專(zhuān)利名稱(chēng)：軸承部件、其熱處理方法、熱處理設(shè)備和滾動(dòng)軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承部件、其熱處理方法、熱處理設(shè)備，和用作需要滾動(dòng)接觸疲勞壽命長(zhǎng)、抗裂強(qiáng)度高和長(zhǎng)期尺寸變化小的部分的滾動(dòng)軸承；特別涉及軸承部件、其熱處理方法、熱處理設(shè)備，和用于減速器、傳動(dòng)小齒輪的滾動(dòng)軸承，用于傳動(dòng)等的軸承。
背景技術(shù)：
為提高軸承部件的壽命，可以進(jìn)行熱處理。具體舉例來(lái)說(shuō)，在淬火部件的過(guò)程中，要在室溫RX氣氛中對(duì)它們加熱，還要加入氨氣，以便碳氮化其表面層部分(參見(jiàn)日本公開(kāi)專(zhuān)利8-4774和11-101247)。此碳氮化過(guò)程能產(chǎn)生殘余奧氏體顯微結(jié)構(gòu)，提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。
由于上述碳氮化過(guò)程是個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，它需要將高溫維持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，這樣就很難獲得高的抗裂強(qiáng)度。不僅如此，由于保留了更多的奧氏體，長(zhǎng)期尺寸變化率增加，這也是碳氮化過(guò)程中的一個(gè)問(wèn)題。
在滾動(dòng)接觸疲勞條件下，可通過(guò)設(shè)計(jì)一種鋼合金來(lái)增加壽命，提高抗裂強(qiáng)度，避免長(zhǎng)期尺寸變化率的增加。但不利的是，設(shè)計(jì)該種合金會(huì)增加原料成本。
軸承部件將來(lái)要用于在高溫下承載大負(fù)荷的環(huán)境中，因此要求它們能比常規(guī)軸承在更高的溫度和更大的負(fù)載下加工。這就需要一種軸承部件，它在滾動(dòng)接觸疲勞條件下具有更長(zhǎng)的壽命、更高的強(qiáng)度和更大的尺寸穩(wěn)定性。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種軸承部件、其熱處理方法、熱處理設(shè)備和滾動(dòng)軸承，所述滾動(dòng)軸承在滾動(dòng)接觸疲勞條件下的壽命得到延長(zhǎng)、抗裂強(qiáng)度得到增加且長(zhǎng)期尺寸變化率減少。
本發(fā)明對(duì)軸承部件進(jìn)行熱處理的方法是，在比鋼的A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)高的溫度下對(duì)軸承部件進(jìn)行碳氮化，然后冷卻到A1低于轉(zhuǎn)變點(diǎn)，隨后用熱處理設(shè)備依次移動(dòng)各軸承部件，并再次加熱到不低于A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)但低于碳氮化溫度的淬火溫度范圍內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行淬火。
利用這種方法，當(dāng)軸承部件受到碳氮化，并在最后淬火以前冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度時(shí)，形成的是細(xì)奧氏體晶粒尺寸。具體說(shuō)來(lái)，當(dāng)對(duì)軸承部件進(jìn)行加熱以進(jìn)行第二次低溫淬火時(shí)，可在加熱的同時(shí)依次移動(dòng)各軸承部件，然后依次淬火每個(gè)充分受熱的軸承部件。因此，升溫速度和冷卻速度均可提高。這樣就能得到尺寸均勻的奧氏體細(xì)晶粒。此外，還能獲得比預(yù)定速度高的淬火冷卻速度，并保證獲得預(yù)定機(jī)械性能，如耐受性。因此，與批量熱處理相比，本發(fā)明方法能顯著提高性能；批量熱處理是對(duì)內(nèi)含大量軸承部件的每桶進(jìn)行加熱和淬火。
