CN100532613C - 滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种滚动轴承，包括外环、内环和以自由滚动的方式布置在外和内环之间的多个滚动体，其中：选自外环、内环和滚动体的至少一种构件是这样的：C的含量不小于0.2wt%，不超过0.6wt%，Cr的含量不小于2.5wt%，不超过7.0wt%，Mn的含量不小于0.5wt%，不超过2.0wt%，Si的含量不小于0.1wt%，不超过1.5wt%，Mo的含量不小于0.5wt%，不超过3.0wt%，并对其进行渗碳处理或碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理，并满足其表面上残余奥氏体的量按体积比计不小于15%、不超过45%和表面硬度不小于HRC 60的条件。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及滚动轴承。
背景技术
在滚动轴承中，由于滚动运动是在轴承环和滚动体之间进行，因此轴承环的滚道表面和滚动体的滚动表面反复受到接触应力。因此，用于组成构成构件的材料需要具有以下性质：坚硬、承受载荷、具有长的滚动疲劳寿命、在滑动中耐磨性良好等。
于是，通常，经常用于组成这些构件的材料的钢，对于轴承钢，为按照日本工业标准归类为SUJ2的钢，对于表面硬化钢，为与按照相同标准被归类为SCR420和SCM420的那些相对应的钢。如上所述，由于这些材料反复受到接触应力，为了获得所需的性质如滚动疲劳寿命，对轴承钢进行淬火和回火，以及在对表面硬化钢进行渗碳或碳氮共渗后对其进行淬火和回火，以便得到不小于HRC 58、不超过HRC 64的硬度。
另一方面，由于在发动机的辅助构件中使用的轴承支撑由内燃机如发动机施加动力被驱动旋转的旋转轴，因此轴承在高温、高负荷、高振动和高速驱动的苛刻条件下被使用，其中所述发动机的辅助构件例如交流发电机、电磁离合器、中间轮、汽车空调压缩机、水泵、变速器的行星齿轮、轮带式无级变速器(continuously variable belt and pulley transmission)以及为类似驱动系统部件的气体热泵。
难以在苛刻环境中使用的轴承的滚动表面上形成充分的润滑膜，而且大的切向力被施加到轴承的滚动表面上。因此，由于金属接触而容易出现发热和表面疲劳。另外，金属接触促进了新形成表面(钢组织被暴露的表面)的产生。由于这种新形成的表面构成摩擦化学反应的催化剂，润滑油中包含的添加剂和水在轴承的滚动表面上被分解，从而促进氢离子的产生。然后，这样产生的这些氢离子被吸收到在轴承滚动表面上产生的新形成表面上变成氢原子，氢原子然后聚积到应力场(在最大剪切应力位置附近)。由于聚积氢原子的位置变脆，因此就触发了滚动轴承的早期剥落。
另外，在异物如金属切削粉末、机械加工粉尘、毛刺、磨损粉末进入滚动轴承中润滑剂的情况下，轴承环和滚动体受损，极大降低了轴承寿命。
为了平稳地操纵变矩器、齿轮机构、液压机构以及湿式离合器，润滑油如具有高摩擦系数的自动变速器用油(ATF)和无级变速器用油(CVTF)用于轮带式无级变速器的润滑，其中支撑输入轴侧带轮和输出轴侧带轮的轴承包括在轮带式无级变速器的润滑中。
由于用于轮带式无级变速器的滚动轴承在高振动和高负荷的苛刻环境中并在由具有高摩擦系数的润滑油润滑的情况下使用，因此摩擦化学反应易于发生，并在滚动轴承中触发早期剥落。
这里，为了使摩擦化学反应难以产生，考虑这样一种方法，其中使用动粘度高的润滑油代替在所用润滑油中加入添加剂如减压剂和摩擦控制剂。但是，从燃料效率、输入轴到输出轴的传动效率和抖动寿命(shudder life)的角度出发，不优选使用这种动粘度高的润滑油作为轮带式无级变速器的润滑油。因此，在轮带式无级变速器用滚动轴承的情况下，不使用改变润滑油的方法而是使用强化滚动表面的方法来延长滚动轴承的寿命是有效的。提出下面的技术作为基于这种理念的那些方法。
在JP-A-2003-343577中，提出至少内环、外环和滚动体之一由这样一种钢形成，其包含大量能抑制氢聚积在应力场的Cr，并且特别地指定碳和氮的总含量、残余奥氏体的含量和滚动表面的硬度。
在Automobile Technologies Association Inc.出版的学术演讲会预先印制的文献No.30-02(2002年)中第5-8页上描述了通过使用电镀方法在滚动体的滚动表面上形成Ni膜来使借助摩擦化学反应产生的氢离子难以被吸附到新形成的表面上。
另外，提出如下技术作为延长要在上述苛刻条件下使用的轴承的寿命的技术。
日本专利公开No.2883460提出一种轴承钢，其中C的含量为0.65-0.90质量％，Si的含量为0.15-0.50质量％，Mn的含量为0.15-1.00质量％，Cr的含量为2.0-5.0质量％，N的含量为90-200ppm，并包含100-500ppm Al和50-5000ppm Nb中的至少一种。根据该日本专利公开No.2883460中描述的技术，使早期剥落在滚动表面上难以发生，并可抑制热处理后的韧性降低。
日本专利公开No.2013772提出，通过对一种材料进行加工，将材料成形为预定形状，然后对其进行淬火以及230-300℃下的高温回火，使残余奥氏体量不超过8体积％，并使硬度不小于HRC 60，其中在这种材料中，C的含量为0.95-1.10质量％，Si或Al的含量为1.0-2.0质量％，Mn的含量不超过1.15质量％，Cr的含量为0.90-1.60质量％，余量为铁和不可避免的杂质，并且O的含量不超过13ppm。按照该日本专利公开No.2013772描述的技术，可提高高温尺寸稳定性，并可防止硬度降低。
JP-A-2001-221238提出，通过对一种材料进行加工，将材料成形为预定形状，然后对其进行淬火和回火，使滚道表面的硬度不小于HRC 57，并在其上分散并析出直径50-500nm微细碳化物，其中在这种材料中，C的含量为0.4-1.2质量％，Si和Al的含量为0.7-2.0质量％，Mn的含量为0.2-2.0质量％，Ni的含量为0.1-3.0质量％，Cr的含量为3.0-9.0质量％，通过下面的方程计算的Cr的当量为9.0-17.0质量％。
Cr当量＝[Cr]+2[Si]+1.5[Mo]+5[V]+5.5[Al]+1.75[Nb]+1.5[Ti]...(1)
其中在上述方程(1)中，[Cr]、[Si]、[Mo]、[V]、[Al]、[Nb]和[Ti]表示Cr、Si、Mo、V、Al、Nb和Ti的含量(质量％)。
按照JP-A-2001-221238，由于分散并析出在滚道表面上的微细碳化物捕集氢，因此抑制了在滚道表面上发生早期剥落。
另外，提出了各种滚动轴承，即使当异物进入并保留在滚动轴承内部润滑剂中的情况时在存在外来杂质的润滑下使用滚动轴承的情况下，也能保持长寿命。
例如，日本专利公开No.22138103和2128328提出了这样的技术，其中由异物产生的凹进的边缘部分上的应力集中被释放，以便抑制裂纹的产生，从而通过调节轴承环和滚动体表面层上的碳、残余奥氏体和碳氮化物的量而延长滚动轴承的寿命。另外，日本专利公开No.3051944公开了一种通过在钢组成、内部硬度和表面硬度方面控制来提供较高滚动疲劳寿命的轴承部件。
另一方面，滚针轴承(needle roller bearing)具有小的内径对外径比。即它们是具有薄的厚度的轴承。但是，由于滚针轴承特征在于它们由于厚度而具有较大的负荷容量，因此滚针轴承能广泛用在高负荷位置处，如在汽车变速器和发动机中。
下文中，例如，将描述行星齿轮轴承，其可旋转地支撑在变速器等中广泛使用的行星齿轮。在行星齿轮轴承中，斜齿轮通常用于平稳传输来自与外环对应的行星齿轮的力。因此，与内环对应的行星轴的运行轨迹(running mark)变得偏离行星齿轮和斜齿轮之间的力关系。因此，不均匀的力被施加在布置在行星齿轮和行星轴之间的滚针轴承上。因此，产生边缘负荷和倾斜，导致轴承寿命降低和产生粘蚀(seizing)的问题。
