滾動(dòng)軸承構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】滾動(dòng)軸承構(gòu)件(2、3、4)具有如下特征：-滲氮的、具有從外向內(nèi)減小的氮含量的邊緣區(qū)(5)，-核心區(qū)(6)，-在邊緣區(qū)(5)中從外向內(nèi)減小的殘余壓應(yīng)力，-在0.04mm的深度中的870HV 0.3至1000HV 0.3的邊緣硬度，其中-在0.3mm的深度中的硬度比邊緣硬度小最多250HV 0.3。
【專利說(shuō)明】滾動(dòng)軸承構(gòu)件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種滾動(dòng)軸承構(gòu)件，尤其是滾動(dòng)軸承的軸承圈。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于滾動(dòng)負(fù)載的機(jī)器元件例如由EP 1 774 187B1以及由EP 1 774 188B1公知。 在此涉及由具有馬氏體結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)成的滾動(dòng)軸承元件，尤其是軸承圈，其具有熱化學(xué)地產(chǎn) 生的、富含氮的邊緣層。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的任務(wù)是相對(duì)于提到的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)滾動(dòng)軸承構(gòu)件。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的滾動(dòng)軸承構(gòu)件來(lái)解決。滾動(dòng)軸 承構(gòu)件優(yōu)選構(gòu)造為軸承圈，并且具有如下特征：
[0005] -滲氮的（aufgestickt)、具有從外向內(nèi)減小的氮含量的邊緣區(qū)，
[0006] -具有至少近似恒定的硬度的核心區(qū)，
[0007] -在邊緣區(qū)中從外向內(nèi)減小的殘余壓應(yīng)力（Druckeigenspannung)，
[0008] -在0? 04mm的深度中的870HV 0? 3至1000HV 0? 3的硬度（接下來(lái)也被稱為邊緣 硬度），
[0009]其中，
[0010] -0. 3mm的深度中的硬度比邊緣硬度小最多250HV 0. 3。
[0011] 本發(fā)明從如下思想出發(fā)，即，在安全性很重要的應(yīng)用中，例如在航空運(yùn)輸中的機(jī)器 元件中，除了盡可能高的使用壽命之外還要求有很高程度的損壞容忍度。如果在個(gè)別情況 下出現(xiàn)首先局部的小損壞，那么機(jī)器元件的功能作用必須至少維持到能無(wú)危險(xiǎn)地停止相應(yīng) 的設(shè)備（例如，在飛機(jī)的情況下為到達(dá)目標(biāo)機(jī)場(chǎng)）。為此，除了盡可能早地識(shí)別剛開(kāi)始的損 壞之外還需要所有構(gòu)件的高損壞容忍度。
[0012] 在具有滲碳的邊緣區(qū)的滾動(dòng)軸承部件的情況下，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明限定的關(guān)于 40 y m的深度的最少870HV 0. 3且最大1000HV 0. 3的硬度，殘余應(yīng)力分布也以如下程度來(lái) 限定，即，使得在滲氮區(qū)的由損壞導(dǎo)致的中斷的情況下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力限定為使在翻轉(zhuǎn)應(yīng) 力（Oberrollbeanspruchung)下的損壞擴(kuò)展不明顯快于在未滲氮的邊緣區(qū)的情況下的損 壞擴(kuò)展。此外，具有升高的硬度的滲氮材料也會(huì)失去延展性；減小的延展性也意味著對(duì)損壞 擴(kuò)展的更小的阻力。
[0013] 通過(guò)邊緣硬度的所說(shuō)明的邊界以及通過(guò)將核心區(qū)中的最小硬度與邊緣硬度之間 的最大差限定為250HV 0. 3,提供了如下構(gòu)件，該構(gòu)件以最優(yōu)方式遵守對(duì)抵抗損壞產(chǎn)生的高 阻力的要求（即足夠的硬度和殘余壓應(yīng)力）以及對(duì)同時(shí)抵抗損壞擴(kuò)展的要求（即高的延展 性和不太高的殘余應(yīng)力）。在0. 3mm的深度中，以HV 0. 3計(jì)的硬度大于0. 04mm的深度中的 硬度的優(yōu)選75 %，尤其是80 %。在有利的設(shè)計(jì)方案中，在滾動(dòng)軸承構(gòu)件的表面上的殘余壓 應(yīng)力的絕對(duì)倌是最小500MPa目.最大lOOOMPa。在0. 05mm的深度中的殘金壓應(yīng)力的倌小于 在表面上的殘余壓應(yīng)力的值的優(yōu)選60 %，尤其是50 %。
