專利名稱：交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承，更具體地說，是涉及在氫環(huán)境下不易產(chǎn)生因伴有白層的氫引起的脆性剝離的交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承。
背景技術(shù)：
用于交流發(fā)電機或皮帶輪的滾動轉(zhuǎn)承中，有很多場合發(fā)現(xiàn)在損傷起點伴有白層的特異的剝離部。該白層的形態(tài)與因轉(zhuǎn)動疲勞而產(chǎn)生的WEC(WhiteEtching Constituent)和在非金屬中介物周圍發(fā)生的蝶形不同，其特征是對于轉(zhuǎn)動方向不具有方向性。在起點發(fā)生含有白層的損傷的軸承中，鋼中的氫含量明顯增加，存在于白層中的龜裂沿著結(jié)晶粒界會很長地一直進展到內(nèi)部。因此，認(rèn)為上述損傷的發(fā)生與氫有密切的聯(lián)系。下面將這種伴有該白層的特異性的剝離稱為氫脆性剝離。
氫脆性剝離被認(rèn)為是潤滑劑在轉(zhuǎn)動時發(fā)生的化學(xué)性的活性金屬新生面的催化劑作用下進行分解、所產(chǎn)生的氫進入鋼中而產(chǎn)生的。因此，作為氫脆性剝離的對策，(a1)變更為化學(xué)上不易分解的潤滑劑，(a2)不易出現(xiàn)金屬新生面的發(fā)黑處理等，被認(rèn)為是有效的。
關(guān)于上述(a1)，有以下軸承的提案。將烷基二苯醚油與聚α烯烴油以20∶80～80∶20的重量比進行配制的基油中，作為增稠劑將芳香族二尿素化合物或芳香族尿素·氨基甲酸乙酯化合物以5～40重量％進行配制，再將添加了鈍化氧化劑及有機磺酸鹽的油脂組成物封入滾動轉(zhuǎn)承內(nèi)而構(gòu)成的發(fā)電機用油脂封入軸承(參照日本專利特開平5-263091號公報)。
另外，關(guān)于上述(a2)，有以下軸承的提案。在軸承內(nèi)封入油脂的油脂封入軸承中，在軌道環(huán)的轉(zhuǎn)動面上形成厚度為0.1～2.5μm的氧化皮膜的油脂封入軸承(參照日本專利特開平2-190615號公報)。
上述提案在本領(lǐng)域被證明具有延長使用壽命的效果。
但是，近年來，交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承的使用環(huán)境日益苛刻，出現(xiàn)了僅用上述對策還不夠充分的情況。因此，需要進一步延長氫脆性剝離壽命的對策。
本發(fā)明的目的在于提供一種即使在因使用條件苛刻而從油脂等產(chǎn)生氫且載荷條件處于容易產(chǎn)生氫脆性剝離的使用環(huán)境下使用，也能抑制其氫脆性剝離的交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承。
本

