CN105308340A - 轴承零件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在扩散焊接工艺中所用的轴承零件(1)，包括具有第一圆周表面(3)的核心部分(2)、具有第二圆周表面(11)的至少一个环形部分(4)，其中核心部分(2)和环形部分(4)通过它们的第一圆周表面和第二圆周表面(3,11)以圆周的方式彼此连接且沿着彼此，其中至少一个环形部分(4)在横截面图上基本上为U状，其包括两个相对侧(7)，该两个相对侧(7)由底侧(8)连接在一起以形成空间(6)，其中至少一个环形部分(4)设置为在由U状形成的空间(6)中容纳第一材料(5)。

Description

轴承零件及其形成方法
技术领域
根据第一方面，本发明涉及轴承零件，例如外环、内环或滚子轴承的滚子的一部分。
根据第二方面，本发明涉及采用根据本发明第一方面的零件形成轴承部件的方法。
根据第三方面，本发明涉及采用根据本发明第一方面的轴承零件形成的轴承部件。
背景技术
滚动轴承是已知的，并且包括滚子轴承、球轴承及其组合。近年来，可以看到客户需要和要求差别化的增加。这导致滚动轴承客户化的增加，这进而导致制造更多的变形体和每个变形体的更小批次。这样的发展尤其对于大型滚动轴承多见，例如大型球形滚子轴承、锥形滚子轴承、圆柱滚子轴承等。再者，大型滚子轴承通常制作成小系列，因为这些轴承通常根据客户的订单制造，而不是制造和库存。不同的客户要求涉及例如不同的材料要求、不同的材料硬度、磨损性能、延展性、耐热性等要求。另外，较高的客户要求通常涉及客户化的需求，以及涉及优化轴承部件之间的滚动接触表面。因此，要求发现成本有效的解决方案，以对客户不同的要求提供不同的客户化解决方案的能力，并且能满足改进滚动接触表面的日益增加的要求。
发明内容
本发明的目标是对上面不同需要提供解决方案。
根据本发明的第一方面，该目标通过提供轴承零件来实现，该轴承零件用在扩散焊接工艺中。扩散焊接工艺中所用的轴承零件包括具有第一圆周表面的核心部分和具有第二圆周表面的至少一个环形部分。核心部分和环形部分通过它们的第一圆周表面和第二圆周表面以圆周的方式彼此连接且沿着彼此。至少一个环形部分在横截面上基本上为U状，其包括两个相对侧，该两个相对侧由底侧连接在一起以形成一个空间，其中该至少一个环形部分设置为在由U状形成的空间中容纳第一材料。通过提供具有基本上U状环形部分的轴承零件，形成方法变得更加容易，这是由于要接合到核心部分的第一材料便于收集和设置为抵靠要接合的表面。当不希望将第一材料接合到全部圆周表面，而仅到其部分时，例如当接合几个装饰物，例如凸缘等时，可能存在几个U状环形部分连接到圆周表面。通过提供该轴承零件，形成轴承部件的全部工艺被简化，这是因为U状环形部分已经连接到核心部分准备填充第一材料，并且容易处理。在该工艺中容易保证有关公差的质量。轴承零件，在它表现为最终轴承时通常不是关键部件，可能外包给供应者。随后，轴承零件可由制作最终轴承部件的公司根据来自客户的具体产品规范来使用，例如通过在U状的空间中附加所需的第一材料且执行端点形状的最终加工/形成。此外，通过将U状环形部分连接到要提供第一材料的一侧，与例如降低轴承部件在一个囊中以聚集第一材料在要接合的部件周围相比，能使用更少的昂贵高品质的材料。
环形部分在横截面上基本上为U状。基本上U状还意味着为其增加了跟随最终轴承部件的端部形状的附加特征。对于球形表面，例如在球形滚子轴承(SRB)或环形轴承中，例如U状可沿着球形形状弯曲。对于深槽球轴承(DGBB)，U状中的侧面之一可具有凹槽形状特征以形成滚道凹槽。对于锥形滚子轴承，U状可实际上更类似于V状。再者，U状部分可在形状上具有附加特征以对端部部件形成附加部分，例如凸缘等。
轴向方向是指轴承设置为与其连接的假想轴的直线方向。径向方向是指垂直于假想轴中心的方向。因此，环形部分的横截面图是指在轴的轴向方向上形成且进出径向方向的表面，因此该横截面图沿着其轴向长度穿过轴的中心。
在轴承零件的一个实施例中，环形部分连接到核心部分的第二圆周表面是U状的相对侧之一。连接工艺可通过焊接执行，采用热部件、采用几何配合和热差以接合部件，还可通过胶合、机械固定或本技术领域的技术人员已知的任何其它方法。表面可能需要清洗和机械或化学活化以改善材料之间的键合。另外的方法可为通过滚轧工艺使该材料塑性变形。该工艺可与局部表面加热工艺同时进行。U状可解释为具有连接两个相对侧的底侧，两个相对侧与底侧垂直地平行伸展。例如，当接合的第一材料包括最终轴承部件的环的径向滚道时，轴承零件具有U状圆形部分，其连接为使环水平向下设置且U状圆形部分的开口向上定向，从而接合的材料可填充在由U状圆形部分形成的空间中，并且通过重力保持在那里。如果是内环，U状圆形部分将其径向内部相对侧接合到环的径向外部圆周表面。如果是要形成的滚子的外表面，则可应用相同的原理。如果是外环，则U状圆形部分将其径向外部相对侧接合到环的径向内部圆周表面。
