[发明专利]具有改进的耐接触疲劳性的钢制品及其制造方法

说明书

交叉参考的相关申请

本申请要求2012年8月15日提交的美国临时专利申请No.61/683400的优选权，其标题为“Pyrowear 675的滚动接触疲劳的显微结构优化(Microstructure Optimization of Pyrowear 675 for Rolling Contact Fatigue)”，其整个内容在此引入作为参考。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在美国空军研究实验室，促进理事会(AFRL/PRKB)批准的合同号No.F33615-03-D-2353下，由政府支持进行的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明通常涉及渗碳的马氏体不锈钢部件和制造这样的部件来优化该硬化的表面层(壳)微结构，以改进耐接触疲劳性和耐碎片传播性(spall propagation)的方法。

背景技术

承受滚动或者滚动/滑动接触的渗碳部件(例如滚动接触轴承，齿轮，轴杆，凸轮/挺杆装置，和其他功率传输部件)失效的一个原因是接触疲劳。接触疲劳可以定义为裂缝萌生，随后裂缝传播的机理，其可归因于接触体内表面附近交替的可最终导致材料被去除的应力场。接触疲劳中的交替应力场处于纯滚动条件或者同时滚动和滑动的组合条件，这取决于接触区域内不存在还是存在宏观滑动。接触疲劳失效中材料的去除程度在从微点蚀到大点蚀和散裂各不相同。导致接触疲劳失效的交替应力场通常在常规金属材料中通过赫兹接触条件而理想化。

当轴承，齿轮或者其他功率传输部件适当润滑时，接触疲劳现象由表面下的裂缝开始，并且传播到该表面，导致点蚀或者散裂。目前的轴承工艺中钢的高洁净度水平是使得疲劳散裂的可能性最小化的一个因素。但是，第二个重要因素是轴承和功率传输钢在赫兹应力条件下由于接触疲劳导致的微应变行为。在初始的负荷过程中，该接触材料表面将经历弹性响应。在周期性负荷过程中保持弹性响应的能力会受到局部塑性应变带来的微结构变化的不利影响，这导致了局部损坏和增加了裂缝萌生和疲劳失效的可能性。参数例如施用应力，操作温度，转数和材料参数例如合金钢等级，热处理，残留应力水平，和工作硬化响应，影响了在周期性接触疲劳负荷过程中保持弹性响应的能力。

局部微应变先于裂缝萌生，并且典型的在微结构间断处例如内含物和碳化物簇处发生，在这里所形成的应力超过了疲劳循环处的局部微屈服限度。接触疲劳导致的周期性应变振幅作为深度和操作条件的函数而变化，以使得最大剪切力在某些深度处产生。由于接触疲劳的材料响应可以描述为四阶段过程：(1)断裂或者摇落，(2)稳态弹性响应，(3)导致裂缝萌生的不稳定性，和然后(4)裂缝传播，其最终导致散裂和材料去除或者损失。1-3阶段控制了所认为的高周期性疲劳，和阶段4将控制低周期性疲劳。

在许多情况中，主要关注的是优化材料的高周期性疲劳响应，其导致了延长的性能表现。但是在某些情况中，当选择材料-热处理组合时，裂缝和/或散裂传播是同样重要的，并且必须考虑。最普遍发现这些裂缝在接触表面下的最大剪切应力区域中产生。当该裂缝达到临界长度或深度时，该裂缝朝着自由表面分叉，这去除了一片表面材料和形成了点蚀。裂缝传播是通过负荷条件，以及材料物理性能和微结构特性来控制的。材料物理性能的例子包括：硬度，拉伸强度，伸长率，弹性模量，裂缝传播速率和断裂韧度。许多的这些物理性能是通过操作功率传输部件所必需的微结构特性来控制的。一些微结构特性包括：碳化物结构，形态，和分布，保留的奥氏体，碳浓度，马氏体结构，和碳化物晶态图结构和化学组成。

用于这样的渗碳部件的一种典型的马氏体不锈钢包含0.05-0.1wt％的基础碳含量和11-15wt％的Cr，1.5-3.5wt％的Ni，1-3wt％的Mo，3-8wt％的Co，最高可达1.5wt％的Mn，和0.1-1wt％的V，并且所含余量物质是铁和伴随的杂质，如美国专利No.5002729所公开的。

现有技术的马氏体不锈壳硬化的钢部件集中于该部件的其他令人期望的特性，并且没有能够解决接触疲劳和随之的散裂。一组现有技术的部件和方法严格的集中于硬化的表面层的硬度。该部件通常渗碳到总碳含量为大约0.65wt％到大约1.0wt％，如后面将讨论的，其导致了该硬化的表面层具有M₇C₃碳化物和M₂₃C₆碳化物二者的最终的微结构。如与本发明相关将解释的那样，这种微结构不具有足够的耐接触疲劳性，和所以具有散裂的潜在可能。一种这样的现有技术的部件和方法描述在美国专利No.7648588中。