CN102574196A - 滚动疲劳寿命优异的机械部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了滚动疲劳寿命优异的机械部件的制造方法。该机械部件(7)具有用于在供于冷锻的环状加工母材的内镜面滚动部件进行滚动的滚动部(6)而成。本发明的方法具有如下工序：使静水压应力作用于希望形成滚动部的环状加工母材的内径面(2a)进行冷锻，由此，在环状加工母材的内径面(2a)形成用于滚动部件进行滚动的滚动部(6)，并且，对滚动部(6)以外的环状加工母材的内径进行扩径，提供具有滚动疲劳寿命优异的滚动部(6)的环状机械部件(7)。通过塑性加工改善作为环状加工母材的钢材中所含的非金属夹杂物和作为母材的钢材的界面状态，由此能够制造在内径具有优异的滚动疲劳寿命的滚动部的环状机械部件。

Description

滚动疲劳寿命优异的机械部件的制造方法
关联申请的相互参照
本申请主张基于2009年8月26日提出的日本国专利申请第2009-194962号和2010年8月23日提出的日本国专利申请第2010-185927号的优先权，参照它们全体公开的内容记载在本申请发明的说明书中。
技术领域
本发明涉及轴承、齿轮、轮毂单元、无级变速器、等速连接器、活塞销等由钢材构成的机械部件的制造，特别是涉及要求良好的滚动疲劳寿命的由环状体构成的机械部件的制造。
背景技术
近年来，随着各种机械装置的高性能化，要求滚动疲劳寿命的机械部件和装置中的使用环境变得非常严峻，强烈要求提高这些机械部件和装置的寿命同时提高可靠性。面对这种要求，作为从钢材方面的对策，正在进行钢成分的适当化和与钢成分一起含有的杂质元素降低化。
在与形成这些机械部件和装置的钢成分其一含有的杂质元素中，由这些杂质元素构成的Al2O3、MnS、TiN其他的非金属夹杂物成为机械部件和装置中的钢零件的破损的起点。为此，这些非金属夹杂物特别有害是公知的。另外，还公知有这些非金属夹杂物的直径越大，钢零件的滚动疲劳寿命越短。为此，提出了各种减少非金属夹杂物量，即，提高钢的洁净度，极力减少非金属夹杂物的直径为20μm以上的大型氧化物系非金属夹杂物的高洁净度钢(例如，参照专利文献1和专利文献2)。
另外，即使将由这种高洁净度钢构成的钢材用于机械部件和装置，还不能够充分实现抑制这些机械部件和装置短寿命并发生破损。为此，降低钢材中的非金属夹杂物，进一步使该非金属夹杂物小径化的开发盛行。
另一方面，提供即使不实现钢材中的非金属夹杂物的降低和小径化，但滚动疲劳寿命优异的机械部件的技术开发也盛行。例如提出了如下技术：(1)控制零件滚动进行制造时滚动部上的锻流线(フアイバ一フロ一)，得到优异的滚动疲劳寿命的技术(例如，参照专利文献3)，(2)通过对滚动部作用预压缩应力，得到优异的滚动疲劳寿命的技术(例如，参照专利文献4)。另外，申请人还提出了(3)通过形成改善了钢材中含有的非金属夹杂物和作为母相的钢的界面状态的钢材，得到优异的滚动疲劳寿命的技术，这些发表在非专利文献1和非专利文献2中。
在这些非专利文献1和非专利文献2中，对于滚动疲劳的破损，即到剥离的过程进行了如下说明。即，在从非金属夹杂物到裂纹产生和进展直到剥离的过程中，由于向非金属夹杂物的周围的应力集中効果，经历了裂纹变位的初期裂纹(以下，称为“开口型初期裂纹”)过程。其后，公知的是经过剪断应力导致的裂纹的传播直到破损。这意味着，如果不发生开口型初期裂纹，那么其后的裂纹传播或破损也不会发生。另外，开口型初期裂纹是以在非金属夹杂物和母相的界面产生物理的间隙即空洞为前提，并验证到如果不产生物理的间隙，则开口型裂纹也不会产生。
另一方面，在图5的概念图中显示从热轧钢材切出，进行离子研磨后，通过扫描电子显微镜(FE-SEM)观察非金属夹杂物周围有无空洞的影像。在图5中，标号5是Al2O3非金属夹杂物，标号4是空洞即空隙。特别是在机械结构用钢中，通常使用Al进行脱氧。此时生成的Al2O3系非金属夹杂物5被确认到根据与母材的变形能的不同或形状特别是在与母相的界面容易生成空隙4。因此，为了提高机械部件7的滚动疲劳寿命，封闭非金属夹杂物5和母相的界面中存在的空隙4或减少空隙4的体积是有効的。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：特开2006-63402号公报