在轴承零件的一个实施例中，环形部分连接到核心部分的第二圆周表面是U状的底侧。例如，这在接合轴向推力轴承的表面时是有益的，从而材料可放在该表面上且通过重力保持在那里。
在轴承零件的一个实施例中，环形部分是低碳钢。在进一步实施例中，低碳钢的碳含量小于0.3重量％(wt％)，但是它可能容易低至0.05wt％和高至0.6wt％。在另一个实施例中，低碳钢是铁素体钢。通过使材料具有非常低的碳含量，该材料从第一材料和第二材料吸引碳，慢慢地甚至在第一材料和第二材料之间没有碳含量上的差别，这是因为第一材料和第二材料二者的碳含量高于低的铁素体钢。这样，该工艺控制为不产生脆的渗碳体或其它不希望的复合碳化物，并且过渡区域的强度进一步得到保证。在该方法的另一个实施例中，环形部分是金属板。这样，它可容易地形成为包封且邻接核心部分。在该方法的再一个实施例中，环形部分的厚度为0.5-10mm。该厚度选择为与工艺温度和时间相关，这样，要经受最高应力的材料既不被碳富集也不显著地碳消耗。核心材料允许在碳上的略微消耗，而环形部分材料富集碳，允许它在随后的硬化操作中至少部分地具有马氏体结构。在另一个实施例中，环形部分还包含氮。这是为了防止氮从要填充至U状环形部分的材料扩散，该U状环形部分构成高负荷和耐久部分，这是因为来自该材料的氮扩散可能负面影响其材料特性。在进一步实施例中，几个环形部分设置在核心部分上，以便允许碳以控制和优化的方式扩散。
在轴承零件的一个实施例中，核心部分是铸铁。在进一步实施例中，核心部分是碳含量至少2％的铸铁。铸铁典型地包含2.1–4wt％之间的碳。在该方法的再一个实施例中，核心部分是铸钢。在进一步实施例中，核心部分是碳含量为0.5wt％或更少的铸钢，但是它可能高达2wt％。这些材料通常比高洁净钢便宜，因此优选地部件的主要部分可由铸铁或铸钢制造，其后，更加昂贵的高洁净钢可施加在最需要它的关键区域。在另一个实施例中，该铸铁/钢的核心部分通过铸造形成。这比传统的形成方法便宜，但是，它当然可通过滚轧或锻造或任何其它冷热加工方法制造。该零件可为轴承部件的主要部分，例如在轴承的情况下，它可为滚子的中心部分，或者不构成持久重负荷部分(例如滚道或凸缘)的环部分。
根据本发明的第二方面，该目标通过扩散焊接提供形成轴承部件的方法而实现。该方法包括第一步骤，提供如根据本发明第一方面描述的轴承零件，其中第一材料设置在由U状环形部分形成的空间中。然后，密封由U状环形部分形成的空间以产生密闭空间，其后，执行扩散焊接工艺。通过提供具有该基本上U状环形部分的轴承零件，该形成方法变得更加容易，这是因为接合到核心部分的材料便于收集且设置为抵靠要接合的表面。U状环形部分还用作核心部分和要接合的第一材料之间的中间材料。在形成高质量部件，需要在长时间周期上耐受高负荷时，例如轴承或施压工具等，通过扩散焊接或高温等静压接合两个材料的已知方法在材料彼此接合的过渡区域中容易产生弱区。材料之间可能有碳势，即两个接合材料之一可能在接合工艺中获得碳，而另一个材料可能损失碳。碳势解释为在规定条件下包含活性碳的环境改变或保持钢的碳水平的能力。在任何特定的环境下，所获得的碳水平将取决于诸如温度、时间和钢成分的因素。碳势因此是例如两个材料之间的碳活性之差。因此，如果有碳活性差，即在碳势不为零时，碳将从一个材料扩散到另一个。两个材料中的碳梯度可能在随后的热处理中产生弱脆状态。具有诸如渗碳体网络或复合金属碳化物的大片弱脆微型结构状态的过渡区域可能显著降低两个接合材料的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/或选取工艺温度，可减小材料之间的碳扩散率。两个合金的硬化特性于是很大程度上得到保护，并且围绕过渡区域的体积没有很大量的弱状态或脆状态。两个材料总是对过渡区域保持其能力和微型结构。过渡区域的大小减小了，并且材料脆性等潜在问题减少了。本发明人认识到，便于彼此接合的某些材料可能仍然具有很高的碳势，尽管合金含量和温度选择为减小该差值。例如，这是接合不同质量的材料的问题，例如接合便宜的具有高碳含量的铸铁或铸钢与具有低碳含量的高洁净钢。通过在核心部分和第一材料之间具有一种材料，能使得两个不兼容的材料的扩散焊接进行高质量的接合。
