CN100412395C - 传动零件、制造传动零件的方法和圆锥滚子轴承 - Google Patents

传动零件、制造传动零件的方法和圆锥滚子轴承 Download PDF

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Abstract

一传动零件，它结合在其中由滚动轴承可转动地支承一输入轴(11)、一输出轴(12)、或齿轮(14c，14h至14k)的一传动装置中。该零件在一表层有一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒尺寸号的一奥氏体晶粒。这提供了具有一增加的抗裂强度、提高的尺寸稳定性和一较长的疲劳使用寿命的一传动零件。还提供了制造这一传动零件的一方法和一圆锥滚子轴承。

Description

传动零件、制造传动零件的方法和圆锥滚子轴承
技术领域
本发明涉及具有一较长的滚动接触疲劳使用寿命、提高的抗裂强度或一减少的长期的尺寸变化的一传动零件，以及构造该零件的一方法和一圆锥滚子轴承。
背景技术
为延长一轴承的零件的使用寿命，进行一热处理.具体地，例如，在淬火零件时，将它们在带有进一步引入其中的氨气的一环境KX气体中进行加热，用于对它们的表层部分渗碳-氮，例如在日本专利公开号8-4774和11-101247中所揭示的那样。这渗碳-氮处理能硬化表层部分和产生一微观结构形式的所含奥氏体，用于延长滚动接触疲劳使用寿命。
上述渗碳-氮处理是扩展碳和氮的处理。它要求保持一较长时期的一高温。从而，例如产生了一粗化结构和几乎没有获得提高的抗裂强度。并且，随着保持更多的奥氏体，就增加了长期尺寸变化速率，这也是这渗碳-氮处理中的一问题。
通过依靠提供一调整的成份的一合金钢，防止滚动疲劳，能保证一延长的使用寿命，提供提高的抗裂强度和避免一增加的长期尺寸变化。但是，依靠设计该合金，不利地增加了原材料成本。
在一传动装置中的未来的轴承将被使用在高温下施加大载荷的环境中.此外，将要求它们使用在一缩小尺寸的传动装置中。因此，将要求该轴承可在比传统更高的温度、较大载荷之下工作.因此，要求一轴承具有较大强度、较长的防止滚动接触疲劳的使用寿命和较大的防裂强度和尺寸稳定性。
发明内容
本发明的一目的是提供具有一增加的抗裂强度、一提高的尺寸稳定性和一延长的疲劳使用寿命(或在一圆锥滚子轴承或当该零件是一滚动轴承或一滚动轴承的零件时的一延长的滚动接触疲劳使用寿命)的一传动零件和制造该零件的一方法和一圆锥滚子轴承。
本发明提供结合在能够通过齿轮的啮合相对于一输入轴的一转速改变一输出轴的一转速的一传动装置中的一传动零件。该零件在一表层处具有一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的晶粒号的一奥氏体晶粒。
在按照本发明的传动零件中，一小的奥氏体晶粒尺寸允许显著地增加抗裂强度、尺寸稳定性和疲劳使用寿命(或当该零件是一滚动轴承或一滚动轴承的零件时的滚动接触疲劳使用寿命)。对于10或以下的奥氏体晶粒尺寸号，任何显著地改善疲劳使用寿命都是不可能的，从而该晶粒尺寸号大于10，以及较佳地为11或以上。虽然希望有进一步更细的奥氏体晶粒，但是超过13的晶粒尺寸号通常是难以实现的。应注意不论传动零件的奥氏体组织可以是在当渗碳-氮时显著影响的一表层部分内或比表层部分较内部的一部分内，该奥氏体不变化。从而，表层部分和该内部将被设定为用于上述晶粒号范围的对象的诸位置。
本发明提供结合在能够通过齿轮的啮合相对一输入轴的一转速改变输出轴的一转速的一传动装置内的另一传动零件。该零件具有在一表层处的一渗氮层和至少2650兆帕的一断裂应力值。
本发明发现能够对在超过一A1转变点的一温度进行渗碳-氮、然后冷却至低于A1转变点的一温度、随后再加热至高于A1转变点的一温度范围和进行淬火的钢提供一渗氮层，该渗氮层允许该钢提供不低于2650兆帕的一断裂应力值，该值在传统是不能实现的。从而能够获得在断裂应力方面超过传统的传动零件、因此在强度方面更大的一传动零件。
本发明提供结合在能够通过齿轮的啮合相对一输入轴的一转速改变一输出轴的一转速的一传动装置中的另一传动零件。该零件在一表层有一渗氮层和至多百万分之0.5的氢含量。
在按照本发明的又一传动零件中，能够减轻由于氢造成的钢的脆性。如果钢具有超过百万分之0.5的一氢含量，那么该钢就有较低的抗裂强度。这样的钢不大适合用于对经受重载荷的一轴的一支承结构。希望有较低的氢含量。但是，氢含量下降至低于百万分之0.3要求长时间的热处理，这造成奥氏体晶粒尺寸的增加，从而降低了韧性(toughness)。从而，希望氢含量在百万分之0.3至0.5的范围内，更较佳地在百万分之0.35至0.45的范围内。
在测量以上氢含量中，不测量可扩散的氢和仅测量在一预定温度或更高温度从钢释放的不可扩散的氢。甚至在室温下，在一小尺寸试样中的可扩散的氮从该试样释放、扩散，所以不测量可扩散的氢。不可扩散的氢包容在钢中的任何缺陷之中和仅在一预定加热温度或更高温度下从该钢释放。既使仅测量不可扩散的氢，但氢含量会依据测量方法有相当大的变化。所以由热导电率确定上述氢含量的范围。此外，如后面所述，可以由一LECO DH-103氢测定仪或类似测量装置进行该测量。