這里所述的奧氏體晶粒是指從淬火前奧氏體晶粒邊界遺跡中獲得的奧氏體晶粒，該邊界遺跡在淬火后表現(xiàn)為奧氏體晶粒邊界。
一般說(shuō)來(lái)，如果以獲得非常細(xì)的奧氏體晶粒為目的，則結(jié)果往往是得到細(xì)晶粒和粗晶粒的混合物。此現(xiàn)象可從熱力學(xué)角度解釋?zhuān)驗(yàn)閵W氏體晶粒邊界的界面能增加了。如果得到混合的粗細(xì)奧氏體晶粒，則其機(jī)械性質(zhì)由粗晶粒決定。因此，即便在大多數(shù)區(qū)域能獲得細(xì)晶粒，但也不能指望機(jī)械性質(zhì)有多大改善。
如果用上面討論的方法避免混合晶粒，得到細(xì)奧氏體晶粒，則可提高沙爾皮抗沖擊值、斷裂韌度、抗裂強(qiáng)度、滾動(dòng)接觸疲勞壽命等。這里，由基本上均勻晶粒而不是混合晶粒形成的結(jié)構(gòu)是指均勻晶粒或均勻晶粒結(jié)構(gòu)。均勻晶粒和混合晶粒的區(qū)別將隨后討論。
除了獲得均勻細(xì)晶粒外，通過(guò)冷卻到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，可使碳氮化過(guò)程中的奧氏體晶粒邊界與最后淬火過(guò)程的奧氏體晶粒邊界無(wú)關(guān)。碳氮化過(guò)程中的奧氏體晶粒邊界包含碳化物和/或氮化物沿晶粒邊界沉淀的區(qū)域。因此，如果它們?cè)诖慊疬^(guò)程中能保留在奧氏體晶粒邊界內(nèi)，碳化物和/或氮化物將沿奧氏體晶粒邊界保留在這些區(qū)域中。奧氏體晶粒邊界上的這種碳化物和/或氮化物會(huì)產(chǎn)生刀片狀邊緣，這將增加應(yīng)力集中度，并容易在滾動(dòng)接觸疲勞條件下成為破裂起始點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的熱處理方法，在碳氮化過(guò)程中，碳化物和/或氮化物在奧氏體晶粒邊界內(nèi)沉淀。但是，已經(jīng)轉(zhuǎn)變并再加熱后奧氏體化的奧氏體晶粒的邊界一般與碳氮化過(guò)程中的邊界無(wú)關(guān)。因此，在碳氮化過(guò)程中產(chǎn)生的碳化物和/或氮化物所具有的厚度和圓形邊緣會(huì)減少(碳化物/基體)界面。相應(yīng)地，這種碳化物和/或氮化物也可能會(huì)改善耐磨性、高溫抗形變性等，同時(shí)它們也不大可能成為破裂起始點(diǎn)。
這里用于軸承部件的鋼是指一般用作軸承部件的鋼，通常它是經(jīng)過(guò)熱處理，如經(jīng)過(guò)淬火的鋼。
在本發(fā)明對(duì)軸承部件進(jìn)行熱處理的方法中，再加熱的淬火溫度范圍可以為790-830℃。
通過(guò)這種方法，可將軸承部件再加熱到這樣的溫度，在此溫度下奧氏體晶粒幾乎不會(huì)在淬火前生長(zhǎng)，這樣就能獲得細(xì)奧氏體晶粒。
本發(fā)明的軸承部件可用上述對(duì)軸承部件進(jìn)行熱處理的任何方法進(jìn)行處理，這樣奧氏體晶粒的粒度數(shù)可以超過(guò)10。
通過(guò)形成粒度數(shù)超過(guò)10(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的均勻細(xì)晶粒，不僅可以提高滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度，而且可以提高沙爾皮抗沖擊值、斷裂韌度、抗壓強(qiáng)度等。當(dāng)對(duì)軸承部件進(jìn)行碳氮化并冷卻到奧氏體轉(zhuǎn)變的進(jìn)展或完成溫度時(shí)，這種效應(yīng)不僅起因于奧氏體的細(xì)粒度，而且起因于碳化物和/或氮化物的邊緣形狀變成了刀片狀以外的形狀，這種形狀是淬火時(shí)在奧氏體晶粒邊界留下碳化物和/或氮化物而形成的。
本發(fā)明的軸承部件可以是由鋼形成的，它可包含一個(gè)碳氮化層。在淬火結(jié)構(gòu)或淬火-回火結(jié)構(gòu)的顯微結(jié)構(gòu)中，奧氏體晶體晶粒的粒度數(shù)可超過(guò)10。
