CN103080344A - 轴承部件和用于表面硬化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有表面（10a，10b，12a，12b）的轴承部件（10），所述表面的至少一部分（18）已经通过感应加热被表面硬化。穿过所述表面（10a，10b，12a，12b）的轴承部件（10）的截面展现出在所述表面（10a，10b，12a，12b）处的硬度H表面和在轴承部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核心。所述截面的硬度分布展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在所述第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b）处的硬度H表面，所述第三区域的硬度基本上等于在轴承部件的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核心。在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且在第二区域（25）中的硬度分布具有作为点（F）之间的线所限定的一段硬度分布，其中0＜k＜2。所述第二区域（25）的所述段的硬度以少于每毫米50HRC减少。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承部件和一种用于将这样的轴承部件的表面的至少一部分表面硬化的方法。
发明背景
为达到用于不同应用的技术要求，许多轴承部件是穿透淬火的或渗碳的。当在使用中时轴承部件也就是可能受到高接触应力或高接触磨损从而要求高硬度。
感应淬火是金属部件受到感应加热被加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高然后被淬火的热处理。淬火过的金属经过马氏体转变，金属部件的表面的脆性和硬度增加。感应淬火可以用于选择性地硬化轴承部件的区域而不影响作为一个整体的部件的特性。
美国专利4949758公开了用于将细长的（8-32英尺，即244-975cm），薄壁的（1/8至1/4英寸，即3-6mm），小内径（11/4至31/4英寸，即32至83mm）的管状构件的内表面硬化的过程。更确切地说，它涉及利用位于内部的电磁感应线圈渐进加热，接着用淬火环组件立即淬火以在管子的内表面上产生马氏体层的过程。这个方法被用来获得具有至少58HRC的硬度的表面和基本上未被硬化的核心，其在硬化过的表面和未被硬化的外层核心之间具有明显的界线。
但是，将部件的表面表面硬化时，获得在轴承部件的硬化过的表面和未被硬化的核心之间不表现出明显的界线的硬度分布才是有利的。在硬度中明显的界线导致短的过渡区域，这造成拉伸剩余应力的水平增加，而在硬化过的表面和未被硬化的核心之间的平滑的界线，即其中硬度随着深度稳定地而不是突然地减少的过渡区域，减小或消除在那个区域在材料中的任何应力。当轴承部件在使用中时能够更好地经受住从应用产生的额外的应力。这样的稳定地减少的硬度分布可以通过将轴承部件的表面渗碳获得。
渗碳是在分解时释放碳的另一材料的参与下，铁或钢被加热的热处理过程。外表面或外层会比原来的材料具有更高的碳含量。当铁或钢通过淬火被迅速冷却时，在表面上更高的碳含量变硬，而核心部分保持柔软（也就是易延展的）和有韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进过的非穿透硬化的轴承部件。
这个目的通过这样的轴承部件实现，该轴承部件具有平的或不平的表面，也就是内表面或外表面，它的至少一部分已经通过感应加热被表面硬化。也就是说，所述表面包括通过利用电磁感应线圈的感应硬化、接着通过利用淬火设备淬火而制成的马氏体微观结构。穿过该表面的轴承部件的纵向或横向截面展现出在该表面的硬度H表面和在轴承部件的未被硬化的核心（也就是在轴承部件的未被硬化的基底金属中）的硬度H核心。截面的硬度分布（利用维氏硬度检验或例如任何其他适合的方法所测得）展现出第一区域、第三区域和在所述第一区域和第三区域之间的第二区域，所述第一区域的硬度分布基本上等于在所述表面处的硬度H表面，所述第三区域的硬度分布基本上等于在轴承部件的未被硬化的核心处的硬度H核心。在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y3。如果在点和点
（其中0<k<2并且k是实数）之间在第二区域中的硬度分布上划线，那么沿着所述线所确定的在第二区域中的轴承部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。