上述传动零件较佳地是可转动地支承输入轴、输出轴、或各齿轮的一滚动轴承，以及该滚动轴承是一圆锥滚子轴承。
上述传动零件较佳地是可转动地支承输入轴、输出轴、或各齿轮的一滚动轴承，以及该滚动轴承是一滚针轴承。
上述传动零件较佳地是可转动地支承输入轴、输出轴、或各齿轮的一滚动轴承，以及该滚动轴承是一球轴承。
本发明提供制造结合在能够通过齿轮的啮合相对一输入轴的一转速改变一输出轴的一转速的一传动装置中的一传动零件的一方法。该零件通过对一轴承的零件在高于一A1转变点的一温度渗碳-氮、然后对该钢冷却至低于A1转变点的一温度、随后对该钢再加热至不低于A1转变点和低于对钢渗碳-氮的温度的一温度范围、以及对该钢淬火而形成。
在制造传动零件的本方法中，在对钢渗碳-氮之后，将该钢冷却至低于A1转变点的一温度，然后最终淬火。能够获得一较细的奥氏体晶粒尺寸，其结果，能够改进摆锤式冲击试验值、断裂韧性、防裂强度、疲劳使用寿命(或在该零件是一滚动轴承或一滚动轴承的零件时的滚动接触疲劳使用寿命)等。
并且例如通过冷却到奥氏体转变的一温度，在渗碳-氮中的奥氏体晶粒边界能够与最后淬火中的情况无关。此外，最后淬火温度低于渗碳-氮温度，从而在受渗碳-氮处理影响的表层中的未溶解的碳素体的数量与在渗碳-氮处理中的该数量相比有了增加。从而未溶解的碳素体的比值增加，同时在最后淬火中的加热温度下奥氏体的比值较在渗碳-氮处理中的那些比值有了下降。此外，从铁-碳两相图可知，在碳素体和奥氏体共存的区域内，在碳的固态溶体中的碳和奥氏体的浓度随着淬火温度的下降而下降。
当温度上升到最后淬火温度时，由于保留了防止奥氏体晶粒增长的大量未溶解的碳素体，使奥氏体晶粒较细。而且，通过淬火从奥氏体至马丁体转变的结构具有一较低的碳浓度，从而该结构较从渗碳-氮温度淬火的结构具有较高的韧性。
在制造传动零件的本方法中，较佳地是将钢加热至790℃到830℃的一温度范围，然后对它淬火。
将钢再加热至几乎不允许奥氏体晶粒增长的一温度，然后对钢淬火。从而能够获得较细的奥氏体晶粒尺寸。
本发明提供了具有一内环、一外环和圆锥滚子的一圆锥滚子轴承。内环、外环和圆锥滚子的至少任何一个具有一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒尺寸号的一奥氏体晶粒。
在按照本发明的圆锥滚子轴承中，提供较小奥氏体晶粒尺寸的内环、外环、滚动体的至少任何一个允许显著地增加抗裂强度、尺寸稳定性和滚动接触疲劳使用寿命。对于10或以下的奥氏体晶粒尺寸号，任何显著地改进滚动疲劳使用寿命是不可能的，从而晶粒尺寸号是大于10，较佳地为11或以上。虽然希望有进一步更细的奥氏体晶粒，但通常很难实现超过13的晶粒尺寸号。应注意在传动装置中轴的支承结构的内环、外环和滚动体的一奥氏体组织不管它可以在当对其渗碳-氮时受显著影响的一表层内或较表层部分在内部的一部分都是不变的。从而，表层部分和内部将被设定为用于上述晶粒号范围的对象的诸位置。
在本说明书中的内和外环可以与例如一轴或一壳体的一零件合并，或可以与这一零件分开地提供。
奥氏体晶粒还涉及在通过冷却奥氏体转变成铁素体相、例如马丁体或贝氏体之后它的少量残余。在淬火之前的一奥氏体晶粒边界有时称为“在前的奥氏体晶粒边界”，区别于淬火后的保留的奥氏体晶粒。即，使用“奥氏体晶粒”和“在前的奥氏体晶粒边界”表示相同的内容。
在前的奥氏体晶粒边界在受到一加工、例如对新研究的零件的一金属相试样进行的一侵蚀加工、显现一晶粒边界之后能够被观察到。为了测量该晶粒尺寸，可以将由ASTM(美国测试和材料协会)规定的晶粒号的平均值(＝最多8微米的平均晶粒尺寸)转换成获得一平均晶粒直径，或可以使用截断方法等，其中在一金属相结构上、在一任意方向放置一直线，从而获得在该直线与晶粒边界相交的诸点之间的平均长度。
通过如下将讨论的一渗碳-氮处理形成上述渗氮层。该渗氮层可以或可以不含有较多的碳。
从以下结合附图的本发明的详细叙述中，本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显。
附图简述
图1是一传动装置结构的一示意剖视图，其中结合了按照本发明的一实施例的一传动零件。
图2是用作为图1所示的滚动轴承10A和10B的一深沟球轴承的结构的示意剖视图。
图3是示出应用于在本发明的一实施例中的传动零件的一热处理方法的一过程图。
图4是示出应用于在本发明的该实施例中的传动零件的热处理方法的一示例性变化的一过程图。
图5A示出了按照本发明的一轴承的一微观结构、更具体地为奥氏体晶粒；图5B示出了背景技术中的一轴承的一微观结构、更具体地为奥氏体晶粒。
图6A是图5A所示的奥氏体晶粒边界图，图6B是图5B所示的奥氏体晶粒边界图。
图7是一圆锥滚子轴承结构的一示意剖视图。
图8是一圆柱滚子轴承结构的一示意剖视图。
图9是一滚针轴承结构的一示意剖视图。
图10是一自调准滚子轴承结构的一示意剖视图。
图11是其中使用图7所示的圆锥滚子轴承作为在一传动装置中的一轴的一支承结构的一结构示意图。
图12是其中使用图10所示的自调准滚子轴承作为一传动装置中一轴的一支承结构的一结构示意图。
