CN105264245A - 轴承部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承部件(1)以及形成轴承部件的方法。轴承部件包括第一金属材料(2)和第二金属材料(3)，其中第一材料(2)具有第一碳含量(4)，并且第二材料(3)具有第二碳含量(5)，其中第一材料(2)和第二材料(3)已经通过扩散焊接工艺接合。扩散焊接工艺导致在第一材料(2)和第二材料(3)之间具有变化的碳含量的过渡区域(6)。过渡区域(6)中的变化的碳含量基本上在区间(7)内，其中区间端点由第一材料(2)和第二材料(3)的碳含量限定。

Description

轴承部件及其制造方法
技术领域
根据第一方面，本发明涉及轴承部件，例如滚子轴承的外环、内环或滚子。
根据第二方面，本发明涉及形成根据本发明第一方面的轴承部件的方法。
背景技术
通过扩散焊接和高温等静压接合两个材料形成轴承部件是已知的。
发明内容
本发明的目标是提供改进的轴承部件及其形成方法。
根据本发明的第一方面，该目标通过提供一种轴承部件来实现，该轴承部件具有第一金属材料和第二金属材料，其中第一材料具有第一碳含量，并且第二材料具有第二碳含量。第一材料和第二材料通过扩散焊接工艺接合，其中扩散焊接工艺导致在第一材料和第二材料之间具有变化的碳含量的过渡区域。过渡区域中的变化的碳含量基本上在一个区间内，其端点由第一材料和第二材料的碳含量限定。在过渡区域的边缘可能容易产生碳含量的小量增加/减小，但是不应从区间端点延伸超过总区间的5％。当碳含量实质上不在第一材料和第二材料的含量之上或之下时，表明碳不再起作用来形成硬且脆的渗碳体或其它复合金属碳化物或碳化铁。因此保证了过渡区域的强度。
本发明人认识到，通过扩散焊接或高温等静压接合两个材料以形成轴承部件的已知方法，容易在材料彼此接合的过渡区域中产生弱区，尤其是在接合不同质量的材料时，例如便宜的铸钢与高质量的工具钢。两个接合材料之一可在接合工艺中获得碳，而另一个材料可能损失碳。两个材料中的碳梯度可能导致在随后热处理期间的弱脆状态。具有大片弱脆微结构状态的过渡区域，例如渗碳体网络或其它复合金属碳化物，可能显著降低两个接合材料任何一个或二者的强度。通过选择两个接合材料的合金成分和/或选择工艺温度，可减小材料之间的碳扩散率。两个合金的硬化特性于是达到所需的很大限度，并且围绕过渡区域的体积没有很大体积的弱或脆状态。两个材料总是保持对其过渡区域的能力和微型结构。过渡区域的尺寸得到减小，并且材料脆性等潜在的问题得到减少。实际的界面的强度可能仍小于两个接合材料。原始表面氧化物和表面污染物可能仍作用于接合焊接的强度降低。这给工艺开始前的工艺技术和表面准备造成附加的要求在。表面污染物的问题例如可通过对表面在接合之前对其进行小心的表面清洗和表面活化而得到减轻，例如通过蚀刻或诸如机械加工、研磨或喷砂的其它方法。
碳活性是用于描述本发明的中心术语。碳势解释为在给定的条件下包含活性碳的环境更改或保持钢的碳水平的能力。在任何特定的环境下，所获得的碳水平取决于诸如温度、时间和钢成分的因素。因此，碳势是例如两个材料之间碳活性差。因此，如果存在碳活性差，即当碳势不为零时，碳将从一个材料扩散到另一个材料。
要接合的两个材料具有不同的碳含量。这些碳含量限定了其之间的碳区间的端点。碳含量是指材料中的中间值。碳含量可自然变化，并且在材料中都具有局部变化，例如特别是在轴承部件的圆周表面周围，但这是指材料的总平均值。作为示例，当接合3重量百分比(wt％)碳的材料与1wt％碳的材料时，区间为2wt％碳，并且区间端点为3wt％碳和1wt％碳，因此与第一材料和第二材料的碳中间值相同。过渡区域是碳含量变化的区域，这是由于接合工艺可在材料中观察到。
