CN102252024A - 高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球，其特征在于：所述钢球圆度为0.13um,硬度为64-64.5HRC,单粒硬度粒差为0.5HRC，批硬度差为0.8HRC,残余奥氏体8-12%，应力为800-1200Mpa、半价幅75-200Mpa，强化层0.8-1.2mm，金相组织2-3级；所述轴承钢钢球淬火是采用一种不完全淬火工艺，采用可控气氛热淬火处理必须是用99.5%氮气作为保护气氛淬回火工艺，淬火后应立即进行低温冷处理：待冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段；再在硬磨工艺后增加第二次回火工艺即可。本发明的优点在于：采用了新材质的钢球，提高了钢球的寿命；在球坯成型工艺上，减少了材料损耗，降低了生产成本。

Description

高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球

技术领域

本发明涉及一种轴承用钢球，具体是高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球。

背景技术

毂轴承在汽车上是一个非常重要的零部件，传统的汽车车轮用轴承是由2套圆锥滚子轴承或者球轴承组合而成的。它负担着降低底盘运转时的摩擦阻力，维持汽车正常行驶的重任。若轮毂轴承出了故障，可能会引起噪音、轴承发热等的现象，尤其是前轮更为明显，容易导致方向失控等危险现象。所以，轮毂轴承必须按期进行维护。 

随着汽车工业的不断发展进步，人们对汽车的性能要求越来越高，对汽车的稳定性和安全性、可靠性越来越高。这就对轿车用的各类零件提出了更高的要求，其中汽车轮毂更是首当其冲的关键核心部件。

随着技术的发展，轿车已经广泛使用轿车轮毂单元，该单元的使用范围、使用量正呈现日益增长的趋势，为了适应当今市场需求，性能更优越，寿命更长，安全性更好，使用更可靠的第三代轿车轮毂应运而生。 

以下对三代轿车轮毂进行对比：

第一代：由双列角接触轴承组成。 

第二代：在外滚道上有一个用于将轴承固定的法兰，可简单的将轴承套到轮轴上用螺母固定。使得汽车的维修变的容易。

第三代：采用了轴承单元和防抱刹系统ABS相配合。轮毂单元设计成有内法兰和外法兰，内法兰用螺栓固定在驱动轴上，外法兰将整个轴承安装在一起。

轿车轮毂单元轴承钢球的性能指标：精度等级达G5级，优于国际同类产品G10级；最为重要的是涉及到汽车整车可靠性及安全性，第三代轿车轮毂专用钢球对性能的要求更高。

发明内容

本发明的主要任务在于提供一种高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球，具体是一种耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低噪音的高档轿车用轮毂轴承专用钢球。

   为了解决以上技术问题，本发明的一种高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球，其特征在于：所述钢球圆度为0.13um,硬度为64-64.5HRC,单粒硬度粒差为0.5HRC，批硬度差为0.8HRC, 残余奥氏体8-12%，应力为800-1200Mpa、半价幅75-200Mpa，强化层0.8-1.2mm，金相组织2-3级  。

   为了实现上述的钢球，本发明是这样制造的：一种高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球的工艺，主要由以下步骤构成：按照原材料检验合格后高速冷墩成型、热酸洗、光磨、去应力退火、前清洗、可控气氛热淬火处理、低温冷处理、 回升至室温后进行第一次回火、硬磨、进行表面强化处理、初研、清洗、抛光、外观、100%涡流探伤、精研、清洗外观、精研、成品检验、卸球、清洗、表面光电外观两次，抽检表面质量、涂油、计数包装；其特征在于：所述轴承钢钢球淬火是采用一种不完全淬火工艺，采用可控气氛热淬火处理必须是用99.5%氮气作为保护气氛淬回火工艺，另外同时还将甲醇和丙烷按单位时间消耗比为20—30ml/h：150—200 ml/h的比例通入炉膛形成1000Mpa的正压，在炉膛内达到1.00%左右的碳势进行钢球热处理；淬火后应立即进行低温冷处理：冷处理的工艺温度为-40～-30℃，冷处理时间为150-200分钟，待冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段；回火温度为160-170℃，保温时间为240-270分钟；在所述硬磨工艺后增加第二次回火工艺，所述第二次回火温度为150±5℃，回火时间为210-240分钟；所述第二次精研采用超细粒度8000#树脂砂轮加工。