图13示出用于一静压力断裂强度试验(测量断裂应力)的一试样。
图14A是一滚动接触疲劳使用寿命试验仪的一示意正视图，图14B是该滚动接触疲劳使用寿命试验仪的一示意侧视图。
图15示出用于一静态断裂韧性试验的一试样。
具体实施方式
以下将参照附图叙述本发明的实施例。
参阅图1，这传动装置是一啮合的传动装置，它主要包括滚动轴承10A至10F、一输入轴11、一输出轴12、一中间轴13、齿轮14a-14k和一壳体15。
由壳体15通过滚动轴承10A可转动地支承输入轴11。在这输入轴11的外周边部分处设置齿轮14a，以及在其内周边部分设置齿轮14b。
壳体15通过滚动轴承10B可转动地支承输出轴12的一侧，同时输出轴12的另一侧由输入轴11通过滚动轴承10C可转动地支承。这输出轴12设置有齿轮14c至14g。这些齿轮14c至14g的轴向载荷由为一推力滚针轴承的滚动轴承10F支承。
齿轮14c和14d分别设置在一零件的外和内周边部分处。带有齿轮14c和14d的零件由输出轴12通过滚动轴承10D可转动地支承。齿轮14e安装在输出轴12上，从而它与输出轴一起转动和可在输出轴12上轴向滑动。
齿轮14f和14g都设置在一零件的外周边部分处。带有齿轮14f和14g的零件安装在输出轴上，以致它与输出轴12一起转动和可在输出轴12上轴向滑动。当带有齿轮14f和14g的零件朝该图中的左侧滑动时，齿轮14f能与齿轮14b啮合。当带有齿轮14f和14g的零件朝该图的右侧滑动时，齿轮14g能与齿轮14d啮合。
中间轴13固定于壳体15。中间轴13通过滚动轴承10E可转动地支承具有齿轮14h和14k等的一齿轮件。齿轮14h始终与齿轮14a啮合，以及齿轮14i始终与齿轮14c啮合。当齿轮14e朝该图的左侧滑动时，齿轮14j能与齿轮14e啮合。当齿轮14c朝该图的右侧滑动时，齿轮14k能与齿轮14e啮合。
在本实施例中，对于输入轴11的支承结构具有滚动轴承10A和10C，同时对于输出轴的支承结构具有滚动轴承10B和10C。例如滚动轴承10A和10B是深沟球轴承。例如，滚动轴承10C是滚针轴承。对于齿轮14c和14h至14k的支承结构有滚动轴承10D至10F。例如，滚动轴承10D和10E是滚针轴承。滚动轴承10F是推力滚针轴承。
参阅图2，深沟球轴承10A和10B各有固定于壳体15的一外环1(一外零件)、固定于输入轴11或输出轴12的一内环2(一内零件)、在外环1和内环2之间滚动的许多球3以及将许多球3相互间以一等间距保持在适当位置的一保持架4。
返回参阅图1，用作为滚动轴承的滚针轴承10C具有一保持架和滚子结构，其一保持架保持许多滚针3b。在这结构中，滚动轴承的一外零件与输入轴11相合并，同时它的内零件与输出轴12相合并。
用作为轴承10D和10E的滚针轴承各具有一保持架和滚子结构，其中由一保持架保持许多滚针3b。在这结构中，该滚动轴承的外零件与齿轮14c或14h至14k合并在一起，同时其内零件与输出轴12或中间轴13合并在一起。用作为滚动轴承10F的推力滚针轴承有固定于中间轴13的一外环1c(一外零件)、固定于带有齿轮14h至14k的齿轮件的一内环2C(一内零件)、在外环1c和内环2c之间滚动的许多滚针3c以及将许多滚针3c以相互间的一等间距保持在适当位置的一保持架。
结合在上述传动装置中的传动零件(例如滚动轴承10A至10F的外零件、内零件和滚动体、输入轴11、输出轴12、中间轴13、齿轮14a至14k、壳体15等的至少一个)具有在一表层处的一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒号的一奥氏体组织。
尤其当各滚动轴承10A至10F的外零件、内零件和滚动体的至少任何一个是按照本发明的传动零件时，外零件(外环1、输出轴12或齿轮14c、14h至14k的一外环部分)、内零件(内环2、输入轴11的一内环部分、输出轴12的一内环部分或中间轴13的一内环部分)和滚动体(球3或滚针3b、3c)的至少任何一个包括具有一渗氮层和落在超过10的一范围内的一晶粒号的一奥氏体组织的钢。
而且，结合在上述传动装置中的传动零件(例如，滚动轴承10A至10F的外零件、内零件和滚动体、输入轴11、输出轴12、中间轴13、齿轮14a至14k、壳体15等的至少一个)具有在一表层处的一渗氮层和至少2650兆帕的一断裂应力值。
尤其当各滚动轴承10A至10F的外零件、内零件和滚动体的至少任何一个是按照本发明的传动零件时，外零件(外环1、输出轴12或齿轮14c、14h至14k的一外环部分)、内零件(内环2、输入轴11的一内环部分、输出轴12的一内环部分或中间轴13的内环部分)和滚动体(球3或滚针3b、3c)的至少任何一个包括具有一渗氮层和具有至少2650兆帕的一断裂应力值。
而且，结合在上述传动装置的传动零件(例如滚动轴承10A至10F的外零件、内零件和滚动体、输入轴11、输出轴12、中间轴13、齿轮14a至14k、壳体15等的至少一个)具有在一表层处的一渗氮层和在钢中的最多百万分之0.5的一氢含量。