JP-A-2002-188643公开了一种技术，其中至少滚针轴承和内部构件之一由线性膨胀系数小于外部构件的线性膨胀系数的钢制成或由平均残余奥氏体量不超过2％的钢制成，借此抑制粘蚀和撬动(pry)，它们与将转速增至更高的趋势有关系。
此外，日本专利公开No.2541160公开了一种由合金钢制成的滚动轴承，其中相对于至少轴承环和滚动体之一的表面层调整合金钢中残余奥氏体(γR)的量和C、Cr和Mo的含量，经过渗碳或碳氮共渗的表面层的表面硬度(Hv)和残余奥氏体量满足预定的关系。
另外，由于在与诸如太阳齿轮的齿轮相同的容器中使用行星齿轮轴承，因此引起由于齿轮间相对接触和滑动产生的硬质异物进入齿轮中润滑油的问题，并严重影响轴承的寿命。
通常，为了克服这些问题，已实施了材料改良和间隙正常化(normalization of clearance)。即，使用NSK Technical Journal No.656(1993年)中描述的碳氮共渗处理技术，增加了轴承钢或渗碳钢的表面层中残余奥氏体的量，并使圆周间隙和径向间隙适当，借此尝试释放凹进边缘上的应力集中，以便延长轴承寿命。
专利文献No.1：日本专利未审公开No.JP-A-2003-343577
专利文献No.2：日本专利已审公开No.JP-B-2883460
专利文献No.3：日本专利已审公开No.JP-B-2013772
专利文献No.4：日本专利未审公开No.JP-A-2001-221238
专利文献No.5：日本专利已审公开No.JP-B-2138103
专利文献No.6：日本专利已审公开No.JP-B-2128328
专利文献No.7：日本专利已审公开No.JP-B-205944
专利文献No.8：日本专利未审公开No.JP-A-2002-188643
专利文献No.9：日本专利已审公开No.JP-B-2541160
非专利文献No.1：Automobiles Technologies Association Inc.的学术演讲会预先印制的出版物No.30-02(2002年)。
非专利文献No.2：NSK Technical Journal No.656(1993年)
发明内容
本发明要解决的问题
不考虑为了更好的改进而提出的上述常规技术，当期望在使用滚动轴承的环境中，进一步需求高温和高速，导致与制造尺寸更小和重量更轻并能提供更高性能和更高产出的趋势有关的更苛刻条件时，仍需要进一步改进。另外，在有效抑制由于氢聚积到应力场上造成的早期剥落方面还留有改进空间。
于是，进行本发明以提供一种滚动轴承，即使在高温和高速以及在使用具有高摩擦系数和低粘度的润滑油存在外来杂质的润滑的苛刻条件下使用轴承的情况下，该滚动轴承也能保持高的尺寸稳定性和长的寿命。
解决问题的手段
为了解决问题，根据本发明的第一方面，提供一种滚动轴承，包括外环、内环和以自由滚动的方式布置在外环和内环之间的多个滚动体，其中：
选自外环、内环和滚动体的至少一种构件是这样的：
C的含量不小于0.2wt％，不超过0.6wt％；
Cr的含量不小于2.5wt％，不超过7.0wt％；
Mn的含量不小于0.5wt％，不超过2.0wt％；
Si的含量不小于0.1wt％，不超过1.5wt％；
Mo的含量不小于0.5wt％，不超过3.0wt％；
对该构件进行渗碳处理或碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理；
该构件表面上残余奥氏体的量按体积比计不小于15％，不超过45％；和
表面硬度不小于HRC 60。
根据本发明的第二方面，提供一种滚动轴承，包括外环.内环和以自由滚动的方式布置在外环和内环之间的多个滚动体，其中：
选自外环、内环和滚动体的至少一种构件是这样的：
C的含量不小于0.8wt％，不超过1.2wt％；
Cr的含量不小于2.0wt％，不超过4.0wt％；
Mn的含量不小于0.1wt％，不超过2.0wt％；
Si的含量不小于0.5wt％，不超过1.5wt％；
Mo的含量不小于0.1wt％，不超过2.0wt％；
对该构件进行渗碳处理或碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理；
该构件表面上残余奥氏体的量按体积比计不小于15％，不超过45％；和
表面硬度不小于HRC 60。
根据本发明的第三方面，所选的构件还是这样的：
其表面上碳浓度和氮浓度之和不小于1.0wt％，不超过2.5wt％。
根据本发明的第四方面，所选的构件还是这样的：
V的含量不超过2.0wt％；和
Ni的含量不超过2.0wt％。
根据本发明的第五方面，所选的构件还是这样的：
至少碳化物和碳氮化物的之一的析出物的残余量(residual)按面积比计不小于15％，不超过35％。
根据本发明的第六方面，所选的构件还是这样的：
析出物为Fe-Cr、Mo体系析出物，包括M7C3型、M23C6型、M7(C，N)3型和M23(C，N)6型复合碳氮化物的至少一种。
根据本发明的第七方面，所选的构件还是这样的：
Fe-Cr、Mo体系析出物包含总计30wt％或更多的Cr和Mo。
根据本发明的第八方面，所选的构件还是这样的：
在其表面层部分处的压缩残余应力的最大值不小于150MPa，不超过2000MPa。
根据本发明的第九方面，所述滚动轴承为滚针轴承，所选构件为内环和滚动体中的至少一种。
根据本发明的第十方面，所选的构件还是这样的：
平均残余奥氏体量按体积比计不超过8％。
根据本发明的第十一方面，所选的构件还是这样的：
平均残余奥氏体量不超过Cr和Mo含量总和的2.5倍。
值得注意的是，本发明的滚动轴承的滚动表面优选用摩擦系数为0.10或更高和100℃下动粘度为8cst的润滑油润滑。
另外，本发明的滚动轴承可被应用于支撑由发动机动力驱动的旋转轴的滚动轴承。
另外，本发明的滚动轴承可用于支撑绕其卷绕轮带式无级变速器的传动带的带轮。
此外，在应用碳氮共渗处理的情况下，当表面氮浓度不小于0.1wt％时，耐磨性增加，但当它超过0.5wt％时，磨削加工变得难以进行。因此，表面氮浓度优选不小于0.1wt％，不超过0.5wt％，更优选不小于0.2wt％，不超过0.3wt％。
下文中，将详细描述根据本发明第一个方面的数值限制的临界重要性。
[C的含量(质量比)：0.2-0.6％]
C(碳)为通过溶解在基本成分中并在淬火和退火并与碳化物形成元素如Fe、Cr、Mo和V结合后增加强度而提高耐磨性的有效元素。当C的含量小于0.2wt％时，产生δ铁素体，并可能出现韧性降低的情况。另外，增加了形成硬化层至足够深度所需要的渗碳或碳氮共渗过程的持续时间，并可能出现要求成本显著增加的情况。
注意C含量的优选范围为0.25-0.5％。
[Cr含量(质量比)：2.5-7.0％]
Cr(铬)为通过溶解在基本成分中增加淬透性、耐回火软化性、耐蚀性和滚动疲劳寿命的有效元素。另外，Cr还为通过使填隙固溶体元素如C和N(氮)的移动困难来稳定基础结构和抑制由氢聚积到应力场造成的早期剥落的有效元素。此外，由于较硬的复合碳化物如(Fe，Cr)3C或(Fe，Cr)7C3和较硬的复合碳氮化物如(Fe，Cr)3(C，N)或(Fe，Cr)7(C，N)3少量分布在钢中，因此Cr具有增加耐磨性的作用。
当Cr的含量超过7.0％时，会降低冷加工性、切削性和渗碳处理质量，并可能出现要求显著成本增加的情况。另外，可能出现形成粗的大共晶碳化物和共晶碳氮化物而显著降低滚动疲劳寿命和强度的情况。注意Cr的优选范围为2.5-6.0％。
[Mn的含量(质量比)：0.5-2.0％]
