CN100410556C - 滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种滚动轴承，装配到汽车摇臂(4)上的滚动轴承(1)的内圈(5)和外圈(6)是由高碳铬轴承钢形成，通过在碳氮共渗化处理后先进行高温回火再进行高频淬火的热处理，使得其表层具有材料变化抵抗性以及具有200MPa以上的压应力，从而在和传统技术相同的材料成本条件下，能够大大改善滚动疲劳寿命和断裂疲劳强度。所以，虽然该轴承(1)是无保持架式而润滑条件易恶化、并且外圈(6)受到来自凸轮(3)的反复弯曲应力，但可以长期稳定使用。本发明的滚动轴承，在润滑条件苛刻的条件下或作用有弯曲应力的条件下可以长时间稳定使用。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及汽车摇臂用轴承等用于润滑条件要求严酷条件下或作用有弯曲应力的条件下的滚动轴承。
背景技术
近些年来，在汽车等的机械中，为了降低燃料费和无维护化，在与以往相比更苛刻的润滑条件下运行轴承的场合越来越多，如降低注入在机械中的滚动轴承的润滑油粘度、或者是不更换润滑油而长时间使用等。在这种润滑条件严酷的条件下使用的轴承中，滚圈和滚动体之间不会形成适度的油膜，产生表面发热或金属接触，存在不能满足所要求使用寿命的情况。尤其是在无保持架式滚动轴承(full compliment roller bearings)中，由于滚圈和滚子之间容易产生润滑油供给量不足现象，容易产生以滚圈表面为起点的剥离。举例来说，在本发明的实施例中，图1所示的汽车摇臂用轴承、针状滚动轴承，存在内圈(或者与内圈成一体的轴)上产生剥落而使寿命大幅度缩短的情况。
另一方面，在将来，为了提高机械动力性能，需要使用具有更高承载载荷的滚动轴承，可以预料到轴承的断裂问题就会非常明显。特别是如上述摇臂轴承这样没有安装在支架上而承受载荷作用的轴承或者安装在薄支架上的轴承，由于在使用时作用有反复弯曲应力，所以就非常有可能发生由疲劳而产生的断裂问题。
对于由上述滚动轴承这样苛刻的使用条件所产生的问题，若要通过改变轴承材料的方法来解决问题，通常会大大增加材料的成本，因此就需要寻求一种通过对热处理方面的研究来达到成本增加较少的方案。
这样的从热处理方面考虑采取的方法，已知的有碳氮共渗处理。碳氮共渗化处理是一种通过从钢质材料表面扩散渗入氮和碳，对表层赋予材质变化抵抗性(微组织变化抵抗性、硬度软化抵抗性)，从而使材料具有长使用寿命的技术，能扩展应用于由作为一般轴承材料而熟知的轴承钢、渗碳钢或机械用碳素结构钢形成的轴承内圈和外圈。
但是，由于碳氮共渗化处理是一种从材料表面扩散的技术，所以获取必要的碳氮共渗化深度所需要的时间长。因此存在碳氮共渗化处理过的材料表层组织变粗、整个晶粒变大，疲劳强度降低的问题。
此外，对于摇臂用轴承，提出了提高耐磨性的方法(渗碳或碳氮共渗化处理后进行了高频淬火的轴)(参考专利文件1)，在外圈的外周面和滚动面改变碳浓度分布，控制与内圈成一体形成的轴表层碳浓度和硬度以及内部的硬度，以达到防止由于与推进凸轮接触而导致的外圈磨损，但还没有着眼于滚动寿命和断裂强度的技术。
专利文献1：特开2002-194438号公报
发明内容
所以，本发明的课题在于提供一种能够长期稳定地使用于润滑条件严酷的条件、弯曲应力作用的条件中的廉价的滚动轴承。
为了解决上述课题，本发明提供由轴承钢、渗碳钢或机械用碳素结构钢形成的内圈和外圈、以及插入在两滚圈间的多个滚动体构成的滚动轴承，其中通过对上述内圈和外圈中的至少一方进行碳氮共渗化处理之后进行高频淬火，对其表层赋予200Mpa以上的压应力。
也就是说，通过至少对内圈和外圈进行渗碳氮处理后进行高频淬火而对其表层赋予材料变化抵抗性和200Mpa以上的高压应力，从而和传统的材料相比材料成本相同但表面耐损伤性提高，能够延长滚动疲劳寿命、提高疲劳强度。
这时作为上述热处理对象的滚圈，从滚动疲劳寿命方面来看，理想的是其表层在500℃的回火硬度达到Hv550以上；从疲劳强度方面来看，理想的是表层的奥氏体结晶粒度达到Gc 10以上。
而且，如果在碳氮共渗化处理和高频淬火之间进行高温回火处理的话，因回火时滚圈全体变为低硬度，所以可使此后由高频淬火赋予的表层压应力更大，还可进一步改善滚动疲劳寿命和疲劳强度。