这样的非穿透硬化的轴承部件的表面的至少一部分将展现出增加的表面硬度、增加的耐磨性能和/或增加的疲劳和抗张强度。此外，用来制造这样的轴承部件的感应硬化热处理比渗碳热处理更加节能和有成本效益，并且比起渗碳热处理它具有更短的循环时间以及提供更好的变形控制。另外，表面的至少一部分的特性、例如硬度，微观结构和残余应力，可以为特定的应用按需定制。
根据本发明的实施方式，k是1。
根据本发明的实施方式，k是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。
根据本发明的实施方式，沿所述线确定的在第二区域中的轴承部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC、少于每毫米15HRC减少。
根据本发明的另一实施方式，在所述表面的硬度H表面在洛氏硬度表上在55-75HRC之间，优选地在58-63HRC之间。
根据本发明的又一实施方式，在轴承部件未被硬化的核心的硬度H核心在15-30HRC之间。
根据本发明的另一实施方式，第一区域从所述表面延伸至表面以下最多6mm的深度，优选地，至所述表面以下1-4mm的深度，也就是增加了硬度的材料可以延伸至所述表面以下约0.5-6mm的深度，优选地，在所述表面以下1-2mm。
根据本发明的一实施方式，轴承部件具有接触表面，其允许所述轴承部件与另一部件之间的相对运动，即第二轴承部件。
根据本发明的一实施方式，所述接触表面包括至少一个已经被硬化的部分。
根据本发明的一实施方式，所述至少一个部分基本上对应于所述接触表面。
根据本发明的一实施方式，所述接触表面可以构成引导凸缘或类似物的至少一部分或者滚道或者滑动表面。
根据本发明的一实施方式，所述轴承部件可以是内环。
根据本发明的另一实施方式，所述轴承部件可以是外环。
根据本发明的一实施方式，所述轴承部件中可以是滚动元件，例如滚柱或滚珠。根据本发明的又一实施方式，所述滚柱可以是球形的，圆柱形的，锥形的，圆锥形的或环形的。
所述轴承部件可以例如被用在汽车、航空、采矿、风、航海、金属生产或其它的要求高耐磨性能和/或增加的疲劳和抗张强度的机械应用中。轴承部件例如可以是滚柱，滑动轴承，衬套，轴颈轴承，套筒轴承，回转轴承或者诸如滚珠轴承或滚柱轴承的滚动元件轴承的至少一部分。根据本发明的又一实施方式，滚动轴承可以是圆柱形滚子轴承，球形滚子轴承，环形滚子轴承，锥形滚子轴承，圆锥形滚子轴承或滚针轴承中的任何一个。
根据本发明的另一实施方式，轴承部件包括碳或具有0.40至1.10%的当量碳含量的合金钢，或轴承部件由碳或具有0.40至1.10%的当量碳含量的合金钢组成，优选地高碳铬钢。例如，轴承部件包括50CrMo4钢，100Cr6钢或SAE1070，或者轴承部件由50CrMo4钢，100Cr6钢或SAE1070组成。
本发明也涉及一种用于将轴承部件的表面的至少一部分表面硬化的方法，该方法包括以下步骤：通过感应加热利用电磁感应线圈将表面的至少一部分加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高，将内表面的所述至少一部分维持在那个温度以容许所述表面以下充分的热量传递导致至少一部分的充分奥氏体化，以及将所述表面的所述至少一部分立即淬火以获得穿过所述表面的轴承部件的截面，所述截面展现出在所述表面处的硬度H表面以及在轴承部件的未被硬化的核心（也就是在轴承部件的未被硬化的基底金属中）处的的硬度H核心。截面的硬度分布（例如利用维氏硬度检验所测得）展现出第一区域、第三区域和在所述第一和第三区域之间的第二区域，所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面的硬度H表面，所述第三区域的硬度基本上等于在轴承部件的未被硬化的核心的硬度H核心。在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y3。如果在点
和点
（其中0<k<2并且k是实数）之间在第二区域中的硬度分布上划线，那么沿该线所确定的在第二区域中的轴承部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。
在传统的感应淬火中，其中轴承部件被快速加热和/或热量被容许传递到部件各处，不稳定、不均一的奥氏体形成。在根据本发明的方法中，热量被容许传递到轴承部件各处10秒、20秒、30秒、40秒、50秒、60秒或70秒或比70秒更多时间，从而形成稳定的、均一的奥氏体。因此，“为了容许表面以下充分的热传递导致至少一部分的充分的奥氏体化”的表述指的是在表面的至少一部分中足够形成稳定的、均一的奥氏体的一段时间。通过容许形成均一的奥氏体，过渡区域的形成变得可能/更加容易，其中在过渡区域中硬度随表面以下的深度稳定地而不是突然地减少。
根据所述方法的实施方式，沿所述线确定的第二区域中的轴承部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC或少于每毫米15HRC减少。
