專利名稱：裝滿滾子的滾動軸承和用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝滿滾子的滾動軸承和用于發(fā)動機的無軸承保持架的滾子凸輪隨動件，諸如用于搖臂的軸承、凸輪隨動件和滾子隨動件軸承。
背景技術(shù)：
在目前使用的滾動軸承中，諸如用于搖臂的軸承的無軸承保持架的裝滿滾子的軸承，其應(yīng)用于高速重型設(shè)備中的數(shù)量在不斷增長。在無軸承保持架的裝滿滾子的軸承中，不可避免地發(fā)生滾子互相干擾。因此，在高速下滾子的位置不能適當(dāng)?shù)厥艿娇刂?，以致可能發(fā)生歪斜。因滑動以及表面壓力的局部增高的結(jié)果產(chǎn)生的熱量可導(dǎo)致表面損壞(脫皮、破碎、表面起始的脫皮)，以及內(nèi)部起始的脫皮，而裝滿滾子的滾子軸承根據(jù)計算后應(yīng)具有一高的承載能力。
具體來說，在諸如滾子隨動件、凸輪隨動件和搖臂之類的這種裝滿滾子的滾子軸承中，滾子之間的干擾和軸承缺少加油，可致使由滾子和滾道表面起始的脫皮。此外，組裝誤差和偏向載荷的影響可致使?jié)L子歪斜，結(jié)果導(dǎo)致因滑動引起的表面起始的脫皮，以及因表面壓力局部增高引起的內(nèi)部起始的脫皮。這里所述的裝滿滾子的滾子軸承是指如上所述的無軸承保持架的軸承，因此，有時可縮稱為全滾子軸承。
對于具有一外環(huán)的圓周與凸輪滾動接觸的用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件來說，滾子凸輪隨動件的最大的改進是為了外環(huán)圓周的改進。例如，由噴丸處理引起的殘余壓應(yīng)力和由高度集中的碳氮共滲(過程引起的效應(yīng))引起硬度的增加，這兩種方法已被用來延長軸承的壽命，主要地是改進與凸輪滾動接觸的外環(huán)的圓周面。
盡管為延長作為內(nèi)環(huán)的滾子軸的滾動壽命作了改進，但滾子和整個軸承的改進相對較少，所作的某些改進仍然涉及材料方面，以提供耐熱性和微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及通過碳氮共滲獲得的硬度的增加，由此，來延長軸承的壽命。關(guān)于延長用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件的壽命，已知有以下各種技術(shù)(d1)對于發(fā)動機閥機構(gòu)的凸輪隨動件，在額定發(fā)動機轉(zhuǎn)速(rpm)下，計算的軸承壽命達到1000小時或更長(日本專利公開No.2000-38907)。
(d2)為了使凸輪隨動件的軸承軸達到如下特性碳比例＝10-25％；分解的奧氏體成分對原始保持的奧氏體成分的比例＝1/10-3/10；端面硬度＝HV830-960；以及表面粗糙度的平均波長＝25μm或不到，軸承鋼是碳氮共滲和硬度噴丸處理(日本專利公開No.10-47334)。
(d3)例如，高聚合物的一固體潤滑膜形成在凸輪隨動件軸上，以改進軸的耐磨損性(日本專利公開No.10-103339)。
(d4)例如，一凸輪隨動件軸由工具鋼制成，并且在低于回火溫度的溫度下，進行氮離子化或離子電鍍，以使其具有高的硬度(日本專利公開No.10-110720)。
(d5)用于發(fā)動機閥機構(gòu)的一凸輪隨動件軸承，其軸具有150Mpa或不到的彎曲應(yīng)力(日本專利公開No.2000-38906)。
(d6)用于發(fā)動機閥機構(gòu)的一凸輪隨動件，其具有一極佳的潤滑油保持能力且設(shè)置在軸承部件的滾動表面上的磷酸鹽薄膜(日本專利公開No.2002-31212)。
(d7)用于發(fā)動機閥機構(gòu)的一凸輪隨動件，其在滾子滾動的軸的區(qū)域具有一冠狀物(日本實用新型公開No.63-185917)。
(d8)一滲碳軸具有一滾動表面層，其以1.2％-1.7％的碳濃度進行高濃度的滲碳或碳氮共滲，并具有一HV300的內(nèi)部硬度(日本專利公開No.2002-194438)。
涉及搖臂還有如下所述的其它問題。在滾子軸的兩端填密地固定在一滾子支承件上的情形中，盡管滾子軸的滾動表面應(yīng)具有高的硬度，但其兩端應(yīng)有足夠的軟度以便填密固定。此外，在軸的兩端填密地固定之后，應(yīng)有高的強度(硬度)來防止使用中松動。下面的文獻公開一滾子搖臂的滾子軸兩端的填密固定。
(d9)滾子軸的外表面均勻地進行高頻感應(yīng)硬化處理，然后進行回火，此后，僅對軸的端部進行高頻退火處理，由此實現(xiàn)軟化(日本專利公開No.5-179350)。
可以假定，類似于搖臂、滾子隨動件和凸輪隨動件的裝滿滾子的滾子軸承，與普通的軸承保持架式軸承一樣，在使用中將提高速度和載荷，而對其的潤滑油的粘度將減小。為了延長裝滿滾子的滾子軸承在這種條件下使用的滾動壽命，(a1)如同通常做法那樣，對依賴于荷載的滾動疲勞壽命應(yīng)采取任何的措施，以及(a2)對因由滑動和失去油膜導(dǎo)致的金屬接觸引起的表面破壞壽命，應(yīng)進一步采取任何的措施。然而，針對依賴于荷載的滾動疲勞壽命和由金屬接觸引起的表面損壞壽命，還沒有一種技術(shù)能顯著地延長這兩種壽命。此外，除了上述兩種延長壽命的措施之外，(a3)對因滾子互相干擾以及對裝滿滾子的滾子軸承特有的滾子的歪斜引起的壽命縮短的問題，應(yīng)采取任何的措施。
上述已知技術(shù)通過增加硬度和殘余壓縮應(yīng)力，或改進軸承部件與對應(yīng)部件滾動接觸的滾動表面來提高滾動壽命。在實際評價這些技術(shù)時，發(fā)現(xiàn)它們在外環(huán)的情形中施加彎曲的應(yīng)用中對延長壽命很有效，而為延長內(nèi)環(huán)和整個滾子軸承的滾子的壽命，通過其本身，這樣的改進不一定是有效的。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到使用中速度和荷載的增加，以及潤滑油粘度的降低，本發(fā)明的一個目的是提供一裝滿滾子的滾動軸承，尤其是用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其在嚴(yán)峻的潤滑、滑動和載荷條件下，顯示出較長的壽命。
根據(jù)本發(fā)明的一裝滿滾子的滾動軸承由一外環(huán)、一內(nèi)環(huán)和滾子組成，它們由鋼制成，外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾子中至少一個在其表面層上具有碳氮共滲層，且表面層的奧氏體晶粒的尺寸數(shù)大于10。
對于本發(fā)明的裝滿滾子的滾動軸承，可使用帶有細微晶粒和耐熱的材料，來延長表面損壞(如脫皮和破壞的表面起始的剝落)壽命，以及內(nèi)部起始的脫皮壽命。具體來說，改進這種諸如軸承鋼的材料的處理或熱處理類型，以形成一種碳氮共滲的結(jié)構(gòu)，來確保由日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)規(guī)定的奧氏體晶粒尺寸數(shù)大于10。最好形成的結(jié)構(gòu)可顯著地提高耐裂紋發(fā)生和擴展的能力。因此，可阻止因滑動引起表面熱量的產(chǎn)生和由切向力導(dǎo)致的表面裂紋發(fā)生。此外，阻止由內(nèi)部起始的脫皮引起的裂紋，可顯著地延長壽命。
上述的微結(jié)構(gòu)進一步進行加工和熱處理，且在表面層賦予殘余壓縮應(yīng)力，以增加硬度，這樣，可進一步延長壽命。所述加工和熱處理可以是下面諸工藝中的任何一種，或其組合(b1)噴丸處理，(b2)滾筒拋光，(b3)輥軋，(b4)上漆，(b5)滲碳和碳氮共滲，(b6)碳氮共滲和深冷處理，以及(b7)碳氮共滲和二次淬火和深冷處理。
這里，奧氏體晶粒尺寸數(shù)大于10意味著奧氏體晶粒足夠細微致使具有大于10或11或以上的尺寸數(shù)，其根據(jù)JIS G 0551規(guī)定的測試奧氏體晶粒尺寸的方法確定。當(dāng)一結(jié)構(gòu)由奧氏體溫度范圍內(nèi)的溫度進行淬火時，奧氏體晶粒邊界保持淬火的結(jié)構(gòu)，因此，測量剩余奧氏體晶粒的成分，其有時稱之為前奧氏體晶粒邊界。
外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾子中的至少一個可在等于或大于A1轉(zhuǎn)變溫度的碳氮共滲溫度下進行碳氮共滲，然后，冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變溫度的溫度，并加熱到低于碳氮共滲溫度的淬火溫度，由此，進行淬火。