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的交流發(fā)電機用軸承，是一種在轉(zhuǎn)子軸的一端上配置有卷掛皮帶的皮帶輪、對利用從所述皮帶傳遞至所述皮帶輪的驅(qū)動力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸進行支承的軸承。該交流發(fā)電機用軸承具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，這些轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的奧氏體結(jié)晶顆粒的粒度號為超過10號的范圍。這里所說的奧氏體結(jié)晶顆粒是指淬火加熱中相變態(tài)后的奧氏體結(jié)晶顆粒，即使通過上述淬火冷卻而向馬氏體變態(tài)后，也能作為過去的經(jīng)歷而殘留的結(jié)晶顆粒。
上述構(gòu)件的奧氏體顆粒的粒度號碼越是大于10號，越是微細(xì)化，通過與氮富化層的組合，具有可飛躍地提高對氫脆性剝離進行抑制的效果。其理由盡管只是推測，但可作如下考慮。在1個結(jié)晶顆粒內(nèi)進行氫脆性剝離的結(jié)晶面是確定的，龜裂不會就這樣地向相鄰的結(jié)晶顆粒進展下去。如要使相鄰的結(jié)晶顆粒中發(fā)生龜裂，需要重新聚集發(fā)生龜裂的能量?？梢哉J(rèn)為能量的聚集比如、使氫原子向規(guī)定部分進行積蓄需要時間，因此，可使氫脆性剝離的龜裂進展速度降低。
上述奧氏體結(jié)晶粒度也可利用日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通常的方法求出，也可利用切片法等求出與上述結(jié)晶粒度號碼對應(yīng)的平均粒徑再進行換算。上述奧氏體結(jié)晶粒徑越微細(xì)越好，最好是奧氏體結(jié)晶粒度號碼在11號以上。另外，平均結(jié)晶粒徑也可在6μm以下。不過，上述奧氏體結(jié)晶粒度號碼在氮富化層處滿足即可。但是，通常的場合，在氮富化層內(nèi)側(cè)的鋼材本體，也滿足上述奧氏體結(jié)晶顆粒微細(xì)化的基準(zhǔn)。
上述奧氏體結(jié)晶顆粒，只要對于作為對象的構(gòu)件的金相試料進行腐蝕等、實施顯示粒界的處理后能觀察到的粒界即可。其含義是即將低溫淬火之前的加熱時點的粒界，有時稱為舊奧氏體顆粒。其測量方法如上所述，可從JIS標(biāo)準(zhǔn)的粒度號的平均值換算成平均粒徑求出，也可利用切片法等，取出在金相組織上重疊的隨意方向的直線與粒界會合期間的間隔長度的平均值，乘上修正系數(shù)使其從二維到三維的間隔長度。
而上述氮富化層如后敘那樣，由浸碳氮化處理形成，不過對上述氮富化層既可進行碳富化也可不進行碳富化。
將軸承零件用的鋼在超過A1相變點的浸碳氮化處理溫度下進行浸碳氮化處理后，冷卻至A1相變點不到的溫度，然后在A1相變點以上A3相變點不到的溫度區(qū)域，再加熱至比浸碳氮化處理溫度低的淬火溫度區(qū)域進行淬火，從而可以得到上述微細(xì)的奧氏體顆粒。該熱處理方法稱為低溫二次淬火。關(guān)于該制造方法，在實施形態(tài)中進行詳細(xì)說明。
用于同樣用途的本發(fā)明的其他交流發(fā)電機用軸承中，轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的破壞應(yīng)力值在2650MPa以上。
本案發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)通過上述熱處理方法，可將具有浸碳氮化處理層的鋼的破壞應(yīng)力值做到以往所無法得到的2650MPa以上。由此，能得到強度高的滾動轉(zhuǎn)承，即使是交流發(fā)電機用軸承的徑向負(fù)載與力矩負(fù)載重疊的負(fù)載形態(tài)下，也顯示出優(yōu)良的耐久性。
用于同樣用途的本發(fā)明的又一交流發(fā)電機用軸承中，轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的氫含有率在0.5ppm以下。
通過上述熱處理方法(低溫二次淬火方法)，能降低用于交流發(fā)電機之前的鋼構(gòu)件所含有的氫含有率。因此，可延長進入鋼的氫達到龜裂發(fā)生的臨界值所需的時間，再加上其他還不明白的理由，能使氫脆性剝離難以發(fā)生。
以小的氫含量為佳。但是，如要減少到0.3ppm以下則需要長時間加熱，從而導(dǎo)致奧氏體粒徑粗大化，其韌性反而變差。因此，較好的氫含量在0.3～0.5ppm的范圍。最好在0.35～0.45ppm的范圍。
不過，上述氫含有率，不將擴散性氫作為測量的對象，僅將在規(guī)定溫度以上從鋼中放出的非擴散性氫作為測量的對象。擴散性氫含量，如試件尺寸小的話，在常溫下就會從試件中放出而逸散，因而不作為測量對象。非擴散性氫是指攙雜在鋼中的缺陷部等內(nèi)、到規(guī)定的加熱溫度以上才會從試件中放出的氫。盡管限定為該非擴散性氫，但氫含有率還是因測量方法而有很大的變動。上述氫含有率范圍是利用傳熱系數(shù)法的測量方法的范圍。如后所敘，最好利用LECOD公司生產(chǎn)的DH-103型氫分析裝置或以此為基準(zhǔn)的測量裝置進行測量。
上述本發(fā)明的所有交流發(fā)電機用軸承中，也可使具有上述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率在10％以上。
通過使表層部的球狀碳化物的面積率在10％以上，能進一步提高交流發(fā)電機用軸承對于氫脆性剝離的耐久性。
本發(fā)明的皮帶輪用軸承，在卷掛皮帶的皮帶輪的內(nèi)側(cè)貫通有旋轉(zhuǎn)軸，在該旋轉(zhuǎn)軸與皮帶輪之間夾著軸承。該軸承具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的奧氏體結(jié)晶顆粒的粒度號為超過10號的范圍。
用于汽車的皮帶輪正努力地朝小型化、高負(fù)載化推進，因此，旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的趨勢明顯，成為容易從油脂等產(chǎn)生氫的使用條件。配置有上述皮帶輪用軸承的皮帶輪中，有時皮帶寬度的中心相對于軸承的中央部錯開狀配置進行驅(qū)動。因此，上述軸承中，除了徑向負(fù)載以外還作用有力矩負(fù)載，拉伸應(yīng)力成分周期性作用于皮帶輪用軸承的零件，引發(fā)產(chǎn)生的氫侵入鋼中。
但是，如上所述，通過使上述構(gòu)件的奧氏體顆粒的粒度號超過10號那樣微細(xì)化，利用與氮富化層的結(jié)合，不僅交流發(fā)電機用軸承，而且皮帶輪用軸承也能飛躍性地抑制氫脆性剝離。另外，對于將上述構(gòu)件的破壞應(yīng)力值做成2650MPa以上的效果，或?qū)⑸鲜鰳?gòu)件的氫含有率做成0.5ppm以下的效果方面，也能與交流發(fā)電機用軸承同樣地進行考慮。
上述本發(fā)明的所有皮帶輪用軸承中，也可使具有氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率在10％以上。
皮帶輪用軸承中，通過使表層部的球狀碳化物的面積率在10％以上，能進一步提高對于氫脆性剝離的耐久性。
上述交流發(fā)電機用軸承或皮帶輪用軸承中，上述至少一個構(gòu)件可由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。對于該由SUJ2鋼材構(gòu)成的軸承構(gòu)件，通過應(yīng)用上述低溫二次淬火法，能容易地得到上述那樣微細(xì)的奧氏體結(jié)晶顆粒、高度的破壞應(yīng)力值及低的氫含有率。
附圖的簡單說明

