CN105026603B - 轴承部件和滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

作为轴承部件的各个外圈(10)、内圈(11)和球(12)是根据JIS标准SUJ2制造的且在其表面内形成有碳氮共渗层的轴承部件，其中，在500℃的加热温度下持续一小时时间进行热处理之后，在距表面深度为0.02×T+0.175(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，该芯部是在轴承部件的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表用于形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间。

Description

轴承部件和滚动轴承
技术领域
本发明涉及轴承部件和滚动轴承，具体来说，涉及其表面内形成有碳氮共渗层的轴承部件以及包括该轴承部件的滚动轴承。
背景技术
传统上业已定性地知道，碳氮共渗处理对于延长滚动轴承的滚动接触疲劳寿命是有效的(例如，参见日本专利特开平第6-341441号(PTD1)以及Hyojiro Kurabe等人所著的“高温下渗碳或碳氮共渗1％铬钢的滚动疲劳特性(Rolling Fatigue Characteristics ofCarburized or Carbonitrided
Figure BDA0000779508560000011
Cr Steel at Elevated Temperatures)”，《铁和钢(Iron and Steel)》，第十一卷(1967)，第1305-1308页(NPD 1))。此外，近年来，已经变得很明确的是，碳氮共渗处理在评估滚动轴承的压痕起点型剥落寿命的方法中也是有效的，该方法是更加量化的方法(例如，参见日本专利特开平第2009-229288号(PTD2))。还已经变得明确是，如果产品最上表面内的氮浓度不低于0.1质量％(即质量百分数为0.1％)，则寿命会延长到这样的程度：即，可靠地识别出该渗氮部分与非渗氮部分在统计上的显著差别。此外，还业已发现，如果确保产品最上表面(滚道表面或滚动表面)内的氮浓度不低于0.4质量％，则与不低于0.1质量％的情形相比，寿命进一步延长(例如，参见Chikara Ohki等人所著的“用按受控表面氮含量进行碳氮共渗的SUJ2钢的人造凹痕来评价刮擦接触疲劳寿命(Estimation of Scratched Contact Fatigue Life with Artificial Dent of SUJ2Steel Carbonitrided to Controlled Surface Nitrogen Content)”，《铁和钢》，第95卷(2009)，第695-703号(NPD 2))。因此，如果能够提供滚动轴承的能保证在产品最上面表面内具有不低于0.4质量％的氮浓度的部分，则更可靠地保证滚动轴承的安全性，由此提供大的社会益处。
然而，目前，钢中的氮浓度只可通过采用诸如EPMA(电子探针显微分析仪)和GDS(辉光放电光谱仪)的分析设备实施的方法来进行量化，如此的方法需要大量的人工时。因此，如果采纳如此的方法用于质量保证，则滚动轴承变得非常昂贵，这是不实际的。
此外，描述了定性地评价渗氮程度的方法(例如，参见Youichi Watanabe等人所著的“碳氮共渗铬合金钢回火过程中氮含量对微结构和抗软化性的影响(Effects ofNitrogen Content on Microstructure and Resistance to Softening duringTempering of Carbo-Nitrided Chromium Alloy Steels)”，《热处理》，第40卷(2000)，第18-24页(NPD 3))，该方法利用了以下特征，当氮已经进入钢内时，高温回火后的硬度变得高于非渗氮部分的硬度。此外，还提出了一种提供滚动轴承部件的方法，其通过使用上述特征来测量高温回火之后截面硬度分布，来确保在产品最上表面内具有不低于0.1质量％的氮浓度(例如，参见日本专利特开平第2011-209021号(PTD3))。
引用清单
专利文献
PTD1：日本专利特开平第6-341441号
PTD2：日本专利特开平第2009-229288号
PTD3：日本专利特开平第2011-209021号
非专利文献
NPD 1：Hyojiro Kurabe等人所著的“高温下渗碳或碳氮共渗1％铬钢的滚动疲劳特性”，《铁和钢》，第11卷(1967)，第1305-1308页
NPD 2：Chikara Ohki等人所著的“用按受控表面氮含量进行碳氮共渗的SUJ2钢的人造压痕来评价刮擦接触疲劳寿命”，《铁和钢》，第.95卷(2009)，第695-703页
NPD 3：Youichi Watanabe等人所著的“碳氮共渗铬合金钢回火过程中氮含量对微结构和抗软化性的影响，《热处理》，第40卷(2000)，第18-24页
发明内容
技术问题
根据以上描述的在PTD3中提出的方法，可以确保产品最上表面内的氮浓度不低于0.1质量％，而难于确保更高的氮浓度。因此，从确保滚动轴承内较高安全度的观点来看，需要提供确保具有较高氮浓度的轴承部件。
鉴于上述的问题，制造成本发明，并且本发明的目的是提供一种轴承部件以及包括该轴承部件的滚动轴承，该轴承部件定量地确保具有比传统轴承部件高的氮浓度。
解决该问题的方案