Mn(锰)为通过在生产钢时用作脱氧剂和降低Ms(马氏体转变)点来确保残余奥氏体量和增加淬透性的有效元素。当Mn的含量超过2.0％时，由于不仅冷加工性和切削性被降低，而且马氏体转变初始温度被显著降低，因此在渗碳处理后残留了大量残余奥氏体且不能获得足够的硬度。注意Mn含量的优选范围为0.8-1.5％，它的更优选范围为0.8-1.2％。
[Si的含量(质量比)：0.1-1.5％]
由于Si(硅)类似于Mn用作生产钢时的脱氧剂和类似于Cr和Mn溶解在基本成分中增强马氏体，因此硅为延长轴承寿命的有效元素。为了得到这种效果，Si含量需要不小于0.1％。另一方面，Si含量超过1.5％，则可能出现切削性、可锻性、冷加工性和渗碳处理质量被降低的情况。注意Si含量的优选范围为0.1-0.7％。
[Mo的含量(质量比)：0.5-3.0％]
Mo(钼)为类似于Cr溶解在基本成分中增加淬透性、耐回火软化性、耐蚀性和耐滚动疲劳性的有效元素。另外，钼为类似于Cr通过使填隙固溶体元素如C和N的移动困难来稳定基础结构和抑制由氢聚积到应力场造成的早期剥落的有效元素。此外，钼还有通过形成少量碳化物如Mo2C和少量碳氮化物如Mo2(C，N)来增加耐磨性的作用。
当Mo含量超过3.0％时，冷加工性和切削性被降低，并可能引发要求显著成本增加的风险。另外，可能造成形成粗的大共晶碳化物和共晶碳氮化物而显著降低滚动疲劳寿命和强度的情况。注意Mo含量的优选范围为0.5-1.5％。
[V的含量(质量比)：2.0％或以下]
V(钒)为形成溶解在其中的碳化物、氮化物和碳氮化物的有效元素，并形成少量碳化物如VC，少量氮化物如VN和少量碳氮化物如V(C，N)，从而增加强度和耐磨性。另外，类似于Cr和Mo，V为通过使填隙固溶体如C和N的移动困难来稳定结构和抑制由氢聚积到应力场造成的早期剥落的有效元素。
为了获得这种效果，尽管优选尽可能多地增加V的含量，但在相关含量太多的情况下，冷加工性和切削性被降低，并可能引起要求显著成本增加的情况。另外，可能引起形成粗的大共晶碳化物和共晶碳氮化物而显著降低滚动疲劳寿命和强度的风险。因此，确定V含量的上限为2.0％。
[Ni的含量(质量比)：2.0％或以下]
Ni(镍)为稳定奥氏体、抑制δ铁素体形成和增加韧性的有效元素。另一方面，在Ni含量太大的情况下，残留了大量残余奥氏体且不能获得足够的淬火硬度。因此，确定Ni含量的上限为2.0％。
[关于热处理]
首先，在通过锻造或机械加工将按上文所述成形的钢制材料加工成预定形状后，进行渗碳处理或碳氮共渗处理。通过在为渗碳引入RX气体加富气和为碳氮共渗引入RX气体加富气加氨气的炉中在900-960℃的周围温度下加热材料并保持它被加热几小时来进行这种渗碳处理或碳氮共渗处理。
然后，尽管进行淬火过程和回火过程，但当在渗碳或碳氮共渗后直接进行淬火时，产生主要包括大粒径的残余奥氏体和透镜状马氏体的结构，难以获得寿命提高效果。因此，优选在渗碳或碳氮共渗后将材料暂时保持在等于或低于A1转变点的温度下或冷却到室温，然后再次加热到820-900℃的温度下以淬火和在大约160-200℃的温度下回火，借此获得良好的结构，其中当渗碳时少量硬的碳化物和碳氮共渗时碳氮化物被均匀地分散在包括马氏体和奥氏体的基质中。
[表面层部分处C和N的总含量(质量比)：1.0-2.5％]
通过使构成滚动表面的表面层部分处的C和N的含量应不小于1.0％、优选不小于1.2％，能使硬度、残余奥氏体量和由碳化物和碳氮化物中至少一种组成的析出物的残余量落在下面的范围内。另一方面，当表面层部分处的C和N的总含量太多时，由于得到的析出物变粗和变大，从而降低了滚动疲劳寿命，确定其上限为2.5％。
[表面层部分处的硬度：不小于HRC 60]
为了降低滚动表面的磨损和表面疲劳以增加滚动疲劳寿命，构成滚动表面的表面层部分的硬度需要不小于洛氏硬度HRC 60。注意表面层部分硬度的优选范围为不小于HRC 61。
[表面层部分处的残余奥氏体量(体积比)：15-45％]
构成滚动表面的表面层部分处的残余奥氏体用于降低表面疲劳。为了获得这种效果，残余奥氏体量需要不小于15％。另一方面，表面层部分处的残余奥氏体量超过45％时，由于可能引起硬度被降低和当制造轴承时在轴承环上产生变形的情况，因此确定残余奥氏体量的上限为45％。注意表面层部分处的残余奥氏体量的优选范围为20-40％。
[由碳化物和碳氮化物中至少一种组成的析出物的残余量(面积比)：15-35％]
在滚动表面上的润滑膜部分破损从而使通过摩擦化学反应产生的氢离子进入并分散在钢中时，构成滚动表面的表面层部分中存在的碳化物和碳氮化物捕集这样分散的氢离子，从而抑制氢聚积到应力场上。
当由碳化物和碳氮化物中至少一种组成的析出物的滚动表面内残余小于15％时，不能充分获得这种效果。另一方面，当析出物残余超过35％时，碳化物和碳氮化物变粗变大，从而降低了滚动疲劳寿命。
[表面层部分处压缩残余应力的最大值：150～2000MPa]
为了抑制滚动表面上裂纹的产生和扩展，表面部分处压缩残余应力的最大值需要不小于150MPa。另一方面，为了给予表面层部分超过2000MPa的压缩残余应力，要求成本增加，因为机械加工如喷丸硬化处理变得必需。
[关于平均残余奥氏体量]
当残余奥氏体的量大时，当经受力矩负荷和边缘负荷并产生倾斜时，可能存在易于产生变形的危险，导致短的轴承寿命。此外，当在高温下使用时，由于残余奥氏体被分解产生尺寸变化，因而可能引起间隙被减小从而产生粘蚀的风险。因此，平均残余奥氏体量需要不超过8vol％。
接下来，将详细描述根据本发明的第二方面的数值限制的临界重要性。
[C的含量(质量比)：0.8-1.2％]
C(碳)为通过溶解在基本成分中并在淬火和退火并与碳化物形成元素如Fe、Cr、Mo和V结合后增加强度而提高耐磨性的有效元素。当C的含量超过1.2wt％时，生产钢时易于形成粗的大共晶碳化物和共晶碳氮化物，从而降低滚动疲劳寿命和强度，并降低可锻性、冷加工性和切削性，从而导致要求成本增加的风险。注意C含量的优选范围为0.9-1.1％。
[Cr含量(质量比)：2.0-4.0％]
Cr(铬)为通过溶解在基本成分中增加淬透性、耐回火软化性、耐蚀性和滚动疲劳寿命的有效元素。另外，Cr还为通过使填隙固溶体元素如C和N(氮)的移动困难来稳定基础结构和抑制由氢聚积到应力场造成的早期剥落的有效元素。此外，由于较硬的复合碳化物如(Fe，Cr)3C或(Fe，Cr)7C3和较硬的复合碳氮化物如(Fe，Cr)3(C，N)或(Fe，Cr)7(C，N)3少量分布在钢中，因此Cr具有增加耐磨性的作用。
当Cr的含量小于2.0％时，由于Fe3C和Fe3(C，N)析出，因此产生早期剥落。注意Cr含量的优选范围为2.5-3.5％。
[Mn的含量(质量比)：0.1-2.0％]
Mn(锰)为通过在生产钢时用作脱氧剂和降低Ms(马氏体转变)点来确保残余奥氏体量和增加淬透性的有效元素。为了获得这种效果，确定Mn含量不小于0.1％。另一方面，当Mn的含量超过2.0％时，由于马氏体转变初始温度被大大降低，因此可能引起在渗碳处理后残留了大量残余奥氏体的情况，从而不能获得足够的硬度且降低了冷加工性和切削性。从上述观点出发，注意Mn含量的优选范围为0.5-1.5％。
[Si的含量(质量比)：0.5-1.5％]
由于Si(硅)类似于Mn用作生产钢时的脱氧剂和溶解在基本成分中增强马氏体，因此硅为延长轴承寿命的有效元素。为了得到这种效果，确定Si含量不超过1.5％。另外，通常，由于它能降低轴承的切削性、可锻性和冷加工性，因此确定Si的含量为0.2-0.5％。但是，为了增加耐回火软化性和抗高温性能，在本专利申请中，确定Si含量的下限为0.5％。注意Si含量的优选范围为0.8-1.2％。
[Mo的含量(质量比)：0.1-2.0％]
Mo(钼)为类似于Cr溶解在基本成分中增加淬透性、耐回火软化性、耐蚀性和耐滚动疲劳性的有效元素。另外，钼为类似于Cr通过使填隙固溶体元素如C和N的移动困难来稳定基础结构和抑制由氢聚积到应力场造成的早期剥落的有效元素。此外，钼还有通过形成少量碳化物如Mo2C和少量碳氮化物如Mo2(C，N)来增加耐磨性的作用。
