專利名稱：對金屬環(huán)進行熱處理的方法和如此獲得的軸承環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對鋼環(huán)、尤其是軸承進行熱處理的方法，其中一個預加熱環(huán)的外表面和內表面暴露在冷卻介質的不同射流中，以使靠近這些表面的環(huán)的各個區(qū)經受不同冷卻過程。
從昭61-235509號日本專利申請公報中可以了解到這類的方法。借助于該方法，可以制造一個內外表面具有不同硬度的軸承環(huán)。為此，通過使一個鋼質環(huán)的一個表面經受冷卻介質的噴射，而使該鋼質環(huán)被局部地淬火。同時，另一表面經受壓縮空氣流作用。這樣，所述外表面獲得一個對應于淬火過程的硬度，而內表面獲得一個對應于回火過程的硬度。
盡管現(xiàn)有技術的方法在軸承環(huán)的機械性能方面提供了一些改進，但它有用的應用受到局限。尤其是，所述過程打算用于對在一個叉形起重機裝置的起重桿滾輪中使用的軸承提供改進，其中，外環(huán)的外表面與一個起重桿導軌滾動接觸。
本發(fā)明的目的是提供一種生產環(huán)、尤其是具有更廣泛應用的任何類型的軸承的通用熱處理方法。在制造這種軸承環(huán)的通常過程中，在第一步中，從一個管上切割一個環(huán)或由一種合適的鋼質材料鍛造一個環(huán)。根據(jù)另一種可能性，這種環(huán)也可通過冷扎或熱成型工藝形成。接著，對所述環(huán)進行車削操作，隨后對它們進行熱處理。
熱處理使得環(huán)加熱到大約為奧氏體化溫度的一個溫度，然后進行淬火操作以便獲得馬氏體結構，并最后進行回火。
在這個過程中，所述環(huán)發(fā)生扭曲變形，結果環(huán)的形狀和尺寸變化，并且例如它的不圓度增大。為了使環(huán)適合用于一個軸承中，它的尺寸應保持在窄的公差內，這導致需要昂貴的磨削操作。
根據(jù)經驗可以一種合理的方式預測鋼質材料的尺寸變化。這些變化特別是由淬火時在馬氏體相變過程中發(fā)生的體積變化所引起的。與此相對比，環(huán)的形狀變化較難預測。這些變化是由于環(huán)中諸如它們的化學成份、顯微結構、可能的脫碳和變形的“不均勻性”所引起的。
但是，形狀方面的主要變化是由于殘余應力的不同所引起的。最終，在熱處理之前和熱處理過程中以及淬火之后，環(huán)的形狀受到塑性變形影響。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法，通過該方法，環(huán)的形狀變化可以以一種更加可靠的方式加以控制。該目的是通過以這樣一種方式控制冷卻介質流的供應來實現(xiàn)的，使得通過控制從奧氏體到馬氏體或貝氏體結構的相變擴展而在所述環(huán)中獲得所需的內部應力型式。
被精確控制的諸如冷卻介質噴霧或薄霧的冷卻介質流現(xiàn)在被用于在環(huán)中建立導致較小扭曲變形的應力型式。尤其是，為了制造在其一個表面上具有一個軸承座圈的軸承用的環(huán)，給到所述表面的噴霧或薄霧的供應以這樣一種方式控制，使得在軸承座圈處的表面區(qū)域中獲得壓縮應力。
被環(huán)的另一表面附近的拉伸應力所平衡的軸承座圈附近的壓縮應力對在與滾珠滾動接觸下的環(huán)的性能也有積極影響，因為由于滾動接觸疲勞所導致的裂紋形成因此而受到抑制。
通過沿軸向方向夾緊環(huán)可以進一步改進本發(fā)明的方法，夾緊力以這樣一種方式被控制，使得由于冷卻過程導致的不圓度降低到最小。
為了精確控制制造過程，至少一個表面的表面溫度被測定。
諸如噴霧或薄霧的冷卻介質是由在例如0-50℃范圍內的合適溫度和一過壓下的水和空氣形成的噴霧或薄霧。環(huán)的兩個表面同時用諸如水和/或空氣的一種冷卻介質混合物進行處理。
在這個過程中，環(huán)繞著環(huán)的軸線以每分鐘0-200轉范圍內的角速度轉動。
如上所述，噴霧或薄霧的供應以這樣一種方式被控制，以便獲得鋼質材料的馬氏體結構；同時，沿軸向方向施加的夾緊力與環(huán)的溫度降低相關地被控制，直到大體在馬氏體相變溫度以下。這樣，冷卻介質流根據(jù)相變圖中的一條預定的冷卻曲線而加以控制。
