CN104246255A - 滚动轴承构件 - Google Patents

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Abstract

滚动轴承构件(2、3、4)具有如下特征：-渗氮的、具有从外向内减小的氮含量的边缘区(5)，-核心区(6)，-在边缘区(5)中从外向内减小的残余压应力，-在0.04mm的深度中的870HV 0.3至1000HV 0.3的边缘硬度，其中-在0.3mm的深度中的硬度比边缘硬度小最多250HV 0.3。

Description

滚动轴承构件
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承构件，尤其是滚动轴承的轴承圈。
背景技术
用于滚动负载的机器元件例如由EP 1 774 187B1以及由EP 1 774 188B1公知。在此涉及由具有马氏体结构的钢构成的滚动轴承元件，尤其是轴承圈，其具有热化学地产生的、富含氮的边缘层。
发明内容
本发明的任务是相对于提到的现有技术进一步改进滚动轴承构件。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的滚动轴承构件来解决。滚动轴承构件优选构造为轴承圈，并且具有如下特征：
-渗氮的(aufgestickt)、具有从外向内减小的氮含量的边缘区，
-具有至少近似恒定的硬度的核心区，
-在边缘区中从外向内减小的残余压应力(Druckeigenspannung)，
-在0.04mm的深度中的870HV 0.3至1000HV 0.3的硬度(接下来也被称为边缘硬度)，
其中，
-0.3mm的深度中的硬度比边缘硬度小最多250HV 0.3。
本发明从如下思想出发，即，在安全性很重要的应用中，例如在航空运输中的机器元件中，除了尽可能高的使用寿命之外还要求有很高程度的损坏容忍度。如果在个别情况下出现首先局部的小损坏，那么机器元件的功能作用必须至少维持到能无危险地停止相应的设备(例如，在飞机的情况下为到达目标机场)。为此，除了尽可能早地识别刚开始的损坏之外还需要所有构件的高损坏容忍度。
在具有渗碳的边缘区的滚动轴承部件的情况下，通过根据本发明限定的关于40μm的深度的最少870HV 0.3且最大1000HV 0.3的硬度，残余应力分布也以如下程度来限定，即，使得在渗氮区的由损坏导致的中断的情况下产生的剪切应力限定为使在翻转应力下的损坏扩展不明显快于在未渗氮的边缘区的情况下的损坏扩展。此外，具有升高的硬度的渗氮材料也会失去延展性；减小的延展性也意味着对损坏扩展的更小的阻力。
通过边缘硬度的所说明的边界以及通过将核心区中的最小硬度与边缘硬度之间的最大差限定为250HV 0.3，提供了如下构件，该构件以最优方式遵守对抵抗损坏产生的高阻力的要求(即足够的硬度和残余压应力)以及对同时抵抗损坏扩展的要求(即高的延展性和不太高的残余应力)。在0.3mm的深度中，以HV 0.3计的硬度大于0.04mm的深度中的硬度的优选75％，尤其是80％。在有利的设计方案中，在滚动轴承构件的表面上的残余压应力的绝对值是最小500MPa且最大1000MPa。在0.05mm的深度中的残余压应力的值小于在表面上的残余压应力的值的优选60％，尤其是50％。
滚动轴承构件的边缘区中的残余压应力至少在滚动轴承构件的未机械负载的状态下存在，其中，在从属权利要求中的所有与此相关的说明也都涉及滚动轴承构件的未机械负载的状态。
在优选的设计方案中，低于边缘区中的氮含量的最大值的80％的深度相应于残余压应力为最大残余压应力的80％的深度的至少1.75倍，尤其是至少2倍，例如3倍。
低于边缘区中的氮含量的最大值的80％的深度，即所谓的80％氮边界相应于残余压应力低于边缘区中的最大残余压应力的值的80％(80％残余压应力边界)的深度的优选最多8倍，尤其最多4倍。因此，根据不同的可行实施形式，80％氮边界位于80％残余压应力边界的1.75倍至4倍之间的范围中或者2倍至4倍之间的范围中或者3倍至4倍之间的范围中或者1.75倍至8倍之间的范围中或者2倍至8倍之间的范围中或者3倍至8倍之间的范围中。
通过在残余压应力以及氮含量的分布以所说明的方式确定出边界的同时对硬度以及硬度差的所提到的限定，提供了如下滚动轴承构件，该滚动轴承构件同样遵守对延展性和硬度的竞争性的要求。尤其是给出了抵抗渗氮区在翻转应力下的局部中断(“损坏”)的扩展的高容忍度以及在很困难的条件(例如在油流中存在污染)下的长的使用寿命。
制成滚动轴承构件的金属材料例如是具有名称M50(AMS 6490/6491、80MoCrV 42-16)或者M50NIL(AMS 6278、13MoCrNiV 42-16-14)的钢。其他可使用的材料在开头引用的现有技术中进行了说明。
附图说明
接下来借助附图详细阐述本发明的实施例。其中：
图1以示意性的截面图示出第一滚动轴承；
图2以横截面图示出第二滚动轴承的轴承圈；
