專利名稱：軸承部件和用于表面硬化的方法
技術領域：
本發明涉及一種軸承部件和一種用于將這樣的軸承部件的表面的至少一部分表面硬化的方法。
背景技術：
為達到用于不同應用的技術要求，許多軸承部件是穿透淬火的或滲碳的。當在使用中時軸承部件也就是可能受到高接觸應力或高接觸磨損從而要求高硬度。感應淬火是金屬部件受到感應加熱被加熱至鐵素體/奧氏體轉變溫度或更高然后被淬火的熱處理。淬火過的金屬經過馬氏體轉變，金屬部件的表面的脆性和硬度增加。感應淬火可以用于選擇性地硬化軸承部件的區域而不影響作為一個整體的部件的特性。美國專利4949 758公開了用于將細長的(8-32英尺，即244_975cm)，薄壁的(1/8至1/4英寸，即3-6mm)，小內徑(IV4至3V4英寸，即32至83mm)的管狀構件的內表面硬化的過程。更確切地說，它涉及利用位于內部的電磁感應線圈漸進加熱，接著用淬火環組件立即淬火以在管子的內表面上產生馬氏體層的過程。這個方法被用來獲得具有至少58HRC的硬度的表面和基本上未被硬化的核心，其在硬化過的表面和未被硬化的外層核心之間具有明顯的界線。但是，將部件的表面表面硬化時，獲得在軸承部件的硬化過的表面和未被硬化的核心之間不表現出明顯的界線的硬度分布才是有利的。在硬度中明顯的界線導致短的過渡區域，這造成拉伸剩余應力的水平增加，而在硬化過的表面和未被硬化的核心之間的平滑的界線，即其中硬度隨著深度穩定地而不是突然地減少的過渡區域，減小或消除在那個區域在材料中的任何應力。當軸承部件在使用中時能夠更好地經受住從應用產生的額外的應力。這樣的穩定地減少的硬度分布可以通過將軸承部件的表面滲碳獲得。滲碳是在分解時釋放碳的另一材料的參與下，鐵或鋼被加熱的熱處理過程。外表面或外層會比原來的材料具有更高的碳含量。當鐵或鋼通過淬火被迅速冷卻時，在表面上更高的碳含量變硬，而核心部分保持柔軟(也就是易延展的)和有韌性。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進過的非穿透硬化的軸承部件。這個目的通過這樣的軸承部件實現，該軸承部件具有平的或不平的表面，也就是內表面或外表面，它的至少一部分已經通過感應加熱被表面硬化。也就是說，所述表面包括通過利用電磁感應線圈的感應硬化、接著通過利用淬火設備淬火而制成的馬氏體微觀結構。穿過該表面的軸承部件的縱向或橫向截面展現出在該表面的硬度Hwe和在軸承部件的未被硬化的核心(也就是在軸承部件的未被硬化的基底金屬中)的硬度心。截面的硬度分布(利用維氏硬度檢驗或例如任何其他適合的方法所測得)展現出第一區域、第三區域和在所述第一區域和第三區域之間的第二區域，所述第一區域的硬度分布基本上等于在所述表面處的硬度Hwe，所述第三區域的硬度分布基本上等于在軸承部件的未被硬化的核心處的硬度He心。在第一區域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三區域中的硬度分布具有平均硬度Y3。如果在點+和點(其中0〈k〈2并且k是實數)
2 { 4 J2 { 4 )
之間在第二區域中的硬度分布上劃線，那么沿著所述線所確定的在第二區域中的軸承部件的硬度以少于每毫米50HRC減少。這樣的非穿透硬化的軸承部件的表面的至少一部分將展現出增加的表面硬度、增加的耐磨性能和/或增加的疲勞和抗張強度。此外，用來制造這樣的軸承部件的感應硬化熱處理比滲碳熱處理更加節能和有成本效益，并且比起滲碳熱處理它具有更短的循環時間以及提供更好的變形控制。另外，表面的至少一部分的特性、例如硬度，微觀結構和殘余應力，可以為特定的應用按需定制。根據本發明的實施方式，k是I。根據本發明的實施方式，k是 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8 或1.9。