專利名稱：滾動軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及滾動軸承，所述滾動軸承可應(yīng)用在例如用于作為汽車傳動裝置的軸支撐部的滾柱軸承。
背景技術(shù)：
JP-A-02-168021和JP-A-06-42536各自披露了這樣的滾動軸承其中滾動元件的表面設(shè)置有形成于其上的微小不規(guī)則部分(irregularity)以提高油膜形成能力。在這項傳統(tǒng)技術(shù)中，作為對因潤滑不良而引起的損傷、如滾柱軸承的剝離損傷的對策，在滾柱的滾動接觸表面和/或內(nèi)外座圈的滾道表面內(nèi)設(shè)置有凹陷，每一個凹陷都具有微小的凹形。當用參數(shù)Rqni表示表面粗糙度的時候，軸向表面粗糙度Rqni(L)和周向表面粗糙度Rqni(C)之間的比值Rqni(L)/Rqni(C)變?yōu)?.0或更小，并且，表面粗糙度的參數(shù)Sk值被設(shè)為-1.6或更小，從而，如果匹配表面是粗糙表面或光滑加工表面，則延長了滾動軸承的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
近年來，存在減小如汽車傳動裝置等的、使用滾動軸承的一部分的尺寸并提高其功率輸出的趨勢，并且，潤滑油的粘度趨于下降。換句話說，在滾動軸承的使用環(huán)境中，載荷和溫度在提高。因此，對軸承而言，潤滑環(huán)境跟從前相比變得更加嚴酷。因潤滑失效而導致的表面起始型(surfaceoriginating type)分離、因較高接觸壓力而導致的疲勞壽命降低、以及在雜質(zhì)污染環(huán)境下的分離趨于容易發(fā)生。在這種情況下，需要能夠在任何潤滑條件下，如低粘度的嚴酷潤滑、雜質(zhì)污染環(huán)境或去垢油潤滑的條件下，提高壽命。
傳統(tǒng)的微小凹形凹陷被形成，從而使得在用參數(shù)Rqni表示表面粗糙度的時候，軸向表面粗糙度Rqni(L)和周向表面粗糙度Rqni(C)的比值Rqni(L)/Rqni(C)等于或低于1.0(Rqni≥0.10)，并且，表面粗糙度參數(shù)Sk的值等于或低于-1.6，從而，即便匹配表面是粗糙表面或光滑加工表面，也能夠?qū)崿F(xiàn)壽命的延長。然而，在低粘度和稀薄潤滑的條件下，當油膜極薄的時候，其功效可能無法發(fā)揮。
根據(jù)本發(fā)明實施例所述的滾動軸承至少在滾動元件的表面上包括隨機形成的無數(shù)微小凹形凹陷。所述凹陷的平均面積在30到100μm2的范圍內(nèi)，并且，Rymax在0.4到1.0的范圍內(nèi)。至少在滾動元件的表面上隨機地形成有無數(shù)微小凹形凹陷，從而，即便在低粘度和稀薄潤滑時油膜極薄的條件下，也能增強油膜形成能力并實現(xiàn)壽命的延長。特別是，通過將所述凹陷的平均面積設(shè)定在30到100μm2的范圍內(nèi)，并將Rymax設(shè)定在0.4到1.0的范圍內(nèi)，則即便在稀薄潤滑時也能夠防止油膜缺乏。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，即便在油膜極薄的條件下也能夠獲得較長的壽命。
在構(gòu)成滾動軸承的外構(gòu)件、內(nèi)構(gòu)件和滾動元件中，至少有一個具有富氮層。富氮層內(nèi)的奧氏體晶粒尺寸可在高于晶粒尺寸No.10的范圍內(nèi)。在形成富氮層之后，通過將奧氏體晶粒尺寸設(shè)定得較小、以便晶粒尺寸號變成大于No.11，則滾動疲勞壽命顯著地提高，從而能夠獲得出色的抗裂性以及對老化所產(chǎn)生的尺寸變化的對抗性。
公知地，滾動軸承是通過滾動元件(滾珠或滾柱)的滾動運動來支撐轉(zhuǎn)動或搖動軸的機器元件。通常，滾動元件被可轉(zhuǎn)動地置于內(nèi)座圈的滾道和外座圈的滾道之間。然而，也存在沒有內(nèi)座圈的類型和沒有外座圈的類型，其中，在沒有內(nèi)座圈的滾動軸承中，軸的外周表面直接充當滾道表面，而在沒有外座圈的滾動軸承中，齒輪的內(nèi)周表面直接充當滾道表面。當使用如“內(nèi)構(gòu)件”和“外構(gòu)件”之類的術(shù)語時，有這樣的意圖即防止排除各自具有滾道表面的內(nèi)座圈和外座圈以及軸、齒輪等。而且，當使用“至少在滾動元件的表面上”這樣的表達時，存在這樣的意圖即防止排除在滾道表面內(nèi)也形成有微小凹形凹陷的滾動軸承，并且，在滾動元件為滾柱的情況下，存在這樣的意圖即防止排除微小凹形凹陷不僅形成在滾道表面內(nèi)、還形成在端面內(nèi)的滾動軸承。