根据本发明一个方面的轴承部件是这样的轴承部件，其是根据JIS标准SUJ2制造的且具有形成在其表面内的碳氮共渗层。在该轴承部件内，在500℃的加热温度下持续一小时时间进行热处理之后，在距该表面深度为0.02×T+0.175(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，该芯部是在轴承部件的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间。
通过利用如下的事实，传统的轴承部件可确保在表面内的氮浓度为0.1质量％：在经受上述热处理(在500℃的加热温度下持续一小时时间)的碳氮共渗层内的维氏硬度和氮浓度之间存在着关联，并且由于上述的热处理，氮浓度分布朝向厚度方向向内部迁移预定的距离(0.03mm)。即，根据该位置处的氮浓度(即，在进行上述热处理之前，该表面内的氮浓度)，与在芯部处的维氏硬度相比，距离经受如上所述热处理的表面深度为0.03(mm)的位置处的维氏硬度得以提高预定值，所述芯部是未形成有碳氮共渗层的区域。因此，通过在进行上述热处理之前，预先根据轴承部件表面内设计的氮浓度，为上述热处理会造成的维氏硬度提高量设定参考值，并通过确定在距经受如上所述热处理的表面深度为0.03(mm)的位置处的维氏硬度测量值和在芯部处的维氏硬度测量值之间的差是否满足参考值(即，差值是否大于参考值)，则可确定该轴承部件表面内的氮浓度是否在设计的氮浓度(0.1质量％)以上。
然而，当氮浓度处于0.1质量％以下的范围内时，碳氮共渗层内维氏硬度和氮浓度之间的上述关联很强，而当氮浓度处于大于0.1质量％的范围内时，该关联相对较弱。因此，在传统的轴承部件内，难于确保表面内氮浓度在0.4质量％以上。
因此，通过利用如下的事实，本发明的发明人已经实现了本发明：氮浓度为0.06质量％的深度位置和氮浓度为0.4质量％的深度位置之间的距离用0.02×T+0.145(mm)来代表(T：碳氮共渗处理的时间)，并且当氮浓度处于0.1质量％以下的范围内时，上述的关联很强，而由于上述的热处理，氮浓度分布沿厚度方向迁移0.03(mm)。基于上述的关联，对应于0.06质量％的氮浓度的维氏硬度的提高量是80ΔHV。因此，通过确定距表面深度为0.02×T+0.175(mm)(0.02×T+0.145+0.03mm)的位置处的维氏硬度测量值和芯部处的维氏硬度测量值之间的差是否在作为参考值的80ΔHV以上，则可确保在距表面深度为0.02×T+0.145(mm)的位置处的氮浓度在上述热处理之前在0.06mass％以上，并且由此，可以确保表面内的氮浓度在0.4质量％以上。因此，根据如本发明的一个方面的轴承部件，可提供这样的轴承部件，即，该轴承部件定量地确保具有比传统的轴承部件的氮浓度高的氮浓度。
在该轴承部件内，碳氮共渗处理的时间可在4小时以上且10小时以下。此外，碳氮共渗处理的时间可在6小时以上且8小时以下。当碳氮共渗处理的时间在4小时以上且10小时以下时，距表面深度在0.26(mm)以上且0.38(mm)以下的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上。当碳氮共渗处理的时间在6小时以上且8小时以下时，距表面深度在0.3(mm)以上且0.34(mm)以下的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上。
如果碳氮共渗处理的时间少于4小时，则碳氮共渗层会不是较深地形成，因此，当在热处理之后需要研磨余量时，难于设定表面内的氮浓度在0.4质量％以上。在另一方面，如果碳氮共渗处理的时间超过10小时，则剩余奥氏体量变得过多，且轴承部件可能具有较低的硬度，并且此外，轴承部件还随着时间推移经历显著的尺寸变化。因此，较佳地是，将碳氮共渗处理的时间合适地选择在可确保轴承部件耐用性和尺寸稳定性的范围之内(在4小时以上且10小时以下)。
根据本发明另一方面的轴承部件是这样的轴承部件，即，其是根据JIS标准SUJ2制造的且具有形成在其表面内的碳氮共渗层。在该轴承部件内，在用来形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理之后以及在表面研磨处理之前，在500℃的加热温度下持续一小时时间进行热处理之后，在距表面深度为0.02×T+0.175+t(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，该芯部是在该轴承部件的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表碳氮共渗处理的时间，而t(mm)代表该轴承部件的由研磨处理除去的厚度。
在根据本发明另一方面的轴承部件中，通过确定以下两个维氏硬度测量值之间的差是否在80ΔHV以上，可以确保经受研磨处理的表面内的氮浓度在0.4质量％以上，甚至在研磨处理进行之前也是如此，这两个测量值是：在深度为初步考虑由研磨处理除去的轴承部件的厚度的位置处的维氏硬度测量值，即，深度为0.02×T+0.175(mm)加上上述厚度(mm)的位置处；以及在芯部处的维氏硬度测量值。因此，根据本发明的另一个方面，根据轴承部件，就可提供这样的轴承部件，其定量地确保具有比传统轴承部件的氮浓度高的氮浓度，类似于根据本发明一个方面的上述轴承部件。
在该轴承部件中，碳氮共渗处理的时间可在4小时以上且10小时以下，该厚度可以是0.125(mm)以下。此外，碳氮共渗处理的时间可在6小时以上且8小时以下，该厚度可以是0.15(mm)以下。