利用這種結(jié)構(gòu)不僅可以獲得長(zhǎng)的滾動(dòng)接觸疲勞壽命，而且能保證提高沙爾皮抗沖擊值、斷裂韌度、抗壓強(qiáng)度等。
用于本發(fā)明軸承部件的鋼在碳氮化表面層以外的區(qū)域可包含0.6-1.2重量％的碳、0.15-1.1重量％的硅和0.3-1.5重量％的錳。
在上述結(jié)構(gòu)中，當(dāng)碳超過(guò)1.2重量％時(shí)，由于硬度太高，即使碳化物發(fā)生了球化，低溫加工性能受到損害，這樣，在進(jìn)行低溫加工時(shí)，就不能獲得充分的低溫加工量和準(zhǔn)確性。此外，鋼在碳氮化時(shí)容易形成過(guò)度滲碳的結(jié)構(gòu)，這會(huì)降低抗裂強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)鋼的含碳量低于0.6重量％時(shí)，要保證必要的表面硬度和殘余奧氏體量，則需要較長(zhǎng)的時(shí)間，或者在再加熱后進(jìn)行淬火時(shí)，很難得到所需的內(nèi)部硬度。
Si的含量定在0.15-1.1重量％，是因?yàn)镾i能提高對(duì)回火軟化的抵抗力，以保證足夠的耐熱性，同時(shí)還能在受污染的潤(rùn)滑環(huán)境中提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。當(dāng)硅含量低于0.15重量％時(shí)，在受污染的潤(rùn)滑環(huán)境中的滾動(dòng)接觸疲勞壽命得不到提高。另一方面，當(dāng)硅含量超過(guò)1.1重量％時(shí)，正火處理后的硬度將過(guò)高，從而破壞低溫加工性能。
Mn能有效保證碳氮化層和核心部分的淬火可硬化性。當(dāng)Mn含量低于0.3重量％時(shí)，就不能獲得足夠的淬火可硬化性，核心部分也不能獲得充分的強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)Mn含量超過(guò)1.5重量％時(shí)，可硬化性將太高，正火處理后的硬度將變高，因而損害了低溫加工性能。
用于本發(fā)明軸承部件的鋼還可包含鉻，最多2.0重量％。
表面層部分進(jìn)一步包含如上所述最多2.0重量％鉻時(shí)，鉻的碳化物和/或氮化物可發(fā)生沉淀，有利于提高表面層部分的硬度。Cr含量定為不超過(guò)2.0重量％，是因?yàn)镃r含量超過(guò)2.0重量％會(huì)顯著降低低溫加工性能，而又不能使表面層的硬度提高多少。
上述奧氏體晶體晶?？尚纬删鶆蚓Я?。
形成了均勻晶粒，可以保證細(xì)晶粒的效果。
本發(fā)明的軸承部件可以是滾動(dòng)軸承中滾道和滾件中的至少一個(gè)。
通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，可使?jié)L道和/或滾件獲得良好的滾動(dòng)接觸疲勞壽命和更高的抗裂強(qiáng)度。
本發(fā)明的滾動(dòng)軸承可包括上述任何軸承部件。
通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，制得的滾動(dòng)軸承獲得了良好的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性性和更高的抗裂強(qiáng)度。
本發(fā)明的熱處理設(shè)備是用于上述熱處理方法的設(shè)備，包含不停地將軸承部件依次從前面送到后面的載運(yùn)部分；位于前面和后面之間的主體部分，它包括將載運(yùn)的軸承部件再次加熱到低于碳氮化溫度的淬火溫度的加熱裝置；冷卻介質(zhì)容器，內(nèi)含對(duì)從載運(yùn)部分輸出的軸承部件進(jìn)行淬火的冷卻介質(zhì)。