當用參數(shù)Rqni表示其上形成有所述凹陷的表面的表面粗糙度時，軸向表面粗糙度Rqni(L)和周向表面粗糙度Rqni(C)之間的比值“Rqni(L)/Rqni(C)”可等于或低于1.0。參數(shù)Rqni是通過在測量長度區(qū)間內(nèi)對從粗糙度中心線到粗糙度曲線的高度偏差的平方進行積分、并確定在該區(qū)間內(nèi)的平均值的平方根來獲得的，其又被稱作均方根粗糙度(ISO42871997)。Rqni由在放大情況下記錄的截面曲線和粗糙度曲線通過數(shù)值計算來確定，并通過沿寬度方向和沿周向方向移動粗糙度計的觸針(tracer)來測量。
富氮層是形成在座圈(外座圈或內(nèi)座圈)或滾動元件表層內(nèi)的氮含量增大的層。該層可通過例如碳氮共滲、滲氮、氮浸入等處理來形成。富氮層內(nèi)的氮含量優(yōu)選在0.1％到0.7％的范圍內(nèi)。當?shù)啃∮?.1％時，沒有效果，故滾動壽命尤其會在雜質(zhì)污染條件下降低。當?shù)看笥?.7％時，形成叫做孔的孔隙(hole called void)，或殘余奧氏體量太大以至于無法得到硬度，從而導致壽命變得較短。關(guān)于形成在座圈上的富氮層，氮含量是磨削后的滾道表面的50μm表層內(nèi)的值，這個值可通過使用例如波長分散型X射線微分析器(EPMA)來獲得。
而且，當奧氏體晶粒尺寸變得大于晶粒尺寸No.10時，奧氏體晶粒直徑變得更細，從而能夠顯著提高滾動疲勞壽命。當奧氏體晶粒尺寸低于晶粒尺寸No.10時，滾動疲勞壽命沒有顯著提高，因此，令奧氏體晶粒尺寸在高于No.10的范圍內(nèi)。通常，奧氏體晶粒尺寸等于或高于晶粒尺寸No.11。理想地，奧氏體晶粒直徑盡可能地小。然而，難以獲得高于晶粒尺寸No.13的晶粒尺寸。注意，如上所述的軸承部件的奧氏體晶粒在具有富氮層的表面部分中和表面部分以內(nèi)的內(nèi)部中這二者之間并不變化。因此，成為晶粒尺寸號在上述范圍內(nèi)的對象的位置是表層部分和內(nèi)部。奧氏體晶粒是指基于奧氏體晶粒邊界痕跡的晶粒，其中，例如即便是在淬火處理之后，就在淬火之前的奧氏體晶粒邊界痕跡仍保留在奧氏體晶粒上。
富氮層內(nèi)的氮含量可在0.1％到0.7％的范圍內(nèi)。
在構(gòu)件是座圈的情況下，氮含量可為磨削后的滾道表面上表層50μm內(nèi)的值。
根據(jù)本發(fā)明所述的上述和其他目的和特性點從以下參照附圖作出的描述中將更加明顯。


圖1是滾針軸承的剖視圖。
圖2是用于壽命試驗的滾針軸承的剖視圖。
圖3是粗糙度曲線圖，示出了試驗軸承的滾動元件的加工表面狀態(tài)。
圖4是粗糙度曲線圖，示出了試驗軸承的滾動元件的加工表面狀態(tài)。
圖5是粗糙度曲線圖，示出了試驗軸承的滾動元件的加工表面狀態(tài)。
圖6是試驗裝置的示意性剖視圖。
圖7是示出壽命試驗結(jié)果的圖。
圖8是錐形滾柱軸承的剖視圖。
圖9A是示出根據(jù)本發(fā)明示例所述的金屬接觸率的圖。
圖9B是示出根據(jù)本發(fā)明比較例所述的金屬接觸率的圖。
圖10是雙圓筒試驗裝置(double cylindrical test apparatus)的整體示意圖。
圖11是示意性剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述的滾動軸承。
圖12是圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述、用于滾動軸承的熱處理方法的圖。
圖13是圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述、用于滾動軸承的熱處理方法的修改例的圖。
圖14A是根據(jù)本發(fā)明示例所述、示出軸承部件的微觀結(jié)構(gòu)、特別是奧氏體晶粒的圖。
圖14B是示出傳統(tǒng)軸承部件的微觀結(jié)構(gòu)、特別是奧氏體晶粒的圖。
圖15A是圖14A的奧氏體晶粒邊界的示意圖。
圖15B是圖14B的奧氏體晶粒邊界的示意圖。
圖16是示出用于靜壓破壞強度試驗(斷裂應(yīng)力值的確定)的試件的視圖。
圖17A是滾動疲勞壽命試驗機的示意性前視圖。
圖17B是圖17A的試驗機的側(cè)視圖。
圖18是示出用于靜態(tài)斷裂韌度試驗的試件的視圖。
具體實施例方式
