專利名稱：軸承部件、軸承部件的熱處理方法以及滾動軸承的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及汽車壓縮機等中使用的滾動軸承、其中使用的軸承部件及其熱處理方法。
背景技術：
在一種熱處理方法中，作為一種確保軸承部件抗?jié)L動接觸疲勞有較長使用壽命的方法，軸承部件的表面層部分可以以氨添加到RX氣體的氣氛中加熱來進行碳氮共滲(例如日本專利公開號8-4774和11-101247)。這種碳氮共滲使表面層部分硬化，并且還會在微觀結構中產(chǎn)生殘留的奧氏體，由此提高滾動接觸疲勞壽命。
然而，由于碳氮共滲涉及擴散，軸承部件需要被長時間保持在高溫下，這會使微觀結構變粗，從而將很難提高抗裂強度。另外，由于殘留奧氏體的增加，會存在老化尺寸變化增加這樣一個問題。
可以使用合金鋼來確保較長的滾動接觸疲勞壽命，提高抗裂強度以及防止尺寸變化的增加。然而，使用合金鋼會增加原材料的成本。
隨著軸承的使用環(huán)境變得越來越惡劣，將來軸承部件必然會被用在與傳統(tǒng)情況相比負載更大、溫度更高的條件下。為此，需要具有較長的抗?jié)L動接觸疲勞壽命、更大抗裂強度及良好尺寸穩(wěn)定性的軸承部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種軸承部件、該軸承部件的熱處理方法以及包括該軸承部件的滾動軸承，其中的軸承部件具有較長的抗?jié)L動接觸疲勞壽命，良好的抗裂強度并且老化尺寸變化的增加可受到限制。
根據(jù)本發(fā)明的軸承部件的熱處理方法包括以下步驟以超過A1相變溫度的碳氮共滲溫度對用于軸承部件的鋼進行碳氮共滲；使鋼冷卻到低于A1相變溫度的溫度；將鋼再加熱到淬火溫度，該溫度不低于所述的A1相變溫度，但低于所述碳氮共滲溫度；以及對鋼進行淬火。
以這種配置，當在碳氮共滲之后將鋼被冷卻到低于A1相變溫度的溫度之后進行最終的淬火，從而可以使奧氏體晶粒的大小可以更細小。這樣，可以改善擺錘式?jīng)_擊、斷裂韌性、抗裂強度、滾動接觸疲勞壽命等。
另外，通過將鋼冷卻到允許奧氏體進行轉換的溫度，可以使碳氮共滲時的奧氏體晶界以及最終淬火時的奧氏體晶界相互無關。另外，由于最終淬火的加熱溫度低于碳氮共滲的溫度，因此，受到碳氮共滲影響的表面層部分中的不溶解的碳和氮的量在最終淬火中會比碳氮共滲時有所增加。這樣，在用于最終淬火的加熱溫度處，與在碳氮共滲時相比，未溶解的碳及其它的量的比增加，而奧氏體的量的比減小。此外，從鐵碳相圖(該相圖可以以較高精度來使用，但作為本發(fā)明目標的鋼還包括除碳以外的其它元素)，在上述沉淀物和奧氏體的共存區(qū)域中，溶解在奧氏體中的碳濃度隨著淬火溫度的降低而減小。
當鋼被加熱到最終淬火溫度時，抑制奧氏體晶粒生長的未溶解的滲碳鐵的量增加，這樣便可以獲得較細小的奧氏體晶粒。此外，由于淬火而從奧氏體向馬氏體或貝氏體的轉變的結構具有較低的碳濃度，因此，與從較高的、碳氮共滲溫度淬火而得的結構相比，它表現(xiàn)出良好的韌性。
文中用于軸承部件的鋼是指通常用于形成軸承部件的鋼，而軸承部件又經(jīng)過如普通淬火之類的熱處理。
在根據(jù)本發(fā)明的軸承部件的熱處理方法中，用于淬火的再加熱溫度可以在790℃到830℃的溫度范圍中。
以這種配置，為進行淬火對鋼進行再加熱，以達到可抑制奧氏體晶粒生長的溫度，這樣奧氏體晶粒的大小可以較小。
根據(jù)本發(fā)明的軸承部件經(jīng)過用于上述軸承部件的熱處理方法，而奧氏體晶粒的平均晶粒度不大于8μm。
以這種平均晶粒度不大于8μm的奧氏體晶粒，不僅可以提高滾動接觸疲勞壽命，而且還可以改善擺錘式?jīng)_擊、斷裂韌性、抗裂強度等。
根據(jù)本發(fā)明的軸承部件是由用于軸承部件的鋼形成的，并且具有一層碳氮化層。在淬火后獲得的微觀結構具有奧氏體晶粒的平均晶粒度不大于8μm。
以這種配置，可以確保良好的擺錘式?jīng)_擊、斷裂韌性、抗裂強度等，同時還可確保較長的抗?jié)L動接觸疲勞壽命。
