CN109477157B - 热处理方法和热处理装置 - Google Patents

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Abstract

在一种用于获得其厚度在轴向方向上变化的用于环形滚子轴承的轴承圈的热处理方法中，该热处理方法包括(A)将淬火工艺应用于由高碳铬轴承钢制成并且具有在轴向方向上变化的厚度的环形的工件；(B)将回火工艺应用于被淬火的工件，以使工件完全浸泡在冷却液中，并在工件被浸泡在冷却液中的状态下感应加热工件；和(C)将精整工艺应用于被回火的工件。

Description

热处理方法和热处理装置
技术领域
本发明的实施例涉及用于获得用于滚子轴承的轴承圈的一种热处理方法和一种热处理装置。
背景技术
用于形成在机动车辆或工业机械中使用的滚子轴承的轴承的轴承圈具有滚道表面，该滚道表面与滚动元件相对地形成滚动接触。通过与滚动元件的滚动接触，上述滚道表面易于受到来自滚动元件的冲击。
因此，当制造用于轴承的轴承圈时，提出了各种方法，通过这些方法改善了用于轴承的轴承圈的机械特性。
例如，作为实现滚道表面的高硬度以改善滚子轴承的滚动寿命的方法，已知这样一种方法，即，当制造用于轴承的轴承圈时，将碳氮共渗工艺应用于轴承用钢。然而，碳氮共渗工艺要求长时间的热处理，所以无法避免由于热处理导致的成本增加。
此外，例如，在专利文献1中，作为能够赋予由高碳铬轴承钢(诸如SUJ2)制成的环状工件优异的耐冲击性和高抗挤强度的热处理方法，提出了这样一种热处理方法，即，将淬火工艺应用于环形工件，并且然后，在表面温度低于内部温度40℃或更高的条件下，进行用于感应加热环形工件的回火工艺。专利文献1公开了通过使用上述热处理方法获得的、用于轴承的轴承圈改善了滚子轴承的滚动疲劳寿命。
引用列表
专利文献
[专利文献1]JP-A-2016-79466
发明内容
技术问题
当通过使用在专利文献1中公开的热处理方法获得用于轴承的轴承圈时，能够改善滚子轴承的滚动疲劳寿命。然而，当获得这样一种用于滚子轴承的轴承圈时，在该轴承圈中，由于工件的厚度在轴向方向上变化(就像在用于圆锥滚子轴承的轴承的轴承圈中那样，厚度在轴向方向上变化)，所以在专利文献1中公开的热处理方法中，在感应加热期间，可能出现由于厚度差异而引起的加热不均匀。因此，有时不能充分改善上述滚动疲劳寿命。特别地，当获得用于具有大直径的轴承的轴承圈时，由于在工件中的厚度的变化倾向于是大的，因此可能难以改善滚动疲劳寿命。
此外，在形成滚子轴承的、用于滚子轴承的轴承圈的滚道表面上，产生了这样一个部分，该部分从滚子的滚动表面的端部接收高载荷，使得在滚道表面的一部分中，与滚子的接触压力是高的(称为边缘载荷)。因此，滚子轴承的滚动疲劳寿命取决于滚道表面的、接收高载荷的该部分的寿命。
问题的解决方案
在本发明的第一实施例中，一种用于获得用于环形滚子轴承的轴承圈的热处理方法，所述热处理方法包括：(A)将淬火工艺应用于由高碳铬轴承钢制成并且具有在轴向方向上变化的厚度的环形的工件；(B)将回火工艺应用于被淬火的所述工件，以使所述工件完全浸泡在冷却液中，并在所述工件被浸泡在所述冷却液中的状态下感应加热所述工件；和(C)将精整工艺应用于被回火的所述工件。所述工艺(B)：(B1)以如下方式实施，所述方式使得所述工件根据厚度被沿所述轴向方向分成多个块，并且其中厚度较厚的所述块以比较薄的所述块低的频率被感应加热；(B2)在如下状态下实施：在浸泡有所述工件的所述冷却液中产生所述冷却液的流动，从而将所述冷却液收集到形成有所述工件的第一滚道表面的部分。
根据第一实施例，由于工件在被浸泡于冷却液体中的状态下通过感应加热实施回火工艺，因此在回火工艺期间，工件的内部温度高于表面温度。因此，能够获得用于滚子轴承的轴承圈，该轴承圈具有内层部和围绕周边的表面层部，并且表面层部的表面比内层部更硬。此时，由于工件根据厚度被分成多个块，并且根据满足其厚度的条件将块分别感应加热，因此能够避免由厚度差异而引起的加热不均匀的发生。
此外，由于回火工艺是在工件被浸泡于冷却液中的状态下实施的，所以内部温度高于表面温度。因此，将体积收缩小的低温回火工艺应用于工件的表面层侧。将体积收缩大的高温回火工艺应用于内部部分。将压缩残余应力赋予了通过体积收缩的差异获得的、用于滚子轴承的轴承圈的滚道表面。
此外，在浸泡有所述工件的所述冷却液中产生冷却液的流动以将冷却液收集到形成有工件的第一滚道表面的部分的状态下，实施上述回火工艺。因此，在回火工艺中，将形成第一滚道表面的部分以高于其他部分的冷却能力冷却。作为结果，所形成的第一滚道表面具有比其他部分的压缩残余应力高的压缩残余应力。
通过使用利用上述热处理方法获得的用于滚子轴承的轴承圈，能够提供优异的滚动疲劳寿命的滚子轴承。
在本发明的第二实施例中，在所述工艺(B)中，使用注射所述冷却液的注射喷嘴，并且所述注射喷嘴的注射开口与形成有所述第一滚道表面的所述部分对置，以从所述注射开口将所述冷却液注射到形成有所述第一滚道表面的所述部分。
在这种情形中，通过从注射喷嘴注射的冷却液，能够在浸泡有所述工件的所述冷却液中有效地产生冷却液的流动，从而将冷却液收集到形成第一滚道表面的部分。因此，形成第一滚道表面的部分被特别适合地利用高于其他部分的冷却能力来冷却。
在本发明的第三实施例中，在所述(B1)中，对所述块分别进行感应加热的频率f被以如下方式设定，使得由下述表达式(1)表示的每一个块的厚度T(mm)与电流穿透深度δ(mm)的比率满足下述不等式(2)。
