專利名稱：滾動軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用在減速器、傳動小齒輪、傳動器等中的滾動軸承，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有相對于滾動疲勞特性的長壽命和具有高度的抗裂強度和抗長期尺寸變化性的滾動軸承。
背景技術(shù)：
作為賦予承受軸承部件的滾動疲勞的長壽命的熱處理方法，提出了一種方法例如通過在硬化加熱時將氨氣加到氣氛RX氣體中，將碳氮共滲應(yīng)用在軸承部件的表面層上(例如，日本專利公開平8-4774號和日本專利公開平11-101247)。使用該碳氮共滲可以硬化表面層和在微結(jié)構(gòu)中生長殘余奧氏體，從而改進滾動疲勞壽命。
為了擴散處理目的，碳氮共滲需要在高溫下停留更長的時間，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粗化，這反過來又難以改進破裂強度，這樣在這方面留下了改進空間。另外，由于殘余奧氏體的增加，增加長期尺寸變化比也存在著改進空間。
另一方面，通過鋼材的合金設(shè)計，可以達到確保長壽命地承受滾動疲勞、改進破裂強度和防止長期尺寸變化比增加。但是，合金設(shè)計也存在一些問題，例如原料成本增加。
以后，隨著負荷和使用環(huán)境溫度增加，需要軸承部件具有能在高溫和更高負荷條件下使用的特性。因此，將需要一種軸承部件具有滾動疲勞特性的長壽命和具有高度的破裂強度和尺寸穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有高度的抗裂強度和尺寸穩(wěn)定性以及滾動疲勞壽命優(yōu)異的滾動軸承。
本發(fā)明的滾動軸承具有內(nèi)環(huán)、外環(huán)和多個滾動元件，特征在于，內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件這些部件中的至少一個具有富氮層，在所述富氮層中奧氏體晶粒的粒度號數(shù)超過10號。
富氮層是指增加滾道環(huán)(外環(huán)或內(nèi)環(huán))或滾動元件的表面層中的氮含量和可以用例如碳氮共滲、滲氮或氮化等處理形成的層。富氮層中氮含量優(yōu)選在0.1％～0.7％的范圍內(nèi)。如果氮含量低于0.1％，特別是在外來物混入的條件下，存在著效率問題，滾動壽命下降。如果氮含量大于0.7％，形成空隙或者殘余奧氏體太多，導(dǎo)致硬度損失或壽命短。對于在滾道環(huán)中形成的富氮層，氮含量是指在研磨后的滾道表面的50μm深的層中的測定值。例如可以用EPMA(波長衍射型X射線微分析儀)測定。
另外，奧氏體粒度這么小使得奧氏體晶粒的粒度號數(shù)超過10號的事實可以大大地改進滾動疲勞壽命。如果奧氏體粒徑的粒度號數(shù)是粒度號數(shù)10或更低，滾動疲勞壽命將不能改進得太多；這樣，范圍將超出10號。通常，粒度號數(shù)應(yīng)為11或更大。奧氏體粒度越小，越理想。但是，通常，難以得到超過13的粒度號數(shù)。另外，在所述軸承部件中的奧氏體晶粒在具有富氮層的表面層及其內(nèi)部沒有變化。因此，確定其中晶粒粒度號數(shù)范圍的位置應(yīng)該是表面層或內(nèi)部。即使在硬化處理后，出現(xiàn)在硬化恰好之前的奧氏體晶粒邊界痕跡仍然存在，奧氏體晶粒是指基于痕跡的晶粒。
在本發(fā)明的滾動軸承中，以晶粒的粒度號數(shù)計，由于富氮層的形成之后是奧氏體粒徑細度降低到11號或以上，所以滾動疲勞壽命大大地改進，可以得到優(yōu)異的抗裂強度和抗長期尺寸變化性能。
