CN108368869B - 轴承用轴和轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有外周面的轴承用轴(1)，所述外周面包含轨道面(侧面)；在该轨道面上滚动构件(2)滚动。轴承用轴(1)由包含0.7％以上的碳的钢制得。在所述轨道面形成有富氮层(1a)。所述富氮层(1a)的表面(即通过喷丸形成于轴承用轴(1)的侧面的硬化层(1b)的表面)的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700MPa。由此，本发明能延长轴承的工作寿命。

Description

轴承用轴和轴承
技术领域
本发明涉及轴承用轴和轴承，更加具体涉及用于其外圈旋转的轴承的轴承用轴。
背景技术
通常公知：轴承用于例如行星齿轮减速器等的机械装置中，而该轴承以其外圈旋转的方式使用。该情况下，因为位于内圈的轴承用轴的负荷区域总是在相同位置，所以存在轴承用轴的工作寿命因疲劳剥离而缩短的问题。
为了解决这样的问题，例如日本专利特开第2015-7265号公报公开了在轴承用轴的表面形成硬化层的技术方案。根据该技术，以包含0.1～0.5质量％的碳以及其他的合金元素的合金钢形成轴承用轴，在对该轴承用轴实施碳氮共渗处理、高频淬火处理、回火处理后，通过进行喷丸处理在轴承用轴的表面形成硬化层。
根据日本专利特开第2015-7265号公报，可通过前述那样在轴承用轴的表面形成硬化层就能充分提高轴承用轴的表面硬度，同时还通过赋予该硬化层以压缩残余应力就能改进轴承用轴的滚动疲劳强度或者抗剥离性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开第2015-7265号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在例如前述行星齿轮减速器等的机械装置中，因前述轴承用轴被用于相对苛刻的条件下，所以由于疲劳剥离而导致轴承用轴的工作寿命缩短，进而整个机械装置的工作寿命也受到限制。由此，要求进一步改进轴承用轴的耐久性。
本发明是为了解决前述问题而完成的发明，本发明的目的是提供一种耐久性优异的轴承用轴和轴承。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的轴承用轴是具有外周面的轴承用轴，所述外周面包含轨道面；在该轨道面上滚动构件滚动；由包含0.7％以上的碳的钢制得。在轨道面形成有富氮层。富氮层的表面的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700MPa。
本发明的轴承包括轴承用轴和滚动构件；所述轴承用轴具有外周面，所述外周面包含轨道面；所述滚动构件具有与所述轨道面接触的表面。轴承用轴由包含 0.7％以上的碳的钢制得。在轨道面形成有富氮层。富氮层的表面的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700MPa，滚动构件的表面的表层部的残余奥氏体的量大于形成于轴承用轴的轨道面上的富氮层的表层部的残余奥氏体的量。
本发明的效果
通过本发明，可延长轴承用轴的工作寿命。
附图说明
图1是实施方式的轴承的截面示意图。
图2是构成图1所示的轴承的轴承用轴的截面示意图。
图3是构成图1所示的轴承的滚针的截面示意图。
图4是构成图1所示的轴承的保持器的部分截面示意图。
图5是显示图2所示的轴承用轴的变形例的截面示意图。
图6是显示图3所示的滚针的变形例的部分截面示意图。
图7是显示图4所示的保持器的变形例的部分截面示意图。
图8是应用了图1所示的轴承的行星齿轮减速器的示意图。
图9是沿图8的线IX-IX的截面示意图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图中，在相同或者相当的部分标注相同的参考符号，不进行重复说明。
<轴承的结构>
图1是实施方式的轴承10的截面示意图。以下参考图1对实施方式的轴承的结构进行说明。