本發(fā)明的用于軸承部件的鋼在除碳氮化表面層之外的部分中至少可以包括0.6-1.2％重量的碳、0.15-1.1％重量的硅以及0.3-1.5％重量的錳。
以這種配置，如果碳含量超過重量的1.2％，冷加工性會受到削弱，即使在球化退火之后材料的硬度也會較大。如果進行冷加工，就不可能獲得充分的冷加工量，并且因此便不能達到期望所需的機加工精度。在碳氮共滲時還會發(fā)生過度滲碳，這可能使抗裂強度降低。另一方面，如果碳含量少于重量的0.6％，就需要較長時間來確保所需的表面硬度和所需的殘留奧氏體量，并且在最終淬火之后也很難獲得必要的內(nèi)部硬度。
硅(Si)也被包含在其中，這是由于硅可使對回火軟化的阻力增加，確保耐熱性，并且還可以使在混合潤滑劑的外界物質情況下的滾動接觸疲勞特性得到改善。如果硅的含量少于重量的0.15％，在混合潤滑的外界物質的情況下的滾動接觸疲勞特性不會得到改善。如果它超過重量的1.1％，在正火之后的硬度會變得過高，從而削弱冷加工性。
Mn可有效地確保碳氮化層和內(nèi)芯部分的可硬化性。如果Mn的含量小于重量的0.3％，則不能充分地獲得可硬化性。另一方面，如果Mn的含量超過重量的1.5％，則可硬化性會變得太強。在這種情況中，在正火之后的硬度會變得過高，從而削弱其冷加工性。另外，奧氏體會太過穩(wěn)定，從而導致內(nèi)芯部分中有過量的殘留奧氏體，由此使老化尺寸變化速度加快。
不用說，本發(fā)明的鋼的主要成分還具有Fe。它還不可避免地包括雜質，如磷(P)、硫(S)、氮(N)、氧(O)、鋁(Al)等，每一種元素的量不大于重量的0.1％。
本發(fā)明的鋼還包括不超過2.0％重量的鉻。
包含的鉻不超過重量的2.0％會導致鉻的碳化物和氮化物在表面層部分中析出，由此提高相關部分的硬度。如果Cr的含量超過重量的2.0％，則冷加工性會顯著地降低。即使含量超過重量的2.0％，提高表面層部分硬度的效果也不會有很大改變。
本發(fā)明的軸承部件至少為滾動軸承的滾動軸承環(huán)和滾動元件之一。
以這種配置，可以使?jié)L動軸承環(huán)和/或滾動元件獲得良好的滾動接觸疲勞壽命和抗壓特性。
根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承可以包括上述任何一個軸承部件。
以這種配置，可以使?jié)L動軸承獲得良好的抗?jié)L動接觸疲勞的使用壽命并且具有較大的抗裂強度。
根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承具有一內(nèi)環(huán)、一外環(huán)和多個滾動元件。這種滾動軸承，內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的至少一個構件具有一碳氮化層，而該構件具有的奧氏體晶粒的晶粒度超過JIS晶粒度10號。
以這種較細的奧氏體晶粒，可以使?jié)L動接觸疲勞壽命得到顯著提高。如果奧氏體晶粒具的晶粒度為10號或更低，則不能明顯地改善滾動接觸疲勞壽命。因此，11號或以上的晶粒度通常是較佳的。雖然，奧氏體晶粒越細越好，但一般很難獲得超過13號的晶粒度。上述軸承部件的奧氏體晶粒在受到碳氮共滲很大影響的表面層部分以及比表面層部分更內(nèi)部的部分中幾乎具有相同的大小。因此，表面層部分和內(nèi)部均需要具有上述范圍晶粒度號的奧氏體晶粒。
上述滾動軸承的內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的任一構件均可以由上述軸承部件構成，并且如果該軸承部件具有在上述范圍晶粒度號內(nèi)的奧氏體晶粒，則它的滾動接觸疲勞壽命可得到改善。
根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承具有一內(nèi)環(huán)、一外環(huán)和多個滾動元件，內(nèi)環(huán)、外環(huán)和多個滾動元件中的至少一個構件由具有碳氮化層的鋼構成，并且其具有的斷裂應力不低于2650MPa。
