专利名称：用于制造具有优异的滚动接触疲劳寿命的机械部件的方法
技术领域：
本发明涉及用于制造需要滚动接触疲劳寿命的机械部件的方法，所述机械部件为 例如轴承、齿轮、轮毂单元(hub unit)、恒定变速传动装置、等速接头、活塞销等，对于所述 机械部件非金属夹杂物或孔隙可能是破损的起点，并且所述部件包含被硬化为具有58 HRC 的表面硬度以供使用的钢材。
背景技术：
近年来，归因于各种机器日益提高的性能，机械部件或装置的使用环境变得非常 严格，所以高度需求对于寿命和可靠性的改善。应此需求，进行对钢的基体组分的优化或减 少杂质元素作为在钢材方面的对策。在钢组分中的杂质元素中，氧、氮和硫分别形成非金属夹杂物如Al203、MnS和TiN， 而成为钢部件中破损的起点，并因此已知是特别有害的。此外，还已知当非金属夹杂物的尺 寸变得更大时钢部件的滚动接触疲劳寿命变得越短。由于此原因，提出了各种高清洁度钢， 所述高清洁度钢具有减少的非金属夹杂物的量，即，具有高清洁度并且具有极少量的夹杂 物尺寸为20 μ m以上的大的氧化物夹杂物(例如，见日本专利公开出版物2006-63402和日 本专利公开出版物H6 (1994)-192790)。即使使用具有这样高清洁度的钢材也无法在短的寿命中充分地防止破损。因此， 进行了积极的开发以减少钢材中非金属夹杂物的量以及减小非金属夹杂物的尺寸。发明概述本发明人目前发现的是，即使在制造钢时不降低非金属夹杂物的量和尺寸，通过 使钢材具有钢中的非金属夹杂物和基体相之间的孔穴闭合的状态，也可以提供具有58 HRC 以上的表面硬度、防止剥落并且具有优异的滚动接触疲劳寿命的机械部件。S卩，为了提高轴承和其他机械部件的滚动接触疲劳寿命，重要的是减少用于这些 机械部件的钢材中的非金属夹杂物的量。还已知的是，由于轴承或其它机械部件的滚走表 面下的大的夹杂物的存在可能导致机械部件中的剥落而导致破损，特别重要的是减小非金 属夹杂物的尺寸以提高轴承和其它机械部件的使用寿命，所述非金属夹杂物可能是轴承或 其它机械部件的滚走表面下的剥落的起点。虽然进行了大量发明以在大规模制造过程中减 小夹杂物的尺寸，但是难以稳定地减小非金属夹杂物的尺寸。本发明人通过使用含有人造孔缺陷的材料观察龟裂而深入地研究了产生滚动接 触疲劳中的破损即剥落的过程。已经发现的是，在源自非金属夹杂物的龟裂通过它们的生 长导致发生剥落的过程中，该过程经历了通过非金属杂质周围的应力集中作用使龟裂位移的龟裂初始阶段(在下文中，"模式ι-型初期龟裂")。所述过程随后经历取决于剪切应力 的龟裂扩展而导致破损，如传统已知的。这意味着，在本发明人发现的没有产生模式ι-型 初期龟裂的情况下，随后的龟裂扩展和破损将不发生。此外，在非金属夹杂物和基体之间的 界面处形成物理孔穴的前提下，产生模式ι-型初期龟裂。通过应力分析确定在没有形成物 理孔穴的情况下，不产生模式I-型初期龟裂(见，铁和钢(Tetsu-to-Hagane)，94(2008)，第 13页；Kazuhiko Hiraoka于2008年所著的兵库县立大学(University of Hyogo)博士论 文(2008年1月)，其通过引用结合在本文中)。此外，还发现了由于在制造钢材的过程或将钢材成形为部件的过程即热轧、冷轧、 热锻、温锻、冷锻、轧锻、冷轧、冷镦和拉拔中所必须进行的一些塑性加工而形成物理孔穴。
图1显示在将热轧钢材切开并进行离子铣削(ion milling)后，借助于扫描电子显微镜 (FE-SEM)观察在夹杂物周围存在/不存在孔穴的图像的概念视图。图1中，附图标记2表 示Al2O3，而附图标记3表示孔穴。特别地，在机械结构用钢中，Al通常用作用于脱氧的氧化 物形成元素。已经确定的是，归因于与钢的可变形性的不同以及形状，Al2O3夹杂物倾向于 形成孔穴，特别是在与基体的界面处。本发明在以上新发现的基础上完成。因此，本发明的一个目的是提供用于制造机械部件的方法，所述方法即使在制造 钢时没有降低非金属夹杂物的量和尺寸的情况下，通过改善钢材中非金属夹杂物与基体之 间的界面的状态，制造与其中在制造钢时降低了非金属夹杂物的量和尺寸的钢材相比，也 可以稳定地表现优异的滚动接触疲劳寿命的机械部件。根据本发明，提供了 一种用于制造机械部件的方法，所述方法通过对机械结构用 钢的部分或全部进行淬火和回火处理而制造具有58 HRC以上的表面硬度和优异的滚动接 触疲劳寿命的机械部件，所述方法包括以下步骤对所述机械结构用钢进行用于提供钢材形状的步骤或用于提供机械部件形状的 后续步骤，其中对所述钢进行塑性加工；将已进行所述塑性加工的钢加热至780°C以上，以施加SOMPa以上的静水压力，由 此使得包含在钢中的非金属夹杂物和作为基体的钢在界面彼此紧密接触；然后对所述钢的部分或全部进行淬火和回火处理。根据本发明的第一优选实施方案，提供了以上制造方法，其中所述加热在800°C以 上进行，并且其中所述静水压力为IOOMPa以上。根据本发明的第二优选实施方案，提供了以上制造方法，其中要进行所述塑性加 工的所述机械结构用钢已经通过以下方式而脱氧添加除含有通常使用的Al以外还含有 Si的脱氧剂或不添加含Al的脱氧剂。根据本发明的第三实施方案，提供了以上制造方法，其中要进行所述塑性加工的 所述机械结构用钢已经通过以下方式而脱氧添加除含有通常使用的Al以外还含有Ca的 脱氧剂。根据所述用于制造机械部件的方法，即使在制造钢时不减小非金属夹杂物的量和 尺寸的情况下，当闭合在基体与通过一些塑性加工而包含在钢中的非金属夹杂物之间的界 面处形成的物理孔穴时，也可以避免由于源自非金属夹杂物的滚动接触疲劳而发生的剥 落，导致使用寿命的显著提高。附图简述
