成為部件材料的鋼棒或鋼管進行進一步冷加工如CRF，隨后 切割加工，通過進一步適當的熱處理調節(jié)至經受滾動疲勞的部件期望的不小于58HRC的表 面硬度，并隨后用作機械部件。然而，對于經受滾動疲勞的部件的傳送面下的最大應力施加 方向，可能不必然對應于成為部件的材料的鋼材的非金屬夾雜物的最小橫截面方向，例如， 在比較軟的并通過熱加工拉伸的氧化物系夾雜物或硫化物系夾雜物的情況下垂直于輥乳 方向的方向。
[0022] 這樣，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現，當實驗性地將在含有高溫比較軟并且通過熱加工拉 伸的氧化物系夾雜物的鋼制錠時，通過使用由將鋼熱輥乳獲得的鋼材作為材料，使得對應 于輥乳方向即氧化物系夾雜物