根據本發明的實施方式，沿所述線確定的在第二區域中的軸承部件的硬度以少于每暈米30HRC、少于每暈米25HRC、少于每暈米20HRC、少于每暈米15HRC減少。根據本發明的另一實施方式，在所述表面的硬度!1_在洛氏硬度表上在55-75HRC之間，優選地在58-63HRC之間。根據本發明的又一實施方式，在軸承部件未被硬化的核心的硬度He心在15-30HRC之間。根據本發明的另一實施方式，第一區域從所述表面延伸至表面以下最多6mm的深度，優選地，至所述表面以下1_4_的深度，也就是增加了硬度的材料可以延伸至所述表面以下約0.5-6mm的深 度，優選地，在所述表面以下l_2mm。根據本發明的一實施方式，軸承部件具有接觸表面，其允許所述軸承部件與另一部件之間的相對運動，即第二軸承部件。根據本發明的一實施方式，所述接觸表面包括至少一個已經被硬化的部分。根據本發明的一實施方式，所述至少一個部分基本上對應于所述接觸表面。根據本發明的一實施方式，所述接觸表面可以構成引導凸緣或類似物的至少一部分或者滾道或者滑動表面。根據本發明的一實施方式，所述軸承部件可以是內環。根據本發明的另一實施方式，所述軸承部件可以是外環。根據本發明的一實施方式，所述軸承部件中可以是滾動元件，例如滾柱或滾珠。根據本發明的又一實施方式，所述滾柱可以是球形的，圓柱形的，錐形的，圓錐形的或環形的。所述軸承部件可以例如被用在汽車、航空、采礦、風、航海、金屬生產或其它的要求高耐磨性能和/或增加的疲勞和抗張強度的機械應用中。軸承部件例如可以是滾柱，滑動軸承，襯套，軸頸軸承，套筒軸承，回轉軸承或者諸如滾珠軸承或滾柱軸承的滾動元件軸承的至少一部分。根據本發明的又一實施方式，滾動軸承可以是圓柱形滾子軸承，球形滾子軸承，環形滾子軸承，錐形滾子軸承，圓錐形滾子軸承或滾針軸承中的任何一個。根據本發明的另一實施方式，軸承部件包括碳或具有0.40至1.10%的當量碳含量的合金鋼，或軸承部件由碳或具有0.40至1.10%的當量碳含量的合金鋼組成,優選地高碳鉻鋼。例如，軸承部件包括50CrMo4鋼，100Cr6鋼或SAE1070，或者軸承部件由50CrMo4鋼，100Cr6 鋼或 SAE1070 組成。本發明也涉及一種用于將軸承部件的表面的至少一部分表面硬化的方法，該方法包括以下步驟:通過感應加熱利用電磁感應線圈將表面的至少一部分加熱至鐵素體/奧氏體轉變溫度或更高，將內表面的所述至少一部分維持在那個溫度以容許所述表面以下充分的熱量傳遞導致至少一部分的充分奧氏體化，以及將所述表面的所述至少一部分立即淬火以獲得穿過所述表面的軸承部件的截面，所述截面展現出在所述表面處的硬度Hwe以及在軸承部件的未被硬化的核心(也就是在軸承部件的未被硬化的基底金屬中)處的的硬度
心。截面的硬度分布(例如利用維氏硬度檢驗所測得)展現出第一區域、第三區域和在所述第一和第三區域之間的第二區域，所述第一區域的硬度基本上等于在所述表面的硬度H B，所述第三區域的硬度基本上等于在軸承部件的未被硬化的核心的硬度He心。在第一區域中的硬度分布具有平均硬度Y1,在第三區域中的硬度分布具有平均硬度Y3。如果在點
&和點其中0〈k〈2并且k是實數)之間在第二區域中
的硬度分布上劃線，那么沿該線所確定的在第二區域中的軸承部件的硬度以少于每毫米50HRC減少。在傳統的感應淬火中，其中軸承部件被快速加熱和/或熱量被容許傳遞到部件各處，不穩定、不均一的奧氏體形成。在根據本發明的方法中，熱量被容許傳遞到軸承部件各處10秒、20秒、30秒、40秒、50秒、60秒或70秒或比70秒更多時間，從而形成穩定的、均一的奧氏體。因此，“為了容許表面以下充分的熱傳遞導致至少一部分的充分的奧氏體化”的表述指的是在表面的至少一部分中足夠形成穩定的、均一的奧氏體的一段時間。通過容許形成均一的奧氏體，過渡區域的形成變得可能/更加容易，其中在過渡區域中硬度隨表面以下的深度穩定地而不是突然地減少。根據所述方法的實施方式，沿所述線確定的第二區域中的軸承部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC或少于每毫米15HRC減少。根據本發明的方法的實施方式，k是I。根據本發明的另一實施方式，k是0.1、0.2、