發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，通過以超過A1相變溫度的溫度對鋼進行碳氮共滲，將鋼冷卻到低于A1相變溫度的溫度，將鋼再加熱至不低于A1相變溫度的溫度并且對鋼進行淬火，具有碳氮化層的鋼的斷裂應力可以等于或大于2650MPa，而這個水平是傳統(tǒng)技術所不能達到的。這樣做可以使?jié)L動軸承獲得優(yōu)于普通滾動軸承的斷裂應力以及強度。
此外，本發(fā)明的軸承部件可結合在滾動軸承中。軸承部件由具有碳氮化層的鋼構成，并且它具有的斷裂應力不低于2650MPa。
這樣，在上述滾動軸承的情況中，可以獲得這樣一種軸承部件，該軸承部件的斷裂應力和抗裂強度優(yōu)于傳統(tǒng)的軸承部件。
根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承具有一內(nèi)環(huán)、一外環(huán)和多個滾動元件。在該滾動軸承中，內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的至少一個構件具有一碳氮化層，并且該構件的氫含量不大于0.5ppm。
以這種配置，可以緩解由于氫導致的鋼的脆裂。如果氫含量超過0.5ppm，抗裂強度將會下降，這將使?jié)L動軸承不能用于會施加重負載的場合。氫含量越小越好。然而，為了將氫含量減至低于0.3ppm的水平，必須長時間的加熱，這將使奧氏體晶粒變粗，由此會使韌性下降。因此，氫含量在0.3-0.5ppm的范圍內(nèi)是較佳的，而氫含量在0.35-0.45ppm范圍內(nèi)是更佳的。
上述氫含量是通過僅測量在不低于規(guī)定溫度的溫度從鋼中釋放出的不可擴散的氫的量而獲得的。可擴散的氫的含量是不可測的，其原因在于，如果樣品尺寸較小，則可擴散的氫將從樣品中釋放出，甚至在室溫下?lián)p失。不可擴散的氫例如可捕獲在鋼內(nèi)的一缺陷部分內(nèi)，并且僅在不低于規(guī)定溫度的溫度下才會從樣品中釋放出。即使測量僅限于不可擴散的氫，氫含量還是會根據(jù)多種測量方法而有相當大的變化。在上述范圍中的氫含量最好通過Leco的DH-103氫分析儀或同類儀器利用熱傳導率來測量，這些將在下文中進行描述。
上述構件的奧氏體晶粒的晶粒度最好超過JIS晶粒度10號。
當奧氏體晶粒較細時，滾動接觸疲勞壽命顯著提高。如果奧氏體晶粒的晶粒度號為10號或更小，則高溫下的滾動接觸疲勞壽命不會有很大提高。雖然，奧氏體晶粒的尺寸越小越好，但獲得的晶粒度一般很難超過13號。上述軸承部件的奧氏體晶粒在受到碳氮共滲很大影響的表面層部分以及比表面層部分更內(nèi)部的部分中幾乎具有相同的晶粒度。
上述滾動軸承的內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的任何一構件均可以為上述軸承部件。如果該軸承部件具有的氫含量在上述范圍中，則它的抗裂強度將會得到提高。此外，如果它的奧氏體晶粒的晶粒度號落在上述范圍內(nèi)，則滾動接觸疲勞壽命也將得到提高。
從下列結合附圖對本發(fā)明進行的詳細描述中將更加顯而易見本發(fā)明的上述和其它目的、特征、方法以及優(yōu)點。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的滾動軸承的截面圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的熱處理方法。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的熱處理方法的一種改進。
圖4A和圖4B分別示出了本發(fā)明的軸承部件和一普通的軸承部件的微觀結構，具體地說即奧氏體晶粒。
圖5A和圖5B分別示出了圖4A和圖4B中示出的奧氏體晶粒的晶界。