滾動軸承包括內(nèi)座圈、外座圈和滾動元件，作為主要部件。在滾動元件的滾動表面和端面與內(nèi)、外座圈的滾道表面(以及在錐形滾柱軸承的內(nèi)座圈情況下的錐體背面肋表面(cone back face rib surface))的至少一個內(nèi)，隨機地形成有無數(shù)微小凹形凹陷，從而獲得微細粗糙表面(fine roughsurface)。在微細粗糙表面內(nèi)，所述凹陷的平均面積在30到100μm2的范圍內(nèi)，并且，其中形成有所述凹陷的表面的Rymax在0.4到1.0的范圍內(nèi)。而且，當在軸向方向和周向方向中的每一個方向上確定每一個表面的表面粗糙度、并將其用參數(shù)Rqni來表示的時候，軸向表面粗糙度Rqni(L)和周向表面粗糙度Rqni(C)之間的比值Rqni(L)/Rqni(C)等于或低于1.0，而且，在軸向方向和周向方向上，表面粗糙度參數(shù)Sk值均等于或低于-1.6。作為為獲得這樣的微細粗糙表面而進行的表面處理，盡管可進行特殊滾筒拋光(special barrel finishing)以獲得預(yù)定的加工表面，然而也可使用彈丸(shot)等方法。通過將所述微小凹形凹陷的平均面積設(shè)定在30到100μm2的范圍內(nèi)，并將其中形成有所述凹陷的表面的Rymax設(shè)定在0.4到1.0μm的范圍內(nèi)，則即便在油膜極薄的條件下也能夠表現(xiàn)出高的油膜形成效果。因此，即便在油膜參數(shù)Λ＝0.13的極度嚴酷的潤滑條件下也能夠獲得足夠長的壽命效果。
如下以示例來說明參數(shù)Rymax和Rqni的測量方法和條件。請注意，當用這些參數(shù)表示的表面性質(zhì)關(guān)于如滾動軸承的滾動元件和軸承環(huán)之類的部件來確定時，即便是通過在一個位置處進行測量而獲得的值作為代表值是足夠可靠的，但是，優(yōu)選在兩個位置處進行測量，例如，這兩個位置沿直徑方向彼此相對。
參數(shù)計算標準JIS B 06011994(surfcom JIS 1994)截止類型高斯型測量長度5λ截止波長0.25mm測量倍率×10000測量速度0.30mm/s測量位置滾柱中心測量數(shù)2測量裝置表面粗糙度測量裝置surfcom 1400 A(TOKYO SEIMITSUCO.，LTD.)關(guān)于設(shè)置在滾柱的滾動接觸表面內(nèi)的微小凹形凹陷，當所述凹陷相對于整個滾動接觸表面的面積百分比落在5到20％的范圍內(nèi)時，在除去每一個等效圓直徑為3μmΦ或更小的凹陷來進行加和計算時，所述凹陷的平均面積落在30到100μm2的范圍內(nèi)。當所述凹陷的Rymax在0.4到1.0μm的范圍外時，所述凹陷相對于滾動接觸表面的面積百分比大于20％，且所述凹陷的平均面積大于100μm2，接觸的有效長度趨于減小，且長壽命的效果趨于降低。
在進行對凹陷的定量測量時，由通過放大滾柱表面而獲得的圖像，能夠利用市場上可買到的圖像系統(tǒng)來進行量化。而且，使用根據(jù)JP-A-2001-183124所述的表面性質(zhì)試驗方法和表面性質(zhì)試驗裝置，可允許實現(xiàn)穩(wěn)定、準確的測量。假設(shè)在圖像中該表面的平面部分表示為白色部分而微小凹陷表示為黑色部分來進行分析。測量條件描述為如下。而且，當所述凹陷的面積和平均面積是關(guān)于如滾動軸承的滾動元件和滾道表面之類的部件來測量的時候，即便是通過在一個位置處進行測量所獲得的值作為代表值是足夠可靠的，但是，優(yōu)選在例如兩個位置處進行測量。
面積百分比在觀察視野范圍內(nèi)被像素(黑色部分)填充的面積的比率，其小于二值化閾值((光亮部分的亮度+黑暗部分的亮度)/2)平均面積黑色部分的面積和/總量測量視野826μm×620μm(在滾柱直徑小于Φ4時，希望是413μm×310μm)測量位置滾柱中心測量數(shù)2圖1示出滾動軸承的第一示例。滾動軸承1是滾針軸承，其中，滾針2被并入外座圈3內(nèi)，滾針2充當滾動元件。滾針2支撐匹配軸4。下述為壽命試驗的結(jié)果，該壽命試驗在所制造的多種類型的滾針軸承上進行，這些滾針軸承的滾針表面用表面處理進行處理、以便提供不同的加工表面。用于壽命試驗的滾針軸承的外徑Dr為33mm，內(nèi)徑dr為25mm，滾針2的直徑D為4mm，滾針2的長度L為25.8mm，其采用15個滾針，并設(shè)置有如圖2中所示的保持架5。包括滾針的3種不同類型的軸承作為試驗軸承，其表面被加工以具有不同的粗糙度，即，磨削后經(jīng)過超精加工的軸承A(比較例)、其上隨機形成有無數(shù)微小凹形凹陷的軸承B(比較例)和軸承C(示例)。各個試驗軸承的滾針的加工表面的狀態(tài)在圖3至5中示出。具體地說，分別地，圖3示出軸承A的表面粗糙度，圖4示出軸承B的表面粗糙度，圖5示出軸承C的表面粗糙度。