用于制造具有優(yōu)良滾動疲勞壽命的機(jī)械部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于制造環(huán)形機(jī)械部件的方法，所述環(huán)形機(jī)械部件包含在該環(huán)形機(jī)械部件的內(nèi)徑表面上滾動疲勞壽命出色的滾動部。該制造方法通過以下方式進(jìn)行：對要在其上形成滾動部的環(huán)形材料的內(nèi)徑表面施加壓縮流體靜應(yīng)力進(jìn)行鍛造加工，從而在環(huán)形材料的內(nèi)徑表面上形成滾動部用于滾動元件沿其滾動。
【專利說明】用于制造具有優(yōu)良滾動疲勞壽命的機(jī)械部件的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年12月9日提交的日本專利申請?zhí)?011-270215的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用被結(jié)合在此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及由鋼材制成的機(jī)械部件如軸承、齒輪、輪轂單元、變速傳動裝置、等速連接器或活塞銷的制造，并涉及包含對其而言要求良好的滾動疲勞壽命作為其特性的環(huán)形體的機(jī)械部件的制造。
【背景技術(shù)】
[0004]近年來，隨著各種機(jī)械裝置的日漸提高的性能，對其而言要求滾動疲勞壽命的機(jī)械部件和裝置的使用環(huán)境變得非常嚴(yán)苛，導(dǎo)致對于提高這些機(jī)械部件或裝置的操作壽命和可靠性的強烈需求。針對這種需求，作為鋼材方面的措施，已經(jīng)進(jìn)行了鋼成分的適當(dāng)調(diào)節(jié)或與鋼成分一起含有的雜質(zhì)元素的減少。
[0005]構(gòu)成這些機(jī)械部件或裝置的鋼材含有雜質(zhì)元素以及鋼成分，并且A1203、MnS、TiN和其他由雜質(zhì)元素組成的非金屬夾雜物可以引起機(jī)械部件或裝置的鋼部件中的失效。出于這一原因，已知這些非金屬夾雜物是特別有害的。還已知的是，非金屬夾雜物的較大的直徑導(dǎo)致鋼部件較短的滾動疲勞壽命。因此，已經(jīng)提出了多種具有降低量的非金屬夾雜物，具有提高的鋼的純化程度，并具有極度降低的含量的具有20 μ m以上的直徑的大的氧化物系非金屬夾雜物的高潔凈度鋼(例如，見專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2)。
[0006]然而，即使將由這種高潔凈度鋼制成的鋼材用于機(jī)械部件或裝置，也仍然不能夠充分防止機(jī)械部件或裝置在短壽命范圍內(nèi)失效。出于這一原因，正在活躍地進(jìn)行著開發(fā)，不僅降低在鋼材中的非金屬夾雜物的量，而且也進(jìn)一步降低非金屬夾雜物的直徑。
[0007]另一方面，也正在活躍地進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，以在不減少鋼材中的非金屬夾雜物的量并且不降低其直徑的情況下，提供滾動疲勞壽命出色的機(jī)械部件。例如，已經(jīng)提出了:(1)其中在通過滾動制造部件的時候，控制在滾動部上的纖維流(fiber flow)，以獲得出色的滾動疲勞壽命(例如，見專利文獻(xiàn)3)的技術(shù)和(2)其中預(yù)先向滾動部施加壓縮應(yīng)力，以獲得出色的滾動疲勞壽命的技術(shù)(例如，見專利文獻(xiàn)4)。此外，本發(fā)明的 申請人:已經(jīng)使用了
(3)改善在鋼材中所含的非金屬夾雜物與基體鋼之間的界面狀態(tài)以由此獲得出色的滾動疲勞壽命的技術(shù)。這些技術(shù)還公布在非專利文獻(xiàn)I和非專利文獻(xiàn)2中。
[0008]在非專利文獻(xiàn)I和非專利文獻(xiàn)2中，如下說明了導(dǎo)致滾動疲勞失效，即片狀剝落的過程。即，在源自非金屬夾雜物的裂紋通過它們的生長導(dǎo)致片狀剝落產(chǎn)生的過程中，產(chǎn)生其中由于在非金屬夾雜物的周邊上的應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋位移的初始裂紋(在下文中，稱為“模式I型初始裂紋”)。已知的是，這隨后經(jīng)由裂紋通過剪應(yīng)力的擴(kuò)展導(dǎo)致失效。這意味著，如果沒有產(chǎn)生模式I型初始裂紋，便不發(fā)生后續(xù)的裂紋擴(kuò)展或失效。此外，模式I型初始裂紋出現(xiàn)的前提是在非金屬夾雜物與基體之間的界面中產(chǎn)生物理間隙，即，空隙。在這些非專利文獻(xiàn)中也已經(jīng)證實了，除非產(chǎn)生有物理間隙，否則不產(chǎn)生模式I型裂紋。