本發(fā)明還涉及一種通過上述方法制造的鋼質軸承環(huán)，其中，環(huán)的用作軸承座圈的表面附近的區(qū)域有壓縮應力，而相對區(qū)域根據(jù)一個所需的應力型式有拉伸應力。
本發(fā)明還涉及一種對鋼環(huán)進行熱處理的裝置，該裝置包括一個支撐裝置，用于支撐一個將被處理的環(huán)；第一和第二供應裝置，用于將一種液體、氣體或它們的混合物的噴霧或薄霧分別供應到環(huán)的外表面和內表面；以及控制裝置，用于控制噴霧或薄霧的供應以便在周圍溫度下在環(huán)中獲得一個所需內部應力型式。
所述裝置還包括具有一個用于軸向夾緊環(huán)的夾緊裝置的支撐裝置。
夾緊裝置包括一個上模和一個下模，它們借助于氣缸/活塞裝置可相互靠近地移動以便夾緊一個環(huán)，下模相對于它們的軸線可轉動地由軸承加以支撐。
由氣缸/活塞裝置所施加的夾緊力以及模的轉動速度由控制組件加以控制。
以下將給出本發(fā)明的簡短概述。
冷卻過程由具有兩個不同運行閉合環(huán)路的計算機加以控制。一個環(huán)路用于控制外側表面上的溫度，而另一個環(huán)路用于控制環(huán)的內側表面溫度。
在實際冷卻過程開始之前，將用于環(huán)的內側和外側直徑的所需溫度-時間曲線輸入計算機作為幾個典型的溫度-時間設定值。在這些設定值之間的曲線由計算機計算以獲得完全描述用于環(huán)的內側和外側直徑的冷卻曲線的兩條曲線。在冷卻過程中，通過兩個非接觸溫度測定裝置測定環(huán)的內側和外側直徑上的溫度。這些裝置的信號被用于反饋到控制裝置?？刂蒲b置反過來根據(jù)實際測定的溫度與按照溫度設定值曲線所要求的溫度之間的差別及時地調節(jié)流向內側和外側噴管的水流。流向噴管的空氣流可以保持在恒定的水平或者根據(jù)水流而加以確定。
由于用于環(huán)的內側直徑和外側直徑的溫度設定值曲線是完全相互獨立的，因此，在冷卻處理過程中，可以獨立于外側直徑地改變內側直徑上的冷卻速率。這對于能以一種可重復的方式控制整個環(huán)橫截面的應力分布型式是必要的。
以下結合附圖對本發(fā)明進行進一步的描述。


圖1顯示實現(xiàn)本發(fā)明方法的一種裝置，該裝置處于安裝一個環(huán)的階段。
圖2顯示處于運行狀態(tài)的圖1中的裝置。
圖3是本發(fā)明裝置控制系統(tǒng)的簡圖。
圖4是一個連續(xù)冷卻相變圖。
圖1和圖2中的裝置包括一個基座1，它支撐著氣動氣缸/活塞裝置2以及固定支柱16。一個下部支架3安裝在氣缸/活塞裝置2的上部，下部支架上支承著一個下模17，下模17借助于另一個氣缸活塞裝置10可相對于支架3上下移動。
一個上部支架7安裝在支柱16的上端部，上部支架上有一個固定上模14。支柱16還具有一個供應環(huán)16，供應環(huán)設置有多個徑向向內指向的噴灑噴管5。一個供應管8延伸穿過上部支架7和上模14，供應管8的下端部設置有多個徑向向外指向的噴灑噴管13。
在運行時，鋼質材料環(huán)12放置在下模17上，下模17處于其下部位置。接著，液壓活塞/氣缸裝置2和10以這樣一種方式運行，使得環(huán)12的上部邊緣被夾緊在下模17和上模14之間。借助于設置在活塞/氣缸裝置10下端部與下部支架3的支架部分11之間的壓力傳感器9，可以控制施加在環(huán)12上的夾緊力。
下模17和上模14安裝在軸承11，15中，使得一旦驅動電機(未示出)啟動，模17，14連同環(huán)12一起轉動。此外，加壓的水和空氣混合物以這樣一種方式被供應到管6和8，使得冷卻的水/空氣混合物控制流噴灑在環(huán)12的外表面和內表面上。
如示意圖3所示，圖1和圖2中的裝置在計算機18的計算機控制下運行。該計算機包含合適的程序，用于控制向環(huán)12的內外表面噴灑。通過接觸熱電偶19或一個非接觸傳感器20測定的有關環(huán)12溫度的數(shù)據(jù)被傳給控制組件18。
計算機18控制閥21、22、23、24，閥21、22、23、24分別用于調節(jié)流向噴管5和13的空氣與水的供應量。閥21，23通過管25從一個空氣緩沖器26被供給空氣，閥22，24通過管27從一個水緩沖器28被供給水。
而且，控制組件18控制閥29，用于調節(jié)活塞/氣缸裝置10中的壓力，從而調節(jié)由下模17和上模14施加在環(huán)12上的夾緊力。
