CN102057173B - 用于等速万向节的球及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用在等速万向节中的球(16)及其制造方法。所述用于等速万向节的球(16)制造如下：通过淬火步骤来加热球状体到840-900℃，该球状体由对应于日本工业标准(JIS)所规定的高碳铬轴承钢的材料所构成，然后冷却该球状体在特定条件下使得在离表面(30)0.1mm深度处的第一部分(32)保留10-25％的奥氏体，在150℃或更高温度下回火该球状体的步骤，以及弹射增韧步骤，在该步骤中弹射增韧所述球状体并赋予-1000MPa或更高的压缩残余应力至特定区域中，所述特定区域到达离表面(30)0.2mm深度处的第二部分(34)。

Description

用于等速万向节的球及其生产方法
技术领域
本发明涉及用在等速万向节中的球，该球设置在等速万向节的外环部件和内环部件之间，以及制造该球的方法。
背景技术
汽车车身装备有驱动力传动机构，该机构具有多个转动轴和设置在其间的等速万向节以将驱动力从发动机(例如内燃机)传递到轮胎。例如，驱动轴和轮毂可移位地通过Birfield等速万向节而彼此连接，该万向节具有外环部件、内环部件及用在等速万向节中的球(该球可被称为滚珠)，该球设置在上述环之间。
近来，出于要改善汽车的特定耗油率的目的，已经研究减轻汽车车身还有汽车的各种部件的重量的方法。考虑到该目的，Birfield等速万向节也被要求做的更轻一些(即，尺寸更小)。
然而，小的部件一般在刚性上较差。因而，减少Birfield等速万向节中的外环部件、滚珠等部件的尺寸导致耐用性下降。考虑到解决该问题，在日本公开专利文件JP2000-145804中，提过出了一种方法，其中在外环和内环部件中的珠槽的表面粗糙度被控制在10到30μm(微米)，并在化学转换处理后形成润滑膜。
在有效地提高滚珠的寿命这一方面，在日本专利公开文件JP2002-122145中公开了一种方法，其中滚珠由轴承钢或其等效材料构成，滚珠要经受氮化处理以提高表面残余奥氏体的含量，然后经受处理以提高压毁或断裂负荷耐受性。
在日本公开专利文件JP2002-122145中描述的传统方法中，当滚珠只经受氮化处理时，得到的滚珠在压毁负荷耐受性上较差，并实际上容易被压毁。为此原因，进行压毁负荷耐受性提高处理(看第五段)。在日本公开专利文件JP2002-122145中，描述了在180℃到230℃温度之间的回火处理，其作为压毁负荷耐受性提高处理的特定例子。在该例子中，尽管滚珠由于氮化处理中提高的硬度而变脆了，其表面硬度在上述温度范围内的回火处理中被降低到HRC(Rockwell C级硬度)60-64。
作为更深入研究的结果，发明人发现在日本公开专利文件JP2000-145804和JP2002-122145中描述的方法中滚珠的表面会经常剥落。换句话说，在日本公开专利文件JP2000-145804和JP2002-122145中描述的传统方法中难以保持滚珠有足够的耐用性。
在日本公开专利文件JP2002-122145中中描述的传统方法中，滚珠的表面硬度被降低。然而，滚珠需要是耐磨的，由此一般优选滚珠具有较高的表面硬度。随着表面硬度的提高，滚珠的耐磨性提高。
发明内容
当由廉价的钢材料例如SUJ2构成的等速万向节球可减小尺寸时，上述球容易有缺陷，例如破裂。在研究该缺陷的原因的过程中，发明人发现一种白色纹理(其在用于奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液中时展现出白色)产生在具有缺陷的部分的金属结构中。该白色纹理的产生是由于钢材料的碳含量减少。因而，发明人假定该缺陷的起因是因为金属结构(钢材料)的碳含量减小，导致强度和韧性的下降。
当连接到等速万向节的转轴转动时，用于等速万向节的球滑动地接触外环或内环部件的珠槽。换句话说，在滚珠和外环或内环部件之间有相对滚动和滑动，由此产生了剪应力和摩擦热。本发明人假定碳含量由于剪应力和摩擦热的此类产生而减小。
期望的是可以通过增大等速万向节的球的压缩残余应力来防止上述碳含量的减小。在这种情况中，当由于上述滚动和滑动而产生剪应力时，剪应力被压缩残余应力吸收。然而，例如即使在等速万向节的球具有较高的表面压缩残余应力(-1000MPa)这样的情况中，也难以防止该缺陷。