如图1所示，轴承10包括轴承用轴1、作为滚针的滚动构件2以及保持器3。轴承用轴1具有圆柱的形状。多个滚动构件2配置在轴承用轴1的作为轨道面的侧面。多个滚动构件2以于圆周方向隔着间隔的方式配置在轴承用轴1的侧面。多个滚动构件2以等间隔配置在轴承用轴1的侧面。
轴承用轴1由包含0.7％以上的碳的钢制得。在轨道面形成有富氮层1a。富氮层1a的氮浓度高于轴承用轴1的内周层1c的氮浓度。在轨道面，在富氮层1a的表面形成有硬化层1b。在轴承用轴1的侧面，富氮层1a的表面(即硬化层1b的表面)的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700MPa。
保持器3被配置在轴承用轴1的侧面上，且具有沿着该侧面的圆周方向的环状的形状。该保持器3中形成多个用于将滚动构件2收容于内部的收容器。因滚动构件2分别被收容在收容器中，所以每个滚动构件2都被预先定位。
<轴承用轴的结构>
图2是构成图1所示的轴承的轴承用轴的截面示意图。以下参照图2具体说明轴承用轴1的结构。
如图2所示，富氮层1a形成在轴承用轴1的表面(包括作为轨道面的侧面以及在与该侧面交叉的方向延伸的端面)上。在轴承用轴1的侧面，在富氮层1a的表面进一步形成硬化层1b。通过进行喷丸形成硬化层1b。如上所述，该硬化层1b的表面的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700MPa。
该硬化层1b的表面的硬度是850Hv～1000Hv。当以算术平均粗糙度Ra计算时，所述硬化层1b的表面粗糙度为0.2μm以下。另外，该硬化层1b的残余奥氏体的量为9体积％以下。
轴承用轴1由例如高碳铬轴承钢制得。例如，只要满足JIS标准SUJ2，任何钢都可用于制造轴承用轴1。
<滚针的结构>
图3是构成图1所示的轴承的滚动构件2的截面示意图。以下参照图3具体说明滚动构件2的结构。
如图3所示，滚动构件2是滚针，富氮层2a被形成在表面(包括与轴承用轴1接触的侧面，以及在与该侧面交叉方向延伸的端面)上。富氮层2a的氮浓度高于滚动构件2的内周层2c。滚动构件的表面的表层部的残余奥氏体的量大于形成于轴承用轴的轨道面上的富氮层的表层部的残余奥氏体的量。具体来说，滚动构件的表面的表层部的残余奥氏体的量为9体积％～50体积％。该残余奥氏体的量也可以超过9体积％。
<保持器的结构>
图4是构成图1所示的轴承的保持器3的部分截面示意图。以下参考图4具体说明保持器3。
如上所述，保持器3具有环状的形状。在保持器3中形成有多个用于收容滚动构件2(参见图1)的收容器3a。多个收容器3a以隔着基本相等的间距形成。保持器3可由任意适合的材料形成，例如，可用钢形成保持器3。保持器3可通过对钢进行加压加工形成。另外，还可用树脂形成保持器3。
<制造方法>
作为轴承10的制造方法，首先，如下准备构成轴承10的构件(轴承用轴1、滚动构件2以及保持器3)，然后将这些构件组装制得轴承10。
轴承用轴1的制造方法：
作为前述轴承用轴1的制造方法，首先，利用具有适合于制造轴承用轴1的组成的钢，准备棒状坯料(例如，满足JIS标准SUJ2的坯料)。然后，通过例如旋削加工等以往公知的机械加工工序将该坯料加工成具有轴承用轴1的形状(机械加工工序)。此后实施热处理。具体而言，对前述加工而成的材料实施碳氮共渗处理、精炼处理、淬火处理、回火处理等。作为热处理的具体条件，例如碳氮共渗处理的处理温度等于或者高于A1相变点，较好在800℃以上且不到1000℃的温度范围。
其后，通过对热处理后的材料实施研磨等的以往公知的机械加工工序，从而对该材料进行实施精磨处理，以形成轴承用轴1的尺寸。
其后，对轴承用轴1的侧面(成为轨道面的侧面)实施喷丸处理，获得轴承用轴1。可改变所述精磨处理和所述喷丸处理的顺序，可先进行喷丸处理。
滚动构件2的制造方法：
