CN111094776B - 用于制造轴承构件的方法和轴承构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造轴承构件(1)的方法，其中轴承构件毛坯(2)具有基于铁的金属衬底(3)和转换层(4)，其中转换层(4)至少局部地施加在金属衬底(3)上并且具有初始层厚度db，其中形成基于氧化铁的发蓝处理层作为转换层(4)，发蓝处理层通过借助碱处理池对金属衬底(3)进行的处理而产生，其中将轴承构件毛坯(2)的金属衬底(3)硬化以获得轴承构件(1)，并且借助球形体(6)至少在转换层(4)的区域中滚压轴承构件毛坯(2)，其中转换层(4)在该区域中被压缩并且形成带有最终层厚度de的轴承构件(1)的保护层(8)，其中最终层厚度de小于初始层厚度db的95％。

Description

用于制造轴承构件的方法和轴承构件
技术领域
本发明涉及用于制造轴承构件的方法，其中轴承构件毛坯具有基于铁的金属衬底和转换层，其中转换层至少局部地形成在金属衬底上并且具有初始层厚度。本发明此外涉及轴承构件。
背景技术
轴承构件和滚动轴承可用于多种日常用品和工业用途，例如使用在风力发电机或车轮轴承中。此轴承构件具有使用寿命，其中使用寿命被理解为是指直至出现失效时的转数或运行时间。轴承构件的故障通常基于材料损坏和/或材料疲劳。此类材料损坏的常见现象是白蚀裂纹(英文：white-etching-cracks(白蚀裂纹)，缩写为WEC)。在现有技术中，通过施加钝化层来应对此早期疲劳现象，例如通过发蓝处理施加钝化层。但是，即使带有此钝化层的轴承构件也出现材料疲劳现象，特别是在开始的时候。
文献DE 10 2007 055 575 A1描述了一种滚动轴承的滚道元件，其中滚道元件具有至少一个滚动轨道，其中在滚动轨道上设有由钢制成的滚子体。滚道元件在此被构造为使得其在滚动轨道的表面下方的0至大约40微米的总深度范围内具有至少400兆帕的残余压应力。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于制造轴承构件的方法以及一种具有延长的使用寿命的轴承构件。特别地，用于制造轴承构件的方法旨在提供具有不易疲劳的保护层的轴承构件。
因此，根据本发明的用于制造轴承构件的方法的任务通过如下方式实现，即，使得轴承构件毛坯具有基于铁的金属衬底和转换层，其中转换层至少局部地构造在金属衬底上，并且具有初始层厚度，其中作为转换层形成基于氧化铁的发蓝处理层，发蓝处理层通过借助于碱性处理池的至少局部地处理金属衬底来产生。为了获得轴承构件，将轴承构件毛坯的金属衬底硬化，并且将轴承构件毛坯至少在转换层的区域中借助于球形体滚压，其中转换层在此区域中被压缩，并且形成带有最终层厚度的轴承构件的保护层，其中最终层厚度小于初始层厚度的95％。
特别地，轴承构件是滚动轴承或滑动轴承的构件，特别地是轴承环、滚道元件或滚子体。
轴承构件特别地基于轴承构件毛坯。轴承构件毛坯具有基于铁的金属衬底和转换层。转换层通过金属衬底的材料在其表面上的化学转化而构造出，特别是通过金属衬底在其表面上的氧化而构造出。基于铁的金属衬底特别地由钢或不锈钢形成，优选由轴承钢形成。轴承构件毛坯优选是车削的轴承构件毛坯、磨削的轴承构件毛坯和/或珩磨的轴承构件毛坯。
轴承构件毛坯具有转换层，其中转换层优选地完全覆盖轴承构件毛坯的表面。替代地，转换层部分地或区段地存在于轴承构件毛坯的表面上。转换层是发蓝处理层的形式的黑边缘氧化层。
补充地，转换层可以包括通过转换层的再处理而引入的有机材料，例如塑料。转换层具有初始层厚度。初始层厚度优选地在轴承构件毛坯的整个区域中是相同的。初始层厚度优选地大于0.5微米，特别地大于1微米。转换层可特别地塑性成形，并且优选地在通过滚压的塑性成形之后是形状稳定的。
轴承构件通过滚压轴承构件毛坯而由轴承构件毛坯获得，其中转换层至少局部地被滚压。在滚压时，转换层被施加力和/或压力。滚压时的压力特别地大于2000兆帕，优选地大于5000兆帕，并且特别地大于7000兆帕。