0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8 或1.9。應當指出的是，本文件自始至終使用的關于軸承部件和根據本發明的方法的“感應線圈”的表達，意指一個或多個感應線圈。以相同或不同方式工作的多個感應線圈、例如以相同或不同的頻率，可以比如被用來同時地或連續地加熱軸承部件的內表面和/或外表面的多個部分，或多個軸承部件的一個或多個部分。感應線圈可以被布置為包圍整個軸承部件或要被硬化的軸承部件的一個或多個部分。在所述方法的實施方式中，感應線圈從軸承部件移除，并且例如淬火噴霧或環的淬火設備被用來將已經被熱處理過的表面的至少一部分立即淬火。在所述方法的另一實施方式中，軸承部件從感應線圈移除，并且淬火設備、例如淬火噴霧或環，被用來將已經熱處理過的表面的至少一部分立即淬火。根據所述方法的另一實施方式，第一區域從表面延伸至表面以下最多6mm的深度，優選地，至表面以下l_4mm的深度。根據本發明的一實施方式，軸承部件可以內環或外環其中之一。根據本發明的實施方式，軸承部件可以是滾動元件，例如滾柱或滾珠。根據又一實施方式，滾柱可以是球形的，圓柱形的，錐形的，圓錐形的或環形的。根據本發明的實施方式，滾柱可以包括洞或孔。在本發明的實施方式中，洞或孔可以被硬化。所述軸承部件例如可以是滾柱，滑動軸承，襯套，軸頸軸承,套管軸承，回轉軸承或者諸如滾珠軸承或滾柱軸承的滾動元件軸承的至少一部分。根據本發明的又一實施方式，滾動軸承可以是圓柱形滾子軸承，球形滾子軸承，環形滾子軸承，錐形滾子軸承，圓錐形滾子軸承或滾針軸承。
通過參照示意附圖的非限制的實例本發明將得到進 一步的解釋，其中:圖1和2表示根據本發明的實施方式的方法的步驟，圖3表示根據本發明的實施方式的軸承部件的截面，圖4和5表示根據本發明的實施方式的軸承部件的硬度分布圖，以及圖6表示使用滲碳和感應硬化得到的硬度分布圖的對比。應當指出的是，附圖并沒有按比例繪制，并且僅為清楚起見某些特征的尺寸被夸大了。
具體實施例方式圖1以剖面圖示出由軸承鋼制成的旋轉對稱的軸承部件10。滾柱10、例如由50CrMo4鋼制成并且包括均勻圓形截面，所述截面在其縱向方向一直延伸穿過部件的中心。電磁感應線圈14被用來硬化滾柱10的外表面10a、10b的至少一部分。高頻電(約IkHz至400kHz)的電源被用來驅動通過感應線圈14的大交流電。工作頻率和電流穿透深度以及因此的硬化深度之間的關系成反比，也就是頻率越低，硬化深度越大。通過感應線圈14的電流通路產生了非常強烈和變化迅速的磁場，而要被加熱的外表面10a、10b的一部分被放置于這個強烈交變的磁場內。渦電流在外表面10a、10b的所述部分內產生，并且在外表面10a、10b的所述部分中電阻導致了金屬的焦耳熱。滾柱10的外表面10a、10b通過感應加熱被加熱至鐵素體/奧氏體轉變溫度或更高并且優選地被維持在該溫度10到40秒。為了選擇正確的電源，首先需要計算要被加熱的滾柱的表面積。一旦這個被確定，經驗計算、經驗和/或技巧、例如有限元分析，可以被用來計算所需的功率密度、加熱時間和發電機工作頻率。在圖示實施方式中，感應線圈14然后被移除并且淬火設備16、例如淬火噴霧或環，被用來將已經被熱處理過的外表面10a、10b的至少一部分立即淬火。所述外表面10a、IOb的所述至少一部分可以例如被淬火至室溫(20至25°C)或至0°C或更低。