如上所述，通过根据碳氮共渗处理的时间确定由研磨处理除去的轴承部件的厚度，可确保经受研磨处理的表面内高的氮浓度，并可校正由热处理造成的轴承部件的变形。
在轴承部件内，可在840℃以上和860℃以下的温度范围内进行碳氮共渗处理。
如果碳氮共渗处理的温度低于840℃，则钢中的氮扩散速度减小，碳氮共渗处理的时间变得更长。另一方面，如果碳氮共渗处理的时间超过860℃，则NH3的分解反应速度增大，使未分解的NH3的部分保持高的比例变得困难，并且由此，用于确保经受研磨处理的表面内高的氮浓度的处理时间变得更长。此外，原始奥氏体晶粒的尺寸可能变粗。出于这些原因，碳氮共渗处理的温度范围较佳地在840℃以上且860℃以下，且更优选地是850℃。
在该轴承部件中，原始奥氏体晶粒的尺寸可在JIS标准9号至11号的范围之内。原始奥氏体晶粒的尺寸取决于碳氮共渗处理过程中的加热温度。因此，通过确认轴承部件内原始奥氏体晶粒的尺寸在上述范围之内，可确认碳氮共渗处理是在合适温度下进行的。
根据本发明的滚动轴承包括根据本发明的轴承部件，该轴承部件定量地确保具有比传统轴承部件高的氮浓度。因此，依据根据本发明的滚动轴承，可提供这样的滚动轴承，其中，与传统的滚动轴承相比，其滚动接触疲劳寿命延长，并且确保了较高的安全度。
滚动轴承可以是深沟球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承以及滚针轴承中的任何一种。根据本发明的确保具有较高安全度的滚动轴承，适于用作诸如深沟球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承以及滚针轴承等滚动轴承。
本发明的有利效果
从以上的描述中可以清楚，依据根据本发明的轴承部件，可提供这样的轴承部件，其定量地确保具有较高的氮浓度。此外，依据根据本发明的滚动轴承，可提供这样的滚动轴承，其确保具有较高的安全度。
附图说明
图1是显示深沟球轴承的结构的示意剖视图。
图2是显示圆锥滚子轴承的结构的示意剖视图。
图3是显示圆柱滚子轴承的结构的示意剖视图。
图4是显示推力滚针轴承的结构的示意剖视图。
图5是示意地显示制造轴承部件的方法的流程图。
图6是示意地显示检查轴承部件的方法的流程图。
图7是描述检查轴承部件的方法的示意图。
图8是示意地显示制造轴承部件的另一方法的流程图。
图9是显示回火温度和断面硬度差之间关系的图表。
图10是显示氮浓度和断面硬度差之间关系的图表。
图11是显示当氮浓度处于0.1质量％以下的范围时，氮浓度和断面硬度差之间关系的图表。
图12是显示碳氮共渗处理之后钢材料内氮浓度分布的图表。
图13是显示碳氮共渗处理的时间与介于0.4质量％的深度位置和0.06质量％的深度位置之间的距离两者之间关系的图表。
图14是显示碳氮共渗处理的时间和介于0.4质量％的深度位置和0.06质量％的深度位置之间的距离两者之间关系的图表。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的一个实施例。在以下的附图中，相同的或对应的部分用相同的附图标记表示，因此将不重复对其的描述。
首先，将描述根据本发明一个实施例的作为滚动轴承的深沟球轴承1的结构。参照图1，深沟球轴承1主要地包括外圈10、内圈11、多个球12和保持器13。
外圈10具有环形形状，并具有位于其内周表面上的外圈滚道表面10A。内圈11具有环形形状，并具有位于其外周表面上的内圈滚道表面11A。内圈11布置在外圈10的内侧上，使得内圈滚道表面11A面向外圈的滚道表面10A。外圈10和内圈11具有例如不大于150mm的外径。
借助于用合成树脂制成的保持器13，球12沿着外圈10和内圈11的周向以预定的间距排列在环形滚道上，并以自由滚动方式被保持在滚道上。球12具有球滚动表面12A，并在球滚动表面12A处球12与外圈的滚道表面10A和内圈的滚道表面11A相接触。通过如此的构造，深沟球轴承1的外圈10和内圈11可相对于彼此相对地转动。
外圈10、内圈11和球12每个都是根据本实施例的轴承部件，其是根据JIS标准SUJ2制造的且具有形成在其表面(外圈的滚道表面10A、内圈的滚道表面11A和球滚动表面12A)内的碳氮共渗层。在外圈10、内圈11和球12中，在500℃的加热温度下持续一小时时间进行热处理(下文中被称作“高温回火”)之后，在距所述表面深度为0.02×T+0.175(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，该芯部是在所述轴承部件(外圈10、内圈11和球12)的厚度方向上不形成所述碳氮共渗层的区域，其中，T代表用于形成所述碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间。如下面所描述的，此确保上述轴承部件的上述表面中氮浓度不低于0.4质量％。由此，对于包括外圈10、内圈11和球12的深沟球轴承1，可确保较高的安全度。
根据上述关系式(0.02×T+0.175)，当碳氮共渗的时间(T)在4小时以上且10小时以下时，在距上述表面深度不小于0.26(mm)且不大于0.38(mm)的位置处的维氏硬度比在上述芯部处的维氏硬度高80HV以上。当碳氮共渗的时间(T)在6小时以上且8小时以下时，在距上述表面深度不小于0.3(mm)和不大于0.34(mm)的位置处的维氏硬度比上述芯部处的维氏硬度高80HV以上。