根据本发明的方法的实施方式，k是1。根据本发明的另一实施方式，k是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。
应当指出的是，本文件自始至终使用的关于轴承部件和根据本发明的方法的“感应线圈”的表达，意指一个或多个感应线圈。以相同或不同方式工作的多个感应线圈、例如以相同或不同的频率，可以比如被用来同时地或连续地加热轴承部件的内表面和/或外表面的多个部分，或多个轴承部件的一个或多个部分。感应线圈可以被布置为包围整个轴承部件或要被硬化的轴承部件的一个或多个部分。
在所述方法的实施方式中，感应线圈从轴承部件移除，并且例如淬火喷雾或环的淬火设备被用来将已经被热处理过的表面的至少一部分立即淬火。
在所述方法的另一实施方式中，轴承部件从感应线圈移除，并且淬火设备、例如淬火喷雾或环，被用来将已经热处理过的表面的至少一部分立即淬火。
根据所述方法的另一实施方式，第一区域从表面延伸至表面以下最多6mm的深度，优选地，至表面以下1-4mm的深度。
根据本发明的一实施方式，轴承部件可以内环或外环其中之一。
根据本发明的实施方式，轴承部件可以是滚动元件，例如滚柱或滚珠。根据又一实施方式，滚柱可以是球形的，圆柱形的，锥形的，圆锥形的或环形的。
根据本发明的实施方式，滚柱可以包括洞或孔。在本发明的实施方式中，洞或孔可以被硬化。
所述轴承部件例如可以是滚柱，滑动轴承，衬套，轴颈轴承，套管轴承，回转轴承或者诸如滚珠轴承或滚柱轴承的滚动元件轴承的至少一部分。根据本发明的又一实施方式，滚动轴承可以是圆柱形滚子轴承，球形滚子轴承，环形滚子轴承，锥形滚子轴承，圆锥形滚子轴承或滚针轴承。
附图说明
通过参照示意附图的非限制的实例本发明将得到进一步的解释，其中：
图1和2表示根据本发明的实施方式的方法的步骤，
图3表示根据本发明的实施方式的轴承部件的截面，
图4和5表示根据本发明的实施方式的轴承部件的硬度分布图，以及
图6表示使用渗碳和感应硬化得到的硬度分布图的对比。
应当指出的是，附图并没有按比例绘制，并且仅为清楚起见某些特征的尺寸被夸大了。
具体实施方式
图1以剖面图示出由轴承钢制成的旋转对称的轴承部件10。滚柱10、例如由50CrMo4钢制成并且包括均匀圆形截面，所述截面在其纵向方向一直延伸穿过部件的中心。
电磁感应线圈14被用来硬化滚柱10的外表面10a、10b的至少一部分。高频电（约1kHz至400kHz）的电源被用来驱动通过感应线圈14的大交流电。工作频率和电流穿透深度以及因此的硬化深度之间的关系成反比，也就是频率越低，硬化深度越大。
通过感应线圈14的电流通路产生了非常强烈和变化迅速的磁场，而要被加热的外表面10a、10b的一部分被放置于这个强烈交变的磁场内。涡电流在外表面10a、10b的所述部分内产生，并且在外表面10a、10b的所述部分中电阻导致了金属的焦耳热。滚柱10的外表面10a、10b通过感应加热被加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高并且优选地被维持在该温度10到40秒。
为了选择正确的电源，首先需要计算要被加热的滚柱的表面积。一旦这个被确定，经验计算、经验和/或技巧、例如有限元分析，可以被用来计算所需的功率密度、加热时间和发电机工作频率。
在图示实施方式中，感应线圈14然后被移除并且淬火设备16、例如淬火喷雾或环，被用来将已经被热处理过的外表面10a、10b的至少一部分立即淬火。所述外表面10a、10b的所述至少一部分可以例如被淬火至室温（20至25℃）或至0℃或更低。所述淬火设备16设置成为被加热的外表面层10a、10b提供基于水、油或聚合物的淬火，在这以后形成比滚柱10的基底金属更硬的马氏体结构。滚柱10的剩余部分的微观结构本质上保持不受热处理的影响并且它的物理性质将会是被加工而形成棒料的那些物理性质。
例如，60-200kW的电源、20-60kHZ的频率、优选地10-30kHz或15-20kHz、10-40秒的总加热时间，以及分别为40-70s的淬火时间和200l/min的淬火率和时间可以用来获得根据本发明的轴承部件。
图2表示当淬火发生时的淬火设备16的位置。应当指出的是，滚柱10的外表面10a、10b、10s的至少一部分可替代地经受另一表面硬化热处理，例如感应硬化，火焰硬化或任何其它的传统热处理。
此外，尽管在图示实施方式中滚柱10已经被表示出处于水平位置并且感应线圈14和淬火设备16水平地被插入，应当注意的是，滚柱10可以朝向任何位置。感应线圈14和淬火设备16可以从滚柱10的相同或不同的端部被垂直地移动到位。例如，感应线圈14可以通过垂直地降低到位以及当感应线圈14通过垂直地抬升它而被撤回时淬火设备被垂直地抬升。
图3表示热处理之后的滚柱10的纵向截面。所述滚柱10的外表面材料10a、10b的一部分18包括马氏体微观结构，所述马氏体微观结构通过利用电磁感应线圈14的感应淬火、接着通过利用淬火设备16立即淬火而制成。