所述淬火設備16設置成為被加熱的外表面層10a、10b提供基于水、油或聚合物的淬火，在這以后形成比滾柱10的基底金屬更硬的馬氏體結構。滾柱10的剩余部分的微觀結構本質上保持不受熱處理的影響并且它的物理性質將會是被加工而形成棒料的那些物理性質。例如，60-200kW的電源、20_60kHZ 的頻率、優選地 10_30kHz 或 15_20kHz、10-40 秒的總加熱時間，以及分別為40-70s的淬火時間和2001/min的淬火率和時間可以用來獲得根據本發明的軸承部件。圖2表示當淬火發生時的淬火設備16的位置。應當指出的是，滾柱10的外表面10a、IObUOs的至少一部分可替代地經受另一表面硬化熱處理，例如感應硬化，火焰硬化或任何其它的傳統熱處理。此外，盡管在圖示實施方式中滾柱10已經被表示出處于水平位置并且感應線圈14和淬火設備16水平地被插入，應當注意的是，滾柱10可以朝向任何位置。感應線圈14和淬火設備16可以從滾柱10的相同或不同的端部被垂直地移動到位。例如，感應線圈14可以通過垂直地降低到位以及當感應線圈14通過垂直地抬升它而被撤回時淬火設備被垂直地抬升。圖3表示熱處理之后的滾柱10的縱向截面。所述滾柱10的外表面材料10a、10b的一部分18包括馬氏體微觀結構，所述馬氏體微觀結構通過利用電磁感應線圈14的感應淬火、接著通過利用淬火設備16立即淬火而制成。根據本發明的方法導致過渡區域的形成在硬度和微觀結構上均可視。外表面材料IOaUOb的熱處理過的部分18可以，也就是具有在洛氏硬度表上55-75HRC的范圍內的硬度，優選地59-63HRC。硬度增加的材料18的體積可以例如延伸至最多6mm的深度。這樣的滾柱10可以被用于任何在其中外表面10a、10b的一部分受到增加的磨損、疲勞或抗張應力的應用。圖4表示根據本發明的實施方式的軸承部件的縱向截面的硬度分布22，該分布是如圖3中所示在箭頭20的方向徑向穿過被表面硬化的區域18所測得的。硬度分布22展示出第一區域24，它的硬度基本上等于在軸承部件10的外表面10a、IOb處的硬度Hwb，在55-75HRC之間，優選地例如在58-63之間。硬度分布圖22也包括第三區域26，它的硬度基本上等于在軸承部件10的未被硬化的核心IOc處的硬度心，例如在15-30HRC之間。硬度分布圖22還包括在第一區域24和第三區域26之間的第二區域25，其中硬度分布展現出在第一區域24和第三區 域26的硬度之間的平滑過渡，也就是硬度分布展現出其中硬度隨表面以下的深度穩定地而不是突然地減少的過渡區域。在第一區域24中的硬度分布具有平
V a_V f γ _γ \
均硬度Y1，在第三區域26中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且如果在點2 + ^ k
2 V 4 乂
V 4-V f V - V Λ
和點(其中0〈k〈2)之間在第二區域25中的硬度分布上劃線，那么沿著所
述線確定的在第二區域中的軸承部件的硬度以少于每毫米50HRC減少。可以根據在其中使用軸承部件10的應用來選擇第一區域24和第二區域25的深度。在圖4中的虛線表示硬度分布30，該硬度分布在軸承部件10的外表面10a、10b的硬度Hwb和軸承部件10的未被硬化的核心IOc的硬度心之間具有明顯的界線，其中硬度以多于每毫米50HRC減少。圖5表示利用根據本發明所述的方法獲得的并且從所測得的硬度值確定的(利用維氏硬度檢測或任何其他合適的方法所測得的)硬度分布22。為了獲得在軸承部件10的外表面10a、IOb處的硬度Hwb，所述值可以被推斷為深度0mm。在圖示實施方式中，在軸承部件10的表面以下6-8mm深度的軸承部件10的硬度可以被認為是在軸承部件10的未被硬化的核心IOc處的硬度H核心。圖6表示使用滲碳獲得的硬度分布24、使用傳統感應硬化獲得的硬度分布26和使用根據本發明的方法獲得的硬度分布22之間的比較。如圖4所示，可以看出，由傳統的感應硬化產生的硬度分布26在對應于第二區域25的過渡區域中突然減少。也可以看出，使用根據本發明的方法獲得的硬度分布22隨著深度減少得更加穩定。軸承部件可以相對于固定的感應線圈和/或淬火設備被移動到位，而不是相對于固定的軸承部件將感應 線圈和/或淬火設備移動到位。
