CN107110208A - 轴承构件及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包含未受影响材料(14)的轴承构件(16、18、20、22)，具有受到硬加工处理的表面，在所述硬加工处理期间，所述表面的温度不超过所述未受影响材料(14)的奥氏体化温度(24)，由此所述轴承构件(16、18、20、22)的所述表面包含形成在所述硬加工处理期间的白层(15)，其特征在于，所述白层(15)包含的纳米晶体微观结构含有最大晶粒尺寸达到500nm的晶粒，并且所述白层(15)紧邻所述轴承构件(16、18、20、22)的未受影响材料(14)，由此在所述硬加工处理期间并无黑层(12)形成。

Description

轴承构件及制造方法
技术领域
本发明涉及一种轴承构件，所述轴承构件包含，比方说，硬度至少为45HRC的诸如钢、铁或铁基金属(iron-based metal)之类的未受影响材料(unaffected material)，所述未受影响材料受到硬机械加工(hard machining，以下简称“硬加工”)之类的机械加工处理(machining process，以下简称“机加工”)，例如，车削(turning)或硬车削(hardturning)。本发明还涉及这样轴承构件的制造方法。
背景技术
硬车削是应用于硬度大于45HRC(相当于约450HV1)的金属材料的机械加工工艺，通常在工件热处理后进行。在硬车削中，切削工具(cutting tool，以下简称“刀具”)在工件旋动时“描绘”(行走)出刀具轨迹(toolpath)。刀具运动轴线(axes of movement)可以是一条直线，也可以是沿着某组曲线或角度。通常，术语“车削”专指通过切削动作生成外表面，而同样本质的切削动作当被施加于内表面(比如孔)时则被称为“镗(孔)”。因此，所述“车削和镗孔”是对本质上属于类似工艺的更大类别进行分类。在车削时，一件相对坚硬的材料(如金属)被旋转，刀具沿着1、2或3个运动轴线往复移动，从而生成，例如，精确的直径和公差。
对金属材料硬加工的广泛使用构成严重限制的是所谓的“白(化)层”效应，即工件的硬加工表面在光学显微镜(Light Optical Microscope)下呈现出白色的一种显微变化(microscopic alteration)，该效应是刀具在工件的硬加工表面施加极高的热机械载荷(athermo-mechanical load)所产生的。这种白层与工件的基体材料(bulk material)相比，硬度高，而且脆。作用在工件上的热机械负荷还在脆硬的白层下面形成一个较暗区域，亦称“黑层”。所述黑层比白层和未受影响材料都软。当强外部负荷作用在这样的三层结构(即：一层坚硬或非常坚硬的白层、一层柔软的黑层、以及坚硬的未受影响材料)上时，裂缝会形成在白层、白层与黑层之间、抑或黑层与未受影响材料之间。当这些裂纹扩展并且连接在一起时，就可能发生剥落(flaking)。
受热机械影响(thermo-mechanically affected)包含耐蚀(etching-resistant)白层的工件表面因高的表面拉应力(high tensile surface stresses)以及与之相关的产出部件的下降的耐疲劳性、较低的断裂韧性和/或降低的耐磨性而在传统上就不受待见。
这种坐落在工件上述硬加工表面上的受热机械影响的多层(结构)如图1所示。图1所示的显微照片清楚地显示出在使用大约1000倍放大倍率的光学显微镜(LOM)下观察到的上述硬加工工件典型的表面以下微观结构(subsurface microstructure)的化学腐蚀抛光截面图。该微观结构显示出在硬车削期间与刀具直接接触的外表面，即“白层”(10)。此外，微观结构还显示出在白层(10)的下方有一层“黑层”(12)。所述黑层(12)为在硬车削期间暴露于高温下的过度回火区域(over-tempered zone)。所述黑层(12)的下面是未受影响材料，即未受机加工工艺影响的母体材料(parent material，以下简称“母材”)。