Figure BDA0001941288050000041
ρ是所述工件在20℃时的比电阻(μΩ·mm)，μ是相对磁导率，并且f是所述感应加热的频率(Hz)。
1.5＜＝T/δ＜＝4.0……(2)
在这种情形中，对工件加热而不存在不均匀性，并且将高压缩残余应力更适合地施加到表面层部。
在本发明的第四实施例中，所述工件包括内层部、表面层部、第一滚道表面和第二滚道表面，所述表面层部包围所述内层部的周边的整个部分，并且所述表面层部在表面上具有比所述内层部的维氏硬度高的维氏硬度，所述第一滚道表面具有压缩残余应力，并且所述第一滚道表面包括与滚子的滚动表面的在轴向方向上的至少一端形成接触的部分，所述第二滚道表面具有比所述第一滚道表面的压缩残余应力低的压缩残余应力。所述厚度在所述轴向方向上变化。
热处理装置甚至能够在没有不均匀性的情况下加热其厚度在轴向方向上变化的工件。此外，热处理装置能够以高冷却能力仅冷却工件的特定部分。因此，该热处理装置适用于在本发明的热处理方法中实施回火工艺的装置。
在本发明的第五实施例中，在第四实施例的热处理装置中，注射喷嘴的注射开口优选地被布置成与工件对置。
在这种情形中，能够将工件的一部分更有效地冷却。
发明的有利效果
根据本发明，能够廉价地提供优异的滚动疲劳寿命的用于滚子轴承的轴承圈。
附图说明
图1是圆锥滚子轴承的主要部分的截面视图。
图2是图1中所示的圆锥滚子轴承的内圈的主要部分的截面视图。
图3是用于获得图2中所示的内圈的热处理方法的工艺视图。
图4是解释图3中所示的淬火工艺和回火工艺的工艺视图。
图5是示意性地示出在第一实施例中工件和加热部件之间的关系的视图。
图6是示出厚度T(mm)与电流穿透深度δ(mm)的比率(T/δ)和压缩残余应力之间的关系的概要的曲线图。
图7(a)是示出根据第一实施例的热处理装置的示意性解释视图。图7(b)是图7(a)的主要部分的放大视图。
图8是示出根据第二实施例的热处理装置的主要部分的放大视图。
图9是示出实例1中的热处理条件的图。
图10是示出比较例1中的热处理条件的图。
图11是示出比较例2中的热处理条件的图。
图12是示出比较例3中的热处理条件的图。
具体实施方式
现在，首先，将描述能够通过使用本发明的热处理方法和热处理装置获得的用于滚子轴承的轴承圈的一个实例和使用用于滚子轴承的轴承圈的滚子轴承的一个实例。
本发明的热处理方法是用于获得轴承圈的热处理方法，该轴承圈用于厚度在轴向方向上变化的滚子轴承。这里，将作为实例描述用于圆锥滚子轴承的轴承圈。
(圆锥滚子轴承)
图1是圆锥滚子轴承的主要部分的截面视图。
圆锥滚子轴承1包括：内圈10、外圈20、多个圆锥滚子30、和保持器40，该内圈10具有在外周边中形成有锥形表面的内圈滚道表面11，该外圈20具有在内周边中形成有锥形表面的外圈滚道表面21，该多个圆锥滚子30具有在外周边中形成有锥形表面的滚动表面31并且被布置成在滚道表面11和21两者之间自由滚动，该保持器40在圆周方向上以规定的间隔保持该多个圆锥滚子30。内圈10、外圈20和圆锥滚子30以高碳铬轴承钢(诸如JIS、SUj2、JISSUJ3)形成。
在圆锥滚子轴承1中，圆锥滚子30的滚动表面31分别与内圈滚道表面11和外圈滚道表面21形成滚动接触。此时，圆锥滚子30的滚动表面31在边缘部31a和31b中对滚动表面31的滚子端面32和33(滚子表面31在轴向方向上的两个端部)的高接触压力下与内圈滚道表面11和外圈滚道表面21形成接触，从而在边缘部31a和31b附近产生所谓的边缘载荷。
特别地，在圆锥滚子轴承1的内圈10侧中，滚动表面31的大直径侧的边缘部31a和内圈10的内圈滚道表面11的接触压力是高的。
(用于圆锥滚子轴承的轴承圈)
图2是图1所示圆锥滚子轴承的内圈的主要部分的截面视图。
图2所示内圈10具有内层部15和包围内层部15的周边的整个部分的表层部14。表层部14被形成为具有相对地高于内层部15的维氏硬度(维氏硬度参考)的维氏硬度。因此，内圈10的抗挤强度和耐冲击性是优异的。
在本说明书中，“维氏硬度”指的是：作为通过将维氏挤压部件施加到用于滚子轴承的轴承圈的表面(例如，内圈)或施加到通过沿径向方向切割的用于滚子轴承的轴承圈而形成的切割表面而测量的值。
内层部15具有由回火马氏体制成的织构或由索氏体制成的织构。此外，内层部15具有450HV或更高的并且低于550HV的维氏硬度。因此，确保了优异的抗挤强度和耐冲击性。
表层部14被形成为包围内层部15的周边的整个部分，并且具有由回火马氏体制成的织构和维氏硬度高于内层部15的维氏硬度的表面。表层部14具有维氏硬度为700HV或更高的并且低于800HV的表面。因此，确保了优异的耐冲击性和长的滚动疲劳寿命。
表层部14的维氏硬度可以从表层部14的表面朝向内层部15逐渐降低。
表层部14包括：滚道部16、非滚道部17A、和非滚道部17B，该滚道部16以与圆锥滚子30形成滚动接触的内圈滚道表面11作为表面，该非滚道部17A以内圈10的内周表面12作为表面，该非滚道部17B以颈圈部18的表面和内圈10的侧表面13作为表面的一部分。
表层部14(滚道部16、非滚道部17A、17B)优选地具有位于上述范围内的表面的维氏硬度。此外，表面层部优选地具有规定深度的区域，该规定深度的区域从表面朝向内层部15具有700HV或更高的维氏硬度(以下将其称为高硬度表面层(见图2中的斜线部分。该斜线部分被示意性地示出以解释高硬度表面层的深度，并且不一定示出高硬度表面层的实际尺寸))。
当使用内圈10时，滚道部16中的高硬度表面层的深度d1优选地满足相对于最大剪切应力深度Z0的下述不等式(3)。
