CN101400809A - 滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种滚动设备，包括：在其内圆周表面上具有滚道表面的外部部件，在其外圆周表面上具有滚道表面的内部部件，以及可滚动地设置在所述外部部件的滚道表面和所述内部部件的滚道表面之间的多个滚动元件。所述内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一的表面进行碳氮共渗或氮化处理；包含Si和Mn的氮化物的面积百分比为1％或以上和20％或以下；表面硬度是HV750或以上。当从滚道表面起的深度或从滚动元件的滚动表面起的深度被定义为Z，并且滚动元件的直径被定义为d时，在Z＝0.045d处的硬度为HV650至850，并且在Z＝0.18d处的硬度为HV400至800。

Description

滚动轴承
技术领域
本发明涉及滚动设备，例如滚动轴承、滚珠丝杠、线性导向器等。
背景技术
在用于例如汽车、建筑机械、农业机械、钢铁设备等润滑条件很差的环境中的诸如滚珠轴承、圆柱滚子轴承、锥形滚子轴承、调心滚子轴承、滚针轴承等的滚动轴承中，很有可能有异物进入润滑油中、由于异物的咬合在滚道表面产生凹痕、以及早期剥落从这种凹痕开始。
为了解决这种问题所提出的方法是对内圈和外圈以及滚动元件进行渗碳(carburizing)或碳氮共渗(carbonitriding)，因此沉淀预定量的残余奥氏体(austenite)并减轻由于滚道表面产生的凹痕所引起的应力集中(见专利文献1)。
试图延长寿命而提出的另一种方法是通过高浓度的渗碳处理来提高滚道表面的硬度，从而增强材料的强度(见专利文件2)。
这些方法是通过将内圈、外圈和滚动元件作为单个元件，以增强单个元件。因此，当希望延长滚道圈的寿命时，通常设想出对滚道圈进行预定的寿命延长处理的想法。
至今，以JIS SUJ2或SUJ3为代表的轴承钢用于滚动轴承，并且这种钢通常用在已经进行淬火和回火处理之后HRC硬度为60或以上。
但是，由于滚动轴承使用环境的不同，在异物污染润滑剂或润滑不足的环境中，可能有这样的情况，即轴承钢不能提供足够的寿命或者发生卡死。为此，对钢进行称作马氏体形变热处理(marstressing)的碳氮共渗处理，因而使氮化物成为固体溶体，并且增加在滚道表面上的残余奥氏体的量。因此，意图是通过氮的作用，在异物污染的润滑油环境中，减轻沿着凹痕的边缘产生的应力集中，或增加抗咬合性。
但是，滚动轴承使用的环境近来变得更加恶劣，并且出现这样的情况，即仅仅通过对SUJ2进行碳氮共渗处理不能得到足够的效果。为了解决这个问题，使用具有大量添加的Si(硅)的材料，并且含有Si和Mn的碳化物或碳氮化物沉淀在面积百分比为1至30％中，因而，在需要产生滑动接触的环境或润滑油耗尽的环境中，增强耐磨性和抗咬合性(见专利文献3)。
而且，业已熟知，由磨削等所产生的诸如金属碎屑、刮屑、毛刺、尘土的异物混合在润滑油中，使滚动轴承的滚道圈或滚动元件遭受损害，因此显著地缩短滚动轴承的寿命。因此，本发明人提出即便当滚动轴承用于异物污染的润滑环境中，在轴承的滚动表面层中的C的含量、残余奥氏体的量、以及碳氮化物的含量应当被设置为适当的值，以因此减轻由异物所引起的集中在凹痕边缘的应力，防止裂纹的发生，并延长滚动轴承的寿命(专利文献4)。
专利文献1：JP-A-64-55423
专利文献2：JP-A-7-41934
专利文献3：JP-A-2003-193200
专利文献4：JP-A-64-55423
发明内容
本发明所要解决的问题
如上所述，关于材料或表面处理，增强耐久性已经有各种考虑。但是，近来随着机械的小型化和高速化，围绕轴承的市场环境近来变得非常严峻。不能仅仅用现有技术的延长寿命的方法来解决的问题的情况不断增多。
例如专利公开4，在包含异物的润滑油环境中产生的早期剥落被认为是从由于滚动元件和滚道圈之间的异物的咬合而形成的凹痕开始，并且归因于由凹痕的形成所导致的应力集中。但是，由凹痕引起的表面剥落不仅仅是由于应力集中引起的，而且还归因于作用在滚动元件和滚道圈之间的切向力的影响。影响切向力的因素除了包括滑动速度和接触压力之外，还包括表面粗糙度和表面几何形状。当表面粗糙度变得比较小并且表面几何形状很好时，作用在滚动元件和滚道圈之间的切向力也变得比较小，并且在异物污染的润滑环境中得到的轴承的寿命变长。
但是，在滚动表面上的残余奥氏体的量的增加导致抗凹痕性降低以及表面硬度和耐磨性的降低。因此，当滚动表面上的残余奥氏体的量很大时，由于异物或静态过载荷的影响，凹痕更可能形成在滚动表面上。凹痕形成在其上的滚动表面引起变形或表面粗糙度的增加。当凹痕变大并且凹痕的数目增加时，变形和表面粗糙度的增加变得更加明显。特别是，在异物污染的润滑环境中，随着滚动表面上的残余奥氏体的量变大，更加可能形成凹痕，因此作用在滚动元件和滚道圈之间的切向力变大。
当在异物污染的润滑环境中滚动表面上的残余奥氏体的量大时，即便当切向力已经变大，包含大量奥氏体的部件的寿命也不减少，因为如专利文献1中所述，存在由残余奥氏体的影响而减轻产生的应力集中的作用。但是，由于同样大小的切向力作用在彼此接触的两个物体上，配合部件的寿命减少。例如，当滚道圈的滚动表面上的残余奥氏体的量增加时，由于减轻应力集中的作用，轴承的寿命延长。但是，另一方面，由于切向力的增加，其为配合部件的滚动元件的寿命减少。
即便当滚动元件经受表面剥落时或者即便滚道圈经受表面剥落时，轴承的寿命也受到影响，因此，为了延长整个轴承的寿命，必需延长滚动元件的寿命和滚道圈的寿命。具体说，不仅通过增加在滚动表面上的残余奥氏体的方法来得到足够的寿命延长作用。根据轴承的使用条件，也可能有这样的情况，即不能采用通过增加残余奥氏体的量来延长轴承寿命的方法。例如，当在高温下使用轴承时，残余的奥氏体使轴承的尺寸稳定性变坏。为此之故，少量的奥氏体是所希望的。
如专利文献3所述，在用于形成包含Si和Mn的氮化物的方法下，不具体规定材料的适当的成分和氮的适当的浓度，并且可能有这样的情况，即不能具有足够的性能。
鉴于例如上面提到的缺点而构思本发明，并且本发明的目的是提供一种滚动轴承设备，其将抗表面剥落性、耐磨性和抗咬合性增强到相当大的程度，同时防止增加成本，并且即便在异物污染的润滑环境中也能够延长其寿命。
解决问题的手段