[0009]圖5是一張示意圖，示出了當(dāng)通過掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察以確定其中存在/不存在空隙時，在從熱軋鋼材上切出并隨后進(jìn)行離子磨的試樣塊中的非金屬夾雜物的周邊的圖像。在圖5中，代碼5表示Al2O3的非金屬夾雜物，而代碼4表示空隙，S卩，空穴。特別是在機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼中，通常進(jìn)行通過Al的脫氧。此時形成的Al2O3系非金屬夾雜物5被認(rèn)為，特別是在與基體的界面中，歸因于其與基體在可變形性上的差異或是歸因于其形狀，具有產(chǎn)生空隙4的傾向。因此，為了提高機(jī)械部件7的滾動疲勞壽命，有效的是封閉在非金屬夾雜物5與基體之間的界面中存在的空隙4或減少空隙4的體積。
[0010]引用清單
[0011]專利文獻(xiàn)
[0012]專利文獻(xiàn)I JP2006-63402A
[0013]專利文獻(xiàn)2 JPO6-19279OA
[0014]專利文獻(xiàn)3:JP4_357324A
[0015]專利文獻(xiàn)4 JP2006-77854A
[0016]非專利文獻(xiàn)
[0017]非專利文獻(xiàn)1:Tetsu-to_Hagane, 94 (2OO8),第 I3 頁
[0018]非專利文獻(xiàn)2:Kazuhiko Hiraoka, Heisei20_Nendo Academic Dissertation ofUniversity of Hyogo(2008 年 I 月)
[0019]發(fā)明概述
[0020]本發(fā)明要解決的問題是提供一種用于制造機(jī)械部件的方法，所述機(jī)械部件具有滾動部，所述滾動部在環(huán)形材料的內(nèi)徑表面(膛壁)上的滾動疲勞壽命方面出色，所述方法通過進(jìn)行塑性加工以與目標(biāo)在于當(dāng)制造鋼時減少非金屬夾雜物和降低非金屬夾雜物的直徑的用于制造鋼材的常規(guī)方法比較，改善在構(gòu)成所述環(huán)形材料(也包括柱狀材料)的鋼材中所含的非金屬夾雜物與基體鋼材之間的界面的狀態(tài)，其中，所述方法涉及如在以上(3)中所述的改善在鋼材中所含的非金屬夾雜物與基體鋼之間的界面狀態(tài)從而獲得出色滾動疲勞壽命的技術(shù)。
[0021]用于解決上述問題的根據(jù)本發(fā)明的手段是一種用于制造機(jī)械部件的方法，所述機(jī)械部件包含用于滾動元件沿著環(huán)形材料的內(nèi)徑表面滾動的滾動部，其中所述方法包括通過向要在其上形成滾動部的環(huán)形材料的內(nèi)徑表面上施加壓縮流體靜應(yīng)力進(jìn)行鍛造加工，從而在環(huán)形材料的內(nèi)徑表面上形成滾動部用于滾動元件沿其滾動。鍛造加工可以以熱鍛加工和冷鍛加工中的任一種進(jìn)行。
[0022]換言之，通過向要在其上形成滾動部的環(huán)形材料的內(nèi)徑表面上施加壓縮流體靜應(yīng)力的鍛造加工引導(dǎo)存在于在鋼中的非金屬夾雜物與鋼基體之間的界面中空隙封閉，使得能夠制造在滾動疲勞壽命上出色的機(jī)械部件。
[0023]在本發(fā)明的另一個實施方案中，優(yōu)選的是鍛造加工是通過向環(huán)形材料的內(nèi)徑表面施加不少于1.5乘以環(huán)形材料的屈服應(yīng)力的流體靜應(yīng)力的加工。
[0024]在鍛造加工中施加至少為1.5乘以材料的屈服應(yīng)力的壓縮流體靜應(yīng)力以形成滾動表面允許存在于在鋼中所含的非金屬夾雜物和鋼基體之間的界面中的空隙封閉，使得能夠制造在滾動疲勞壽命上出色的機(jī)械部件。[0025]在本發(fā)明的另一個實施方案中，優(yōu)選的是鍛造加工是其中滾動元件在滾動方向上的塑性應(yīng)變是壓縮應(yīng)變的加工。
[0026]在本發(fā)明的另一個實施方案中，優(yōu)選的是用于制造包含用于滾動元件沿環(huán)形材料內(nèi)徑表面滾動的滾動部的機(jī)械部件的方法是包括以下步驟的方法:
[0027]準(zhǔn)備環(huán)形材料；
[0028]將所述環(huán)形材料設(shè)置在壓縮裝置中的環(huán)形約束(retraining)框架內(nèi)；并且