富氮層的表面層硬度在Hv700或以上的范圍中，優(yōu)選Hv720～800。如果它低于Hv700，外來物混入的壽命降低。另一方面，如果它超過Hv800，碳化物將變得太大，可能導(dǎo)致應(yīng)力集中。
另外，當(dāng)殘余奧氏體的量為11％左右時，外來物混入的潤滑壽命降低，如果它低于11％，外來物混入潤滑壽命將進一步降低。另一方面，如果殘余奧氏體的量大于25％，殘余奧氏體的量和通常的碳氮共滲處理沒有差別，因此，不可能抑制長期尺寸變化。對于滾道環(huán)，殘余奧氏體的量是指在研磨后的滾道表面的50μm深的層中的測定值，例如通過X射線衍射測定的馬氏體α(211)和殘余奧氏體γ(220)的衍射強度的對比可以測定。


圖1是表示本發(fā)明的實施方案中的滾動軸承的示意截面圖；圖2是解釋本發(fā)明的實施方案中的熱處理滾動軸承的方法的圖；圖3是解釋本發(fā)明的實施方案中的滾動軸承熱處理方法的改進的圖。
圖4A是表示本發(fā)明實施例中的軸承部件的微結(jié)構(gòu)，特別是奧氏體晶粒的圖；圖4B是表示常規(guī)軸承部件的微結(jié)構(gòu)，特別是奧氏體晶粒的圖；圖5A是說明圖4A的奧氏體晶粒邊界的圖；圖5B是說明圖4B的奧氏體晶粒邊界的圖；圖6是表示用于液壓破碎強度試驗(測定破壞應(yīng)力)的試驗片的圖；圖7A是滾動疲勞壽命測試機的示意前視圖；圖7B是滾動疲勞壽命測試機的示意側(cè)視圖；圖8是表示用于液壓破裂韌度試驗的試驗片的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在使用附圖描述本發(fā)明的實施方案。圖1是表示本發(fā)明實施方案中的滾動軸承的示意截面圖。在圖1中，該滾動軸承10主要具有外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3。該圖表示了徑向滾珠軸承，但是球軸承、圓錐滾柱軸承、圓柱滾軸軸承和滾針軸承也被本發(fā)明包括。滾動元件3被位于外環(huán)1和內(nèi)環(huán)2之間的罩子可滾動地支撐。這些滾動軸承部件外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個具有富氮層。
作為形成富氮層的一個具體例子將描述包括碳氮共滲的熱處理。圖2是解釋本發(fā)明的實施方案中的熱處理滾動軸承的方法的圖，圖3是解釋其修改的圖。圖2表示熱處理圖形，表示進行一次和二次硬化的方法，圖3表示熱處理圖形，在硬化過程中將材料冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變溫度的溫度，然后再加熱進行最后的硬化。在這些圖中，在處理T1下，碳和氮擴散到鋼材的母體中，在這種狀態(tài)中，碳在母體中的充分溶解受到影響，由此將材料冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變溫度的溫度。然后，在圖中的處理T2下，重新加熱到高于A1轉(zhuǎn)變溫度之上但低于處理T1的溫度，并且自重新加熱溫度，油硬化受到影響。
和常規(guī)碳氮共滲硬化即碳氮共滲后立即硬化一次相比，上述熱處理在碳氮共滲表面層部分時，更能改進破裂強度和降低長期尺寸變化比。由圖2或3所示的熱處理圖制備的本發(fā)明的滾動軸承具有其中奧氏體晶粒的粒度不大于現(xiàn)有技術(shù)的一半的微結(jié)構(gòu)。進行上述熱處理的軸承部件具有承受滾動疲勞的長壽命，改進了破裂強度和降低了長期尺寸變化比。為了晶粒細度降低的目的，采用降低二次硬化溫度的熱處理步驟，導(dǎo)致表面層和內(nèi)部的殘余奧氏體的量降低。因此，可以得到優(yōu)異的抗裂強度和抗長期尺寸變化的性能。