经过刻苦的研究，本发明人进行了研究以便找出材料因素，这种材料因素充分确保材料(例如，滚动元件)的凹痕引起的表面剥落寿命；增强材料的抗凹痕性和耐磨性；并且通过防止表面粗糙度和几何形状变差，以及减少作用在两个物体(滚动元件和滚道圈)之间的切向力，还延长配合部件(例如，滚道圈)的寿命。因此，本发明人已经发现，表面硬度、残余奥氏体、表面氮浓度、以及沉淀在表面上并且包含Si和Mn的氮化物(下文中称为“Si·Mn基氮化物”)的面积百分比，都是用于增强抗凹痕性和耐磨性的相关材料因素，并且已经完成了本发明。
具体说，为了实现该目的，本发明提供下述的滚动设备。
(1)一种滚动设备，包括：
外部部件，在其内圆周表面上具有滚道表面；
内部部件，在其外圆周表面上具有滚道表面；以及
多个滚动元件，其可滚动地设置在所述外部部件的滚道表面和所述内部部件的滚道表面之间，其中
所述内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一的表面进行碳氮共渗或氮化处理，
包含Si和Mn氮化物的面积百分比为1％或以上和20％或以下，
表面上的硬度为HV750或以上，并且，
当从滚道表面开始的深度或从滚动元件的滚动表面开始的深度被定义为Z，并且滚动元件的直径被定义为d时，在Z＝0.045d处的硬度为HV650至850，并且在Z＝0.18d处的硬度为HV400至800。
(2)根据(1)的滚动设备，其中
在所述内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一的表面层上的氮的浓度为0.2％的质量百分比或以上，在375μm2的面积内其尺寸为0.05μm至1μm并包含Si和Mn的氮化物的数目为100或以上。
(3)根据(2)的滚动设备，其中
在所述碳氮共渗或氮化的内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一由包含下述成分的钢制造：
0.3至1.2％的质量百分比的C，
0.3至2.2％的质量百分比的Si，
0.3至2.0％的质量百分比的Mn，
0.5至2.0％的质量百分比的Cr，
Si/Mn之比为5或以下
其余为铁以及
不可避免的杂质。
(4)根据(3)的滚动设备，其中
碳氮共渗或氮化的部件是滚动元件。
(5)根据(4)的滚动设备，其中
当在滚道表面上的残余奥氏体的量被定义为γrAB时，并且
当在滚动元件的滚动表面上的残余奥氏体的量被定义为γrC时，
满足γrAB-15≤γrC≤γrAB+15(0≤γrAB，γrC≤50，单位为体积百分比)
(6)根据(5)的滚动设备，其中
所述内部部件和外部部件的至少其中之一由包含下述成分的钢制造：
0.15至1.2％的质量百分比的C，
0.1至1.5％的质量百分比的Si，
0.2至1.5％的质量百分比的Mn，
0.5至2.0％的质量百分比的Cr，
其余为铁以及
不可避免的杂质。
(7)根据(6)的滚动设备，其中
所述内部部件和外部部件的至少其中之一由高碳铬轴承钢制造。
(8)根据(7)的滚动设备，其中
在所述内部部件和外部部件中，滚道圈的滚道表面由高碳铬轴承钢制造，形成通过包括由渗碳或碳氮共渗的热处理而硬化的表面层部分，
表面层部分的硬度为HRC58或以上和HRC66或以下，
表面层部分的内芯的硬度为HRC56或以上或HRC64以下。
(9)根据(6)的滚动设备，其中
在所述内部部件和外部部件的滚道表面上的表面氮浓度为质量的0.05％或以下。
(10)根据(9)的滚动设备，其中
在所述滚动元件中的Si含量和Mn含量为1.0％或以上的质量百分比。
本发明的优点
本发明的滚动设备通过定义在表面水平和特定深度处实现的内部部件的硬度、外部部件的硬度和滚动元件的硬度、以及Si·Mn基氮化物的面积百分比，来增强抗凹痕性和耐磨性，从而防止使用轴承期间在滚动元件和滚道圈之间的切向力的增加，并且增强抗表面剥落强度。
附图说明
图1是其为滚动设备的实例的深槽滚珠轴承的剖视图；
图2是其为滚动设备的另一个实例的锥形滚子轴承的剖视图；
图3是其为滚动设备的又一个实例的线性导向器的透视图；
图4是其为滚动设备的再一个实例的滚珠丝杠的剖视图；
图5是示出静态剪切力的分布和屈服压力之间的关系的曲线图；
图6是示出抗凹痕试验的结构的示意图；
图7是示出双圆柱磨损试验的结构的示意图；
图8是示出表面硬度和抗凹痕性之间的关系的曲线图；
图9是示出表面硬度和抗凹痕性之间的关系的曲线图；
图10是示出表面氮化物浓度对抗凹痕性和耐磨性产生的影响的曲线图；
图11是示出通过夏比冲击试验(charpy impact test)获得的表面氮浓度和吸收的能量之间的关系的曲线图；
图12是示出Si·Mn基氮化物的面积百分比对抗凹痕性和耐磨性产生的影响的曲线图；
图13是在测量Si·Mn基氮化物的面积百分比时，滚动元件的表面的电子显微照片的例子；
图14是示出氮化物的量和Si·Mn基氮化物的面积百分比之间的关系的曲线图；
图15是示出Si·Mn基氮化物的面积百分比和凹痕引起的表面剥落寿命之间的关系的曲线图；
图16是示出通过夏比冲击试验获得的Si·Mn基氮化物的面积百分比和吸收的能量之间的关系的曲线图；
图17是示出测量0.05至1μm的Si·Mn基氮化物片的数目和其寿命之间的关系的曲线图；
图18是示出Si+Mn的量和凹痕深度之间的关系的曲线图；
图19是Si·Mn基氮化物的成分的分析结果的例子；
图20是示出滚动元件上的残余奥氏体的量和其寿命之间的关系的曲线图；
图21是示出Si/Mn之比和Si·Mn基氮化物的面积百分比之间的关系的曲线图。
附图标记的说明
1   内圈
1a  滚道表面
2   外圈
2a  滚道表面
3   滚动元件
3a  滚动表面
4   保持架
10  线性导向器
11  导轨
12  滑块
13  滚珠
22  滚珠丝杠
23  滚珠丝杠螺母
24  滚珠
25  循环管
26  隔离物
具体实施方式
下面将详细描述本发明。
滚动轴承可以被认为是本发明的滚动设备的一个例子。对于滚动轴承的类型和结构不做任何限制，并且图1所示的深槽滚珠轴承可以作为例子。该深槽滚珠轴承具有：在其外圆周表面上有滚道表面1a的内圈1(内部部件)；在其与内圈1的滚道表面1a相对的内圆周表面上具有滚道2a的外圈2(外部部件)；可旋转地设置在滚道表面1a和2a之间、并且对应于多个滚动元件3的滚珠；用于将滚动元件3保持在内圈1和外圈2之间的保持架(cage)4；以及用于覆盖内圈1和外圈2之间的间隙的开口的密封件5和5。滚道表面1a和2a与滚动元件3的滚动表面3a之间的润滑用诸如油脂、润滑油等的润滑剂6来实现。保持架4和密封件5可以被省去。