图1所示的白层(10)形成在硬车削之类的机加工过程中，对产品的表面光洁度(surface finish)和疲劳强度(fatigue strength)都有不利影响。白层(10)通常是硬质相(hard phase)，会导致表面变脆，引起裂纹扩展(crack permeation)和产品失效。这是使用性能方面的一个心腹之患，尤其是在航空航天和汽车领域。由于图1所示的白层(10)的不利特性，现有技术中去除、减少或避免白层(10)和黑层(12)的方法已为人所知。
例如，US专利申请US 2003/0145694公开了一种设备和方法，用于减小硬切削工具(hard cutting tool)对硬金属工件的表面施加热机械载荷而在工件的硬加工表面上形成的热机械影响层(thermo-mechanically-affected layer)的厚度。所述方法包括降低工件表面上的热机械负荷，所述设备包括用于降低工件表面上的热机械负荷的装置。
US专利申请US 2013/0016938涉及一种滚动轴承，通过减少内外圈滚道和滚动体上的脆性剥落(brittle flaking)和压力引发的剥落(impression-induced flaking)，轴承的寿命得以增加。含有1.80-1.89重量％铬的钢(耐脆性剥落钢)经受碳氮共渗，然后进行硬化和回火。铬减少作为碳的聚集体(aggregates of carbon)的白层的产生，因此减少了，比如，滚道上白层导致的脆性剥落。在钢硬化和回火时形成的残余奥氏体区域增大了钢表面的韧性，因此减少了磨粒(wear dust)之类的异物导致的压力引发剥落。通过减少脆性剥落和压力引发剥落，能够延长轴承的寿命，并降低更换润滑油之类的维护成本。
发明内容
本发明旨在提供一种具有改进的滚动接触疲劳性能的轴承部件，所述轴承部件包含诸如钢、铁或铁基金属(iron-based metal)之类的材料，具有经受过硬加工处理的表面。这样的表面可以具有45HRC(即450HV1)或以上的硬度。
该目的通过确保在轴承部件的制造期间的硬加工处理期间轴承部件的表面温度不超过材料的奥氏体化温度，即材料的临界相变温度(critical phase transformationtemperature)，而得以实现。轴承部件表面因此包含形成在硬加工过程中的白层，所述白层包含最大晶粒尺寸达到500nm、300nm或150nm的纳米晶体微观结构(nano-crystallinemicrostructure)，即白层中所有晶粒的诸如直径之类的最大截面尺寸(maximumtransverse dimension)不超过500nm、300nm或150nm。所述纳米晶体微观结构，例如，可以包括平均晶粒尺寸为10-120nm或10-100nm或10-80nm的晶粒。这种纳米晶体微观结构可以在使用10000至100000倍放大倍率的扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)下观察到。所述白层直接位于轴承部件的未受影响材料之上，由此在硬加工过程中没有黑层形成在白层与未受影响材料之间，即轴承部件包括仅由白层和未受影响材料组成的两层结构，而不是现有技术的部件中所示的三层结构，所述三层结构包括白层、黑层和未受影响材料(如附图中的图1所示)。
应当注意，黑层的缺失可以通过检查轴承部件截面的硬度分布(hardnessprofile)来判断，即通过测量轴承部件在硬加工表面以下深度的硬度来确定。这种检测将揭示没有硬度小于未受影响材料的材料存在。与所述的三层结构不同，白层的硬度在过渡区(transition zone)中从硬加工表面处的最大值随着硬加工表面以下深度(的增加)而平滑地降至未受影响材料处的最小值，即白层材料的硬度与未受影响材料的硬度之间没有剧烈的过渡(sharp transition)。