[0014] 滾動(dòng)軸承構(gòu)件的邊緣區(qū)中的殘余壓應(yīng)力至少在滾動(dòng)軸承構(gòu)件的未機(jī)械負(fù)載的狀 態(tài)下存在，其中，在從屬權(quán)利要求中的所有與此相關(guān)的說(shuō)明也都涉及滾動(dòng)軸承構(gòu)件的未機(jī) 械負(fù)載的狀態(tài)。
[0015] 在優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，低于邊緣區(qū)中的氮含量的最大值的80%的深度相應(yīng)于殘余 壓應(yīng)力為最大殘余壓應(yīng)力的80%的深度的至少1. 75倍，尤其是至少2倍，例如3倍。
[0016] 低于邊緣區(qū)中的氮含量的最大值的80%的深度，即所謂的80%氮邊界相應(yīng)于殘 余壓應(yīng)力低于邊緣區(qū)中的最大殘余壓應(yīng)力的值的80% (80%殘余壓應(yīng)力邊界）的深度的優(yōu) 選最多8倍，尤其最多4倍。因此，根據(jù)不同的可行實(shí)施形式，80%氮邊界位于80%殘余壓 應(yīng)力邊界的1. 75倍至4倍之間的范圍中或者2倍至4倍之間的范圍中或者3倍至4倍之 間的范圍中或者1. 75倍至8倍之間的范圍中或者2倍至8倍之間的范圍中或者3倍至8 倍之間的范圍中。
[0017] 通過(guò)在殘余壓應(yīng)力以及氮含量的分布以所說(shuō)明的方式確定出邊界的同時(shí)對(duì)硬度 以及硬度差的所提到的限定，提供了如下滾動(dòng)軸承構(gòu)件，該滾動(dòng)軸承構(gòu)件同樣遵守對(duì)延展 性和硬度的競(jìng)爭(zhēng)性的要求。尤其是給出了抵抗?jié)B氮區(qū)在翻轉(zhuǎn)應(yīng)力下的局部中斷（"損壞"） 的擴(kuò)展的高容忍度以及在很困難的條件（例如在油流中存在污染）下的長(zhǎng)的使用壽命。
[0018] 制成滾動(dòng)軸承構(gòu)件的金屬材料例如是具有名稱M50 (AMS 6490/6491、80MoCrV 42-16)或者M(jìn)50NIL(AMS 6278、13MoCrNiV 42-16-14)的鋼。其他可使用的材料在開(kāi)頭引用 的現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行了說(shuō)明。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 接下來(lái)借助附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的實(shí)施例。其中：
[0020] 圖1以示意性的截面圖示出第一滾動(dòng)軸承；
[0021] 圖2以橫截面圖示出第二滾動(dòng)軸承的軸承圈；
[0022] 圖3以原理圖示出在中斷的有殘余應(yīng)力的層的情況下剪切應(yīng)力的構(gòu)造；
[0023] 圖4示出滾動(dòng)軸承構(gòu)件的硬度分布；
[0024] 圖5示出根據(jù)圖4的滾動(dòng)軸承構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布；
[0025] 圖6示出根據(jù)圖4的滾動(dòng)軸承構(gòu)件的氮分布。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 圖1以截段形式示出總體上以附圖標(biāo)記1表示的滾動(dòng)軸承，即球軸承，其具有軸承 圈2、3 (即通常被稱為滾動(dòng)軸承構(gòu)件2、3的內(nèi)圈2和外圈3)和滾動(dòng)體4,這些滾動(dòng)體同樣歸 于滾動(dòng)軸承構(gòu)件的概念下。在該情況下，所有滾動(dòng)軸承構(gòu)件由金屬材料制成。
[0027] 每個(gè)滾動(dòng)體4由具有馬氏體結(jié)構(gòu)的鋼形成，并且具有熱化學(xué)地產(chǎn)生的、滲氮的邊 緣區(qū)5以及關(guān)于尤其是化學(xué)成分的多個(gè)參數(shù)與該邊緣區(qū)不同的核心區(qū)6。邊緣區(qū)5與核心 區(qū)6之間的過(guò)渡部在圖1中通過(guò)虛線標(biāo)記出，像整個(gè)圖示那樣，虛線的位置不是按比例的。