圖1是表示包括本發(fā)明的實施形態(tài)的交流發(fā)電機用軸承的交流發(fā)電機的圖。
圖2是表示圖1的交流發(fā)電機用軸承的放大圖。
圖3是表示本發(fā)明的皮帶輪用軸承的圖。
圖4是表示本發(fā)明的實施形態(tài)的應(yīng)用于交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承的轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件的熱處理的一例的圖。
圖5是表示應(yīng)用于交流發(fā)電機用軸承及皮帶輪用軸承的轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件的熱處理的其他例子的圖。
圖6A及圖6B是表示軸承零件的微觀組織，尤其是表示奧氏體顆粒的圖。圖6A是本發(fā)明例的軸承零件，圖6B是傳統(tǒng)的軸承零件。
圖7A是將圖6A進行圖解的奧氏體顆粒，圖7B是將圖6B進行圖解的奧氏體顆粒。
圖8是表示靜破壞強度試驗(破壞應(yīng)力值的測量)的試片的圖。
圖9A及圖9B是表示轉(zhuǎn)動疲勞壽命試驗機的概要圖。圖9A是主視圖，圖9B是側(cè)視圖。
圖10是表示靜破壞韌性試驗的試片的圖。
圖11A～圖11C是表示本發(fā)明的實施形態(tài)的處理的圖，圖11A是本發(fā)明例1的處理圖，圖11B是本發(fā)明例2的處理圖，圖11C是表示比較例1的處理的圖。
圖12是表示再現(xiàn)氫脆性剝離的試驗裝置的圖。
圖13A及圖13B是表示氫脆性剝離的圖，圖13A是剖面的照片，圖13B是其模式圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施形態(tài)進行說明。圖1中，交流發(fā)電機10中，交流發(fā)電機用軸承1，15中插入軸11，在伸出的端部上安裝有皮帶輪13。在皮帶輪13上設(shè)有用于卷掛未圖示的傳動皮帶的卡合槽16。
交流發(fā)電機用軸承1，位于固定于軸11的中央部的轉(zhuǎn)子12與皮帶輪13之間，稱為前軸承。另外，另一個交流發(fā)電機用軸承15，位于上述轉(zhuǎn)子12的另一端部，稱為后軸承。前軸承和后軸承都安裝在外殼上。作為本發(fā)明對象的軸承，既可以是前軸承也可以是后軸承，但容易產(chǎn)生氫脆性剝離的軸承是位于皮帶輪13與轉(zhuǎn)子12之間且彎曲力矩等應(yīng)力大的前軸承即、交流發(fā)電機用軸承1。
圖2是圖1的前軸承即交流發(fā)電機用軸承1的放大圖。前軸承即交流發(fā)電機用軸承1由內(nèi)環(huán)5、外環(huán)7、轉(zhuǎn)動體3及密封件8構(gòu)成。在內(nèi)環(huán)5和外環(huán)7上分別設(shè)有轉(zhuǎn)動面5a、7a，在這些轉(zhuǎn)動面5a與7a之間具有轉(zhuǎn)動體3。轉(zhuǎn)動體的材質(zhì)可以是鋼也可是陶瓷。軸11壓入內(nèi)環(huán)5內(nèi)，軸11旋轉(zhuǎn)自如地得到支承。另外，轉(zhuǎn)動體3由未圖示的保持器保持，同時，在內(nèi)環(huán)5與外環(huán)7之間的兩端上配置密封件8、8，以對軸承內(nèi)部進行密封，該被密封的軸承內(nèi)部空間內(nèi)封入油脂。
圖3是表示包括本發(fā)明的實施形態(tài)的皮帶輪用軸承21的皮帶輪20的圖。皮帶輪20，皮帶輪本體19外嵌在皮帶輪用軸承21的外輪7上，皮帶卷掛部18上卷掛有皮帶。皮帶輪用軸承21由內(nèi)環(huán)5、外環(huán)7、轉(zhuǎn)動體3及密封件8構(gòu)成。在內(nèi)環(huán)5和外環(huán)7上分別設(shè)有轉(zhuǎn)動面5a、7a，在這些轉(zhuǎn)動面5a與7a之間具有轉(zhuǎn)動體3。外嵌在外輪7上的皮帶輪本體19旋轉(zhuǎn)自如地得到支承。另外，轉(zhuǎn)動體3由未圖示的保持器保持，同時，在內(nèi)環(huán)5與外環(huán)7之間的兩端上配置密封件8、8，以對軸承內(nèi)部進行密封，該被密封的軸承內(nèi)部空間內(nèi)封入油脂。
另外，圖3中，內(nèi)環(huán)5也可與用于將皮帶輪20安裝在對方構(gòu)件上的軸形成一體。即，也可是包括在軸外徑上具有槽的軸槽型。
上述軸承的外環(huán)7、內(nèi)環(huán)5及轉(zhuǎn)動體3中的至少一個構(gòu)件是具有氮富化層的鋼，并且，該構(gòu)件的奧氏體結(jié)晶顆粒的粒度號為超過10號的范圍。或者，外環(huán)7、內(nèi)環(huán)5及轉(zhuǎn)動體3中的至少一個構(gòu)件是具有氮富化層的鋼，并且，破壞應(yīng)力值在2650Mpa以上?；蛘撸猸h(huán)7、內(nèi)環(huán)5及轉(zhuǎn)動體3中的至少一個構(gòu)件是具有氮富化層的鋼，并且，鋼中的氫含有率在0.5ppm以下。
上述軸承內(nèi)的上述構(gòu)件，在封入油脂的上述高速、高面壓的使用條件下，不易產(chǎn)生氫脆性剝離，能得到長時期使用壽命。
下面對包括對這些滾動轉(zhuǎn)承的外環(huán)、內(nèi)環(huán)及轉(zhuǎn)動體中的至少一個軸承零件進行浸碳氮化處理的熱處理作出說明。
圖4是表示進行一次淬火及二次淬火的方法的熱處理方式，圖5是表示在淬火途中將材料冷卻至不到A1相變點溫度，然后再加熱，最終進行淬火的方法的熱處理方式。兩種都是本發(fā)明的實施形態(tài)。這些圖中，在處理T1中，碳和氮向鋼的基材擴散，另外，在充分進行了碳的溶入后，冷卻至不到A1相變點。接著，在圖中的處理T2中，再加熱至比處理T1低的溫度，然后進行油淬火。
上述二種熱處理的任何一種，通過其中的浸碳氮化處理，都能形成“浸碳氮化處理層”即氮富化層。在浸碳氮化處理中，因為作為基材的鋼的碳濃度高，有時在通常的浸碳氮化處理的環(huán)境中碳難以侵入鋼的表面。比如，碳濃度高的鋼的場合(1wt％左右的鋼)，既有生成更高的碳濃度的浸碳層的情況，也有難以生成更高的碳濃度的浸碳層的情況。但是，氮濃度也受到Cr濃度等的影響，但通常的鋼中較低，最大限度為0.025wt％程度以下，與基材的鋼的碳濃度無關(guān)地可明顯生成氮化富化層。當(dāng)然，上述氮化富化層中也可富化碳。
上述熱處理與普通淬火即、浸碳氮化處理后接著直接進行1次淬火相比，可在使表層部分浸碳氮化的同時提高裂紋強度，可減少時效尺寸變化率。如上所述，利用上述熱處理方法，能得到奧氏體結(jié)晶顆粒的粒徑為以往的二分之一以下的微觀組織。經(jīng)過了上述熱處理的軸承零件，轉(zhuǎn)動疲勞特性延長使用壽命，能提高裂紋強度，減少時效尺寸變化率。而且，顯示出對氫脆性剝離有很大的耐久性。
應(yīng)用了上述圖4所示的熱處理方式的軸承鋼的奧氏體結(jié)晶顆粒如圖6A所示。另外，為了比較，利用傳統(tǒng)的熱處理方法的軸承鋼的奧氏體結(jié)晶顆粒如圖6B所示。另外，將上述圖6A及圖6B進行圖解的奧氏體結(jié)晶顆粒如圖7A及圖7B所示。根據(jù)表示這些奧氏體結(jié)晶顆粒的組織，傳統(tǒng)的奧氏體粒徑在JIS標(biāo)準(zhǔn)的粒度號中為10號，而利用本發(fā)明的熱處理方法，比如能得到12號的細(xì)粒。另外，利用切片法測得的圖6的平均粒徑為5.6μm。
(實施例)下面對本發(fā)明的實施例進行說明。
(實施例1)使用JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)，進行了本發(fā)明的實施例1。表1所示的各試料的制造記錄如下。
JIS G4805 SUJ2 specifies the range of chemistry as followsC0.95-1.10wt％，Si0.15-0.35wt％，Mn≤0.50wt％，P≤0.025wt％，S≤0.025wt％，Cr1.30-1.60wt％表1