现在描述根据本发明第一方面的轴承部件的示范性和有利的实施例。
根据轴承部件的一个实施例，第一材料和第二材料之间的过渡区域中的变化的碳含量基本上是线性的。碳含量的线性变化是指过渡区域中测得的碳含量因具有很小的碳含量而不变化，然后突然增加碳含量，即绘制的碳含量图在正负导数之间不应变化到很大程度。因此，线性也是指碳含量从一个材料到另一个材料的突然变化，这是优选的图形，只要它沿途变化不大。碳含量应沿着轴承部件的横截面测量，横截面垂直于两个材料接合的面。这样，要接合的表面不需要是平面，因为圆形表面也具有垂直方向。变化的碳含量的线性过渡更加清楚地表明，碳对形成硬且脆的渗碳体或其它复合金属碳化物或碳化铁已经不起作用。可以有很小的变化，但是过渡区域中碳含量的任何非线性变化，即在其中所绘制的碳含量曲线从正到负到再一次正或者相反，应小于碳含量区间的50％，优选小于两个材料的碳含量限定的总区间的25％。这产生势能很强的过渡区域。
在轴承部件的一个实施例中，第一材料和第二材料之间碳含量变化的至少80％发生在垂直于接合表面测量小于200μm的距离上。在轴承部件的另一个实施例中，碳含量上总变化的至少80％发生在垂直于接合表面测量为100μm的距离上。这描绘了碳含量从一个材料到另一个材料的突然变化，是优选的图形，因为接合工艺尚未影响材料的特性到很大程度，而是在全部部件上限制到很小的部分。这进一步加强了过渡区域和轴承部件的总质量。
在轴承部件的一个实施例中，材料之一是轴承钢。特别是耐腐蚀和/或耐磨损钢。在一个实施例中，材料之一是M50钢。在进一步的实施例中，材料之一是M50NIL钢。在再一个实施例中，材料之一是如ISO683-17:1999(E)9-10页所示的传统轴承钢的任何一个。可采用满足轴承部件的钢清洁度和硬度要求的任何其它钢，例如不锈钢工具钢。在进一步的实施例中，所用的材料是马氏体硬化不锈钢N合金钢，例如XD15NW或适合于表面富集且具有良好钢清洁度的马氏体硬化的不锈钢。然而，本发明不限于这些材料。采用这些类型钢的益处例如是由这些材料组成的部分非常耐磨和耐腐。因此高质量轴承钢优选设置在轴承部件的高应力区域周围，例如在轴承环的滚道或滚子的滚动表面周围，例如，也可以设置在轴承部件的凸缘或任何其它部分或区域，或者凸缘、滚道和滚动表面的组合。
在一个实施例中，轴承部件是滚子轴承的内环、外环或滚子。部件可属于任何轴承类型，例如球形滚子轴承、圆柱滚子轴承或圆锥滚子轴承或深槽球形轴承。它可为径向轴承和轴向推力型轴承，并且轴承具有单排或几排滚动元件。它可为具有单排或几排球的轴向和径向球轴承。
根据本发明的第二方面，该目标通过提供形成根据本发明第一方面的轴承部件的方法实现。形成轴承部件的方法包括如下步骤：加热第一材料和第二材料，在特定的压力、时间周期和温度下将它们彼此抵靠压紧，因此允许材料彼此扩散。此外，在接合温度下第一材料的碳活性是第二材料的碳活性的80-120％。在轴承部件形成方法的另一个实施例中，要接合材料之一的碳活性是另一个材料的90-110％。在轴承部件形成方法的进一步实施例中，要接合材料之一的碳活性是另一个材料的95-105％。在再一个实施例中，碳活性在接合温度下与另一个材料基本上相同，但是也可为另一个材料的99-101％、98-102％、97-103％。碳活性可能受到如下二者的影响：在其它合金元素保持不变的情况下改变材料中的碳含量，和/或改变材料的温度。这两个尺度可以被改变以调整碳活性来优化轴承部件的形成方法。
使材料具有相同或类似碳活性的益处是避免了两个接合材料之一在接合工艺中获得碳，而另一个材料可能损失碳。因此，在随后的热处理期间，在来自可能导致弱脆状态的工艺的两个材料中不存在碳梯度。因为具有诸如渗碳体网或其它复合金属碳化物的弱脆微型结构状态的较大片段的过渡区域会显著地降低两个接合材料的任何一个或二者的强度，这保证了轴承部件坚固耐用。