诸如图2所示的具有轴承号L44649/610的锥形滚子轴承可以作为滚动轴承的例子，其中用作滚动元件3的锥形滚子由保持架4保持在内圈1和外圈2之间。此外，尽管图中没有示出，也能够获得带角度的滚珠轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承(self-aligning rollerbearing)、滚针轴承等。
诸如图3所示的线性引导器也能够作为滚动设备的例子。线性引导器10具有导轨11(内部部件)、设置在导轨11上、并且连接于该导轨11以便沿着轴向移动的滑块12(外部部件)、以及用作滚动元件的多个滚珠13。导轨表面14形成在导轨11的上表面上，而用于使滚动元件13能够滑动运动的轨道滚道表面15、16沿着轨道11的任意侧表面形成为两行，即，一行是上行而另一行是下行。竖直地穿透轨道表面14的螺栓孔17沿着轴向形成在多个位置上。由于螺栓螺纹地连接在螺栓孔17中，导轨11被固定在机器的床身。在滑块12中，用于使滚动元件13能够滑动运动的滑块滚道表面19形成在以循环方式保持滚动元件13的滚动元件循环槽18中。
诸如图4所示的滚珠丝杠可以作为滚动设备的例子。滚珠丝杠21具有在其外圆周表面上具有螺旋状螺纹槽22a的丝杠22(screw shaft)(内部部件)；在其内圆周表面上具有对应于丝杠22的螺纹槽22a的螺旋状螺纹槽23a、并且通过用作滚动元件的多个滚珠24而与丝杠22啮合的滚珠螺母23(外部部件)；以及循环管25，所述多个滚珠24安装在由丝杠22的螺纹槽22a和滚珠螺母23的螺纹槽23a所形成的螺旋状滚珠滚动空间中，并且用夹在它们之间的隔离物26而间隔开。所述循环管25用于通过转动丝杠22或滚珠螺母23而与间隔物26一起可转动地循环滚珠24，并且连接于滚珠螺母23。
通过这种结构，与间隔物26一起，通过滚珠滚动空间而可旋转地移动的滚珠24行进通过该滚珠滚动空间，并且在绕丝杠22多次转弯之后，在循环管25的一端被向上引导；并且穿过循环管25，然后从循环管的另一端返回到滚珠滚动空间，从而重复循环。根据需要，可以适当地选择螺纹槽22a和23a的截面轮廓，并且还可以实现为哥特式拱形(Gothic arch)；即，通过结合其曲率中心不同的两个圆弧形而形成的大致V形形状的形式，或圆弧形式。
本发明的特征在于，规定了形成滚动设备的内部部件(内圈、导轨和丝杠)的材料的硬度、外部部件(外圈、滑块和滚珠螺母)的硬度、以及滚动元件(滚珠、锥形滚子和滚珠)的硬度。
在这些滚动设备中，用于增强抗凹痕性的最有效的材料因素是硬度。凹痕的类型包括由于异物的咬合而产生的异物凹痕，和当过载荷作用在滚动元件上因而使滚动元件变扁平时，由于滚动元件咬合滚道圈而产生的布氏凹痕(Brinell indentation)。在异物凹痕的情况下，可以通过增加表面附近的硬度来防止凹痕的形成。但是，在布氏凹痕的情况下，材料的芯的硬度与其表面的硬度同样重要。通过由于滚道圈接触滚动元件因而将载荷施加在滚动元件上，而在材料中产生的静态剪切力(沿着相对于滚动方向成45°角的方向的剪切力)，来形成凹痕。形成凹痕的现象是由材料的塑性变形引起的。因而，当材料的屈服剪切应力(yield shearing stress)等于或大于静态剪切应力时，不形成凹痕。
通常将作用在滚动元件上的载荷设计成等于或小于静额定载荷。因此，重要的是即便当静态额定载荷作用在材料上时，材料也具有防止形成凹痕的材料强度。在滚珠轴承的情况下，静态额定载荷被定义为对于滚珠轴承的情况，引起4200MPa的接触压力的载荷，以及定义为对于滚动轴承的情况，引起4000MPa的接触压力的载荷。只要当接触压力作用轴承上时所引起的静态剪切应力等于或小于轴承材料的屈服剪切应力，就不会产生凹痕。同时，材料的屈服剪切应力与材料的硬度成正比，并且在屈服剪切应力和维氏硬度(Vickers harness)之间存在τy＝1/6×HV的关系。
因此，如图5所示，为了防止形成布氏凹痕，在施加静态旋转载荷时，以屈服剪切应力的分布(硬度的分布)超过静剪切应力的分布的方式来设置硬度是很重要的。同时，芯部的硬度的过分增加将导致韧度的减小，因而产生裂纹。
最大静剪切应力的作用深度(静剪切应力的分布)和滚动元件的直径之间存在相关性，因而硬度规定如下。具体说，假设从滚道表面起的深度或从滚动元件的滚动表面起的深度被取作“Z”，而滚动元件的直径为“d”，那么
内圈、外圈和滚动元件的至少其中之一的表面硬度设置为HV750或以上；优选为800HV或以上；更优选为820HV或以上；
在Z＝0.045d处的硬度设置为HV650至850，优选为HV770至816；而且，
在Z＝0.18d处的硬度设置为HV400至800，优选为HV700至771，并且更优选HV718至771。
结果，能够防止在其他情况下将通过滚道圈与滚动元件的接触而引起的布氏凹痕的形成，并且通过减少作用在滚道圈和滚动元件之间的切向力，能够实现轴承的较长的寿命。对滚动元件应用这些要求是更优选的。
具体说，优选地，滚动元件的滚动表面的表面硬度HV为750或以上，更优选为800或以上，再优选为820或以上。用于增强抗凹痕性和耐磨性的最重要的材料因素是表面硬度。为了研究表面硬度对抗凹痕性和耐磨性的影响，进行如图6所示的抗凹痕性试验和图7所示的双圆柱磨损试验。
抗凹痕性试验通过这样的方法进行，即，将直径为2mm的钢珠以5GPa的压力压在样品上，随后测量凹痕的深度。同时，用这样一种方法进行双圆柱磨损试验，即，在包括0.8GPa的接触压力的条件下以10min-1旋转驱动侧(高速侧)；通过用齿轮减小速度，以7min-1旋转被驱动侧(低速侧)，因此对驱动侧和被驱动侧强制地施加滑动。测量在从试验开始经过20小时之后得到的驱动侧的磨损量的平均值，以及在从试验开始经过20小时之后得到的被驱动侧的磨损量的平均值。
图8是示出表面硬度和抗凹痕性特性之间的关系的曲线图，图9是示出表面硬度和耐磨性特性之间的关系的曲线图。从图中清楚地看到，由于表面硬度变高，抗凹痕性特性和耐磨性特性变得很好。具体说，当表面硬度等于或大于HV750时，抗凹痕性特性和耐磨性特性两者都非常之好。而且，业已知道，疲劳强度随着表面硬度变高而变高，并且滚动元件的滚动表面的硬度的增加能够增强凹痕引起的表面剥落强度，并且增强抗凹痕性特性和耐磨性特性。
