CN101440724A - 滚子元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在车辆发动机阀系统内的凸轮设备的滚子元件内，例如凸轮的滚子从动件，避免在短时间内发生脱皮现象。通过对已加工滚子元件材料进行加热，加热在碳势为为1.2％或更高的渗碳气氛下、在840－870℃进行3小时或更长时间，从而进行渗碳处理，然后进行淬火处理，所述由轴承钢制成的滚子元件材料已成形为预定的形状。因此，其滚动接触表面到最大剪切应力的作用深度之间的表面部分内碳的总含量为1.0－1.6wt％，所述表面部分的组织内含有0.6－1.0wt％的溶质碳，且所述表面部分有析出的5－20％面积比的碳化物，而且颗粒直径为3μm或更小。

Description

滚子元件及其制造方法
分案申请说明
本申请是申请日是2003年7月30日、申请号是03152326.9且发明名称是“滚子元件及其制造方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种滚子元件及其制造方法，并特别涉及这样一种滚子元件，例如在凸轮设备中使用的凸轮的滚子从动件，用于驱动例如在车辆发动机中的阀系统内的锁定臂。
背景技术
例如，在用于驱动车辆发动机阀系统内的锁定臂的凸轮设备中，润滑油未充分供给到凸轮与凸轮的滚子从动件之间的接触部分，使得润滑条件不好，此外，由于凸轮的滚子从动件不是纯粹与凸轮滚动接触，而是带有滑动的滚动接触，凸轮的滚子从动件容易在短时间内在作为滚动面的外表面上产生脱皮，导致使用寿命缩短。
因此，为延长使用寿命，本发明的受让人提出一种凸轮的滚子从动件(专利公开号7—54616)，它包括经过渗碳处理的泡钢(表面渗碳钢)，其表面硬度为63—68罗氏C级硬度(以下简称“HRC”)，并且含有表面残留奥氏体为13—30vol％。确定表面硬度在HRC63—68之间的一个原因是，当存在尖锐外物或润滑层损坏时，避免该损坏变成脱皮起始点，以及确保刚度。另外，确定表面残留奥氏体为13—30vol％之间的一个原因是，防止刚度降低以避免裂纹发展，并且在加热时检查由于马氏体形变导致的尺寸变化。
然而，上述现有的凸轮滚子从动件的表面几乎没有碳化物，抗磨损性不令人满意。作为一种原材料，采用表面渗碳钢。由于表面渗碳钢不能进行大规模生产，因此材料成本高，并且由于对表面渗碳钢进行渗碳处理或渗碳氮处理的热处理，表面渗碳钢成本高，使得凸轮滚子从动件的整体制造成本变大。
因此考虑对利用轴承钢(高碳铬轴承钢)制成并成形为预定形状的滚子元件加工毛坯进行渗碳处理或渗碳氮处理以制造凸轮的滚子从动件，该轴承钢例如为JIS SUJ2，但是不能同时提高表面硬度并且精化碳化物，并且例如，如果对本身就含有大量碳和碳化物的JIS SUJ2进行渗碳处理，以便提高表面硬度，现有的碳化物会长得很大，最终会导致使用寿命缩短。
因此，本发明的目的是提供一种具有比传统的凸轮滚子从动件寿命更长的凸轮滚子从动件，及其制造方法。
发明内容
根据本发明第一方面的滚子元件的特征在于包括经过渗碳处理的轴承钢，从其滚动表面到最大剪切应力的作用深度之间的表面部分内，碳的总含量在1.0—1.6wt％之间，在该表面部分的组织内，溶质碳(solute carbon)的含量在0.6—1.0wt％之间，所述表面部分析出面积比为5—20％并且晶粒尺寸为3μm或更小的碳化物。
在本发明的第一方面，限制各个数值的理由如下所述。
在表面部分碳的总含量