3Z0＜＝d1＜8Z0……(3)
当上述深度d1小于最大剪切应力深度Z0的三倍时，表面的疲劳强度可能会被降低成降低内圈10的滚动疲劳寿命。另一方面，当上述深度d1是最大剪切应力深度Z0的八倍或更高时，可能会减小由比表面更加柔软的织构制成的区域占据的比率。因此，内圈10的韧性可能不足。
当使用用于滚子轴承的轴承圈时，最大剪切应力深度Z0根据额定载荷而不同，然而，该深度通常为约1至0.2mm。
在与方面，非滚道部17A中的高硬度表面层的深度d2和非滚道部17B中的高硬度表面层的深度d3都优选地满足与内圈10在径向方向上的最大厚度x的比率(d2/x、d3/x)的下述不等式(4)。
0.02＜(d2/x，d3/x)＜＝0.04……(4)
以这种方式，适当地确保了足够的抗挤强度和耐冲击性。
滚道部16包括第一滚道部16A和除第一滚道部16A之外的第二滚道部16B，该第一滚道部16A被设置成包括在其中与圆锥滚子30的滚动表面31的接触压力高的部分(边缘载荷部分)。
第一滚道部16A的压缩残余应力和表面(第一滚道表面11A)的维氏硬度这两者均高于第二滚道部16B的压缩残余应力和表面(第二滚道表面11B)的维氏硬度。因此，增强了第一滚道部16A的机械特性，并且延长了使用内圈10的圆锥滚子轴承的滚动疲劳寿命。
第一滚道表面11A的压缩残余应力优选为300MPa或更高。因此，内圈10更加难以破裂，从而内圈适合地实现了滚动疲劳寿命的延长。
考虑到实现更长的寿命，第一滚道表面11A的压缩残余应力更优选为340MPa或更高。
另一方面，第一滚道表面11A的压缩残余应力的上限不受特别限制。然而，当压缩残余应力太高时，拉伸残余应力的极值产生，或由于塑性变形而形成脆弱的织构。因此，该上限优选为1000MPa。
第二滚道表面11B的压缩残余应力优选为50MPa或更高，这适合于延长滚动疲劳寿命。
另一方面，在第二滚道表面11B的压缩残余应力中，其上限不受特别限制，只要压缩残余应力低于第一滚道表面11A的压缩残余应力即可。
在内圈10的滚道部16中，第一滚道部16A的轴向长度L1优选为圆锥滚子30的滚子宽度L2(见图1)的10％至30％。
当上述长度L1小于滚子宽度L2的10％时，在本发明的热处理方法中，不容易将第一滚道表面11A定位成确实地在边缘载荷部分中形成。另一方面，当长度L1超过滚子宽度L2的30％时，难以将超过250MPa的高压缩残余应力施加到第一滚道表面11A。
在这样的内圈10中，其压缩残余应力高的第一滚道表面11A被设置在包括在其中与锥形滚子30的接触压力高的边缘载荷部分的位置中。因此，使用内圈10的滚子轴承的滚动疲劳寿命是优异的。
(其他)
在内圈10中，在滚道表面11的大直径侧(图2中的右侧)中，设置了具有高压缩残余应力的第一滚道表面11A。另一方面，如上所述，在圆锥滚子轴承中，可以在圆锥滚子在轴向方向上的两个端侧中产生边缘载荷部分。因此，在内圈10中，可以将第一滚道表面设置在滚道部16的大直径侧和小直径侧的两个位置中。
在圆锥滚子轴承中，在圆锥滚子的大直径侧中产生的边缘载荷部分中的接触压力通常高于在小直径侧中产生的边缘载荷部分中的接触压力。因此，即使在其中将第一滚道部16A设置在大直径侧的一个位置中的内圈10中，也能够令人满意地延长滚动疲劳寿命。
在本发明的实施例中获得的、用于滚子轴承的轴承圈不限于圆锥滚子轴承的内圈，并且可以是用于圆锥滚子轴承的外圈。此外，当用于滚子轴承的轴承圈是其厚度在轴向方向上变化的这种轴承圈时，例如，可以采用用于诸如自动调心滚子轴承的轴承的轴承圈。
此外，在本发明的实施例中获得的、用于滚子轴承的轴承圈中，当用于滚子轴承的轴承圈具有沿着轴向方向变化的厚度时，该厚度不受特别限制。然而，本发明的热处理方法被优选地并且适当地应用于用于这样的滚子轴承的轴承圈，在该滚子轴承中，在滚道表面中的最小厚度是5mm或更大并且在滚道表面中的最小厚度(图5中的Tmin)和最大厚度(图5中的Tmax)之间的差异是2mm或更大。
(第一实施例)
现在，在本发明的实施例中，下面将作为实例描述制造内圈10的情形。
图3是用于获得图2所示的内圈的热处理方法的工艺视图。图4是解释图3所示的淬火工艺和回火工艺的工艺视图。
首先，制造由上述高碳铬轴承钢材料形成的环形工件W1(见图3(a))。然后，将切削加工应用于所获得的环形工件W1以制造规定的形式，并且实施前加工以获得具有与内圈滚道表面11、内周表面12、和侧表面13相对应的部分的工件W2(见图3(b))。
然后，将淬火工艺(见图3(c)和4(a))应用于所获得的工件W2。
在淬火工艺中，在淬火工艺之后的整个工件部分优选地被均匀地加热，并且然后被淬火，使得整个部分由马氏体制成，并且不完全淬火的织构(精细珠光体)是5％或更少。当上述不完全淬火的织构超过5％时，所获得的内圈10的硬度可能不足，从而使滚动疲劳寿命短。淬火工艺的方法不受特别限制，并且能够采用诸如高频淬火、穿透硬化等方法。
淬火工艺能够在例如将工件W2在810至850℃的淬火温度下加热0.5至2小时并且快速冷却的条件下实施。
从确保令人满意的淬火性能的观点来看，淬火温度优选为820℃或更高，并且从防止晶粒粗糙化的观点来看，淬火温度优选为840℃或更低。
从部件被均匀加热的观点来看，加热时间优选为0.5小时或更长，并且从防止晶粒粗糙化的观点来看，加热时间优选为1.5小时或更短。
例如，通过在冷却油的油浴中进行油冷却来进行快速冷却。冷却油的油浴温度通常是60至180℃。