圖6示出了用于靜態(tài)抗壓強度測試(用于測量斷裂應力)的測試件。
圖7A和圖7B分別以正視圖和側視圖示意性地示出了一種滾動接觸疲勞測試裝置。
圖8示出了一種用于靜態(tài)斷裂韌性測試的測試件。
具體實施例方式
以下，將參照這些附圖描述本發(fā)明的實施例。圖1為根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承的截面圖。參照圖1，滾動軸承10主要包括有一外環(huán)1、一內(nèi)環(huán)2和滾動元件3。盡管示出的是一徑向軸承，但本發(fā)明也可應用于滾珠軸承、圓錐滾柱軸承、滾柱軸承以及滾針軸承。滾動元件3以可滾動的方式由設置在外環(huán)1和內(nèi)環(huán)2之間的一個軸承罩支承。
外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個構件是由具有碳氮化物層的鋼材形成。這種鋼材的奧氏體晶粒的平均晶粒度不大于8微米。
外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個構件是由具有碳氮化物層的鋼材形成。碳氮化物層的鋼材除表面層之外的部分包括0.6-1.2％重量的碳、0.15-1.1％重量的硅以及0.3-1.5％重量的錳。在一種規(guī)定的情況中，它還包括2％重量或更少的鉻。
外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個構件是由具有碳氮化物層的鋼材形成，并且其表現(xiàn)出的斷裂應力不少于2650Mpa。
另外，外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個構件由具有碳氮化物層的鋼材形成，并且鋼的氫含量不大于0.5ppm。
外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個構件是由具有碳氮化物層的鋼材形成，并且該構件的奧氏體晶粒的晶粒度超過JIS的晶粒度10號。
此外，外環(huán)1、內(nèi)環(huán)2和滾動元件3中的至少一個構件由具有碳氮化物層的鋼材形成，其表現(xiàn)出的擺錘式?jīng)_擊不小于6.2J/cm2。
以下，將解釋熱處理，熱處理包括在滾動軸承的外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾動元件的至少一個軸承部件上進行碳氮共滲。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施例的熱處理方法。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一實施例的熱處理方法的一種改進。更具體地說，圖2示出了一種熱處理模式，其中需進行初次淬火和二次淬火。圖3示出了一種熱處理模式，其中，材料在淬火中被冷卻到低于A1相變溫度的一個溫度，此后，將材料再加熱以完成淬火。在圖2和圖3中，在過程T1中(加熱溫度T1)，碳和氮可擴散入鋼的基質內(nèi)，而碳可以充分地滲入其中。而后鋼被冷卻到低于A1相變溫度的一個溫度。接者，在過程T2中(加熱溫度T2)，鋼被再加熱到低于過程T1中的溫度T1的一個溫度，隨后進行油淬火。從碳-鐵相圖中，在碳氮化物層中，過程T2中的加熱溫度T2落在過共析物區(qū)域中，而過共析物的區(qū)域與奧氏體和沉淀物(滲碳體、氮化物等)共存的區(qū)域相應。
以上述的熱處理，與在碳氮共滲之后進行一次淬火的常規(guī)淬火的情況相比，可以改善抗裂強度并且減小老化尺寸變化，但同時可對表面層部分進行碳氮共滲。這樣，根據(jù)上述熱處理方法，可以獲得這樣的奧氏體晶粒，這種奧氏體晶粒微結構的晶粒度是普通晶粒度的一半或更小。進行上述熱處理的軸承部件可以表現(xiàn)出較長的滾動接觸疲勞壽命，并且它的抗裂強度得到的改善，老化尺寸變化得以減小。