在上述熱處理設(shè)備中，由于軸承部件各自位于載運(yùn)部分上，它可以以較大的表面積與爐氣接觸，爐氣通過(guò)輻射管、加熱器、噴氣燈等加熱裝置加熱。與批量熱處理相比，這樣可提高加熱速度，也不容易產(chǎn)生混合晶粒；而批量熱處理是對(duì)每個(gè)內(nèi)含大量軸承部件的桶進(jìn)行加熱的。在淬火過(guò)程中，軸承部件一個(gè)個(gè)通過(guò)滑道等引導(dǎo)裝置浸在位于后面的冷卻介質(zhì)中淬火。因此，與批量熱處理相比，淬火又可以更高的冷卻速度進(jìn)行，而在批量熱處理時(shí)，淬火是對(duì)每個(gè)內(nèi)含大量軸承部件的桶進(jìn)行的。此外，由于淬火過(guò)程緊接著加熱過(guò)程進(jìn)行且無(wú)需人工勞動(dòng)，這樣就可避免諸如從加熱到淬火時(shí)間間隔長(zhǎng)而導(dǎo)致淬火不充分等缺點(diǎn)。
結(jié)果是，大量產(chǎn)品的機(jī)械性質(zhì)如硬度等可均勻提高，不會(huì)有太大波動(dòng)，因此可提高耐受性等。這樣可提高產(chǎn)品的可靠性。
通過(guò)以下附圖和對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，可以更好地理解本發(fā)明的前述及其他目標(biāo)、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1所示為本發(fā)明實(shí)施方式熱處理方法流程圖。
圖2所示為本發(fā)明實(shí)施方式另一個(gè)熱處理方法流程圖。
圖3所示為本發(fā)明實(shí)施方式的平均冷卻速率。
圖4所示為本發(fā)明實(shí)施方式中一個(gè)熱處理方法所用熱處理設(shè)備實(shí)例。
圖5A和5B所示均為軸承部件的顯微結(jié)構(gòu)，更具體地說(shuō)是奧氏體晶粒，其中圖5A是本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)軸承部件，圖5B是傳統(tǒng)軸承部件。
圖6A是圖5A所示奧氏體晶粒的前奧氏體晶粒邊界，圖6B是圖5B所示奧氏體晶粒的前奧氏體晶粒邊界。
圖7A-7D所示均為軸承部件的顯微結(jié)構(gòu)，更具體地說(shuō)是奧氏體晶粒，其中7A的升溫速度為1℃/min，圖7B的升溫速度為2.5℃/min，圖7C的升溫速度為7.5℃/min，圖7D的升溫速度為25℃/min。
圖8A-8D是奧氏體晶粒邊界圖，其中圖8A對(duì)應(yīng)于圖7A，圖8B對(duì)應(yīng)于圖7B，圖8C對(duì)應(yīng)于圖7C，圖8D對(duì)應(yīng)于圖7D。
圖9A和9B是滾動(dòng)接觸疲勞壽命測(cè)試機(jī)的示意圖，其中圖9A是前視圖，圖9B是側(cè)視圖。
圖10是用于靜態(tài)斷裂韌度實(shí)驗(yàn)的樣品。
圖11是用于靜態(tài)抗壓斷裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的樣品。
發(fā)明詳述下面將結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1和2所示為本發(fā)明實(shí)施方式的熱處理方法。圖1所示為進(jìn)行初級(jí)淬火和次級(jí)淬火的熱處理方式，圖2所示為在淬火過(guò)程中將材料冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度，然后再次加熱最終完成淬火的熱處理方式。在這些圖中，在溫度T1，碳、氮等在軸承部件的鋼基體中擴(kuò)散，鋼中含有足夠的碳。隨后，在圖中所示溫度T2處，軸承部件再次受熱到低于溫度T1的一個(gè)溫度，由該溫度鋼受到油淬火。
在圖1和2中，應(yīng)當(dāng)注意以下兩點(diǎn)(1)在加熱到溫度T2的過(guò)程中，升溫速度設(shè)定為在離軸承部件表面深2mm處至少3℃/min，；(2)由溫度T2淬火時(shí)，在離軸承表面2mm深度從加熱溫度降低400℃的平均冷卻速度設(shè)定為至少20℃/sec，或者冷卻介質(zhì)在淬火過(guò)程中的淬火度(冷卻力)設(shè)定為至少0.1cm-1。通過(guò)(1)可獲得沒(méi)有混合晶粒的細(xì)奧氏體晶粒，通過(guò)(2)可獲得足以保證耐受力的硬度。此外，獲得適量殘余奧氏體也很重要。