为了获得这种效果，Mo的含量需要不小于0.1％。尽管优选确定Mo的含量尽可能多，但当Mo含量太多时，可能引起冷加工性和切削性被降低以要求大的成本增加和形成粗的大共晶碳化物和共晶碳氮化物而大大降低所得轴承的滚动疲劳寿命和强度的风险。注意Mo含量的优选范围为0.5-1.5％。
[关于滚动表面处存在的碳化物和碳氮化物]
通常，轴承钢(SUJ1-5)中包含的大多数碳化物用M3C(包括三个金属原子和一个碳原子)型Fe3C表示。但是，当合金元素如Cr和Mo被加入到钢中时，碳化物的晶体结构变化，发生从MC3型碳化物到M7C3型或M23C6型Fe-Cr、Mo体系复合碳化物的相变。类似的相变发生在碳氮化物的晶体结构上，从M3(C，N)型碳氮化物到M7(C，N)3型或M23(C，N)6型Fe-Cr、Mo体系复合碳氮化物。
尤其对于用于轮带式无级变速器的轴承，本发明人等注意到当上述相变发生时，在用于轮带式无级变速器的轴承上易于产生早期剥落的事实。于是，本发明人等发现，通过使包括上述复合碳化物和复合碳氮化物的至少一种的Fe-Cr、Mo体系析出物预先被分散和析出以便在轮带式无级变速器的使用中难以产生相变，可在使用轴承的同时抑制轮带式无级变速器用轴承中固有的早期剥落。
为了获得这种效果，滚动表面上由碳化物和碳氮化物中至少一种组成的析出物的30％或以上(面积比)优选由Fe-Cr、Mo体系析出物组成，Fe-Cr、Mo体系析出物由至少M7C3型或M23C6型复合碳化物和M7(C，N)3型或M23(C，N)6型复合碳氮化物之一组成。
[Fe-Cr、Mo体系析出物的Cr和Mo的总含量(质量比)：不小于30％]
由于Fe的熔点为1536℃，Cr的熔点为1857℃和Mo的熔点为2617℃，因此M7C3型或M23C6型Fe-Cr、Mo体系复合碳化物和M7(C，N)3型或M23(C，N)6型Fe-Cr、Mo体系复合碳氮化物的熔点高于M3C型Fe3C和M3(C，N)型Fe3(C，N)的熔点。因此，由于可通过确定Fe-Cr、Mo体系析出物的Cr和Mo的总含量不小于30％来进一步提高Fe-Cr、Mo体系析出物的熔点，因此可进一步抑制相变。
[其它不可避免的成分]
O(氧)和Ti(钛)分别构成氧化物体系插入物质和Ti体系插入物质，并优选它们的含量是小的。因此，O的含量优选不超过12ppm，Ti的含量优选不超过30ppm。
附图说明
[图1]为示出作为根据本发明滚动轴承实施方案的深槽滚珠轴承的构造的局部垂直截面图；
[图2]为示出在根据图1所示实施方案的合金钢中Cr含量和轴承寿命L10之间关系的图示；
[图3]为示出实施方案中所用寿命试验设备的示意图；
[图4]为示出作为发动机辅助设备的示例的交流发电机的截面图；
[图5]为行星齿轮单元的分解透视图；
[图6]为图5所示行星齿轮单元的主要部分的截面图；
[图7]为结合了行星齿轮单元的自动变速器的截面图；
[图8A]为说明减速机构的工作原理的图示；
[图8B]为说明减速机构的工作原理的图示；
[图8C]为说明减速机构的工作原理的图示；
[图8D]为说明减速机构的工作原理的图示；
[图9]为说明行星轴的耐久性试验方法的截面图；和
[图10]为显示在实施方案的寿命试验中使用的轮带式无级变速器的构造的示意图。
附图标记说明
1：内环；2：外环；3：滚珠(滚动体)；120：交流发电机(发动机的辅助设备)；121：旋转轴；122：带轮；123，124：滚动轴承；203：行星齿轮单元；211：太阳齿轮；212：环形齿轮；213：行星齿轮；214：托架；215：行星轴；217：滚针；220：行星轴；221：外环；222：滚针；301：主带轮(输入轴侧带轮)；301a，301b：滚动轴承；302：副带轮(输出侧带轮)；302a，302b：滚动轴承；303：传动带；310：输入轴；320：输出轴。
具体实施方式
将参考附图详细描述根据本发明的滚动轴承的第一种实施方案。
图1中所示的深槽滚珠轴承包括内环1、外环2和多个以自由滚动方式布置在内环1和外环2之间的滚珠(滚动体)3。至少内环1、外环2和滚珠3之一由合金钢制成，该合金钢包含不小于0.2质量％、不超过0.6质量％的碳，不小于2.5质量％、不超过7质量％的铬，不小于0.5质量％、不超过2质量％的锰，不小于0.1质量％、不超过1.5质量％的硅，不小于0.5质量％、不超过3质量％的钼。然后，进行渗碳处理或碳氮共渗处理，并在内环1和外环2的滚道表面以及滚珠3的滚动表面上形成通过这种热处理硬化的表面层部分。另外，残余奥氏体的量不小于15vol％，不超过45vol％，平均残余奥氏体量(单位为体积％)不超过合金钢中铬含量(单位为质量％)和钼含量(单位为质量％)总和的2.5倍。即使在高温和用包含异物的润滑油润滑的情况下使用按如上所述构造的深槽滚珠轴承，轴承仍具有良好的尺寸稳定性和长的寿命。
实施方案1
通过参考实施方案更具体地描述本发明。制备由具有表1中所示的组成的各种合金钢制成的内环和外环以及由称为SUJ2的JIS钢型制成的滚动体，并制造标号为6206的深槽滚珠轴承用于耐久性试验。值得注意的是，除C、Si、Mn、Cr、Mo外的合金钢组成为铁和不可避免的杂质。另外，表1中的钢型H是命名为SUJ2的JIS钢型。此外，表1中数值下的下划线表示带下划线的数值偏离本发明的建议范围。
[表1]
Figure C200580009016D00171
通过如下方式制造内环和外环：通过对合金钢车削以使其成形至预定尺寸而进行切削过程，对这样成形的合金钢进行渗碳处理或碳氮共渗处理，这将在下文中描述，在预定温度下对这样渗碳或碳氮共渗的合金钢进行淬火和回火，然后对这样淬火和回火的合金钢进行精磨。渗碳处理条件是这样的：气氛为RX气体和富气的混合物，处理持续时间为约3-5小时，处理温度为900-960℃。然后，将这样处理的合金钢空冷至常温，在840℃下淬火1小时并进一步在180℃下回火2小时。碳氮共渗处理条件是这样的：气氛为RX气体、富气和氨气(5％)的混合物，处理的持续时间为约3-5小时，处理温度为900-960℃。然后，对合金钢进行油冷，然后在与进行渗碳处理的那些条件相同的条件下淬火和回火。
对这样得到的内环和外环的性质(表面残余奥氏体量(γR)和平均残余奥氏体量(γR平均))汇总而示于表2中。另外，对合金钢中铬含量Cr％和钼含量Mo％之和(下文中称为[Cr％+Mo％])和平均残余奥氏体量(γR平均)与Cr％+Mo％之比(γR平均/Cr％+Mo％)汇总而示于表2中。值得注意的是，通过X-射线衍射方法测量残余奥氏体量(γR)。另外，表2中数值下的下划线表示带下划线的数值偏离本发明的建议范围。
[表2]
Figure C200580009016D00181
接下来，将描述耐久性试验方法。在轴向负荷为3.5GPa和转动速度为3000min-1同时浸入润滑油中的条件下，转动通过将内环、外环和滚动体装配到一起得到的深槽滚珠轴承。然后，将至少内环和外环之一中产生剥落和粘蚀时的时间点视为寿命，并测量90％剩余寿命(L10寿命)。当即使在深槽滚珠轴承被转动1500小时的情况下既没有产生剥落又没有产生粘蚀时，确定L10寿命为1500小时。值得注意的是，使用ISO粘度为ISO VG 150的润滑油作为润滑油，并确定润滑油的温度为160℃。另外，向这种润滑油中加入直径为74-147μm的钢粉末(硬度为Hv600)作为异物。
耐久性试验的结果示于表2中。从表2看出，实施例1-7的寿命远远长于对比例1-11的寿命。特别地，由于实施例1-6在合金钢中的Cr含量、表面残余奥氏体量和平均残余奥氏体量(γR平均/[Cr％+Mo％]的值)方面都表现出优选的值，因此即使在较高的温度下和在用其中掺有异物的润滑油润滑的情况下，实施例中也完全没有产生剥落和粘蚀。另外，对于实施例7，尽管Cr含量落在优选的范围内，但由于Cr含量稍大，因此产生非晶态碳化物并且该实施例的寿命比实施例3-6的寿命稍短。