本发明中上述的滚动体为滚子，能有效地用于其排列为无保持架式排列的滚动轴承。
而且，即使在严酷润滑条件下使用且在使用时作用反复弯曲应力的汽车摇臂用轴承中，本发明的使用效果也非常显著。
附图说明
图1是实施例滚动轴承在摇臂上的安装状态的主视剖面图。
图2是表示滚动疲劳寿命比较实验的对象材料和实验结果的图表。
图3是表示断裂疲劳寿命比较试验的对象材料和实验结果的图表。
符号说明
1滚动轴承，2阀门，3凸轮，4摇臂，4a固定轴，5内圈，6外圈，7滚子，8摇臂轴，9弹簧，10凸轮轴。
具体实施方式
下面，基于图1～图3说明本发明的实施例。图1示出了把实施例的滚动轴承1组装在摇臂4中的状态，该摇臂4设置在汽车发动机阀门2和开关该阀门的凸轮3之间。滚动轴承1由嵌入到摇臂4的固定轴4a的内圈5、与凸轮3对置的外圈6、和在该两滚圈5、6之间以无保持架状态配置的多个滚子7构成。一方面，摇臂4的中央部固定在可自由转动的摇臂轴8上，摇臂4的一端部与阀门2相连，利用阀簧9，摇臂4向图面下方赋力，安装在摇臂另一端侧的轴承1的外圈6的外周面经常压靠在凸轮3上。因此，一旦凸轮3与凸轮轴10一起绕其轴心转动，摇臂4就能利用轴承1进行摆动，阀门2上下运动进行开闭。
上述滚动轴承1的内圈5、外圈6和滚子7全都由高碳铬轴承钢形成。并且，在热处理时，对滚子7只进行通常的碳氮共渗化处理，对内圈5和外圈6，在碳氮共渗化处理后先进行高温回火处理再进行高频淬火处理。通过这样的热处理，各个滚圈5、6的表层被赋予200Mpa以上的压应力，同时，表层在500℃的回火硬度在Hv 550以上，其结果是使得滚动疲劳寿命和断裂疲劳强度都得以大幅度改善。而且对于外圈6，适当设定高频淬火时的加热温度来进行控制，使形成表层的奥氏体结晶粒度为Gc 10以上的细粒，从而使其断裂疲劳强度更高于内圈5。
因此，该轴承1虽以无保持架方式在润滑条件容易恶化且外圈6承受来自凸轮3的反复弯曲应力和接触应力的状态下被使用，但也不会在早期发生滚圈5、6的表面剥离、断裂，能够长时间稳定使用，也能应付以提高汽车性能为目的而润滑条件或载荷条件苛刻的场合。
上述实施例中，对内圈和外圈双方，通过在碳氮共渗化处理之后进行高温回火和高频淬火热处理，对各自表层赋予了200Mpa以上的压应力，但也可以对其中任一方进行热处理。另外，根据轴承的用途和使用条件，也可以省略上述热处理中的高温回火。
此外，作为接受包含碳氮共渗化处理和此后的高频淬火的热处理的滚圈材料，并不局限于轴承钢，也可以使用渗碳钢或机械构造用的碳素钢。
下面，对用于确认上述本发明轴承性能所进行的实验进行说明。
(1)滚动疲劳寿命比较实验
该实验中，对全滚式且内圈和轴形成一体的针状滚轴承调查了其内圈(轴)的滚动疲劳寿命。作为实验的对象材料，将内圈(轴)材料和热处理不同的轴承，包括比较例共准备了7种。各轴承内圈(轴)为外径14.64毫米×宽17.3毫米，外圈为内径18.64毫米×外径24毫米×宽6.9毫米，滚子为外径2毫米×长6.8毫米(26根)，在图2中示出了各内圈(轴)材料和热处理以及实验结果。另外，作为外圈和滚子，使用了由高碳铬轴承钢形成的进行过通常的碳氮共渗化处理的。
图2的表中所示的内圈(轴)的热处理中，实施例的轴承钢的碳氮共渗化处理(No.1、3)，是在碳势为1.1-1.2％、氨浓度为5％的气氛中，在850℃加热90分钟，形成深度约为0.3毫米的碳氮共渗化层后，进行了油淬火，处理后的表层碳浓度为1.05-1.1％，氮浓度约为0.25％。
另一方面，在渗碳钢的碳氮共渗化处理(No.2、4)中，在920℃的温度加热400分钟的期间内，其中在前250分钟，在碳势为1.0％的气氛中只进行渗碳处理，在后150分钟内，在碳势为0.8％、氨浓度为7％的气氛中进行碳氮共渗化处理，形成深度约1.5毫米的渗碳硬化层和深度约0.3毫米的碳氮共渗化层后，进行了油淬火。处理之后的表层碳浓度约为1.0％，含氮浓度约为0.35％。
并且，在碳氮共渗化处理后进行了高频淬火的各实施例(No.1-4)中，也形成了深度约1毫米的硬化层。而且，在碳氮共渗化处理和高频淬火间进行高温回火的实施例(No.3、4)中，回火温度为600℃。