在更深入地研究其原因的过程中，发明人发现该缺陷尤其是在下述区域中引起：等速万向节的球中离表面0.1到0.2mm的深度范围内。基于这一发现，发明人的结论是并非该表面而是内部区域具有最大的剪应力，如Hertzian应力理论所描述的那样。
当在离表面0.1到0.2mm深度范围内的压缩残余应力被控制在-1000MPa或更高时，等速万向节的球被从表面剥落。对于这种行为，发明人已经发现破裂是在离表面0.02到0.03mm深度范围内，尤其是在深度为0.025mm的位置附近引起的。基于这一发现，发明人假定，由于在离表面0.1到0.2深度范围内的区域中的压缩残余应力增加，破裂的起始点移近等速万向节的球的表面。作为关于上述假定的更深入的研究的结果，完成了本发明。
本发明的主要目的是提供一种用在等速万向节中的球，尽管由廉价的材料构成但在耐用性和耐磨性上非常出色。
本发明的另一目的是提供一种方法，该方法能够制造上面提到的用在等速万向节中的球。
根据本发明的一个方面，提供一种用在等速万向节中的球，其具有在离表面0.1mm深度处的第一位置和离表面0.2mm深度处的第二位置，该球设置在等速万向节的外环部件和内环部件之间以在从外环部件到内环部件的方向或其相反方向上传递转动动力，其中
使用依照日本工业标准的高碳铬轴承钢的等效材料作为原钢来形成球，
在第一位置和第二位置之间的区域具有-1000MPa或更高的压缩残余应力，及
在表面和第一位置之间的区域具有奥氏体含量的体积比为10％到25％的金属结构。
在本发明中，术语“压缩残余应力为-1000MPa或更高”指的是该压缩残余应力是负数并且其绝对值大于-1000MPa的绝对值。因而，例如-1200MPa的压缩残余应力要高于-1000MPa，而-950MPa的压缩残余应力则低于-1000MPa。
高碳铬轴承钢是这样一种钢材料，其具有与依照日本工业标准(JIG)G4805的SUJ1到SUJ5中的任一种材料相等的组分。
如上所述，假定在用于等速万向节的球中，在离表面0.1到0.2mm的深度范围内的所述区域表现出金属结构中最大的碳含量减小，以及因而最高的剪应力。因此，在离表面0.2mm深度处的位置中的压缩残余应力增大到-1000MPa或更高。这样，当由于球和外环或内环部件之间的相对滚动和滑动而导致在等速万向节的球中产生剪应力时，该剪应力能够被压缩残余应力有效地吸收，由此能够防止碳含量减小。
就像从上述内容能明显看到的，通过增大在特定深度位置中的压缩残余应力，能够防止碳含量的减小以及因而防止由于强度或韧性减小而引起的缺陷。这样，对等速万向节的球可以使用廉价的钢材料，从而用于等速万向节的球可以制造为具有出色的耐用性并且成本较低。
同时，在表面和第一位置(离表面0.1mm的深度)之间的区域中的金属结构的奥氏体含量被控制在体积比10％到25％。奥氏体与珠光体和马氏体相比是较软的沉积体，由此能增大在该表面和第一位置之间的所述区域的韧性。结果，导致剥落的在该表面附近的破裂能被防止。因而能够防止剥落，而得到的滚珠会具有足够的耐用性。
另外，通过控制金属结构的奥氏体含量的体积比在10％到25％，由此提高韧性，即使当滚珠具有高表面硬度时也能防止剥落。例如滚珠的表面硬度可以是HRC62到68。
这样可以保持足够的耐磨性。
在普通的滚珠中，这种破裂倾向于在表面和第一位置之间的区域中出现。因此，优选地，在离表面0.1mm深度处的位置中的压缩残余应力高于在离表面0.2mm深度处位置中的压缩残余应力。通过以这种方式提高在靠近表面的位置中的压缩残余应力，可以防止在表面附近中的破裂。
例如，在离表面0.1mm深度处的位置中的压缩残余应力可以是-1150MPa或更高。
根据本发明的另一方面，提供一种制造用在等速万向节中的球的方法，该万向节具有在离表面0.1mm深度处的第一位置和离该表面0.2mm深度处的第二位置，球被设置在等速万向节的外环部件和内环部件之间以在从外环部件到内环部件的方向上或其相反方向上传递转动动力，该方法包括：
硬化步骤，在该硬化步骤中在840℃到900℃温度下加热球状体，该球状体包括依照日本工业标准的高碳铬轴承钢的等效材料，接着冷却该球状体从而在表面和第一位置之间的区域具有体积比10％到25％的奥氏体含量；