尤其当各滚动轴承10A至10F的外零件、内零件和滚动体的至少任何一个是按照本发明的传动零件时，外零件(外环1、输出轴12或齿轮14c、14h至14k的一外环部分)、内零件(内环2、输入轴11的一内环部分、输出轴12的一内环部分或中间轴13的内环部分)和滚动体(球3或滚针3b、3c)的至少任何一个包括具有一渗氮层和具有在钢中的最多百万分之0.5的一氢含量的钢。
以下将叙述关于这传动装置的一变速工作。
当齿轮14f不与齿轮14b啮合、齿轮14g不与齿轮14d啮合以及齿轮14e与齿轮14j啮合时，输出轴11的驱动力通过齿轮14a、14h、14j和14e传到输出轴12。例如，在这状态中的传动装置是处于第一档中。
当齿轮14g与齿轮14d啮合、齿轮14e不与齿轮14j啮合时，输入轴11的驱动力通过14a、14h、14i、14c、14d和14g传到输出轴12。例如，在这状态中的传动装置是处于第二档中。
当齿轮14f与齿轮14b啮合、齿轮14e不与齿轮14j啮合时，齿轮14b和14f的啮合将输入轴11直接连接到输出轴12，从而输入轴11的驱动力直接传到输出轴12。例如，在这状态中的传动装置处于第三档(高档)中。
以下将叙述按照本发明的关于执行在该传动装置上的包括一渗碳-氮处理的一热处理。
图3示出了一热处理流程图，按照该图进行主淬火和第二次淬火；图4示出了一热处理流程图，按照该图在一淬火处理中一材料被冷却到低于A1转变点的一温度，以及然后再加热进行最终的淬火。这两图都是本发明的示例性实施例。
参阅图3，用于一轴承的零件的钢被加热到用于渗碳-氮的、高于A1转变点的一温度(例如845℃)。在这温度，对钢进行渗碳-氮处理。在一处理温度T1下，碳和氮在一钢基体中扩散，从而碳能够充分地被包含在钢中。然后，在处理温度T1的用于轴承的零件的钢受到油淬火，被冷却到低于A1转变点的一温度。然后，钢在180℃进行回火。但是，可以省去这回火。
然后将此钢再次加热到不低于A1转变点的和低于该钢渗碳-氮的温度的一温度(例如800℃)。在这温度下，保持该钢进行一处理T2。然后在处理温度T2下，使该钢进行油淬火、冷却到较A1转变点低的一温度。然后，在180℃下对该钢回火。
参阅图4，首先将用于轴承的零件的钢加热至高于A1转变点的、用于渗碳-氮的温度(例如845℃)。在这温度下，该钢受到渗碳-氮处理。在处理温度T1下，碳和氮扩散进入钢基体，以致碳能充分地被包含在钢内。此后，不对用于轴承的零件的钢淬火，但冷却到低于A1转变点的一温度。然后，对该钢再次加热到不低于A1转变点和低于对钢渗碳-氮的温度的一温度(例如800℃)。将该钢在这温度下，进行处理T2。然后，在处理温度T2下对该钢进行油淬火、冷却到低于A1转变点的一温度。然后，在180℃下对该钢进行回火。
与普通的或通常的淬火(据此进行渗碳-氮，然后立即进行淬火)比较，以上讨论的热处理能够提供提高的断裂强度和降低的长期尺寸变化速率，同时对表层渗碳-氮。这热处理也能够产生具有晶粒尺寸小于传统的该晶粒尺寸的一半或以上的奥氏体晶粒的一微观结构。接受了上述热处理的传动零件能够具有一较长的疲劳使用寿命(或者当该零件是一滚动轴承或一滚动轴承的零件时一较长的滚动接触疲劳使用寿命)，一提高的抗裂强度和一降低的长期尺寸变化速率。
上述的两热处理允许它们的渗碳-氮处理产生是一“渗碳-氮”的一渗氮层。由于用于渗碳-氮处理的材料、钢、具有一碳的高浓度，所以在通常渗碳-氮处理的大气中的碳不可能容易地进入该钢的表面。例如，对于具有一高碳浓度(大约1％重量)的钢，一渗碳层可以具有较这数值较高的一碳浓度，或者可以形成没有比这数值更高的碳浓度的一渗碳层。但是，在普通钢中的氮浓度通常低到大约最高不大于0.025％的重量，不过这取决于铬的浓度等。因此，能够明显地形成一渗氮层，而与原来钢中的碳浓度无关。将会理解上述渗氮层也可以含较多的碳。
图5A示出了进行过图3所示的热处理的一轴承钢的奥氏体的一晶粒尺寸。作为比较，图5B示出了经受传统热处理的一轴承钢的奥氏体的一晶粒尺寸。图6A和6B示意地示出了图5A和5B所示的奥氏体的晶粒尺寸。在带有奥氏体的晶粒尺寸的结构中，传统的奥氏体的晶粒直径是由JIS(日本工业标准)所确定的一晶粒尺寸号10，而本发明的、通过其热处理的奥氏体晶粒尺寸号是12，以及可以看到更细的晶粒。而且，图5A的平均晶粒直径是由截断方法测得的5.6微米。
以下将叙述在传动装置中用于轴的支承结构的一修改情况。
在图1所示的结构中，作为用于轴的支承结构的滚动轴承10A和10B是深沟球轴承。但是，滚动轴承10A和10B可以是如图7所示的圆锥滚子轴承或如图8所示的圆柱滚子轴承。
当图7中的圆锥滚子轴承和图8中的圆柱滚子轴承各自的一外零件(外环1)、一内零件(内环2)和一滚动体(滚子3)的至少任何一个按照本实施例的传动零件时，诸零件的该任何一个包括具有一渗氮层和具有带一晶粒尺寸号落在超过10的一范围内的一奥氏体组织的钢。
并且，当图7中的圆锥滚子轴承和图8中的圆柱滚子轴承各自的外零件(外环1)、内零件(内环2)和滚动体(滚子3)的至少任何一个是按照本实施例的传动零件时，诸零件的该任何一个包括具有一渗氮层和具有至少2650兆帕的一断裂应力值的钢。