应注意，如本文件中使用的表述“未受影响材料”意指未受硬加工处理(如塑性变形)影响的材料。然而，所述过渡区和未受影响材料可能已经受到了诸如感应硬化、渗碳、表面渗碳、碳氮共渗、气体碳氮共渗(nitro-carburizing)或渗氮之类的之前进行过的硬化处理的影响。材料的最外层(例如厚度为8mm或以上，上至8mm、上至7mm、上至6mm、上至5mm、上至3mm、上至2mm、或上至1mm)，例如在进行硬加工处理之前，可以具体被硬化到具有至少450HV1或者更高的硬度。因此，本文中使用的表述“未受影响材料”意在表示在受到硬加工处理之前硬化过的或未硬化过的母材。轴承部件的硬加工表面下方至少300μm深度处的材料可认为是未受影响材料。未受影响材料可以具有至少45HRC(相当于450HV1)或者更高的硬度。
本发明基于以下深刻认知：如果轴承部件的表面温度不超过奥氏体化温度，则相变(phase transformation)将不会发生，而工件材料表面的塑性变形会同时被引发。主要由机械方式(而非热方式)引发的白层将会形成在硬加工过程中。与现有技术中硬加工处理(该工艺中工件表面温度未受到抑制)的部件因受热而引发的白层相比(以下称“热引发白层”)，这种由机械(方式)引发的白层(以下称“机械引发白层”)具有显著不同的微观结构和不同的机械特性。通过将硬加工期间的温度限制在材料的临界奥氏体化温度以下，生成的将是主要由机械(方式)引发的白层而没有黑层，即没有硬度小于未受影响材料的可识别的黑层生成。因此，机械引发白层将直接位于未受影响材料之上，且所述白层的硬度将在“过渡区”中随着硬加工表面下方的深度从硬加工表面处的最大值平滑地降低至未受影响材料处的最小值。本发明所述轴承部件的机械引发白层包括均匀的(homogeneous)纳米晶体微观结构，所述纳米晶体微观结构包括最大晶粒尺寸达到500nm的晶粒。此种白层与热引发白层相比具有改善的耐疲劳性、更高的断裂韧性和/或增大的耐磨性，由此具有提高的滚动接触疲劳性能。
根据本发明的实施例，所述白层包括与轴承部件的未受影响材料相同含量的残余奥氏体。作为另外一种选择，所述白层包括的残余奥氏体少于轴承部件的未受影响材料。
应注意，本文中使用的表述“硬加工处理/工艺”是指以下手段中的任何一种或组合：车削、硬车削、镗孔、抛光(burnishing)、机械研磨、铣削或钻孔。
本文中所述“没有黑层”或“没有可识别的黑层”意指任何常规分辨率的光学显微镜(LOM)都无法检测到黑层，即本发明所述的轴承部件不包括厚度大于5nm的黑层。
根据本发明的一个实施例，所述轴承部件展现出以下硬度分布：轴承部件的硬度在白层所在的硬加工表面处最大，并且随硬加工表面以下的深度而降低，因此，白层的硬度大于轴承部件的未受影响材料的硬度。
根据本发明的一个实施例，所述白层延伸达到轴承部件的硬加工表面下方15μm、14μm、13μm、12μm、11μm、10μm、9μm、8μm、7μm、6μm或5μm。白层的厚度，例如，可以为1-10μm。本发明所述轴承部件的白层可以是连续的，抑或是不连续的，且不一定要具有一致的厚度。
根据本发明的一个实施例，所述白层的维氏硬度为450-1500(HV1)或者更高，所述轴承部件的未受影响材料的维氏硬度为450(HV1)或以上。
根据本发明的一个实施例，未受影响材料的硬度大于或等于450HV1，这是未受影响材料受到硬加工处理之前的硬度。在未受影响材料受到硬加工处理之前，它可以，例如，被奥氏体化，并随后淬火至室温或等温转变(isothermally transformed)，由此将形成马氏体或贝氏体微观结构。经过上述淬火的马氏体未受影响材料然后可被回火，从而产生，比如，包含低于2体积％残余奥氏体的回火马氏体微观结构。
根据本发明的一个实施例，所述轴承部件构成以下装置器件之一的至少一部分：滚珠轴承、滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、球面滚子轴承、CARB圆环滚子轴承(toroidal roller bearing)、滚珠推力轴承、滚子推力轴承、圆锥滚子推力轴承、车轮轴承、轮毂轴承单元、回转支承轴承(slewing bearing)、滚珠丝杠、圆柱滚子轴承、圆柱轴向滚子轴承、球面滚子推力轴承、球面滑动轴承、或者用于诸如滚动接触或滚动和滑动结合的受到交变赫兹应力的应用的任何部件。所述轴承部件可包括或构成齿轮齿、凸轮轴、紧固件、栓销、汽车离合器盘、机床(tool)或模具。