1)這次因淬火不足而無法評價。
(試料A～D；本發(fā)明例)浸碳氮化處理850℃、保持時間150分鐘。環(huán)境是RX氣體與氨氣的混合氣體。在圖4所示的熱處理方式中，從浸碳氮化處理溫度850℃進行一次淬火，然后加熱至比浸碳氮化處理溫度低的溫度區(qū)域780℃～830℃后進行二次淬火。不過，二次淬火溫度780℃的試料A因淬火不足而排除在試驗對象外。
(試料E、F；比較例)浸碳氮化處理以與本發(fā)明例A～D相同的記錄進行，二次淬火溫度在比浸碳氮化處理溫度850℃高的850℃～870℃下進行。
(傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件；比較例)浸碳氮化處理850℃、保持時間150分鐘。環(huán)境是RX氣體與氨氣的混合氣體。從浸碳氮化處理溫度直接進行淬火，不進行二次淬火。
(普通淬火件；比較例)不進行浸碳氮化處理，加熱至850℃后進行淬火。不進行二次淬火。
對于上述試料，進行了(1)氫含量的測量，(2)結(jié)晶粒度的測量，(3)夏氏沖擊試驗，(4)破壞應(yīng)力值的測量，(5)轉(zhuǎn)動疲勞試驗的各種試驗。下面對這些試驗方法進行說明。
I實施例1的試驗方法(1)氫含量的測量氫含量利用LECO公司產(chǎn)DH-103型氫分析裝置對鋼中的非擴散性氫含量進行了分析。沒有測量擴散性氫含量。該LECO公司產(chǎn)DH-103型氫分析裝置的規(guī)格如下。
分析范圍0.01～50.00ppm分析精度±0.1ppm或±3％H(取其中大的一方)分析靈敏度0.01ppm檢測方式傳熱系數(shù)法試料重量尺寸10mg～35g(最大直徑12mm×長度100mm)加熱爐溫度范圍50℃～1100℃試藥無水高氯酸鎂(ァンハイドロン)Mg(ClO4)2、燒堿石棉劑NaOH載流氣體氮氣、氣體配氣體(ガスド一ジングガス)氫氣，每一種氣體的純度都在99.99％以上，壓力為40PSI(2.8kgf/cm2)。
測量順序的概要如下。利用專用的采樣器采取的試料按各個采樣器插入上述氫分析裝置內(nèi)。內(nèi)部的擴散性氫由氮載流氣體引向傳熱系數(shù)檢測器。本實施例中對該擴散性氫不進行測量。其次，從采樣器將試料取出，放在電阻加熱爐內(nèi)加熱，非擴散性氫由氮載流氣體引向傳熱系數(shù)檢測器。在傳熱系數(shù)檢測器中，通過對傳熱系數(shù)進行測量，就能知道非擴散性氫含量。
(2)結(jié)晶粒度的測量結(jié)晶粒度的測量是根據(jù)JIS G 0551的鋼的奧氏體結(jié)晶粒度試驗方法進行的。
(3)夏氏沖擊試驗夏氏沖擊試驗是根據(jù)JIS Z 2242的金屬材料的夏氏沖擊試驗方法進行的。試片使用了JIS Z 2202所示的U凹口試片(JIS3號試片)。
(4)破壞應(yīng)力值的測量圖8是表示靜壓壞強度試驗(破壞應(yīng)力值的測量)的試片的圖。在圖中的P方向上作用負(fù)載，對直到破壞為止時的負(fù)載進行測量。然后，將得到的破壞負(fù)載通過下述的彎曲梁的應(yīng)力計算公式換算成應(yīng)力值。不過，試片并不局限于圖8所示的試片，也可使用其他形狀的試片。
設(shè)圖8的試片的凸表面上的纖維應(yīng)力為σ1。，凹表面上的纖維應(yīng)力為σ2，σ1及σ2由下式求得(機械工學(xué)便覽A4篇材料力學(xué)A4-40)。這里，N為包括圓環(huán)狀試片的軸的截面的軸力，A為橫截面積，e1為外半徑，e2為內(nèi)半徑。另外，κ為彎曲梁的截面模量。
σ1=(N／A)+{M/(Apo)}[1+e1/{κ(ρ0+e1))]σ2=(N/A)+{M/(Aρo)}[1-e2/{κ(p0-e2)}]κ=-(1/A)∫A{η/(ρ0+η)}dA]]>(5)轉(zhuǎn)動疲勞試驗轉(zhuǎn)動疲勞壽命試驗的試驗條件如表2所示。另外，圖9A及圖9B是轉(zhuǎn)動疲勞壽命試驗機的概要圖。圖9A是主視圖，圖9B是向視圖。圖9A及圖9B中，轉(zhuǎn)動疲勞壽命試片61，由驅(qū)動滾筒51驅(qū)動，與球53接觸進行旋轉(zhuǎn)。球53是(3/4)”的球，由導(dǎo)軌52引導(dǎo)，在與轉(zhuǎn)動疲勞壽命試片61之間邊施加高的面壓邊進行轉(zhuǎn)動。