可用任何以往公知的制造方法制造滚动构件2。例如，准备用于制造滚动构件2 的棒状坯料，而该棒状坯料由钢(例如，高碳铬轴承钢)构成。然后，通过实施以往公知的机械加工工序将该坯料加工成具有滚动构件2的形状。其后，实施热处理工序。具体而言，对如上所述加工而成的材料实施碳氮共渗处理等。作为热处理的具体示例性条件，例如碳氮共渗处理的处理温度等于或者高于A1相变点，较好在800℃以上且不到1000℃的温度范围。
其后，通过对热处理后的材料实施研磨等的以往公知的机械加工工序，从而对该材料实施精磨处理，以形成滚动构件2的尺寸，从而可制得滚动构件2。
保持器3的制造方法：
可使用任何以往公知的制造方法来制造保持器3。
<效果>
如前所述，实施方式的轴承用轴1是具有外周面的轴承用轴，所述外周面包含轨道面(侧面)；该轨道面上滚动构件2滚动；且轴承用轴1由包含0.7％以上的碳的钢制得。在所述轨道面形成富氮层1a。所述富氮层1a的表面(通过对轴承用轴1的侧面进行喷丸所形成的硬化层1b的表面)的压缩残余应力的绝对值是600 MPa～1700MPa。
另外，实施方式的轴承10包括轴承用轴1和滚动构件2；所述轴承用轴1具有外周面，所述外周面包含轨道面；所述滚动构件2具有与所述轨道面接触的表面。轴承用轴1由包含0.7％以上的碳的钢制得；在所述轨道面形成富氮层1a。所述富氮层1a的表面(硬化层1b的表面)的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700 MPa。
因赋予形成于轨道面上的富氮层1a的表面(硬化层1b的表面)以足够大的压缩残余应力，所以能抑制该表面龟裂的发生以及在该表面龟裂的扩展。为此，能抑制轴承用轴1的前述表面的疲劳龟裂的发生。其结果是：提高了轴承用轴1的抗疲劳性，由此延长了轴承用轴1和轴承10的工作寿命。在本发明中，通过X射线衍射法来测定压缩残余应力。
压缩残余应力的绝对值的下限可为1000MPa，这可明确改进轴承用轴1的抗疲劳性(例如，可将与疲劳剥离相关的工作寿命延长)。压缩残余应力的绝对值的下限可为1300MPa，这可确实地改进轴承用轴1的抗疲劳性。
在轴承10中，滚动构件2的表面的表层部(富氮层2a)的残余奥氏体的量可以大于形成于轴承用轴1的轨道面上的富氮层1a的表层部(硬化层1b)的残余奥氏体的量。在本发明中，通过X射线衍射法来测定残余奥氏体的量。
因为滚动构件2的残余奥氏体的量大于轴承用轴1的表层部(硬化层1b)的残余奥氏体的量，所以当异物存在于轴承用轴1的轨道面和滚动构件2之间时，滚动构件2的表面能随着异物变形，由此，能减少因该异物的存在而对轴承用轴1 所造成的损害或者龟裂。
滚动构件2的表面的表层部(富氮层2a)的残余奥氏体的量可为9体积％～50 体积％。如果滚动构件2的表层部的残余奥氏体的量超过50体积％的上限，则增大了如下的可能性：即在使用时，晶体结构的改变所造成的滚动构件2的尺寸变化，而对轴承10的特性造成不利影响。
滚动构件2的表层部的残余奥氏体的量的上限可为30体积％，这可进一步降低晶体结构改变所造成的尺寸变化的影响。滚动构件2的表层部的残余奥氏体的量的下限可为15体积％，这样当异物存在时，滚动构件2能随着异物变形，这可进一步降低因异物而对轴承用轴1所造成的损害的可能性。
如上所述，在轴承10中，富氮层2a形成于滚动构件2的表面，这可提高滚动构2的疲劳强度和抗磨性。这里，富氮层2a是指钢中的氮浓度较原料钢中的氮浓度有所增加的层。
在轴承用轴1中，形成在轨道面(侧面)上的富氮层1a(硬化层1b)的表面硬度(维氏硬度)为850Hv～1000Hv。由此，硬化层1b的表面硬度足够高，这可抑制因异物的存在所造成的形成在轴承用轴1的凹痕等的发生。由此，即使在异物存在的情况下，也能提高轴承用轴1对疲劳剥离的耐久性。
在轴承用轴1中，当以算术平均粗糙度Ra计算时，形成在轨道面(侧面)的富氮层1a的表面粗糙度(硬化层1b的表面粗糙度)为0.2μm以下。在该情况下，能抑制当轴承用轴1的富氮层1a的表面(硬化层1b的表面)被用作滚动构件2滚动的轨道面时，轴承用轴1的该表面的表面粗糙度过大而无法作为轨道面使用的问题发生。