专利文献2：特开平06-192790号公报
专利文献3：特开平4-357324号公报
专利文献4：特开2006-77854号公报
非专利文献
非专利文献1：铁和钢，94(2008)，P.13
非专利文献2：平成20年度兵库县立大学学位论文，平冈和彦(2008年1月)
发明内容
本发明是与上述0006段落中记载的(3)关联的技术，其目的在于，提供一种制造机械部件的方法，其与通过塑性加工改善作为供于冷锻的环状加工母材的原材的钢材中含有的非金属夹杂物和作为母相的钢材的界面状态，来实现现有的钢的制造时非金属夹杂物的降低和非金属夹杂物小径化的钢材的制造方法相比，在环状加工母材的内径面具有更优异的滚动疲劳寿命的滚动部。
根据本发明，是滚动疲劳寿命优异的机械部件的制造方法，其中，该机械部件在供于冷锻的环状加工母材的内径面具有用于滚动零件进行滚动的滚动部，所述方法具有如下工序：使静水压应力作用于形成滚动部的环状加工母材的内径面并进行冷锻，从而在环状加工母材的内径面形成用于滚动零件进行滚动的滚动部，并且，对该滚动部以外的环状加工母材的内径进行扩径，从而提供具有滚动疲劳寿命优异的滚动部的环状的机械部件的工序。通过该静水压的作用，钢中的非金属夹杂物和作为母相的钢的界面中存在的空隙朝向封闭的方向，能够制造滚动疲劳寿命优异的机械部件。还有，供于冷锻的环状加工母材优选为钢管或热锻环。
根据本发明的优选方式，提供上述的方法，所述静水压应力至少为1000MPa。通过在冷锻时使至少1000MPa的静水压应力作用而形成滚动面，从而封闭钢中含有的非金属夹杂物和作为母相的钢的界面中存在的空隙，能够制造滚动疲劳寿命优异的机械部件。
根据本发明的制造方法，通过在环状加工母材的冷锻时使静水压应力(优选为至少1000MPa)作用，即使钢材制造时不能实现非金属夹杂物的降低和小径化，也能够封闭或减少非金属夹杂物和作为母相的钢的界面中产生的空隙，其结果是，能够回避以非金属夹杂物为破坏起点的滚动疲劳导致的剥离，能够制造具有大幅提高滚动疲劳寿命的优异的滚动部的机械部件。
附图说明
图1A是说明本发明的环状母材的冷锻工序(压缩加工前)的概要图。
图1B是说明本发明的环状母材的冷锻工序(压缩加工后)的概要图。
图2是通过本发明的方法制造的滚动轴承的纵截面图。
图3是表示通过本发明的方法制造的滚动轴承的CAE解析的图。
图4A是表示冷锻前的非金属夹杂物和其周围的空隙的概念图。
图4B是表示冷锻后的非金属夹杂物和其周围的空隙的概念图。
图5是表示热轧钢材的非金属夹杂物和其周围的空隙的概念图。
具体实施方式
作为本发明的制造方法所求的钢材，可以例举机械结构用钢和轴承钢等。
这些钢材是通过如下工序制造的钢材：1)通过电弧熔解炉或转炉进行熔钢的氧化精炼，2)通过浇包精炼炉(LF)进行还原精炼，3)通过环流式真空脱气装置(RH)进行环流真空脱气処理(RH処理)，4)通过连续鋳造或一般造锭进行钢锭的鋳造，和5)钢锭的热轧或热鍛和冷轧，或者通过冷轧和冷锻进行的塑性加工。
用于本发明的制造方法的环状母材2能够如下制造。首先，以如上述制造的钢材(例如，JIS G 4805(2008)、JIS G 4051(2005)、JIS G4104、JIS G 4105中规定的钢材)，并经上述的塑性加工工序制造钢材。通过对该钢材进行三辊式轧管机、挤压加工、或热锻等热加工，加工成钢管或热锻环后，将该钢管或热锻环切断成规定长度。另外，通过对该切断的钢管或热锻环的外径面和内径面进行切削処理，得到具有规定尺寸的钢管或热锻环作为环状母材2。