随后，将回火工艺应用于对其应用了淬火工艺的工件W2，以获得中间工件W3(见图3(d)、图4(d))。
以这样的方式实施回火工艺：使得在工件W2被浸泡在冷却液中的状态下通过感应加热将工件2加热规定的时间，并且然后，例如，在冷却液中冷却工件W2。可以将工件2以这样的方式冷却：将被感应加热的工件W2从冷却液取出，并且然后空气冷却或散热。
在回火工艺中，因为工件W2在工件W2被浸泡在冷却液中的状态下被加热，如图4(b)所示，所以工件W2的表面的回火温度(见图4中的“表面温度A”)能够被设定为低于工件W2的内部的回火温度(见图4中的“内部温度B”)的温度。
在回火工艺中，因为上述表面温度A被设定为低于内部温度B的温度，所以能够形成具有适合于获得耐冲击性的硬度的内层部。除此之外，由于在上述条件下实施回火工艺，因此能够在回火工艺期间抑制所保留的奥氏体的量的减少，并且能够增加压缩应力。
此时，将表面温度A和内部温度B之间的差异(内部温度B-表面温度A)优选地设定为40℃或更高，这适合于获得具有规定的内层部15和表层部14的内圈10。
将表面温度A和内部温度B之间的上述差异(内部温度B-表面温度A)优选地设定为600℃或更低。当该差异超过600℃时，担心在工件W2中可能出现裂缝。
此外，在回火工艺中，将回火时间(见图4中的“回火时间t”)优选地设定为20秒或更短。因此，能够赋予工件W2足够的压缩残余应力。更优选地，回火时间是18秒或更短。
从抑制加热不均匀的出现以及稳定内圈的质量的观点来看，将上述回火时间t优选地设定为2秒或更长，更优选地设定为3秒或更长。
在本实施例中，“回火时间”意味着在感应加热期间的通电时间。
将回火工艺的特定温度优选地调节，使得表面温度为160至290℃，并且内部温度为320至715℃。
从确保滚子轴承的滚动疲劳寿命的观点来看，将上述表面温度优选地设定为275℃或更低。从确保耐冲击性的观点来看，上述内部温度更优选为365℃或更高，并且进一步优选为450℃或更高。另外，从确保抗挤强度的观点来看，575℃或更低是优选的。当内部温度为450至575℃时，能够确保长的滚动疲劳寿命和高的耐冲击性，并且更优选地并且适当地确保了高的抗挤强度。
在本实施例中，表面温度指示在其中形成有工件W2的第二滚道表面的部分的温度。此外，表面温度和内部温度能够由K型热电偶测量。
在回火工艺中，将工件2根据厚度沿轴向方向分成多个块。将较厚的块以低于较薄的块的频率感应加热。图5是示意性地示出工件和加热部件之间的关系的视图。
在该实施例中，如图5中所示，在其中形成有工件W2的滚道表面11的部分(在下文中称为滚道表面形成部分)111的在径向方向上的内部部分根据厚度(滚道表面形成部分111和工件W2的内周表面112的径向尺寸)沿着轴向方向被分成三个块C1至C3。此外，在被分成三个块C1至C3的工件W2的外部部分中，分别对应于块的三个感应加热线圈103a至103c被布置成通过感应加热线圈103a至103c感应加热工件W2。在这种情形中，感应加热线圈103a主要加热最薄的块C1。感应加热线圈103b主要加热第二较薄的块C2。感应加热线圈103c主要加热最厚的块C3。此时，感应加热线圈103a被布置成还加热小于工件W2的块C1的直径侧的一部分(小直径侧的颈圈部在径向方向上的内部部分)D1。感应加热线圈103c被布置成还加热大于工件W2的块C3的直径侧的一部分(大直径侧的颈圈部在径向方向上的内部部分)D2。
在块C1至C3中，分别以低于较薄的块的频率感应加热较厚的块。即，将块C3以低于块C2的频率加热。将块C2以低于块C1的频率加热。因此，能够在优选的温度条件下加热工件2而不存在加热的不均匀。
用于分别加热块C1至C3的频率f可以分别根据例如电流穿透深度δ(mm)和块C1至C3的厚度确定。对于频率f，每一个块C1至C3的厚度T(mm)与电流穿透深度δ(mm)的比率(T/δ)优选地满足下述不等式(2)。
1.5＜＝T/δ＜＝4.0……(2)
上述电流穿透深度δ(mm)由下述的表达式(1)表示。
δ＝5.03√ρ/μf......(1)
(在该表达式中，ρ表示比电阻(μΩ·mm)，μ表示相对磁导率，并且f表示感应加热的频率(Hz))和与频率f相关的值和感应加热条件的指数。
在本实施例中，当以上述T/δ满足上述不等式(2)的方式设定频率f时，足够的压缩残余应力被适当地施加到内圈10的滚道表面11。
当上述T/δ小于1.5时，由于电流穿透深度δ太大，电流在工件W2中彼此干扰，因此工件W2的内部部分可能不会被充分加热。
另一方面，当T/δ超过4.0时，由于电流穿透深度δ对于工件的厚度而言太小，因此在这种情形中工件2的内部也可能不会被完全加热。
然后，当工件的内部部分未被充分加热时，在所获得的内圈10中，滚道表面11的压缩残余应力是低的。
图6是示出厚度T(mm)与电流穿透深度δ(mm)的比率(T/δ)和压缩残余应力之间的关系的概要的曲线图。
当实施回火工艺时，其中工件在工件被浸泡在冷却液中的状态下被感应加热，如果上述T/δ太小或太大，如图6所示，则在回火工艺之后在工件的表面上的压缩残余应力是低的。
与此相比，当工件W2被分成多个块C1至C3以实施回火工艺时，如果在块的感应加热条件中分别以上述T/δ满足上述不等式(2)的方式设定频率f，则能够将足够的压缩残余应力(例如，300MPa或更高)施加到所获得的内圈10的滚道表面11。
当根据上述不等式(2)设定频率f时，对于块C1至C3的厚度T，可以以这样的方式设定频率f，使得块中的平均厚度满足上述不等式(2)，或者可以以这样的方式设定频率f，使得在块中的最小值到最大值的所有范围分别满足上述不等式(2)。