根据本发明的方法导致过渡区域的形成在硬度和微观结构上均可视。外表面材料10a、10b的热处理过的部分18可以，也就是具有在洛氏硬度表上55-75HRC的范围内的硬度，优选地59-63HRC。硬度增加的材料18的体积可以例如延伸至最多6mm的深度。这样的滚柱10可以被用于任何在其中外表面10a、10b的一部分受到增加的磨损、疲劳或抗张应力的应用。
图4表示根据本发明的实施方式的轴承部件的纵向截面的硬度分布22，该分布是如图3中所示在箭头20的方向径向穿过被表面硬化的区域18所测得的。硬度分布22展示出第一区域24，它的硬度基本上等于在轴承部件10的外表面10a、10b处的硬度H表面，在55-75HRC之间，优选地例如在58-63之间。硬度分布图22也包括第三区域26，它的硬度基本上等于在轴承部件10的未被硬化的核心10c处的硬度H核心，例如在15-30HRC之间。硬度分布图22还包括在第一区域24和第三区域26之间的第二区域25，其中硬度分布展现出在第一区域24和第三区域26的硬度之间的平滑过渡，也就是硬度分布展现出其中硬度随表面以下的深度稳定地而不是突然地减少的过渡区域。在第一区域24中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三区域26中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且如果在点和点
（其中0<k<2）之间在第二区域25中的硬度分布上划线，那么沿着所述线确定的在第二区域中的轴承部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。
可以根据在其中使用轴承部件10的应用来选择第一区域24和第二区域25的深度。
在图4中的虚线表示硬度分布30，该硬度分布在轴承部件10的外表面10a、10b的硬度H表面和轴承部件10的未被硬化的核心10c的硬度H核心之间具有明显的界线，其中硬度以多于每毫米50HRC减少。
图5表示利用根据本发明所述的方法获得的并且从所测得的硬度值确定的（利用维氏硬度检测或任何其他合适的方法所测得的）硬度分布22。为了获得在轴承部件10的外表面10a、10b处的硬度H表面，所述值可以被推断为深度0mm。在图示实施方式中，在轴承部件10的表面以下6-8mm深度的轴承部件10的硬度可以被认为是在轴承部件10的未被硬化的核心10c处的硬度H核心。
图6表示使用渗碳获得的硬度分布24、使用传统感应硬化获得的硬度分布26和使用根据本发明的方法获得的硬度分布22之间的比较。如图4所示，可以看出，由传统的感应硬化产生的硬度分布26在对应于第二区域25的过渡区域中突然减少。也可以看出，使用根据本发明的方法获得的硬度分布22随着深度减少得更加稳定。
轴承部件可以相对于固定的感应线圈和/或淬火设备被移动到位，而不是相对于固定的轴承部件将感应线圈和/或淬火设备移动到位。
Claims (14)
1.一种具有表面（10a，10b）的轴承部件（10），其特征在于所述表面（10a，10b）的至少一部分（18）已经通过感应加热被表面硬化，其中穿过所述表面（10a，10b）的轴承部件（10）的截面展现出在所述表面（10a，10b）处的硬度H表面和在轴承部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核心，其中所述截面的硬度分布展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在所述第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b）处的硬度H表面，所述第三区域的硬度基本上等于在轴承部件的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核心，其中在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且如果在点
和点
之间在第二区域（25）中的硬度分布上划线，其中0<k<2，那么沿着所述线所确定的在第二区域（25）中的轴承部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。
2.根据权利要求1所述的轴承部件（10），其特征在于沿所述线确定的在所述第二区域（25）中的轴承部件（10）的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC、或少于每毫米15HRC减少。