在本发明中，为了增加在滚道圈的表面层或滚动元件的表面层上的预定的氮，进行碳氮共渗。在碳的情况下，氮也具有形成氮化物或碳氮化物以增强抗凹痕性特性和耐磨性特性的性质，并且具有增强马氏体(martensite)的固溶体和稳定地获得残余奥氏体的性质。
图10是示出氮对于抗凹痕性特性和耐磨性特性产生的影响，所述的抗凹痕性特性和耐磨性特性由类似于上面提到的抗凹痕性特性试验和双圆柱磨损试验所确定。为了测量表面氮的量，使用电子探头显微分析器(EPMA)。为了仅仅研究氮浓度的影响，除了表面氮浓度之外的硬度和残余奥氏体的量均保持不变。图10示出随着表面氮浓度的增加，抗凹痕性特性和耐磨性特性变得很好。当表面氮浓度超过0.2％的质量百分比时，出现显著的作用。但是，更优选，表面氮浓度设置为0.45％的质量百分比或以上。
同时，过高的氮浓度带来韧性和静态力的强度下降的缺点。由于韧性和静态力的强度对于滚动轴承是所需要的性能，因此过高的氮浓度不是优选的。图11示出通过夏比冲击试验(Charpy impact test)的结果，并且能够看到当氮浓度超过2.0％的质量百分比时，韧性急剧下降。因此，在本发明中，氮浓度的上限设置为2.0％的质量百分比。
如上所述，很清楚，由于表面氮浓度增加，材料的抗凹痕性特性和耐磨性特性增强。但是，本发明人也发现，即便在相同的氮浓度的情况下，抗凹痕性特性和耐磨性特性根据氮在材料中出现的状态而变化。氮以两种情况出现：即，氮在材料中以固溶体(solid solution)的形式出现的情况和氮作为氮化物沉淀的情况。尽管详细的数字将在后面说明，但是，当含有大量Si和Mn的材料进行碳氮共渗时，即便在相同的氮浓度下，以固溶体的形式包括在材料中的氮含量变成大于以Si·Mn基氮化物的形式沉淀在材料表面上的氮含量。
图12示出Si·Mn基氮化物对通过类似上面提到的抗凹痕性特性试验和双圆柱磨损试验所确定的抗凹痕性特性和耐磨性特性所产生的影响。为了只研究Si·Mn基氮化物的作用，除了Si·Mn基氮化物的面积百分比之外的硬度、残余奥氏体的量以及氮的浓度保持为常量。关于Si·Mn基氮化物的面积百分比的测量，通过利用场致发射扫描的电子显微镜(FE-SEM)在10kV的加速电压下观察滚动表面。在5000倍的放大被率下，已经捕获至少三个视场的照片之后，照片被二进制化，并且通过利用图像分析器来计算面积百分比。如图12所示，由于Si·Mn基氮化物的面积百分比增加，抗凹痕性特性和耐磨性特性很优异。当Si·Mn基氮化物的面积百分比超过1％时，效果显著地出现。但是2％或以上的面积百分比是更优选的。
为了研究Si·Mn基氮化物的面积百分比对由凹痕引起的表面剥落寿命的影响，在润滑被异物污染的条件下，通过推力寿命试验(thrust lifetest)来进行试验。表1示出在试验中所用材料的成分，钢型1是对应于JIS SUJ3的材料，钢型2是对应于JIS SUJ2的材料。用车削工艺将表1的材料加工成直径为65mm、厚度为6mm的圆盘。在RX气体、丙烷气体和氨的气体混合物中，在820至900℃的温度下进行碳氮共渗处理2至10小时之后，进行油淬硬化处理(oil hardening)，然后在160至270℃的温度下进行回火处理(tempering)2小时。通过改变处理温度、处理时间和氨气的流率，形成具有各种氮浓度的样品。在热处理之后，样品的表面通过抛光和擦光进行镜面精加工。
表1
 
C Si Mn Cr
本发明 钢型1 1.01 0.56 1.10 1.10
对比例 钢型2 0.99 0.25 0.40 1.49
试验条件如下：
·试验载荷：5880N(600kgf)
·旋转圈数：1000min-1
·润滑油：VG68
·异物的硬度：HV870
·异物的尺寸：74至147μm
·污染异物的量：200PPM
表2示出氮的浓度、Si·Mn基氮化物的面积百分比和污染之后实现的寿命之间的关系。寿命试验的结果被提供作为在对比例1的寿命L10取作1的条件下的比值。
表2
Figure A200780009156D00191
图14示出钢型1和钢型2的氮浓度和Si·Mn基氮化物的面积百分比之间的关系，并且图15示出Si·Mn基氮化物的面积百分比和凹痕引起的表面剥落寿命之间的关系。沉淀的Si·Mn基氮化物的量被认为是与氮的浓度成正比地增加。而且，还能够看到，当在相同的氮含量下进行比较时，通过对钢掺杂大量的Si和Mn，来实现较大量的沉淀的Si·Mn基氮化物和较长的寿命。正如在抗凹痕性特性和耐磨性特性的情况一样，当Si·Mn基氮化物的面积百分比为百分之1或以上时，并且当氮含量为0.2％的质量百分比时，寿命大大延长。
同时，正如在氮浓度的情况一样，当沉淀的Si·Mn基氮化物的量变得过大时，出现韧性和静态力强度下降的缺点。由于韧性和静态力强度是滚动轴承的滚动元件需要的性能，因此，过大量的沉淀的Si·Mn基氮化物不是优选的。图16示出夏比冲击试验的结果，并且可以看到，当Si·Mn基氮化物的面积百分比超过20％时，韧性出现急剧地下降。因此，在本发明中，Si·Mn基氮化物的面积百分比的上限为20％，更优选为10％。
其尺寸超过1μm的氮化物对材料的强度没有太大的帮助。当氮化物的微小颗粒散布时，材料被强化。其原因是，根据增强沉淀的理论，由于具有较小的颗粒与颗粒之间的距离的沉淀具有优异的化强能力，当沉淀颗粒的数目变大时，即便在相同的Si·Mn基氮化物的面积百分比的情况下，颗粒与颗粒之间的距离变得比较短并且被增强。具体说，最好是利用具有大的Si含量和大的Mn含量的钢，并且增加在Si·Mn基氮化物的面积百分比为1至20％的范围内的平均颗粒尺寸为0.05μm至1μm的微小的氮化物颗粒的数目。在颗粒的数目方面，测量为0.05至0.50μm的Si·Mn基氮化物颗粒对尺寸为0.05μm或以上的Si·Mn基氮化物颗粒的比例设置为20％或以上，因而能够进一步增强。
具体说，在375μm2面积内，测量为0.05至1μm的Si·Mn基氮化物优选为100或以上。用于实现这种状态的技术优选地在从800℃到870℃的范围内设置碳氮共渗温度。当超过该温度时，氮化物变成体积庞大的，因此微小的Si·Mn基氮化物颗粒的数目减少。而且，当温度超过该处理温度时，氮的溶解度限制变大，因此氮化物的量变小，从而可能出现不能够获得所希望的面积百分比的情况。从碳氮共渗过程的一开始，最好采取由RX气体、富煤气(enriched gas)、和氨气的混合气体气氛；将CP值设置为1.2或以上；并且将氨气的流率至少设置为RX气体的流率的1/5或以上。希望的是，在碳氮共渗之后，在从60至120℃的油淬硬化温度下进行硬化处理。当温度高于这个温度范围时，可能出现不能获得足够的硬度的情况。在从160至270℃的温度下进行回火，并且表面硬度的范围设置为HV740或以上，期望在HV780或以上。需要时，在硬化之后也可以进行低温处理(sub-zero treating)。