并且，当图7中的圆锥滚子轴承和图8中的圆柱滚子轴承各自的外零件(外环1)、内零件(内环2)和滚动体(滚子3)的至少任一个是按照本实施例的传动零件时，诸零件的该至少一个包括具有一渗氮层和具有最多百万分之0.5的一氢含量的钢。
当图7的圆锥滚子轴承和图8的圆柱滚子轴承各自的外零件(外环1)、内零件(内环2)和滚动体(滚子3)的至少任一个是按照本实施例的传动零件时，诸零件的该任一个由如图3和4中所示的方法形成。
图7所示的圆锥滚子轴承在外环1和内环2之间有由保持架4保持的许多圆锥滚子(锥子滚子)3。这圆锥滚子轴承被设计成外环1和内环2的滚道表面和滚子3的一圆锥的顶点汇聚在轴承中心线上的一点。因此，来自外环1和内环2的滚道表面的合力将滚子3压向内环2的一大环圈，同时沿着滚道引导和滚动滚子3。
图8所示的圆柱滚子轴承在外环1和内环2之间具有由保持架4保持的许多圆柱滚子3。
图9所示的滚针轴承在外环1和内环部分(未示出)之间具有由保持架4保持的许多滚针3。滚针3通常具有最大5毫米的一直径和为直径3至10倍的一长度。
图10所示的自调准滚子轴承在外环1和内环2之间具有许多桶形滚子3，这些滚子被设置成两行和被保持架4保持住。被设置成两行的这些桶形滚子3具有能够处理轴的倾斜等的自调准的能力。
参阅图11，其上设置有许多齿轮24a至24d的一轴21由壳体15通过圆锥滚子轴承10A(或10B)可转动地支承。
参阅图12，其上设置有许多齿轮34a至34d的一轴31由壳体15通过自调准滚子轴承10A可转动地支承。
结合在图11或12所示的传动装置中的传动零件(例如，如图11所示的许多齿轮24a至24d，轴21，圆锥滚子轴承10A和10B的外零件、内零件和滚动体，壳体15等的至少一个；或如图12所示的许多齿轮34a至34d，轴31，自调准滚子轴承10A的外零件、内零件和滚动体，壳体15等的至少一个)具有在一表层处的一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒尺寸号的一奥氏体组织。
结合在图11或12所示的传动装置中的传动零件(例如，如图11所示的许多齿轮24a至24d，轴21，圆锥滚子轴承10A和10B的外零件、内零件和滚动体，壳体15等的至少一个；或如图12所示的许多齿轮34a至34d，轴31，自调准滚子轴承10A的外零件、内零件和滚动体，壳体15等的至少一个)具有在一表层处的一渗氮层和至少2650兆帕的一断裂应力值。
结合在图11或12所示的传动装置中的传动零件(例如，如图11所示的许多齿轮24a至24d，轴21，圆锥滚子轴承10A和10B的外零件、内零件和滚动体，壳体15等的至少一个；或如图12所示的许多齿轮34a至34d，轴31，自调准滚子轴承10A的外零件、内零件和滚动体，壳体15等的至少一个)具有在一表层处的一渗氮层和至多百万分之0.5的一氢含量。
在图1所示的结构中，作为用于轴的支承结构的滚子轴承10C是一滚针轴承。但是，滚动轴承10C可以是如图2所示的深沟球轴承、图7所示的圆锥滚子轴承、图8所示的圆柱滚子轴承、图9所示的滚针轴承(具有一外环或一内环的结构)或图10所示的自调准滚子轴承。
在以上实施例中主要叙述了啮合的传动装置。但是，本发明不局限于这类型的传动装置。本发明也可应用于其它类型的传动装置，例如一滑动-啮合传动装置或一同步-啮合传动装置。
现在将以举例方式叙述本发明。
例子1
使用JIS-SUJ2(1％重量的碳，0.25％重量的硅，0.4％重量的锰，1.5％重量的铬)用于本发明的例子1。在表1所示的试样各通过以下所述的步骤生产。
表1
  样品   A   B   C   D   E   F   传统的渗碳氮产品   通常的淬火产品
  第二次淬火温度(℃)  780<sup>1)</sup>   800   815   830   850   870
  氢含量(百万分之)   0.37   0.40   0.38   0.42   0.40   0.72   0.38
  晶粒尺寸号   12   11.5   11   10   10   10   10
  (JIS)
  摆锤式冲击试验值(焦/厘米<sup>2</sup>)   6.65   6.40   6.30   6.20   6.30   5.33   6.70
  断裂应力值(兆帕)   2840   2780   2650   2650   2700   2330   2770
  滚动接触疲劳使用寿命比值(L<sub>10</sub>)   5.4   4.2   3.5   2.9   2.8   3.1   1
1)由于不充分的淬火，所以这次不评价。
试样A-D：本发明的例子
在KX气体和氨气的一混合物的一大气中、在850℃下保持150分钟进行渗碳-氮。按图3的热处理图，从850℃的一渗碳-氮温度进行主淬火，以及通过加热至低于渗碳-氮温度的从780℃至830℃的一温度范围中的一温度进行随后的第二次淬火。由于试样A的淬火不充分，所以没有测试带有780℃的一第二次淬火温度的试样A。
样品E和F：本发明的例子
这些试样通过与本发明的试样A-D的相同步骤进行渗碳-氮，然后在等于或高于850℃的渗碳-氮温度的从850℃至870℃的一温度进行第二次淬火。