此外，在外圈10、内圈11和球12中，在形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理之后且表面研磨处理之前，在进行高温回火之后，在距表面深度为0.02×T+0.175+t(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，所述芯部是在轴承部件的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表所述碳氮共渗处理的时间，而t(mm)代表所述轴承部件的由所述研磨处理除去的厚度。此也可确保经受研磨处理的上述表面内的氮浓度不低于0.4质量％，即使在研磨处理进行之前也是如此。
在上述轴承部件内，当碳氮共渗处理的时间(T)在4小时以上且10小时以下时，上述厚度(t)可以是0.125(mm)以下。当碳氮共渗处理的时间(T)在6小时以上且8小时以下时，上述厚度(t)可以是0.15(mm)以下。
此外，在外圈10和内圈11中，考虑由热处理引起的变形量和尺寸变化量，来确定由研磨处理除去的上述轴承部件的厚度(下文中被称作“一个表面的研磨裕量”)，且该变形量和尺寸变化量是根据外圈10和内圈11的形状、厚度、冷却条件和加热条件变化的。因此，对轴承的各个型号来说，外圈10的外圈滚道表面10A和内圈11的内圈滚道表面11A的“一个表面的研磨裕量”是根据实际值来确定的。当外圈10和内圈11如在本实施例中那样具有不大于150(mm)的外径时，外圈滚道表面10A和内圈滚道表面11A的一个表面的研磨裕量的平均值在0.1mm以上且0.2mm以下的范围之内。
如上所述，在外圈10、内圈11和球12中，形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间优选地在6小时以上且8小时以下的范围之内。如果碳氮共渗处理的时间短于4小时，则碳氮共渗层不能充分地形成，且难于充分地延长轴承件的滚动接触寿命。另一方面，如果碳氮共渗处理的时间超过10小时，则剩余奥氏体量会变得过多，且轴承部件随着时间推移经历很大的尺寸变化。因此，从提供具有优秀的耐用性和尺寸稳定性的轴承部件的观点来看，优选的是将碳氮共渗处理的时间设定在上述的范围之内。
此外，在外圈10、内圈11和球12中，形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的温度优选地在840℃以上且860℃以下。如果碳氮共渗处理的温度低于840℃，则钢中的氮的扩散速度降低，因此，需要延长碳氮共渗处理的时间。另一方面，如果碳氮共渗处理的温度超过860℃，则进入钢中的氮的量减少，并且因此，形成具有高的氮浓度的区域，以朝向轴承部件的表面侧偏置。由此，需要延长碳氮共渗处理的时间以增加该表面内的氮浓度。出于这些原因，碳氮共渗处理的温度优选地在840℃以上且860℃以下，且较佳地为850℃。
此外，根据硬化之后原始奥氏体晶粒的尺寸，可确定碳氮共渗处理的温度。例如，当碳氮共渗处理的温度是850℃时，上述根据JIS标准SUJ2制造的轴承部件(外圈10、内圈11和球12)的原始奥氏体晶粒的尺寸在JIS标准9号至11号的范围之内。因此，基于硬化后原始奥氏体晶粒的尺寸，可确认碳氮共渗处理在合适温度下进行。
此外，根据本发明的滚动轴承不局限于深沟球轴承1，其可以是圆锥滚子轴承2(见图2)、圆柱滚子轴承3(见图3)以及推力滚针轴承4(见图4)中的任何一种。下文中将描述圆锥滚子轴承2、圆柱滚子轴承3以及推力滚针轴承4每个的结构。
首先，将参照图2来描述圆锥滚子轴承2的结构。圆锥滚子轴承2主要包括外圈20、内圈21、多个滚珠22以及保持器23。外圈20具有环形的形状，并具有位于其内周表面上的外圈滚道表面20A。内圈21具有环形的形状，并具有位于其外周表面上的内圈滚道表面21A。内圈21布置在外圈20的内侧上，使得内圈滚道表面21A面向外圈滚道表面20A。
滚珠22与内圈滚道表面21A和外圈滚道表面20A接触，并且滚珠22借助于用合成树脂制成的保持器23而沿周向以预定的间距布置。由此，滚珠22以自由滚动方式被保持在外圈20和内圈21构成的环形滚道上。此外，圆锥滚子轴承2构造成使得：包括外圈滚道表面20A的圆锥、包括内圈滚道表面21A的圆锥以及包括当滚珠22滚动时的转动轴线路径的圆锥的各顶点相交于轴承中心线上的一点。通过如此的构造，圆锥滚子轴承2的外圈20和内圈21可相对于彼此相对地转动。
类似于外圈10、内圈11和球12，外圈20、内圈21和滚珠22每个都是根据本实施例的轴承部件。因此，在外圈20、内圈21和滚珠22中，在进行高温回火之后，在距表面(外圈滚道表面20A、内圈滚道表面21A和滚珠滚动表面22A)深度为0.02×T+0.175(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，所述芯部是在该轴承部件(外圈20、内圈21和球22)的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表用于形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间。此确保在外圈20、内圈21和滚珠22的上述表面内的氮浓度在0.4质量％以上。由此，对于圆锥滚子轴承2也确保较高的安全度。