图3以原理图示出在中断的有残余应力的层的情况下剪切应力的构造；
图4示出滚动轴承构件的硬度分布；
图5示出根据图4的滚动轴承构件的残余应力分布；
图6示出根据图4的滚动轴承构件的氮分布。
具体实施方式
图1以截段形式示出总体上以附图标记1表示的滚动轴承，即球轴承，其具有轴承圈2、3(即通常被称为滚动轴承构件2、3的内圈2和外圈3)和滚动体4，这些滚动体同样归于滚动轴承构件的概念下。在该情况下，所有滚动轴承构件由金属材料制成。
每个滚动体4由具有马氏体结构的钢形成，并且具有热化学地产生的、渗氮的边缘区5以及关于尤其是化学成分的多个参数与该边缘区不同的核心区6。边缘区5与核心区6之间的过渡部在图1中通过虚线标记出，像整个图示那样，虚线的位置不是按比例的。
在边缘区5内存在从外向内减小的残余压应力，其中，边界(在该边界处低于最大残余压应力的80％)被称为80％残余压应力边界，并且在图中用80σ表示。
在边缘区5中存在的氮同样从滚动体4的表面向内减小。边界(在该边界处低于最大氮浓度的80％)被称为80％氮边界，并且在图中用80N表示。从滚动体4的表面开始测量，80％氮边界80N位于80％残余压应力边界80σ的至少1.75倍的深度，例如2倍的深度，尤其是3倍的深度。在边缘区5内，关于40μm的深度，滚动体4的硬度是最少870HV 0.3且最大1000HV 0.3。提到的40μm的深度优选位于80％残余压应力边界80σ与80％氮边界80N之间。核心区6中的硬度比边缘区5中的硬度小最多250HV 0.3。
根据图2的滚动轴承1可以例如用作燃气涡轮机中的轴承。根据图2的滚动轴承1的轴承圈2、3的特性(这涉及之前描述的材料参数)相应于根据图1的实施例的滚动体4的特性。在该情况下，滚动轴承构件2、3在40μm的深度中的硬度尤其也是最少870HV 0.3且最大1000HV 0.3。同样地，滚动轴承构件2、3在核心区6中在0.3mm的深度中的硬度同样也比边缘区5中的硬度小最多250HV 0.3。
图3示出在中断的有残余应力的层的情况下产生剪切应力的推导。在图3中可见的滚动轴承构件4是根据图1的实施例的滚动体4，其中，图3以示意性的方式示出氮化的边缘区5的损坏。像图2所示的那样，根据图3的滚动轴承构件4同样也可以是轴承圈2、3。像在图3中可见的那样，如果富含氮的层(即边缘区5)局部中断，那么就没有应力作用在中断的部位(自由表面)上。否则在该情况下，残余应力理解为关于层厚的平均值。
在特定的角范围Ф*内，残余应力(法向应力)连续升高直到未受干扰区域内的残余应力。出于平衡原因，在该区域内升高的残余应力必须导致额外的剪切应力τ。该额外的剪切应力τ有利于损坏的进一步改善。在边缘区5中的残余压应力越高，那么在损坏情况下产生的剪切应力就越高。滚动轴承构件4的渗氮的边缘层5中的残余压应力又与构造出的硬度有关。
图4示出在根据本发明的边缘硬度的情况下，根据图3的滚动轴承构件4的硬度分布。像从图4可见的那样，边缘硬度是950HV 0.3。在滚动轴承构件4的所有区域中都明显超过以250HV 0.3减小的硬度值，即700HV(参见图3中的细节a)。同样由图4得知的是，在0.3mm的深度中，以HV 0.3计的硬度大于0.04mm的深度中的硬度(即边缘硬度)的75％(详见b)。
图5示出在根据图3的滚动轴承构件4内的残余应力分布。在滚动轴承构件4的表面上，残余压应力具有800MPa的绝对值(详见c)。80％残余压应力边界80σ位于0.005mm至0.02mm之间的深度中。在0.05mm的深度中，残余压应力的数值已经下降到小于工件表面上的残余压应力的绝对值的一半(详见d)。在滚动轴承构件4的大于0.3mm的深度的情况下，存在与边缘区5中的残余压应力相比在绝对值上非常小的残余张应力(Zugeigenspannung)。
图6示出在根据图3的滚动轴承构件4内的氮含量分布。在工件表面上，氮含量为1.5％至2.0％之间(详见e；以重量％计)。从工件表面开始，氮含量连续下降。80％氮边界80N位于0.02mm与0.04mm之间的深度中。
不仅在很困难的条件下的运行中而且在该层局部损坏的情况下，具有所描述的性质的渗氮的边缘区5都提供了硬度和残余压应力的对翻转应力非常有利的构造。
附图标记列表
1           滚动轴承
2           轴承圈、滚动轴承构件
3           轴承圈、滚动轴承构件
4           滚动体、滚动轴承构件
5           边缘区
6           核心区
σeig       (通常的)残余应力
σeig,max    未被影响的渗氮层中的残余应力
Ф*         角范围，残余应力在该角范围内构建
dФ         角范围变化
R           渗氮层的半径
t           渗氮层的厚度
τ          剪切应力
80N         80％氮边界
80σ        80％残余压应力边界