与此相反，对于对比例1-9，由于合金钢的组成偏离本发明的范围，因此与实施例1-7相比，它们的寿命短。对比例1、2由SUJ2制成，在对比例1的情况下，对其进行淬透，在对比例2的情况下，对其进行碳氮共渗处理。由于对对比例2进行了碳氮共渗处理，因此尽管对比例2的寿命比对比例1的长，但对比例2的寿命与各个实施例相比明显短。
另外，尽管对比例3、4在表面残余奥氏体量和平均残余奥氏体量(γR 平均/[Cr％+Mo％]的值)方面落在优选范围内，但由于其Cr含量在优选范围外，因此其寿命短。此外，由于对比例5-9的C、Si、Mn、Mo任何一个都在优选范围之外，因此它们的寿命短。此外，在对比例10、11的情况下，尽管合金钢的组成是可优选的，但对比例10的平均残余奥氏体量(γR平均/[Cr％+Mo％]的值)不是优选值和对比例11的表面残余奥氏体量不是优选值，因此产生粘蚀，且它们的寿命短。
这里，图2中显示了示出合金钢中Cr含量和轴承寿命L10之间关系的图示。该图示绘制了实施例1-7和对比例3、4的试验结果。从该图示中看出，当Cr含量不小于2.5质量％且不超过7质量％时，轴承的寿命长，而当Cr含量不小于2.5质量％且不超过6质量％时，其寿命长。
实施方案2
接下来，将根据第二种实施方案和对比例证实本发明的优点。
首先，将由组成如表3所示的钢制成的材料A1至O1机械加工成标号为6303的单列深槽滚珠轴承(内径17mm，外径47mm，宽度14mm)的内环和外环形状。在表3中，对偏离本发明范围的所含组分的含量加下划线。
[表3]
然后，将由除G1外的材料制成的内环和外环加热到900-960℃，作为在RX气体加富气加氨气的气氛(碳势Cp：0.8-1.2，氨气：3-5％)下的热处理，保持这样被加热2-8小时以进行碳氮共渗处理，进行油淬，并在大气中在160-180℃下保持1.5-2小时以回火。
另一方面，将由材料G1制成的内环和外环加热到840℃作为热处理，保持这样被加热20-60分钟以淬火，然后进行油淬和再在大气中在170℃下保持2小时以回火。
通过进行这些热处理，在由除材料G1外的材料制成的内环和外环的任何一个的表面层部分上分散和析出碳化物、氮化物和碳氮化物，在由材料G1制成的内环和外环的表面层部分上分散和析出碳化物。然后，在热处理后，对各种材料进行磨削加工和表面精整加工。
用电子显微分析仪在离滚道表面437μm(滚珠直径8.73mm的5％)深的部分处测量构成按上文所述得到的内环和外环的滚道表面(滚动表面)的表面层部分处C和N的总含量(质量比)。
另外，根据按照JIS Z 2245规定的洛氏硬度试验方法测量表面层部分的硬度(洛氏硬度)。
此外，在离滚道表面437μm深的部分处用X-射线衍射设备测量表面层部分处的残余奥氏体量(体积比)。
此外，在离滚道表面437μm深的部分处用X-射线衍射设备测量表面层部分处的残余应力最大值。用这种设备测量的残余应力的最大值为在X-射线穿透深度内通过X-射线阻尼加权的平均值。
此外，按下面的方式测量滚道表面处由碳化物和碳氮化物组成的析出物的残余量(面积比)(下文中，称为滚道表面上碳化物等组成的析出物)。
首先，在进行表面加工后，用腐蚀液(4g苦味酸+100ml乙醇)腐蚀滚道表面，然后使用1000x放大倍率的光学显微镜在30个视场中观察0.5μm或更大的碳化物和碳氮化物。然后，通过图象处理观察的图象测量每个视场的碳化物和碳氮化物的残余量(面积比)，并计算30个视场的平均值。
对于测量结果，从10个具有相同组成的内环和外环的测量结果计算的平均值也示于表4中。在表4中，对在本发明每种组成范围外的那些加下划线。
然后，将试验轴承、由归为2型(SUJ2)的高碳铬轴承钢制成并进行了碳氮共渗处理的滚珠和6-6尼龙制保持架设定在图3所示的寿命试验设备10中，以在用P(加载负荷)/C(运动额定负荷)＝0.10表达的负荷和80℃试验温度的试验条件下进行寿命试验，其中试验轴承包括编号从No.101到No.122且在钢组成和热处理方面不同的内环和外环，如表4所示。这里，为每种试验轴承制备10个试验样品，这样制备的试验样品中的任何一个都使用10-15μm的内部间隙。
如图3所示，在这种试验设备110中，旋转轴103被支撑轴承104和试验轴承105支撑，径向载荷Fp被加到环形带107上，环形带107绕固定到旋转轴103一端的从动带轮106和主动带轮(固定到主动轴上的带轮，该主动轴由与旋转轴103平行设置的电机驱动旋转，在图3中未示出该主动带轮)卷绕，从而径向载荷通过旋转轴103被加到试验轴承104上。
旋转轴103的另一端被支撑轴承104支撑，支撑轴承104的外环装配在第一机架102A中，以适当地固定于其中。第一机架102A固定于底座101上。第二机架102B固定与第一机架102A侧端的试验轴承105上，试验轴承105的外环装配在第二机架102B上，以适当地固定于其中。第一机架102A和第二机架102B构造成使得第一机架102A对支撑轴承104的支撑刚度高，而第二机架102B对试验轴承105的支撑刚度低。另外，在第二机架102B的上表面上安装测振仪108，以检测试验轴承105的振动。
在这种实施方案中，在以下假设的情况下进行试验，例如在图4所示的交流发电机中，在比目前环境苛刻的环境中使用滚动轴承123，123，滚动轴承123，124支撑带轮122的旋转轴121，围绕带轮122卷绕从发动机接受动力的传动带。也就是说，利用施加到图3所示试验轴承105上的径向载荷，通过每9秒在9000min-1和18000min-1之间的转速内改变进行急剧的加速和减速试验。
进行该寿命试验，直到在试验轴承的外环或内环上产生剥落，测量直到产生剥落花费的时间。然后，得到直到在落在根据Weibull分布函数从具有相同组成的10个试验轴承样品的试验结果确定的短寿命侧的10％内的内环和外环上产生剥落花费的总旋转时间，这样得到的总时间被确定为寿命(寿命L10)。结果也示于表4中。
另外，由于计算的试验轴承寿命为1350小时，因此当达到1500小时时结束寿命试验。于是，当即使在达到试验结束时间的情况下在内环和外环上也都没有产生剥落时，就确定它们的寿命L10为1500小时。
[表4]
Figure C200580009016D00221
从表4看出，与至少内环或外环之一的组成在本发明范围之外的第108-122号试验轴承相比，内环和外环的组成满足本发明范围的第101-107号试验轴承具有长的寿命。
在第101-107号中，与压缩残余应力的最大值满足优选范围(150-2000MPa)的第101-106号相比，构成滚道表面的表面层部分处的压缩残余应力的最大值偏离上述范围的第107号寿命短。由此看出，通过将构成滚道表面的表面层部分处的压缩残余应力的最大值确定为150-2000MPa，可进一步延长寿命。
另一方面，在第108和109号中，由于构成滚道表面的表面层处的包括碳化物等的析出物的残余量在本发明的范围(15-35面积％)之外，因此它们的寿命比计算的寿命短。
在第110和111号中，由于构成滚道表面的表面层部分处的残余奥氏体量在本发明的范围(15-45体积％)之外，因此它们的寿命比计算的寿命短。
在第112和113号中，由于构成滚道表面的表面层部分处的残余奥氏体量和包括碳化物等的析出物的残余量在本发明的范围之外，因此它们的寿命比第108-111号的寿命短。
在第114号中，由于试验轴承由SUJ2制成，因此C的含量大于本发明的范围，Cr的含量小于本发明的范围，构成滚道表面的表面层部分处的残余奥氏体量、残余应力最大值和包括碳化物等的析出物的残余量在本发明的范围之外，因此它的寿命比为其计算的寿命短。
在第115号中，由于制成所用材料H1的钢中Cr的含量小于本发明的范围，C和Cr的总含量在本发明的范围之外，因此不能获得构成滚道表面的表面层部分处的足够硬度，从而，它的寿命比它的计算寿命短。