接下来，将参照图3来描述圆柱滚子轴承3的结构。圆柱滚子轴承3主要包括外圈30、内圈31、多个滚珠32以及保持器33。外圈30具有环形的形状，并具有在其内周表面上形成的外圈滚道表面30A。内圈31具有环形的形状，并具有在其外周表面上形成的内圈滚道表面31A。内圈31布置在外圈30的内侧上，使得内圈的滚道表面31A面向外圈的滚道表面30A。
滚珠32具有圆柱形的形状并在滚珠滚动表面32A处与内圈滚道表面31A和外圈滚道表面30A接触。此外，滚珠32借助于用合成树脂制成的保持器33而沿周向以预定的间距布置，并且因此，滚珠32以自由滚动方式被保持在外圈30和内圈31构成的环形滚道上。通过如此的构造，圆柱滚子轴承3的外圈30和内圈31可相对于彼此相对地转动。
类似于外圈10、内圈11和球12，外圈30、内圈31和滚珠32每个都是根据本实施例的轴承部件。因此，在外圈30、内圈31和球32中，在进行高温回火之后，在距表面(外圈的滚道表面30A、内圈的滚道表面31A和滚珠滚动表面32A)深度为0.02×T+0.175(mm)的位置处的维氏硬度比芯部处的维氏硬度高80HV以上，所述芯部是在轴承部件(外圈30、内圈31和球32)的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表用于形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间。此确保外圈30、内圈31和滚珠32的上述表面内的氮浓度在0.4质量％以上。由此，对于圆柱滚子轴承3也确保较高的安全度。
接下来，将参照图4来描述推力滚针轴承4的结构。推力滚针轴承4主要包括一对轴承环40和41、多个滚针42和环形保持器43。
轴承环40和41具有圆盘形，并布置成使得一个轴承环的主表面面对另一个轴承环的主表面。在作为滚针42的外周表面的滚珠滚动表面42A处，滚针42与互相面对的成对轴承环40和41的各主表面上形成的轴承环滚道表面40A和41A接触。此外，滚针42通过保持器43沿周向以预定间距布置，因此，以可自由滚动的方式保持在环形滚道上。通过如此的构造，推力滚针轴承的成对轴承环40和41相对于彼此可相对地转动。
类似于外圈10、内圈11和球12，轴承环40和41以及滚针42每个都是根据本实施例的轴承部件。因此，在轴承环40和41以及滚针42中，在进行高温回火之后，在距表面(轴承环滚道表面40A和41A以及滚珠滚动表面42A)深度为0.02×T+0.175(mm)的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，所述芯部是在轴承部件(轴承环40和41以及滚针42)的厚度方向上不形成碳氮共渗层的区域，其中，T代表用于形成碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间。此确保轴承环40和41以及滚针42的上述表面内的氮浓度在0.4质量％以上。由此，对于推力滚针轴承4也确保较高的安全度。
接下来，将描述检查根据本实施例的轴承部件的方法。在检查根据本实施例的轴承部件的方法中，能够确保外圈10、内圈11和球12的表面(外圈的滚道表面10A、内圈的滚道表面11A和球滚动表面12A)内的氮浓度在0.4质量％以上。
此外，在用于制造诸如外圈10、内圈11和球12的轴承部件的方法中，执行检查根据本实施例的轴承部件的方法。具体来说，参照图5，上述制造轴承部件的方法包括以下步骤：制备钢材料(S10)；模制钢材料(S20)；使模制体经受碳氮共渗处理(S30)；使模制体经受硬化处理(S40)；使模制体经受回火处理(S50)；使模制体经受研磨处理(S60)；以及检查(S70)，并且在步骤(S70)中执行检查根据本实施例的轴承部件的方法。在本说明书中，将详细描述步骤(S70)，而将不提供对步骤(S10)至(S60)的详细描述。
参照图6，在检查根据本实施例的轴承部件的方法中，首先确定用于测量断面硬度的位置，该步骤为步骤(S71)。在该步骤(S71)中，通过将碳氮共渗处理的时间(T)代入关系式0.02×T+0.175内，计算出在以下描述的步骤(S73)中用于测量断面硬度(维氏硬度)的深度所处的位置。
接下来，进行高温回火步骤，其为步骤(S72)。在该步骤(S72)中，制备诸如内圈11的轴承部件(见图1)，并在加热温度不小于300℃且不高于700℃并且持续一小时时间的条件下，对轴承部件进行热处理。由此，在内圈11中的碳氮共渗层处的维氏硬度变得高于芯部处的维氏硬度，该芯部是不形成碳氮共渗层的区域。加热温度更优选地在400℃以上且600℃以下，且更优选地是500℃。
接下来，进行测量断面硬度的步骤，其为步骤(S73)。在该步骤(S73)中，参照图7，首先从内圈11中切割出试块14。然后，从试块14的外周表面14A中，分别测量在以上描述的步骤(S71)中计算出的深度的位置处的维氏硬度以及在上述芯部处的维氏硬度。
接下来，进行计算断面硬度差的步骤，其为步骤(S74)。在该步骤(S74)中，从试块14的外周表面14A，计算出在以上描述的步骤(S71)中计算出的深度的位置处的维氏硬度和在上述芯部处的维氏硬度之差(下文中被称作“断面硬度差”)。
接下来，进行比较断面硬度差与参考值的步骤，其为步骤(S75)。在该步骤(S75)中，在以上描述的步骤(S74)中计算出的断面硬度差的值与80ΔHV相比较，该80ΔHV是预定的参考值，并且确定断面硬度差是否在80ΔHV以上。当断面硬度差在80ΔHV以上时，可确保高温回火之前内圈11表面内氮浓度不小于0.4质量％，如下文中所描述。如上所述，按照用于检查根据本实施例的轴承部件的方法，可定量地确保轴承部件表面内高的氮浓度。