而且，試驗軸承的加工表面的特性值參數(shù)的列表在表1中示出。注意，在圖1中，參數(shù)Sk表示粗糙度曲線的歪斜度(skewness)(ISO 42871997)，并充當用于了解不規(guī)則部分分布的不對稱性的樣本統(tǒng)計值的指標。當該分布像在高斯分布中一樣是對稱的時候，Sk值變成接近0，并且，在去除不規(guī)則部分中的凸起部分的情況下，Sk值變成負值，并且，在相反的情況下，Sk值變成正值。Sk值可通過選擇滾筒研磨機的轉(zhuǎn)速、加工時間、工作裝入數(shù)(workcharging number)、磨塊(chip)的種類和尺寸等來控制。例如，通過同時在寬度方向和周向方向上將Sk值設(shè)定為等于或低于-1.6，這些微小凹形凹陷構(gòu)成油池(oil basin)，因此，即便在實施壓縮的時候，也會產(chǎn)生以下效果即，在滑動方向和垂直方向上漏油少，油膜形成佳，油膜形成狀態(tài)良好，且表面損傷被抑制至最小。注意，軸承B和C中的每一個的Rqni(L/C)值等于或低于1.0，并且，軸承A的Rqni(L/C)值大約為1.0。
表1

用作試驗裝置的是如圖6中示意性示出的徑向載荷試驗機11，其中，試驗軸承1被連接至轉(zhuǎn)動軸12的兩側(cè)，并且，轉(zhuǎn)動和載荷被施加于其上以進行試驗。試驗中所用的內(nèi)座圈(匹配軸)被加工成具有0.10到0.16μm的Ra，這是通過拋光加工得到的。外座圈以同樣方式被加工。試驗條件如下。
軸承徑向載荷2000kgfRpm4000rpm潤滑劑Cresec oil H8(在試驗條件下2cst)圖7示出在油膜參數(shù)Λ為0.13的條件下壽命試驗的結(jié)果。圖中的垂直軸代表L10壽命(h)。從圖中顯而易見，軸承A有78h，軸承B有82h，而軸承C有121h。如數(shù)據(jù)中所示，即便在極其嚴酷的潤滑條件下，即油膜參數(shù)Λ為0.13的條件下，根據(jù)該示例所述的軸承C也能夠得到長的壽命效果。
接著，圖8示出作為第二示例性滾動軸承的錐形滾柱軸承。錐形滾柱軸承為徑向軸承，它使用錐形滾柱16作為滾動元件。多個錐形滾柱16以自由滾動的方式被置于外座圈13的滾道和內(nèi)座圈14的滾道之間。在操作期間，每一個錐形滾柱16的滾動接觸表面17跟外座圈13和內(nèi)座圈14的滾道滾動接觸，并且，錐形滾柱16的大端面18跟內(nèi)座圈14的錐體背面肋15的內(nèi)表面滑動接觸。這樣，在錐形滾柱16的情況中，無數(shù)微小凹形凹陷可隨機地形成在大端面18內(nèi)以及滾動接觸表面17內(nèi)。以類似的方式，在內(nèi)座圈14的情況中，無數(shù)微小凹形凹陷可隨機地形成在錐體背面肋5的內(nèi)表面內(nèi)以及滾道表面內(nèi)。
對在傳統(tǒng)錐形滾柱軸承A和B(比較例)、軸承C到E(比較例)以及軸承F和G(示例)(參照表2)上進行的壽命試驗進行描述，其中，傳統(tǒng)錐形滾柱軸承A和B包括具有光滑加工滾動接觸表面的錐形滾柱，軸承C到E包括具有其中隨機形成有無數(shù)微小凹形凹陷的滾動接觸表面的錐形滾柱。所用的軸承A到G為錐形滾柱軸承，在這些軸承的每一個中，外座圈的外徑為81mm，內(nèi)座圈的內(nèi)徑為45mm。注意，根據(jù)比較例所述的軸承A和B的滾柱的滾動接觸表面在磨削后經(jīng)受超精加工并沒有被加工成具有凹陷。根據(jù)比較例所述的軸承C到E與根據(jù)示例所述的軸承F和G的滾柱的滾動接觸表面中的每一個受到特殊滾筒拋光，從而在其上隨機地形成了無數(shù)微小凹形凹陷。注意，滾柱軸承C到G中的每一個的Rqni(L/C)等于或低于1.0，并且，滾柱軸承A和B中的每一個的Rqni(L/C)大約為1.0。
表2

如圖10中所示的雙圓筒試驗機被用來進行剝離試驗，以評估金屬接觸率。在圖10中，驅(qū)動側(cè)圓筒22(D圓筒驅(qū)動件)和被驅(qū)動側(cè)圓筒24(F圓筒從動件)中的每一個都被連接至各個對應(yīng)圓筒的一端。兩個轉(zhuǎn)動軸26、28可分別由不同的電機通過帶輪30、32的介入而被驅(qū)動。在D圓筒22側(cè)的軸26被電機驅(qū)動，并令F圓筒24自由滾動從而可被D圓筒22驅(qū)動。根據(jù)F圓筒24的比較例和示例，準備了兩種類型的表面處理。包括試驗條件在內(nèi)的細節(jié)在表3中示出。
表3