II實施例1的試驗結(jié)果(1)氫含量根據(jù)表1，浸碳氮化處理后的狀態(tài)下的傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件是非常高的值，為0.72ppm。可以認(rèn)為這是因為浸碳氮化處理的環(huán)境中含有的氨氣(NH3)分解，氫侵入鋼中的緣故。相比之下，試料B～D，氫含量減少到近一半的0.37～0.40ppm。該氫含量與普通的淬火件程度相同。
通過降低上述氫含量，能減輕氫的固溶引起的鋼的脆化。即，通過降低氫含量，本發(fā)明例的試料B～D的夏氏沖擊值得到了很大的改善。
(2)結(jié)晶粒度根據(jù)表1，結(jié)晶粒度，在二次淬火溫度比浸碳氮化處理時的淬火(一次淬火)的溫度低的場合即、試料B～D的場合，奧氏體顆粒顯著地微細(xì)化，為結(jié)晶粒度號11～12。試料E、F及傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件和普通淬火件的奧氏體顆粒為結(jié)晶粒度號10，是比本發(fā)明例的試料B～D粗大的結(jié)晶顆粒。
(3)夏氏沖擊試驗根據(jù)表1，傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件的夏氏沖擊值為5.33J/cm2，相比之下，本發(fā)明例的試料B～D的夏氏沖擊值是高值，為6.30～6.65J/cm2。其中，顯示出二次淬火溫度越低、夏氏沖擊值越高的趨勢。普通淬火件的夏氏沖擊值很高，為6.70J/cm2。
(4)破壞應(yīng)力值的測量上述破壞應(yīng)力值相當(dāng)于耐裂紋強度。根據(jù)表1，傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件的破壞應(yīng)力值為2330Mpa。與此相比，試料B～D的破壞應(yīng)力值得到改善，為2650～2840Mpa。普通淬火件的破壞應(yīng)力值為2770Mpa，與試料B～F的破壞應(yīng)力值同等?？梢酝茰y，試料B～D得到改良的耐裂紋強度與奧氏體結(jié)晶顆粒的微細(xì)化相同，主要是降低了氫含有率所引起的效果。
(5)轉(zhuǎn)動疲勞試驗根據(jù)表1，反映了普通淬火件在表層部不具有氮富化層，其轉(zhuǎn)動疲勞壽命L10最低。相比之下，傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件的轉(zhuǎn)動疲勞壽命是3.1倍。本發(fā)明的試料B～D的轉(zhuǎn)動疲勞壽命比傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件有了大幅度的提高。試料E、F與傳統(tǒng)的浸碳氮化處理件大致同等。
綜上所述，本發(fā)明例的試料B～D的氫含有率下降，奧氏體結(jié)晶粒度被微細(xì)化為11號以上，夏氏沖擊值、耐裂紋強度及轉(zhuǎn)動疲勞壽命也得到改善。
(實施例2)下面對實施例2進行說明。對于下述的X材料、Y材料及Z材料，進行了一系列的試驗。熱處理用基材使用了JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)，與X材料～Z材料是共同的。X材料～Z材料的制造記錄如下。
(X材料比較例)僅普通淬火(不進行浸碳氮化處理)。
(Y材料比較例)浸碳氮化處理后直接進行淬火(傳統(tǒng)的浸碳氮化淬火)。浸碳氮化處理845℃、保持時間150分鐘。浸碳氮化處理的環(huán)境是RX氣體與氨氣的混合氣體。
(Z材料本發(fā)明例)實施了圖4的熱處理方式后的軸承鋼。浸碳氮化處理845℃、保持時間150分鐘。浸碳氮化處理的環(huán)境是RX氣體與氨氣的混合氣體。最終的淬火溫度為850℃。
(1)轉(zhuǎn)動疲勞壽命轉(zhuǎn)動疲勞壽命試驗的試驗條件及試驗裝置如上所述，由表2及圖9A及圖9B所示。該轉(zhuǎn)動疲勞壽命試驗結(jié)果如表3所示。
表2