本发明第一方面的所有方面可应用于本发明第二方面的所有方面，反之亦然。现在描述根据本发明第二方面的轴承部件的示范性和有利的实施例。
在形成轴承部件的方法的实施例中，该形成方法通过高温等静压进行。材料设置在一起且在如本发明其它实施例中更多描述的温度、时间和压力下。
在形成轴承部件的方法的实施例中，接合的温度为1000-1300摄氏度。在形成轴承部件方法的另一个实施例中，接合的温度是1100-1200摄氏度。在形成轴承部件的方法的进一步实施例中，接合的温度是1140-1160摄氏度，优选1150摄氏度。但是，例如也可为1145-1155摄氏度。在该方法的一个实施例中，高温等静压实施1-6小时，优选2-4小时。
在形成轴承部件的方法的实施例中，压力为80-310MPa。
在形成轴承部件的方法的实施例中，第一材料和第二材料的至少一个在加热前是粉末形式。在另一个实施例中，其为在加热前为粉末形式的轴承钢。在形成轴承部件的方法的进一步实施例中，金属板用于在接合工艺期间包封粉末。金属板然后被去除。该实施例中作为示例所用的金属板可改变为本领域技术人员已知的任何其它适当的材料。
在轴承部件形成方法的一个实施例中，轴承部件是滚子轴承的内环、外环或滚子。该部件可属于任何轴承类型，例如球形滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承或深槽球形轴承。它可以是径向轴承以及轴向推力型轴承，并且轴承具有单排或几排滚动元件。它可为具有单排或几排球的轴向和径向球轴承。
在轴承部件形成方法的一个实施例中，轴承部件通过接合大工件而制作，该大工件随后切割成较小的部件。为了形成环，材料之一的圆柱形状元件可切割成环元件。为了形成滚子，材料之一的杆状元件可与第二材料接合，然后切割成滚子元件。
附图说明
现在将参考附图以及本发明帮助防止的不希望特征的示例更加详细地描述示范性实施例，其中：
图1a示出了根据本发明由两个材料制作的轴承环的截面图。
图1b示出了根据本发明由两个材料制造的轴承的滚子的截面图。
图2示出了图线，图示了在特定的温度下具有相同碳活性的两个材料。绘制了第一材料2的碳活性，根据本发明增加了其碳含量。
图3示出了根据本发明所希望的突变碳含量变化的图线。
图4示出了根据本发明的图3的微米级过渡区域6的图线。
图5是示出不希望的碳含量变化的图线。
图6是示出在图5的不希望的碳含量变化期间状态片段的图线。
附图涉及示意图和图线中的本发明的示例和本发明帮助防止的不希望特征。这些是示范性实施例，因此它们没有按比例绘制。为了更好地说明本发明，某些细节和特征甚至可能被夸大。本发明不限于这里描述的实施例和附图。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的轴承部件1的截面图，轴承部件1是轴承环。轴承环包括第一材料2和第二材料3，其中扩散焊接工艺导致在第一材料2和第二材料3之间的过渡区域6。该图示出了轴承环，其中材料沿着部件的全部宽度排列，但是也可为一个材料仅施加在部件的选择部分，例如滚道或凸缘(图中未示出)。
图1b示出了根据本发明的轴承部件1的截面图，轴承部件1是滚子。滚子包括第一材料2和第二材料3，其中扩散焊接工艺导致在第一材料2和第二材料3之间的过渡区域6。该图示出了滚子，其中材料沿着部件的全部宽度排列，但是也可为一个材料仅施加在部件的选择部分，例如滚子的主要滚动表面或在其边缘等。