圖4是表示軸承部件，特別是奧氏體晶粒的微結(jié)構(gòu)的圖。圖4A表示本發(fā)明的軸承部件，圖4B表示常規(guī)的軸承部件。在本發(fā)明實施方案中，應(yīng)用圖2所示的熱處理圖的滾動軸承的滾道環(huán)的奧氏體晶粒表示在圖4A中。另外，為了對比目的，用常規(guī)方法熱處理的軸承鋼材的奧氏體晶粒粒度表示在圖4B中。另外，圖5A和5B分別表示出了說明圖4A和4B的奧氏體晶粒粒度。從這些表示奧氏體晶粒粒度的結(jié)構(gòu)可以看到，按照JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的粒度號數(shù)，常規(guī)的奧氏體晶粒粒度為10號，按照圖2或3所示的熱處理方法，可以得到12號的細晶粒。另外，用截面方法測定，圖4A中的平均晶粒直徑為5.6μm。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的實施例。
實施例1使用JIS SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)，進行(1)氫含量的測定，(2)晶粒粒度的測定，(3)擺錘式?jīng)_擊試驗，(4)破壞應(yīng)力的測定和(5)滾動疲勞試驗。表1表示結(jié)果。
表1

每個樣品的制備歷程如下。
樣品A-D(本發(fā)明的實施例)碳氮共滲溫度850℃；保持時間150分鐘。氣氛是RX氣體和氨氣的混合氣。在圖2所示的熱處理圖中，從850℃的碳氮共滲溫度進行一次硬化，從該碳氮共滲溫度將樣品加熱至比該碳氮共滲溫度低的780～830℃的溫度范圍，在這里進行二次硬化。但是，由于二次硬化溫度為780℃的樣品A沒有充分硬化，所以省略了試驗。
樣品E和F(對比例)以本發(fā)明的實施例A-D的相同歷程進行碳氮共滲；二次硬化溫度為850～870℃，比碳氮共滲溫度850℃高。
常規(guī)碳氮共滲物品(對比例)碳氮共滲溫度850℃；保持時間150分鐘。氣氛是RX氣體和氨氣的混合氣。物品直接從碳氮共滲溫度硬化，沒有二次硬化。
普通硬化物品(對比例)沒有碳氮共滲，將物品加熱到850℃，硬化，沒有二次硬化。
現(xiàn)在描述試驗方法。
(1)氫含量的測定對于氫含量，用LECO Company制造的DH-103型氫分析儀分析鋼材中的非擴散氫含量。不測定擴散的氫含量。LECO Company制造的DH-103型氫分析儀的規(guī)格表示如下。
分析范圍0.01～50.00ppm。
分析精度±0.1ppm或±3％H(較大的那個)。
分析靈敏度0.01ppm檢測系統(tǒng)熱導(dǎo)法。
樣品重量大小10mg～35g(最大直徑12mm×長度100mm)。
加熱爐溫度范圍50～1100℃。
試劑無水高氯酸鎂Mg(ClO4)2，燒堿石棉劑NaOH。
載氣氮氣，氣體定量氣(gas-dosing gas)氫氣，每種氣的純度為99.99％或更高，壓力為40psi(2.8kgf/cm2)。
測定程序大約如下。用專用取樣器取樣，將各個樣品插到所述氫分析儀中。用氮氣載氣將內(nèi)部的擴散的氫氣導(dǎo)入熱導(dǎo)檢測器。在實施例中，不測定該擴散的氫氣。然后，將樣品從取樣器中取出，在電阻加熱爐中加熱，用氮氣載氣將非擴散的氫氣導(dǎo)入熱導(dǎo)檢測器。在熱導(dǎo)檢測器中測定熱導(dǎo)率可以知道非擴散氫氣含量。
(2)晶粒粒度的測定根據(jù)JIS G 0551 Steel的奧氏體晶粒粒度測試方法測定晶粒粒度。