传统的渗碳-氮试样：比较例子
在KX气体和氨气的一混合物的一大气中、在850℃下保持150分钟进行渗碳-氮。从渗碳-氮温度连续进行淬火以及不进行第二次淬火。
通常的淬火样品：比较例子
没有渗碳-氮，通过加热至850℃进行淬火，以及不进行第二次淬火。
对以上诸试样，进行了以下试验有：(1)测量氢含量，(2)测量晶粒尺寸，(3)摆锤式冲击试验，(4)测量断裂应力和(5)滚动疲劳试验。在表1中示出了它们的结果。
现在将叙述它们的测量和试验方法。
(1)测量氢含量
用LECO公司制造的用于分析一钢中的不可扩散的氢的含量的一DH-103氢测定仪确定氢含量，不测量可扩散的氢含量。LECO DH-103氢测定仪的技术规格如下：
分析范围：百万分之0.01-50.00
分析精度：±百万分之0.1或±3％H(较高)
分析灵敏度：百万分之0.01
检测方法：热电导率
试样重量尺寸：10毫克-35克(最大：12毫米(直径)×100毫米(长度))
炉子温度范围：50℃-1100℃
试剂：无水高氯酸镁(Mg(ClO4)2)，二氧化碳吸收剂和NaOH
承载气体：氮气，剂量气体(氢气)
(两气体具有至少99.99％的一纯度和40磅/平方英寸的压力(2.8公斤力/平方厘米)的一压力)。
在此大致叙述分析的步骤。由一专用取样器保持一试样以及将该试样和取样品一起放入氢测定仪。其中可扩散的氢由氮承载气体引入一热电导率检测器。在这例子中不测定扩散的氢。然后，从取样器中拿出该试样，并在一电阻加热器中对它加热，以及由氮承载气体将不扩散的氢引入热电导率检测器。由热电导率检测器测定热导电率，用于确定不扩散的氢含量。
(2)测量晶粒尺寸
按照JIS G 0551规定的在钢中测试奥氏体的晶粒尺寸的方法测量该晶粒尺寸。
(3)摆锤式冲击试验
按照由JIS Z 2242规定的对钢进行摆锤式冲击试验方法进行摆锤式撞击试验。这里所使用的一试件是由JIS Z 2202规定的一U槽口试件(JIS 3号试件)。
应注意：一摆锤式冲击试验值是被截面积(0.8平方厘米)除的吸收能量E，如下所述的一数值。
吸收能量E＝WgK(cosβ-cosα)
摆锤重量W＝25.438公斤
重力加速g＝9.80665米/秒2
从摆锤的转动轴中心至重心的距离K＝0.6569米
摆锤升起的角度α＝146°
摆锤上、下运动的角度β
(4)测量断裂应力
图13示出了用于测量断裂应力的一试件。使用了Amslek通用的试验机。沿该图中的方向P施加一载荷。然后，将为一断裂载荷的所测得的载荷用关于一弯曲梁的下列应力计算公式转换成一应力。应注意：所用的试件不局限于图13所示的试件，可以是具有一不同形状的任何试件。
假设在如图13所示的试件的凸起表面上的一纤维应力(fibek stkess)是σ1和在凹入表面上的一纤维应力是σ2，那么由下列公式(JSME机械工程师手册，材料的A4-强度，A4-40)确定σ1和σ2。式中：N表示包括环形试件的轴线的一剖面的一轴向力，A表示一截面面积，e1表示一外半径，e2表示一内半径，以及k是弯曲梁的一剖面模量。
σ1＝(N/A+{M/(Aρ0)}[1+e1/{k(ρ0+e1)}]
σ2＝(N/A+{M/(Aρ0)}[1-e2/{k(ρ0-e2)}]
k＝-(1/A)∫A{η/(ρ0+η)}dA
(5)滚动疲劳试验
在图14A和14B中以其简化形式示出了滚动疲劳使用寿命试验仪。在表2中示出了关于一滚动疲劳使用寿命试验的试验条件。参照图14A和14B，经受滚动疲劳使用寿命试验的一试件221由一驱动轴211驱动，从而转动，同时与诸球213接触。球213是由一导辊212引导、滚动的(3/4)英寸的球。球213在试件221上施加一大的表面压力，同时试件221也在球213上施加一大的表面压力。
将在将叙述上述测量和试验的结果。
(1)氢含量
表1示出了没有附加处理的传统的渗碳-氮试样具有钢中的为百万分之0.72的一相当大的氢含量。认为一个原因是在渗碳-氮处理的大气中所含的氨(NH3)被分解和然后氢进入钢中。另方面，试样B-F的钢中的氢含量降至百万分之0.37至0.42，这几乎是传统试样的氢含量的一半。钢中的这氢含量基本上等于通常淬火试样的氢含量。
钢中的氢含量的上述下降能够减轻由于在固态溶体中的氢所引起的钢的脆性程度。换句话说，通过减少氢含量，显著地改进了本发明的试样B-F的摆锤式冲击试验值和断裂应力值。
(2)晶粒尺寸
参阅表1，关于晶粒尺寸，在低于渗碳-氮处理的淬火温度(主淬火)的一温度进行第二次淬火的试样、即试样B-D具有显著细小的奥氏体晶粒，即晶粒尺寸号是11-12。试样E和F以及传统的渗碳-氮试样和通常淬火试样具有晶粒尺寸号中10的奥氏体晶粒，这意味着试样E和F的晶粒尺寸大于试样B-D的晶粒尺寸。
(3)摆锤式冲击试验值
表1示出了传统的渗碳-氮试样的摆锤式冲击试验值是5.33焦/平方厘米，而本发明的试样B-F的该试验值较高，从6.20至6.65焦/平方厘米。从这也可知一较低的第二次淬火温度导致了一较高的摆锤式冲击试验值。通常淬火的试样具有6.70焦/平方厘米的较高的摆锤式冲击试验值。
(4)断裂应力值的测量