回火步骤，其中在150℃或更高温度下回火硬化的球状体；及
弹射增韧步骤，其中使回火后的球状体经受弹射增韧处理从而在第一位置和第二位置之间的区域具有-1000MPa或更高的压缩残余应力。
通过实行这些步骤，可以得到在耐用性方面很出色的用于等速万向节的球，其中从表面到内部几乎不会产生缺陷。
如上所述，在等速万向节的球中，在离表面0.1到0.2mm深度范围内的区域容易具有可导致缺陷的白色纹理。在本发明中，在该区域中的压缩残余应力被提高，由此由于等速万向节的球和外环或内环部件之间的相对转动和滑动而在该区域中产生的剪应力能够被该压缩残余应力吸收。此外，在表面和0.1mm深度处的位置之间的区域中的金属结构的奥氏体含量被控制在体积比10％到25％，由此提高了韧性。结果，可以防止内部的白色纹理的产生以及防止在表面附近中的剥落。即使在使用便宜的钢材料的情况中，也几乎不会引起缺陷。
换句话说，通过将离表面0.1到0.2mm深度范围内的区域中的压缩残余应力提高到-1000MPa或更高，以及通过提高表面附近的金属结构的奥氏体含量，得到的等速万向节球即使在使用高碳铬轴承辊的廉价等效材料时，也能具有出色的耐用性。
高碳铬轴承钢的等效材料的优选例子包括SUJ2等效材料。SUJ2等效材料是廉价的并在成本方面上有利。
结合附图，从下面的描述中，本发明的上述和其他目的、特征及优点将变得更加明显。在附图中本发明的优选实施例仅作为说明性示例示出。
附图说明
图1是装备了根据本发明的实施例的等速万向节的球(滚珠)的Birfield等速万向节的示意性横截面图；
图2是图1的滚珠的主要部分的放大横截面图；
图3的图解示出在根据实施例和比较例1和2的每个滚珠中，离表面的深度和压缩残余应力之间的关系；
图4的图解示出在根据实施例的滚珠和SUJ2滚珠的每一个中，在表面和0.5mm深度处的位置之间的区域中的金属结构的奥氏体含量；及
图5的图解示出下述几种滚珠的威布尔概率图：根据实施例的滚珠、在表面和0.1mm深度处的位置之间的区域中具有低于10％的奥氏体含量的滚珠，以及SUJ2滚珠。
具体实施方式
下面参考附图，将详细地描述根据本发明的用在等速万向节中的球的优选实施例及其制造方法。
图1为概略横截面图，示出Birfield等速万向节(其也被称为等速万向节)10。等速万向节10具有外环部件12和内环部件14，根据该实施例的滚珠16(用在等速万向节中的球)被设置在外环部件12和内环部件14之间。
外环部件12具有轴部分18和开口圆筒部分20，六个珠槽22a到22f等角地形成在圆筒部分20的弯曲内壁上。
内环部件14被插入在圆形部分20中并被保持器24支撑，内珠槽26a到26f形成在内环部件14上。内珠槽26a到26f在径向方向上向外延伸，从而弯曲的外壁被切掉，内珠槽26a到26f的数量等于在外环部件12上的珠槽22a到22f的数量。另外，从内环部件14的一端到另一端形成了通孔27，驱动轴DS装配在通孔27中。
在保持器24中，形成了从内壁穿到外壁的窗口28。滚珠16容纳在窗口28中，并插入到外环部件12上的珠槽22a到22f以及内环部件14上的内珠槽26a到26f中。
在滚珠16的表面附近中的一部分的放大截面示出在图2中。如图2所示，滚珠16具有表面30，在离表面30为0.1mm深度处的第一位置，以及离表面30为0.2mm深度处的第二位置34。此外，滚珠16具有中心O。
图3是图线，示出在具有19/32英寸的直径的滚珠16中，离表面30的深度和压缩残余应力之间的关系。在根据此实施例的滚珠16中，在表面30中在第一位置32处和第二位置34处的压缩残余应力分别是-1000MPa或更高，即，-1200MPa、-1180MPa及-1020MPa。从图3中可以明显看到，在第一位置32和第二位置34之间的区域也具有-1000MPa或更高的压缩残余应力。
在这种情况中，使用SUJ2，一种高碳铬轴承钢作为原钢来形成滚珠16。
包含具有图1所示的那样的结构的滚珠16的等速万向节10，用在汽车的驱动力传递机构中以将驱动力从引擎传递到轮胎。