這樣一微結(jié)構(gòu)一旦被冷卻到低于碳氮共滲溫度的溫度，然后，從合成的淬火溫度中進行淬火，這樣，可獲得相當(dāng)細微的奧氏體晶粒。通過加熱到低于碳氮共滲溫度的溫度而進行淬火的這種過程，根據(jù)加工過程的次序，有時稱之為二次淬火或最終淬火。
淬火溫度可以在一溫度范圍內(nèi)，其中，碳化物和/或氮化物和一奧氏體態(tài)共存在鋼的碳氮共滲的表面層內(nèi)。
淬火溫度低于碳氮共滲溫度，因此，與在碳氮共滲過程中的量相比，在表面層內(nèi)的未溶解的碳化物和/或氮化物的量(其受碳氮共滲過程的影響)增加。然后，當(dāng)淬火溫度在這些組分共存的溫度范圍內(nèi)時，未溶解碳化物/氮化物的比例增加，而與碳氮共滲過程中的比例相比，在淬火溫度下的奧氏體比例下降。此外，從Fe-C的兩相圖中可見，在碳化物(滲碳體)和奧氏體共存的范圍內(nèi)，溶解在奧氏體內(nèi)的碳的濃度隨淬火溫度的下降而下降。由于用于軸承的鋼具有較低成分的諸如硅和錳之類的其它合金元素，所以，溫度范圍和產(chǎn)生的層可參照Fe-C的兩相圖給以充分精度的討論。此外，類似于碳，氮是溶解在鐵中的間隙元素，并產(chǎn)生類似于在預(yù)定溫度區(qū)域內(nèi)的滲碳體的鐵的氮化物，氮可近似地看作與碳相同。
當(dāng)溫度增加到淬火溫度時，奧氏體晶粒變細，因為仍存在大量的未溶解的碳化物和/或氮化物阻止奧氏體晶粒的生長。此外，當(dāng)施加上述的熱處理時，通過淬火從奧氏體轉(zhuǎn)變到馬氏體的結(jié)構(gòu)具有略低的碳濃度，這樣，該結(jié)構(gòu)與從碳氮共滲溫度中淬火的結(jié)構(gòu)相比，具有略微高的韌性。換句話說，淬火的結(jié)構(gòu)具有(c1)與通過傳統(tǒng)過程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)相比，較大量的未溶解的碳化物/氮化物，以及(c2)低于傳統(tǒng)的碳濃度。
上述的淬火溫度可以是790℃-830℃。該溫度適用于大部分鋼材，以便于控制燒結(jié)溫度。
此外，外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾子中的至少一個可以是在碳氮共滲之前進行冷加工的。
應(yīng)用冷加工可在熱處理中提高奧氏體晶粒的晶核形成密度，由此，形成一細晶結(jié)構(gòu)。
奧氏體可具有至少為11的晶粒尺寸數(shù)。在定義的奧氏體晶粒尺寸下，特別地和不可想像細的奧氏體晶粒有助于達到穩(wěn)定長的滾動疲勞壽命和表面損壞壽命。此外，潤滑油粘度下降的問題可滿意地得到解決。
在外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾子中的至少一個中，可產(chǎn)生至少為500Mpa的殘余壓縮應(yīng)力。
如上所述，微結(jié)構(gòu)還可進行加工和熱處理，一殘余壓縮應(yīng)力可形成在表面層，以進一步延長壽命。
根據(jù)本發(fā)明的用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件包括一與發(fā)動機的凸輪軸滾動接觸的外環(huán)，一位于外環(huán)內(nèi)部、并固定在凸輪隨動件體上的滾子軸，以及放置在外環(huán)和滾子軸之間的軸承元件。外環(huán)、滾子軸和軸承元件中的至少一個具有一碳氮共滲層，而在至少一個表面層內(nèi)的奧氏體晶粒制得細微，以具有大于10的晶粒尺寸數(shù)。
在組分中的奧氏體晶粒制得足夠細微，以具有大于10的晶粒尺寸數(shù)，因此，可相當(dāng)?shù)靥岣邼L動疲勞壽命。在具有10或不到10的晶粒尺寸數(shù)的情況下，任何顯著提高滾動疲勞壽命均是不可能的，因此，晶粒尺寸數(shù)大于10，較佳地是11或更大。盡管要求有更細的奧氏體晶粒，但通常難于達到超過13的晶粒尺寸數(shù)。這里要指出的是，位于外環(huán)和滾子軸之間的上述軸承元件是指包括滾子和滾動元件的軸承，然而，從狹義的意義上講，軸承元件可以是滾子或滾動元件。
奧氏體晶粒尺寸數(shù)可通過由JIS定義的通常的方法來加以確定，或根據(jù)截取法來確定，例如，使用與上述晶粒尺寸數(shù)對應(yīng)的平均晶粒尺寸。較小奧氏體晶粒尺寸是理想的，且還要求奧氏體的晶粒尺寸數(shù)為11或以上?；蛘?，平均晶粒尺寸可以是6μm，或更小。奧氏體晶粒尺寸數(shù)可在碳氮共滲層中實現(xiàn)。然而，一般來說，奧氏體細度的狀況在位于碳氮共滲層內(nèi)的鋼體內(nèi)得到滿足。
這里，奧氏體晶粒是指在熱處理過程中相位轉(zhuǎn)變的奧氏體的結(jié)晶顆粒，在奧氏體通過冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體之后，仍保持顆粒的微量。
對于根據(jù)本發(fā)明的用于發(fā)動機的另一滾子凸輪隨動件，外環(huán)、滾子軸和軸承元件中的至少一個具有一碳氮共滲層，并具有一至少為2650Mpa的斷裂應(yīng)力。
本發(fā)明的發(fā)明者業(yè)已發(fā)現(xiàn)，這里所述的熱處理方法(低溫二次淬火法)，以后可用來將具有碳氮共滲層的鋼的斷裂應(yīng)力提高到2650Mpa或以上，這通過任何傳統(tǒng)方法還尚未達到過。這樣，可獲得高強度的滾動軸承，以在滾子凸輪隨動件的載荷條件下達到良好的耐用性。
對于根據(jù)本發(fā)明的用于發(fā)動機的還有另一滾子凸輪隨動件，外環(huán)、滾子軸和軸承元件中的至少一個具有一碳氮共滲層，并具有至少為0.5ppm的氫的成分。
上述的熱處理(低溫二次淬火法)可用于降低組裝到一凸輪隨動件上之前的任何一部件內(nèi)的氫的成分。然后，可縮短氫進入到鋼內(nèi)以增加和達到發(fā)生裂紋時的臨界點所需要的時間。由于這個原因，連同尚未闡明的任何其它原因，可提高耐用性。
要求有一低的氫的成分。然而，氫成分減小到小于0.3ppm的成分要求有長時間的熱處理，導(dǎo)致奧氏體顆粒的尺寸的增加，且因此損害韌性。然后，氫成分要求在0.3至0.5ppm的范圍內(nèi)，最好在0.35至0.45ppm的范圍內(nèi)。
在測量上述的氫成分中，未測量擴散的氫，而僅測量在預(yù)定的溫度或高于該溫度下從鋼中釋放非擴散的氫。在一小規(guī)模采樣中的擴散的氫即使在室溫下也會從樣品中釋放而擴散，因此，可擴散的氫不予測量。非擴散的氫囿于鋼材的任何缺陷中，且僅在預(yù)定的加熱溫度或高于此溫度下從樣品中釋放。即使僅測量到非擴散的氫，根據(jù)測量的方法，氫成分也會有相當(dāng)?shù)淖兓Ｉ鲜龅臍涑煞值姆秶怯蔁犭妼?dǎo)分析法確定。此外，如在下文中將詳細介紹的，可借助于一LECO DH-103氫測定儀或類似的測量設(shè)備來進行測量。
(c1)凸輪隨動件本體可樞轉(zhuǎn)地連接在位于其本身的一端和另一端之間的轉(zhuǎn)動軸上，發(fā)動機的一打開/關(guān)閉閥可鄰接在一端上，另一端可具有一分叉的滾子支承部分，滾子軸可固定在分叉的滾子支承部分上。
(c2)凸輪隨動件本體可安裝在其本身的一端和另一端之間，具有一固定在兩個側(cè)壁之間延伸的滾子孔內(nèi)的滾子軸，發(fā)動機的一打開/關(guān)閉閥的一端可鄰接在一端上，且一樞軸可鄰接在另一端上。
(c3)凸輪隨動件本體可樞轉(zhuǎn)地連接在位于其本身的一端和另一端之間的轉(zhuǎn)動軸上，發(fā)動機的一打開/關(guān)閉閥的一端可鄰接在一端上，另一端可鄰接在從凸輪軸傳輸應(yīng)力的互鎖桿的一端上，凸輪隨動件本體安裝在互鎖桿的另一端，互鎖桿的一端和另一端分別位于搖臂和凸輪上，且滾子軸可連接到凸輪隨動件本體，并鄰接在凸輪上。
(c1)、(c2)和(c3)的凸輪隨動件本體共同之處在于，它們從凸輪傳輸驅(qū)動力至發(fā)動機閥，而它們在結(jié)構(gòu)上不同，以適應(yīng)不同的發(fā)動機類型。
關(guān)于上述發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，軸承元件可以是裝滿滾子的滾針軸承。滾子軸的端部的硬度可低于其中心部分的硬度。因此，滾子軸的中心部分具有用作滾動接觸表面所必要的硬度，而端部則做成較軟。因此，確保類似于滾動疲勞壽命的耐用性，例如，可做到填密的固定。上述的所有滾動軸承可具有填密的滾子軸的一端。
此外，凸輪隨動件本體可采取壓力形成，以提高生產(chǎn)效率。
如果結(jié)合附圖，從下面的本發(fā)明的詳細描述中，本發(fā)明的上述的和其它的目的、特征、方面和優(yōu)點將會變得更加明白。
附圖的簡要說明