權利要求
1.一種具有表面(10a，IOb)的軸承部件(10)，其特征在于所述表面(10a，10b)的至少一部分(18)已經通過感應加熱被表面硬化，其中穿過所述表面(10a，IOb)的軸承部件(10)的截面展現出在所述表面(10a，10b)處的硬度Hmj和在軸承部件(10)的未被硬化的核心(IOc)處的硬度H核心，其中所述截面的硬度分布展現出第一區域(24)、第三區域(26)和在所述第一區域和第三區域(26)之間的第二區域(25)，所述第一區域的硬度基本上等于在所述表面(10a, IOb)處的硬度H#b，所述第三區域的硬度基本上等于在軸承部件的未被硬化的核心(IOc)處的硬度，其中在第一區域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三區域 中的硬度分布具有平均硬度γ3，并且如果在點\k和點灸之
2.根據權利要求1所述的軸承部件(10)，其特征在于沿所述線確定的在所述第二區域(25)中的軸承部件(10)的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC、或少于每毫米15HRC減少。
3.根據權利要求1或2所述的軸承部件(10)，其特征在于在所述表面(10a，10b，12a，12b)的硬度Hwb在55-75HRC之間，優選地在58-63HRC之間。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的軸承部件(10)，其特征在于在軸承部件(10)的未被硬化的核心(10)處的硬度心在15-30HRC之間。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的軸承部件(10)，其特征在于所述第一區域(24)從表面(10a, 10b, 12a, 12b)延伸至所述表面(10a, 10b, 12a, 12b)以下最多6mm的深度，優選地延伸至所述表面(10a, 10b, 12a, 12b)以下l_4mm的深度。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的軸承部件(10)，其特征在于它是內環、外環或滾動元件中的任何一個。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的軸承部件(10)，其特征在于它構成滾動元件軸承，滾子軸承，滑動軸承，襯套，軸頸軸承或套筒軸承的至少一部分。
8.一種用于將軸承部件(10)的表面(10a，10b，12a，12b)的至少一部分(18)表面硬化(10a, 10b, 12a，12b)的方法，其特征在于它包括以下步驟:通過感應加熱利用電磁感應線圈(14)將表面(10a, 10b, 12a，12b)的所述至少一部分(18)加熱至鐵素體/奧氏體轉變溫度或更高，將所述表面的至少一部分(18)維持在那個溫度以容許所述表面(10a, 10b, 12a，12b)以下充分的熱量傳遞導致所述至少一部分(18)的充分的奧氏體化，以及將表面(10a，10b，12a，12b)的所述至少一部分(18)立即淬火以獲得穿過表面(10a, 10b, 12a，12b)的軸承部件(10)的截面,所述截面展現出在所述表面(10a，10b, 12a, 