将碳的总含量限制在1.0—1.6wt％之间，是因为如果超过上限，碳化物会变得很大，不能被精化。下限是根据例如为JIS SUJ2的轴承钢(高碳铬轴承钢)进行的必要决定。
表面部分组织中的溶质碳的含量
溶质碳的含量限定在0.6—1.0wt％之间，是因为如果低于下限，就不能获得希望的表面硬度，如果滚子元件上有尖锐的外物，例如在凸轮的滚子从动件的滚动面上，这会因为润滑状态受损时产生引起会变成脱皮起始点的损坏，而在很短时间内发生脱皮现象，并且如果超过上限，表面部分内的细小碳化物的数量将少于5％面积比，导致抗磨性能降低。
表面部分中的碳化物的含量
碳化物的含量限定在5—20％面积比之间，是因为如果低于下限，抗磨性下降，而如果超过上限，会出现粗大的碳化物，并且开始疲劳裂纹，导致滚子元件寿命缩短。
表面部分中的碳化物的颗粒直径
将碳化物的颗粒直径限制在3μm或更小的原因是，如果超过3μm，会开始出现类似于非金属夹杂物的疲劳裂纹，并且不能确保刚度。
如果表面部分中的碳化物的含量和颗粒直径如上所述，碳化物在表面部分内均匀分布，并且残留奥氏体的稳定性提高，从而防止滚子元件的尺寸变化。
根据本发明的第一方面，由于表面硬度提高，在出现尖锐外物或润滑状态破坏时可能防止产生成为脱皮起始点的损坏，并避免在短时间内出现脱皮，另外，避免抗磨性能下降同时确保硬度，因此，滚子元件获得较长的使用寿命。而且，滚子元件由用于轴承的大规模生产的轴承钢制成，因此材料成本低，所以制造总成本低。在轴承钢中，JISSUJ2尤其适于大规模生产，材料成本因而显著降低。
在本发明的第一方面中，优选渗碳处理温度为840—870℃。在这种情况下，温度低于渗碳处理或渗碳氮处理的热处理温度，因此，热处理成本低。所以，制造总成本低。
根据本发明第二方面的滚子元件，其特征在于，包括经过渗碳处理的轴承钢，从其滚动面到最大剪切应力的作用深度之间的表面部分内，碳的总含量在1.0—1.6wt％之间，wt残留奥氏体的含量为20—35vol％，压缩残留应力为150—1000Mpa，使得表面硬度为64或以上的罗氏C级硬度，并且所述表面部分有析出的10—25％面积比的碳化物，而且碳化物的颗粒直径为3μm或更小。
在本发明的第二方面，限制各个数值的理由如下。
在表面部分碳的总含量
将碳的总含量限制在1.0—1.6wt％之间，是因为如果超过上限，碳化物会变得很大，不能被精化。下限是根据例如为JIS SUJ2的轴承钢进行的必要决定。
表面部分中残留奥氏体的含量
将残留奥氏体的含量限定在20—35vol％之间，是因为在该范围内，可以缓和滚动面的表面部分内出现的压缩应力，避免裂纹的进一步发展，提高刚度，更加延长滚子元件的使用寿命。但是，如果残留奥氏体的量少于20vol％，不能提供这些效果，如果超过35vol％，表面部分的表面硬度不会超过64HRC。
表面部分中的压缩残留应力
将压缩残留应力限定在150—1000Mpa之间，是因为在该范围内，可以避免裂纹发展，从而进一步延长滚子元件的使用寿命。但是，如果压缩残留应力少于150Mpa，不能提供这些效果，如果超过1000Mpa，由于过多压缩残留应力产生的时效变化就会成问题。
表面部分的表面硬度
将表面硬度限定在HRC 64或以上，是为了避免在短时间内在滚动面上出现脱皮现象。表面硬度的理想的上限是大约为69，用于确保材料的刚度。
表面部分碳化物的含量
