本發(fā)明涉及鋼和軸承領(lǐng)域，尤其涉及一種新的軸承鋼組合物(bearing steel composition)和制造含有該新的鋼組合物的軸承構(gòu)件的方法。

背景技術(shù)：

軸承是允許兩個(gè)部件之間進(jìn)行受限相對運(yùn)動(dòng)(constrained relative motion)的裝置。滾動(dòng)軸承包含內(nèi)圈滾道(inner raceway)和外圈滾道(outer raceway)，以及設(shè)置于二者之間的多個(gè)滾動(dòng)體(rolling elements)。從長期保持可靠性和性能的角度而言，各滾動(dòng)體對滾動(dòng)接觸疲勞、磨損和蠕變(creep)有高耐久性具有重要意義。

在為軸承選擇鋼材料時(shí)，鋼的強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的機(jī)械特性，因其對軸承的耐久性具有重要的意義。滾動(dòng)軸承的壽命期限直接受軸承耐久性的影響。因此，鋼的強(qiáng)度對軸承的壽命有直接影響，對安全性和可靠性是至關(guān)重要的。為獲得通體均勻的高硬度等級的軸承構(gòu)件，進(jìn)而得到高耐久性的軸承，經(jīng)常需要進(jìn)行通體硬化處理(through-hardening)，即將鋼先加熱到其臨界轉(zhuǎn)變溫度(critical transformation temperature)以上，然后迅速冷卻，通常是在淬火介質(zhì)(quenching medium)中冷卻。

根據(jù)鋼產(chǎn)品期望用途的不同，現(xiàn)代的鋼是通過采用各種變化組合的鐵和合金元素制造而成。碳、硅、鉻和鉬是用于增強(qiáng)和提高鋼強(qiáng)度和硬度的常用合金元素。通體硬化處理應(yīng)用于高碳鋼，比如碳含量至少為0.85％(重量)，或者在1.0％(重量)以上的高碳鋼上。如果碳含量太低，通體硬化處理將導(dǎo)致軸承表面硬度不足，從而產(chǎn)生凹陷，導(dǎo)致軸承壽命過短。

在軸承構(gòu)件的制造過程中，鋼作為原料經(jīng)常是以鋼板、鋼棒、鋼管的形式從鋼廠運(yùn)送而來的。這些構(gòu)件在制造過程中，均被加熱至高溫，例如在焊接、熱軋制(hot rolling)和鍛造過程中。這些構(gòu)件也在溫度低于鋼的再結(jié)晶溫度(通常為環(huán)境溫度)時(shí)被塑形，這種工藝被稱為冷加工(cold working)或冷成型(cold forming)。在鋼的冷成型過程中，鋼的硬度不應(yīng)太高，以避免裂紋形成的風(fēng)險(xiǎn)。

閃光對焊(flash-butt welding)或“閃光焊(flash welding)”是一種用于連接諸如鋼構(gòu)件等金屬部件的電阻焊接技術(shù)(resistance welding technology)。該技術(shù)將金屬部件端對端對齊，并施加電流，產(chǎn)生融化和焊接部件端部的電弧，從而形成高強(qiáng)度且光滑的連接部(接頭)。雖然閃光對焊是一種簡單高效的焊接技術(shù)，但是部件在焊接接頭(weld joint)附近的物理特性可能會(huì)受到閃光對焊的不利影響，因?yàn)楹附恿芽p/淬火裂紋之類的缺陷會(huì)在閃光對焊期間及之后出現(xiàn)；而且，由于閃光對焊使焊接接頭周圍的熱影響區(qū)(Heat Affected Zone，縮寫HAZ)的鋼微結(jié)構(gòu)(microstructure of steel)發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致隨后難以冷成型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的軸承鋼組合物，具有加強(qiáng)的冷成型特性，即使是在閃光對焊以后，同時(shí)保持整個(gè)鋼構(gòu)件的高強(qiáng)度和高耐久性。

上述目的根據(jù)以下技術(shù)方案描述的軸承鋼組合物來實(shí)現(xiàn)。

因此，本發(fā)明涉及一種用于閃光對焊軸承構(gòu)件的軸承鋼組合物，，包含重量百分比如下的各成分：

碳：0.89-0.95％；

硅：0.18-0.26％；

錳：0.5-0.8％；

鉻：1.65-1.95％；

鎳：0.2-0.25％；

鉬：0.45-0.6％；

銅：0.1-0.3％；

硫：0.001-0.0025％；

以及以下一種或一種以上的可選元素：

磷：0-0.018％；

鈣：0.001-0.003％；

鋁：0.02-0.05％；

氧：0-0.0010％；

砷：0-0.04％；

鉛：0-0.002％；

鈦：0-0.003％；

氮：0.005-0.015％；

氫：0-0.00015％；

釩：0-0.03％；

錫：0-0.075％；

其中，砷、錫及銻的重量百分比總和：0-0.075％；

余量的鐵及不可避免的雜質(zhì)。

可選地，所述軸承鋼組合物包含至少0.9％(重量)的碳，例如碳含量從0.91％(重量)可選擇地直至0.94％(重量)。目前已發(fā)現(xiàn)，在與其它合金元素組合使用時(shí)，所得鋼組合物可以為使用該鋼組合物制造出的軸承鋼構(gòu)件提供增強(qiáng)的冷成型性能及可焊接性能，同時(shí)仍然允許軸承鋼構(gòu)件經(jīng)受通體硬化處理，確保高強(qiáng)度及耐久性。