图2是示出两个材料2、3的图表，其在1150摄氏度的温度下具有相同碳活性。第一材料2的碳活性绘制为增加碳含量直至与第二材料3获得的碳活性相同。在此情况下，第一材料2需要具有0.30-0,.35wt％的碳含量，以与第二材料3具有相同的碳活性，在1150摄氏度的温度下约为0.09。碳活性可能受到两个因素的影响，即改变材料中的合金含量以及改变材料的温度。这两个因素可改变以调整碳活性来优化轴承部件1的形成方法。因此，如果要接合材料的碳含量是固定的，例如，如果两个材料都是固态形式而不是其中之一为粉末形式，或者如果需要特定的合金，则优化两个材料的碳活性的选择性方法可取代为改变温度。该示例中给出的温度、碳含量和碳活性值当然可以根据温度和接合的材料等给定的情形而不同。
图3示出了根据本发明的所希望的突然的碳含量变化的图线。这里可清楚地看到，碳含量在距轴承部件的表面20mm深度上突然变化，并且清楚可见在区间7内，端点40、50由第一材料2和第二材料3的碳含量4、5限定，在此情况下，大致为0.3wt％和0.8wt％。碳含量在任何点上尚未增加，这表明与周围结构相比,碳没有大量形成渗碳体或复合金属碳化物或碳化铁的其它形式，例如马氏体结构，因此通常弱于周围材料。这在高性能机械部件中是不可接受的，例如高质量的轴承部件1。
图4示出了根据本发明所希望的突然的碳含量变化在m*10-5级的图线。这表明即使过渡区域6中的碳含量变化基本上为线性的，也意味着当垂直于要接合的两个材料的表面测量时，在过渡区域6中观看碳含量的曲线时，所测量的碳含量图形不应在正负导数之间变化，这里可测量其变化。很小的变化自然的发生在材料中，但是当然也可能是由于测量时所用的设备及其精度状况。关于对此的保留，过渡区域6中碳含量的任何非线性变化应小于由两个材料的碳含量4、5限定的碳含量区间(图3中的7)的50％，在此情况下大致为0.3wt％和0.8wt％。优选地，碳含量的任何非线性变化小于碳含量区间(图3中的7)的25％。从图线还清楚可见，过渡区域6中碳含量区间(图3中的7)的总变化的80％以上发生在轴承部件1横截面的径向距离中50μm的测量距离内，甚至在40μm的距离内。
图5是示出碳含量中不希望的峰值8的图线。碳清楚地从一个材料移动到另一个材料。曲线是非线性的，并且碳含量清楚地超越由材料的碳含量4、5限定的区间7端点40、50，在此情况下，大致为1wt％和3.5wt％。这发生在距轴承部件表面20mm的深度上。
图6是示出在来自图5的不希望的碳含量变化期间状态片段的图线。清楚可见的是，碳含量增加超过非线性方式的区间(图5中的7)，导致奥氏体(fcc)微型结构剧增的区域，同时形成大段弱脆微型结构状态，例如渗碳体(cem)网络或更加复杂的金属碳化物。两种微型结构从总微型结构的约10％变化到距轴承部件的表面20mm深度上的约90％。这可能显著地降低两个接合材料的任何一个或二者的强度。渗碳体结构在接合期间不是必然如此发生，但是高级别的碳含量可能在随后的热处理期间反应并形成弱脆渗碳体状态。在距轴承部件的表面21mm的深度上，我们可见材料的常规面片段，仍在很大程度上由渗碳体和奥氏体铸铁组成。

Claims (19)

1.一种轴承部件(1)，包括：
-第一金属材料(2)和第二金属材料(3)，其中该第一材料(2)具有第一碳含量(4)，并且该第二材料(3)具有第二碳含量(5)，
-其中该第一材料(2)和该第二材料(3)已经通过扩散焊接工艺接合，其中该扩散焊接工艺导致在该第一材料(2)和该第二材料(3)之间具有变化碳含量的过渡区域(6)，并且
-其中该过渡区域(6)中的变化的碳含量基本上在区间(7)内，并且
-其中区间端点(40,50)由该第一材料(2)和该第二材料(3)的碳含量(4,5)限定。
2.根据权利要求1所述的轴承部件(1)，其中该第一材料(2)和该第二材料(3)之间的该过渡区域(6)中的该变化的碳含量基本上是线性的。
3.根据前述权利要求任何一项所述的轴承部件(1)，其中该第一材料(2)和该第二材料(3)之间的碳含量变化总量的至少80％发生在垂直于接合表面测量小于200μm的距离。