圖1示出一搖臂的軸承，其是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的裝滿滾子的滾子軸承。
圖2是沿圖1的線II-II截取的截面圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明實施例的改型的一發(fā)動機的滾子凸輪隨動件。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的一發(fā)動機的滾子凸輪隨動件。
圖5是包括一裝滿滾子的滾子軸承的一部分的放大的視圖，其中，裝滿滾子的滾子軸承與圖4所示的一發(fā)動機滾子凸輪隨動件的一凸輪接觸。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的一熱處理方法。
圖7示出根據(jù)實施例改型的一熱處理方法。
圖8A和8B示出一軸承部件的微結(jié)構(gòu)，特別是原奧氏體晶粒，圖8A示出本發(fā)明的一軸承部件，而圖8B示出一傳統(tǒng)的軸承部件。
圖9A和9B圖解示出分別對應(yīng)于圖8A和8B的奧氏體晶粒的邊界。
圖10示意地示出用于一滾動外環(huán)的滾動疲勞壽命的試驗裝置。
圖11示出一用來測試靜態(tài)裂紋強度的試驗件。
圖12示出當(dāng)一輥子軸的兩端通過高頻加熱被軟化時的硬度分布。
圖13示出一用來測試靜壓裂紋強度(測量裂紋應(yīng)力)的試驗件。
圖14A是一滾動疲勞壽命試驗裝置的正視圖，而圖14B是其側(cè)視圖。
圖15示出一用來測試靜態(tài)裂紋韌性的試驗件。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的實施例。圖1是一示意的正視圖，示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件的結(jié)構(gòu)。圖2是沿圖1的線II-II截取的截面圖。參照圖1和2，作為一樞轉(zhuǎn)件的搖臂1在中心部分通過一軸承金屬可樞轉(zhuǎn)地支承在一搖臂軸5上。
一調(diào)整螺釘7旋入到該搖臂1的一端1b。調(diào)整螺釘7通過一鎖定螺母8而被固定，調(diào)整螺釘?shù)南露肃徑釉谝粌?nèi)燃機的進氣閥或排氣閥的上端。閥9由彈簧10的彈力偏壓。
搖臂1的另一端1a裝備有凸輪隨動件50的一本體(凸輪隨動件本體)，且凸輪隨動件本體50具有一分叉的滾子支承部分14，其與本體一體地形成。在分叉的滾子支承部分14中，對應(yīng)于一內(nèi)環(huán)的滾子軸2的兩端進行壓配或借助于一彈簧卡環(huán)進行固定。在滾子軸2的外表面的中心部分，一外環(huán)4通過滾子3可轉(zhuǎn)動地被支承。滾子3放置在滾子軸2和外環(huán)4之間，以用作軸承元件。換句話說，位于滾子軸2和外環(huán)4之間的軸承元件是滾子。滾子3的軸向方向與滾子軸的軸向方向平行。外環(huán)4的外表面通過彈簧10的偏壓力與凸輪6的表面接觸。應(yīng)該指出的是，這里采用的術(shù)語“一個”和“另一個”并無規(guī)定的意義，僅在本描述中用作參照的次序。
凸輪隨動件本體50是裝滿滾子的滾動軸承的一個具體的實例。具體來說，一滾動軸承包括一由滾子軸2形成的內(nèi)環(huán)，一由滾子3形成的滾動元件，且外環(huán)4是用作搖臂的裝滿滾子的軸承。一般來說，一無軸承保持架的軸承被稱之為裝滿滾子的軸承。上述用于搖臂的裝滿滾子的軸承轉(zhuǎn)動，而同時接觸凸輪6，這樣，凸輪6的壓力和撞擊力作用在外環(huán)4上。在該實施例中的一發(fā)動機的滾子凸輪隨動件是這樣一部件，其包括用于搖臂和凸輪隨動件本體的裝滿滾子的軸承。
當(dāng)搖臂軸承轉(zhuǎn)動而同時接觸凸輪6時，凸輪6的壓力和撞擊力作用在外環(huán)4上，由于反復(fù)的彎曲應(yīng)力，可能導(dǎo)致壓痕和裂紋。特別是，隨著發(fā)動機輸出的增加，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速(rpm)因此增加，這樣，這些力變大導(dǎo)致發(fā)生裂紋和壓痕的風(fēng)險變大，因此，縮短滾動壽命和表面損壞壽命。
由于大的力作用在軸承上而引起的壓痕可能形成在內(nèi)環(huán)上，因為內(nèi)環(huán)和滾動元件(滾子)之間的表面壓力通常大于外環(huán)和滾動元件(滾子)之間的表面壓力。然而，對于凸輪隨動件，彎曲應(yīng)力作用在外環(huán)上，而高的表面壓力載荷也作用在外環(huán)上，因此，壓痕可能形成在外環(huán)和滾動元件之間。本發(fā)明的發(fā)明者業(yè)已發(fā)現(xiàn)，通過在上述諸部件中的至少一個部件上的一表面層上形成一碳氮共滲層，使表面層的奧氏體晶粒尺寸數(shù)大于10，或如上述情形中的至少11，可延長表面損壞壽命和滾動壽命。此外，發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)通過增加表面層的殘余壓應(yīng)力，可增加延壽的程度。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的一發(fā)動機的滾子凸輪隨動件。該凸輪隨動件的凸輪隨動件本體50具有一固定在滾子孔(未示出)內(nèi)的滾子軸2，所述滾子孔在搖臂1的一端1b和另一端1a之間，并在兩個側(cè)壁之間延伸，而一端鄰接在發(fā)動機開—閉閥9的一端上，而另一端鄰接在樞軸上(未示出)。具有樞軸孔15的凸輪隨動件本體50通過彈簧10沿預(yù)定的方向繞樞軸偏置，并通過一外環(huán)4接納從凸輪6傳輸?shù)尿?qū)動力，由此，抵抗彈簧的偏壓力而移動閥9。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的一發(fā)動機的滾子凸輪隨動件。圖5是包括如圖4所示的一搖臂滾動軸承的一部分的放大的視圖。參照圖4，一轉(zhuǎn)動軸5放置在一搖臂1的中心部分，且搖臂1繞軸樞轉(zhuǎn)。搖臂1的一端1b鄰接在發(fā)動機閥9的一端上，而臂的另一端1a鄰接在互鎖桿16的一端上。一調(diào)整螺釘8具有調(diào)整搖臂的另一端1a鄰接在互鎖桿16上的位置的功能。
一凸輪隨動件本體50設(shè)置在位于互鎖桿16的下端上的中空的軸承連接16a，而一用于搖臂的裝滿滾子的軸承通過連接件17連接。一鄰接在外環(huán)4上的凸輪6傳輸驅(qū)動力至互鎖桿。
在用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件的裝滿滾子的軸承的諸部件中，滾子3、滾子軸2和外環(huán)2中的至少一個，是通過低溫二次淬火的熱處理，以使奧氏體晶粒變得細微。
一奧氏體晶粒變細的碳氮共滲層較佳地通過下述方法來形成，然而，除此之外的任何方法可被使用。圖6示意地示出根據(jù)本發(fā)明形成具有細微奧氏體晶粒的碳氮共滲層的一熱處理方法，而圖7示出該方法的改型。具體來說，圖6示出一實施一次淬火和二次淬火的熱處理的方式，圖7示出一熱處理的方式，根據(jù)該方式，一材料冷卻到低于在淬火過程中的轉(zhuǎn)變溫度A1的溫度，此后，再次加熱以便最終淬火。參照這些附圖，在過程T1，碳和氮通過鋼的基體擴散，而碳充分地溶解在其中，此后，冷卻到低于轉(zhuǎn)變溫度A1的溫度。然后，在如圖所示的過程T2，再次加熱到低于在過程T1中的溫度，然后，進行油中淬火。在過程T1，可將表面層加熱到奧氏體、碳化物和/或氮化物共存的溫度范圍內(nèi)的溫度。在呈現(xiàn)有奧氏體、碳化物和/或氮化物的共存區(qū)域內(nèi)的某一溫度下，奧氏體晶粒細微，碳(氮)在奧氏體中的濃度相當(dāng)?shù)汀Ｒ虼?，即使?zhí)行淬火，可形成足夠韌性的淬火結(jié)構(gòu)。
與一般的或正常的淬火相比，其中，進行碳氮共滲，緊接著進行一次淬火，上述的熱處理可提高裂紋強度，和延長表面損壞壽命及滾動疲勞壽命，且同時碳氮共滲表面層。此外，可解決潤滑油粘度降低的問題。該熱處理還可形成具有奧氏體晶粒的微結(jié)構(gòu)，其晶粒的尺寸比傳統(tǒng)的小一半或以上。經(jīng)受這種熱處理的一軸承部件具有長的滾動疲勞壽命和長的表面損壞壽命，并能解決粘度下降的問題。軸承部件還可具有一提高的裂紋強度和一緩慢的尺寸變化的減小的速率。
圖8A和8B示出一軸承部件的微結(jié)構(gòu)，特別是奧氏體晶粒。圖8A示出本發(fā)明的軸承部件，而圖8B示出傳統(tǒng)的軸承部件的軸承部件。即，圖8A示出已經(jīng)如圖6所示的熱處理的一軸承鋼的奧氏體晶粒尺寸。為了進行比較，圖8B示出一經(jīng)受傳統(tǒng)熱處理的軸承鋼的奧氏體的晶粒尺寸。圖9A和9B用圖表方式示出示于圖8A和8B中的奧氏體晶粒尺寸。在具有奧氏體晶粒尺寸的結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)奧氏體的顆粒直徑是10，這是由JIS規(guī)定的顆粒尺寸數(shù)，而通過本熱處理的本發(fā)明的顆粒尺寸數(shù)是12，由此可見，顆粒細微。此外，在圖8A中的平均顆粒直徑是5.6μm，其由截取法測得。在830℃的淬火溫度下，平均顆粒直徑近似為8μm。
實例實例1準(zhǔn)備其對應(yīng)材料示于表1中的諸軸承。這些軸承是裝滿滾針的軸承，其包括在一發(fā)動機的滾子凸輪隨動件中。一內(nèi)環(huán)(滾子軸)的尺寸是14.64mm(外直徑)×17.3mm(寬度)，而一外環(huán)的尺寸是18.64mm(內(nèi)直徑)×24mm(外直徑)×6.9mm(寬度)。采用26個滾子，各具有尺寸為2mm(外直徑)×6.8mm(長度)。諸軸承是無軸承保持架的裝滿滾子的軸承。軸承具有一基本的額定載荷8.6KN和一基本的靜態(tài)額定載荷12.9KN。這里，大體上說，各軸承是同樣材料的組合，而某些是各由不同的材料組合，而且，某些是由額外的工藝過程形成的。表1示出準(zhǔn)備的諸軸承的一清單。
表1試驗樣品一覽表