圖3所示為上述平均冷卻速度。圖3中加熱溫度T2是800℃。升溫速度是從A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)到溫度T2的平均升溫速度。此外，假定從加熱溫度T2降低至比加熱溫度低400℃的平均冷卻速度至少為20℃/sec，則圖3中的點(diǎn)A橫坐標(biāo)只能最多為20秒。
與先碳氮化然后立即淬火的常規(guī)淬火過(guò)程相比，上述熱處理方法在碳氮化表面層部分的同時(shí)，能提高抗裂強(qiáng)度，降低長(zhǎng)期尺寸變化率。根據(jù)本發(fā)明的上述熱處理方法，獲得的顯微結(jié)構(gòu)中，奧氏體晶粒的粒度比常規(guī)晶粒小一半或更多。經(jīng)過(guò)上述熱處理的軸承部件具有長(zhǎng)的滾動(dòng)接觸疲勞壽命，同時(shí)抗裂強(qiáng)度增加，長(zhǎng)期尺寸變化率降低。
圖4所示為將完成了碳氮化的軸承部件加熱到T2的熱處理設(shè)備30。該處理設(shè)備有一個(gè)油容器31，內(nèi)裝用來(lái)在后面進(jìn)行油淬火的油33，還有一個(gè)淬火導(dǎo)板27，用來(lái)將軸承部件21浸入油容器。軸承部件21放在連續(xù)不斷地從前面旋轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的載運(yùn)件25上，然后經(jīng)過(guò)預(yù)熱部分28等進(jìn)入主體部分26。在主體部分26，用輻射管23等加熱裝置加熱軸承部件21。加熱裝置可以是加熱器、噴氣燈等。爐氣宜為非氧化氣體，但也不是必須如此。
爐體的體積等可適當(dāng)設(shè)定，以確保上述升溫速度。由于各軸承部件是在加熱過(guò)程中移動(dòng)的，升溫速度可以比批量加熱方法中的高；在批量熱處理中，淬火是對(duì)每個(gè)內(nèi)含大量軸承部件的桶進(jìn)行的。軸承部件均勻受熱后可到達(dá)爐體后面。均勻受熱到T2的各軸承部件依次通過(guò)淬火導(dǎo)板27掉入油容器31中。軸承部件21放在油容器中的籃子27中，然后可將其一起撈出來(lái)。不一定要用油進(jìn)行淬火，各種冷卻介質(zhì)都可以用，如含表面活性劑的水，或僅僅用水，只要它滿足至少約0.1cm-1的淬火度。由于軸承部件一個(gè)接一個(gè)淬火，用上述熱處理設(shè)備也可獲得比批量淬火方法更高的冷卻速度；在批量淬火中，是大量軸承部件裝在桶內(nèi)進(jìn)行淬火的。
用批量淬火方法也可獲得上述升溫速度。但是，當(dāng)對(duì)桶中大量軸承部件進(jìn)行淬火時(shí)，有些產(chǎn)品會(huì)由于位置關(guān)系而冷卻速度不夠。上述進(jìn)行連續(xù)加工的熱處理設(shè)備能處理大量產(chǎn)品，并且質(zhì)量穩(wěn)定。根據(jù)連續(xù)浸泡和急冷各軸承部件的條件，上述油容器或冷卻介質(zhì)容器宜包含冷卻設(shè)備等，以便將冷卻介質(zhì)的溫度保持在預(yù)定范圍，這樣溫度就不會(huì)超過(guò)預(yù)定上限。此外，如果沒(méi)有冷卻設(shè)備，則油容器必須有一定的體積，這樣，當(dāng)軸承部件結(jié)束上述連續(xù)再加熱和淬火時(shí)，冷卻介質(zhì)就不會(huì)超過(guò)預(yù)定上限溫度。
實(shí)施例圖5A所示為用圖1所示熱處理方法處理過(guò)的軸承鋼的奧氏體晶體晶粒尺寸。為了比較，圖5B示出了用常規(guī)熱處理方法處理的軸承鋼的奧氏體晶粒尺寸。兩種方法中都采用JIS-SUJ2(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％MN-1.5重量％Cr)鋼材。圖6A和6B為圖5A和5B所示奧氏體晶粒尺寸的示意圖。在具有奧氏體晶粒尺寸的結(jié)構(gòu)中，常規(guī)奧氏體的晶粒尺寸是10(JIS定義的粒度數(shù))，而用本發(fā)明方法處理的奧氏體的晶粒尺寸是12，因此能看到細(xì)晶粒。此外，圖5A中的平均晶粒尺寸經(jīng)截線法測(cè)定為5.6μm。