参照图8，在上述制造轴承部件的方法中，检查步骤(S70)不仅可在研磨处理步骤(S60)之后进行，而且也可在回火步骤(S50)之后进行。在该情形中，在确定用于测量断面硬度的位置的步骤(S71)中(见图6)，通过将碳氮共渗处理的时间(T)和轴承部件的由研磨处理除去的厚度(t)代入关系式0.02×T+0.175+t内，可计算在以下描述的步骤(S73)中具有用于测量维氏硬度的深度的位置。如上所述，通过初步考虑轴承部件的由研磨处理除去的厚度，来确定用于测量断面硬度的位置，并且因此，能够确保经受研磨处理的表面内氮浓度在0.4质量％以上，即使在该轴承部件经受研磨处理之前也是如此。
实例
在本实例中，将描述用来确定测量断面硬度的位置、断面硬度差的参考值等以确保轴承部件的表面内氮浓度在0.4质量％以上的方法。
(1)试件和实验方法
(1-1)引言
首先，有必要确定高温回火中的加热温度和保持时间，它们与氮浓度有很高的关联。由于借助于高温回火的转换是热启动的过程，因此，提高加热温度和增加保持时间具有相同的含义，同时使用这两者作为变量被认为是无意义的。因此，在本实例中，通过将保持时间设定为固定时间(一个小时)并将加热温度改变到300℃、400℃、500℃、600℃和700℃，以调查出硬度差最明显时所处的加热温度，从而确定最佳加热温度。
此外，还应考虑，由于各个材料中化学成分的差异，因此，在硬化过程中，可硬化性的差异以及冷却速率的差异性可影响硬化后的硬度，并还可影响高温回火后的硬度。因此，在本实例中，不使用断面硬度的绝对值本身，而采用以下两种硬度之间硬度差作为指示：深度远离表面层的非渗氮位置处(芯部)的硬度(在此，例如是距离经受热处理的最上表面1mm的深度处的硬度)；以及渗氮区域内任意深度的位置处的硬度。即，各个材料中的化学成分可因材料批次不同而变化，因此，硬度差抵消如此的差异。
(1-2)目标试件
表1示出经受调查的试件的化学成分。材料全都根据JIS标准SUJ2制造，并在各种加热温度炉子中和在各种热处理环境下经受碳氮共渗处理。应该指出的是，碳氮共渗处理的温度包括在840℃以上且860℃以下的温度范围内。
具体来说，1号试件在以下条件下经受处理：850℃的碳氮共渗处理温度，持续时间为120分钟(min.)(下文中表达为“850℃×120min.”)，未分解氨组分的体积百分数为0.2％以及碳活性为0.9。2号试件在以下条件下经受处理：840℃×70min.，未分解氨组分的体积百分数为0.1％以及碳活性为0.85。3号试件在以下条件下经受处理：850℃×120min.，未分解氨组分的体积百分数为0.1％以及碳活性为0.9。4号试件在以下条件下经受处理：850℃×90min.，未分解氨组分的体积百分数为0.1％以及碳活性为0.9。5号试件在以下条件下经受处理：850℃×90min.，未分解氨组分的体积百分数为0.1％以及碳活性为0.9。
[表1]
Figure BDA0000779508560000141
*ppm
此外，6号试件在以下条件下经受处理：850℃×90min.，未分解氨组分的体积百分数为0.13％以及碳活性为0.9。7号试件在以下条件下经受处理：850℃×150min.，未分解氨组分的体积百分数为0.1％以及碳活性为0.85。8号试件在以下条件下经受处理：850℃×150min.，未分解氨组分的体积百分数为0.25％以及碳活性为0.9。9号试件在以下条件下经受处理：850℃×180min.，未分解氨组分的体积百分数为0.3％以及碳活性为0.95。10号试件在以下条件下经受处理：850℃×90min.，未分解氨组分的体积百分数为0.2％以及碳活性为0.9。
(1-3)测量氮浓度的方法
为了调查经受高温回火的试样的断面硬度和氮浓度之间的关联，有必要测量试样(钢)内氮浓度分布。使用采用EPMA的线性分析来测量经受碳氮共渗处理的钢中氮的浓度。通过分析具有已知氮浓度的标定过的试件，并使用其标定曲线，来进行定量分析。用于EPMA分析的试样和测量方法的示意图显示在图7中。
例如，假定内圈11(见图1)用作如图7所示的试样。例如，测量经受碳氮共渗处理的该试样中的氮浓度。具体来说，从试样中切割出如图7所示的试件14，并沿着从试件的外周表面14A至内周表面14B的方向，在试件14的高度方向上的中部处(即，在带有半宽的位置处)的切割出的端表面上，进行采用EPMA的线性分析。
(1-4)测量断面硬度的方法
在经受以上(1-3)中描述的试件14内EPMA分析的切割出的端表面处，测量硬度。作为一种测量方法，使用微型维氏硬度试验机来实施维氏硬度测量。
(2)寻求用于高温回火的保持温度
(2-1)实验描述
为了寻求具有与氮浓度高关联的回火温度(加热温度)，经受碳氮共渗处理的试件14，在180℃的加热温度下经受回火处理，保持两小时的时间，然后，在300℃、400℃、500℃、600℃和700℃的加热温度下，经受五种类型的高温回火，保持一小时时间。高温回火在空气大气压下进行。然后，测量在用于高温回火的相应条件下处理过的试件的断面硬度。这里，在试件8号和9号试件上进行测量，试件处在被认为会使大量氮进入试件的碳氮共渗处理条件下。
(2-2)实验结果