本发明的优点在于：目前国内市场上的轿车专用轴承钢球在选用原材料的材质是普通GCr15轴承钢，氧含量都在8-12PPM，从钢球加工工序为低速冷墩成型工艺和光磨工序、表面强化处理工艺上还是80年代的传统。原材料采用普通GCr15轴承钢，其材料质量差、含氧量高，夹杂物多，钢的寿命较低，在球坯成型工艺上，就是直接采用低速冲压，开式切料方式将原材料制成圆形的带环带、带有极柱且是位移偏差又大的球坯，其钢球成型质量不稳定，且球坯环带大，材料损耗大，使用模具更换频次高，生产费用偏高。该加工方法的球坯成型过程及包括热处理淬火、回火工艺，不能改善材料的塑性和改变多种叠加的磨削应力状态，使产品容易出现早期疲劳、剥落、甚至开裂。传统钢球无二次稳定回火，和超低温冷处理工艺，在钢球表面强化处理方面，利用机械方法在一个封闭式直径为1.2米左右的强化桶内，通过强化桶的提升斗，将钢球提升到桶的最高点再落到桶的最低处进行一定的撞击，钢球表面形成一定的强化层，其强化后的硬度落差大，残余应力大小分布不均匀，强化层深度或浅或深。

具体实施方式

轿车轮毂单元轴承钢球，又是轴承的重要部件，钢球的质量对球轴承的精度、动态性能及使用寿命的影响至关重要，大量的轴承使用，试验表明钢球影响轴承全部因素的70％，轴承失效因钢球破裂的比例占到58.8％，这就说明钢球在轴承中的重要地位，和重要性，因此钢球质量是衡量球轴承质量的一项重要指标。它的性能指标：精度等级须达到G5级，最为重要的是涉及到汽车整车可靠性及安全性，故之所对第三代轿车轮毂专用钢球对性能的要求更高，该“专用钢球”使用的原材料必须是汽车专用高寿命、高精密、高纯度的GCr15轴承钢，其氧含量不超过8ppm,钛含量不超过30ppm。

   本发明的轴承钢球为：钢球圆度为0.13um,硬度为64-64.5HRC,单粒硬度粒差为0.5HRC，批硬度差为0.8HRC, 残余奥氏体8-12%，应力为800-1200Mpa、半价幅75-200Mpa，强化层0.8-1.2mm，金相组织2-3级。

   本发明的轴承钢球是按以下步骤制作的：按照原材料检验合格后高速冷墩成型、热酸洗、光磨、去应力退火、前清洗、可控气氛热淬火处理、低温冷处理、 回升至室温后进行第一次回火、硬磨、进行第二次回火、表面强化处理、初研、清洗、抛光、外观、100%涡流探伤、精研、清洗外观、精研、成品检验、卸球、清洗、表面光电外观两次，抽检表面质量、涂油、计数包装。上述步骤中，常规的步骤一下不再重复描述。

为了实现上述轴承钢球，将以下关键工序作如下安排：可控气氛热淬火处理必须是用99.5%氮气保护气氛淬回火工艺，氮气是一种惰性气体，是很好的热处理保护气氛，另外同时还将甲醇和丙烷按单位时间消耗比为20—30ml/h： 150—200 ml/h的比例通入炉膛形成1000Mpa的正压，在炉膛内达到1.00%左右的碳势（通过氧探头自动控制），以835—845℃温度淬火42—50分钟后，这样钢球热处理后达到了表面零脱碳的要求，避免了钢球在热处理时因表面脱碳可能造成淬火时表面拉应力过大出现显微裂纹的现象。精确控制淬、回火加热温度和保温时间是生产汽车专用高寿命、高精密轴承钢钢球的热处理的重要条件。

本发明中轴承钢钢球是一种不完全淬火，其组织中仍然有部分残余奥氏体未转变为马氏体，其含量大约为15-20%，因为马氏体的转变温度为-50-250℃，故在常温下残余奥氏体就有向马氏体转变的可能，残余奥氏体有向马氏体转变的过程中会带来钢球尺寸的变化。热处理在淬火后及时进行冷处理，冷处理的工艺温度为-40～-30℃，冷处理时间为150-200分钟，这样会促进马氏体的转变，进一步减少残余奥氏体，待冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段，回火温度为160-170℃，保温时间为240-270分钟，以充分去除钢球淬火时和冷处理的热应力和组织应力，促使钢球组织转变充分，稳定钢球尺寸，保证钢球的硬度同粒球散差≤0.8HRC,同批钢球硬度散差≤1.0HRC。

为了去除硬磨后的钢球的磨加工应力，合理控制残余奥氏体在8-12%的范围内，提高钢球的尺寸稳定性，必须在硬磨后增加一道回火温度为150±5℃，回火时间为210-240分钟的附加回火 。