[0029]通過從所述環(huán)形材料一端的截面的至少一側(cè)的方向?qū)λ霏h(huán)形材料的至少一端的截面和內(nèi)徑表面施加壓縮流體靜應(yīng)力進(jìn)行鍛造加工。
[0030]在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中，可以通過在上述手段中的環(huán)形材料的鍛造加工中通過對所述環(huán)形材料的內(nèi)徑表面施加壓縮流體靜應(yīng)力，優(yōu)選施加至少為1.5乘以所述材料的屈服應(yīng)力的壓縮流體靜應(yīng)力進(jìn)行鍛造加工,或者通過優(yōu)選地進(jìn)行其中在滾動方向上滾動元件的塑性應(yīng)變是壓縮應(yīng)變的鍛造加工，在不需要在制造鋼材時減少非金屬夾雜物的量和減小其直徑的情況下，封閉或減少在非金屬夾雜物與鋼基體之間的界面中存在的空隙。作為結(jié)果，可以避免歸因于由源自非金屬夾雜物的斷裂產(chǎn)生的滾動疲勞的片狀剝落，并且可以制造包含滾動疲勞壽命大大改善的出色的滾動部的機(jī)械部件。
[0031]附圖簡述
[0032]圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的用于環(huán)形基體的鍛造過程的示意圖。
[0033]圖2是按照根據(jù)本發(fā)明的方法制得的一個滾動軸承的軸向截面圖。
[0034]圖3是示出按照根據(jù)本發(fā)明的方法制得的一個滾動軸承的CAE分析的圖。
[0035]圖4是示出鍛造前后的非金屬夾雜物及其周邊中的空隙的示意圖。
[0036]圖5是示出常規(guī)熱軋鋼材的非金屬夾雜物及其周邊中的空隙的示意圖。
[0037]實施方案描述
[0038]以下將參照表和圖說明根據(jù)本發(fā)明的實施方案。首先，用于制造根據(jù)本發(fā)明的包含滾動部的機(jī)械部件的鋼材是機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼、軸承鋼等。
[0039]這些鋼材通過以下過程制造為鋼材:1)在電弧熔融爐或轉(zhuǎn)爐中將熔融的鋼氧化精煉，2)在鋼包精煉爐(LF)中還原精煉，3)通過逆流型真空脫氣機(jī)(RH)的逆流真空脫氣處理(RH處理)，4)通過連續(xù)鑄造或鑄錠鑄造的鋼錠鑄造，以及5)鋼錠通過熱軋、通過熱鍛和冷軋或者通過冷軋和冷鍛的塑性變形。
[0040]在JIS中定義的鋼材，如如上所述的機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼或軸承鋼，是通過一系列上述過程I)至5)制造的，并且通過阿塞爾軋管(assel milling)、擠出加工或熱加工如熱鍛對此鋼材進(jìn)行加工，以將其制成鋼管，之后將其切割至預(yù)定長度。進(jìn)而，對切得的鋼管的外徑表面和內(nèi)徑表面進(jìn)行切削加工，從而提供具有預(yù)定尺寸的外徑和內(nèi)徑的鋼管作為根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形基體2。
[0041]將參照圖1說明根據(jù)本發(fā)明的方法。對預(yù)定構(gòu)型的環(huán)形基體2或用于加工的模進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐櫥庸?，以獲得具有大約室溫的溫度或適合用于熱加工的溫度的環(huán)形基體2，其設(shè)置在壓縮裝置中的環(huán)形約束框架I內(nèi)，如圖1(a)中所示。在約束框架I中，上模3和下模3'分別安置在環(huán)形基體2的上方和下方。上模3和下模3'分別固定至壓縮裝置中較高位置和較低位置處的移動部(未示出)。在壓縮裝置的加工動作開始之后，固定的上模3的上沖頭3a和圍繞上沖頭3a安置的環(huán)形上沖頭3b在箭頭方向上開始下降運動。在設(shè)置在上模3和下模3'中的預(yù)定位置處的環(huán)形基體2中，下降的上沖頭3a和環(huán)形上沖頭3b對環(huán)形基體2的內(nèi)徑表面2a和上端面2b施加塑性變形。此外，在上沖頭3a和環(huán)形上沖頭3b下降后，環(huán)形基體2被向下推，而在同時下沖頭3c和環(huán)形下沖頭3d對環(huán)形基體2的內(nèi)徑表面2a和下端面2c施加塑性變形。換言之，在上沖頭3a和環(huán)形上沖頭3b下降后，環(huán)形基體2的上端面2b被向下推。作為結(jié)果，環(huán)形基體2的下端面2c由下沖頭3c和環(huán)形下沖頭3d分別向上推。在加工的結(jié)束階段，通過從上沖頭3a和環(huán)形上沖頭3b以及下沖頭3c和環(huán)形下沖頭3d的鍛造對環(huán)形基體2進(jìn)行壓縮加工，以對要在其上形成滾動部6的環(huán)形基體2的內(nèi)徑表面2a施加為1.5乘以材料的屈服應(yīng)力的流體靜應(yīng)力，并且對環(huán)形基體2進(jìn)行其中在滾動部6的附近的滾動方向上的塑性應(yīng)變是壓縮應(yīng)變的鍛造加工，從而封閉在環(huán)形基體2的鋼基體與非金屬夾雜物5之間存在的空隙4。