在驱动汽车时，当驾驶员转动方向盘以改变方向时，或者汽车在非常颠簸的道路上行进时，驱动轴DS被移位。这样，在等速万向节10中，滚珠16滑动地与外环部件12的珠槽22a到22f以及内环部件14的内珠槽26a到26f接触。结果，实现在滚珠16、外环部件12和内环部件14之间的相对滚动和滑动，以致产生了剪应力和摩擦热。
由于剪应力和摩擦热而产生的负荷尤其被施加到在滚珠16中的第一位置32和第二位置34之间的区域(看图2)。因为该负荷的原因，在该区域中的金属结构的碳含量降低。
所谓的白色纹理，其在奈塔尔硝酸乙醇腐蚀液中展现出白色，产生在具有降低的碳含量的金属结构中。该白色纹理易碎，由此导致剥落和破裂。
然而，在这个实施例中，如图3所示，在第一位置32和第二位置34之间的该区域具有-1000MPa或更高的压缩残余应力。在具有这么高的压缩残余应力的区域中，上述剪应力被吸收。因此，在该实施例中能够防止由于碳含量减小而造成的向白色纹理的纹理改变。
尤其是，在本实施例中，预先对滚珠16的第二位置34施加高的压缩残余应力，因而在离表面30为0.1到0.2mm深度范围内的所述区域(在第一位置32和第二位置34之间的所述区域)具有高的压缩残余应力。这样，在这个区域中，剪应力能被吸收而防止产生白色纹理。
在自然情况下，白色纹理几乎不会在比第二位置14还深的区域中产生。因而，仅通过增大在第一位置32和第二位置34之间的区域的压缩残余应力，则能够在整个滚珠16上防止可导致剥落和破裂的白色纹理的产生。
以此方式防止白色纹理的产生，由此，即使在滚珠16中使用廉价钢材料例如SUJ2的情况中，也能够防止剥落和破裂。因而，滚珠16可以被制造为具有长的寿命且成本较低。
在滚珠16的表面30和0.5mm深度处的位置之间的区域中的金属结构的奥氏体含量，与普通的SUJ2滚珠中的奥氏体含量一起在图4中示出。如图4中所清楚看到的那样，SUJ2滚珠的奥氏体含量至多大约体积比9％。相反，根据实施例的滚珠16的奥氏体含量在表面30中为体积比大约16％，而在第一位置32处为体积比大约14.8％。此外，在整个区域中，即使在0.5mm深度处的位置处，奥氏体含量体积比均大于14％。
这样，与SUJ2滚珠相比，滚珠16在表面30和第一位置32之间的区域中具有奥氏体含量较高的金属结构。奥氏体要比珠光体和马氏体更软，由此具有更高奥氏体含量的区域具有增加的韧性。结果，在表面附近中(即，在表面30和第一位置32之间的区域中)的导致剥落现象的破裂，能够被防止。
此外，滚珠16具有高韧性的表面30，因而具有高的表面硬度。特别是，滚珠16的表面硬度可以是HRC62到68。因此，表面30可具有足够的耐磨性。
滚珠16可以被如下制造。
首先，由SUJ2等效材料(原钢)构成的球状体经受硬化处理。该球状体在840℃到900℃下被加热然后被冷却。执行冷却从而在表面30和球状体中0.1mm深度处的第一位置32之间的区域具有体积比10％到25％的残余奥氏体含量。
通常，原钢的金属结构包含珠光体。通过上述加热，珠光体被转变成奥氏体。奥氏体一般在后面的冷却中被转化成马氏体。在本实施例中，冷却速率被降低以延迟在球状体的温度达到马氏体沉积开始温度(马氏体转变点)之前的时间。结果，能够增加冷却后留在金属结构中的奥氏体的量。
实践上，可以根据滚珠16的直径来选择冷却速率。
然后，球状体在150℃或更高温度下经受回火处理。在硬化处理中形成的金属结构被这一步骤稳定下来。
接下来，球状体被提供压缩残余应力。例如，可以在这一步骤中使用日本公开专利文件JP61-270331或JP11-019828中描述的已知处理方法和装置。因而，例如多个硬化且回火后的滚珠16被放在桶内然后转动该桶从而滚珠16与桶的内壁相撞或者彼此相撞。重复上述碰撞以向滚珠16提供压缩残余应力。
在滚珠16中，压缩残余应力被最大化的深度取决于滚珠16的直径和处理条件。例如，在使用日本公开专利文件JP11-019828中描述的设备来处理直径3/8英寸的滚珠16的情况中，与桶具有相同轴线的支撑轴在与桶的转动方向相反的方向上以50rpm的速度转动90分钟，在离表面30为0.1mm深度处的第一位置32具有近似-960MPa的最高压缩残余应力。在另一种情况中，即，支撑轴以65rpm速度转动90分钟，在离表面30为0.15mm深度处的位置具有大约-1000MPa的最高压缩残余应力。