图9示出收集的实验结果的曲线图。图9所示的曲线图收集了实验结果，回火温度在横坐标轴上，而断面硬度差(即，[断面硬度最大值]-[距经受热处理的最上表面为1mm深度的位置处的断面硬度]：也可表达为ΔHV)在纵坐标上。如从图9中可见，在500℃的加热温度下持续一小时的时间，进行高温回火处理之后，断面硬度差ΔHV为最大，在500℃的加热温度下断面硬度差ΔHV具有的值是在300℃或700℃的加热温度下进行高温回火之后断面硬度差ΔHV的大约两倍。因此，可以认为，回火之后具有与氮浓度相对高的关联的硬度是在大约500℃加热温度下回火之后的硬度。因此，在以下的实验中，在500℃的加热温度下持续一小时的时间，对经受高温回火的试件进行断面硬度测量。
(3)调查氮浓度和断面硬度中硬度差(ΔHV)之间的关系
在此，具有表1中所示成分的每个试件经受碳氮共渗处理，而且，在500℃的加热温度下持续一小时的时间进行的热处理是高温回火，此后，如参照图7描述的，用EPMA分析来测量各个试件14内的氮浓度。碳氮共渗处理是在850℃的加热温度和碳活性/未分解氨组分的值(γ)为4.75的条件下进行的。此外，在图7所示的切割下的端表面内，测量试件14深度方向上的断面硬度。然后，调查深度方向上某一特定位置处断面硬度和距经受热处理的最上面面深度为1(mm)的位置处的断面硬度之间的差(断面硬度差(ΔHV))的关系。图10和11示出其结果。
在图10和11中，横坐标轴代表氮浓度(单位：质量％)，而纵坐标轴代表断面硬度差(ΔHV)(单位：维氏硬度)。图11示出取自图10的一部分摘录，其是氮浓度在0至0.1质量％范围内时氮浓度和断面硬度差之间的关系。从图10中已经发现，当氮浓度在大于0且不大于0.1质量％范围内时，氮浓度和断面硬度差之间的关联很强，而当氮浓度在大于0.1质量％范围内时，氮浓度和断面硬度差之间的关联相对较弱。这被认为是因为不完全硬化可发生在具有高氮浓度的区域内，而溶解在试件内的氮不一定促进马氏体分解速率的降低。此外，基于图11，当氮浓度在大于0和不大于0.1质量％范围内时，在计算氮浓度和断面硬度差之间的关联系数时，两者之间可获得高的关联系数0.8348。因此，可以考虑，如果氮浓度在0至0.1质量％范围内，则从断面硬度差可预测氮浓度。因此，在以下的实验中，使用了0.06质量％的氮浓度和80ΔHV的断面硬度差之间的关系，此基本上是该区域(0至0.1质量％)内的中间位置，在那里，氮浓度和断面硬度差具有正关联。
(4)碳氮共渗处理时间和氮浓度分布之间的关系
在滚动轴承部件的情形中，研磨处理在硬化和回火之后进行，以调整其形状。因此，当在某些处理条件下进行碳氮共渗处理时，由于研磨处理的裕量，产品最上表面(滚道表面或滚动表面)内的氮浓度改变。因此，为了将产品最上面的表面内的氮浓度保持在0.4质量％以上，有必要根据用于一个表面的研磨裕量来改变碳氮共渗处理的条件。
图12示出JIS标准SUJ2的材料经受碳氮共渗处理时的氮浓度分布(高温回火进行之前)，其经受如下条件的处理：850℃的加热温度和碳活性/未分解氨组分的值(γ)为4.75下，持续4小时的处理时间(图中的(A))、6小时的处理时间(图中的(B))、8小时的处理时间(图中的(C))以及10小时的处理时间(图中的(D))。图12中，横坐标轴代表距SUJ2材料表面的深度(mm)，而纵坐标轴代表氮浓度(质量％)。这里，当碳氮共渗处理在γ值大于5的条件下进行时，氮的进入量减少，具有高的氮浓度的区域进一步朝向表面侧偏置。由此，通过使用一种不显著地增加处理时间的方法，来将产品表面内氮浓度设置成不低于0.4质量％，在实际上变得很困难。此外，当碳氮共渗处理的温度860℃以上时，则难于将γ值保持在5以下。当碳氮共渗处理的温度840℃以下时，扩散到钢中的氮的扩散速度减低，由此，处理时间变得较长。因此，对于SUJ2材料的碳氮共渗处理来说，大约850℃的温度是合适的。应该指出的是，借助于硬化之后的原始奥氏体晶粒的尺寸，可确定碳氮共渗处理之时的加热温度，而当加热温度为850℃时，对于SUJ2材料来说，原始奥氏体晶粒的尺寸在JIS标准的9号至11号的范围内。
从图12中已经发现，通过以下设定，能将产品最上表面内的氮浓度设置成不低于0.4质量％：即当对产品最上表面内的一个表面的研磨裕量是0.125(mm)时，将碳氮共渗处理时间设定在4小时；当对产品最上表面内的一个表面的研磨裕量是0.15(mm)时，将碳氮共渗处理时间设定在6小时；当对产品最上表面内的一个表面的研磨裕量是0.175(mm)时，将碳氮共渗处理时间设定在8小时；以及当对产品最上表面内的一个表面的研磨裕量是0.2(mm)时，将碳氮共渗处理时间设定在10小时。
(5)测量断面硬度差的合适位置
从图12中可获得在各个碳氮共渗处理时间中氮浓度为0.4质量％的深度和氮浓度为0.06质量％的深度，两者之间的距离绘在纵坐标轴上，而处理时间绘在横坐标轴上。然后，获得了图13中所示的曲线图。如上所述，为了确保通过使用断面硬度差80ΔHV对应于0.06质量％的氮浓度的关系使得产品最上表面内的氮浓度不低于0.4质量％，有必要调查深度不小于图12中纵向坐标轴所示距离的位置处的断面硬度差。
此外，如上所述，当高温回火在500℃的加热温度下持续一小时时间时，钢中的氮扩散到内部大约0.03(mm)。因此，当0.03(mm)添加到图13中的纵向坐标轴时，用于在每个处理时间中测量断面硬度差的合适位置，变为由图14中纵向坐标轴上的值所示深度的位置，即，具有0.02×T+0.175(mm)深度的位置(T：碳氮共渗处理时间)。因此，如果在距经受高温回火的表面为0.02×T+0.175(mm)深度的位置处的断面硬度差不小于80ΔHV，则能够确保高温回火之前的表面内的氮浓度不小于0.4质量％。
(6)用于滚动轴承内圈和外圈的滚道表面内一个表面的研磨裕量