基于图1对本发明的工法进行説明。对规定形状的环状母材2实施适当的润滑処理，形成室温附近的温度。如图1A所示，将该环状母材2设置在冲压装置的环状固定框1内。在固定框1内上下分别配置模具3，这些模具3分别固定在冲压装置上下的未图示的工作部。随着冲压装置开始加工模式，被固定的模具3之上的上冲头3a和在其周围配置的环状上冲头3b开始箭头方向的下降运动。设置在模具3内的规定位置的环状母材2通过下降的上冲头3a和环状上冲头3b，环状母材2的内径2a和其上端面2b受到塑性加工。另外，随着上冲头3a和环状上冲头3b的下降，环状母材2被压向下方向，同时，下冲头3c和环状下冲头3d也对环状母材2的内径2a和下端面2c进行塑性加工。即，环状母材2的上端面2b随着上冲头3a和环状上冲头3b的下降而被压向下方向，其结果是，环状母材2的下端面2c由于下冲头3c和环状下冲头3d而被相对地压起来。在加工末期，环状母材2受到来自上冲头3a以及环状上冲头3b，和下冲头3c以及环状下冲头3d的双方的冷锻的压缩加工，静水压应力进行作用，存在于环状母材2的钢的母相和其非金属夹杂物5之间的空隙4被封闭。
通过对环状母材2实施上述的压缩加工，如图1B所示，在希望制作的机械部件7的滚动部6的近傍，带来封闭存在于环状母材2的钢的母相和其非金属夹杂物5之间的空隙4的効果的静水压应力进行作用。此时，为了得到充分的封闭空隙4的効果，优选在冷锻时至少使1000MPa的静水压应力作用于滚动部6的近傍。通过使这种静水压应力作用，能够向封闭存在于非金属夹杂物5和作为母相的环状母材2的钢之间的空隙4的方向或减少空隙4的体积的方向变化。通过该变化，能够回避以非金属夹杂物5为破坏起点的滚动疲劳导致的剥离。其结果是，能够得到具有优异的滚动疲劳寿命的滚动部6的机械部件7。
实施例1
作为本发明的实施例，对实施的条件和所得到的结果进行説明。首先，表1表示作为环状母材2的钢材的钢种使用的供试材的成分組成。
表1
供试材成分                                    (单位为质量％)
钢种 C Si Mn P S Cu Ni Mo Cr Al
  SUJ2   1.04   0.22   0.32   0.008   0.007   -   -   0.03   1.44   0.011
SUJ3 1.00 0.55 1.01 0.007 0.008 0.03 0.05 0.01 0.99 -
  S45C   0.44   0.20   0.70   0.01   0.01   -   -   -   -   -
  S53C   0.52   0.20   0.65   0.01   0.01   -   -   -   -   -
在该实施例中，实施表1所示的钢种的供试材。首先，通过电弧熔解炉对熔钢进行氧化精炼，通过浇包精炼炉(LF)对其进行还原精炼，另外，通过环流式真空脱气装置(RH)进行脱气，减少熔钢中的氧成分，经该熔钢通过连续鋳造制造成钢锭。如通常那样对该钢锭进行热轧形成钢材，其后，通过三辊式轧管机制成钢管后，准备成对它们进行了惯用的球状化热処理的钢管。
将如上述得到的外径φ80mm、壁厚8.7mm的由表1所示的供试材构成的钢管切断为钢管的长方向的宽度尺寸27.2mm后，对外径和内径进行切削加工，由此形成外径φ78.5mm、壁厚7.0mm的钢管。接着，对该钢管实施惯用的润滑処理形成冷锻用的环状母材2。如图2所示，使用模具3对该环状母材2进行如下的冷锻，该模具3设计为能够得到由宽度28.1mm、外径φ79.0mm、在内径的中央部宽度7.5mm，并且其内径φ61.8mm构成的突出部2d，滚动部6的外側的内径2a为68.2mm的冷锻品。冷锻是在室温附近的温度，通过上述图1所示的模具3的加工方式，对环状母材2和模具3一起实施冷锻，其中成形时的荷重为4000～4200kN，成形时的加工面压为1800～1900MPa。
通过该冷锻，在图3所示的CAE解析的图面中，如预想的那样可以看到，在滚动部6的近傍，最大1500MPa左右的静水压应力作用。
另外，在图4A和4B中显示该冷锻的前后的存在于非金属夹杂物5和作为环状母材2的钢之间的空隙4的变化的样子的模式图。图4A表示冷锻前的环状母材2的非金属夹杂物5的形状，与该非金属夹杂物5邻接形成有空隙4。但是，如图4B所示，可以确认到在冷锻后存在于非金属夹杂物5和作为环状母材2的钢之间的空隙4被封闭。
另外，为了对作为本发明的効果的机械部件7的滚动疲劳寿命进行评价，控制冷锻时的成形荷重和成形方法，如表2所示，以4个钢种条件和5个加工条件采取各种试验片。