对于当实施感应加热时，感应加热线圈103a至103c的输出：将较厚的块优选地设定为以高于较薄的块的输出感应加热。即，将块C3以高于块C2的输出感应加热。将块C2优选地以高于块C1的输出感应加热。在这种情形中，块的表面温度和内部温度分别在上述回火温度下被适当地加热相同的回火时间。
回火温度可以通过例如改变回火时间、或者通过调节用于感应加热线圈103a至103c中的每一个的电流的通电时间来调节。
上述回火工艺可以通过使用例如下述的热处理装置来进行。
图7(a)是示出根据本实施例的热处理装置的示意性解释视图。图7(b)是图7(a)的主要部分的放大视图。
图7所示的热处理装置100包括：在其中设定有环形工件(待热处理的工件)W2以将热处理应用于工件W2的处理容器101、保持工件W2的保持夹具102、被布置在工件W2的外周侧中从而包围工件W2以感应加热工件W2的加热部件103、存储在处理容器101中以冷却工件W2的冷却液105、将冷却液105注射到工件W2的注射喷嘴106、和将冷却液105供给到注射喷嘴106和处理容器101的供给管107A和107B。
处理容器101是圆环形容器，其具有能够存储冷却液105的底部，并且包括圆柱形内壳101A和圆柱形外壳101B。形成处理容器101的上述容器由电绝缘陶瓷或电绝缘合成树脂形成。以这种方式，由于热处理装置100以电绝缘陶瓷或电绝缘合成树脂形成的容器作为处理容器101，因此能够抑制热处理装置100自身被加热。
容器的尺寸能够根据热处理装置100的用途和工件W2的尺寸等被适合地设定。
在处理容器101中存储冷却液105。在处理容器101中，设置了将多余的冷却液105排出到外部的排出口108。
在处理容器101中，工件W2被设定为被浸泡在冷却液105中。
保持夹具102包括夹具本体102a、以点接触方式承载工件W2的下表面的支撑部(第一支撑部)102b、和抑制工件W2的水平移动的支撑部(第二支撑部)102c。保持夹具102以点接触方式保持工件W2并且抑制工件W2的水平移动。此时，支撑部102c可以与工件W2形成接触，或者可以在工件W2和保持部之间形成最大约0.5mm的间隙。当提供上述间隙时，即使当工件W2在加热期间热膨胀时，也能够避免工件W2的表面被支撑部102c挤压。
支撑部102b和102c都是球形部件。因此，当工件W2与支撑部102b和102c形成接触时，所述两个支撑部都以点接触方式与工件W2形成接触。因此，抑制了从工件W2到支撑部102b和102c的热传导，从而能够防止工件W2的温度不均匀。此外，由于支撑部102b和102c几乎不能防止冷却液105对工件W2的冷却，因此能够防止由于冷却液不足导致的工件W2的过热。支撑部102b和102c的数目在平面图中可以在圆周方向上分别以相等的间隔为三个或更多，并且通常为大约三个到六个，并且优选地以相等的间隔为三个。
此外，保持夹具102由电绝缘陶瓷或电绝缘合成树脂形成。因此，能够抑制保持夹具102自身的加热或工件W2的表面温度的不均匀。
加热部件103包括被安装在外壳101B的外部的多个(例如，三个)感应加热线圈103a至103c和被安装在内壳101A的内部的中心芯部103d。如上已经描述地，感应加热线圈103a至103c被设置在分别对应于工件W2的根据厚度划分的块C1至C3的预定位置处。
感应加热线圈103a至103c被连接到控制部104。感应加热线圈103a至103c的加热条件诸如频率或输出由控制部104分别对于感应加热线圈独立地控制。
感应加热线圈103a至103c分别具有螺旋形式，其内径大于外壳101B的外径。
中心芯部103d是杆状部件，其外径小于内壳101A的内径并由硅钢形成。
在热处理装置100中，当电流以规定的频率被供给并被输出到感应加热线圈103时，工件W2能够被感应加热到期望的温度。
感应加热线圈103a至103c与中心芯部103d中的一个或两者可以被安装在处理容器101中。
在热处理装置100中，将感应加热线圈103a至103c以可拆卸的方式设置在处理容器101中。因此，热处理装置能够容易且快速地满足工件W2的尺寸或被划分的块在轴向方向上的尺寸的变化。
冷却液105可以是能够冷却工件W2的表面的液体。作为冷却液105，例如，可以列举水、油、水溶性聚合物。
作为上述油，例如，可以列举淬火油。
作为水溶性聚合物，例如，可以列举PAG(聚亚烷基二醇)等。水溶性聚合物能够作为被溶解在水中的水溶液使用。在这种情形中，水溶性聚合物在水中的混合量能够根据水溶性聚合物的种类被适当地设定。
从工件w2的表面被有效地冷却的观点来看，冷却液105的传热率优选为高的，并且更优选地，易于操作。
注射喷嘴106被附接到将冷却液105供给到处理容器101的供给管107A的端部。将多个注射喷嘴106沿着工件W2的圆周方向以规定的间隔设置。注射喷嘴106分别具有被布置成与工件W2的外周表面对置的注射开口106a。注射开口106a被布置成与形成工件W2的第一滚道表面的部分(图7(b)中的偏置线部分)靠近并对置。
在供给管107A中，设置了流量调节阀和压力调节阀(两者都未在图中示出)。因此，能够调节冷却液的供给条件。
在热处理装置100中，将通过供给管107A和107B供给的冷却液105储存在处理容器101中，并且将过量冷却液105从排出口108排出。
热处理装置100可以具有将排出的冷却液105再次供给到处理容器101的循环路径(未在图中示出)。