将碳化物含量的下限限定在10％面积比的理由是因为，如果碳化物的含量低于10％面积比，就会缺少微米级和亚微级碳化物，可能导致使用寿命的延长效果不令人满意。这里，微米级碳化物能防止导致疲劳出现的滑动区形变，尽管微米级碳化物不具有防止滑动区形变的效应，但是具有弥散在其中的效果。而且，将碳化物含量的上限限定在25％面积比的理由是因为，如果超过25％，碳化物的颗粒直径会不可避免地变大，相应碳化物之间的空间变小，而且碳化物的分布不均匀。
表面部分碳化物的颗粒直径
将碳化物的颗粒直径限制在3μm或更小的原因与前述第一方面提到的相同。
如果表面部分中的碳化物的含量和颗粒直径如上所述，碳化物在表面部分内均匀分布，并且残留奥氏体的稳定性提高，从而防止滚子元件的尺寸变化。
根据本发明的第二方面，由于表面硬度提高，在出现尖锐外物和润滑状态破坏时可能防止成为脱皮起始点的损坏产生，因此避免在短时间内出现脱皮，另外，避免抗磨性能下降同时确保刚度，因此，滚子元件获得较长的使用寿命。而且，滚子元件由用于轴承的大规模生产的轴承钢制成，因此材料成本低，所以制造总成本低。在轴承钢中，JIS SUJ2尤其适于大规模生产，材料成本因而显著降低。
在本发明的第一方面中，优选渗碳处理温度为840—870℃。在这种情况下，温度低于渗碳处理或渗碳氮处理的热处理温度，因此，热处理成本低。所以，制造总成本低。
根据本发明第三方面的滚子元件制造方法，其特征在于，包括在快速冷却之后，对已利用轴承钢制成并已成形为预定形状的滚子元件加工毛坯进行热处理，所述热处理在840—870℃的渗碳温度及碳势为1.2％或更高的渗碳气氛下进行3个小时或3个小时以上，从而进行渗碳处理，然后进行淬火，其中，在其滚动接触表面到最大剪切应力的作用深度之间的表面部分内碳的总含量为1.0—1.6wt％，在所述表面部分的组织内溶质碳的含量为0.6—1.0wt％，所述表面部分析出5—15％面积比的碳化物，而且其颗粒直径为3μm或更小。
在本发明的第三方面，限制渗碳处理过程中各个数字值的理由如下。关于表面部分内碳的总含量的下限，在表面部分组织内的溶质碳的含量，和表面部分内碳化物的含量和颗粒直径，其限制理由与本发明第一方面解释的理由相同。
在表面部分碳化物含量的上限
对于超过15％面积比的碳化物含量，应当延长渗碳处理时间，结果，与面积比为15％或更低的情况相比，热处理成本高。
渗碳处理气氛内的碳势
将碳势限定在1.2％或更大的理由是，因为如果小于1.2％，渗碳处理对含有1wt％左右碳的轴承钢几乎不起作用，不能获得理想的表面部分硬度和理想的面积比，并且还不能精化碳化物。
渗碳处理温度
将该温度限制在840—870℃之间的理由是，如果温度低于该下限，如在碳势中提到的，不能进行理想的渗碳处理，而如果超过该上限，表面部分的晶粒尺寸会过大，析出巨大的碳化物会降低强度。即，因为抗张强度与晶粒尺寸的—1/2幂成比例，如果晶粒尺寸过大，强度将会下降。
渗碳处理时间
将时间限制在3小时或更长的理由是，因为如果时间短于3小时，脱碳深度会不够。
根据本发明的第三方面，由于滚子元件毛坯由主要用于轴承的轴承钢材料制成，因此材料成本低。此外，在一次渗碳处理后进行淬火，则热处理变得充分，因此热处理成本低，另外，滚子元件的制造总成本低。在轴承钢中，JIS SUJ2特别适于大规模生产，材料成本降低。
在本发明的第三方面，优选碳势为1.2—1.4％。如果超过1.4％，会出现产生很多煤烟的问题。
而且，在本发明的第三方面，优选加热时间为3.5—5小时。如果超过5小时，热处理成本高，并导致碳化物巨大的问题。