图1是描述在将热轧钢切开并进行离子铣削后，借助于扫描电子显微镜(FE-SEM) 观察的夹杂物周围的图像的概念视图。实施方案描述本发明的机械结构用钢广泛地包括机械部件所需的钢，所述机械部件为例如轴 承、齿轮、轮毂单元、恒定变速传动装置、等速接头、活塞销等。具体地，作为这样的机械结构 用钢，通常使用Jis G 4805中定义的高碳铬轴承钢，JIS G 4051中定义的用于机械结构用 途的碳钢，JIS G 4052中定义的具有规定淬硬性带的结构钢(H钢)，JIS G 4053中定义的 用于机械结构用途的低合金钢，JIS G 3441中定义的用于机械用途的合金钢管，JIS G3445 中定义的用于机械结构用途的碳钢管，JIS G 3507-1中定义的用于冷镦的碳钢-第一部 分线材，JIS G 3507-2中定义的用于冷镦的碳钢-第二部分线，JIS G 3509-1中定义的 用于冷镦的低合金钢-第一部分线材，JISG 3509-2中定义的用于冷镦的低合金钢-第二 部分线，它们的相关外国标准钢，具有类似组分的钢，以及具有改良组分的钢。这些JIS标 准的公开内容通过引用结合在本文中。本发明中的机械结构用钢包括满足在以上JIS标准 中描述的化学组分的钢。本发明中的机械结构用钢的优选组成的数值范围(重量％ )如下
优选范围 更优选的范围 还优选的范围
权利要求
1.一种用于制造机械部件的方法，所述方法通过对机械结构用钢的部分或全部进行淬 火和回火处理而制造具有58 HRC以上的表面硬度和优异的滚动接触疲劳寿命的机械部件， 所述方法包括以下步骤对所述机械结构用钢进行用于提供钢材形状的步骤或用于提供机械部件形状的后续 步骤，其中对所述钢进行塑性加工；将已进行所述塑性加工的钢加热至780°C以上，以施加SOMPa以上的静水压力，由此使 得包含在钢中的非金属夹杂物和作为基体的钢在界面彼此紧密接触；然后对所述钢的部分或全部进行淬火和回火处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热在800°C以上进行，并且其中所述静水压 力为IOOMPa以上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中要进行所述塑性加工的所述机械结构用钢已 经通过以下方式而脱氧添加除含有通常使用的Al以外还含有Si的脱氧剂或不添加含Al 的脱氧剂。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中要进行所述塑性加工的所述机械结构用钢已 经通过以下方式而脱氧添加除含有通常使用的Al以外还含有Ca的脱氧剂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中进行多次所述塑性加工，其中在所述 多次塑性加工中的最后一次塑性加工是热塑性加工。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中进行多次所述塑性加工，其中在所述 多次塑性加工中的最后一次塑性加工是温塑性加工。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中进行多次所述塑性加工，其中在所述 多次塑性加工中的最后一次塑性加工是冷塑性加工。
全文摘要
提供了用于制造机械部件的方法，所述机械部件具有至少58 HRC的表面硬度，其中，与在制造钢时减少了非金属夹杂物和其尺寸降低的钢材相比，即使在制造钢时没有减少非金属夹杂物或其尺寸降低，也实现了优异的稳定滚动接触疲劳寿命。除对机械结构用钢进行用于提供钢形状的工序或用于提供后来的机械部件的形状的工序以外，此方法还包括以下工序在前述工序中对所述钢进行加工；将钢加热至至少780℃并且施加至少80MPa的静水压力，以使在钢中的非金属夹杂物和作为母相的钢在界面彼此紧密接触；然后对部分或全部的钢进行淬火和回火。
文档编号C21D9/40GK102105604SQ20098012922
公开日2011年6月22日 申请日期2009年5月26日 优先权日2008年5月27日
发明者常阴典正, 平冈和彦, 桥本和弥, 藤松威史 申请人:山阳特殊制钢株式会社