以算术平均粗糙度Ra计算的富氮层1a的表面粗糙度(硬化层1b的表面粗糙度)的最大值可为0.05μm，这可使滚动构件平滑地滚动在轴承用轴的表面上。以算术平均粗糙度Ra计算的富氮层的表面粗糙度的最大值可为0.03μm。
在轴承用轴1中，形成在轨道面(侧面)上的富氮层1a的表层部(硬化层1b)的残余奥氏体的量为9体积％以下。因为表层部(硬化层1b)的残余奥氏体的量低，所以能充分提高构成轨道面的表层部(硬化层1b)的硬度和强度。另外，表层部(硬化层1b)的残余奥氏体的量可为5体积％以下，或者3体积％以下。
如上所述，用于制造轴承用轴1的钢是高碳铬轴承钢。由此，可使轴承用轴1 的内周层1c具有足够高的硬度和强度。
<变形例>
图5是显示图2所示的轴承用轴1的变形例的截面示意图。如图5所示，轴承用轴1的变形例除了如下油孔21和分支孔22不同于图2所示的轴承用轴以外，其余结构实质上与图2所示的轴承用轴1的结构相同，且由此可获得同样的效果：所述油孔 21从轴承用轴1的端面开始，沿着轴承用轴1的中心轴延伸；所述分支孔22在轴承用轴1的内部，向轴承用轴1的径向延伸且与所述油孔21连接。分支孔22的一端部到达轴承用轴1的侧面(滚动构件2在其上滚动的轨道面)以在侧面形成开口部。通过如前所述形成油孔21和分支孔22，利用所述的油孔21和分支孔22就能容易供给润滑油到轴承用轴1和滚动构件2的接触区域。也可设置油孔21以在中心轴的方向上贯穿轴承用轴1。
图6是显示图3所示的滚动构件2的变形例的部分截面示意图。如图6所示，滚动构件2的变形例除了如下的凸面(crowning)2d不同于图3所示的滚动构件2以外，其余结构实质上与图3所示的滚动构件2的结构相同，且由此可获得同样的效果：凸面2d形成在滚动构件2的轴向侧面的两端部。换句话说，轴承10中的滚动构件2是桶形滚柱(英文：a crownedroller)。由此可抑制滚动构件2的两端部的轴承用轴1和滚动构件2间的接触区域的接触压力局部地增大。其结果是能抑制剥离等的缺陷出现在轴承用轴1。滚动构件2可凸面加工为任何轮廓形状，较好是凸面加工为对数轮廓(英文：a logarithmic profile)。
图7是显示图4所示的保持器3的变形例的部分截面示意图。如图7所示，除了如下保持器3的结构不同于图4所示的保持器3以外，保持器3的变形例基本上具有相同于图4所示的保持器3的结构：保持器3(位于邻接的两个收容器之间，且沿着滚动构件2的中心轴延伸的支柱部)被设置于收容在收容器中的滚动构件2的中心轴更靠外的外部。如图7所示，通过形成这样的结构，保持器3的变形例的相邻的收容器之间的距离短于图4所示的保持器3的相关距离，这样所能收容的滚动构件2的数量要多于图4所示的保持器3所收容的滚动构件2的数量。因此，与图4所示的保持器3 相比，轴承10的额定负荷增加。
<应用例>
图8是应用了实施方式的轴承用轴1或者轴承10的行星齿轮减速器(也称为行星减速齿轮)的示意图。图9是沿图8的线IX-IX的部分截面示意图。如图8和9所示，应用了实施方式的轴承用轴1或者轴承10的行星齿轮减速器由如下构件构成：输入轴 11、与该输入轴同轴安装的太阳齿轮12、在太阳齿轮12的外径侧且以与太阳齿轮12 同心的状态配置的方式固定在减速齿轮的外壳(未图示)上的内齿轮13、介于太阳齿轮 12和内齿轮13之间且在圆周方向以等同间距(在图中，从输入轴11方向看约为90°且圆周方向相互间隔的四个地方)配置的多个行星齿轮14、分别作为支撑各个行星齿轮14旋转的行星轴销的多个轴承用轴1、以能旋转状态与所有的轴承用轴1连接的环状承载件16、与承载件16成为一体且同心地配置的输出轴17。
如图9所示，滚动构件2(滚针)配置于行星齿轮14和作为支撑行星齿轮14的行星轴销的轴承用轴1之间。轴承用轴1是实施方式的轴承用轴1。滚动构件2在其上滚动的侧面(轨道面)上形成有富氮层1a(参见图1)和硬化层1b(参见图1)。滚动构件 2也具有与图3所示的滚动构件2相同的结构。