在形成轴承部件的方法的一个实施例中，第一材料和核心部分在接合温度下具有碳势。在通过扩散焊接接合两个材料时，很好的情况是两个材料没有碳势，即材料具有大致相同的碳活性，以防止碳从一个材料扩散到另一个。在某些情况下，通过相对于彼此匹配碳含量和/或匹配接合温度，在两个材料之间可能发现共同的碳活性。在某些情况下，不可能发现共同的碳活性，这可能是因为生产的经济原因不能匹配温度，材料接合的质量是特定的，以至于不能修改它们的碳含量。也可能是因为简单地无物理可能发现共同的碳活性，即使尝试了上面的方法，例如某些铸铁和高清洁度轴承钢。就是因为这些环境，本发明的方法包括另一个材料的环形部分特别可用于产生良好的结果。
在形成轴承部件的方法的一个实施例中，第一材料是高洁净钢，例如轴承或工具钢。特别感兴趣的是耐腐和/或耐磨钢。在一个实施例中，它是M50钢。在进一步实施例中，它是M50NIL钢。在再一个实施例中，它是如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。在进一步实施例中，所用材料是马氏体可硬化不锈钢N合金钢，例如XD15NW或以良好钢清洁度制造的其它不锈钢马氏体可硬化钢。然而，本发明不限于这些钢。采用这些类型钢的益处是例如由该材料组成的部分非常适合于耐磨和腐蚀。因此，高洁净钢优选设置在部件的高应力区域周围，例如在轴承环的滚道周围或轴承滚子的滚动表面周围。例如，也可设置在凸缘处或轴承部件的任何其它部分或区域，或者凸缘、滚道和滚动表面的组合处。
在形成轴承部件的方法的一个实施例中，该方法通过高温等静压进行。这包括这样的步骤，加热材料，将它们在特定的压力、时间周期和温度下彼此压靠，因此允许材料彼此扩散。在该方法的一个实施例中，接合温度为1000-1300摄氏度。在该方法的另一个实施例中，接合温度为1100-1200摄氏度。在该方法的进一步实施例中，接合温度为1140-1160摄氏度，优选为1150摄氏度。但是，也可为例如1145-1155摄氏度。在该方法的一个实施例中，压力为80-310MPa。在该方法的一个实施例中，接合时间为2-4小时。这是典型的时间。可能要求更长或更短的时间，例如1-6小时，取决于部件厚度。
在该方法的一个实施例中，第一材料在加热前为粉末形式。
在形成轴承部件的方法的一个实施例中，轴承部件是轴承的内环、外环或滚子的任何一个。它也可是轴向推力型轴承的环或滚子。
在形成轴承部件的方法的一个实施例中，U状环形部分的相对侧和底侧的至少一个随后从轴承部件去除。在该方法的进一步实施例中，U状环形部分的相对侧和底侧的至少一个的去除通过随后的研磨步骤或随后的切割步骤的任何一个进行。这样，高洁净钢显示为形成高强度的表面。
根据第三方面，本发明涉及通过采用根据本发明第一方面的轴承零件形成的轴承部件。这样，轴承部件以成本有效方式制造，无论是自身的生产方式还是所用的材料。
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示出了由涉及根据本发明的轴承零件的方法制造的轴承环的截面图。
图1b示出了由涉及根据本发明的轴承零件的方法制造的轴承滚子的截面图。
图2是示出根据本发明两个材料的碳含量扩散在中间材料中的图线。
图3示出了根据本发明的轴承零件。
图4示出了根据本发明的轴承零件。
图5示出了根据本发明具有几个环形部分的轴承零件。
图6示出了根据本发明具有几个环形部分的轴承零件。
图7示出了根据本发明具有几个环形部分形成滚道和凸缘二者的轴承零件。
图8是示出不希望碳含量变化的图线。
图9是示出在来自图8的不希望碳含量变化期间状态片段的图线。
具体实施方式
图1a示出了通过根据本发明的方法接合的轴承部件9的截面图，轴承部件9是环。轴承环包括核心部分2和第一材料5，其中扩散焊接工艺已经发生在核心部分2和第一材料5之间，在此处设置U状环形部分4的一侧。U状环形部分4的径向和/或轴向外侧已经从轴承部件9去除。该图示出了轴承环，其中材料沿着部件的全部宽度排列，但是也可为第一材料5仅施加在轴承部件9的一个或几个选择部分上，例如滚道或凸缘(图中没有示出)。在接合由第一材料5制作的几个凸缘等时，几个U状环形部分可同时使用。