金屬接觸率的比較數(shù)據(jù)在圖9A和9B中示出。在每一張圖中，水平軸表示經(jīng)過時間，垂直軸表示金屬接觸率。圖9A示出根據(jù)示例所述的軸承的滾柱的滾動接觸表面的金屬接觸率。圖9B示出根據(jù)比較例所述的軸承的滾柱的滾動接觸表面的金屬接觸率。當在這些圖之間進行比較的時候，跟比較例相比，可以清楚地認識到在示例中金屬接觸率的改善。換句話說，根據(jù)示例所述的軸承的油膜形成率(＝100％-金屬接觸率)在操作開始時比根據(jù)比較例所述的軸承的油膜形成率高了10％，在試驗結(jié)束時(2小時后)比根據(jù)比較例所述的軸承的油膜形成率高了2％。
接著，圖11示出作為另一示例性滾動軸承的深槽滾珠軸承的截面。該滾動軸承包括外座圈34、內(nèi)座圈36、多個滾動元件38和保持架40作為其主要部件，其中，多個滾動元件38以自由滾動的方式被置于外座圈34的滾道和內(nèi)座圈36的滾道之間。在這種情況下，滾動元件38是滾珠，并在周向方向上由保持架40以預(yù)定間隔保持。軸承部件中至少有一個包括富氮層，其中，上述軸承部件為構(gòu)成滾動軸承的外座圈34、內(nèi)座圈36和滾動元件38。包括碳氮共滲處理的熱處理將作為用于形成富氮層的處理的具體示例而被描述。
圖12是圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述、用于滾動軸承的熱處理方法的圖。圖13是用于圖示其修改例的圖。圖12示出進行了初次淬火和二次淬火的方法的熱處理圖(pattern)。圖13示出了材料在淬火中途被冷卻至低于A1轉(zhuǎn)變溫度、且此后被再次加熱以被最終淬火的方法的熱處理圖。在這些圖中，在處理T1中，在碳和氮在鋼基材料內(nèi)擴散的時候，碳的滲入進行至充分程度，并且，鋼基材料此后被冷卻至低于A1轉(zhuǎn)變溫度。接著，在圖中的處理T2中，鋼基材料被再次加熱至等于或高于A1轉(zhuǎn)變溫度且低于處理T1中它的溫度，然后受到油淬火。
跟傳統(tǒng)碳氮共滲淬火相比，即在碳氮共滲處理之后只進行一次淬火而沒有任何其他處理，由于上述熱處理，抗裂性能夠得到提高，同時表層部分被碳氮共滲，從而能夠降低老化所引起的尺寸變化率。在通過圖12或13的熱處理圖生產(chǎn)的、根據(jù)本發(fā)明所述的滾動軸承的微觀結(jié)構(gòu)中，奧氏體晶粒尺寸等于或小于傳統(tǒng)奧氏體晶粒尺寸的一半。受到上述熱處理的軸承部件具有長的滾動疲勞壽命，因此能夠提高抗裂性并降低老化所引起的尺寸變化率。為了細化晶粒，進行了熱處理工藝以便降低二次淬火溫度。因此，在其表層和內(nèi)部之中，殘余奧氏體晶粒的數(shù)量減小。因而，能夠獲得出色的抗裂性和老化所引起的尺寸變化率。
圖14A和14B是各自示出軸承部件微觀結(jié)構(gòu)、特別是奧氏體晶粒的視圖。圖14A示出根據(jù)本發(fā)明所述的示例性軸承部件。圖14B示出傳統(tǒng)軸承部件。即，圖14A示出根據(jù)本發(fā)明實施例所述的滾動軸承的滾道內(nèi)的奧氏體晶粒尺寸，其中，圖12的熱處理圖被應(yīng)用于上述滾動軸承。為了進行比較，通過傳統(tǒng)熱處理方法獲得的軸承鋼的奧氏體晶粒尺寸在圖14B中示出。而且，圖15A和15B分別以圖解形式示出圖14A和14B的奧氏體晶粒尺寸。根據(jù)表現(xiàn)出這些奧氏體晶粒尺寸的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的奧氏體晶粒尺寸對應(yīng)于JIS標準晶粒尺寸No.10，并且，當采用圖12或13的熱處理方法時，能夠獲得各自具有JIS標準晶粒尺寸No.12的微細晶粒。而且，根據(jù)切片法測量，圖14A的平均晶粒尺寸為5.6μm。
接著將描述示例。
示例1通過使用JIS標準SUJ2材料(1.0質(zhì)量百分比C-0.25質(zhì)量百分比Si-0.4質(zhì)量百分比Mn-1.5質(zhì)量百分比Cr)，進行了以下試驗，即，(1)氫量測量，(2)晶粒尺寸測量，(3)擺錘沖擊試驗，(4)破壞應(yīng)力值測量，以及(5)滾動疲勞試驗。表4示出了這些試驗的結(jié)果。
表4


下面描述每一個樣品的生產(chǎn)史。
樣品A到D(本發(fā)明示例)碳氮共滲處理850℃，保持時間150分鐘。給定的氛圍是RX氣和氨氣的混合氣體。在如圖12中所示的熱處理圖中，從碳氮共滲處理溫度到達850℃的時間開始進行初次淬火，然后，在將樣品加熱至落入780℃至830℃的溫度范圍內(nèi)之后進行二次淬火，其中，780℃至830℃的溫度范圍低于碳氮共滲處理溫度。注意，二次淬火溫度為780℃的樣品A并沒有被充分淬火，因此它不被列入試驗對象之內(nèi)。