所述轴承部件可以用于汽车、航空航天、风力、海事、金属生产应用、任何机器应用和/或任何需要高耐磨耗性和/或增大的疲劳和拉伸强度的应用。例如，所述轴承部件可用于造纸机、连铸机、风机和鼓风机、破碎机和研磨机、工业变速机(transmissions)、输送带、以及液压马达和泵。
本发明还涉及本发明的任意实施例中所述轴承部件的制造方法。该方法包括令所述未受影响材料的工件表面受硬加工处理，从而在所述硬加工处理期间形成白层的步骤。该方法包括控制硬加工处理的至少一个工艺参数，以确保在硬加工处理期间轴承部件的表面温度不超过未受影响材料的奥氏体化温度的步骤，即：使硬加工表面的温度在机加工过程中受到抑制，同时引发工件表面材料的塑性变形。
根据本发明的实施例，所述硬加工处理的至少一个工艺参数或几个工艺参数的组合为一个或一个以上的以下参数：切削速度、切削力、切削工具的冷却(例如使用流体冷却剂)、轴承部件表面的冷却、切削工具材料、切削工具状态、切削方向、进给速度(feedrate)、深度。
附图说明
以下将参考所附的示意图通过非限制性示例进一步解释本发明：
图1显示现有技术中硬加工工件的典型的表面以下微观结构的截面图；
图2显示现有技术中硬加工工件在其硬加工表面以下深度上的硬度分布和晶粒尺寸；
图3显示本发明一个实施例的轴承部件；
图4显示工件表面温度与切削速度的关系图，
图5显示本发明所述硬加工的轴承部件的典型的表面以下微观结构的截面图；和
图6显示本发明所述轴承部件在其硬加工表面下方深度上的硬度分布和晶粒尺寸。
应注意，附图不一定按比例绘制，并且为了清楚起见，一些特征的尺寸可能已被夸大。
具体实施方式
图1显示接受现有技术硬加工处理(hard machining process)的硬加工工件的典型的表面以下微观结构的截面图。该工件包括白层(white layer)10、在下方与白层10直接相邻的黑层(dark layer)12和在下方与黑层12直接相邻的未受影响材料(unaffectedmaterial)14。
白层10包括均匀分布的碳化物。位于下方的厚度大于白层10的黑层12也含有均匀分布的碳化物。未受硬加工处理影响的未受影响材料14包括长度约为2-3μm、宽度约为0.5μm的马氏体/贝氏体针(martensitic/bainitic needles)。马氏体/贝氏体未受影响材料(martensitic/bainitic unaffected material)也包括均匀分布的碳化物。
图2显示依据现有技术硬加工的工件在硬加工表面(即热引发白层10(thermally-induced white layer)的最上方表面)以下深度上的硬度分布11和晶粒尺寸13。可以看到，黑层12的硬度低于未受影响材料14的硬度，这对于工件使用性能来说可能是有害的。黑层12的硬度最多可比未受影响材料14的硬度低30％。
图3显示本发明一个实施例的轴承部件范例，是一个尺寸范围可以从直径10mm到几米、承载能力从几十克至数千吨的滚动轴承16。本发明所述轴承部件16可以为任何尺寸，具有任何承载能力。图示的轴承16具有内圈18、外圈20和一组滚动体22。
滚动轴承16的内圈18、外圈20和/或滚动体22的至少局部表面(优选滚动轴承16的所有滚动接触部分的至少局部表面)可能已接受一个或一个以上的硬加工处理，在硬加工处理期间，所述至少局部表面的温度不超过未受影响材料的奥氏体化温度，所述未受影响材料可以是使用常规维氏硬度压头(Vickers hardness indenter)测量出的硬度大于或等于450HV1的钢，如AISI52100钢。轴承部件16的一个或一个以上滚道(raceway)，例如，可以接受本发明所述方法的处理。