*1本發(fā)明的實例示于表1中的諸樣品如下No.1一軸承鋼預(yù)先經(jīng)受深度冷加工，熱處理使晶粒變細，然后進行碳氮共滲。
No.2一軸承鋼進行碳氮共滲，然后，在低于碳氮共滲溫度的溫度下進行二次淬火。
No.3一滲碳鋼進行滲碳、碳氮共滲，然后在較低溫度下進行二次淬火。換句話說，在滲碳過程之后，進行低溫的淬火。
No.1-3的樣品的奧氏體晶粒尺寸至少是No.11。這些材料用作基本樣品。下列樣品的準(zhǔn)備是對基本樣品進行額外的處理，以在表面層內(nèi)形成一殘余的壓縮應(yīng)力。
No.4樣品No.1的內(nèi)和外環(huán)經(jīng)噴丸處理，且諸滾子經(jīng)過滾筒拋光。
No.5樣品No.2的內(nèi)和外環(huán)經(jīng)噴丸處理，且諸滾子經(jīng)過滾筒拋光。
No.6樣品No.3的內(nèi)和外環(huán)經(jīng)噴丸處理，且諸滾子經(jīng)過滾筒拋光。
No.7樣品No.1的內(nèi)和外環(huán)額外地經(jīng)深冷處理(-196℃)。
No.8樣品No.1的內(nèi)和外環(huán)額外地經(jīng)深冷處理(-196℃)，然后進行噴丸處理，且諸滾子經(jīng)過滾筒拋光。
對于下列的樣品，上述的諸方法應(yīng)用于內(nèi)和外環(huán)以及各滾子，尤其是滾動壽命對其尤顯得重要的內(nèi)環(huán)和滾子。
No.9內(nèi)環(huán)和滾子經(jīng)碳氮共滲，然后，在低于碳氮共滲溫度的溫度下進行二次淬火，且外環(huán)經(jīng)受正常的熱處理。
No.10對于內(nèi)和外環(huán)，滲碳鋼進行滲碳、碳氮共滲、冷卻，然后在低溫下進行二次淬火，對于滾子，軸承鋼進行碳氮共滲。
作為對比實例，準(zhǔn)備五個樣品No.11-15，如表1的下部所示。
No.11內(nèi)和外環(huán)以及滾子由經(jīng)正常熱處理的軸承鋼制成(正常樣品)。
No.12內(nèi)和外環(huán)以及滾子由經(jīng)碳氮共滲的軸承鋼制成。
No.13內(nèi)和外環(huán)由經(jīng)滲碳的滲碳鋼制成，而滾子由經(jīng)正常熱處理的軸承鋼制成。
No.14該樣品由二次淬火的滲碳鋼制成。
No.15樣品No.11的內(nèi)和外環(huán)經(jīng)噴丸處理，且諸滾子經(jīng)過滾筒拋光。
對于這些樣品，測量晶粒尺寸、硬度和500℃淬火(熱阻指數(shù))后的硬度，最終的測量數(shù)據(jù)示于表1中。
下面詳細描述用于評價滾動壽命和表面損壞強度的試驗。
滾動壽命的評價組裝一外環(huán)(18.64mm(內(nèi)直徑)×24mm(外直徑)×6.9mm(寬度))、26個滾子(2mm(外直徑)×6.8mm(長度))和一滾子軸(14.64mm(外直徑)×17.3mm(長度))，然后，在2.58KN的載荷下經(jīng)受滾動疲勞試驗。一試驗機示于圖10中，測試條件示于表2中。該測試對外環(huán)的轉(zhuǎn)動進行的。參照圖10，多個針形滾子53(3)可轉(zhuǎn)動地放置在包含在試驗機內(nèi)的滾子軸52(2)和外環(huán)54(4)之間。外環(huán)54以預(yù)定的速度在由部件55和56施加其上的徑向載荷下轉(zhuǎn)動，從而進行一壽命試驗。這里，試驗在基本路面額定載荷8.6KN的30％的載荷下進行。試驗結(jié)果示于表3中。
表2軸承滾動壽命試驗條件