3.根据权利要求1或2所述的轴承部件（10），其特征在于在所述表面（10a，10b，12a，12b）的硬度H表面在55-75HRC之间，优选地在58-63HRC之间。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承部件（10），其特征在于在轴承部件（10）的未被硬化的核心（10）处的硬度H核心在15-30HRC之间。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承部件（10），其特征在于所述第一区域（24）从表面（10a，10b，12a，12b）延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下最多6mm的深度，优选地延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下1-4mm的深度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承部件（10），其特征在于它是内环、外环或滚动元件中的任何一个。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承部件（10），其特征在于它构成滚动元件轴承，滚子轴承，滑动轴承，衬套，轴颈轴承或套筒轴承的至少一部分。
8.一种用于将轴承部件（10）的表面（10a，10b，12a，12b）的至少一部分（18）表面硬化（10a，10b，12a，12b）的方法，其特征在于它包括以下步骤：通过感应加热利用电磁感应线圈（14）将表面（10a，10b，12a，12b）的所述至少一部分（18）加热至铁素体/奥氏体转变温度或更高，将所述表面的至少一部分（18）维持在那个温度以容许所述表面（10a，10b，12a，12b）以下充分的热量传递导致所述至少一部分（18）的充分的奥氏体化，以及将表面（10a，10b，12a，12b）的所述至少一部分（18）立即淬火以获得穿过表面（10a，10b，12a，12b）的轴承部件（10）的截面，所述截面展现出在所述表面（10a，10b，12a，12b）处的硬度H表面和在轴承部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核心，其中所述截面的硬度分布展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在所述第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b）处的硬度H表面，所述第三区域的硬度基本上等于在轴承部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核心，其中在第一区域中的硬度分布具有平均硬度Y1，在第三区域中的硬度分布具有平均硬度Y3，并且如果在点
和点
之间在第二区域（25）中的硬度分布上划线，其中0<k<2，那么沿该线所确定的在第二区域（25）中的轴承部件的硬度以少于每毫米50HRC减少。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于沿所述线所确定的在所述第二区域（25）中的轴承部件的硬度以少于每毫米30HRC、少于每毫米25HRC、少于每毫米20HRC或少于每毫米15HRC减少。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于它包括将内表面的所述至少一部分（18）维持在所述温度至少10秒、20秒、30秒、40秒、50秒、60秒、70秒或多于70秒的步骤。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于所述截面的硬度分布（22）其展现出第一区域（24）、第三区域（26）和在第一区域和第三区域（26）之间的第二区域（25），所述第一区域的硬度基本上等于在所述表面（10a，10b，12a，12b）处的硬度H表面（10a，10b，12a，12b），所述第三区域的硬度基本上等于在轴承部件（10）的未被硬化的核心（10c）处的硬度H核 心（10c），在所述第二区域中硬度分布展现出在所述第一区域和第三区域（26）的硬度之间的平滑过渡。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述第一区域（24）从表面（10a，10b，12a，12b）延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下最多6mm的深度，优选地延伸至所述表面（10a，10b，12a，12b）以下1-4mm的深度。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于所述轴承部件是内环、外环或滚动元件中的任何一个。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于所述轴承部件构成滚动元件轴承，滚子轴承，滑动轴承，衬套，轴颈轴承或套筒轴承的至少一部分。
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