在第116号中，由于制成所用材料I1的钢中Cr的含量超过本发明的范围，并且残余奥氏体量和包括碳化物等的析出物的残余量在本发明的范围之外，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第117号中，由于制成所用材料J1的钢中Cr的含量超过本发明的范围，并且C和Cr的总含量和包括碳化物等的析出物的残余量在本发明的范围之外，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第118号中，由于制成所用材料K1的钢中Si的含量超过本发明的范围，并且构成滚道表面的表面层处的压缩残余应力的最大值和包括碳化物等的析出物的残余量在本发明的范围之外，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第119号中，由于制成所用材料L1的钢中Mn的含量超过本发明的范围，并且构成滚道表面的表面层处的硬度和残余奥氏体量偏离本发明的范围，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第120号中，由于制成所用材料M1的钢中Mo的含量超过本发明的范围，并且产生粗的大晶体碳化物和共晶氮化物，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第121号中，由于制成所用材料N1的钢中V的含量超过本发明的范围，并且产生粗的大晶体碳化物和共晶氮化物，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第122号中，由于制成所用材料O1的钢中Ni的含量超过本发明的范围，并且构成滚道表面的表面层部分处的C和N的总含量和硬度在本发明的范围之外，因此其寿命比其计算寿命短。
因此，从上面结果发现，即使在苛刻得多的环境下使用轴承也能延长轴承的寿命，只要产生具有满足本发明范围的编号101-107的组成的轴承内环和外环即可。
实施方案3
此外，参考附图，将详细描述要在行星齿轮组中使用的并构成本发明第三种实施方案的滚针轴承。图5为行星齿轮组的分解透视图，图6为行星齿轮组主要部分的截面图。另外，图7为结合了图5所示行星齿轮组的自动变速器的截面图。
从发动机(未示出)输出的扭矩通过变矩器202被传输到自动变速器201，然后通过由联合的多个行星齿轮组203组成的减速机构减为多个速度级。然后，这样减速的扭矩被输出至与输出轴204连接的传动路径。
如图5所示，行星齿轮组203包括其中穿过轴(未示出)的太阳齿轮211、与太阳齿轮211同心排列的环形齿轮212、与太阳齿轮211和环形齿轮212啮合的多个行星齿轮213(图5中是3个)以及与太阳齿轮211和环形齿轮212同心排列并旋转地支撑行星齿轮213的托架214。
如图6所示，其为行星齿轮组203主要部分(即行星齿轮轴承部分)的截面图，使固定到托架214上的行星轴215穿过行星齿轮213的中心，并以能在行星齿轮213的内圆周表面上形成的滚道表面和行星轴215的外圆周表面上形成的滚道表面之间自由滚动的方式设置多个滚针217，从而使行星齿轮213靠着行星轴215自由转动。
因此，径向滚针轴承由行星齿轮213、行星轴215和滚针组成，这样组成的径向滚针轴承构成行星齿轮轴承。
值得注意的是，滚针217可如图6所示设置在单列中或设置在多列中。另外，行星齿轮轴承可为保持架滚子式滚针轴承。此外，该实施方案的行星轴215对应于构成本发明的组成要求的内环，行星齿轮213对应于也构成相同要求的外环，滚针217对应于也构成相同要求的滚动体。
在这种实施方案中，至少行星轴215和滚针217之一由合金钢制成，该合金钢包含不小于0.2质量％、不超过0.6质量％的碳，不小于2.5质量％、不超过7质量％的铬，不小于0.5质量％、不超过2质量％的锰，不小于0.1质量％、不超过1.5质量％的硅，不小于0.5质量％、不超过3质量％的钼。然后，按碳氮共渗(或渗碳)、淬火和回火的顺序施加热处理，并将表面处碳浓度和氮浓度的总和确定为不小于1质量％，不超过2.5质量％。此外，将表面硬度确定为不小于HRC60，将残余奥氏体量确定为不小于15体积％，不超过45体积％。另外，将平均残余奥氏体量确定为不超过8体积％。
即使在高温、高速条件下和在劣质润滑下使用时，具有上述组成的行星齿轮轴承也难以发生粘蚀、撬动等，并具有长的寿命。另外，即使在高温下，由于残余奥氏体的分解引起的尺寸变化也难以产生。此外，即使在轴承受到力矩载荷(moment load)时，也难以产生变形和损害(尤其是难以产生行星轴215的变形)。
虽然对热处理条件没有特殊限制，但在下文中仍显示了示例。在通过锻造或切削过程将上述合金钢成形为所需形状后，进行碳氮共渗处理(或渗碳处理)。在引入例如RX气体、富气和氨气的炉中进行碳氮共渗处理(或渗碳处理)，然后将这样形成的合金钢在大约900-960℃的温度下保持几小时。当在这种过程后直接进行淬火时，会出现旧奥氏体的粒径大和产生主要包括大的残余奥氏体颗粒和透镜状马氏体的结构的趋势，导致寿命不足。因此，在碳氮共渗处理(或渗碳处理)后，将受热的合金钢在转变点A1的温度下长时间保持一次或冷却到室温，然后，再次加热合金钢到大约820-900℃用于随后的淬火，最后，在大约160-200℃的温度下进行回火。值得注意的是，在进行上述热处理的情况下，提供了良好的结构，其中细的和高度硬的碳化物和碳氮化物被均匀地分散在包括马氏体和奥氏体的基础结构中。
这里，参考图8，将描述减速机构的工作原理。首先，在第一齿轮的情况下，如图8A所示，通过设置太阳齿轮为主动齿轮和行星齿轮213(托架214)为从动齿轮并固定环形齿轮212可得到大的减速比。在第二齿轮的情况下，如图8B所示，通过设置太阳齿轮211固定、行星齿轮213(托架214)为从动齿轮和环形齿轮212为主动齿轮可得到中等减速比。在第三齿轮的情况下，如图8C所示，可通过设置太阳齿轮211固定、行星齿轮213(托架214)为主动齿轮和环形齿轮212为从动齿轮可得到小的减速比。值得注意的是，在逆转齿轮的情况下，如图8D所示，通过设置太阳齿轮211为从动齿轮、行星齿轮213(托架214)固定和环形齿轮212为主动齿轮可将要被输出的扭矩的转动方向相对于被输入的扭矩反转。
实施例
下文中，将通过示出实施例而更详细地描述本发明。制备由具有如表5中所示的组成的各种合金钢制成的行星轴(外径为12.2mm，长度为28.2mm)，并进行耐久性试验。值得注意的是，合金钢中除C、Si、Mn、Cr和Mo以外的其它成分为铁和不可避免的杂质。另外，表5中所示的钢型G2为JIS钢型SUJ2。
[表5]
Figure C200580009016D00271
通过如下方式制造行星轴：通过对合金钢车削以使其成形至预定尺寸而进行切削过程，对这样确定尺寸的合金钢进行渗碳处理或碳氮共渗处理，这将在下文中描述，在预定温度下对合金钢淬火和回火后，对它们进行精磨。渗碳处理条件是这样的：气氛为RX气体和富气的混合物，处理时间为约3-5小时，处理温度为820-950℃。碳氮共渗处理条件是这样的：气氛为RX气体、富气和氨气(5％)的混合物，处理时间为约3-5小时，处理温度为820-950℃。
对得到的各个行星轴的性能(表面残余奥氏体量、表面硬度等)汇总而示于表6。值得注意的是，行星轴表面处的碳浓度和氮浓度为从使用电子探针显微分析仪(EPMA)进行的测量得到的值，表面残余奥氏体量(γR)为从使用X-射线衍射设备进行的测量得到的值。
[表6]
Figure C200580009016D00281
1)表面碳浓度和氮浓度之和，单位为质量％；
2)残余奥氏体量。
接下来，参考图9，将在下文中描述耐久性试验方法。