圖4A和圖4B示出了分別示出的本發(fā)明的軸承部件和普通軸承部件的微觀結構，或者具體說分別示出的奧氏體晶粒。更具體地說，圖4A中示出了應用圖2示出的熱處理的軸承鋼的奧氏體粒晶大小。作為比較，圖4B中示出了經(jīng)過普通熱處理的軸承鋼的奧氏體晶粒大小。圖5A和圖5B分別示出了圖4A和圖4B中示出的奧氏體晶粒的晶界?？梢园l(fā)現(xiàn)，從這些示出奧氏體晶粒的圖中，普通的奧氏體晶粒具有的JIS晶粒度為10號，而由本發(fā)明的熱處理方法可以獲得更細的12號。通過截線法測量，圖4A中示出的平均晶粒度為5.6微米，這種方法是以一預定長度的線段與晶粒邊界相交的次數(shù)而獲得平均晶粒度的。
實施例以下，將描述本發(fā)明的若干實施例。
實施例1在本發(fā)明的第一實施例中，使用了JIS SUJ2材料(其中包括1.0％重量的碳、0.25％重量的硅、0.4％重量的錳、1.5％重量的鉻。表1示出的各試樣的生產(chǎn)歷史記錄如下。
表1

1)由于淬火不充分而不能進行估算。
樣品A-D(本發(fā)明的實施例)每個樣品以850℃進行碳氮共滲，并且保持150分種。氣氛中的氣體為RX氣體和氨氣的混合氣體。在圖2示出的熱處理模式中，初次淬火是從850℃的碳氮共滲溫度進行的。二次淬火是通過將樣品再加熱至低于碳氮共滲溫度的一個溫度而進行，該溫度在780℃到830℃溫度范圍內(nèi)。用于二次淬火的再加熱到780℃的樣品A從測試主體中去除是由于淬火不充分。
樣品E、F(比較實施例)以與樣品A-D相同的歷史記錄進行碳氮共滲。二次淬火進行的溫度是從不低于850℃的碳氮共滲溫度的一個溫度開始的，該溫度在850℃到870℃的溫度范圍內(nèi)。
傳統(tǒng)碳氮共滲的產(chǎn)品(比較實施例)碳氮共滲在850℃時進行。保持時間為150分鐘。RX氣體和氨氣的混合氣體用作氣氛中的氣體。從碳氮共滲溫度進行淬火。不進行二次淬火。
普通淬火的產(chǎn)品(比較實施例)不進行碳氮共滲，產(chǎn)品被加熱至850℃淬火。不進行二次淬火。
對于表1中示出的各樣品，進行下列各項測試(1)測量氫含量；(2)測量晶粒度；(3)擺錘測試；(4)測量斷裂應力；以及(5)滾動接觸疲勞測試。測試方法如下。
I.例1中的測試方法(1)測量氫含量使用Leco公司的氫分析儀DH-103來分析鋼中不可擴散的氫含量。不測量可擴散的氫含量。以下是LECO DH-103氫分析儀的參數(shù)。
分析范圍0.01-50.00ppm分析精度±0.1ppm或±3％H(其中較大的一個)分析靈敏度0.01ppm檢測方法從熱傳導率樣品重量大小10mg到35g(最大值直徑12mm×長度100mm)加熱爐的溫度范圍50-1100℃試劑Anhydrone(商品名，主要成分92％的Mg(ClO4)2)、Ascarite(商品名，主要成分80％的NaOH)載體氣體氮氣，純度為99.99％或更高氣體定量(Gas-dosing)氣體氫氣，純度為99.99％或更高壓力40 PSI(2.8kgf/cm2)
測量如下進行。由一專用取樣器提取并保有的樣品被放置到該氫分析儀中。其中可擴散的氫通過氮載體氣體而引至一熱傳導率檢測器。在本實施例中，可擴散的氫含量未經(jīng)行測量。接著，將樣品取出取樣器，并在一電阻加熱爐中進行加熱，以通過氮載體氣體將不可擴散的氫導向熱傳導率檢測器。在熱傳導率檢測器中測量熱傳率，從而可獲得不可擴散的氫含量。
(2)晶粒度的測量晶粒度是根據(jù)由JIS G 0551規(guī)定的鋼的奧氏體晶粒的測試方法測量的。
(3)擺錘式?jīng)_擊測試擺錘式?jīng)_擊測試是根據(jù)由JIS Z 2242規(guī)定的用于金屬材料的擺錘式?jīng)_擊測量的方法進行的，其中使用的是如JIS Z 2202規(guī)定的一種U形槽口測試件(JIS 3號測試件)。