此外，热处理装置100设置有必要的部件，诸如感应加热所需的电源、匹配装置、用于控制冷却剂温度的温度调节部件等，这些未在图中示出。
此外，热处理装置100可以具有在加热期间使工件W2在轴线上旋转的机构。
在使用上述热处理装置100的回火工艺中，如上所述，在工件W2被浸泡在冷却液105中的状态下，将工件W2设置在处理容器101中以感应加热工件W2。
此时，如上已经描述地，在根据厚度将工件W2分成多个块之后在分别满足块的条件(频率和输出)下，实施通过加热部件103的感应加热。
此外，在存储于处理容器101中的冷却液105中，将感应加热在产生冷却液105的流动从而将冷却液105收集到工件W2的、形成第一滚道表面11A的部分的状态下实施。
具体地，可以将感应加热以这样的方式实施：使得将冷却液105在来自多个注射喷嘴106的注射开口106a的射流注射下朝向形成第一滚道表面11A的部分供给。因此，工件W2的、形成第一滚道部16A的部分能够通过比其他部分更高的冷却能力来冷却。因此，比第二滚道表面11B的压缩残余应力更高的压缩残余应力能够被施加到经由后处理完成的内圈10的第一滚道表面11A。
此外，当采用该方法时，也能够将低于第一滚道表面11A的压缩残余应力施加到内圈10的第二滚道表面11B。
在来自注射喷嘴106的冷却液105的射流注射期间供给的冷却液105的供给量取决于注射喷嘴106的数目、工件W2的形式或尺寸、冷却液的冷却能力等，然而，冷却液的供给量可以被设定为例如8至80L/min。
此外，从注射喷嘴106供给的冷却液105的温度取决于工件W2的形式或尺寸、冷却液的冷却能力等，然而，该温度可以被设定为例如5到80℃。
最后，在回火工艺之后的中间工件W3中，将精整工艺(诸如抛光加工)应用于(见图3(e))对应于内圈滚道表面11的部分。
能够通过上述工艺获得内圈10(用于滚子轴承的轴承圈)。
(第二实施例)
除了在应用回火工艺时使用的热处理装置的结构不同之外，本实施例与第一实施例相同。因此，这里，下面仅描述在本实施例中使用的热处理装置。
图8是示出根据本实施例的热处理装置的主要部分的放大视图。
除了如图8所示得注射喷嘴206的附接方向不同之外，热处理装置200具有与图7(a)和图7(b)所示的热处理装置100相同的结构。在热处理装置200中，与热处理装置100相同的部件使用与热处理装置100的那些相同的附图标记表示。
在热处理装置200中，将附接到供给管107A的端部的注射喷嘴206以这样的方式布置，使得注射喷嘴206的注射开口206a与位于工件W2的外周侧中的外壳101B的内壁表面对置，并且通过从注射喷嘴206的注射开口206a以射流注射供给的冷却液105在位于工件W2的外周侧中的外壳101B的内壁表面上反射，并且被导向在其中形成有工件W2的第一滚道表面11A的部分。
在使用热处理装置200的回火工艺中，可以将工件W2以这样的方式安装在处理容器101中，使得工件W2被浸泡在冷却液105中，如在使用热处理装置100的情形中那样，并且冷却液105可以通过从多个注射喷嘴206的注射开口206a以射流注射供应。在这种情形中类似地，工件W2能够在产生冷却液105的流动从而将冷却液105收集到在其中形成有工件W2的第一滚道表面11A的部分的状态下被加热。
因此，在其中形成有工件W2的第一滚道部16A的部分能够被以高于其他部分的冷却能力来冷却。
结果，当使用热处理装置200时，比第二滚道表面11B的压缩残余应力更高的压缩残余应力也能够被施加到经由后处理完成的内圈10的第一滚道表面11A。此外，低于第一滚道表面11A的压缩残余应力也能够被施加到内圈10的第二滚道表面11B。
在本实施例中，对于当通过从注射喷嘴206以射流注射供给冷却液105时，冷却液105的供给量或冷却液105的温度，能够采用与当使用热处理装置100时的那些相同或相似的条件。
(其他实施例)
根据第一和第二实施例，在回火工艺中，工件W2的滚道表面形成部分111在径向方向上的内部部分被分成三个块。然而，当根据厚度将工件W2分成多个块时，可以将工件W2分成两个块或者分成四个块或更多个块。
此外，当工件W2被分成多个块时，块的轴向尺寸不需要分别相同。
在本发明的实施例中，如上已经描述地，能够获得内圈10，其中第一滚道表面被设置在滚道部16的大直径侧和小直径侧的两个部分中。
当获得这样的内圈10时，例如，可以使用具有注射喷嘴的热处理装置实施上述回火工艺，该注射喷嘴以这样的方式设置，使得产生了冷却液的流动，从而分别将冷却液收集到在其中形成有两个位置的第一滚道表面的部分。
在根据第一和第二实施例的热处理装置100和200中，加热部件103包括被设置在工件W2内部的中心芯部103d。然而，代替中心芯部103d，本发明的实施例的热处理装置可以具有对应于在工件W2的内部部分中的感应加热线圈103a至103c的多个感应加热线圈。
现在，将参考实例研究本发明的操作效果。本发明的实施例不限于下面描述的实例。
(实例1)
由SUJ2制成的钢材制造环形工件。对所获得的环形工件进行切削加工以制造成规定的形式并获得用于内圈的工件(外径：110mm，在滚道表面形成部分111中的最大厚度Tmax和最小厚度Tmin(见图5)分别为Tmax＝9mm和Tmin＝3mm)。然后，在表格1和2以及图9所示的热处理条件下，将淬火工艺和回火工艺应用于所获得的工件之后，对其进行抛光加工以获得用于轴承的内圈的测试件(型号：相当于385)。
这里，通过使用气氛热处理炉实施淬火工艺，并且通过使用图7所示的热处理装置100实施回火工艺。
图9是示出实例1中的热处理条件的图。