接著介紹加熱到溫度T2的升溫速度對(duì)產(chǎn)生奧氏體晶體混合晶粒的影響。按圖1所示熱處理方式將JIS-SUJ2樣品加熱到800℃，然后以不同升溫速度加熱到溫度T2。此后進(jìn)行油淬火，并檢測(cè)奧氏體晶粒。結(jié)果示于圖7A-7D。圖8A-8D是圖7A-7D所示晶粒的示意圖。
圖8A和8B分別為以1℃/min和2.5℃/min的升溫速度加熱的奧氏體晶粒?？梢钥吹剑诩?xì)奧氏體晶粒中長(zhǎng)有粗奧氏體晶粒。粗奧氏體晶粒是細(xì)奧氏體晶粒合并而成的。成為粗晶粒后，其晶粒邊界具有小曲率連續(xù)彎曲部分，就像細(xì)晶粒邊界仍然保持著一樣。
圖8C和8D中，混合晶粒中大晶粒尺寸和小晶粒尺寸的差異不那么明顯了，在結(jié)構(gòu)上可視為均勻晶粒。術(shù)語(yǔ)“混合晶粒結(jié)構(gòu)”由JIS G0551定義。如上所述，如果將上述升溫速度設(shè)定為至少3℃/min，則可獲得非常細(xì)的奧氏體晶粒。當(dāng)升溫速度低于3℃/min時(shí)，將長(zhǎng)出非常大的粗晶粒，結(jié)果弱化了機(jī)械性質(zhì)，如耐受性等。這種升溫速度的限制對(duì)于避免形成混合晶粒結(jié)構(gòu)非常重要。
接著，用相同的鋼材料研究油的淬火度(冷卻力)與淬火硬度之間的關(guān)系。鋼材樣品為JIS-SUJ2，均為環(huán)形，外徑均為60mm，長(zhǎng)度均為10mm，而它們的內(nèi)徑即厚度不同。它們的厚度在2-8mm范圍內(nèi)變化。采用圖1所示熱處理方法，從溫度T2淬火，通過(guò)采用不同的冷卻油改變淬火度。低淬火度用熱油，高淬火度用冷油，中等淬火度用半熱油。淬火度在0.1-0.14cm-1之間變化。鋼淬火后，在180℃回火，然后測(cè)定其硬度。硬度是每個(gè)環(huán)樣品周長(zhǎng)中心部分由表面深0.2mm位置的平均維氏硬度(HV)。測(cè)定硬度的樣品數(shù)為3。所得結(jié)果示于表1。
表1
表1顯示，如果淬火度至少為0.1cm-1，則厚度為4mm的硬度為HV750，即便厚度為8mm，也能獲得HV600的硬度。相應(yīng)地，如果淬火度保持為至少0.1cm-1，為確保機(jī)械性質(zhì)，可以進(jìn)行充分淬火。
對(duì)以下樣品A、B和C進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)。要進(jìn)行熱處理的樣品A-C采用相同的材料JIS-SUJ2(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％MN-1.5重量％Cr)。
樣品A-比較例只進(jìn)行常規(guī)淬火(不進(jìn)行碳氮化)樣品B-比較例碳氮化后直接進(jìn)行淬火(常規(guī)碳氮化和淬火)樣品C-本發(fā)明樣品用圖1所示熱處理方法加工的軸承鋼。
(1)滾動(dòng)接觸疲勞壽命測(cè)試用于滾動(dòng)接觸疲勞壽命測(cè)試的條件和設(shè)備示于表2和圖9A和9B。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將直徑為12mm和長(zhǎng)度為22mm的圓柱形試件1夾在與導(dǎo)輪12接觸的鋼球13和動(dòng)輪11之間，在此狀態(tài)下使動(dòng)輪11轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)定所得壽命(L10壽命)。滾動(dòng)接觸疲勞壽命測(cè)試結(jié)果示于表3。
表2
表3
根據(jù)表3，作為比較例的碳氮化樣品B的L10壽命(10個(gè)試件中一個(gè)受損的壽命)是只進(jìn)行常規(guī)淬火的比較例樣品A的1.6倍，因此可以看到碳氮化過(guò)程延長(zhǎng)壽命的效應(yīng)。與之對(duì)照的是，本發(fā)明的樣品C具有更長(zhǎng)的壽命，它是樣品B的2.7倍，是樣品A的5.0倍。據(jù)認(rèn)為這種改進(jìn)主要是由于有了細(xì)顯微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。