表3試驗結(jié)果

*1本發(fā)明的實例對于具有表3所示試驗結(jié)果的樣品來說，脫皮主要發(fā)生在滾子上或內(nèi)環(huán)上，而脫皮也部分發(fā)生在樣品No.9的外環(huán)上。從表3中可見，較之對比樣品，本發(fā)明的樣品顯示較長的壽命，且本發(fā)明的任何樣品顯示的壽命大約是正常處理的樣品的壽命的3倍，大約是碳氮共滲樣品的壽命的1.5倍。
脫皮試驗表4示出經(jīng)受包括一脫皮試驗的諸試驗的樣品的清單，以及試驗的結(jié)果，而表5示出脫皮試驗的條件。準(zhǔn)備本發(fā)明的樣品No.1-3和這些樣品中經(jīng)噴丸處理或深冷處理的本發(fā)明的樣品。本發(fā)明的樣品總共8個(No.1-8)，準(zhǔn)備5個樣品(No.11-15)作為對比實例。因此，經(jīng)受脫皮試驗的樣品的總數(shù)是13個。
表4外環(huán)強度試驗結(jié)果

*1本發(fā)明的實例表5脫皮試驗條件

各自13個試驗樣品的具有40mm直徑的試驗件(鏡面拋光)，在恒定的條件下，與粗糙表面的對應(yīng)試驗件滾動接觸，在經(jīng)過一定時間之后，測量在(鏡面拋光)樣品試驗件上觀察到的脫皮發(fā)生的面積(匯集細微脫皮)對于總面積的比例。確定的面積比的倒數(shù)這里定義為脫皮強度，正常樣品的對比實例No.1的脫皮強度由標(biāo)號1加以指示。
試驗結(jié)果示于表4中。本發(fā)明的任何試驗件具有的脫皮強度是對比實例的強度的至少1.5倍。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，具有晶粒尺寸數(shù)大于10的細微奧氏體晶粒提高韌性，由此，提高抵抗裂紋發(fā)生和其后的裂紋生長的能力。此外，通過深冷處理和任何處理設(shè)置的帶有殘余壓應(yīng)力的樣品(No.4-8)，在強度上得到提高。這是因為高硬度和殘余壓應(yīng)力有效地有利于防止脫皮裂紋的發(fā)生和生長。
擦拭法試驗采用與用于脫皮試驗的試驗件相同的試驗件(見表4)來檢查擦拭強度。試驗條件示于表6中。被試驗的試驗件和對應(yīng)的試驗件各由相同材料的組合而制成。
表6擦拭法試驗條件

結(jié)果示于表4中。這里，當(dāng)擦拭發(fā)生時，擦拭強度根據(jù)對應(yīng)試驗件的轉(zhuǎn)動速度進行評價，其結(jié)果顯示為相對于用作參考的正常樣品(對比實例No.11)的結(jié)果的比值。關(guān)于擦拭，還發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的實例的擦拭強度(擦拭發(fā)生之前的轉(zhuǎn)動速度)，是對比實例的正常樣品的強度的至少1.5倍，且略高于其它對比實例的擦拭強度。在具有至少No.11的晶粒尺寸數(shù)的晶粒的細度、奧氏體保持的合適的量以及存在的細微的碳化物之間建立的平衡，阻止表面層的塑性流動，因此，提高防卡住的特性。與沒經(jīng)過額外處理的樣品相比，經(jīng)額外處理的樣品顯示出強度上略有提高。
靜態(tài)裂紋強度試驗對于表4中所示的試驗樣品，通過Amsler試驗機對圖11所示形狀的外環(huán)(18.64mm(內(nèi)直徑)×24mm(外直徑)×6.9mm(寬度))施加載荷，然后測量裂紋強度。結(jié)果示于表4中。裂紋的起始點在環(huán)的內(nèi)表面(滾動接觸表面)上。表4表明從對比實例No.12可見，碳氮共滲通常損害靜態(tài)裂紋強度。相反，本發(fā)明的實例No.1-3的靜態(tài)強度等于或略大于經(jīng)受正常熱處理的正常樣品的靜態(tài)強度，且本發(fā)明的實例不顯示出對靜態(tài)裂紋強度的損害。與實例No.1-3相比，經(jīng)額外處理的本發(fā)明的實例No.4-6，其裂紋強度均得到提高。經(jīng)受深度冷卻的本發(fā)明的實例No.7，較之沒有經(jīng)深度冷卻處理的實例No.1，在靜態(tài)裂紋強度上略微低一些，且較之實例No.7，靜態(tài)裂紋強度略高于經(jīng)額外處理的實例No.8。
可以考慮到，對比實例No.12的強度受損的原因在于，奧氏體晶粒尺寸的增加，以及由于在碳氮共滲的擴散過程中的長時間的加熱，導(dǎo)致保持的奧氏體量的增加，這樣，局部地形成具有低的拉伸強度的結(jié)構(gòu)。由于同樣的原因?qū)Ρ葘嵗齆o.13也損害強度。
裂紋疲勞強度試驗在表7所示的條件下，對圖4所示的試驗樣品的外環(huán)上反復(fù)地施加一載荷，由此可確定裂紋疲勞強度。具體來說，在98N(下限)至3000-5000N(上限)范圍內(nèi)的一載荷反復(fù)地施加在外環(huán)上，裂紋出現(xiàn)之前的重復(fù)次數(shù)被用來評價強度。這里，在加載條件改變的情況下，繪出S-N曲線，根據(jù)裂紋呈現(xiàn)之前作用105的一載荷，來評價強度。
表7環(huán)裂紋疲勞試驗條件