樣品E和F(比較例)以跟本發(fā)明的示例A到D相同的歷程進行碳氮共滲處理，并且，通過將碳氮共滲處理溫度設(shè)定為850℃或更高、即850℃到870℃來進行二次淬火。
傳統(tǒng)的碳氮共滲產(chǎn)品(比較例)碳氮共滲處理850℃，保持時間150分鐘。給定的氛圍是RX氣和氨氣的混合氣體。從獲得碳氮共滲處理溫度的時間開始進行淬火而沒有任何其他過程，并且，沒有進行二次淬火。
普通淬火產(chǎn)品(比較例)沒有進行碳氮共滲處理，并且，產(chǎn)品被加熱到850℃以被淬火。沒有進行二次淬火。
接著將描述試驗方法。
(1)氫量測量作為氫量，用LECO公司所產(chǎn)的DH-103型氫分析儀來分析鋼中非擴散性氫的量。不測量擴散性氫的量。以下示出了LECO公司所產(chǎn)的DH-103型氫分析儀的規(guī)格。
分析范圍0.01至50.00ppm分析準確度±0.1ppm或±3％H(其中較大的那個)分析靈敏度±0.1ppm檢測方法導熱性方法以重量表示的樣品尺寸10mg到35mg(最大值直徑12mm×長度100mm)爐溫范圍50℃到1100℃試劑無水高氯酸鎂Mg(ClO4)2，燒堿石棉NaOH載氣氮氣，氣體配量氣體(gas dosing gas)氫氣，兩種氣體的純度均為99.99％或更高，且壓力為40psi(2.8kgf/cm2)。
測量步驟的概要如下。由專用取樣器取得的樣品被插入氫分析儀，同時容納在取樣器中。其內(nèi)的擴散氫通過氮載氣被引入導熱性檢測器。在示例1中，擴散氫沒有經(jīng)歷測量。接著，將樣品從取樣器中取出并在電阻加熱爐內(nèi)加熱，而且，非擴散氫通過氮載氣被引入導熱性檢測器。通過測量導熱性檢測器中的導熱性，能夠知道非擴散氫的量。
(2)晶粒尺寸測量基于JIS G 0551鋼的奧氏體晶粒尺寸試驗方法來進行晶粒尺寸測量。
(3)擺錘沖擊試驗基于JIS Z 224金屬材料的擺錘沖擊試驗方法來進行擺錘沖擊試驗。作為試件，使用了根據(jù)JIS Z 2202的U形缺口試件(JIS No.3試件)。
(4)破壞應(yīng)力值測量圖16示出用于靜壓破壞強度試驗(斷裂應(yīng)力值的確定)的試件。載荷沿圖中的P方向施加，且持續(xù)施加直到破壞發(fā)生的載荷被測量。此后，所獲得的破壞載荷通過以下彎曲梁的應(yīng)力計算公式被轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值。注意，試件不僅限于圖16中所示的試件，可使用其他構(gòu)造的試件。
當用符號σ1表示圖16的試件的凸起表面上的纖維應(yīng)力、并用符號σ2表示凹入表面上的纖維應(yīng)力時，σ1和σ2可通過以下公式(機械工程師手冊A4卷材料強度A4-40)來確定。在這種情況下，符號N表示包括環(huán)形試件軸線的截面的軸向力，符號A表示橫截面積，符號e1表示內(nèi)半徑，符號e2表示外半徑。而且，符號κ表示彎曲梁的截面模量。
σ1＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1+e1/{κ(ρ0+e1)}]σ2＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1-e2/{κ(ρ0-e2)}]k＝-(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在表5中示出。圖17A和17B各自是滾動疲勞壽命試驗機的示意圖。圖17A是前視圖，而圖17B是側(cè)視圖。在圖17A和17B中，滾動疲勞壽命試件48由驅(qū)動輥(driving roll)48驅(qū)動并在與球46接觸的同時轉(zhuǎn)動。球46是3/4英寸球，由引導輥44來引導，并且，在球46在滾動疲勞壽命試件48上施加高接觸壓力和從滾動疲勞壽命試件48接受高接觸壓力的同時，球46滾動。
下面描述表4中所示的示例1的試驗結(jié)果。
(1)氫量在經(jīng)歷碳氮共滲處理之后留下的傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品的氫量為0.72ppm，這是一個很高的值。其原因被認為是因為包含在碳氮共滲處理氛圍中的氨(NH3)分解，從而使氫進入鋼內(nèi)。另一方面，在樣品B到D中，氫量被降低至0.37至0.40ppm，這大約是上述值的一半。這樣的氫量與正常淬火產(chǎn)品的氫量處于同一水平。
由于如上所述的氧量降低，可減輕因氫的溶解而導致的鋼的硬化(stiffening)。也就是，因為氫量的降低，根據(jù)本發(fā)明所述的示例的樣品B到D的擺錘沖擊值被較大程度地改善。