0.8-1.2mm的有效硬化层能提高钢球表面高碰撞和摩擦的能力，降低钢球的振动值，提高钢球的耐磨性和抗疲劳强度及抗破碎能力，提高钢球的使用寿命，从而延长轿车轮毂单元轴承使用寿命。因此必须设定强化加压处理工艺，选择（给出机型及牌子，及那个厂家生产的）强化机型，在控制强化机的转速为550—600转/分钟的同时，控制强化时间为70—90分钟，在强化前在机内适当注入适量的柴油，在强化机内形成-400Mpa的负压，才能达到强化后有效强化层0.8-1.2mm的要求。有效控制应力指标为800-1200MPa ,半价幅75-200  MPa。热处理淬回火后还需要增加二次稳定回火，才能确保残余奥氏体8-12 %  ，稳定性和球尺寸的稳定性；精研（二）必须采用超细粒度8000#树脂砂轮加工，才能确保钢球表面质量达零缺陷，表面粗糙度Ra:0.006um～0.009um，圆度0.04～0.07um，振动值28～31dB。

最终成品钢球必须经过100%无损涡流探伤、表面光电检测，确保使用寿命达25万公里以上，可靠度达99.9%，该产品必须具有高耐磨损、高精度、高可靠性、长寿命、低噪音等特点。

该产品它的具体优势指标为①硬度为64.5-65（HRC）、同一粒硬度差为0.5（HRC）；②批硬度差为0.5（HRC）；③残余奥氏体8-12%；④应力为800-1200MPa，半价幅75-200MPa；⑤强化层0.8-1.2mm；⑥金相显微组织2-3级；⑦压碎载荷指标为＞65.8（KN）；⑧ 圆度0.04～0.07um；⑨表面粗糙度Ra:0.006um～0.009um；⑩振动值为28～31dB；表面质量为零缺陷。

第三代轿车轮毂轴承钢球属于为三代高档轿车轮毂轴承单元配套的新一代高精度关键部件，应用于高档轿车轮毂轴承单元。

该“三代轿车轮毂轴承专用钢球产品优势指标具有如下发明创新点：一是具有工艺先进性，在国内传统工艺上开发了新工艺，对寿命关键的工序进行技术创新和改进，在工艺上能确保大批量生产G5级精密钢球。并在传统工艺流程上增加对球坯去应力退火；增加热处理99.5%可控氮气保护气氛，增加二次稳定回火；和淬火后低温-40℃～-30℃冷处理；增加8000#超硬超细粒树脂砂轮为二次精研，确保表面质量无划条、无缺陷。表面粗糙度Ra:0.006um～0.009um，圆度0.04～0.07um，振动值28～31dB。增加在磨球工序后对钢球表面进行加压强化处理，且提高钢球表面硬度为1.5～2HRC，强化层为0.8～1.2mm，及增加对加压机理研究控制表面应力800～1200KN，使其达到控制钢球使用寿命目的。最终工艺流程中增加国内最先进钢球表面光电外观仪检查，其设有100％涡流无损探伤，确保钢球表面无裂纹、无划条、达到零缺陷。

在高速冷镦、光磨后—→去球坯光磨后应力、退火—→增加节能99.5%纯度氮气可控保护气氛和微机碳势控制，确保钢球表面无氧化、淬火硬度均匀，碳化物细化并均匀分布，以及奥氏体晶粒细化的确保能达到奥氏体8～12℅。

所述应力退火：在将球坯设计成无两极柱及隐形环带的圆形球体。在高速冷镦、光磨后进行去应力退火，退火温度为500℃﹢50℃／3～5小时，目的：以消除高速冷镦球坯成型时的材料形变应力和光磨加工的综合磨削应力，确保热处理淬火后钢球表面硬度的提高，改善硬度的均匀性，确保热处理后钢球表面硬度达64～64.5HRC,达到同

一粒硬度差0.5HRC.

所述99.5％高纯度氮气可控保护气氛和微机碳势控制，此工艺先进性：氮气是一种惰性气体，是很好的热处理保护气氛，另外同时还将甲醇和丙烷通入炉膛形成正压，在炉膛内达到1.00%左右的碳势（通过氧探头自动控制），这样钢球热处理后达到了表面零脱碳的要求，避免了钢球在热处理时因表面脱碳可能造成淬火时表面拉应力过大出现显微裂纹的现象。

所述低温-40℃～-30℃冷处理，热处理在淬火后及时进行冷处理，冷处理的工艺温度为-40～-30℃，冷处理时间为150-200分钟，这样会促进马氏体的转变，进一步减少残余奥氏体，待冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段，回火温度为160-170℃，保温时间为240-270分钟，以充分去除钢球淬火时和冷处理的热应力和组织应力，促使钢球组织转变充分，稳定钢球尺寸，保证钢球的硬度同粒球散差≤0.8HRC,同批钢球硬度散差≤1.0HRC.