在本实例中，如图9所示，工件在830℃被加热0.5小时以淬火整个部件，并且然后工件被油冷却至80℃。
之后，工件被设置在图7中所示的热处理装置100中以实施回火工艺。
在上述回火工艺中，工件沿着轴向方向被分成下述三个部分(i)至(iii)，并且块在不同的加热条件下被分别感应加热。
具体地，(i)将工件分成中间块C2，中间块C2在滚道表面形成部分111中厚度为5mm或更大且小于7mm、(ii)薄块C1，薄块C1厚度为3mm或更大并且直径侧的部分D1小于薄块C1、和(iii)厚块C3，厚块C3厚度为7mm或更大且9mm或更小并且直径侧的部分D2大于厚块C3(见图5)。通过使用表格2所示的被分别安装在块(i)至(iii)外部的感应加热线圈103a至103c的频率和输出作为条件，块被感应加热5秒。对于块C1至C3的上述T/δ在表格2中一起示出。
此外，经淬火的工件在被浸泡在25℃的水(冷却液)中的状态下实施回火工艺。此时，在开始加热的同时，以20L/min的流量从注射喷嘴106射流注射冷却水。
在上述回火工艺中，在感应加热期间在形成有第一滚道表面的部分的温度(在实例/比较例的解释中将其简称为第一滚道表面的温度)t1为145℃。在其中形成有第二滚道表面的部分的温度(在实例/比较例的解释中将其简称为第二滚道表面的温度)t2为195℃。内层部的一部分的温度(在实例/比较例的解释中将其简称为内部温度)t3为480℃。
第一滚道表面的温度t1在第一滚道表面上在轴向方向上的中心部中测量(见图2中的P)。第二滚道表面的温度t2在第二滚道表面上在轴向方向上的中心部中测量(见图2中的Q)。内部温度t3在一个位置(见图2中的R)处测量，该位置在当工件沿着径向方向被切割时形成的切割截面(见图2)中从在滚道表面上在轴向方向上的中心部朝向在径向方向上的内侧进入该部分的厚度的1/2的部分处。
(实例2、3)
除了在回火工艺期间从注射喷嘴106注射的冷却水射流的流量如表格2所示改变之外，内圈的测试件以与实例1相同的方式获得。
此外，实例中的回火温度(第一滚道表面的温度t1、第二滚道表面的温度t2、和内部温度t3)分别在表格1中示出。
(比较例1)
除了在图10所示条件下使用回火炉实施回火工艺之外，用于内圈的测试件以与实例1相同的方式获得。
图10是示出比较例1中的热处理条件的图。在比较例1中，工件在830℃被加热0.5小时以淬火整个部件，并且然后工件被油冷却至80℃。之后，工件在180℃(滚道表面的温度t2和内部温度t3都为180℃)被加热1.5小时以实施回火工艺。
在与实例1中的第二滚道表面的温度相同的位置处测量滚道表面的温度。
(比较例2)
以与实例1相同的方式获得由SUJ2制成的用于内圈的工件。
然后，在其中碳势为1.1并且氨气浓度为6体积％的碳氮共渗气氛中，在图11中所示的热处理条件下，将碳氮共渗淬火工艺应用于所获得的工件。之后，将与比较例1相同的回火工艺应用于此，并且应用抛光加工以获得用于轴承的内圈的测试件(型号：相当于385)。
图11是示出比较例2中的热处理条件的图。在比较例2中，工件在840℃被加热4小时以实施碳氮共渗淬火工艺，并且然后工件被油冷却至80℃。之后，工件在180℃被加热1.5小时以实施回火工艺。
(比较例3)
环形工件由SAE4320制成的钢材制造。将切削加工应用于所获得的环形工件以制造成规定的形式，并且获得具有与实例1相同尺寸的用于内圈的工件。然后，在图12中所示的热处理条件下通过使用气氛热处理炉，对所获得的工件实施淬火工艺。然后，将与比较例1相同的回火工艺应用于工件，并且然后对其应用抛光加工，以获得用于轴承的内圈的测试件(型号：相当于385)。
图12是示出比较例3中的热处理条件的图。在比较例3中，工件在850℃被加热5小时以实施淬火工艺，并且然后，工件被油冷却至80℃。之后，工件在180℃被加热1.5小时以实施回火工艺。
(比较例4至6)
除了在回火工艺期间感应加热的条件(频率和输出)如表格2所示改变、并且不实施通过使用注射喷嘴106的冷却水的射流注射之外，将整个工件部分以相同的频率加热，以与实例1相同的方式获得用于内圈的测试件。
(比较例7、8)
除了在回火工艺期间感应加热的条件(频率和输出)如表格2所示改变并且在回火工艺期间从注射喷嘴106射流喷射的冷却水的流率被设定为表格2所示的流量之外，整个工件部分被以相同的频率加热，以与实例1相同的方式获得用于内圈的测试件。
(比较例9至10)
除了如表格2所示设定在回火工艺期间感应加热的条件(频率和输出)、并且不实施通过使用注射喷嘴106的冷却水的射流注射之外，以与实例1相同的方式获得用于内圈的测试件。
[表格1]
Figure BDA0001941288050000261
Figure BDA0001941288050000271
(测试件的评估)
对于实例1至3和比较例1至10的测试件，研究了滚道表面(第一滚道表面和第二滚道表面)的维氏硬度、内层部的硬度、压缩残余应力、滚动疲劳寿命、抗挤强度、夏比冲击值、和成本。此外，通过光学显微镜分别观察了内圈的表面层部和内层部的织构。
通过将维氏挤压部件施加到在滚道表面(每一个内圈的测试件的第一滚道表面和第二滚道表面)中在轴向方向上的中心部来测量滚道表面的维氏硬度。
作为内层部的硬度，通过将维氏挤压部件施加到一个位置设定了该硬度，该位置在当测试件沿着径向方向被切割时形成的切割截面(见图2)中从在滚道表面上在轴向方向上的中心部朝向在径向方向上的内侧进入该部分的厚度的1/2的部分处。
通过使用残余应力测量装置进行X射线衍射法来测量压缩残余应力。