表3

根據(jù)表3，比較例的Y材料顯示出是同樣的比較例中僅實施了普通淬火的X材料的L10壽命(10個試片中1個破損的壽命)的3.1倍，可以看出浸碳氮化處理帶來了長壽命化的效果。相比之下，本發(fā)明例的Z材料顯示出長壽命，是Y材料的1.74倍、X材料的5.4倍。其改良的主要原因可以認(rèn)為是微觀組織的微細(xì)化引起的。
(2)夏氏沖擊試驗夏氏沖擊試驗利用U凹口試片，按照上述的JIS Z 2242的方法進行的。試驗結(jié)果如表4所示。
表4

進行了浸碳氮化處理后的Y材料(比較例)的夏氏沖擊值，不比普通淬火的X材料(比較例)高，但Z材料得到了與X材料同等的值。
(3)靜破壞韌性值的試驗圖10是表示靜破壞韌性試驗的試片的圖。該試片的凹口部事先導(dǎo)入大約1mm的裂痕后，施加3點彎曲的靜負(fù)載，求出破壞負(fù)載P。破壞韌性值(KIc)由下式(I)算出。另外，試驗結(jié)果如表5所示。
KIc＝(PL√a/BW2){5.8-9.2(a/W)+43.6(a/W)2-75.3(a/W)3+77.5(a/W)4} …(I)表5

事先龜裂深度不比氮化富化層深度大，因而比較例的X材料和Y材料沒有差異。但是，本發(fā)明例的Z材料得到了比較例的大約1.2倍的值。
(4)靜壓壞強度試驗(破壞應(yīng)力值的測量)靜壓壞強度試片利用了如上所述的圖8所示的形狀。圖中，P方向上施加負(fù)載，進行了靜壓壞強度試驗。試驗結(jié)果如表6所示。
表6

進行了浸碳氮化處理的Y材料的值比普通淬火的X材料稍小。但是，本發(fā)明的Z材料的靜壓壞強度比Y材料得到提高，得到不比X材料遜色的程度。
(5)時效尺寸變化率將保持溫度130℃、保持時間500小時的時效尺寸變化率的測量結(jié)果與表面硬度、殘留奧氏體量(0.1mm深度)一起如表7所示。
表7