所述增加磨球后钢球表面进行加压强化处理工艺：一是钢球表面强化处理新工艺来提高钢球寿命之一的第一措施，二是钢球表面的强化处理工艺是设在磨球后钢球表面的弹性塑性变性范围内较为合理，三是钢球在滚动转速10～20r/min的滚筒里转动，带球板将钢球循环带到上面，钢球因自重跌落在下面堆放的钢球表面上及带球板上，反复循环进行，钢球表面相互经过数千数万次撞击，使钢球表面组织起了变化（表面形成冷作硬化的原理特性），从而增加了钢球抵抗外力的能力，提高了钢球表面硬度，和使钢球表面增加形成一定深度的硬化层，并促进了残余奥氏体的转变，增加表面压应力，提高钢球表面抗磕伤及抗冲击能力，表面质量被得到改善和提高，降低轴承的噪音和振动。目的关键所在提高钢球使用寿命和可靠性。

所述增加超硬超细粒度8000#树脂砂轮精研⑵工艺：8000#树脂砂轮，该砂轮结构合剂韧性、弹性大，自锐性好，该砂轮在精研⑵压沟时散热好、沟槽易成形，钢球精研时能够合理控制压力为2.8-3.2MPa,控制转速30-35r/min;并容易控制砂轮沟道清洁度，使钢球在精研过程中有良好的切削效果；精研⑵以磨代研的新工艺是国内首创，是国际上钢球生产最先进技术，是通过超硬超细磨料高温压铸的树脂砂轮。进行超精研⑵它的特点对需要精研钢球表面进行微量的均匀磨削，是钢球磨削达到几何精度的同时，使钢球表面形成交叉叠加的微观纹理的表面。这种超细超硬砂轮精研就能达到均匀纹理的表面质量，且十分有利现实轴承合套运动全膜润滑，从而达到轴承减振降噪，提高使用寿命和可靠的目标。

   本发明是国际最先进精研⑵工艺，使用超硬超细8000#日本罗利达克noridake砂轮，该砂轮由超硬白刚玉微粉和绿碳化硅，粒度在W1～W0.5um磨料压铸制造的。其特点使精研出来的钢球表面比传统铸铁板精研工艺钢球表面质量明显提高和改观，特别是钢球球形误差，其圆度能确保达到0.04～0.07um，精研的粗糙度Ra:0.006um～0.009um，振动值达28～31dB，表面质量零缺陷。其寿命超国内、国际标准指标。

Claims (2)

1.一种高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球，其特征在于：所述钢球圆度为0.13um,硬度为64-64.5HRC,单粒硬度粒差为0.5HRC，批硬度差为0.8HRC,残余奥氏体8-12%，应力为800-1200Mpa、半价幅75-200Mpa，强化层0.8-1.2mm,金相组织2-3级。

2.一种制造权利要求1所述的高档轿车用三代轮毂轴承专用钢球的工艺，主要由以下步骤构成：按照原材料检验合格后高速冷墩成型、热酸洗、光磨、去应力退火、前清洗、可控气氛热淬火处理、低温冷处理、 回升至室温后进行第一次回火、硬磨、进行表面强化处理、初研、清洗、抛光、外观、100%涡流探伤、精研、清洗外观、精研、成品检验、卸球、清洗、表面光电外观两次，抽检表面质量、涂油、计数包装；其特征在于：所述轴承钢钢球淬火是采用一种不完全淬火工艺，采用可控气氛热淬火处理必须是用99.5%氮气作为保护气氛淬回火工艺，另外同时还将甲醇和丙烷按单位时间消耗比为：20—30ml/h：150—200 ml/h的比例通入炉膛形成1000Mpa的正压，在炉膛内达到1.00%左右的碳势进行钢球热处理；淬火后应立即进行低温冷处理：冷处理的工艺温度为-40～-30℃，冷处理时间为150-200分钟，待冷处理后的钢球恢复至室温后，立即进入一次回火阶段；回火温度为160-170℃，保温时间为240-270分钟；在所述硬磨工艺后增加第二次回火工艺，所述第二次回火温度为150±5℃，回火时间为210-240分钟；所述第二次精研采用超细粒度8000#树脂砂轮加工。