(2)晶粒尺寸關(guān)于晶粒尺寸，在碳氮共滲處理中二次淬火溫度低于淬火(初次淬火)溫度的情況下，即在樣品B到D的情況下，奧氏體晶粒尺寸顯著地細化至晶粒尺寸No.11到12。樣品E和F、傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品以及普通淬火產(chǎn)品的奧氏體晶粒的晶粒尺寸為No.10，并且，上述晶粒比根據(jù)本發(fā)明所述的示例的樣品B到D的晶粒粗大得多。
(3)擺錘沖擊試驗根據(jù)表4，當傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品的擺錘沖擊值為5.33J/cm2時，根據(jù)本發(fā)明所述的示例的樣品B到D中每一個的擺錘沖擊值為更高的值，即6.30至6.65J/cm2。在這些之中，具有較低二次淬火溫度的趨于表現(xiàn)出較高的擺錘沖擊值。普通淬火產(chǎn)品的擺錘沖擊值為較高的值6.70J/cm2。
(4)破壞應(yīng)力值測量上述破壞應(yīng)力值對應(yīng)于抗裂性。根據(jù)表4，傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品的破壞應(yīng)力值為2330MPa。與此相比，所獲得的樣品B到D的破壞應(yīng)力值為改進值，即2650至2840MPa。普通淬火產(chǎn)品的破壞應(yīng)力值為2770MPa，并且，所得到的樣品B到D的改進的抗裂性是因氫含量降低以及奧氏體晶粒細化而導致的效果的一項好處。
(5)滾動疲勞試驗根據(jù)圖4，由于普通淬火產(chǎn)品在其表層部分上不具有碳氮共滲層，故它的滾動疲勞壽命L10是最低的。與此相比，傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品的滾動疲勞壽命為3.1倍大。樣品B到D中每一個的滾動疲勞壽命跟傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品相比有顯著提高。樣品E和F各自的滾動疲勞壽命和傳統(tǒng)碳氮共滲產(chǎn)品的滾動疲勞壽命基本相同。
總結(jié)上述結(jié)果，在本發(fā)明示例的樣品B到D的每一個中，氫含量降低，奧氏體晶粒尺寸被細化至高于No.11，并且，擺錘沖擊值、抗裂性和滾動疲勞壽命得到了改進。
示例2接著，將描述示例2。下面的X材料、Y材料和Z材料經(jīng)歷一系列試驗。作為熱處理材料，JIS標準SUJ2材料(1.0質(zhì)量百分比C-0.25質(zhì)量百分比Si-0.4質(zhì)量百分比Mn-1.5質(zhì)量百分比Cr)被普遍用于X到Z材料中的每一個。X到Z材料的制造史如下。
X材料(比較例)僅普通淬火(沒有進行碳氮共滲處理)。
Y材料(比較例)在碳氮共滲處理之后進行淬火而沒有任何其他過程(傳統(tǒng)碳氮共滲淬火)。碳氮共滲處理溫度845℃，且保持時間150分鐘。碳氮共滲處理的氛圍為RX氣+氨氣。
Z材料(本發(fā)明示例)經(jīng)歷圖12的熱處理圖的軸承鋼。碳氮共滲處理溫度845℃，且保持時間150分鐘。碳氮共滲處理的氛圍為RX氣+氨氣。最后淬火溫度為800℃。
(1)滾動疲勞壽命如上所述，滾動疲勞壽命的試驗條件和試驗裝置在表5和圖17A、17B中示出。滾動疲勞壽命試驗的結(jié)果在表6中示出。
表5

表6

根據(jù)表6，比較例的Y材料表現(xiàn)出X材料的3.1倍大的L10壽命(10個試件中的一個斷裂的壽命)，其中X材料以與比較例中同樣的方式僅經(jīng)歷普通淬火。在這種情況下，觀察到因碳氮共滲處理而導致的較長壽命效果。另一方面，根據(jù)本發(fā)明所述的示例的Z材料表現(xiàn)出B材料的1.74倍長的壽命以及X材料的5.4倍長的壽命。微觀結(jié)構(gòu)的細化被認為是這種改進的有效原因。
(2)擺錘沖擊試驗通過如上所述的根據(jù)JISZ2242的方法用U形缺口試件來進行擺錘沖擊試驗。試驗結(jié)果在表7中示出。
表7

經(jīng)歷碳氮共滲處理的Y材料(比較例)的擺錘沖擊值并不大于經(jīng)歷普通淬火的X材料(比較例)的擺錘沖擊值，而對于Z材料而言，則獲得了跟X材料的擺錘沖擊值相同的值。
(3)靜態(tài)斷裂韌度值試驗圖18示出用于靜態(tài)斷裂韌度試驗的試件。大約1mm的預(yù)開裂被引入試件的缺口部分。此后，因三點彎曲而導致的靜態(tài)載荷被施加于其上，并確定了破壞載荷P。用于計算斷裂韌度值(K1c值)的是式(I)。試驗結(jié)果在表8中示出。