(3)擺錘式?jīng)_擊試驗根據(jù)JIS Z 2242 Metal Material的擺錘式?jīng)_擊試驗方法進行擺錘式?jīng)_擊試驗。使用的試驗片是JIS Z 2202中所示的U-缺口試驗片(JIS No.3試驗片)。
(4)破壞應(yīng)力的測定圖6是表示液壓壓碎強度試驗(測定破壞應(yīng)力)的測試片的圖。以圖中所示的方向P施加負荷，增加負荷直到破裂，測定該負荷。然后，用下面表示的用于彎曲梁的應(yīng)力計算式將得到的破裂負荷轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值。另外，試驗片不局限于圖6所示的試驗片，可以使用其它形狀的試驗片。
分別使σ1和σ2為圖6的試驗片的凹凸表面的纖維強度(fiber stress)。然后，用下式計算出σ1和σ2(Mechanical Engineering Handbook ChapterA4 Strength ofMaterials，A4-40，機械工程手冊第A4章，材料強度，A4-40頁)。其中，N是在包括環(huán)形試驗片的軸的截面中的軸力；A是橫截面積；e1是外半徑；e2是內(nèi)半徑。另外，k是彎曲梁的截面的模量。
σ1＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1+e1/{κ(ρ0+e1)}]σ2＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1-e2/{κ(ρ0-e2)}]κ＝-(1/A)∫A{η/(ρ0+η)}dA(5)滾動疲勞壽命滾動疲勞壽命試驗的試驗條件表示在表2中。另外，圖7是滾動疲勞壽命試驗機的示意圖。圖7A是前視圖；圖7B是側(cè)視圖。在圖7A和7B中，用主動輥11驅(qū)動滾動疲勞壽命試驗片21，并接觸滾珠13旋轉(zhuǎn)。滾珠13是3/4英寸的球，在導(dǎo)向輥12的導(dǎo)向下滾動，同時它們將高的表面壓力施加給夾在它們之間的滾動疲勞壽命試驗片21。
下面描述表1所示的實施例1的試驗結(jié)果。
(1)氫含量常規(guī)的碳氮共滲的物品碳氮共滲后具有很高的值0.72ppm。認為這是因為包含在碳氮共滲氣氛中的氨(NH3)分解，并且氫進入鋼材中。相比之下，樣品B-D的氫含量降低到幾乎一半，0.37-0.40ppm。該氫含量和普通的硬化物品處于相同的水平。
由于氫能溶解在固體中，上述氫含量的降低可以降低鋼材的脆度。也就是說，通過降低氫含量，本發(fā)明的樣品B-D的擺錘式?jīng)_擊值被大大地改進。
(2)晶粒粒度對于晶粒粒度，在二次硬化溫度比碳氮共滲時的硬化(一次硬化)溫度低的情況中，即在樣品B-D的情況中，奧氏體晶粒顯著地精細地減小尺寸到晶粒粒度11-12號的程度。樣品E和F和常規(guī)碳氮共滲物品以及普通硬化物品中的奧氏體晶粒都具有10號的晶粒粒度，這意味著它們是比本發(fā)明的樣品B-D粗的晶粒。
(3)擺錘式?jīng)_擊試驗根據(jù)表1，和擺錘式?jīng)_擊值為5.33J/cm2的常規(guī)碳氮共滲物品相比，本發(fā)明的樣品B-D的擺錘式?jīng)_擊值高至6.30～6.65J/cm2。在這些樣品中，二次硬化溫度低的那些的擺錘式?jīng)_擊值將增加。普通硬化物品的擺錘式?jīng)_擊值為6.70J/cm2之高。
(4)破壞應(yīng)力的測定破壞應(yīng)力對應(yīng)著抗裂強度。根據(jù)表1，常規(guī)碳氮共滲物品的破壞應(yīng)力值是2330MPa。和該值相比，樣品B-D得到的破壞應(yīng)力值得到改進，為2650～2840MPa。普通硬化物品的破壞應(yīng)力值為2770MPa，認為樣品B-D的抗裂強度的改進大多是因為氫含量降低的效果和奧氏體晶粒的細度降低的效果。