*值小為好。
與殘留奧氏體量多的Y材料的尺寸變化率相比，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明例的Z材料被抑制在二分之一以下。
(6)異物混入潤滑條件下的壽命試驗利用滾珠軸承6206，對混入規(guī)定量的標(biāo)準(zhǔn)異物的異物混入潤滑條件下的轉(zhuǎn)動疲勞壽命進行了評價。試驗條件如表8所示，試驗結(jié)果如表9所示。
表8

表9

與X材料相比，傳統(tǒng)的實施了浸碳氮化處理的Y材料約為2.5倍，另外，本發(fā)明例的Z材料獲得約為3.7倍的長壽命。本發(fā)明例的Z材料與比較例的Y材料相比，盡管殘留奧氏體少，但由于氮的進入和微細(xì)化的微觀組織的影響而得到長壽命。
通過上述結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明例的Z材料即、利用本發(fā)明的熱處理方法制造的軸承零件，能同時滿足傳統(tǒng)的浸碳氮化處理所難以實現(xiàn)的轉(zhuǎn)動疲勞壽命的長壽命化、裂紋強度的提高、時效尺寸變化率的降低這3個項目。
(實施例3)作為使難以發(fā)生上述氫脆性剝離的本發(fā)明例的鋼材，準(zhǔn)備了圖11A、圖11B所示的實施了2種處理的SUJ2。
圖11A所示的本發(fā)明例V1的處理中，以1.3～1.6這樣高的CP(CarbonPotential)值進行浸碳氮化處理后，從該溫度以冷油式進行淬火。通過在這樣高的CP值的環(huán)境下進行浸碳氮化處理，能可靠地使表層部的球狀化碳化物的面積率達到10％以上。然后，回火至180℃。
圖11B所示的本發(fā)明例V2的處理中，比較例1(參照圖11C)的浸碳氮化處理及淬火處理后，加熱至T1℃(845℃)-α℃這樣的比最初的淬火溫度低α℃的溫度后進行油淬火。該(T1-α)℃溫度在A1點以上，是比此前的浸碳氮化處理及淬火溫度低的溫度。如圖所示，從浸碳氮化處理的溫度進行淬火，因而淬火溫度與浸碳氮化處理溫度相同。本說明中，將加熱至該(T1-α)℃后進行淬火處理稱為低溫淬火。該低溫淬火后回火至180℃。
另外，作為比較例的鋼材，使用實施了圖11C所示的處理后的SUJ2、SUJ2的普通淬火材料、SUJ2發(fā)黑處理材料、13％Cr鋼的4種鋼材，進行了為了比較而作的評價。評價后的鋼材的一覽如表10所示。
表10評價對象一覽

氫脆性剝離的評價試驗中，使用了圖12所示的徑向負(fù)載試驗機。試驗軸承71a、71b安裝在由安裝在中央部的支撐軸承73支承的主軸兩側(cè)的2處，通過皮帶輪由伺服電機驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)。另外，試驗軸承通過作用于支撐軸承73的徑向負(fù)載引起的軸撓曲而受到徑向偏負(fù)載。上述試驗軸承71a、71b進一步由安裝在軸承箱內(nèi)的盒式加熱器72a、72b進行溫度控制。用于該評價試驗的試驗體的軸承71a、71b是外徑32mm×內(nèi)徑24mm×長19.8mm的徑向滾針軸承。上述試驗中的試驗條件如表11所示。
表11試驗條件

表11所示的試驗條件，通過急加減速，能重復(fù)性良好地產(chǎn)生氫脆性剝離。在該試驗條件下試驗后的試驗結(jié)果如表12所示。
表12試驗結(jié)果

*1剝離數(shù)僅為1個，故表示了其壽命。
*2沒有觀察到氫脆性剝離的特征即白層。
圖13A、圖13B表示比較例C中包含了產(chǎn)生的氫脆性剝離的截面。圖13A是剖面照片，圖13B是其模式圖?？梢娫谏鲜鲈囼灄l件下誘發(fā)了氫脆性剝離。
根據(jù)表12的試驗結(jié)果，可見與傳統(tǒng)件相比，本發(fā)明例的材料都表示了長壽命。特別是本發(fā)明例V2，比耐氫脆性剝離性提高的比較例C2的發(fā)黑處理材料及比較例C3的13％Cr鋼的發(fā)黑處理材料雙方都壽命長。
為了調(diào)查本發(fā)明例V2壽命特別長的原因，對本發(fā)明例V1～V2、傳統(tǒng)件的比較例C1～C2的鋼材的表層部的球狀化碳化物的面積率及奧氏體結(jié)晶顆粒的JIS標(biāo)準(zhǔn)的粒度號進行了測量。其結(jié)果如表13所示。
表13球狀化碳化物的面積率、奧氏體結(jié)晶顆粒的平均粒徑