結(jié)果示于表4中。裂紋疲勞強度試驗的結(jié)果，用強度對于對比實例的正常熱處理的樣品的強度之比來表示。由此可見，與對比實例相比，本發(fā)明的所有實例在裂紋強度上均有顯著的提高。關(guān)于裂紋疲勞強度，本發(fā)明的實例No.3具有滲碳鋼作為基本部件，且本發(fā)明的實例No.6具有滲碳鋼作為基本部件，對這些部件添加上殘余壓應(yīng)力，它們顯現(xiàn)出極佳的強度。
軟化滾子軸的兩端滾子軸的兩端表面進行高頻退火，僅將滾子軸材料的一端(其已經(jīng)合適處理)靠近到一高頻線圈端部處的開口，或?qū)⒁欢吮３衷诼晕⒉迦氲介_口中的狀態(tài)，通過高頻感應(yīng)電流加熱該端持續(xù)相當(dāng)短的時間，然后，在空氣中冷卻。或者，在高頻加熱和上述短時間的冷卻之后，通過倒入水到表面上或?qū)⒉牧贤度氲剿?，可快速地進行冷卻。最終的硬度分布示于圖12和表8中。
表8滾子軸高頻退火之后的硬度S

如圖12和表8所示，由滾動元件通過的區(qū)域A代表的中心部分和由區(qū)域B代表的其兩端具有適當(dāng)高的硬度。另一方面，在外表面兩端對于填密過程是重要的區(qū)域C和D，確保對填密必要的合適的低的硬度(軟度)。
因此，從以上的結(jié)果可以確認，對于因不利的滑動條件、滾子的歪斜和滾子互相的干擾而可能具有一短的壽命的搖臂來說，用于這種搖臂的滾動軸承的耐用性得到改進。耐用性的改進是通過加工材料而獲得，使其具有細微的晶粒和熱阻，由此，同時地改進表面損壞(諸如脫皮和擦拭的表面起始的脫落)壽命以及內(nèi)部起始的脫皮壽命。具體來說，采用特定的材料處理或熱處理類型，以形成一具有至少某個晶粒尺寸的奧氏體的碳氮共滲的結(jié)構(gòu)，其提供顯著增加的抵抗裂紋發(fā)生和生長的能力。這樣，可防止表面裂紋的發(fā)生，其由表面層產(chǎn)生的熱和滑動引起的切向應(yīng)力造成，而且可進一步獲得相當(dāng)長的壽命，以阻止由內(nèi)部起始的脫皮?；谶@一點，另外進行加工和熱處理，以對表面層提供殘余壓應(yīng)力，和增加硬度，從而進一步延長壽命。例如，這些熱處理和加工包括噴丸處理、滾筒拋光、滾動、上漆、滲碳和碳氮共滲、碳氮共滲和深冷處理、碳氮共滲、二次淬火和深冷處理。
在進行填密的情形中，對于用作作為軸承元件的內(nèi)環(huán)的滾子軸，滾子軸的端部上的外表面以及端表面的外區(qū)域要求足夠柔軟，以便在填密過程中，進行塑性變形。另一方面，滾子軸的端部要求具有一定的硬度或更高的硬度，因為填密地固定到滾子軸承部分上的滾子軸在凸輪隨動件的長時間的使用過程中會松動，最終導(dǎo)致從軸孔中脫落。對于具有由上述熱處理和加工添加的特性的滾子軸，僅對滾子軸的兩端，調(diào)整高頻退火中的加熱和冷卻的條件，以便調(diào)整端表面的硬度。然后，獲得可被填密且耐用性極佳的滾子軸。換句話說，與傳統(tǒng)的碳氮共滲不同，上述的熱處理和加工不損害裂紋強度，因此，可形成高強度和長壽命的裝滿滾子的滾動軸承。此外，高頻退火在作為軸承一元件的滾子軸的兩端上進行，以調(diào)整硬度，由此，使兩端能被填密。
因此，對于用于一汽車發(fā)動機的進氣閥或排氣閥的打開/關(guān)閉的一搖臂的軸承，例如，寬度在5mm至12mm范圍內(nèi)的一裝滿滾子的小型滾動軸承，軸承的耐用性可得到提高，而同時可做到軸承的填密。
實例2JIS-SUJ2(碳重量百分比1.0-硅重量百分比0.25-錳重量百分比0.4-鉻重量百分比1.5)被用作本發(fā)明的實例2。示于表9中的樣品各通過下述的程序形成。
表9