图1b示出了通过根据本发明的方法接合的轴承部件9的截面图，轴承部件9是滚子。轴承滚子包括核心部分2和第一材料5，其中扩散焊接工艺已经发生在核心部分2和第一材料5之间，在此处设置U状环形部分4的一侧。U状环形部分4的径向和/或轴向外侧已经从轴承部件9去除。该图示出了滚子，其中材料沿着滚子的全部宽度排列，但是它也可为第一材料5仅施加在滚子的选择部分上，例如主要滚动表面或在滚子的边缘处等。
图2示出了根据本发明的所希望碳含量变化的图线。在该图线中可观察到由于接合工艺的碳含量的变化，因为随着接合工艺的进行1t、2t和3t，越来越多的碳从第一材料5和核心部分2扩散进入U状环形部分4的材料中。大部分扩散从碳富集的环形部分4发生。第一材料5和环形部分4在该示例中的碳含量分别为近似1和3wt％。这里清楚可见，碳含量在任何点上尚未明显增加，这表明碳尚未形成渗碳体也没有太多的复合碳化物，与例如马氏体结构的周围结构相比可能较大，因此总体上比周围结构更弱。这在高性能机械部件中是不可接受的，例如高质量轴承部件。在该图中，仅示出了U状环形部分4中的材料，其在要接合的第一材料5和核心部分2之间。U状环形部分4中也可以具有层，该层由本领域技术人员所知的适当材料构成，来实现根据这里所述本发明方法的原理的结果。X轴的距离单位在该图线中没有规定，这是因为它更多的用作描述原理具有夸大特性的示例，但是可能发生的典型距离可为距要接合部件表面5-20mm，例如距轴承滚道的距离，并且第三材料的典型厚度典型地在0.5至5mm的毫米级上。也可采用其它厚度，例如至10mm的厚度。
图3示出了轴承零件1，其旨在用于根据本发明形成径向轴承环的方法中。核心部分2可见具有U状环形部分4，其连接到且沿着核心部分2的圆周表面3。U状部分将两个相对侧7连接成一体，在此情况下的径向内侧，表明它是要形成的内环，这是因为它连接在环的径向外圆周表面上。第一材料(图4中的5)将填充在由U状形成的空间6中，U状表示环形部分4在环形部分4的轴向方向上在径向截面图上可见。如果是要形成的滚子也可应用相同的原理，仅核心部分2的轴承零件1是实心体而不是中空体，除非它是要形成的中空滚子。如果自身中为不同的材料，U状环形部分4也可组成为使相对侧7的一个满足碳活性大于第一材料5的碳活性的关系式，意味着碳从环形部分4的相对侧7扩散，第一材料导致第一材料5的碳表面富集，以使该表面更好。也就是，U状环形部分的一个部分在扩散焊接期间具有便于材料接合的材料，然而环形部分4的另一部分包括用作碳表面富集的材料。
图4示出了轴承零件1，其旨在用于根据本发明形成轴向推力轴承环的方法中。核心部分2可见U状环形部分4连接且沿着核心部分2的圆周表面3。U状部分连接在其底侧8。第一材料5已经填充在由U状形成的空间(图3中的6)中，表示为环形部分4的U状在环形部分4的轴向方向上在径向截面图中可见。
图5示出了轴承零件1，其旨在用于根据本发明如图3所示形成轴承部件(图1a和1b中的9)的方法中，仅几个U状环形部分4连接到核心部分2。在此情况下，几个U状环形部分4用于形成凸缘。
图6示出了轴承零件1，旨在用于根据本发明如图4所示形成轴承部件(图1a和1b中的9)的方法中，仅几个U状环形部分4连接到核心部分2。在此情况下，几个U状环形部分4用于形成凸缘。
图7示出了轴承零件1，旨在用于根据本发明如图3所示形成轴承部件(图1a和1b中的9)的方法中，仅采用几个U状环形部分4。在此情况下，几个U状环形部分4用于形成凸缘。形成凸缘的U状环形部分4固定到另一个U状环形部分4，其连接到核心部分2以形成轴承滚道。当采用不同质量的滚道材料和凸缘材料有益时这是有用的。
图8是示出碳含量中不希望的峰值10的图线。碳明显地从一个材料移动到另一个。在轴承滚道的情况下，该碳含量明显地超过材料之一的碳含量，在距要接合的表面一点为3.5wt％，在20mm深度上达到几乎5wt％的碳。该曲线是非线性的。碳含量沿着接合材料的横截面测量，该横截面垂直于两个材料接合的表面。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。
图9是示出在来自图8的碳含量变化中在不希望的峰值(图7中的5)期间状态片段的图线。通过工艺温度上的模拟，明显可见碳含量以非线性方式增加超过材料之一的碳含量，导致奥氏体(fcc)微型结构显著增加的区域，同时发现大片的弱脆微型结构状态例如渗碳体(cem)网络或其它复合金属碳化物。两个微型结构在距轴承部件的表面20mm深度上约占总微型结构的10％至约90％。这可能显著地降低两个接合材料任何一个或二者的强度。渗碳体结构例如在接合期间不是必须发生，但是更高水平的碳含量可能起作用且在随后的热处理期间形成弱和脆的渗碳体状态。在距轴承部件表面21mm深度上，我们可以看到在工艺温度上，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 (22)