可選地，所述軸承鋼組合物包含0.2-0.25％(重量)的硅。目前已發(fā)現(xiàn)，在與其它合金元素組合使用時(shí)，該相對較低的硅含量可以增強(qiáng)由鋼組合物制造出的軸承鋼構(gòu)件的冷成型性能及可焊接性能，尤其在例如焊接以后，通過在恢復(fù)性退火處理(restoring annealing treatment)過程中降低鐵素體片層(ferrite lamellae)的屈服點(diǎn)(yield point)，可以改善延展性，同時(shí)仍然允許軸承鋼構(gòu)件接受通體硬化處理，確保高強(qiáng)度及耐久性。

可選地，所述軸承鋼組合物包含0.6-0.7％(重量)的錳。

可選地，所述軸承鋼組合物包含1.75-1.85％(重量)的鉻。

可選地，所述軸承鋼組合物包含0.47-0.5％(重量)的鉬。

在與其它合金元素結(jié)合使用時(shí)，錳、鉻和鉬的用量通過確保足夠低的碳化物的形成來改善冷成型性能。目前已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳化物形成(carbide formation)保持在一個(gè)相對較低的水平時(shí)，如約13.5％至約14％(重量)，且低于15％(重量)，有助于改善本發(fā)明提供的利用鋼組合物制造的軸承鋼構(gòu)件的冷成型性能及可焊接性能。

令人驚訝的是，目前已發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明所述鋼組合物制成的軸承鋼構(gòu)件，即使在閃光對焊以后，也展現(xiàn)出出色冷成型特性，同時(shí)還滿足進(jìn)行通體硬化處理的條件，因此能夠確保軸承鋼構(gòu)件具有高耐久性。本發(fā)明通過平衡碳含量與鉻、鉬的量，使碳化物的形成在受熱過程中被限制在一個(gè)足夠低的水平上，從而確保軸承構(gòu)件具有所需的機(jī)械特性以及對其進(jìn)行通體硬化處理的可能性，同時(shí)使鋼的硬度盡可能的低，以便獲得改善的冷成型特性。

可選地，軸承構(gòu)件是由所述軸承鋼組合物形成，并且，可選地，所述軸承構(gòu)件是軸承圈的至少一部分。

可選地，所述的軸承構(gòu)件具有閃光對焊接頭。閃光對焊在熱影響區(qū)域的材料中產(chǎn)生高的應(yīng)力，而本發(fā)明公開的鋼組合物尤其適于耐受在閃光焊接過程中出現(xiàn)的上述情況，并能夠經(jīng)受焊接以后的恢復(fù)性退火處理。

本發(fā)明還公開了一種具有閃光對焊接頭的軸承鋼構(gòu)件的制造方法，該方法包括以下步驟：

提供根據(jù)本發(fā)明公開的軸承鋼組合物；

由軸承鋼組合物形成軸承構(gòu)件上的至少一部分；

通過閃光對焊和頂鍛(upset)焊縫(weld)來形成閃光對焊接頭。

附圖說明

圖1為軸承示意圖；

圖2為開口圈閃光對焊示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開的軸承鋼組合物旨在用于制造任何類型的軸承構(gòu)件，比如軸承圈或軸承圈的一部分，應(yīng)用于滾動(dòng)軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、球面滾子軸承(spherical roller bearing)、圓環(huán)滾子軸承(tyroidal roller bearing)、推力軸承之類的軸承，或者用于需要承受交變赫茲應(yīng)力(alternating Hertzian stresses)的場合，比如在滾動(dòng)接觸或者既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)(接觸)的情況下。上述軸承可以被應(yīng)用于汽車、風(fēng)力、海洋、金屬生產(chǎn)，或者其它要求高耐磨性和/或高疲勞和拉伸強(qiáng)度的機(jī)械領(lǐng)域。

圖1顯示了一個(gè)軸承1的范例。這是一個(gè)滾動(dòng)軸承(rolling element bearing)，其尺寸范圍從直徑10毫米到幾米，負(fù)荷承載能力從幾十克到幾千噸。本發(fā)明提供的軸承1可以是任何尺寸，具有任何負(fù)荷承載能力。軸承1包括內(nèi)圈2、外圈3和一組滾動(dòng)體4，其中內(nèi)圈2和外圈3兩者之一或者全部由本發(fā)明所述的軸承圈構(gòu)成。滾動(dòng)軸承1的內(nèi)圈2、外圈3和/或滾動(dòng)體4，以及最好其所有滾動(dòng)接觸部分，均可以由本發(fā)明公開的鋼組合物制造而成。