与这些实施进行对比，比较例中轴承钢的标准热处理(No.5)，是在碳势为0.9％的气氛中，850℃加热45分钟后进行了油淬火。轴承钢的碳氮共渗化处理(No.6)的条件和实施例(No.2、4)的条件相同。另外，渗碳钢的标准渗碳处理(No.7)，是在920℃加热400分钟的期间内，前250分钟在碳势为1.0％的气氛中进行渗碳，后150分钟在碳势为0.8％的气氛中进行扩散，此之后进行了油淬火处理。
在外圈旋转式寿命试验机上放置上述各轴承，在下列试验条件下，测定在各自内圈(轴)表层产生剥离为止所需的时间。
(试验条件)
载荷：2.58kN(基本额定动载荷的30％)
外圈旋转速度：7000rpm
润滑油：发动机油(10W-30)
润滑油温度：100℃
并且，把各轴承内圈(轴)表层剥离前的时间换算成以轴承钢的标准热处理品(No.5)作为基准的比值。把这些比值作为滚动疲劳寿命比表示在图2中。
从图2中可以清楚看出，在各实施例中，都可以确保内圈(轴)表层具有200Mpa以上的压应力和500℃时的回火硬度在Hv550以上，而且滚动疲劳寿命为标准品(No.5)的3.5倍以上。另外，在碳氮共渗化处理和高频淬火之间进行了高温回火的实施例(No.3、4)和分别使用相同钢材没有进行高温回火的实施例(No.1、2)相比，压应力更高，寿命更长。
(2)断裂疲劳寿命比较实验
在该实验中，将材料和热处理不同的环形试验片包括比较例共准备了7种(各4个)。每一试验片的尺寸，是内径为45毫米，外径60毫米，宽15毫米，图3分别示出了每一材料和热处理以及实验结果。图3的表中示出的各实施例和比较例中的热处理内容与在上述图2中说明的相同。
将这些各试验片放置在环形断裂疲劳寿命试验机上，测定了在下列试验条件下旋转且外加反复载重后产生断裂为止所进行的重复次数。
(试验条件)
载荷：9.8kN
负载速度：8000cpm
润滑油：透平油(VG 68)
而且，把每一试验片断裂前的重复次数换算成以轴承钢的标准热处理品(No.5)作为基准的比值，在图3中示出了这些断裂疲劳寿命比。而且图3中的数值是同一种类的4个试验片的平均值。
从图3中可以清楚看出，在每一实施例中，表层的压应力都在200Mpa以上，500℃回火硬度都在Hv550以上，奥氏体结晶粒度在Gc10以上，与标准品(No.5)相比，大幅度改善了断裂疲劳寿命。
发明效果
如上所述，本发明通过对滚动轴承的内圈和滚圈中的至少一方在碳氮共渗化处理之后进行高频淬火，对其表层赋予了材料变化抵抗力200Mpa以上的高压应力，所以在和传统轴承材料相同的成本条件下，能够大幅度改善滚动疲劳寿命和断裂疲劳强度。
所以，使用了本发明的滚动轴承，能够长期稳定地使用于润滑条件严酷或作用有弯曲应力的用途中，而且还可以应付今后润滑条件和载荷条件苛刻的场合。

Claims (7)

1. 一种滚动轴承，由以轴承钢、渗碳钢或机械用碳素结构钢形成的内圈和外圈、及装配在上述两滚圈之间的多个滚动体构成，其特征在于，上述内圈和外圈中的至少一方通过在碳氮共渗化处理之后进行淬火接着进行高频淬火的热处理，其表层被赋予200Mpa以上的压应力，同时其表层的奥氏体结晶粒度为Gc10以上。
2. 如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，上述内圈和外圈中，经过上述热处理的滚圈的表层在500℃的回火硬度为Hv550以上。
3. 如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，上述热处理，在碳氮共渗化处理和高频淬火之间还进行高温回火。
4. 如权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于，上述热处理，在碳氮共渗化处理和高频淬火之间还进行高温回火。
5. 如权利要求1～4中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，上述滚动体为滚子，并且其排列是无保持架式排列。
6. 如权利要求1～4中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，用以组装在汽车的摇臂上。
7. 如权利要求5所述的滚动轴承，其特征在于，用以组装在汽车的摇臂上。
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