从上面能清楚看到，通过增大支撑轴的旋转，可以控制滚珠16的最大压缩残余应力值以及具有该最大值的深度。例如，通过让支撑轴在50rpm速度下转动2.5小时，在直径为19/32英寸的滚珠16的第一位置32和第二位置34中的压缩残余应力可以分别控制在-1180MPa和-1020MPa，如图3所示。
在图3中还示出在比较例1和2的滚珠的每一个中，离表面的深度和滚珠中的压缩残余应力之间的关系。滚珠在支撑轴低速转动下被准备并且具有相同的19/32英寸直径。在比较例1中，在离表面0.1mm和0.2mm深度处的位置中的压缩残余应力值分别是-870MPa和-500MPa。在比较例2中，在离表面0.1mm和0.2mm深度处的位置中的压缩残余应力值分别是-510MPa和-380MPa。这样，在比较例1和2的滚珠中，在容易具有白色纹理的区域中的压缩残余应力是-1000MPa或更低。
此外，从图3中能清楚看到，根据实施例的滚珠16的耐用性明显不同于比较例2的滚珠，尽管它们有大致相同的表面压缩残余应力值。因而，通过将第二位置34处的压缩残余应力增大到-1000MPa或更高，由此提高在第一位置32和第二位置34之间的区域(该区域容易具有白色纹理)中的压缩残余应力，可以提高滚珠的耐用性。
图5示出根据本实施例的滚珠16和滚珠A和B的威布尔概率图，时间在水平轴上示出。滚珠A在表面和0.1mm深度处位置之间的区域中具有小于10％的奥氏体含量，尽管在离该滚珠的表面0.1到0.2mm深度范围内的区域中的压缩残余应力基本等于滚珠16的情况。滚珠B由SUJ2钢构成。从图5中能清楚看到，滚珠B、滚珠A和滚珠16具有依次增大的寿命。
如上所述，在本实施例中，能够获得具有出色耐用性的滚珠16。
尽管在上面的实施例中作为示例描述的是，使用SUJ2作为原钢来形成滚珠16，滚珠16的材料并不限于是SUJ2，其可以是高碳铬轴承钢的任何等效材料。因而，滚珠16的材料可以是SUJ1、SUJ3、SUJ4或SUJ5的等效材料。

Claims (7)

1.一种用在等速万向节中的球(16)，其具有在离表面(30)0.1mm深度处的第一位置(32)和离所述表面(30)0.2mm深度处的第二位置(34)，该球(16)设置在等速万向节(10)的外环部件(12)和内环部件(14)之间，以在从外环部件(12)到内环部件(14)的方向或其相反方向上传递转动动力，其中
使用依照日本工业标准的高碳铬轴承钢的等效材料作为原钢来形成球(16)，
在第一位置(32)和第二位置(34)之间的区域具有-1000MPa或更高的压缩残余应力，及
在所述表面(30)和第一位置(32)之间的区域具有奥氏体含量体积比为10％到25％的金属结构。
2.根据权利要求1所述的用在等速万向节中的球(16)，其中在第一位置(32)中的压缩残余应力是-1150MPa或更高。
3.根据权利要求1所述的用在等速万向节中的球(16)，其中在第一位置(32)中的压缩残余应力高于第二位置(34)中的压缩残余应力。
4.根据权利要求1所述的用在等速万向节中的球(16)，包括根据日本工业标准的SUJ2的等效材料。
5.根据权利要求1所述的用在等速万向节中的球(16)，其中所述表面(30)的硬度为洛氏硬度C级62到68。
6.一种制造用在等速万向节中的球(16)的方法，该球具有离表面(30)0.1mm深度处的第一位置(32)和离该表面(30)0.2mm深度处的第二位置(34)，球(16)被设置在等速万向节(10)的外环部件(12)和内环部件(14)之间，以在从外环部件到内环部件的方向上或其相反方向上传递转动动力，该方法包括步骤：
硬化步骤，其中在840℃到900℃温度下加热球状体，该球状体包括依照日本工业标准的高碳铬轴承钢的等效材料，接着冷却该球状体从而在所述表面(30)和第一位置(32)之间的区域具有体积比10％到25％的奥氏体含量；
回火步骤，其中在150℃或更高温度下回火硬化后的球状体；及
弹射增韧步骤，其中使回火后的球状体经受弹射增韧处理从而在第一位置(32)和第二位置(34)之间的区域具有-1000MPa或更高的压缩残余应力。
7.根据权利要求6所示的制造方法，其中根据日本工业标准的SUJ2的等效材料被用作高碳铬轴承钢的等效材料。
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