受到硬加工处理的轴承部件16的表面将包括白层15，所述白层15包括这样的纳米晶体微观结构(nano-crystalline microstructure)：所述纳米晶体微观结构包括最大晶粒尺寸达到500nm的随机取向的晶粒(randomly oriented grains)。例如，白层15中的所有晶粒将具有使用任何常规晶粒尺寸测量技术测量出的5-500nm的最大截面尺寸(transverse dimension)。所述白层15将直接坐落在位于其下方的轴承部件16的未受影响材料14之上，从而在所述硬加工处理过程中没有硬度小于未受影响材料14的黑层12形成。
包含AISI 52100钢的轴承部件16接受这种硬加工处理后的白层15将包括bcc-(α)铁素体和正交-(θ)渗碳体碳化物(cementite carbides)，由此未受影响材料14的马氏体/贝氏体针状物已沿着剪切方向重新定向(reoriented)，并且通过动态恢复(dynamicrecovery)分解为拉长的亚晶粒(elongated sub-grains)。而相比之下，热引发白层10是由fcc-(γ)奥氏体、bcc-(α)马氏体和正交-(θ)渗碳体碳化物构成的。
如果轴承部件16的未受影响材料14包括0体积％的残余奥氏体，则在硬加工处理期间形成的白层15也将包括0体积％的残余奥氏体。如果轴承部件16的未受影响材料14包括10体积％的残余奥氏体，则在硬加工处理期间形成的白层15将包括小于10体积％的残余奥氏体，例如5体积％的残余奥氏体。
图4是工件表面的温度与切削速度的关系图。该图显示出相变温度24，即工件未受影响材料14的奥氏体化温度。可以看到，较高的切削速度导致工件表面的温度超过相变温度24，因此将形成不为期待的热引发白层10。如图4所示，在较低的切削速度时，温度将被抑制，因此构成工件表面处的表面材料不会产生相变温度24；因此将形成为人期待的机械引发白层15。
这种代表各工艺参数或工艺参数组合的关于硬加工处理的工件表面温度的效果的信息，可以通过实验数据或计算获得。各种工艺参数于是可以通过使轴承部件16产生具有期望的微观结构和特性的白层15而受到控制。
图5显示根据本发明所述硬加工工艺加工的轴承部件16的典型表面以下微观结构截面图。轴承部件16包含的白层15坐落在下方的未受影响材料14之上，白层15与未受影响材料14两者之间没有硬度小于未受影响材料的任何可识别的黑层12。白层15包括均匀分布的碳化物。未受硬加工工艺影响的未受影响材料14包括长度约2-3μm、宽度约0.5μm的马氏体/贝氏体针。马氏体/贝氏体未受影响材料14也包括均匀分布的碳化物。
图6显示本发明所述轴承部件16在硬加工表面以下深度上的硬度分布26和晶粒尺寸28。可以看出，轴承部件16展现的硬度分布在机械引发白层15的硬加工表面处硬度最大。机械引发白层15的硬度大于未受影响材料14的硬度(例如，为未受影响材料的硬度的两倍、三倍或以上)，并且硬度随轴承部件16的硬加工表面以下深度平滑地降低。即，机械引发白层15的硬度在任何时候都不会低于未受影响材料14的硬度。硬度在轴承部件16的硬加工表面以下随深度平滑下降。硬度从白层15在硬加工表面侧的最大值降至白层15在未受影响材料侧的最小值的过渡区的厚度可以达到500μm。即在机械引发白层15与未受影响材料14之间不存在相对较软的黑层12。机械引发白层15内的晶粒尺寸比未受影响材料14内的晶粒尺寸小得多。在机械引发白层15与未受影响材料14之间，晶粒尺寸出现急剧的显著(substantial)变化。
这种机械引发白层15可以在轴承部件16的硬加工的表面以下延伸1-15μm，并具有450-1500(HV1)的维氏硬度，而轴承部件16的未受影响材料14可以具有使用常规维氏硬度试验测得的450(HV1)或以上的维氏硬度。
本发明在权利要求范围内的进一步改进对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (10)