表3示出Si·Mn基氮化物的面积百分比与测量为0.05至1μm的Si·Mn基氮化物的数目和寿命比之间的关系，并且图17以曲线图的形式示出Si·Mn基氮化物的面积百分比与测量为0.05至1μm的Si·Mn基氮化物的数目和寿命比之间的关系。正如从该图中和该表中清楚地看到的，由于100个或以上的Si·Mn基氮化物颗粒散布在375μm2的测量面积内，基础结构被增强，并且尽管污染的润滑，仍然实现较长的寿命。
表3
 
Si·Mn基氮化物的面积百分比(％) 0.05至1μm的Si·Mn基氮化物的数目 寿命比
1 2.05 63 1
2 2.12 94 1.2
3 2.98 105 1.7
4 2.76 123 2.5
5 3.11 145 2.7
6 2.56 162 3
7 2.39 173 3.1
希望滚动元件应当包含下面提供的元素。
[C：0.3％至1.2％的质量百分比]
碳是用于确保钢所需要的强度和寿命的重要元素。当碳的量太少时，不能获得足够的强度，并且为了实现在后面说明的在碳氮共渗时所获得的淬火硬化层的深度所需要的热处理时间变长，这又导致热处理的成本增加。因此，碳含量被设置为0.3％的质量百分比或以上，优选为0.5％的质量百分比或以上。为了实现Z＝0.18d的硬度，优选Z>0.06d的硬度，优选地，碳含量为0.95％的质量百分比或以上。而且，当碳含量太大时，在炼钢时产生大碳化物，反过来这又不利地影响随后的淬火特性或滚动疲劳。而且，可以减少锻造特性(headercharacteristic)，因此导致增加成本。因此，碳含量的上限设置为1.2％的质量百分比，优选置为1.10％的质量百分比。
[Si：0.3至2.2％的质量百分比，Mn：0.2至2.0％的质量百分比]
正如前面所提到的，为了充分地沉淀Si·Mn基氮化物，必须使用具有高Si含量和高Mn含量的钢材。其为普通轴承材料的SUJ2具有0.25％的Si含量和0.4％的Mn含量。即便当通过碳氮共渗而过多地将氮添加于材料中时，Si·Mn基氮化物含量也低。因此，关于Si含量和Mn含量，取下面的值为临界值。
[Si含量：0.3至2.2％的质量百分比]
Si是沉淀Si·Mn基氮化物所必需的元素。由于Si的出现，即，由于添加0.3％的质量百分比或更多的Si，Si与Mn有效地反应，因而变成显著地沉淀的。Si含量优选地设置为0.4至0.7％的质量百分比。
[Mn含量：0.3至2.0％的质量百分比]
Mn是沉淀Si·Mn基氮化物所必需的元素。通过与Si共存，即，添加0.3％的质量百分比或更多的Mn，Mn具有促进Si·Mn基氮化物沉淀的性质。而且，Mn具有稳定奥氏体的性质。因此，为了防止奥氏体的量在热处理之后仍然残留过多的问题的发生，Mn含量设置为2.0％的质量百分比或以下。优选，Mn含量设置为0.9至1.15％的质量百分比。为了下面提到的原因，更优选Si/Mn之比设置为5或以下的值。
与由于回火处理产生的氮化物阻塞不同，由于在碳氮共渗过程中引入的氮与Si反应，同时在奥氏体范围内接受Mn，而形成Si·Mn基氮化物。因此，当Mn的添加的量少于Si的添加的量时，即便当氮足够地扩散时，也不能促进Si·Mn基氮化物的沉淀。当使得0.2％的质量百分比或以上的氮闯入前面所述的Si和Mn添加量的范围内时，通过将Si/Mn之比设置为5或以下的值，能够确保具有1％或以上的面积百分比的Si·Mn基氮化物的沉淀的量，这种沉淀的量对于延长寿命和增强耐磨特性和抗咬合特性是有效的。
[Cr：0.5至2.0％的质量百分比]
Cr是增强可硬化性和用于形成碳化物、促进增强材料的碳化物的沉淀、并且还使沉淀物进一步最小化的元素。当Cr含量少于0.5％的质量百分比时，可硬化性变差，因此不能获得足够的硬度，或者在碳氮共渗过程中使碳化物体积变大。当Cr含量超过2.0％的质量百分比时，在碳氮共渗过程中，氧化铬薄膜形成在材料的表面上，因而阻止碳和氮的扩散。为此之故，Cr含量优选设置为0.5至2.0％的质量百分比，更优选为0.9至1.2％的质量百分比。
需要时，也可以添加选自Mo、Ni和V的至少一种元素。
[Mo：0.2至1.2％的质量百分比]
Mo是增强可硬化性并且用于形成碳氮化物的元素，并且具有促进增强材料的氮化物、碳氮化物和氮化物的沉淀和进一步使颗粒最小化的性质。当添加0.2％的质量百分比或更多的Mo时，Mo的作用变得非常明显。当Mo含量超过1.2％的质量百分比时，其作用变得饱和，并且增加成本。因此，Mo含量设置为0.2至1.2％的质量百分比。
[Ni：0.5至3.0％的质量百分比]
Ni是增强韧性和可硬化性的元素，并且当添加0.5％的质量百分比或以上的Ni时，Ni的作用变得非常明显。Ni是稳定奥氏体的元素。当添加3.0％的质量百分比或以上的Ni时，残余奥氏体变得过多，并且芯部的硬度降低。因此，优选Ni含量设置为0.5％的质量百分比至3.0％的质量百分比。
[V：0.5至1.5％的质量百分比]
V具有通过碳氮共渗形成硬碳化物或碳氮化物的性质，因而增强耐磨特性。当添加0.5％的质量百分比或以上的V时，这种作用变得非常明显。当过多地添加1.5％的质量百分比或以上的V时，V与材料的固溶体碳结合以形成碳化物，因而降低材料的硬度。因此，优选V含量设置为0.5％的质量百分比至1.5％的质量百分比。
在本发明中，当在内圈和外圈的滚道表面上的残余奥氏体的量取作γrAB时，并且当在滚动元件的滚动表面上的残余奥氏体的量取作γrC时，优选设置γrAB-15≤γrC≤γrAB+15(0≤γrAB，γrC≤50)。残余奥氏体的单位为体积百分比。
正如前面所提到的，当残余奥氏体的量变小时，抗凹痕特性和耐磨特性增强。同时，变得很明显，当表面上的残余奥氏体的量变大时，表面剥落寿命延长。具体说，当主要考虑滚动元件时，滚动元件的抗凹痕特性和耐磨特性随着滚动元件表面上的奥氏体的量的减少而增强。虽然滚道圈的寿命被延长，但是滚动元件的寿命减少。因此，虽然为了使轴承的寿命最长，出现在滚动元件上的奥氏体的量最优化，但是残余奥氏体的优化范围根据在滚道圈上的残余奥氏体的量而变化。当滚道圈上的残余奥氏体的量变大时，滚道圈的寿命变长，而滚道圈的抗凹痕特性降低。作用在滚道圈和滚动元件之间的切线力也变大。因此，与增强滚道圈的抗凹痕特性和耐磨特性相比，变得更需要延长滚动元件的寿命。