本發(fā)明例V1的球狀化碳化物的面積率比比較例C1大，JIS結(jié)晶粒度與比較例相比沒有很大的差異。另外，本發(fā)明例V2中，球狀化碳化物的面積率比比較例大，另外，JIS結(jié)晶粒度比比較例更微細(xì)化。
比較例C2比比較例C1壽命長，另外，本發(fā)明例V1比比較例C2、另外本發(fā)明例V2比本發(fā)明例V1壽命更長，因而發(fā)現(xiàn)以下3個因素對抑制耐氫脆性剝離有效果。
(1)具有氮富化層。
(2)球狀化碳化物的面積率在10％以上。
(3)奧氏體結(jié)晶顆粒超過JIS標(biāo)準(zhǔn)的粒度號10號。
因本發(fā)明例V2同時具備上述3個要素，因而顯示出非常長的壽命。即使僅上述項目(1)也能看到耐氫脆性剝離的效果，但其延長壽命效果小，因而至少如本發(fā)明例V1那樣，通過具有(1)及(2)的2個要素，能形成在氫環(huán)境下不易產(chǎn)生氫脆性剝離的滾動轉(zhuǎn)承。
權(quán)利要求
1.一種交流發(fā)電機用軸承，在轉(zhuǎn)子軸的一端上配置有卷掛皮帶的皮帶輪，對利用從所述皮帶傳遞至所述皮帶輪的驅(qū)動力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸進行支承，其特征在于，具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，所述轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的奧氏體結(jié)晶顆粒的粒度號為超過10號的范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的交流發(fā)電機用軸承，其特征在于，具有所述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率是10％以上。
3.如權(quán)利要求1所述的交流發(fā)電機用軸承，其特征在于，所述至少一個構(gòu)件由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。
4.一種交流發(fā)電機用軸承，在轉(zhuǎn)子軸的一端上配置有卷掛皮帶的皮帶輪，對利用從所述皮帶傳遞至所述皮帶輪的驅(qū)動力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸進行支承，其特征在于，具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，所述轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的破壞應(yīng)力值是2650Mpa以上。
5.如權(quán)利要求4所述的交流發(fā)電機用軸承，其特征在于，具有所述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率是10％以上。
6.如權(quán)利要求4所述的交流發(fā)電機用軸承，其特征在于，所述至少一個構(gòu)件由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。
7.一種交流發(fā)電機用軸承，在轉(zhuǎn)子軸的一端上配置有卷掛皮帶的皮帶輪，對利用從所述皮帶傳遞至所述皮帶輪的驅(qū)動力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸進行支承，其特征在于，具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，所述轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的氫含有率在0.5ppm以下。
8.如權(quán)利要求7所述的交流發(fā)電機用軸承，其特征在于，具有所述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率在10％以上。
9.如權(quán)利要求7所述的交流發(fā)電機用軸承，其特征在于，所述至少一個構(gòu)件由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。
10.一種皮帶輪用軸承，在卷掛皮帶的皮帶輪的內(nèi)側(cè)貫通有旋轉(zhuǎn)軸，所述軸承夾在該旋轉(zhuǎn)軸與所述皮帶輪之間，其特征在于，具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，所述轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的奧氏體結(jié)晶顆粒的粒度號為超過10號的范圍。
11.如權(quán)利要求10所述的皮帶輪用軸承，其特征在于，具有所述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率是10％以上。
12.如權(quán)利要求10所述的皮帶輪用軸承，其特征在于，所述至少一個構(gòu)件由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。
13.一種皮帶輪用軸承，在卷掛皮帶的皮帶輪的內(nèi)側(cè)貫通有旋轉(zhuǎn)軸，所述軸承夾在該旋轉(zhuǎn)軸與所述皮帶輪之間，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的破壞應(yīng)力值是2650Mpa以上。
14.如權(quán)利要求13所述的皮帶輪用軸承，其特征在于，具有所述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率是10％以上。
15.如權(quán)利要求13所述的皮帶輪用軸承，其特征在于，所述至少一個構(gòu)件由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。
16.一種皮帶輪用軸承，在卷掛皮帶的皮帶輪的內(nèi)側(cè)貫通有旋轉(zhuǎn)軸，所述軸承夾在該旋轉(zhuǎn)軸與所述皮帶輪之間，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的氫含有率是0.5ppm以下。
17.如權(quán)利要求16所述的皮帶輪用軸承，其特征在于，具有所述氮富化層的構(gòu)件的表層部的球狀碳化物的面積率在10％以上。
18.如權(quán)利要求16所述的皮帶輪用軸承，其特征在于，所述至少一個構(gòu)件由JIS標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的鋼材形成。
全文摘要
一種軸承，具有轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)，其特征在于，這些轉(zhuǎn)動體、內(nèi)環(huán)及外環(huán)中的至少一個構(gòu)件具有氮富化層，該構(gòu)件的奧氏體結(jié)晶顆粒的粒度號為超過10號的范圍。采用本發(fā)明，即使在因使用條件苛刻而從油脂等產(chǎn)生氫且載荷條件處于容易產(chǎn)生氫脆性剝離的使用環(huán)境下進行使用，也能抑制其氫脆性剝離。
文檔編號F16C33/30GK1538082SQ20041003993
公開日2004年10月20日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者大木力, 后藤友彰, 彰 申請人:Ntn株式會社