1.一种包含未受影响材料(14)的轴承构件(16、18、20、22)，具有受到硬加工处理的表面，在所述硬加工处理期间，所述表面的温度不超过未受影响材料(14)的奥氏体化温度(24)，由此所述轴承构件(16、18、20、22)的所述表面包括形成在所述硬加工处理期间的白层(15)，其特征在于，所述白层(15)包括含有最大晶粒尺寸达到500nm的晶粒的纳米晶体微观结构，并且，所述白层(15)位于所述轴承构件(16、18、20、22)的未受影响材料(14)之上，由此在所述硬加工处理期间不形成硬度小于所述未受影响材料(14)的黑层(12)。
2.根据权利要求1所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述白层(15)包含与所述轴承构件(16、18、20、22)的未受影响材料(14)等量的残余奥氏体。
3.根据权利要求1或2所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述白层(15)包含比所述轴承构件(16、18、20、22)的未受影响材料(14)少的残余奥氏体。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述轴承构件(16、18、20、22)展现出以下硬度分布(26)：所述轴承构件(16、18、20、22)的硬度在所述白层(15)的硬加工表面处最大，并随着硬加工表面以下深度而降低，由此所述白层(15)的硬度大于所述轴承构件(16、18、20、22)的未受影响材料(14)的硬度。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述白层(15)在所述轴承构件(16、18、20、22)的硬加工表面以下延伸最多达15μm。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述白层(15)的维氏硬度为450-1500HV1，所述轴承构件(16、18、20、22)的未受影响材料(14)的维氏硬度为450HV1或以上。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述未受影响材料(14)具有大于或等于450HV1的硬度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承构件(16、18、20、22)，其特征在于，所述轴承构件(16、18、20、22)构成以下装置器件之一的至少一部分：滚珠轴承、滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、球面滚子轴承、CARB圆环滚子轴承、滚珠推力轴承、滚子推力轴承、圆锥滚子推力轴承、车轮轴承、轮毂轴承单元、回转支承轴承、滚珠丝杠、圆柱滚子轴承、圆柱轴向滚子轴承、球面滚子推力轴承、球面滑动轴承，或者用于承受交变赫兹应力的包括滚动接触或滚动与滑动结合在内的应用的构件，和/或需要高耐磨耗性和/或增大的疲劳和拉伸强度的应用的构件。
9.一种用于制造包含未受影响材料(14)的轴承构件(16、18、20、22)的方法，包括以下步骤：使所述未受影响材料(14)的工件的表面受到硬加工处理，从而在所述硬加工处理期间形成白层(15)，其特征在于，所述方法包括控制所述硬加工处理的至少一个工艺参数以确保在所述硬加工处理期间所述轴承构件(16、18、20、22)的所述表面的温度不超过所述未受影响材料(14)的奥氏体化温度(24)的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述硬加工处理的所述至少一个工艺参数是指以下一个或一个以上的工艺条件：切削速度、切削力、切削工具的冷却、所述轴承构件(16、18、20、22)的所述表面的所述至少一部分的冷却、切削工具的材料、切削工具的状态、切削方向、进给速度、深度。
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