(5)滾動疲勞試驗根據(jù)表1，反映了普通硬化物品在表面層中沒有碳氮共滲層的事實，滾動疲勞壽命L10是最小的。和該值相比，常規(guī)碳氮共滲物品的滾動疲勞壽命是3.1倍之高。樣品B-D的滾動疲勞壽命比常規(guī)碳氮共滲物品改進得更多。在這一點上，樣品E和F基本上和常規(guī)碳氮共滲物品相同。概括起來，本發(fā)明的樣品B-D的氫含量降低，奧氏體晶粒粒度降低至11號或更高，擺錘式?jīng)_擊值、抗裂強度和滾動疲勞壽命都得到改進。
實施例2現(xiàn)在描述實施例2。對下列X材料、Y材料和Z材料進行一系列試驗。使用的熱處理原料是JIS SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)，共同地應(yīng)用到X材料、Y材料和Z材料上。X材料、Y材料和Z材料的制備歷程如下。
X材料(對比例)僅僅普通硬化(沒有碳氮共滲)。
Y材料(對比例)在碳氮共滲(常規(guī)的碳氮共滲硬化)后立即硬化。碳氮共滲溫度為845℃，保持時間是150分鐘。碳氮共滲氣氛是RX氣體+氨氣。
Z材料(本發(fā)明的實施例)經(jīng)歷圖2的熱處理圖的軸承鋼材。碳氮共滲溫度為845℃，保持時間是150分鐘。碳氮共滲氣氛是RX氣體+氨氣。最終的硬化溫度是800℃。
(1)滾動疲勞壽命上述滾動疲勞壽命試驗條件和試驗設(shè)備表示在表2和圖7中。滾動疲勞壽命試驗結(jié)果表示在表3中。
表2

表3

根據(jù)表3，對比例的Y材料的L10壽命(10個試驗片中的一個破裂的壽命)是X材料3.1倍，并且在對比例中，僅僅向其實施普通硬化；發(fā)現(xiàn)由于碳氮共滲產(chǎn)生的壽命延長效果。相比之下，本發(fā)明的Z材料表現(xiàn)出長壽命，是B材料壽命的1.74倍，X材料壽命的5.4倍。認為這種改進的主要因素是由于微結(jié)構(gòu)的細度降低。
(2)擺錘式?jīng)_擊試驗用基于所述JISZ2242的方法，使用U-缺口試驗片，進行擺錘式?jīng)_擊試驗。試驗結(jié)果表示在表4中。
表4

經(jīng)歷碳氮共滲的Y材料的擺錘式?jīng)_擊試驗(對比例)不高于經(jīng)歷普通硬化的X材料(對比例)，但是Z材料的該值等于X材料的值。
(3)液壓破裂韌度值的試驗圖8是表示用于液壓破裂韌度試驗的試驗片的圖。在預(yù)破裂為約1mm的試驗片導(dǎo)入到該試驗片的缺口部分中之后，施加3點彎曲的液壓負荷，確定破裂負荷P。使用下面所示的式子(1)計算破裂韌度值(K1C值)。試驗結(jié)果表示在表5中。
K1c＝(PLa/BW2){5.8-9.2(a/W)+43.6(a/W)2-75.3(a/W)3+77.5(a/W)4}···(1)表5

由于預(yù)破裂深度比碳氮共滲層深度大，所以在對比例X材料和Y材料之間沒有差別。但是，本發(fā)明的Z材料是對比例的值的約1.2倍。
(4)液壓壓碎強度試驗如上述使用的液壓壓碎強度試驗片是圖6所示形狀的試驗片。在圖中，以方向P施加負荷進行液壓壓碎強度試驗。試驗結(jié)果表示在表6中。
表6

進行碳氮共滲的Y材料具有比進行普通硬化的X材料更低的值。但是，本發(fā)明的實施例的Z材料比Y材料在液壓壓碎強度上有改進，達到可以與X材料相比的水平。
(5)長期尺寸變化比在保持溫度130℃和保持時間500小時下的長期尺寸變化比的測定結(jié)果與表面硬度和殘余奧氏體的量(在50μm的深度處)一起表示在表7中。
表7

可以看到，與具有一些殘余奧氏體的Y材料的尺寸變化比相比，本發(fā)明的實施例的Z材料被抑制到一半或更低。