1)由于不充分淬火未與評價樣品A-D本發(fā)明的實例在850℃下進行碳氮共滲，在RX氣體和氨氣混合物的氣氛中保持150分鐘。遵照圖6所示的熱處理的類型，從850℃的碳氮共滲溫度中進行初次淬火，其后，加熱到低于碳氮共滲溫度的780℃至830℃的溫度范圍內(nèi)的一溫度進行二次淬火。具有780℃的二次淬火溫度的樣品A不進行測試，因為樣品A的淬火不充分。
樣品E和F對比實例這些樣品通過與本發(fā)明的樣品A-D相同的程序進行碳氮共滲，然后，在等于或高于850℃的碳氮共滲溫度的從850℃至870℃的一溫度下進行二次淬火。
傳統(tǒng)的碳氮共滲樣品對比實例在850℃下進行碳氮共滲，在RX氣體和氨氣混合物的氣氛中保持150分鐘。從碳氮共滲溫度進行連續(xù)地淬火，并不進行二次淬火。
正常淬火實例對比實例不進行碳氮共滲，通過提高溫度到850℃，進行淬火，不進行二次淬火。
對于上述的樣品，進行試驗以便(1)測量氫氣量，(2)測量晶粒尺寸，(3)夏氏沖擊值，(4)測量斷裂應(yīng)力，以及(5)采用下述方法的滾動疲勞試驗。
I.對實例2的試驗方法(1)氫氣量的測量借助于由LECO公司制造的DH-103氫測定儀確定氫氣量，以分析在鋼中的非擴散的氫氣量。擴散的氫氣量不予測量。LECO的DH-103氫測定儀的技術(shù)規(guī)格書如下分析范圍0.01-50.00ppm分析精度±0.1ppm或±3％H(高端值)分析靈敏度0.01ppm檢測方法熱電導(dǎo)分析法樣品重量規(guī)格10mg-35g(最大12mm(直徑)×100mm(長度))爐溫范圍50℃-1100℃反應(yīng)劑無水Mg(ClO4)2，燒堿石棉和NaOH載體氣體氮氣計量氣體氫氣(兩種氣體的純度至少為99.99％，且壓力為40PSI(2.8kgf/cm2)。)分析的程序大致描述在此。使用專用的取樣器進行取樣，樣品連同取樣器一起放入到氫測定儀。其中可擴散的氫氣由氮載體氣體引導(dǎo)到熱電導(dǎo)分析法的測定儀中。在此實例中，可擴散的請不予測量。然后，樣品從取樣器中取出在電阻加熱器中進行加熱，非擴散的氫氣由氮載體氣體引導(dǎo)到熱電導(dǎo)分析法的測定儀中。采用熱電導(dǎo)分析法的測定儀測量熱電導(dǎo)率，以確定非擴散氫的量。
(2)晶粒尺寸的測量根據(jù)JIS G 0551規(guī)定的鋼中奧氏體晶粒尺寸測定方法，測量晶粒尺寸。
(3)夏氏(Charpy)沖擊試驗根據(jù)JIS Z 2202規(guī)定的金屬材料的夏氏沖擊試驗方法，進行夏氏沖擊試驗。這里所用的一試驗件是由JIS Z 2202規(guī)定的U形槽試驗件(JIS No.3試驗件)。
(4)斷裂應(yīng)力的測量圖13示出用于靜壓斷裂強度試驗的一試驗件(用于測量斷裂應(yīng)力)。一載荷沿圖13中的方向P作用，當(dāng)試驗件斷裂時，測量該載荷。然后，通過下列的彎曲梁的應(yīng)力計算公式，將測得的斷裂載荷轉(zhuǎn)換成應(yīng)力。應(yīng)該指出的是，所采用的試驗件并不限于圖13所示的那種樣式，并且可以是具有不同形狀的任何試驗件。
假定在如圖13所示的試驗件的凸出的表面上的纖維應(yīng)力是σ1，而凹入的表面上的纖維應(yīng)力是σ2，然后，根據(jù)下列公式(JSME機械工程師手冊，A-4材料力學(xué)，A4-40)計算σ1和σ2。這里，N表示包括環(huán)形試驗件的軸線的橫截面上的軸向力，A表示橫截面的面積，e1表示外半徑，e2表示內(nèi)半徑，而k是彎曲梁的截面模量σ1＝(N/A)+{M/(Aρo)}〔1+e1/{k(ρo+e1)}〕σ2＝(N/A)+{M/(Aρo)}〔1-e2/{k(ρo-e2)}〕k＝-(1/A)∫A{η/(ρo+η)}dA(5)滾動疲勞試驗滾動疲勞壽命試驗的條件示于表10中。圖14A和14B示意地示出一滾動疲勞壽命試驗機，圖14A是一截面圖，而圖14B是其側(cè)視圖。參照圖14A和14B，一經(jīng)受滾動疲勞壽命試驗的試驗件31受驅(qū)動輥21的驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，同時，與諸球23接觸。諸球是(3/4)”的球，其由導(dǎo)向球引導(dǎo)而滾動。諸球23對試驗件31作用一高的表面壓力，而試驗件31也對諸球23作用一高的表面壓力。
II.實例2試驗的結(jié)果(1)氫氣量沒有額外加工的傳統(tǒng)的碳氮共滲的樣品具有0.72ppm的相當(dāng)大的氫氣量。其中一個原因在于，在碳氮共滲過程中，包含在氣氛中的氨(NH3)分解，然后，氫進入到鋼內(nèi)。另一方面，樣品B-D的氫量減少到0.37-0.40ppm，因此，幾乎是傳統(tǒng)樣品的氫量的一半。該氫量基本上等于正常淬火樣品的氫量。
上述氫量的減少可減輕因氫在固溶中引起的鋼脆性化的程度。換句話說，通過減少氫的量，本發(fā)明的樣品B-D的夏氏沖擊值顯著地改善。
(2)晶粒尺寸關(guān)于晶粒尺寸，在碳氮共滲過程中(初次淬火)，在低于淬火溫度的溫度下進行二次淬火的樣品，即，樣品B-D具有顯著細微的奧氏體晶粒，即，晶粒尺寸數(shù)為11-12。樣品E和F以及傳統(tǒng)碳氮共滲樣品和正常淬火樣品具有晶粒尺寸數(shù)為10的奧氏體晶粒，這意味著樣品E和F的晶粒尺寸大于本發(fā)明的樣品B-D的晶粒尺寸。
(3)夏氏沖擊試驗表9示出傳統(tǒng)的碳氮共滲樣品的夏氏沖擊值是5.33J/cm2，而本發(fā)明的樣品B-D的夏氏沖擊值較高，在6.30至6.65J/cm2。由此也可見，低的二次淬火溫度導(dǎo)致較高的夏氏沖擊值。正常淬火樣品具有6.70J/cm2的高的夏氏沖擊值。
(4)斷裂應(yīng)力的測量斷裂應(yīng)力對應(yīng)于耐裂紋的強度。從表9中可見，傳統(tǒng)的碳氮共滲樣品的斷裂應(yīng)力是2330MPa。另一方面，樣品B-D的斷裂應(yīng)力被提高到2650-2840MPa。正常淬火樣品具有2770MPa的斷裂應(yīng)力，其在樣品B-F的斷裂應(yīng)力的范圍內(nèi)。應(yīng)該考慮到，氫量的減少大大地有助于提高樣品B-D的耐裂紋的強度，以及奧氏體晶粒尺寸的減小。
(5)滾動疲勞試驗根據(jù)表9，正常淬火樣品由于在表面層不存在碳氮共滲層而具有最短的滾動疲勞壽命(L10)。相反，傳統(tǒng)碳氮樣品的滾動疲勞壽命是正常淬火樣品的滾動疲勞壽命的3.1倍。與傳統(tǒng)碳氮共滲的樣品相比，樣品B-D的滾動疲勞壽命顯著地提高。本發(fā)明的樣品E和F具有的滾動疲勞壽命幾乎等于傳統(tǒng)碳氮共滲樣品的滾動疲勞壽命。
總而言之，本發(fā)明的樣品B-D具有低的氫量，具有晶粒尺寸數(shù)至少為11的較細微的奧氏體晶粒，以及提高的夏氏沖擊值，耐裂紋強度和滾動疲勞壽命。
實例3現(xiàn)描述本發(fā)明的實例3。在下列的樣品A、B和C中，進行一系列的試驗。普通用于樣品A-C的被熱處理的材料是JIS-SUJ2(碳重量百分比1.0-硅重量百分比0.25-錳重量百分比0.4-鉻重量百分比1.5)。樣品A-C各通過下列程序進行加工。
樣品A-對比實例僅正常淬火(無碳氮共滲)樣品B-對比實例直接在碳氮共滲(傳統(tǒng)碳氮共滲和淬火)之后進行淬火進行碳氮共滲在845℃下保持150分鐘。碳氮共滲過程的氣氛是RX氣體和氨氣體的混合物。
樣品C-本發(fā)明的實例按照圖6所示的熱處理型式進行一軸承材料的加工。進行碳氮共滲在845℃下保持150分鐘。碳氮共滲過程的氣氛是RX氣體和氨氣體的混合物。最終淬火溫度是800℃。
(1)滾動疲勞壽命用于滾動疲勞壽命試驗的試驗條件和試驗裝置如表10和圖14A和14B所示。滾動疲勞壽命試驗的結(jié)果示于表11中。
表10

表11

根據(jù)表11，對比實例的樣品B具有的滾動疲勞壽命(L10十個試驗件中一個損壞)是也是對比實例且僅經(jīng)受軸承淬火的樣品A的滾動疲勞壽命的3.1倍，因此可見，通過碳氮共滲過程獲得延長壽命的效果。相反，本發(fā)明的樣品C具有較長的壽命，其是樣品B的壽命的1.74倍，是樣品A的壽命的5.4倍。應(yīng)該考慮到，這種改進主要是從細微的微結(jié)構(gòu)中獲得。
(2)夏氏沖擊試驗采用上述的JIS Z 2242規(guī)定的U形槽試驗件進行一夏氏沖擊試驗。試驗結(jié)果示于表12中。
表12

經(jīng)受碳氮共滲的樣品B(對比實例)具有的夏氏沖擊值不大于經(jīng)受正常淬火的樣品A(對比實例)的夏氏沖擊值，而樣品C的夏氏沖擊值等于樣品A的夏氏沖擊值。
(3)靜態(tài)斷裂韌性試驗圖15示出用于靜態(tài)斷裂韌性試驗的一試驗件。在該試驗件的槽中，制作一近似為1mm的預(yù)裂紋，此后，通過三點彎曲，添加一靜態(tài)載荷，然后，確定斷裂載荷P。利用下列公式(I)，計算一斷裂韌性值(KIc值)。試驗結(jié)果示于表13中。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13


由于預(yù)裂紋的深度大于碳氮共滲層的深度，因此，樣品A和B(對比實例)獲得相同的結(jié)果，而樣品C(本發(fā)明的實例)的結(jié)果大約是對比實例的1.2倍。
(4)靜態(tài)壓力斷裂強度試驗(斷裂應(yīng)力測量)采用上述圖13所示的一靜態(tài)壓力斷裂強度試驗件。沿圖13中方向P施加一載荷，進行靜態(tài)壓力斷裂強度試驗。試驗結(jié)果示于表14中。
表14