(4)斷裂應力的測量圖6示出了靜態(tài)抗壓強度測試(用于測量斷裂應力)中使用的的一測試件。沿圖6中的方向P向測試件施加負載，以測量使測試件斷裂所需的負載。使用如下所示用于計算曲梁的應力的公式，可以將由此獲得的斷裂負載轉化為一應力值。對于本測量可以使用各種形狀的測試件，而不僅限于圖6中示出的一種。
從下列公式(JSME機械工程手冊，A4材料強度，A4-40)中可以獲得圖6中的測試件的凸面上的纖維應力σ1和凹面上的纖維應力σ2。
σ1＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1+e1/{κ(ρ0+e1)}]σ2＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1-e1/{κ(ρ0-e1)}]κ＝-(1/A)A{η/(ρ0+η)}dA式中，N表示包括環(huán)形測試件的軸線的截面的一軸向力，A表示截面積，e1和e2分別表示外徑和內(nèi)徑，而κ表示曲梁的截面模數(shù)。
(5)滾動接觸疲勞測試表2中示出了滾動接觸疲勞測試的測試條件。圖7A和圖7B分別以正視圖和側視圖示出了滾動接觸疲勞測試裝置。在圖7A和圖7B中，滾動接觸疲勞測試件21由驅動輥11驅動，并且與滾珠13接觸滾動。3/4英寸的滾珠13由導向輥導向，并且在測試件21上施加較大的接觸壓力滾動。
表2

II.例1的測試結果(1)氫含量僅經(jīng)過碳氮共滲的傳統(tǒng)的碳氮化的產(chǎn)品呈現(xiàn)出0.72ppm極高的氫含量?？梢哉J為其原因是包括在用于碳氮共滲的氣氛中的氨(NH3)分解并滲透入鋼內(nèi)所致。通過比較，樣品B-D的氫含量下降到一半左右，即0.37-0.40ppm，該含量與普通淬火產(chǎn)品的水平相同。
由于溶解的氫引起的鋼的脆裂可以通過氫含量的減少而得以緩解。也就是說，隨著氫含量的減少，本實施例的樣品B-D可表現(xiàn)出顯著改善的擺錘式?jīng)_擊。
(2)晶粒度在二次淬火的溫度低于碳氮共滲(也就是一次淬火)時的溫度的情況中，即在樣品B-D的情況中，可以獲得可與JIS晶粒度11-12號相比的極細的奧氏體晶粒。樣品E和F、傳統(tǒng)碳氮化的產(chǎn)品以及普通淬火產(chǎn)品的奧氏體晶粒為JIS晶粒度10號，這比本例的樣品B-D的粗。以根據(jù)上述實施例的熱處理，在碳氮化層和內(nèi)部中的奧氏體晶粒都可以做得更細，它們可以獲得幾乎相互相同的晶粒度。在另一例中也可以發(fā)現(xiàn)這種趨勢。
(3)擺錘式?jīng)_擊測試從表1可以看出，傳統(tǒng)碳氮化的產(chǎn)品的擺錘式?jīng)_擊為5.33J/cm2，而本例的樣品B-D表現(xiàn)出的較高的擺錘式?jīng)_擊值為6.30-6.65J/cm2。在它們中，那些在較低溫度經(jīng)過二次淬火的趨向于表現(xiàn)出較高的擺錘式?jīng)_擊值。普通淬火的產(chǎn)品表現(xiàn)出的較高的擺錘式?jīng)_擊值為6.70J/cm2。
(4)斷裂應力的測量斷裂應力與抗裂強度相應。從表1可以看出，傳統(tǒng)碳氮化產(chǎn)品表現(xiàn)出的斷裂應力為2330Mpa。通過比較，樣品B-F的斷裂應力值被改進到2650到2840Mpa。普通淬火產(chǎn)品表現(xiàn)出的斷裂應力為2770Mpa，該水平與樣品B-F的相同。樣品B-F的抗裂強度的這種改善顯然應歸因于奧氏體晶粒大小的減小以及氫含量的降低。
(5)滾動接觸疲勞測試從表1中可以看出，普通淬火產(chǎn)品具有最低的滾動接觸疲勞壽命L10，其原因在于，其表面層部分未經(jīng)碳氮共滲。傳統(tǒng)的碳氮化產(chǎn)品具有的滾動接觸疲勞壽命是普通淬火產(chǎn)品的3.1倍。與傳統(tǒng)碳氮化產(chǎn)品相比，樣品B-F中從低于碳氮共滲的溫度的一個溫度經(jīng)過二次淬火的樣品B-D的滾動接觸疲勞壽命得到了進一步的改進。屬于本發(fā)明并考慮到氫含量的樣品E和F的滾動接觸疲勞壽命均與傳統(tǒng)碳氮化產(chǎn)品的相等或更短。