通過以合適方式編制控制組件18的程序，可以模擬對環(huán)12的任何冷卻/淬火過程。例如，即使水和空氣用作一種(對環(huán)境有利的)冷卻介質，通過以所需方式簡單地控制閥21-24可以獲得一條油冷卻曲線。
在這個過程中，通過借助于下模17和上模14給環(huán)12施加所需的軸向夾緊力以及在控制組件18的控制下，環(huán)的扭曲變形可減至最小。
如上所述，噴灑淬火裝置可分別遵循環(huán)外、內表面上的預定冷卻曲線。通過仔細選擇環(huán)外、內直徑的冷卻特性，可以控制所形成的顯微結構和殘余應力型式。將參照圖4中的CCT(連續(xù)冷卻相變)圖對此進行解釋。
在該圖中，I區(qū)表示奧氏體+貝氏體，II區(qū)表示奧氏體+珠光體，III區(qū)表示奧氏體+碳化物，以及IV區(qū)表示馬氏體+碳化物(+奧氏體)。
示例1曲線M1表示軸承內環(huán)的外徑的冷卻曲線，M2表示軸承內環(huán)的內徑的冷卻曲線。通過將內徑更快速地冷卻至馬氏體相變開始溫度(Ms)附近的一個溫度，接著緩慢地但可控制地冷卻至室溫，馬氏體相變在環(huán)壁上以一種被控制的方式進行。淬火過程使得在內環(huán)的軸承座圈區(qū)具有一個更有利的殘余應力型式(較小的張力或平均的壓應力)，從而使軸承具有更長的使用壽命。對于外環(huán)，對內外表面的冷卻過程分別是相反的。
示例2曲線B表示形成一個貝氏體顯微結構的冷卻曲線。在被控制淬火到貝氏體相變溫度之后，在足夠時間內維持一個平衡熱傳遞(根據(jù)實際情況，冷卻以帶走相變熱或加熱以彌補周圍的熱量損失)以便完成貝氏體相變。該冷卻曲線將僅產生低的殘余應力。
權利要求
1.一種對鋼環(huán)、尤其是軸承進行熱處理的方法，該方法使一個預加熱環(huán)的外表面和內表面暴露在冷卻介質的不同射流中，從而使這些表面的各個區(qū)經受不同冷卻過程，其特征在于，以這樣一種方式控制冷卻介質流的供應，從而使得通過控制從奧氏體到馬氏體或貝氏體材料結構的相變擴展而在所述環(huán)中獲得所需的內部應力型式。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，冷卻介質由一種液體、氣體或它們的混合物組成。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，該方法用于制造一個軸承用的環(huán)，該環(huán)在它的一個表面上具有一個軸承座圈，供應到所述表面的冷卻介質以這樣一種方式控制，使得表面附近的軸承座圈中獲得壓縮應力。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，環(huán)在其內徑處沿軸向方向被夾緊，夾緊力以這樣一種方式控制，使得由于冷卻過程導致的不圓度保持為最小。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，夾緊力控制在一個預定的范圍內。
6.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，測定至少一個表面的表面溫度以便控制冷卻過程。
7.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，冷卻介質是由在例如0-50℃范圍內的合適溫度和一確定的過壓下的水和/或空氣形成的噴霧或薄霧。
8.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，環(huán)和噴管繞著環(huán)的軸線以每分鐘0-200轉范圍內的相對速度轉動。
9.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，冷卻介質的供應以這樣一種方式控制，以獲得鋼質材料的馬氏體顯微結構或貝氏體。
10.如權利要求4和9所述的方法，其特征在于，沿軸向方向施加的夾緊力與環(huán)的溫度降低相關地被控制，直到馬氏體相變溫度以下。
11.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，冷卻介質流根據(jù)相變圖中的一條預定的冷卻曲線而加以控制。