經(jīng)碳氮共滲的樣品B具有的強度略小于經(jīng)受正常淬火的樣品A的強度，而本發(fā)明的樣品C與樣品B相比，具有提高的靜態(tài)壓力斷裂強度，并因此等于樣品A的靜態(tài)壓力強度。
(5)緩慢尺寸變化率表15示出在130℃(保持溫度)和500小時(保持時間)的條件下，測得的緩慢尺寸變化率，以及表面硬度和保持的奧氏體(0.1mm深度)的量。
表15

*較小的為最佳與具有大量的保持的奧氏體的樣品B的尺寸變化率相比，由于本發(fā)明只有一半或不到的較低的保持的奧氏體的量，所以，本發(fā)明的樣品C具有減小的尺寸變化率。
(6)在污染潤滑油條件下的壽命試驗球軸承6206用來評價在污染潤滑油條件下的滾動疲勞壽命，潤滑油具有預(yù)定量的普通污染劑混合在其中。試驗條件示于表16中，試驗結(jié)果示于表17中。
表16

表17

經(jīng)受傳統(tǒng)碳氮共滲的樣品B具有的壽命大約是樣品A的壽命的2.5倍，本發(fā)明的樣品C具有的壽命大約是樣品A的壽命的2.3倍。盡管本發(fā)明的樣品C具有比對比實例的樣品B小的保持的奧氏體的量，但因為進入的氮和細微的微結(jié)構(gòu)的影響，樣品C具有大致等于樣品B的壽命的一長的壽命。
因此，從上述的結(jié)果可以看到，本發(fā)明的樣品C，即，由本發(fā)明的熱處理方法形成的一軸承部件，可同時達到三個目標(biāo)延長由傳統(tǒng)碳氮共滲難于達到的滾動疲勞壽命，改善裂紋強度，以及緩慢尺寸變化率。
盡管本發(fā)明已經(jīng)作了詳細的描述和圖示，但應(yīng)清楚地理解到，上述的描述和圖示只是說明性的和示例的，不能認為有限制的意義，本發(fā)明的精神和范圍只能由附后的權(quán)利要求書中的諸權(quán)項來加以限定。
權(quán)利要求
1.一裝滿滾子的滾動軸承(50)，其由一外環(huán)(4)、一內(nèi)環(huán)(2)和諸滾子(3)組成，它們由鋼制成，其中，外環(huán)、內(nèi)環(huán)和諸滾子中至少一個在其表面層上具有碳氮共滲層，且表面層的奧氏體晶粒的尺寸數(shù)大于10。
2.如權(quán)利要求1所述的裝滿滾子的滾動軸承，其特征在于，所述外環(huán)、內(nèi)環(huán)和諸滾子中的至少一個在等于或大于A1轉(zhuǎn)變溫度的碳氮共滲溫度下進行碳氮共滲，冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變溫度的一溫度，然后，加熱到低于所述碳氮共滲溫度的一淬火溫度，由此，進行淬火。
3.如權(quán)利要求2所述的裝滿滾子的滾動軸承，其特征在于，所述淬火溫度在一溫度范圍內(nèi)，其中，碳化物和/或氮化物和一奧氏體態(tài)共存在鋼的碳氮共滲的表面層內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的裝滿滾子的滾動軸承，其特征在于，所述的淬火溫度是790℃-830℃。
5.如權(quán)利要求2所述的裝滿滾子的滾動軸承，其特征在于，所述外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾子中的至少一個是在碳氮共滲之前進行冷加工的。
6.如權(quán)利要求1所述的裝滿滾子的滾動軸承，其特征在于，在所述外環(huán)、內(nèi)環(huán)和滾子中的至少一個中，產(chǎn)生至少為500Mpa的殘余壓縮應(yīng)力。
7.一用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，包括一與發(fā)動機的凸輪軸(6)滾動接觸的外環(huán)(4)；一位于所述外環(huán)內(nèi)部、并固定在凸輪隨動件本體(50)上的滾子軸(2)；以及放置在所述外環(huán)和所述滾子軸之間的軸承元件(3)，其中，所述外環(huán)、滾子軸和軸承元件中的至少一個具有一碳氮共滲層，而在至少一個表面層內(nèi)的奧氏體晶粒制得細微，以具有大于10的晶粒尺寸數(shù)。
8.一用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，包括一與發(fā)動機的凸輪軸滾動接觸的外環(huán)；一位于所述外環(huán)內(nèi)部、并固定在凸輪隨動件本體上的滾子軸；以及放置在所述外環(huán)和所述滾子軸之間的軸承元件，其中，所述外環(huán)、滾子軸和軸承元件中的至少一個具有一碳氮共滲層，且具有至少為2650MPa的斷裂應(yīng)力。
9.一用于發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，包括一與發(fā)動機的凸輪軸滾動接觸的外環(huán)；一位于所述外環(huán)內(nèi)部、并固定在凸輪隨動件本體上的滾子軸；以及放置在所述外環(huán)和所述滾子軸之間的軸承元件，其中，所述外環(huán)、滾子軸和軸承元件中的至少一個具有一碳氮共滲層，且具有至多為0.5ppm的氫成分。
10.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，所述凸輪隨動件本體(50)安裝在一搖臂(1)的一端(1a)上，所述搖臂可樞轉(zhuǎn)地連接在位于所述一端和另一端(1b)之間的一轉(zhuǎn)動軸(5)上，所述發(fā)動機的一打開/關(guān)閉閥(9)的一端鄰接在所述的另一端上，在所述一端上的所述凸輪隨動件本體具有一分叉的滾子支承部分(14)，而所述滾子軸固定在所述分叉的滾子支承部分上。
11.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，所述凸輪隨動件本體(50)安裝在一搖臂(1)的一端(1b)和另一端(1a)之間，所述滾子軸(2)固定在搖臂的兩側(cè)壁之間延伸的一滾子孔中，所述發(fā)動機的一打開/關(guān)閉閥(9)的一端鄰接在所述搖臂的所述一端(1b)上，而一樞軸(15)鄰接在所述另一端(1a)上。
12.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，一搖臂(1)可樞轉(zhuǎn)地連接在位于所述搖臂的一端(1b)和另一端(1a)之間轉(zhuǎn)動軸(5)，所述發(fā)動機的一打開/關(guān)閉閥(9)的一端鄰接在所述的一端(1b)上，所述另一端(1a)鄰接在從所述凸輪(6)傳輸應(yīng)力的一互鎖桿(16)的一端上，所述凸輪隨動件本體(50)安裝在所述互鎖桿的另一端上，所述互鎖桿的所述一端和所述另一端分別位于所述搖臂和所述凸輪(6)上，且所述滾子軸連接在所述凸輪隨動件本體并鄰接在所述凸輪上。
13.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，所述軸承元件是裝滿滾針的軸承。
14.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，所述滾子軸的端部具有的硬度低于其中心部分的硬度。
15.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，所述滾子軸的端部是填密的。
16.如權(quán)利要求7-9中任何一項所述的發(fā)動機的滾子凸輪隨動件，其特征在于，所述凸輪隨動件是全部壓力加工形成的。
全文摘要
提供一可在高速、重載和潤滑油粘度降低的條件下使用的裝滿滾子的滾動軸承。該裝滿滾子的滾動軸承由一外環(huán)(4)、一內(nèi)環(huán)(2)和諸滾子(3)組成，它們由鋼制成，外環(huán)、內(nèi)環(huán)和諸滾子中至少一個在其表面層上具有碳氮共滲層，且表面層的奧氏體晶粒的尺寸數(shù)大于10。
文檔編號C23C8/06GK1497194SQ20031010158
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月17日
發(fā)明者鈴木忠壽, 市川健一, 前田喜久男, 藤井幸生, 一, 久男, 生 申請人:Ntn株式會社