因此，当滚道圈上的残余奥氏体的量大时，滚动元件上的残余奥氏体的量也必需增加。具体说，为了实现轴承的长寿命，滚动元件上的残余奥氏体的量(γrC)的范围根据滚道圈上的残余奥氏体的量(γrAB)变化，因此，γrAB-15≤γrC≤γrAB+15(0≤γrAB，γrC≤50)的设置是优选的。当残余奥氏体的量太大时，硬度降低，因而抗使凹痕特性和耐磨特性以及在轴承用于高温的情况下的尺寸稳定性变差。因此，残余奥氏体的量的上限设置为50％的体积百分比。
优选，内圈和外圈至少其中之一用高碳铬轴承钢制造，例如，日本工业标准JIS G4805规定的SUJ2或SUJ3。由于高碳铬轴承钢的质量，包括钢的清洁度指标，相当稳定，所以用高碳铬轴承钢制造的滚道圈不容易发生由杂质等的引起内在引起的表面剥落，并且能够确保轴承的足够的寿命。而且，由于材料是高碳铬钢，通过对钢适当地淬火和回火，从表面到芯部滚道圈的硬度很高。在本发明中，高碳铬轴承钢的质量优选达到满足日本工业标准JIS G4805规定的清洁度规定的程度(轴承质量)。考虑到整个轴承的寿命和成本之间的平衡等等，使用SUJ2是优选的，因为当钢用作原材料时获得的优异的加工便利性、在钢的热处理后获得的加工便利性、原材料的低成本等等。
而且，优选，通过对滚道圈进行包括渗碳和碳氮共渗的表面处理，而在滚道圈的滚道表面上形成硬化的表面层部分。具体说，在滚道表面上形成的表面层部分的硬度优选为HRC58或以上，而表面层部分的内芯的硬度优选为HRC56或以上。而且，表面层部分的硬度和芯部的硬度两者优选为HRC60或以上。但是，当硬度过大时韧性降低，产生发生裂纹的担心。因此，表面层部分的硬度优选为HRC66或以下，并且更优选为HRC64或以下。而且，芯部的硬度优选为HRC64或以下。这里所用的表面层部分指定为从表面延伸到200μm深度的区域。
正如前面所提到的，很明显，当表面氮浓度变高时，材料的抗凹痕特性和耐磨特性增强。但是，本发明人还已经发现，即便当氮的浓度具有相同的水平时，抗凹痕特性根据氮在材料中出现的状态而变化。氮以氮化物的形式和沉淀的氮化物的形式出现。当包含大量Si和Mn的材料进行氮化或碳氮共渗处理时，即便在相同的氮浓度下，以Si·Mn基氮化物的形式沉淀在表面上的氮的量变成大于以固溶体的形式出现在材料中的氮。因此，由于在原材料中的Si和Mn的量增加，抗凹痕特性增强，具体说，当Si和Mn为1.0％的质量百分比或以上时，抗凹痕特性显著地增强。其原因是，即便在相同水平的氮浓度下，当Si和Mn以具有高硬度的Si·Mn基氮化物的形式出现在材料中时，而不是当氮以固溶体的形式出现在基础结构中时，进一步增强抗凹痕特性。
图18示出当Si和Mn在样品中的量变化时，进行类似于上面提到的抗凹痕特性试验得到的抗凹痕试验的结果。氮浓度基本恒定在大约为0.3％的质量百分比。如图所示，抗凹痕特性随着在原材料中的Si和Mn的量的增加而增强。当的Si和Mn量超过1.0％的质量百分比时，抗凹痕特性显著地增强。因此，为了使原材料不容易产生凹痕，优选将Si和Mn的量设置为1.0％的质量百分比或以上。
图19示出Si·Mn基氮化物的成分的分析结果的例子。
例子
虽然在下面通过例子和对比例进一步描述本发明，但是本发明不限于这些例子。
(第一实验)
在4000MPa的过大压力作用在轴承上之后，在润滑被异物污染的情况下通过用锥形滚子轴承L44649/610(滚动元件的直径d＝5.44mm)作为实验轴承进行寿命试验。试验条件如下：
·试验载荷：Fr＝12kN，Fa＝3.5kN
·旋转圈数：3000min-1
·润滑油：VG68
·异物的硬度：HV870
·异物的尺寸：74至134μm
·污染异物的量：0.1g
高碳铬轴承钢(SUJ2)用于实验轴承的内圈和外圈，并且在由RX气体、富煤气、以及氨气构成的气氛中，轴承在830至850℃的温度下进行碳氮共渗1至3小时。之后，轴承在180至240℃的温度下进行回火处理，因而三种类型的轴承：一种类型的轴承在内圈和外圈的滚道表面上包括约为10％的体积百分比的残余奥氏体；另一种类型的轴承在内圈和外圈的滚道表面上包括约为20％的体积百分比的残余奥氏体；再一种类型的轴承在内圈和外圈的滚道表面上包括约为30％的体积百分比的残余奥氏体。
示于表4中的包括含量(其余部分包括铁和不可避免的杂质)和表面性质的材料用于滚动元件。首先，包含表中所示成分的线材(wire)通过锻造加工(header machining)和粗磨形成；进行碳氮共渗淬火(在由RX气体、富煤气、以及氨气构成的气氛中，在830℃的温度下进行5至20小时)；并且在180至270℃的温度下进行回火热处理，并且进行有关的后处理。电子探头显微分析器(EPMA)用于测量在滚动元件表面中的氮含量，由此进行定量分析。而且，用X射线衍射来测量在表面层上的残余奥氏体的量。在任何一种情况下，对滚动元件的表面直接进行分析和测量。至于Si·Mn基氮化物的面积百分比的测量，通过利用场致发射扫描电子显微镜(FE-SEM)，在10kV的加速电压下观察滚动表面。在5000倍的放大倍率下捕获至少三个视场照片之后，对照片二进制化，并且通过利用图像分析器来计算面积百分比。至于滚动元件的表面硬度，测量在0.045d和0.18d处的值。
表4示出例子和对比例的相应轴承的寿命试验的结果。对于每个试验轴承进行12次寿命试，从而研究寿命的时间持续到直到发生表面剥落，绘制威布尔图(Weibull plot)，并且从威布尔分布结果中确定寿命L10。这样确定的寿命取作寿命值。在具有最短寿命的第一对比例的寿命取作1的条件下，以比值的形式提供寿命。
图20示出在滚动元件的滚动表面上的残余奥氏体和寿命比之间的关系，该寿命比是当滚道圈的滚道表面上的残余奥氏体为10％、20％和30％的体积百分比时得到的。在滚道圈的滚道表面上的残余奥氏体变大时，轴承趋向于具有较长的寿命。但是，寿命决定于滚动元件的滚道表面上的残余奥氏体的量。由于滚动元件上的残余奥氏体的量被定义为在本发明的范围内，因此整个轴承实现较长的寿命。当滚动元件上的残余奥氏体的量小于本发明的范围时，所有的滚动元件变成破裂。当残余奥氏体的量大于本发明的范围时，所有的滚道圈变成破裂。应当理解，通过将残余奥氏体的量控制在本发明的范围内，滚动元件的寿命和滚道圈的寿命以平衡的方式延长，并且能够延长整个轴承的寿命。