1.一种在扩散焊接工艺中所用的轴承零件(1)，包括：
-核心部分(2)，具有第一圆周表面(3)，
-至少一个环形部分(4)，具有第二圆周表面(11)，
-其中该核心部分(2)和该环形部分(4)通过它们的第一圆周表面和第二圆周表面(3,11)以圆周的方式彼此连接且沿着彼此，
-其中该至少一个环形部分(4)在横截面图上基本上为U状，包括两个相对侧(7)，该两个相对侧(7)由底侧(8)连接在一起而形成空间(6)，
-其中该至少一个环形部分(4)设置为在由该U状形成的该空间(6)中容纳第一材料(5)。
2.根据权利要求1所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)连接到该核心部分(2)的该第二圆周表面(11)是该U状的该相对侧(7)的一个。
3.根据权利要求1所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)连接到该核心部分(2)的该第二圆周表面(11)是该U状的该底侧(8)。
4.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)是低碳钢。
5.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)是碳含量低于0.3％的低碳钢。
6.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)是铁素体钢。
7.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)是金属板。
8.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该环形部分(4)的厚度为0.5-10mm。
9.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该核心部分(2)包括铸铁。
10.根据权利要求9所述的轴承零件(1)，其中该核心部分(2)包括碳含量至少2wt％的铸铁。
11.根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，其中该核心部分(2)是铸钢。
12.根据权利要求11所述的轴承零件(1)，其中该核心部分(2)是碳含量0.5wt％或更低的铸钢。
13.通过扩散焊接形成轴承部件(9)的方法，该方法包括如下步骤：
-提供根据前述权利要求任何一项所述的轴承零件(1)，
-将第一材料(5)放入由U状环形部分(4)形成的空间(6)中，
-密封由该U状环形部分(4)形成的该空间(6)，产生密闭空间，
-执行扩散焊接工艺。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该第一材料(5)和该核心部分(2)的材料在接合温度下具有碳势。
15.根据权利要求13-14所述的方法，其中该第一材料(5)是高洁净钢。
16.根据权利要求13-15所述的方法，其中该第一材料(5)如下的任何一个：
-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，
适合于表面富集和马氏体硬化的不锈钢。
17.根据权利要求13-16所述的方法，其中该方法通过高温等静压进行。
18.根据权利要求13-17所述的方法，其中该第一材料(5)在加热前是粉末形式。
19.根据权利要求13-18所述的方法，其中该轴承部件(9)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。
20.根据权利要求13-19所述的方法，其中该U状环形部分(4)的该相对侧7和该底侧8的至少一个随后从该轴承部件(9)去除。
21.根据权利要求20所述的方法，其中该U状环形部分(4)的该相对侧7和该底侧8的至少一个的去除通过如下任何一个进行：
-随后的研磨步骤，或
-随后的切割步骤。
22.一种轴承部件，通过采用根据权利要求1-12的轴承零件而形成。
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