如图9所示，轴承用轴1以从行星齿轮14的两侧突出的方式形成。其中从行星齿轮14的端面突出的突出部的一方被定为突出部19，另一方突出部被定为突出部20。油孔21在轴向上贯穿轴承用轴1。分支孔22在交叉部23与油孔21正交，所述交叉部23是油孔21的中间部分。分支孔22的两端在轴承用轴1的各侧面(外径表面)分别形成开口部。
所述突出部19以滑动轴承28(侧垫片)被插入行星齿轮14和承载件16之间的状态嵌合固定于承载件16。另外的突出部20也以滑动轴承28被插入行星齿轮14和锁紧件27之间的状态嵌合固定于锁紧件27。锁紧件27对于每个行星齿轮14的每个轴承用轴1可以是独立的构件，也可类似于承载件16为环状构件,或者锁紧件27也可与承载件16成为一体。
如上所述，通过将实施方式的轴承用轴1和滚动构件2应用在行星齿轮14中，就能改进轴承用轴1的抗疲劳性，进而延长轴承用轴1的工作寿命，延长了行星齿轮减速器的工作寿命。
前述的行星齿轮减速器可通过油浴润滑方式进行润滑，例如，将行星齿轮减速器浸入润滑油一直到约该减速器的中央(参见图8的润滑油的油面L)。当驱动减速器进行工作时，行星齿轮14自转且同时以沿图8箭头X所示方向的点P作为中心进行公转，进出润滑油内。当行星齿轮14浸入在润滑油中时，流入油孔21的润滑油通过分支孔 22供给至滚动构件2和轴承用轴1的接触区域。
另外，前述行星齿轮减速器也可以与发动机等驱动单元一体化。例如，导电发动机或者斜板式发动机等的液压发动机可用作驱动单元。另外，实施方式的行星齿轮减速器可应用于驱动履带车等的建设设备的驱动单元。此情况下，也可采用在内部没有形成油孔21和分支孔22的轴承用轴1。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但是前述的实施方式可进行各式各样变形。另外，本发明的范围不受前述实施方式限定。本发明的范围是由权利要求书来限定的，包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。
工业上的可利用性
本发明的轴承用轴有利地用于行星齿轮减速器等。
符号说明
1轴承用轴；1a,2a:富氮层；1b:硬化层；1c,2c:内周层；2:滚动构件； 2d:凸面；3:保持器；3a:收容器；10:轴承；11:输入轴；12:太阳齿轮；13:内齿轮；14:行星齿轮；16:承载件；17:输出轴；19,20:突出部；21:油孔；22:分支孔； 23:交叉部；27:锁紧件；28:滑动轴承

Claims (7)

1.一种轴承，它包括轴承用轴和滚动构件；所述轴承用轴具有外周面，所述外周面包含轨道面；所述滚动构件具有与所述轨道面接触的表面；
所述轴承用轴由包含0.7％以上的碳的钢制得；
在所述轨道面形成有富氮层；
所述富氮层的表面的压缩残余应力的绝对值是600MPa～1700MPa；以及
所述滚动构件的所述表面的表层部的残余奥氏体的量大于形成于所述轴承用轴的所述轨道面上的富氮层的表层部的残余奥氏体的量。
2.如权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述滚动构件的所述表面上形成有富氮层。
3.如权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述滚动构件是桶形滚柱。
4.如权利要求1所述的轴承，其特征在于，形成于所述轴承用轴的所述轨道面上的所述富氮层的表面硬度为850Hv～1000Hv。
5.如权利要求1所述的轴承，其特征在于，当以算术平均粗糙度Ra计算时，形成于所述轴承用轴的所述轨道面上的所述富氮层的表面粗糙度为0.2μm以下。
6.如权利要求1所述的轴承，其特征在于，形成于所述轴承用轴的所述轨道面上的所述富氮层的表层部的残余奥氏体的量为9体积％以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的轴承，其特征在于，所述钢是高碳铬轴承钢。
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