[0028] 在邊緣區(qū)5內(nèi)存在從外向內(nèi)減小的殘余壓應(yīng)力，其中，邊界（在該邊界處低于最大 殘余壓應(yīng)力的80% )被稱為80%殘余壓應(yīng)力邊界，并且在圖中用80。表示。
[0029] 在邊緣區(qū)5中存在的氮同樣從滾動(dòng)體4的表面向內(nèi)減小。邊界（在該邊界處低于 最大氮濃度的80% )被稱為80%氮邊界，并且在圖中用80N表示。從滾動(dòng)體4的表面開(kāi)始 測(cè)量，80%氮邊界8(^位于80%殘余壓應(yīng)力邊界80。的至少1. 75倍的深度，例如2倍的深 度，尤其是3倍的深度。在邊緣區(qū)5內(nèi)，關(guān)于40 y m的深度，滾動(dòng)體4的硬度是最少870HV 0.3且最大1000HV 0.3。提到的40 iim的深度優(yōu)選位于80%殘余壓應(yīng)力邊界80。與80% 氮邊界80N之間。核心區(qū)6中的硬度比邊緣區(qū)5中的硬度小最多250HV 0. 3。
[0030] 根據(jù)圖2的滾動(dòng)軸承1可以例如用作燃?xì)鉁u輪機(jī)中的軸承。根據(jù)圖2的滾動(dòng)軸承 1的軸承圈2、3的特性（這涉及之前描述的材料參數(shù)）相應(yīng)于根據(jù)圖1的實(shí)施例的滾動(dòng)體4 的特性。在該情況下，滾動(dòng)軸承構(gòu)件2、3在40 y m的深度中的硬度尤其也是最少870HV 0. 3 且最大1000HV 0. 3。同樣地，滾動(dòng)軸承構(gòu)件2、3在核心區(qū)6中在0. 3mm的深度中的硬度同 樣也比邊緣區(qū)5中的硬度小最多250HV 0. 3。
[0031] 圖3示出在中斷的有殘余應(yīng)力的層的情況下產(chǎn)生剪切應(yīng)力的推導(dǎo)。在圖3中可見(jiàn) 的滾動(dòng)軸承構(gòu)件4是根據(jù)圖1的實(shí)施例的滾動(dòng)體4,其中，圖3以示意性的方式示出氮化的 邊緣區(qū)5的損壞。像圖2所示的那樣，根據(jù)圖3的滾動(dòng)軸承構(gòu)件4同樣也可以是軸承圈2、 3。像在圖3中可見(jiàn)的那樣，如果富含氮的層（即邊緣區(qū)5)局部中斷，那么就沒(méi)有應(yīng)力作用 在中斷的部位（自由表面）上。否則在該情況下，殘余應(yīng)力理解為關(guān)于層厚的平均值。 [0032] 在特定的角范圍〇>*內(nèi)，殘余應(yīng)力（法向應(yīng)力）連續(xù)升高直到未受干擾區(qū)域內(nèi)的 殘余應(yīng)力。出于平衡原因，在該區(qū)域內(nèi)升高的殘余應(yīng)力必須導(dǎo)致額外的剪切應(yīng)力T。該額 外的剪切應(yīng)力T有利于損壞的進(jìn)一步改善。在邊緣區(qū)5中的殘余壓應(yīng)力越高，那么在損壞 情況下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力就越高。滾動(dòng)軸承構(gòu)件4的滲氮的邊緣層5中的殘余壓應(yīng)力又與構(gòu) 造出的硬度有關(guān)。
[0033] 圖4示出在根據(jù)本發(fā)明的邊緣硬度的情況下，根據(jù)圖3的滾動(dòng)軸承構(gòu)件4的硬度 分布。像從圖4可見(jiàn)的那樣，邊緣硬度是950HV 0.3。在滾動(dòng)軸承構(gòu)件4的所有區(qū)域中都明 顯超過(guò)以250HV 0. 3減小的硬度值，即700HV(參見(jiàn)圖3中的細(xì)節(jié)a)。同樣由圖4得知的 是，在0. 3mm的深度中，以HV 0. 3計(jì)的硬度大于0. 04mm的深度中的硬度（即邊緣硬度）的 75% (詳見(jiàn) b)。
[0034] 圖5示出在根據(jù)圖3的滾動(dòng)軸承構(gòu)件4內(nèi)的殘余應(yīng)力分布。在滾動(dòng)軸承構(gòu)件4 的表面上，殘余壓應(yīng)力具有800MPa的絕對(duì)值（詳見(jiàn)c)。80 %殘余壓應(yīng)力邊界80。位于 0. 005mm至0. 02mm之間的深度中。在0. 05mm的深度中，殘余壓應(yīng)力的數(shù)值已經(jīng)下降到小 于工件表面上的殘余壓應(yīng)力的絕對(duì)值的一半（詳見(jiàn)d)。在滾動(dòng)軸承構(gòu)件4的大于0. 3_ 的深度的情況下，存在與邊緣區(qū)5中的殘余壓應(yīng)力相比在絕對(duì)值上非常小的殘余張應(yīng)力 (Zugeigenspannung)〇