[0042]如在圖1(b)中所示，對環(huán)形基體2進(jìn)行以上壓縮加工，在要制造的機(jī)械部件7的滾動元件中的滾動部6的附近起到了閉合在環(huán)形基體2的鋼基體與非金屬夾雜物5之間存在的空隙4的效果。壓縮流體靜應(yīng)力的作用以及使得在滾動方向上塑性應(yīng)變是壓縮引導(dǎo)圖4(a)中所示的在非金屬夾雜物5與環(huán)形基體2的基體鋼之間存在的空隙4改變，以封閉空隙4或減少空隙4的體積。該變化使得能夠避免歸因于源自非金屬夾雜物5的滾動接觸疲勞而出現(xiàn)的片狀剝落。作為結(jié)果，可以獲得具有滾動部6的機(jī)械部件7，所述滾動部6具有優(yōu)良滾動疲勞壽命。
實施例
[0043]將參照實施例參考實施條件和所獲得的結(jié)果說明本發(fā)明。作為用于環(huán)形基體2的鋼材使用的試樣塊的組成在表1中給出。
[0044][表 I] [0045]試樣塊的成分(單位:質(zhì)量％)
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造機(jī)械部件的方法，所述機(jī)械部件包含用于滾動元件沿著環(huán)形材料的內(nèi)徑表面滾動的滾動部，其中所述方法包括通過對要在其上形成所述滾動部的所述環(huán)形材料的內(nèi)徑表面施加壓縮流體靜應(yīng)力進(jìn)行鍛造加工，從而在所述環(huán)形材料的內(nèi)徑表面上形成用于所述滾動元件沿其滾動的所述滾動部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鍛造加工是通過對所述環(huán)形材料的內(nèi)徑表面施加不少于1.5乘以所述環(huán)形材料的屈服應(yīng)力的流體靜應(yīng)力的加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述鍛造加工是其中所述滾動元件在滾動方向上的塑性應(yīng)變是壓縮應(yīng)變的加工。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，所述方法包括: 準(zhǔn)備環(huán)形材料； 將所述環(huán)形材料設(shè)置在壓縮裝置的環(huán)形約束框架內(nèi)；并且 通過從所述環(huán)形材料一端的截面的至少一側(cè)的方向?qū)λ霏h(huán)形材料的至少一端的截面和內(nèi)徑表面施加壓縮流體靜應(yīng)力進(jìn)行鍛造加工。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，所述方法包括: 準(zhǔn)備環(huán)形材料； 將所述環(huán)形材料設(shè)置在壓縮裝置的環(huán)形約束框架內(nèi)； 在所述約束框架中，在所述環(huán)形材料的上方和下方分別安置上模和下模；并且 通過將安置在所述環(huán)形材料上方的上模向下移動，對所述環(huán)形材料的內(nèi)徑表面和其上端面進(jìn)行鍛造加工。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中通過安置在所述環(huán)形材料下方的所述下模對所述環(huán)形材料的所述內(nèi)徑表面和其下端面進(jìn)一步進(jìn)行鍛造加工。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中同時對所述環(huán)形材料的所述上端面、內(nèi)徑表面和下端面進(jìn)行鍛造加工。
【文檔編號】B21K21/16GK103987475SQ201280060698
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月9日
【發(fā)明者】中溝利尚 申請人:山陽特殊制鋼株式會社