当滚动轴承内圈和外圈被硬化时，会发生热处理造成的变形和尺寸变化。该变形量和该尺寸变化量根据产品形状、厚度、冷却条件、加热条件等变化。因此，通常使用实际值作为参考，对每种型号的滚动轴承确定内圈和外圈的一个表面的研磨裕量平均量。在内圈和外圈具有不大于150(mm)外径的滚动轴承中，滚道表面内一个表面的研磨裕量平均值在许多情形中是0.1至0.2(mm)。因此，如果图12所示的氮浓度分布和用于测量图14所示的断面硬度差的位置是清楚的，则它们可足以确保在具有外形不大于150(mm)的滚动轴承内圈和外圈的滚道表面中氮浓度不小于0.4质量％。
(7)质量保证程序
(7-1)热处理后的质量保证程序
根据上述(1)至(6)中的实验结果，确保经受热处理(碳氮共渗处理、硬化处理和回火处理之后以及研磨处理之前)的产品最上表面内氮浓度不小于0.4质量％的程序如下。首先，测量碳氮共渗处理、硬化处理和回火处理之后的产品尺寸，并计算滚道表面内一个表面的研磨裕量的平均值(t)。接下来，将碳氮共渗处理的时间(T)和一个表面的研磨裕量的平均值(t)代入关系式0.02×T+0.175+t内，并计算高温回火之后用于测量断面硬度差的位置。接下来，在500℃的加热温度下持续一小时时间，进行高温回火(附加的回火)。接下来，从经受高温回火的产品中切割出试件，并且测量在试件处计算的测量位置处的断面硬度差。然后，确定测得的断面硬度差的值是否在参考值80ΔHV以上。由此，如果断面硬度差的该值在80ΔHV以上，则能够确保产品最上面表面中氮浓度在0.4质量％以上。
(7-2)成品的质量保证程序
根据上述(1)至(6)中的审查结果，确保产品完成之后(研磨处理之后)产品最上表面内氮浓度不小于0.4质量％的程序如下。首先，将碳氮共渗处理的处理时间(T)代入关系式0.02×T+0.175内，并计算高温回火之后用于测量断面硬度差的位置。接下来，在500℃的加热温度下持续一小时时间，进行高温回火。接下来，从经受高温回火的产品中切割出试件，测量在试件处计算的测量位置处的断面硬度差。然后，确定测得的断面硬度差的值是否在80ΔHV以上，该值是参考值。由此，如果断面硬度差的该值在80ΔHV以上，则能够确保产品最上面表面中氮浓度在0.4质量％以上。
应该理解到，这里披露的实施例和实例是说明性的，在任何方面都不是限制性的。本发明的范围是由权利要求书中的权项来限定的，而不是以上的描述，本发明意图包括在权利要求书范围和等同于权利要求的含义之内的任何修改。
工业适用性
根据本发明的轴承部件和滚动轴承可特别有利地适用于在其表面内形成有碳氮共渗层的轴承部件，以及包括该轴承部件的滚动轴承。
附图标记列表
1 深沟球轴承
2 圆锥滚子轴承
3 圆柱滚子轴承
4 滚针轴承
10、20、30、40 外圈
10A、20A、30A、40A 外圈滚道表面
11、21、31、41 内圈
11A、21A、31A、41A 内圈滚道表面
12 球
12A 球滚动表面
13、23、33、43 保持器
14 试件
14A 外周表面
14B 内周表面
22、32 滚珠
22A、32A、42A 滚珠滚动表面
40、41 轴承环
40A、41A 轴承环滚道表面
42 滚针

Claims (10)

1.一种轴承部件，其是根据JIS标准SUJ2制造的并且具有形成在其表面内的碳氮共渗层，
其中，在500℃的加热温度下持续一小时时间进行热处理之后，在距所述表面深度为0.02×T+0.175的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，所述芯部是在所述轴承部件的厚度方向上不形成所述碳氮共渗层的区域，
其中，深度的单位是mm；T代表形成所述碳氮共渗层的碳氮共渗处理的时间，T的单位是小时。
2.如权利要求1所述的轴承部件，其特征在于，所述碳氮共渗处理的时间是4小时以上且10小时以下。
3.如权利要求1所述的轴承部件，其特征在于，所述碳氮共渗处理的时间是6小时以上且8小时以下。
4.一种轴承部件，其是根据JIS标准SUJ2制造的并且具有形成在其表面内的碳氮共渗层，
其中，在用来形成所述碳氮共渗层的碳氮共渗处理之后以及在所述表面研磨处理之前，在500℃的加热温度下持续一小时时间进行热处理之后，在距所述表面深度为0.02×T+0.175+t的位置处的维氏硬度比在芯部处的维氏硬度高80HV以上，所述芯部是在所述轴承部件的厚度方向上不形成所述碳氮共渗层的区域，
其中，深度的单位是mm；T代表所述碳氮共渗处理的时间，T的单位是小时；而t代表所述轴承部件的由所述研磨处理除去的厚度，t的单位是mm。
5.如权利要求4所述的轴承部件，其特征在于，
所述碳氮共渗处理的时间是4小时以上且10小时以下，以及
所述厚度是0.125mm以下。
6.如权利要求4所述的轴承部件，其特征在于，
所述碳氮共渗处理的时间是6小时以上且8小时以下，以及
所述厚度是0.15mm以下。
7.如权利要求1至6中任一项所述的轴承部件，其特征在于，所述碳氮共渗处理在840℃以上且860℃以下的温度范围内进行。
8.如权利要求1至6中任一项所述的轴承部件，其特征在于，
原始奥氏体晶粒的尺寸在JIS标准9号至11号的范围之内。
9.一种滚动轴承，包括如权利要求1至6中任一项所述的轴承部件。
10.如权利要求9所述的滚动轴承，其特征在于，
所述滚动轴承是深沟球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承以及滚针轴承中的任何一种。
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