4.根据前述权利要求任何一项所述的轴承部件(1)，其中该第一材料(2)和该第二材料(3)之间的碳含量变化总量的至少80％发生在垂直于接合表面测量小于100μm的距离。
5.根据前述权利要求任何一项所述的轴承部件(1)，其中该第一材料(2)和该第二材料(3)之一是轴承钢。
6.根据权利要求5所述的轴承部件(1)，其中该轴承钢是下面的任何一个：
-M50，
-M50NIL，
-XD15NW，
-如ISO683-17:1999(E)9-10页所示的轴承钢，
-不锈钢工具钢，
-适合于马氏体硬化的不锈钢，
-适合于马氏体硬化的N合金不锈钢，或
-适合于表面富集和马氏体硬化的不锈钢。
7.根据前述权利要求任何一项所述的轴承部件(1)，其中该轴承部件(1)是如下的任何一个：
-轴承的内环，或
-轴承的外环，或
-滚子轴承的滚子。
8.一种形成根据前述权利要求任何一项的轴承部件(1)的方法，该形成方法包括如下步骤：
-加热第一材料(2)和第二材料(3)，并且在特定的压力、时间周期和温度下将它们相对于彼此施压，因此允许该材料彼此扩散，
-其中在接合温度下该第一材料(2)的碳活性是该第二材料(3)的碳活性的80-120％。
9.根据权利要求8所述的形成轴承部件(1)的方法，其中在接合温度下该第一材料(2)的碳活性是该第二材料(3)的碳活性的90-110％。
10.根据权利要求8-9任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中在接合温度下该第一材料(2)的碳活性是该第二材料(3)的碳活性的95-105％。
11.根据权利要求8-11任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中在接合温度下该第一材料(2)的碳活性基本上类似于该第二材料(3)的碳活性。
12.根据权利要求8-11任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该形成方法通过高温等静压进行。
13.根据权利要求8-12任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该温度为1000-1300摄氏度。
14.根据权利要求8-13任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该温度为1100-1200摄氏度。
15.根据权利要求8-14任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该温度为1140-1160摄氏度，优选为1150摄氏度。
16.根据权利要求8-15任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该压力为80-310Mpa。
17.根据权利要求8-16任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该第一材料(2)和该第二材料(3)中的至少一个在加热前为粉末形式。
18.根据权利要求8-17任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该轴承部件(1)随后切割成至少两件以产生至少两个轴承部件(1)。
19.根据权利要求8-18任何一项所述的形成轴承部件(1)的方法，其中该轴承部件(1)是如下的任何一个：
-轴承的内环，或
-轴承的外环，或
-滚子轴承的滚子。
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