表2
Figure BDA0000137107630000071
Figure BDA0000137107630000072
将这些採取的试验片旋削加工成作为推力型的滚动轴承的部件的轨道盘形状，实施淬火，回火処理，由此，得到S45C为HRB94以上，S53C为HRC20以上，SUJ2和SUJ3为58HRC以上的硬度。另外，实施研磨，加工成推力型的滚动轴承，进行滚动疲劳寿命的评价。还有，滚动体使用市场销售的推力型的滚动轴承用球。
进行上述的滚动疲劳寿命的评价的结果为◎：非常良好，○：良好，×：差的3个标准。在表3中显示其结果。在评价中，表3的条件中的“-”之前表示表2的钢材条件，“-”之后表示表2的加工条件。由于每个钢种的硬度不同，所以不能进行同一评价。为此，滚动疲劳寿命的评价在相同的钢种间进行比较。并确认到随着冷锻时的最大压缩应力增加到1500MPa，滚动疲劳寿命提高，以◎表示。另一方面，通过冷锻，拉伸应力作用于滚动部6的近傍时，如以表2的加工条件D加工的表3的条件的“1-D”、“2-D”、“3-D”、“4-D”所示，评价为×，滚动疲劳寿命没有提高。另一方面，虽然在表中没有显示，但确认到即使通过热锻制造，滚动疲劳寿命也得到提高的效果。但是，本发明的冷锻从不使钢材温度上升的观点出发为优选。
表3
  条件   滚动疲劳寿命的评价
  1-A   ◎
  1-B   ○
  1-C   ○
  1-D   ×
  1-E   ○
  2-A   ◎
  2-B   ○
  2-C   ○
  2-D   ×
  2-E   ○
  3-A   ◎
  3-B   ○
  3-C   ○
  3-D   ×
  3-E   ○
  4-A   ◎
  4-B   ○
  4-C   ○
  4-D   ×
  4-E   ○
根据以上的4个钢种条件和5个加工条件的试验片产生的滚动疲劳寿命试验的评价结果可以判明，冷锻时，通过对滚动面近傍作用规定的压缩应力(优选为至少1000MPa)，能够封闭或减少存在于非金属夹杂物5和作为环状母材2的钢之间的空隙4，起到提高滚动疲劳寿命的作用。还有，即使是多列轨道轮的外轮用环状原材，也能够得到上述同样的提高滚动疲劳寿命的效果。
实施例2
作为钢管的替代，制作热锻环，除此以外以实施例1同样制造试验片。热锻环的制作方法如下所述。首先，通过电弧熔解炉对熔钢进行氧化精炼，通过浇包精炼炉(LF)对其进行还原精炼，另外，通过环流式真空脱气装置(RH)进行脱气，减少熔钢中的氧成分，经该熔钢，通过连续鋳造制造成钢锭。如通常那样对该钢锭进行热轧形成钢材，其后，通过热锻将剪断的坯料制成外径φ80mm、壁厚8.7mm、宽度27.2mm的热锻环后，对它们实施惯用的球状化热処理准备成热锻环。对如上述得到的由表1所示的供试材构成的热锻环切削加工外径和内径，由此得到外径φ78.5mm、壁厚7.0mm的热锻环。接着，对该热锻环实施惯用的润滑処理得到冷锻用的环状母材2。使用环状母材2的冷锻和其以后的工序与实施例1同样。此时也得到与实施例1同样的结果。

Claims (4)

1.一种滚动疲劳寿命优异的机械部件的制造方法，其中，该机械部件在供于冷锻的环状加工母材的内径面具有用于滚动部件进行滚动的滚动部而成，所述方法具有如下工序：使静水压应力作用于希望形成滚动部的环状加工母材的内径面而进行冷锻，由此，在所述环状加工母材的内径面形成用于滚动部件进行滚动的滚动部，并且，对该滚动部以外的环状加工母材的内径进行扩径，提供具有滚动疲劳寿命优异的滚动部的环状机械部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述供于冷锻的环状加工母材是钢管。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述供于冷锻的环状加工母材是热锻环。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其中，所述静水压应力至少为1000MPa。
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