(6)外來物混入條件下的滾動壽命試驗使用滾珠軸承6206，使用預(yù)定量的標(biāo)準(zhǔn)外來物混入評價外來物混入條件下的滾動疲勞壽命。試驗條件表示在表8中，試驗結(jié)果表示在表9中。
(實施例III)由表10表示氮含量和異物混入條件下的滾動壽命的關(guān)系而進行的試驗的結(jié)果。還有，比較例1為標(biāo)準(zhǔn)淬火品，比較例2為標(biāo)準(zhǔn)的碳氮共滲品。比較例3是雖然實施了與本發(fā)明例同樣的處理，但是是僅氮量過多的情況。試驗條件如下。
供試軸承錐形滾柱軸承30206(內(nèi)、外圈、滾柱，均由1.2重量％C-1.0重量％Si-0.5重量％Mn-1.0重量％Ni-1.5重量％Cr鋼制)徑向載荷17.64kN軸向載荷1.47kN旋轉(zhuǎn)速度2000rpm硬質(zhì)的異物混入1g/L表10


由表10可知，在實施例1～5中，氮含量和異物混入下的滾動壽命大致有比例關(guān)系。可是，在氮含量為0.72的比較例3中，由于異物混入下的滾動壽命極度降低，所以氮含量可以將0.7作為上限。
此次開示的實施方式全部的點應(yīng)該被認為例示而非具有限制性。本發(fā)明的范圍意圖，不限于上述的說明，而是通過專利請求的范圍所示，包含與專利請求的范圍均等的意思和在范圍內(nèi)的全部的變更。
表6

權(quán)利要求
1.一種滾動軸承，所述滾動軸承具有外環(huán)、內(nèi)環(huán)、和多個滾動元件，其中，外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾動元件這些部件中的至少一個具有富氮層，并且在所述富氮層中奧氏體晶粒的粒度號數(shù)在超過10號的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的滾動軸承，其中在所述富氮層中的氮含量在0.1％～0.7％的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的滾動軸承，其中所述部件是滾道環(huán)，并且所述氮含量是在研磨后的滾道表面的50μm深的層中測定的值。
4.如權(quán)利要求1所述的滾動軸承，其中所述富氮層中的硬度不低于Hv700。
5.如權(quán)利要求4所述的滾動軸承，其中所述硬度在Hv720～Hv800的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的滾動軸承，其中所述部件是滾道環(huán)，并且所述硬度是在研磨后的滾道表面的50μm深的層中的值。
7.如權(quán)利要求1所述的滾動軸承，其中在所述富氮層中的殘余奧氏體含量在11％～25％的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的滾動軸承，其中在所述富氮層中的氮含量在0.1％～0.7％的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的滾動軸承，其中所述部件是滾道環(huán)，并且所述氮含量是在研磨后的滾道表面的50μm深的層中測定的值。
全文摘要
一種滾動軸承(10)，具有外環(huán)(1)、內(nèi)環(huán)(2)和多個滾動元件，其中，內(nèi)環(huán)(1)、外環(huán)(2)和滾動元件(3)這些部件中的至少一個具有富氮層，并且奧氏體晶粒的粒度號數(shù)在超過10號的范圍內(nèi)。
文檔編號C23C8/32GK1864012SQ20048002950
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者大木力, 前田喜久男 申請人:Ntn株式會社