使行星轴220穿过外环221，并通过以能在行星轴220的外圆周表面上形成的滚道表面和外环221的内圆周表面上形成的滚道表面之间自由滚动的方式插入的多个滚针222(外径为2mm，长度为15mm)使行星轴220旋转。如行星轴220的外圆周表面(圆柱表面)中所示，开有润滑油进料孔220a，从而被注入到其行星轴220端面中的开孔220b内的润滑油被设计从进料孔220a供应到滚道表面上。
在径向载荷为4200N、转速为10000min-1和润滑油温度为150℃的条件下旋转行星轴220，并通过确定旋转过程中由于剥落和粘蚀的产生而造成振动变成初始点两倍的点或行星轴220的温度急剧增加达到185℃的点作为寿命来进行评价。值得注意的是，径向载荷通过支撑轴承(未示出)施加于外环221上。另外，尽管供应的润滑油的温度为150℃，但试验过程中行星轴220的温度由于产生的热而表现出变高约10℃。
耐久性试验的结果示于表6中。从表6中看出，与对比例201-211的寿命相比，实施例201-208具有显著延长的寿命，特别地，在实施例201-206中，由于平均残余奥氏体量不超过8体积％，因此即使在高温下和在行星轴受到力矩载荷的条件下也根本不产生粘蚀和剥落。
与此相反，在对比例201-209中，由于合金钢的组成在本发明的范围之外，因此与实施例201-208的寿命相比，它们的寿命短。即使考虑到对比例201、202由SUJ2钢制成并且对对比例201淬透和对对比例202进行碳氮共渗处理的事实，也不能意识到很大的优点。另外，在对比例210、211的情况下，尽管合金钢的组成是优选的，但对于对比例210，表面碳浓度和氮浓度之和不是优选的值，而对于对比例211，表面碳浓度和氮浓度之和以及平均残余奥氏体量均不是优选的，因此它们的寿命短。
实施方案4
下文中，将基于第四种实施方案和对比例证实本发明的优点。
首先，将由具有如表7所示的组成的钢制成的材料A3至Q3切削成标号为6208的深槽滚珠轴承(内径40mm，外径80mm，宽度18mm)的内环和外环形状。在这发生时，将内环和外环中滚道槽的曲率半径形成为变成所用滚珠直径的50.5-51.5％。
[表7]
然后，对由除H3外的其它材料制成的内环和外环进行热处理，其中内环和外环在RX气体+富气+氨气的气氛(碳势Cp：0.8-1.2，氨气：3-5％)中被加热到920-960℃，然后保持2-6小时以进行碳氮共渗，然后，油淬内环和外环，而且将它们在160-180℃下在大气中保持1.5-2.5小时以回火。
另一方面，对由材料H3制成的内环和外环进行热处理，其中内环和外环被加热到830-860℃，然后保持0.5-1.5小时以淬火，然后油淬内环和外环，然后将它们在160-180℃下在大气中保持1.5-2.5小时以回火。
通过进行类似这些的热处理，碳化物、氮化物和碳氮化物被分散和析出在除了由材料H3制成的内环和外环之外的内环和外环的表面上，碳化物被分散和析出在由材料H3制成的内环和外环的表面上。然后，在热处理后，进行磨削和表面精整加工，以使内环和外环的滚道表面的表面粗糙度变成0.01-0.03μm Ra。
使用发射光谱化学分析仪测量构成滚道表面的表面层部分(直到离表面10μm深的部分)处的C和N的总含量(质量比)。
另外，使用按照JIS Z 2245规定的洛氏硬度试验方法测量表面层部分处的硬度(洛氏硬度)。
此外，利用X-射线衍射设备测量表面层部分处的残余奥氏体量(质量比)。
此外，按下面的方式测量滚道表面中由碳化物和碳氮化物组成的析出物的残余量(面积比)(下文中，称为滚道表面上碳化物等组成的析出物)。
首先，在进行表面处理后，用腐蚀液(4g苦味酸+100ml乙醇)腐蚀滚道表面，然后使用1000x放大倍率的光学显微镜在30个视场中观察0.5μm或更大的碳化物和碳氮化物。然后，通过图象处理观察的图象测量每个视场的碳化物和碳氮化物的残余量(面积比)，并计算30个视场的平均值。
另外，通过使用透射式电子显微镜观察电子衍射图而测量滚道表面上碳化物等的析出物的Fe-Cr、Mo体系析出物的残余量(面积比)。
此外，使用辅助透射式电子显微镜的能散X射线谱仪(EDS)测量Fe-Cr、Mo体系析出物中Cr和Mo的总含量。
对于测量结果，由相同组成的10个内环和外环的测量结果计算的平均值也示于表8中。
然后，将试验轴承、由归为2型(SUJ2)的高碳铬轴承钢制成并进行了碳氮共渗处理的滚珠和钢制波纹状挤压保持架设定在图10所示的轮带式无级变速器中，以在以下试验条件下进行寿命试验，其中试验轴承包括编号从No.301到No.322且在钢组成和热处理方面不同的内环和外环，如表8所示。这里，为每种试验轴承制备10个试验样品，这样制备的试验样品的任何一个都利用CN间隙(正常间隙)作为内部间隙。另外，对于润滑油，使用下面两种具有不同摩擦系数的润滑油。
[润滑油类型]
(1)市售CVTF
·40℃下的动粘度：30-40cSt
·100℃下的动粘度：大约7cSt
·110℃下的摩擦系数：0.12(滑动速度：0.5m/s)
(2)市售CVTF
·40℃下的动粘度：30-40cSt
·100℃下的动粘度：大约7cSt
·110℃下的摩擦系数：0.14(滑动速度：0.5m/s)
如图10所示，在这种轮带式无级变速器中，其上设置输入轴侧(主)带轮301的输入轴310和其上设置输出轴侧(副)带轮302的输出轴220分别由成对的滚动轴承301a、301b、302a、302b支撑。每个试验轴承都安装成四个滚动轴承的主前轴承(即在比主带轮301更靠近发动机304的位置处支撑输入轴310的滚动轴承)301a。在每次试验中，相同的轴承用于其它滚动轴承301b、302a、302b。
另外，该轮带式无级变速器的传动带303构造成使得300个板303b被安装到两个带条303a上，所述条带303a进而通过层叠10片0.2mm厚的钢构造而成，并且传动带303的长度为600mm。
[寿命试验条件]
载荷：P(加载负荷)/C(运动额定负荷)＝0.26
输入轴转速：在500-6000min-1的范围内加速/减速
发动机输入扭矩：200N·m
润滑油供应量：主前轴承(10ml/min)，其它轴承(200ml/min)
供应油温：110℃
进行该寿命试验，直到在外环或内环上产生剥落，测量直到产生剥落花费的时间。然后，得到直到在落在根据Weibull分布函数从具有相同组成的10个试验轴承样品的试验结果确定的短寿命侧的10％内的内环和外环上产生剥落花费的总旋转时间，这样得到的总时间被确定为寿命(寿命L10)。结果也示于表8中。
另外，由于计算的试验轴承寿命为494小时，因此当达到1000小时时结束寿命试验。于是，当即使在达到试验结束时间的情况下在内环和外环上也都没有产生剥落时，就确定它们的寿命L10为1000小时。
[表8]
Figure C200580009016D00321
从表8看出，与作为对比例的编号312-322的试验轴承相比，作为本发明实施例的编号301-311的试验轴承具有长的寿命。
在第301-311号中，当与第302-304号相比时，其中滚道表面处由碳化物组成的析出物的残余量小于15％的第305号的寿命和其中相同析出物的残余量超过35％的第302号的寿命短。从上面的试验结果看出，优选确定滚道表面上由碳化物等组成的析出物的残余量落在15-35％范围内。
另外，当与第302-304号相比时，Cr含量小于本发明的优选范围的第301号、Si含量小于本发明的优选范围的第306号、Mn含量小于本发明的优选范围的第307号和Mo含量小于本发明的优选范围的第308号都具有较短的寿命。
此外，虽然滚道表面处由碳化物组成的析出物的残余量落在15-35％的范围内，但是与第302-304号相比，其中Fe-Cr、Mo体系析出物的残余量小于30％的第310、311号的寿命短。从这种结果看出，优选确定滚道表面上由碳化物等组成的析出物的30％或更多应由Fe-Cr、Mo析出物组成。