根据本发明第四方面的制造滚子元件的方法，其特征在于，包括对已经处理过的滚子元件加工毛坯在碳势为0.9—1.1％的渗碳气氛下，并在930—970℃下加热1小时或更长时间，所述滚子元件由轴承钢制成预定的形状，因此进行热处理以使已有的碳化物熔入组织内，之后进行淬火，并且接着在1.2％或更大碳势的渗碳气氛下，在进行840—870℃下进行3小时或更长时间的加热，以便进行渗碳处理，然后进行淬火，因而在从滚子元件表面到最大剪切应力作用的深度之间的表面部分内使碳的总含量为1.0—1.6wt％，在所述表面部分的组织内溶质碳的含量为0.6—1.0wt％，所述表面部分析出10—20％面积比及颗粒直径为2μm或更小的碳化物。
在本发明的第四方面，限制热处理过程中各个数字值的理由如下。对于表面部分内碳的总含量的上限，在表面部分组织内的溶质碳的含量，和表面部分内碳化物的含量，其限制理由与本发明第一方面解释的理由相同。
在表面部分碳化物含量的下限
将碳化物的下限限定在10％面积比的理由是，如果低于10％，微米级和亚微米级碳化物的含量少，不太可能提供延长滑动寿命的效果。这里，微米级碳化物具有防止引起疲劳的滑动区形变的效果，而亚微米级碳化物不具有防止滑动区形变的效果，但是具有在其中弥散的效果。
表面部分内碳化物的颗粒直径
将碳化物的颗粒直径限定为2μm或更小的理由是，如果超过2μm，就会出现类似于非金属内含物的疲劳裂纹，刚度有可能不够。
将已有的碳化物熔入组织内的过程
在处理过程中将碳势限定为0.9—1.1％的理由是，因为不会在滚子元件内引起渗碳或脱碳。超过1.1％，在含有约1wt％碳的轴承钢内引起渗碳，而低于0.9％，会引起脱碳。
在处理过程中将加热温度限定为930—970℃的理由是，如果低于930℃，在烧结碳化物后作为第二相存在于该组织内的碳化物不够坚固，而如果超过970℃，可能发生淬火裂纹。
而且，在处理过程中将加热时间限定为1小时或更长的理由是，如果短于1小时，在烧结碳化物后作为第二相存在于该组织内的碳化物不够坚固。
渗碳处理
在处理过程中将气氛中的碳势限定为1.2％或以上的理由是，如果低于1.2％，渗碳处理对含有1wt％左右碳的轴承钢几乎不起作用，不能获得理想的表面部分硬度和理想的面积比，并且还不能精化碳化物。如果碳势的上限最好为1.4％，以避免产生很多煤烟。
将加热温度限制在840—870℃之间的理由是，如果温度低于该下限，如在碳势中提到的，不能进行理想的渗碳处理，而如果超过该上限，表面部分的晶粒尺寸会过大，析出巨大的碳化物会降低强度。即，因为抗张强度与晶粒尺寸的—1/2幂成比例，如果晶粒尺寸过大，强度将会下降。
将加热时间限制在3小时或更长的理由是，因为如果时间短于3小时，就不能提供必要的脱碳深度。
根据本发明的第四方面，进行处理以使已有的碳化物熔入组织内，然后进行渗碳处理，因此可以从组织内的碳溶质核中再次析出细小碳化物。因此，可以避免出现疲劳裂纹，保证刚度，并且延长滚子元件的使用寿命。而且，滚子元件由用于轴承的大规模生产的轴承钢制成，材料成本低，结果制造总成本低。在轴承钢中，因为JIS SUJ2特别适于大规模生产，所以理想地降低材料成本。
在本发明的第四方面，经过渗碳处理后的表面部分内的球状碳化物含量为理想的13—16％面积比。
如果球状碳化物的含量超过13％面积比，通微米级碳化物防止滑动区形成的效应及亚微米级碳化物使滑动区层弥散的效应更好，并且滑动寿命提高。而且，考虑到成本，在气体渗碳中，球状碳化物的理想含量为16％面积比或更小。