12.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，冷卻過程以這樣一種方式控制，以便獲得所需的內部應力型式。
13.如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟-為一個環(huán)的內表面在溫度-時間范圍內選擇一條第一所需冷卻曲線；-為一個環(huán)的外表面在溫度-時間范圍內選擇一條所需第二冷卻曲線；-測定所述內外表面的瞬時溫度；-根據(jù)所述第一和第二所需冷卻曲線以及所述測定溫度控制內表面的冷卻介質流和外表面的冷卻介質流。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，冷卻介質是諸如水的一種液體和諸如空氣的一種氣體的混合物，該方法包括改變液體流的步驟。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，該方法包括保持氣體流在一基本恒定水平的步驟。
16.一種通過如上述任一權利要求所述方法制造的鋼環(huán)，其特征在于，環(huán)的用作軸承座圈的表面附近的區(qū)域有壓縮應力，而相對區(qū)域根據(jù)一個所需的應力型式有平衡拉伸應力。
17.根據(jù)權利要求1-15任一所述方法對鋼環(huán)進行熱處理的裝置，該裝置包括一個支撐裝置(1-3，7，9-12，14-17)，支撐裝置用于支撐一個將被處理的環(huán)(12)；第一(5，6，23，24)和第二(8，13，21，22)供應裝置，第一和第二供應裝置用于將一種液體、氣體或它們的混合物的噴霧或薄霧分別供應到環(huán)(12)的外表面和內表面；以及控制裝置(18)，控制裝置用于控制噴霧或薄霧的供給，以便在周圍溫度下在環(huán)(12)中獲得一個所需內部應力型式。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，支撐裝置包括一個夾緊裝置(14，17)，用于軸向夾緊環(huán)。
19.如權利要求18所述的裝置，其特征在于，夾緊裝置包括一個上模(14)和一個下模(17)，它們借助于氣缸/活塞裝置(2)可相互靠近地移動，從而夾緊一個環(huán)(12)。
20.如權利要求18或19所述的裝置，其特征在于，上模(14)和下模(17)相對于它們的軸線可轉動地由軸承(11，15)加以支撐。
21.如權利要求19或20所述的裝置，其特征在于，由氣缸/活塞裝置(2)所施加的夾緊力以及模(14，17)的轉動速度由控制組件(18)加以控制。
22.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，上模(14)有一個固定位置，下模(17)連接到一個氣缸/活塞裝置(10)上，氣缸/活塞裝置(10)用于將所述下模(17)移向和移離上模(14)。
23.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，用于移動下模(17)的氣缸/活塞裝置(10)被支撐在一個下支架(3)中，下支架(3)由另一個氣缸/活塞裝置(2)所支撐，氣缸/活塞裝置(2)用于沿著與下模(17)相同方向移動所述下支架(3)。
24.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，下支架(3)具有一個用于移動一個環(huán)(12)的傳送裝置(4)，傳送裝置與上模(14)有一段距離地位于下支架(3)位置中的下模(17)的上部。
全文摘要
用于對鋼質環(huán)、尤其是軸承進行熱處理的方法和裝置,該方法和裝置使一個預加熱環(huán)的外表面和內表面暴露在冷卻介質的不同射流中,從而使這些表面的各個區(qū)經受不同冷卻過程。冷卻介質流的供應以這樣一種方式控制,從而使得通過控制從奧氏體到馬氏體或貝氏體材料結構的相變擴展而在所述環(huán)中獲得所需的內部應力型式。
文檔編號C21D9/40GK1262709SQ98807062
公開日2000年8月9日 申請日期1998年7月10日 優(yōu)先權日1997年7月10日
發(fā)明者亨德里克斯·揚·卡潘, 科內利斯·諾蘭德, 揚·圖勒·斯呂克, 馬茨·約翰·佩爾松, 巴伯拉·琳內·托齊爾 申請人:Skf工程研究中心公司