断裂应力对应于防裂强度。从表1可知传统的渗碳-氮试样的断裂应力是2330兆帕。另方面，试样B-F的断裂应力被改进到2650至2840兆帕。通常淬火试样具有2770兆帕的断裂应力，这在试样B-F的断裂应力的范围内。并认为氢含量的下降非常有利于改进试样B-F的抗裂强度以及奥氏体晶粒尺寸的缩小。
(5)滚动疲劳试验
按照表1，通常淬火的试样具有较短的滚动疲劳使用寿命(L10)，这是由于在表层没有一渗氮层。相比较，传统的渗碳-氮试样的滚动疲劳使用寿命是通常淬火试样的3.1倍长。试样B-D的滚动疲劳使用寿命与传统的渗碳-氮试样比较有了显著的改进。试样E和F具有几乎与传统的渗碳-氮试样相同的滚动疲劳使用寿命。
总之，在按照本发明的试样B至F中能够降低钢中的氢含量。从而，在试样B至F中能够得到改进的断裂应力和摆锤式冲击试验值。除了这些断裂应力值和摆锤式冲击试验值之外，希望应改进滚动接触疲劳使用寿命。这仅在带有晶粒尺寸号至少约11的更细的晶粒的试样B至D中实现。试样B至F对应于按照本发明的例子，但是，本发明更想要的范围是对应于在低于钢施加渗碳-氮的温度的一温度下进行第二次淬火的和从而具有更细晶粒的试样B至D。
例子2
现在叙述本发明的例子2
在下列试样A、B和C上进行一系列试验。通常使用于试样A-C的、将进行热处理的一材料是JIS-SUJ2(1％重量的碳、0.25％重量的硅、0.4％重量的锰、1.5％重量的铬)。试样A-C各经过下列步骤处理。
试样A-比较例子：仅通常的淬火(没有渗碳-氮)
试样B-比较例子：在渗碳-氮后直接淬火(传统的渗碳-氮和淬火)。在845℃下保持150分钟进行渗碳-氮。渗碳-氮处理的大气是KX气体和氨气的一混合物。
试样C-本发明的例子：按照图2所示的热处理图形对一轴承材料进行处理。在845℃下保持150分钟进行渗碳-氮处理。渗碳-氮处理的大气是KX气体和氨气的-混合物。最后淬火温度是800℃。
(1)滚动疲劳使用寿命
在表2和图7中示出了用于滚动疲劳使用寿命的试验条件和试验装置。表3示出了滚动疲劳使用寿命试验的结果。
表2
  试件   φ12×L22圆柱试件
  试件数   10
  对应的钢球   3/4英寸(19.05毫米)
  接触表面压力   5.88千兆帕
  加载速度   46240循环次数/分钟
  润滑油   涡轮VG68-强制循环润滑
表3试验结果
Figure C20041000828600211
按照表3，渗碳-氮试样B(比较例子)具有为仅进行通常淬火的试样A(比较例子)的3.1倍长的一滚动疲劳使用寿命(L10使用寿命：10个试件中有一个损坏)，可知通过渗碳-氮处理得到了延伸使用寿命的效果。相比较，本发明的试样C具有为试样B的1.74倍长的和为试样A的5.4倍长的一延长的使用寿命。并认为主要由于较细的微观结构得到了这改进。
(2)摆锤式冲击试验
通过使用由上述的JIS Z 2242规定的一U槽口试件进行摆锤式冲击试验。表4示出了这试验结果。
表4
  试样   摆锤式冲击试验值(焦/厘米<sup>2</sup>)   相对冲击试验值
  A   6.7   1.0
  B   5.3   0.8
C 6.7 1.0
本发明的一例子的试样C得到了与仅进行通常淬火的试样A(比较例子)相同的和高于渗碳-氮试样B(比较例子)的一摆锤式冲击试验值。
(3)静态断裂韧性试验
使用图15所示的试件进行静态断裂韧性试验。在这试件中，做出了约1毫米的一预裂开，然后施加会产生三点式弯曲的一静载荷，以及然后确定一断裂载荷。利用下列公式计算断裂韧性值(KIC值)。表5中示出了该试验结果。
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}
表5
Figure C20041000828600221
由于事先引入的开裂具有比渗氮层深的一深度，对于试样A和B(比较例子)得到了为试样A和B(比较例子)约1.2倍高的一断裂韧性值(KIC)
(4)静压力断裂强度试验(断裂应力的测量)
使用上述的图13中所示的一静压力断裂强度试件。沿该图中的方向P施加一载荷，进行如刚才所述的一静压力断裂强度试验。表6示出了试验结果。
表6试验结果
试样 试验次数 静态断裂强度(公斤力) 相对静态断裂强度
 A  3  4200  1.00
 B  3  3500  0.84
 C  3  4300  1.03
渗碳-氮试样B(比较例子)具有比仅进行通常的淬火的试样A(比较例子)略小的一静压断裂强度的一数值。相比较，本发明的一例子的试样C具有比试样B高得多和略高于试样A的一静压力断裂强度值。
(5)长期尺寸变化速率
表7示出了在130℃(保持温度)和500小时(保持时间)的条件下测得的长期尺寸变化的速率，并有表面硬度和所含奥氏体的量(离表面0.1毫米深处)。
表7
试样 试验次数 表面硬度(HKC) 所含有γ(％) 尺寸变化速度(×10<sup>-5</sup>) 相对的尺寸变化速率<sup>*)</sup>
 ABC  333  62.563.660.0  9.028.011.3  183522  1.01.91.2
*：较小是优越的
与具有大量所含的奥氏体的试样B的尺寸变化速率比较，本发明的一例子的试样C具有一较低的尺寸变化速率.