總之，本例的樣品B-F具有的氫含量減小，而擺錘式?jīng)_擊和抗裂強度得到改善。然而，滾動接觸疲勞壽命僅在樣品B-D中得到了額外的延長，而樣品B-D具有可與JIS晶粒度11號或以上相比的較細的奧氏體晶粒。因此，在本例的樣品B-F中，樣品B-D落在本發(fā)明的較佳的范圍中，以本發(fā)明的較佳范圍，二次淬火的溫度降低到碳氮溫度之下，從而使晶粒度進一步減小。
例2以下，將解釋第二例。在下面要介紹的材料A、B和C上進行了一系列測試。作為要經(jīng)受熱處理的材料，通常采用JIS SUJ2用于A-C材料(其中包括1.0％重量的碳、0.25％重量的硅、0.4％重量的錳、1.5％重量的鉻)。其生產(chǎn)的歷史記錄如下。
A材料(比較例)只經(jīng)過普通的淬火(未陪隨碳氮共滲)。
B材料(比較例)在碳氮共滲之后經(jīng)過淬火處理(傳統(tǒng)的碳氮共滲及淬火)。碳氮共滲的溫度為845℃，保持時間為150分鐘。用于碳氮共滲的氣氛中的氣體為RX氣體和氨氣的混合氣體。
C材料(本發(fā)明的例子)應用了圖2中示出的熱處理模式的軸承鋼。在845℃時進行碳氮共滲并保持150分鐘。RX氣體和氨氣的混合氣體被用作碳氮共滲的氣氛。用于最終淬火的溫度(T2)為800℃。
(1)滾動接觸疲勞壽命用于滾動接觸疲勞壽命測試的測試條件和測試裝置如上所述，并如表2、圖7A和圖7B所示。表3示出測試結果。
表3

從表3中可以看出，作為比較例的B材料具有L10壽命(直到10個測試件中有一個發(fā)生斷裂的壽命)，該壽命是另以僅經(jīng)過普通淬火的比較例的A材料的3.1倍?？梢钥闯鎏嫉矟B有利地延長了使用壽命。通過比較，本例的C材料具有的較長壽命，是B材料的1.74倍，并且是A材料的5.4倍。這種改善主要被認為是由于其較細的微觀結構。
(2)擺錘式?jīng)_擊測試擺錘式?jīng)_擊測試是根據(jù)上述JIS Z 2242中所規(guī)定的方法使用一種U形槽口測試件進行的。表4中示出了測試結果。
表4

盡管經(jīng)過碳氮共滲的B材料(比較例)的擺錘式?jīng)_擊低于經(jīng)過普通淬火的A材料(比較例)，但C材料表出的擺錘式?jīng)_擊可與A材料相比。
(3)靜態(tài)斷裂韌性測試圖8示出了一種用于靜態(tài)斷裂韌性測試的測試件。該測試件的槽口部分預先開裂約1mm的長度，通過彎曲的3點施加靜壓負載以獲得斷裂負載P。斷裂韌性(KIc值)是通過下列公式(I)計算的。表5中示出的測試結果。
KIc=(PLa/BW2){5.8-9.2(a/W)+43.6(a/W)2-75.3(a/W)2+77.5(a/W)4}...(I)]]>表5

由于作為比較例的A材料和B材料的預先開裂的深度超過了碳氮化層的的深度，因此它們表現(xiàn)出類似的斷裂韌性。然而。本發(fā)明例子的C材料表現(xiàn)出的值大約是那些比較例的1.2倍。
(4)靜態(tài)抗壓強度測試(斷裂應力的測量)圖6示出的測試件被用于靜態(tài)抗壓強度測試。負載沿圖6中的P方向施加。表6中示出了測試結果。
表6

經(jīng)過碳氮共滲的B材料表現(xiàn)出的值稍低于A材料。本發(fā)明例子的C材料具有的靜態(tài)抗壓強度優(yōu)于B材料，并可以與A材料的強度相比。
(5)老化尺寸變化將材料在130℃時保持500分鐘，以測量老化尺寸變化。表7除示出了測得的結果之外，還示出了表面硬度和殘留的奧氏體量(在0.1mm的深度中)。
表7

*)越小越好從表7中可以發(fā)現(xiàn)，與含有大量殘留奧氏體的B材料相比，本發(fā)明例子的C材料具有顯著得到抑制的尺寸變化。
(6)在與潤滑劑混合的外界物質之下的疲勞壽命測試使用了滾珠軸承6206來估算在與潤滑劑混合的外界物質條件下的滾動接觸疲勞壽命，其中，普通的外界物質以規(guī)定的量混合。表8中示出了測試條件，而表9中示出了測試結果。
表8

表9