Klc=(PLa/BW2){5.8-9.2(a/W)+4.36(a/W)2-75.3(a/W)3+77.5(a/W)4}···(I)]]>表8

預(yù)開裂的深度大于碳氮共滲層的深度，因此在根據(jù)比較例所述的X材料和Y材料之間沒有差別。然而，與比較例相比，根據(jù)本發(fā)明所述的示例的Z材料可以獲得大約1.2倍大的值。
(4)靜壓破壞強度試驗形狀如上述圖16中所示的試件被用作靜壓破壞試件。在圖中，沿P方向加載以進行靜壓破壞強度試驗。試驗結(jié)果在表9中示出。
表9

經(jīng)歷碳氮共滲處理的Y材料表現(xiàn)出比經(jīng)歷普通淬火的X材料略低的值。然而，根據(jù)本發(fā)明所述的示例的Z材料與Y材料相比，其靜壓破壞強度得到了提高，并處在與X材料相比有利的水平。
(5)老化所引起的尺寸變化率在保持溫度130℃、保持時間500小時條件下的老化所引起的尺寸變化率的測量結(jié)果跟表面硬度及殘余奧氏體量一起在表10中示出(深度50μm)。
表10

與殘余奧氏體量較大的Y材料的尺寸變化率相比，根據(jù)本發(fā)明所述的示例的Z材料的尺寸變化率被抑制至低于一半。
示例3表11示出在并入雜質(zhì)的條件下、對氮含量和滾動壽命之間的關(guān)系進行的試驗的結(jié)果。在該試驗中使用了圖8中所示的錐形滾柱軸承。在示例1到5中，所有的外座圈13、內(nèi)座圈14、和錐形滾柱16在運用了圖12中所示的熱處理圖的同時被制造。而且，在錐形滾柱的表面上隨機形成有表1和表2中所示的無數(shù)微小凹形凹陷。注意，比較例1是普通淬火產(chǎn)品，比較例2是普通碳氮共滲產(chǎn)品。比較例3示出了盡管運用了跟本發(fā)明示例同樣的處理、但只有氮量過剩的情況。試驗結(jié)果如下。
試驗軸承錐形滾柱軸承30206(內(nèi)/外座圈和滾柱根據(jù)JIS由第二級高碳鉻軸承鋼制造(由SUJ2制造))徑向載荷17.64kN軸向載荷1.47kNRpm2000rpm硬雜質(zhì)含量比1g/L
表11

從表13中可以了解，關(guān)于示例1到5，在并入雜質(zhì)時氮含量和壽命基本相互成比例。注意，優(yōu)選地，考慮到氮含量為0.72的比較例3在并入雜質(zhì)條件下的滾動壽命被降低至極小，故氮含量的上限為0.7。
這里所披露的實施例在各個方面而言都僅僅是示例，并且不應(yīng)該被認為是限制。本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求的范圍給定的，而不是由上述描述給定的。本發(fā)明的范圍應(yīng)包括在等同于權(quán)利要求范圍的方法和范圍之內(nèi)的所有修改。
權(quán)利要求
1.一種滾動軸承，包括滾動元件，所述滾動元件至少在其表面上具有隨機形成的無數(shù)微小凹形凹陷，其中，所述凹陷的平均面積在30到100μm2的范圍內(nèi)，并且，Rymax在0.4到1.0的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的滾動軸承，其中所述滾動軸承的外構(gòu)件、內(nèi)構(gòu)件和所述滾動元件中的至少一個具有富氮層；并且，所述富氮層內(nèi)的奧氏體晶粒尺寸在高于晶粒尺寸No.10的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的滾動軸承，其中，當用參數(shù)Rqni表示其上形成有所述凹陷的表面的表面粗糙度時，軸向表面粗糙度Rqni(L)和周向表面粗糙度Rqni(C)之間的比值“Rqni(L)/Rqni(C)”等于或低于1.0。
4.如權(quán)利要求2或3所述的滾動軸承，其中，所述富氮層內(nèi)的氮含量在0.1％到0.7％的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的滾動軸承，其中所述外構(gòu)件、所述內(nèi)構(gòu)件和所述滾動元件中的所述至少一個包括座圈；并且，所述氮含量是磨削后滾道表面上50μm表層內(nèi)的值。
全文摘要
至少在滾動軸承的滾動元件的表面上隨機地形成有無數(shù)微小凹形凹陷。所述凹陷的平均面積在30到100μm
文檔編號F16C33/66GK1973144SQ200580021198
公開日2007年5月30日 申請日期2005年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者辻本崇, 冨加見理之 申請人:Ntn株式會社