(6)在污染的润滑条件下的使用寿命试验
使用球轴承6206评价在有一预定数量的通常的、混在其中的污染物的一被污染的润滑条件下的滚动疲劳使用寿命。
表8示出了试验条件和表9示出了试验结果。
表8
  载荷   Fk＝6.86千牛
  接触表面压力   P<sub>max</sub>＝3.2千兆帕
  转速   2000转/分
  润滑剂   涡轮56-油浴润滑
  污染物量   0.4克/1000毫升
  污染物   颗粒尺寸：100-180微米，硬度：Hv800
表9
  试样  L<sub>10</sub>使用寿命(小时)  相对的L<sub>10</sub>
  A   20.0   1.0
  B   50.2   2.5
  C   74.0   3.7
进行渗碳-氮的试样B(比较例子)具有约为试样A的2.5倍长的一使用寿命，本发明的试样C具有约为试样A的3.7倍长的使用寿命。
虽然本发明的试样C较比较例子的试样B具有较少量的所含奥氏体，但试样C具有较长的使用寿命，这是因为进入的氮和较细的微观结构的影响。
因此从以上讨论的结果可知本发明的试样C、用作为一传动装置中的一支承结构的、被本发明的热处理方法处理过的一轴承零件能够同时实现三个目的：由传统的渗碳-氮难以实现的延长的滚动疲劳使用寿命，改进的抗裂强度和降低的长期尺寸变化速率。
应注意在这说明书中奥氏体晶粒是指在热处理期间相变的奥氏体的晶粒，以及在奥氏体通过冷却换变成马丁体之后的保留的微量晶粒。
在按照本发明的传动零件和制造该传动零件的方法和圆锥滚子轴承中，形成一渗氮层，此外，能够得到以前不能实现的一优越的断裂应力值。因此，在本发明中改进了抗裂强度等。此外，能够缩小传动装置的尺寸。
虽然已经详细地叙述和示出了本发明，应清楚地理解仅以说明性地和示例性地、而不是限制性地叙述本发明，本发明的原理和范围仅由所附权利要求书的条款限定。例如，滚针轴承可以是一完全型(full type)滚子轴承或一壳型滚子轴承。

Claims (7)

1. 一种传动零件，它结合在能够通过齿轮(14a至14k)的啮合相对一输入轴(11)的一转速改变一输出轴(12)的一转速的一传动装置内，所述零件在一表层处具有一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒尺寸号的一奥氏体晶粒，并且所述零件具有至少2650兆帕的一断裂应力值和最多百万分之0.5的一氢含量。
2. 如权利要求1所述的传动零件，其特征在于：以可转动地支承所述输入轴、所述输出轴、或各个所述齿轮的滚动轴承的形式提供所述传动零件，所述滚动轴承是一圆锥滚子轴承。
3. 如权利要求1所述的传动零件，其特征在于：以可转动地支承所述输入轴、所述输出轴、或各个所述齿轮的滚动轴承的形式提供所述传动零件，所述滚动轴承是一滚针轴承。
4. 如权利要求1所述的传动零件，其特征在于：以可转动地支承所述输入轴、所述输出轴、或各个所述齿轮的滚动轴承的形式提供所述传动零件，所述滚动轴承是一球轴承。
5. 制造一种传动零件的方法，该传动零件结合在能够通过齿轮(14a至14k)的啮合相对一输入轴(11)的一转速改变一输出轴(12)的一转速的一传动装置中，所述零件在一表层处具有一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒尺寸号的一奥氏体晶粒，并且所述零件具有至少2650兆帕的一断裂应力值和最多百万分之0.5的一氢含量，其中：
所述零件至少是这样形成的，即，在高于一A1转变点的一温度对用于一轴承的零件的钢进行渗碳-氮，然后将此钢冷却至低于A1转变点的温度，随后对此钢再加热到不低于A1转变点和低于对钢渗碳-氮的所述温度的一温度范围，以及对此钢进行淬火。
6. 如权利要求5所述的制造传动零件的方法，其特征在于：开始淬火的所述温度范围是790℃至830℃。
7. 一种圆锥滚子轴承，它具有一内环(2)、一外环(1)和圆锥滚子(3)，其中所述内环(2)、所述外环(1)和所述圆锥滚子(3)的至少任何一个具有一渗氮层和带有落在超过10的一范围内的一晶粒尺寸号的一奥氏体晶粒，并且所述内环(2)、所述外环(1)和所述圆锥滚子(3)的至少任何一个具有至少2650兆帕的一断裂应力值和最多百万分之0.5的一氢含量。
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