(2)沙爾皮抗沖擊測(cè)試沙爾皮抗沖擊實(shí)驗(yàn)利用JIS Z 2242定義的U形切口試件進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。
表4
雖然碳氮化樣品B(比較例)的沙爾皮抗沖擊值不比只進(jìn)行常規(guī)淬火處理的樣品A(比較例)高，但樣品C的沙爾皮抗沖擊值卻是樣品A的1.5倍左右。
(3)靜態(tài)斷裂韌度測(cè)試用圖10所示試件進(jìn)行靜態(tài)斷裂韌度實(shí)驗(yàn)。事先在此實(shí)驗(yàn)件上形成一個(gè)約1mm的裂紋，然后通過(guò)三點(diǎn)彎曲增加靜態(tài)負(fù)載，再測(cè)定斷裂負(fù)載P。用以下方程式(I)計(jì)算斷裂韌度值(KIc值)，其中B是樣品厚度。結(jié)果示于表5。
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
由于預(yù)裂紋深度大于碳氮化層的深度，比較例A和B所得結(jié)果相同，而本發(fā)明樣品C測(cè)得的值約為比較例的1.2倍。
(4)靜壓斷裂強(qiáng)度測(cè)試采用圖11所示靜壓斷裂強(qiáng)度測(cè)試工件。沿圖中方向P施加負(fù)載，進(jìn)行靜壓斷裂強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果示于表6。
表6
碳氮化樣品B的靜壓斷裂強(qiáng)度值比進(jìn)行常規(guī)淬火處理的樣品A稍小。與此相對(duì)照的是，本發(fā)明樣品C的靜壓斷裂強(qiáng)度值明顯高于樣品B，而與樣品A基本相同。
(5)長(zhǎng)期尺寸變化率測(cè)試表7所示為在130℃測(cè)定500小時(shí)得到的長(zhǎng)期尺寸變化率和表面硬度及殘余奧氏體(0.1mm深處)。
表7
*越小越好與具有大量殘余奧氏體的樣品B的尺寸變化率相比，本發(fā)明樣品C的殘余奧氏體減少一半以上，因此其尺寸變化率得到極大抑制。
(6)受污染潤(rùn)滑劑條件下的壽命測(cè)試用滾珠軸承6206測(cè)定受污染潤(rùn)滑劑條件下的滾動(dòng)接觸疲勞壽命，潤(rùn)滑劑中混有預(yù)定量的通常污染物。測(cè)試條件示于表8，測(cè)試結(jié)果示于表9。
表8
表9
經(jīng)過(guò)常規(guī)碳氮化處理的樣品B的壽命約為樣品A的2.5倍，本發(fā)明的樣品C的壽命約為樣品A的2.3倍。雖然本發(fā)明的樣品C中殘余奧氏體的量少于比較例樣品B，但樣品C的壽命幾乎與樣品B一樣長(zhǎng)，這是由于進(jìn)入的氮和精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)的影響。
從上述結(jié)果可以看出，本發(fā)明的樣品C，即用本發(fā)明的熱處理方法形成的軸承部件，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)用常規(guī)碳氮化過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)延長(zhǎng)滾動(dòng)接觸疲勞壽命，提高抗裂強(qiáng)度，降低長(zhǎng)期尺寸變化率。
雖然已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)闡述，但應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明只是利用例子加以說(shuō)明，而不受例子的限制。本發(fā)明的本旨和范圍只受附屬權(quán)利要求各條款的限制。
權(quán)利要求