12b)處的硬度H<B和在軸承部件(10)的未被硬化的核心(IOc)處的硬度，其中所述截面的硬度分布展現出第一區域(24)、第三區域(26)和在所述第一區域和第三區域(26)之間的第二區域(25)，所述第一區域的硬度基本上等于在所述表面(10a，IOb)處的硬度Hwe，所述第三區域的硬度基本上等于在軸承部件(10)的未被硬化的核心(IOc)處的硬度心，其中在第一區域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三區域中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且如果在點
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于沿所述線所確定的在所述第二區域(25)中的軸承部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC或少于每毫米15HRC減少。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于它包括將內表面的所述至少一部分(18)維持在所述溫度至少10秒、20秒、30秒、40秒、50秒、60秒、70秒或多于70秒的步驟。
11.根據權利要求8-10中任一項所述的方法，其特征在于所述截面的硬度分布(22)其展現出第一區域(24)、第三區域(26)和在第一區域和第三區域(26)之間的第二區域(25)，所述第一區域的硬度基本上等于在所述表面(10a, 10b, 12a，12b)處的硬度H表面(10a, 10b，12a，12b)，所述第三區域的硬度基本上等于在軸承部件(10)的未被硬化的核心(IOc)處的硬度Hβ心αο。)，在所述第二區域中硬度分布展現出在所述第一區域和第三區域(26)的硬度之間的平滑過渡。
12.根據權利要求11所述的方法，其特征在于所述第一區域(24)從表面(10a，10b，12a, 12b)延伸至所述表面(10a, 10b, 12a, 12b)以下最多6mm的深度,優選地延伸至所述表面(10a, 10b, 12a, 12b)以下1-4mm 的深度。
13.根據權利要求8至12中任一項所述的方法，其特征在于所述軸承部件是內環、外環或滾動元件中的任何一個。
14.根據權利要求8至13中任一項所述的方法，其特征在于所述軸承部件構成滾動元件軸承，滾子軸承，滑動軸承，襯套，軸頸軸承或套筒軸承的至少一部分。
全文摘要
一種具有表面(10a，10b，12a，12b)的軸承部件(10)，所述表面的至少一部分(18)已經通過感應加熱被表面硬化。穿過所述表面(10a，10b，12a，12b)的軸承部件(10)的截面展現出在所述表面(10a，10b，12a，12b)處的硬度H表面和在軸承部件(10)的未被硬化的核心(10c)處的硬度H核心。所述截面的硬度分布展現出第一區域(24)、第三區域(26)和在所述第一區域和第三區域(26)之間的第二區域(25)，所述第一區域的硬度基本上等于在所述表面(10a，10b)處的硬度H表面，所述第三區域的硬度基本上等于在軸承部件的未被硬化的核心(10c)處的硬度H核心。在第一區域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三區域中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且在第二區域(25)中的硬度分布具有作為點(F)之間的線所限定的一段硬度分布，其中0＜k＜2。所述第二區域(25)的所述段的硬度以少于每毫米50HRC減少。
文檔編號C21D9/40GK103080344SQ201180039153
公開日2013年5月1日 申請日期2011年5月27日 優先權日2010年7月2日
發明者M.伯特舍恩 申請人:Skf公司