Claims (9)

1.一种滚动轴承构件(2、3、4)，所述滚动轴承构件具有如下特征：
-渗氮的、具有从外向内减小的氮含量的边缘区(5)，
-核心区(6)，
-在边缘区(5)中从外向内减小的残余压应力，
-在0.04mm的深度中硬度为870HV 0.3至1000HV 0.3，
其中，
-在0.3mm的深度中的硬度比在0.04mm的深度中的硬度小最多250HV 0.3。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承构件(2、3、4)，其特征在于，在0.3mm的深度中，以HV 0.3计的硬度大于0.04mm的深度中的硬度的75％。
3.根据权利要求1或2所述的滚动轴承构件(2、3、4)，其特征在于，在表面上的残余压应力的绝对值为最小500MPa且最大1000MPa。
4.根据权利要求3所述的滚动轴承构件(2、3、4)，其特征在于，在0.05mm的深度中的残余压应力的值小于在表面上的残余压应力的值的60％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的滚动轴承构件(2、3、4)，其特征在于，低于边缘区(5)中的氮含量的最大值的80％时的深度(80N)相应于残余压应力为最大残余压应力的80％时的深度(80σ)的至少1.75倍。
6.根据权利要求5所述的滚动轴承构件(2、3、4)，其特征在于，低于边缘区(5)中的氮含量的最大值的80％时的深度(80N)相应于残余压应力为最大残余压应力的80％时的深度(80σ)的最多8倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的滚动轴承构件(2、3)，其特征在于，所述滚动轴承构件构造为轴承圈(2、3)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的滚动轴承构件(4)，其特征在于，所述滚动轴承构件构造为滚动体(4)。
9.一种滚动轴承，所述滚动轴承具有根据权利要求7或8所述的滚动轴承构件(2、3、4)。
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