正如在专利文献1中所述，结果示出即便在这种试验结果中，残余奥氏体的量的增加导致在被异物污染的润滑环境中也获得寿命的延长。但是仅仅增加残余奥氏体的量是不够的，并且如根据本例子所描述的那样，通过限定配合部件中残余奥氏体的量，能够延长寿命。而且，即便当为了成本或操作条件的原因不能通过增加残余奥氏体的量延长寿命时，通过将范围定义为寿命被有效地延长的范围，也能够延长寿命。
Figure A200780009156D00291
Figure A200780009156D00311
(第二实验)
各种钢在由RX气体、丙烷气体和氨气构成的气体混合物中，在820至870℃的温度下进行碳氮共渗处理2至10小时；进行油淬硬化处理；并且在160至270℃的温度下进行回火处理2小时。在这时，示于表5中的例子42至45中的钢和对比例6-16中的钢通过改变热处理时间、热处理温度和氨气的流率而被制造。用这种钢制造用于JIS6206深槽滚珠轴承的滚动元件，而滚道圈也用SUJ2制造。在下述条件下进行寿命试验。
·试验载荷：6223N(635kgf)
·旋转圈数：3000min-1
·润滑油：VG68
·异物的硬度：HV590
·异物的尺寸：74至147μm
·污染异物的量：200PPM
表5示出，关于每种钢的化学成分、Si/Mn比、氮的浓度、Si·Mn基氮化物的面积百分比，以及0.05至1μm的Si·Mn基氮化物的数目和寿命。寿命在对比例6(对应于SUJ2)的寿命L10取作1的条件下用比值示出。
表5
Figure A200780009156D00331
正如从表5清楚地看到的，在使用落入本发明范围内的实施例的钢并且氮浓度为0.2至2.0％的质量百分比、Si·Mn基氮化物的面积百分比为1至10％并且尺寸为0.05至1μm的Si·Mn颗粒的数目为100或以上的情况下，寿命延长的效果大于对比例中的效果。图21以曲线图的形式示出表中的Si/Mn之比和Si·Mn基氮化物的面积百分比之间的关系。虽然第八和第九对比例用属于本发明范围内的钢并且也采用氮浓度设置为0.2％的质量百分比或以上，但是Mn的含量小于Si的含量，并且沉淀的Si·Mn基氮化物的量是小于1％的面积百分比。正如从图21显而易见的，通过将Si/Mn之比设置为5或以下的值能够促进Si·Mn基氮化物的沉淀物。
(第三试验)
制备锥形滚子轴承(轴承号L44649/610)。如表6所示，在例子67至100和对比例18、19中，内圈和外圈用高碳铬轴承钢(SUJ2)制造，并且进行包括碳氮共渗、以及渗碳或淬火和回火的热处理。在碳氮共渗期间，在由RX气体和富煤气和氨气构成的气氛中，内圈和外圈在830至850℃的温度下保持1至3小时。在渗碳期间，在由RX气体和富煤气构成的气氛中，内圈和外圈在830至850℃的温度下保持1至3小时。在淬火期间，在RX气体的气氛中，内圈和外圈在830至850℃的温度下保持1小时，然后进行油冷却。而且在回火期间，内圈和外圈在保持在180至240℃之后被放置以冷却。通过这种热处理，在内圈和外圈的滚道表面上的残余奥氏体的量设置为10％、20％和30％的体积百分比。
同时，在第七对比例中，内圈和外圈用wp表面硬化的钢(case-hardened steel)SCr420制造，并且进行渗碳和和回火的热处理。在渗碳期间，在由RX气体和富煤气构成的气氛中，内圈和外圈在920至950℃的温度下保持3至8小时，然后进行油冷却。在回火期间，内圈和外圈保持在180至240℃，随后被放置以冷却。
具有表6所示成分的钢被用于滚动元件，并且用通过锻造加工和粗磨加工的钢线材制造具有锥形滚子形状的部件。在由RX气体、富煤气和氨气构成的气氛中，该部件在830℃的温度下进行碳氮共渗淬火处理5至20小时，随后在180至270℃下进行回火。该部件进行与诸如抛光的后处理相关的后处理，从而得到滚动元件。
至于上面提到的锥形滚子轴承，测量滚道圈的滚道表面的表面硬度HRC(表面层部分的硬度)、滚道圈的芯部的硬度HRC(芯部硬度)、在滚道圈的滚道表面上的残余奥氏体的量、滚动元件的滚动表面的表面硬度HV(表面层部分的硬度)、滚动元件的滚动表面上的残余奥氏体的量、滚动元件的表面层部分的氮的浓度、以及在滚动元件的表面层部分上沉淀的Si·Mn基氮化物的量(面积百分比)。
利用电子探头显微分析器(EPMA)测量氮的浓度。而且，通过X射线衍射来测量表面层上的残余奥氏体的量。在每种情况下，对滚动元件的表面直接进行分析和测量。通过利用场至发射扫描电子显微镜(FE-SEM)测量Si·Mn基氮化物的量。具体说，在10kV的加速电压下观察滚动表面；在5000倍放大倍率下至少三个视场的照片；照片被二进制化；并且通过利用图像分析器以面积百分比的形式计算Si·Mn基氮化物的量。用硬度计来测量硬度。在表6中提供结果。
对该锥形滚子轴承进行寿命试验和过静态载荷承受试验(excessive static load-carrying test)。通过在用异物污染的润滑环境中并且在下述试验条件下旋转锥形滚子轴承，来进行寿命试验。直到在滚道圈的滚道表面上或滚动元件的滚动表面上发生表面剥落所经过的时间被取作寿命。对于一种类型的轴承，测试12个轴承，并且绘制威布尔图。从所述结果的威布尔分布确定寿命L10，并且将由此确定的寿命取作寿命。表6示出结果，但是该结果被提供为将具有最短寿命的第十八对比例的寿命取作1时得到的相对值。
·径向载荷：12kN
·轴向载荷：3.5kN
·旋转速度：3000min-1
·润滑剂：ISO粘稠度等级为ISO VG 68(用硬度为HV870、颗粒尺寸为74至134μm的200ppm微小颗粒污染)的润滑油。
通过对类似于在寿命试验中所用的锥形滚子轴承施加32kN的径向载荷30秒钟，从而在滚道圈和锥形滚子上产生永久变形，来进行过静态力载荷承受试验。在去掉载荷之后，测量在内圈上产生的永久变形和在锥形滚子中心产生的永久变形。计算内圈和在锥形滚子两者的永久变形量之和，并且将这样计算的和取作在锥形滚子轴承上的永久变形量。该永久变形量通过利用由Talor Hobson公司制造的FormTalysurf来测量。表6示出结果，但是该结果被提供为当具有最大永久变形量的第十七对比例的值取作1时而得到的相对值。
表6
Figure A200780009156D00371