本發(fā)明還涉及包含焊接接頭(比如閃光對焊接頭)的軸承鋼構(gòu)件，采用依據(jù)本發(fā)明公開的任何方面的方法制成。圖2示出開口圈5的閃光對焊。開口圈5在焊接端6、7附近被兩副鉗位電極(clamping electrodes)8、9夾緊，焊接端6、7隨后被鉗制在一起，直至彼此觸碰，形成輕微接觸，從而形成閃光對焊接頭。盡管開口圈5在焊接過程中一般被加熱到200℃左右，但在鉗位電極8、9之間的焊接接頭處形成的熱度將達(dá)到大約1300℃至1500℃。鋼圈2、3在焊接接頭區(qū)域，即熱影響區(qū)域內(nèi)的微結(jié)構(gòu)(microstructure)將因此受到影響，使鋼構(gòu)件在熱影響區(qū)的物理性能發(fā)生惡化。對于軸承圈2、3來說，該區(qū)域內(nèi)的滾動(dòng)接觸疲勞特性不足。鋼的可焊接性在很大程度上取決于碳的含量，并受碳存在的負(fù)面影響，因?yàn)樘嫉拇嬖跁?huì)導(dǎo)致碳化物的形成。

在焊接(比如閃光對焊)完成以后，構(gòu)件，尤其是焊接接頭，通常接受包括退火在內(nèi)的恢復(fù)性工藝的處理，用以恢復(fù)鋼構(gòu)件在焊接接頭處的微結(jié)構(gòu)，以便獲得適當(dāng)硬度的微結(jié)構(gòu)，從而確保適度的耐磨性。目前已發(fā)現(xiàn)，通過使用硅含量從0.18至0.26％(重量)的鋼組合物，鐵素體片層在退火過程中的屈服點(diǎn)將足夠低，從而得到軸承制造中冷成型工藝所要求的足夠延展性的材料。所述“足夠延展性材料”是指這樣一種材料：當(dāng)形成60毫米及以下厚度的鋼板時(shí)，該材料可彎曲，且符合ISO 15614-13第13部分“電阻對焊和閃光對焊”第4頁表1的技術(shù)規(guī)范；條材、棒材對應(yīng)的A級測試標(biāo)準(zhǔn)。

然而，本發(fā)明的一個(gè)目的也在于平衡可焊接性和冷成型特性之間共存的且矛盾的需求，要求鋼構(gòu)件具有經(jīng)受通體淬火的能力，即將鋼構(gòu)件整體均勻硬化。

通體硬化處理可以用在高碳鋼上，如碳含量至少0.85％(重量)，或者在1.0％(重量)以上的高碳鋼。這在傳統(tǒng)上被認(rèn)為與好的可焊性和冷成型特性的要求是不可兼容(兼得)的。然而，令人驚訝的是，碳含量在0.89％至0.95％(重量)之間，比如從0.9％至0.94％(重量)的鋼組合物，被發(fā)現(xiàn)能夠滿足以下能力需求：對于由鋼組合物制成的鋼構(gòu)件來說，能夠使其經(jīng)受通體硬化處理；并且，在與其它合金元素結(jié)合使用的情況下，也適于焊接，并且可經(jīng)受隨后的恢復(fù)性退火和/或冷成型工藝。

所謂“退火”是指改變材料的微結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)其強(qiáng)度、硬度和/或延展性之類特性變化的熱處理。

目前已發(fā)現(xiàn)，在與上述其它合金元素結(jié)合使用的情況下，具有的合金含量為0.5％至0.8％(重量)的錳、0.2％至0.25％(重量)的鎳和0.1％至0.3％(重量)的銅的鋼組合物，在被用于制造軸承鋼構(gòu)件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生具有足夠延展性，能夠適應(yīng)軸承鋼構(gòu)件制造過程中的冷成型工藝。

目前還發(fā)現(xiàn)，因其作為碳化物形成元素所起的作用，鉻和鉬的含量對于鋼組合物以及由此產(chǎn)生的冷成型特性來說是至關(guān)重要的。由鉻含量在1.65％至1.95％(重量)、鉬含量在0.45％至0.6％(重量)的組合物制造而成的軸承鋼構(gòu)件，具有軸承構(gòu)件制造過程中冷成型工藝所需的足夠的延展性。這與釩也是有關(guān)的，通過進(jìn)一步提供釩含量在0.01％至0.03％(重量)的組合物，由該組合物制成的軸承構(gòu)件的冷成型性能將額外提升。

以上所述的具體實(shí)例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。