在本发明的第一到第四方面中，当滚动或在润滑状态下时，从表面到最大剪切应力作用深度的范围随载荷的改变而改变，但是意指从表面到深大约0.5mm的范围。确定这一范围作为上述条件的理由如下。即，该范围内是轴承钢引起内部的脱皮起点的最大作用范围，如上所述，对碳的总含量、组织内溶质碳的含量和碳化物的含量进行处理，从而提高强度，结果，实现预计目的。
附图简要说明
图1为热处理条件1的示图；
图2为热处理条件2的示图；和
图3为热处理条件3的示图。
具体实施方式
下面解释本发明的特定实施例与对比示例。
实施例1—4与对比示例1
制备表1中示出制备两种钢，模仿车辆发动机阀系统内的凸轮的滚子从动件中的滚子，制造五种滚子元件毛坯。
【表1】
Figure A200810003263D00131
接着，在图1—图3所示加热条件下对这些滚子元件毛坯进行处理，以制造用于测试脱皮的滚子(实施例1—4与对比示例1)。
图1所示的热处理条件1包括在850℃，碳势为1.3％的气氛下，进行3小时的热处理，然后油冷到80℃。
图2所示的热处理条件2包括在950℃，碳势为1.1％的气氛下，进行2小时的加热，然后油冷到80℃，接着，在850℃，碳势为1.3％的气氛下，进行3.5小时的加热，然后油冷到80℃。
图3所示的热处理条件3包括在930℃，碳势为0.8％的气氛下，进行5小时的加热，接着，在850℃，碳势为0.8％的气氛下，进行0.7小时的热处理，然后油冷到80℃。
尽管未示出上述三个热处理中的图，在每一条件下，最后都在160℃进行2小时的回火处理。
表2示出由此制成的滚子的实施例1—4与对比示例1的钢的类型、热处理条件和热处理成本，表2的热处理条件1A仅将热处理1的时间改为5小时，热处理条件1B仅将热处理1的时间改为3.5小时。以成本低廉的顺序由1到3列出热处理成本。
【表2】
 
钢的类型 热处理条件 热处理成本
实施例1 A 1 1
实施例2 A 1A 1
实施例3 A 1B 1
实施例4 A 2 2
对比示例1 B 3 3
表3示出实施例1—4与对比示例1的用于测试脱皮的滚子的滚动面的表面硬度(HRC)，在滚动面最上层表面内的碳的总含量，在滚动面最上层表面内组织中的溶质碳含量，从滚动面最上层表面析出的球状碳化物的含量(面积比)，从滚动面最上层表面析出的球状碳化物的最大颗粒直径，距滚动面最上层表面50μm深度的位置处的奥氏体的含量(γR含量)，和在距滚动面最上层表面50μm深度的位置处的压缩残留应力。
【表3】
 
表面硬度(HRC)    碳的总含量(wt％)     溶质碳的含量(wt％)       碳化物的面积百分数(％)  
实施例1 65.2 1.32 0.80 9.6
实施例2 65.0 1.58 0.83 14.0
实施例3 64.8 1.40 0.81 11.0
实施例4 65.0 1.45 0.81 15.5
对比示例1 62.1 0.85 0.72 2.3
 
最大直径(μm)    ΓR(vol％) 压缩残留应力(Mpa)        寿命
实施例1 1.3 23 150 2.2
实施例2 2.8 32 178 3
实施例3 2.1 28 134 2.5
实施例4 1.55 25 175 4
对比示例1 0.3 25 200 1
评估测试