1)滚道表面的表面硬度和芯部硬度为洛氏硬度。γR表示在表面层部分的残余奥氏体的量，单位为体积％。
2)滚动表面的表面硬度为维氏硬度Hv。γR表示在表面层部分的残余奥氏体的量，单位为体积％。
氮浓度的单位为质量％。氮化物量的单位(面积百分比)为百分比。
表6(续)
表6(续)
Figure A200780009156D00391
表6(续)
Figure A200780009156D00401
(第四试验)
在润滑被异物污染的环境中，通过用轴承号为L44649/610的锥形滚子轴承进行寿命试验。试验条件如下：
·试验载荷：径向载荷Fr＝12kN，轴向载荷Fa＝3.5kN
·旋转圈数：3000min-1
·润滑油：VG68
·异物的硬度：HV870
·异物的尺寸：74至134μm
·污染异物的量：0.1g
高碳铬轴承钢(SUJ2)或铬钢(SCr420)用于内圈和外圈，并且除了Si+Mn的量之外，具有对应于SUJ3的化学成分的钢用于滚动元件。至于热处理，对应于SUJ2和SUJ3的材料在RX气体的气氛中，在830至850℃的温度下进行淬火处理，或者在由RX气体+富煤气+氨气(氨气用于碳氮共渗)构成的气氛中，在830至850℃的温度下进行渗碳或碳氮共渗处理1至20小时。然后该材料在180至240℃的温度下进行回火处理。在850至900℃的温度下进行了渗碳或碳氮共渗处理之后，SCr420在800至850℃的温度下进行二次淬火处理，然后在150至200℃的温度下进行回火处理。
表7示出在实验中使用的滚道圈和滚动元件的质量，以及寿命试验的结果。电子探头显微分析器(EPMA)用于测量滚道表面和滚动表面的表面氮的量，从而进行定量分析。对于每个实验轴承进行12次(n＝12)寿命试验，因此研究直至发生剥落的寿命时间、绘制威布尔图、并且从威布尔分布的结果中确定寿命L10。这样确定的寿命用作寿命值。寿命以在具有最短寿命的对比例20的寿命取作1的条件下的比值的形式提供。
表7
Figure A200780009156D00421
如表7所示，当用SUJ2制造的滚道圈与用SCr420制造的滚道圈进行比较时，在用SCr420制造的滚道圈的情况下产生较大的作用。对此所能想到的理由是，当SCr420用于滚道圈时，滚道圈容易产生凹痕而滚动元件变成不容易产生凹痕，因为SCr420的芯部的硬度比SUJ2的芯部硬度要软，因而产生延长寿命的作用。
至于试验，提供例子，其中高碳铬轴承钢(SUJ2)或铬钢(SCr420)应用于滚道圈；包含1.0％的质量百分比的原材料碳的钢应用于滚动元件；并且对钢进行淬火、回火、或者渗碳或碳氮共渗处理。但是，只要完成的滚道表面的表面硬度和完成的滚动表面的表面硬度大于HRC55并且在本发明的范围内，能够产生类似的效果。
虽然已经详细地或参考具体实施例描述了本发明，但是于本领域的技术人员十分清楚，在不脱离本发明的精神实质和范围的情况下，能够进行各种变化和修改。
本专利申请基于2006年5月29日提交的日本专利申请(JP-A-2006-148497)和2006年5月19日提交的日本专利申请(JP-A-2006-140111)；2006年5月30提交的日本专利申请(JP-A-2006-150375)；2007年4月16日提交的日本专利申请(JP-A-2007-107250)；以及2007年4月23日提交的日本专利申请(JP-A-2007-112995)，并且将它们的内容结合于此供参考。

Claims (10)

1.一种滚动设备，包括：
外部部件，在其内圆周表面上具有滚道表面；
内部部件，在其外圆周表面上具有滚道表面；以及
多个滚动元件，其可滚动地设置在所述外部部件的滚道表面和所述内部部件的滚道表面之间，其中
所述内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一的表面进行碳氮共渗或氮化处理，
包含Si和Mn的氮化物的面积百分比为1％或以上和20％或以下，
表面硬度是HV750或以上，并且，
当从滚道表面的深度或从滚动元件的滚动表面的深度被定义为Z，并且滚动元件的直径被定义为d时，在Z＝0.045d处的硬度为HV650至850，并且在Z＝0.18d处的硬度为HV400至800。
2.根据权利要求1的滚动设备，其中
在所述内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一的表面层上的氮的浓度为0.2％的质量百分比或以上，在375μm2的面积内其尺寸为0.05μm至1μm并包含Si和Mn的氮化物的数目为100或以上。
3.根据权利要求2的滚动设备，其中
碳氮共渗的或氮化的内部部件、外部部件、和滚动元件的至少其中之一由包含下述成分的钢制造：
3至1.2％的质量百分比的C，
3至2.2％的质量百分比的Si，
3至2.0％的质量百分比的Mn，
5至2.0％的质量百分比的Cr，
Si/Mn之比为5或以下，
其余为铁和
不可避免的杂质。
4.根据权利要求3的滚动设备，其中
碳氮共渗的或氮化的部件是滚动元件。
5.根据权利要求4的滚动设备，其中
当在所述滚道表面上的残余奥氏体的量被定义为γrAB时，并且
当在滚动元件的滚动表面上的残余奥氏体的量被定义为γrC时，
满足γrAB-15≤γrC≤γrAB+15(0≤γrAB，γrC≤50，单位为体积百分比)
6.根据权利要求5的滚动设备，其中
所述内部部件和外部部件的至少其中之一由包含下述成分的钢制造：
15至1.2％的质量百分比的C，
1至1.5％的质量百分比的Si，
2至1.5％的质量百分比的Mn，
5至2.0％的质量百分比的Cr，
其余为铁和
不可避免的杂质。
7.根据权利要求6的滚动设备，其中
所述内部部件和外部部件的至少其中之一由高碳铬轴承钢制造。
8.根据权利要求7的滚动设备，其中
在所述内部部件和外部部件中，滚道圈的滚道表面由高碳铬轴承钢制造，形成通过包括渗碳或碳氮共渗的热处理而硬化的表面层部分，
所述表面层部分的硬度为HRC58或以上和HRC66或以下，
所述表面层部分的内芯的硬度为HRC56或以上和HRC64或以下
9.根据权利要求6的滚动设备，其中
在所述内部部件和外部部件的滚道表面上的表面氮浓度为0.05％的质量百分比或以下。
10.根据权利要求9的滚动设备，其中
在所述滚动元件中的Si含量和Mn含量为1.0％的质量百分比或以上。
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