通过进行径向型滚动疲劳寿命试验来测试滚动疲劳寿命。
将抗挤强度以这样的方式测量：使得内圈的测试件在圆周方向上的第一部分和在圆周方向上的从第一部分在圆周方向上移动180°的第二部分被Amsler试验机保持在径向方向上，并且测试件被移动，使得第一部分和第二部分以0.5mm/min的速度沿竖直于连接第一部分和第一部分的测试件的轴线的方向彼此靠近，并且因此，测试件变形并且断裂，并且当测试件断裂时测量径向载荷。
夏比冲击值根据JIS K7111-1测量。
这些结果在表格3中示出。滚动疲劳寿命、抗挤强度、和夏比冲击值被计算为比较例1的测量值的相对值。此外，在该表格中，“成本”中的圆形标记意味着数值等于或低于比较例1的内圈的评估数值。
[表格3]
Figure BDA0001941288050000301
如从表格3中所示的结果显而易见，根据本发明的实施例，能够获得用于圆锥滚子轴承的轴承圈(实例1至3)，该轴承圈具有在滚道表面中的压缩残余应力高的第一滚道表面。这种用于圆锥滚子轴承的轴承圈具有优异的抗挤强度和夏比冲击值，并且滚动疲劳寿命明显得到显著改善。
附图标记列表
1...圆锥滚子轴承
10...内圈
11...内圈滚道表面
11A...第一滚道表面
11B...第二滚道表面
12...内周表面
13...侧表面
14...表面层部
15...内层部
16...滚道部
16A...第一滚道部
16B...第二滚道部
17A、17B...非滚道部
18...颈圈部
20...外圈
21...外圈滚道表面
30...圆锥滚子
31...滚动表面
31a、31b...边缘部
32、33...滚子端面
40...保持器
100、200...热处理装置
101...热处理容器
101A...内壳
101B...外壳
102...保持夹具
103...加热部件
103a至103c...感应加热线圈
104...中心芯部
105...冷却液
106、206...注射喷嘴
107A、10B...供给管
108...排出口
W1...环形工件
W2...工件
W3...中间工件

Claims (4)

1.一种用于获得用于环形滚子轴承的轴承圈的热处理方法，所述环形滚子轴承包括内层部、表面层部、第一滚道表面和第二滚道表面，所述表面层部包围所述内层部的周边的整个部分，并且所述表面层部在表面上具有比所述内层部的维氏硬度高的维氏硬度，所述第一滚道表面具有压缩残余应力，并且所述第一滚道表面包括与滚子的滚动表面的在轴向方向上的至少一端形成接触的部分，所述第二滚道表面具有比所述第一滚道表面的压缩残余应力低的压缩残余应力，所述热处理方法包括：
(A)将淬火工艺应用于由高碳铬轴承钢制成并且具有在轴向方向上变化的厚度的环形的工件；
(B)将回火工艺应用于被淬火的所述工件，以使所述工件完全浸泡在冷却液中，并在所述工件被浸泡在所述冷却液中的状态下感应加热所述工件；和
(C)将精整工艺应用于被回火的所述工件，
其中所述工艺(B)：
(B1)以如下方式实施，所述方式使得所述工件根据厚度被沿所述轴向方向分成多个块，并且其中厚度较厚的所述块以比较薄的所述块低的频率被感应加热；
(B2)在如下状态下实施：在浸泡有所述工件的所述冷却液中产生所述冷却液的流动，从而将所述冷却液收集到形成有所述工件的第一滚道表面的部分；并且
被实施使得形成有所述第二滚道表面的部分的温度为160℃至290℃，并且待作为所述内层部的部分的温度为320℃至715℃。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，
其中在所述工艺(B)中，使用注射所述冷却液的注射喷嘴，并且所述注射喷嘴的注射开口与形成有所述第一滚道表面的所述部分对置，以从所述注射开口将所述冷却液注射到形成有所述第一滚道表面的所述部分。
3.一种用于环形滚子轴承的轴承圈的制造方法，所述环形滚子轴承包括内层部、表面层部、第一滚道表面和第二滚道表面，所述表面层部包围所述内层部的周边的整个部分，并且所述表面层部在表面上具有比所述内层部的维氏硬度高的维氏硬度，所述第一滚道表面具有压缩残余应力，并且所述第一滚道表面包括与滚子的滚动表面的在轴向方向上的至少一端形成接触的部分，所述第二滚道表面具有比所述第一滚道表面的压缩残余应力低的压缩残余应力，所述制造方法包括：
(A)将淬火工艺应用于由高碳铬轴承钢制成并且具有在轴向方向上变化的厚度的环形的工件；
(B)将回火工艺应用于被淬火的所述工件，以使所述工件完全浸泡在冷却液中，并在所述工件被浸泡在所述冷却液中的状态下感应加热所述工件；和
(C)将精整工艺应用于被回火的所述工件，
其中所述工艺(B)：
(B1)以如下方式实施，所述方式使得所述工件根据厚度被沿所述轴向方向分成多个块，并且其中厚度较厚的所述块以比较薄的所述块低的频率被感应加热；
(B2)在如下状态下实施：在浸泡有所述工件的所述冷却液中产生所述冷却液的流动，从而将所述冷却液收集到形成有所述工件的第一滚道表面的部分；并且
被实施使得形成有所述第二滚道表面的部分的温度为160℃至290℃，并且待作为所述内层部的部分的温度为320℃至715℃。
4.根据权利要求3所述的制造方法，
其中在所述工艺(B)中，使用注射所述冷却液的注射喷嘴，并且所述注射喷嘴的注射开口与形成有所述第一滚道表面的所述部分对置，以从所述注射开口将所述冷却液注射到形成有所述第一滚道表面的所述部分。
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