实施例1—4和对比示例1中用于测试脱皮的滚子作为将被驱动的气缸，并将由JIS FCD 700(铸铁)构成且经过感应淬火处理的滚子作为驱动气缸，将这二者结合成两个气缸测试设备。这两个气缸测试设备中的驱动气缸由电机驱动旋转，以便旋转与其外周边接触的被驱动气缸，用于测试其使用寿命。在测试过程中，将润滑油加到两气缸间的接触部分。滚动面在测试滚子的滚动面出现脱皮损耗并且振动变大的时刻确定使用寿命。表3中也示出寿命测试结果。根据寿命测试结果，将对比实施例的寿命设为1，据此，示出寿命测试的结果。
从上述结果中明显得知，与对比示例1相比，创造性产品的实施例1—4极大提高了寿命。此外，与采用表面渗碳钢的对比示例相比，由于实施例1—4采用轴承钢中最适宜大规模生产的JIS SUJ2，材料成本特别低。此外，热处理成本也低。

Claims (3)

1.一种由高碳铬轴承钢制成并经过渗碳处理的滚子元件，所述滚子元件包括：
表面部分，该表面部分的范围从滚动面的表面到最大剪切应力作用的深度之间，所述表面部分含有总含量为1.0—1.6wt％的碳；
其中，所述表面部分的组织内含有0.6—1.0wt％的溶质碳；
其中，在所述表面部分上析出碳化物，所述碳化物的含量为5—20％面积比，并且所有碳化物的颗粒尺寸为3μm或更小，
其中，残留奥氏体的含量为20—35vol％，
其中，所述表面部分的压缩残留应力为150—1000Mpa，并且
其中，所述表面部分的表面硬度为64或以上的罗氏C级硬度，
其中，所述高碳铬轴承钢为JIS SUJ2。
2.一种制造滚子元件的方法，包括如下步骤：
加热加工毛坯，所述加热在碳势为1.2％或更高的渗碳气氛下、在840—870℃进行3小时或更长时间，以便进行渗碳处理，所述加工毛坯由JIS SUJ2轴承钢制成并且已成形为预定的形状；和
淬火，用于在所述渗碳处理步骤后对所述加工毛坯进行淬火，
其中，
所述滚子元件的表面部分的范围从滚动面的表面到最大剪切应力作用的深度之间，所述表面部分含有1.0—1.6wt％的碳；
所述表面部分的组织内含有0.6—1.0wt％的溶质碳；和
在所述表面部分上析出碳化物，所述碳化物的含量为5—15％面积比，并且所有碳化物的颗粒尺寸为3μm或更小，并且其中，残留奥氏体的含量为20—35vol％，所述表面部分的压缩残留应力为150—1000Mpa，并且所述表面部分的表面硬度为64或以上的罗氏C级硬度。
3.一种制造滚子元件的方法，包括如下步骤：
用于加热滚子元件的加工毛坯的第一加热步骤，所述第一加热步骤在碳势为0.9—1.1％的渗碳气氛下、在930—970℃进行1小时或更长时间，以便将碳化物结合到所述组织内，所述加工毛坯由JIS SUJ2轴承钢制成并且已成形为预定的形状；
第一淬火步骤，用于在所述第一加热步骤后对所述加工毛坯进行淬火；
用于加热所述加工毛坯的第二加热步骤，所述第二加热步骤在碳势为1.2％或更高的渗碳气氛下、在840—870℃进行3小时或更长时间，以便进行渗碳处理；和
第二淬火步骤，用于对所述加工毛坯进行淬火，
其中，
所述滚子元件的表面部分的范围从滚动面的表面到最大剪切应力作用的深度之间，所述表面部分含有1.0—1.6wt％的碳；
所述表面部分的组织内含有0.6—1.0wt％的溶质碳；和
在所述表面部分上析出碳化物，所述碳化物的含量为10—20％面积比，并且所有碳化物的颗粒尺寸为2μm或更小，并且其中，残留奥氏体的含量为20—35vol％，所述表面部分的压缩残留应力为150—1000Mpa，并且所述表面部分的表面硬度为64或以上的罗氏C级硬度。
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