此外，其中Fe-Cr、Mo体系析出物的残余量小于30％且Cr和Mo的总含量小于30％的第311号的寿命比其中Fe-Cr、Mo体系析出物的残余量小于30％且Cr和Mo的总含量不小于30％的第310号的寿命短。从该事实可看出，优选确定Fe-Cr、Mo体系析出物的Cr和Mo的含量不小于30％。
另一方面，在第312、313号中，由于它们由SUJ2制成并且Si含量、Cr含量和Mo含量小于本发明的范围，且在滚道表面上没有得到足够的碳化物，因此它们的寿命比它们的计算寿命短。
在第314号中，由于Cr含量小于本发明的范围，且在滚道表面上没有得到足够的碳化物和碳氮化物，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第315号中，由于Cr含量超过本发明的范围，并产生粗的大共晶碳化物和共晶氮化物，因此它的寿命短。
在第316号中，由于C含量小于本发明的范围，且在滚道表面上没有得到足够的Fe-Cr、Mo体系析出物，因此它的寿命短。
在第317号中，由于C含量超过本发明的范围，且在滚道表面上没有得到足够的Fe-Cr、Mo体系析出物，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第318号中，由于Si含量小于本发明的范围，在构成滚道表面的表面层处得到充分的硬度，且增加了残余奥氏体量，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第319号中，由于Mo含量超过本发明的范围，且产生粗的大共晶碳化物和共晶氮化物，因此寿命短。
在第320号中，由于V含量超过本发明的范围，且产生粗的大共晶碳化物和共晶碳氮化物，因此寿命短。
在第321号中，由于Si含量小于本发明的范围，且Fe-Cr、Mo体系析出物的Cr和Mo的总含量小于30％，因此它的寿命比它的计算寿命短。
在第322号中，由于Mn含量超过本发明的范围，在构成滚道表面的表面层部分处不能获得足够的硬度且增加了残余奥氏体量，因此它的寿命比它的计算寿命短。
现在从上述试验结果证实，即使在使用具有0.10的高摩擦系数和100℃下的8cSt的低动粘度的润滑油的情况下，通过按照满足本发明范围的如第301-311号所示的组成来构造内环和外环，可延长寿命而超过计算寿命。
值得注意的是，尽管在这种实施方案中使用了没有密封件的滚动轴承，但当在由于输入轴侧带轮和输出轴侧带轮和传动带之间的摩擦产生摩擦粉末的单元中使用时，可使用非接触密封件如金属密封件、橡胶密封件(腈橡胶、丙烯酸橡胶)和接触密封如氟密封件。
另外，在根据本发明的滚动轴承中，尽管使用了钢保持架，但在较快转速下使用轴承的情况下，优选使用塑料保持架。
另外，在根据本发明的滚动轴承中，尽管确定内部间隙为CN间隙，但考虑到抑制径向载荷和径向载荷，优选进一步减小内部间隙。另外，从相同的观点出发，优选使内环和外环的滚道槽的曲率半径小于本发明所用的曲率半径。
尽管详细地并参考具体的实施方案描述了本发明，但对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，显然可对其作出各种变化和改进。
该专利申请基于2004年1月20日提交的日本专利申请(专利申请号2004-0123000)、2004年3月17日提交的日本专利申请(专利申请号2004-077026)、2004年3月30日提交的日本专利申请(专利申请号2004-100181)、2004年3月31日提交的日本专利申请(专利申请号2004-10648)和2004年12月14日提交的日本专利申请(专利申请号2004-361274)，本文引入这些日本专利申请的内容作为参考。
工业实用性
即使在高温、高速条件和在其中掺入异物的润滑油的润滑下，也能够优选地使用本发明的滚动轴承。特别地，本发明的滚动轴承能优选用于汽车、农业相关的机器、建筑机械和钢铁制造相关机器的发动机和变速器中。值得注意的是，当本发明应用于其它滚动轴承如深槽滚珠轴承、滚柱轴承、圆锥滚子轴承和滚针轴承时可得到类似的优点。

Claims (10)

1.一种滚动轴承，包括外环、内环和以自由滚动的方式布置在外环和内环之间的多个滚动体，其中：
选自外环、内环和滚动体的至少一种构件是这样的：
C的含量不小于0.2wt％，不超过0.6wt％；
Cr的含量不小于2.5wt％，不超过7.0wt％；
Mn的含量不小于0.5wt％，不超过2.0wt％；
Si的含量不小于0.1wt％，不超过1.5wt％；
Mo的含量不小于0.5wt％，不超过3.0wt％；
对该构件进行渗碳处理或碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理；
该构件表面上残余奥氏体的量按体积比计不小于15％，不超过45％；和
表面硬度不小于HRC 60，其中
滚动表面上存在Fe-Cr、Mo体系析出物，其包括M7C3型、M23C6型复合碳化物、M7(C，N)3型和M23(C，N)6型复合碳氮化物的至少一种，以及
所述Fe-Cr、Mo体系析出物包含总计30wt％或更多的Cr和Mo。
2.一种滚动轴承，包括外环、内环和以自由滚动的方式布置在外环和内环之间的多个滚动体，其中：
选自外环、内环和滚动体的至少一种构件是这样的：
C的含量不小于0.8wt％，不超过1.2wt％；
Cr的含量不小于2.0wt％，不超过4.0wt％；
Mn的含量不小于0.1wt％，不超过2.0wt％；
Si的含量不小于0.5wt％，不超过1.5wt％；
Mo的含量不小于0.1wt％，不超过2.0wt％；
对该构件进行渗碳处理或碳氮共渗处理、淬火处理和回火处理；
该构件表面上残余奥氏体的量按体积比计不小于15％，不超过45％；和
表面硬度不小于HR C60，其中
滚动表面上存在Fe-Cr、Mo体系析出物，其包括M7C3型、M23C6型复合碳化物、M7(C，N)3型和M23(C，N)6型复合碳氮化物的至少一种，以及
所述Fe-Cr、Mo体系析出物包含总计30wt％或更多的Cr和Mo。
3.如权利要求1、2所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
其表面上碳浓度和氮浓度之和不小于1.0wt％，不超过2.5wt％。
4.如权利要求3所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
V的含量不超过2.0wt％；和
Ni的含量不超过2.0wt％。
5.如权利要求4所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
碳化物和碳氮化物中至少一种的析出物的残余量按面积比计不小于15％，不超过35％。
6.如权利要求5所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
按面积比计，由碳化物和碳氮化物中至少一种组成的析出物的30％以上由Fe-Cr、Mo体系析出物组成。
7.如权利要求5所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
在其表面层部分处的压缩残余应力的最大值不小于150MPa，不超过2000MPa。
8.如权利要求3所述的滚动轴承，其中所述滚动轴承为滚针轴承，所选的构件为内环和滚动体中的至少一种。
9.如权利要求8所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
平均残余奥氏体量按体积比计不超过8％。
10.如权利要求1或2所述的滚动轴承，其中所选的构件还是这样的：
平均残余奥氏体量不超过Cr和Mo含量总和的2.5倍。
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