1.對(duì)軸承部件進(jìn)行熱處理的方法，其特征在于在比用于所述軸承部件的鋼的A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)高的碳氮化溫度(T1)下對(duì)所述軸承部件進(jìn)行碳氮化，然后冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度，隨后用熱處理設(shè)備依次移動(dòng)各軸承部件，并再次加熱到不低于所述A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)但低于碳氮化溫度的淬水溫度(T2)范圍，對(duì)其進(jìn)行淬火。
2.權(quán)利要求1所述對(duì)軸承部件進(jìn)行熱處理的方法，其特征在于所述淬火溫度范圍是790-830℃。
3.用于權(quán)利要求1所述加熱處理方法的熱處理設(shè)備，其特征在于它包含不停地將所述軸承部件依次從前面送到后面的載運(yùn)部分(25)；位于所述前面和所述后面之間的主體部分(30)，它包括將所述載運(yùn)的軸承部件再次加熱到低于碳氮化溫度的淬火溫度的加熱裝置(23)；冷卻介質(zhì)容器(31)，內(nèi)中裝有對(duì)從所述載運(yùn)部分輸出的所述軸承部件進(jìn)行淬火的冷卻介質(zhì)。
4.進(jìn)行了熱處理的軸承部件，所述熱處理包括，在比用于所述軸承部件的鋼的A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)高的碳氮化溫度對(duì)所述軸承部件進(jìn)行碳氮化，然后冷卻到低于A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)的一個(gè)溫度，隨后用熱處理設(shè)備依次移動(dòng)各軸承部件，并再次加熱到不低于A1轉(zhuǎn)變點(diǎn)但低于所述碳氮化溫度的淬火溫度范圍，對(duì)其進(jìn)行淬火；所得奧氏體晶粒的粒度數(shù)超過(guò)10。
5.權(quán)利要求4所述對(duì)軸承部件進(jìn)行加熱處理的方法，其特征在于所述淬火溫度范圍是790-830℃。
6.權(quán)利要求4所述軸承部件，其特征在于用于所述軸承部件的所述鋼在碳氮化表面層以外區(qū)域包含0.6-1.2重量％的碳、0.15-1.1重量％的硅和0.3-1.5重量％的錳。
7.權(quán)利要求6所述軸承部件，其特征在于用于所述軸承部件的所述鋼還最多含2.0重量％的鉻。
8.權(quán)利要求4所述軸承部件，其特征在于所述奧氏體晶粒是均勻晶粒。
9.權(quán)利要求4所述軸承部件，其特征在于所述軸承部件至少是滾動(dòng)軸承中的滾道和滾件之一。
10.滾動(dòng)軸承，它包含權(quán)利要求4所述的軸承部件。
11.由用于軸承部件的鋼形成的軸承部件，它包含碳氮化層，其特征在于，在其淬火或淬火-回火的顯微結(jié)構(gòu)中，奧氏體晶粒的粒度數(shù)超過(guò)10。
12.權(quán)利要求11所述軸承部件，其特征在于用于所述軸承部件的所述鋼在碳氮化表面層以外區(qū)域包含0.6-1.2重量％的碳、0.15-1.1重量％的硅和0.3-1.5重量％的錳。
13.權(quán)利要求12所述軸承部件，其特征在于用于所述軸承部件的所述鋼還最多含2.0重量％的鉻。
14.權(quán)利要求11所述軸承部件，其特征在于所述奧氏體晶粒是均勻晶粒。
15.權(quán)利要求11所述軸承部件，其特征在于所述軸承部件至少是滾動(dòng)軸承中的滾道和滾件之一。
16.滾動(dòng)軸承，它包含權(quán)利要求11所述的軸承部件。
全文摘要
得到了一種軸承部件及其熱處理方法，以及具有滾動(dòng)接觸疲勞壽命長(zhǎng)、抗裂強(qiáng)度高和長(zhǎng)期尺寸變化得到抑制的滾動(dòng)軸承。該軸承部件在比鋼的A
文檔編號(hào)C22C38/00GK1605636SQ20041007697
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者大木力 申請(qǐng)人:Ntn株式會(huì)社