經(jīng)過傳統(tǒng)碳氮共滲的B材料具有的L10壽命約為A材料的2.5倍。本發(fā)明例子的C材料具有的L10壽命約為A材料的2.3倍。雖然，本發(fā)明例子的C材料包括的殘留奧氏體的量比比較例的B材料少，但它具有的較長壽命與通過滲氮且其中具有更細的微觀結構的B材料大致相等。
從上述結果可以發(fā)現(xiàn)，由本發(fā)明的熱處理方法生產(chǎn)的軸承部件，即本發(fā)明例子的C材料，同時可以滿足三個要求較長的抗接觸疲勞壽命、改善的抗裂強度以及較小的老化尺寸變化，而這些是很難由傳統(tǒng)的碳氮共滲實現(xiàn)的。
盡管詳細描述并說明了本發(fā)明，但顯然可以理解的是，這些僅是起到說明和示例的作用，而不起到限制的用作，本發(fā)明的精神和范圍將僅由所附的權利要求書來限制。
權利要求
1.一種由用于軸承部件的鋼形成的軸承部件(1、2、3)，該軸承部件包括一碳氮化層，并且在淬火的微觀結構以及淬火和回火的微觀結構的任何一個中，其具有的奧氏體晶粒的平均晶粒度不大于8μm，氫含量不大于0.5ppm。
2.如權利要求1所述的軸承部件，其特征在于，所述用于軸承部件的鋼在除碳氮化表面層之外的部分中包括0.6-1.2％重量的碳、0.15-1.1％重量的硅以及0.3-1.5％重量的錳。
3.如權利要求2所述的軸承部件，其特征在于，所述用于軸承部件的鋼還包括不超過2.0％重量的鉻。
4.如權利要求1所述的軸承部件，其特征在于，所述軸承部件至少為滾動軸承(10)的滾動軸承環(huán)(1、2)和滾動元件(3)的其中之一。
5.一種滾動軸承，該滾動軸承包括根據(jù)權利要求5的軸承部件。
6.一種結合在滾動軸承(10)中的軸承部件，該軸承部件包括一碳氮化層，并且其具有的奧氏體晶粒的晶粒度超過JIS晶粒度10號，氫含量不低于0.3ppm且不大于0.5ppm。
7.一種滾動軸承(10)，該滾動軸承包括一內(nèi)環(huán)(2)、一外環(huán)(1)和多個滾動元件(3)，所述內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的至少一件是由如權利要求10所述的軸承部件形成的。
8.一種結合在滾動軸承(10)中的軸承部件(1、2、3)，該軸承部件包括具有碳氮化層的鋼，并且其具有的斷裂應力不低于2650MPa，氫含量不大于0.5ppm。
9.一種滾動軸承(10)，該滾動軸承包括一內(nèi)環(huán)(2)、一外環(huán)(1)和多個滾動元件(3)，所述內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的至少一件是由如權利要求12所述的軸承部件形成的。
10.一種結合在滾動軸承中的軸承部件，該軸承部件具有一碳氮化層，并且其具有的氫含量不大于0.5ppm。
11.如權利要求10所述的軸承部件，其特征在于，該軸承部件具有的奧氏體晶粒的晶粒度超過JIS晶粒度10號。
12.一種滾動軸承(10)，該滾動軸承包括一內(nèi)環(huán)(2)、一外環(huán)(1)和多個滾動元件(3)，所述內(nèi)環(huán)、外環(huán)和滾動元件中的至少一構件是由如權利要求14所述的軸承部件形成的。
13.如權利要求12所述的滾動軸承，其特征在于，所述構件的奧氏體晶粒的晶粒度超過JIS晶粒度10號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有較長抗?jié)L動接觸疲勞壽命、良好的抗裂強度以及老化尺寸變化受到限制的軸承部件、該軸承部件的熱處理方法以及一種包括所述軸承部件的滾動軸承。用于軸承部件(1、2、3)的鋼在超過A
文檔編號C21D9/40GK1811015SQ200610004620
公開日2006年8月2日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權日2001年11月29日
發(fā)明者大木力 申請人:Ntn株式會社