[0035] 圖6示出在根據(jù)圖3的滾動(dòng)軸承構(gòu)件4內(nèi)的氮含量分布。在工件表面上，氮含量 為1.5%至2.0%之間（詳見(jiàn)e;以重量％計(jì)）。從工件表面開(kāi)始，氮含量連續(xù)下降。80%氮 邊界8(^位于0. 02mm與0. 04mm之間的深度中。
[0036] 不僅在很困難的條件下的運(yùn)行中而且在該層局部損壞的情況下，具有所描述的性 質(zhì)的滲氮的邊緣區(qū)5都提供了硬度和殘余壓應(yīng)力的對(duì)翻轉(zhuǎn)應(yīng)力非常有利的構(gòu)造。
[0037] 附圖標(biāo)記列表
[0038] 1 滾動(dòng)軸承
[0039] 2 軸承圈、滾動(dòng)軸承構(gòu)件
[0040] 3 軸承圈、滾動(dòng)軸承構(gòu)件
[0041] 4 滾動(dòng)體、滾動(dòng)軸承構(gòu)件
[0042] 5 邊緣區(qū)
[0043] 6 核心區(qū)
[0044] 〇 eig (通常的）殘余應(yīng)力
[0045] 〇 eig；max 未被影響的滲氮層中的殘余應(yīng)力
[0046] 0>* 角范圍，殘余應(yīng)力在該角范圍內(nèi)構(gòu)建
[0047] d〇) 角范圍變化
[0048] R 滲氮層的半徑
[0049] t 滲氮層的厚度
[0050] X 剪切應(yīng)力
[0051] 80n 80 % 氮邊界
[0052] 80。 80 %殘余壓應(yīng)力邊界
【權(quán)利要求】
1. 一種滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、4)，所述滾動(dòng)軸承構(gòu)件具有如下特征： -滲氮的、具有從外向內(nèi)減小的氮含量的邊緣區(qū)（5)， -核心區(qū)（6)， -在邊緣區(qū)（5)中從外向內(nèi)減小的殘余壓應(yīng)力， -在0. 04mm的深度中硬度為870HV 0. 3至1000HV 0. 3， 其中， -在0. 3mm的深度中的硬度比在0. 04mm的深度中的硬度小最多250HV 0. 3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、4)，其特征在于，在0. 3mm的深度中，以 HV 0. 3計(jì)的硬度大于0. 04mm的深度中的硬度的75%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、4)，其特征在于，在表面上的殘余壓 應(yīng)力的絕對(duì)值為最小500MPa且最大lOOOMPa。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、4)，其特征在于，在0.05mm的深度中的 殘余壓應(yīng)力的值小于在表面上的殘余壓應(yīng)力的值的60 %。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、4)，其特征在于，低于邊緣 區(qū)（5)中的氮含量的最大值的80%時(shí)的深度（80N)相應(yīng)于殘余壓應(yīng)力為最大殘余壓應(yīng)力的 80%時(shí)的深度（80 σ )的至少1. 75倍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、4)，其特征在于，低于邊緣區(qū)（5)中的氮 含量的最大值的80%時(shí)的深度（80Ν)相應(yīng)于殘余壓應(yīng)力為最大殘余壓應(yīng)力的80%時(shí)的深 度（80 〇)的最多8倍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3)，其特征在于，所述滾動(dòng)軸 承構(gòu)件構(gòu)造為軸承圈（2、3)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（4)，其特征在于，所述滾動(dòng)軸承 構(gòu)件構(gòu)造為滾動(dòng)體（4)。
9. 一種滾動(dòng)軸承，所述滾動(dòng)軸承具有根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的滾動(dòng)軸承構(gòu)件（2、3、 4)。
【文檔編號(hào)】F16C33/64GK104246255SQ201380016441
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】埃德加·施特賴特, 奧斯卡·貝爾 申請(qǐng)人:舍弗勒技術(shù)有限兩合公司