在滚压之后转换层形成轴承构件的保护层。因此，保护层由通过滚压而收到压缩且变平滑的转换层形成。轴承构件的保护层具有最终层厚度。特别地，保护层的最终层厚度在轴承构件的所有区域中是大小相同的。最终层厚度特别地小于1.8微米，优选地小于1.5微米，并且特别地小于1微米。转换层的滚压被实施为使得转换层被压缩，使得最终层厚度的厚度小于初始层厚度的95％，特别地也小于初始层厚度的90％，特别是小于初始层厚度的80％。
通过本发明提供了一种用于制造具有均匀地被压缩的且连续的保护层的轴承构件的方法。在轴承构件可确定的参数下，转换层的滚压例如是轻度磨合和/或人工磨合。然而，在现有技术中，在覆层的轴承构件的实际应用中当所描述的轴承构件被磨合时出现不具有的磨合，其中转换层并非在各处均匀地被压缩，并且因此保护层并非在各处均匀地形成。此外，可能出现的是轴承构件毛坯的转换层在安装时撞角(aneckt)和/或碰边，使得转换层被部分地破坏，并且在被破坏和/或被损坏的部分处更快地发生疲劳。但是，通过根据本发明的转换层的有目的的滚压，可以形成连续的、特别地均匀的保护层，并且因此可以提高轴承构件的长期稳定性。
转换层是基于铁的发蓝处理层，其优选地包含氧化铁，并且特别是包含混合铁氧化物。在此，为了形成发蓝处理层将先前硬化的基于铁的金属衬底表面氧化。此外可以规定，以有机材料再处理转换层，例如设有塑料覆层，例如由清漆或蜡制成的塑料覆层。但是，转换层也可以通过润滑剂浸渍，特别地可以存在油、脂或斥水性的介质。特别有利的是转换层是购自Hause Schaeffler公司的名称为
Figure GDA0003024208350000031
(混合铁氧化物，主要是四氧化三铁)的发蓝处理层。
金属衬底的硬化可以在此通过通常的硬化方法进行。特别是进行表面硬化，感应硬化，碳氮共渗，渗氮，渗碳，马氏体硬化或贝氏体硬化。已表明，在构造出发蓝处理层之前金属衬底的硬化使得通过滚压实现了发蓝处理层的特别均匀的压缩。
特别地规定，用于在发蓝处理层的滚压的球形体是流体静力的光滑压轧或强化压轧工具的组成部分。特别地，可以以如下方式运行流体静力压轧工具，使得在滚压时有目的地调节压力。此外可以规定，流体静力压轧工具的球形体在轴承构件毛坯的整个表面上滚动，其中，在此，流体静力压轧工具和/或轴承构件毛坯进行运动。
特别地，球形体通过硬质金属或陶瓷球形成。特别地，流体静力压轧工具被构造为带有硬质金属或陶瓷球作为球形体。特别地可以规定，压轧工具具有球，其中球是可更换的和/或压轧工具的球直径是可变的。例如，可以以不同直径的球来运行压轧工具，其中压轧工具中的球是可更换的，并且在更换时球直径可以改变。例如，球的直径大于2毫米或大于6毫米或大于13毫米。
特别优选的是，通过滚压来压缩转换层，使得保护层的硬度至少相应于转换层的硬度的120％。此外规定，保护层的硬度至少等于转换层的硬度的150％，并且特别地保护层的硬度至少等于转换层的硬度的200％。通过提高保护层的硬度，特别地增加了轴承构件的压轧可承载性。
此外，通过滚压不仅可以压缩转换层，而且可以降低转换层表面的粗糙度。特别地，在转换层被滚压时，表面被平滑，使得保护层具有比转换层更低的粗糙度。
特别优选的是通过滚压将转换层压缩，使得轴承构件至少在表面下方的保护层的区域中具有大于150兆帕、优选地大于250兆帕、并且特别地大于500兆帕的残余压应力。优选地规定，通过滚压使得转换层和/或轴承构件毛坯具有大于800兆帕，并且特别是大于1000兆帕的残余压应力。轴承构件和/或保护层的内应力特别地可通过压轧工具的球尺寸来调节。此外，内应力可以在滚压时通过冷却液压力来调节。滚压时的冷却液压力特别地大于10巴，并且特别是大于200巴。此外规定，冷却液压力小于450巴。
选择地规定，在滚压时无滑动地滚压轴承构件毛坯。此实施方案基于如下考虑，即在现有技术的带有转换层的轴承构件毛坯的通常的磨合时，在轴承构件毛坯的实际应用中发生滑动，其中由于滑动导致保护层的不均匀形成。因此，在有目的地滚压轴承构件毛坯时，通过受控的无滑动的磨合可以保证均匀地构造出保护层并且出现低的故障率。
本发明的一种实施方案规定，在滚压之前进行用于产生轴承构件毛坯的转换层的钝化步骤。在此钝化步骤中生成转换层，其中金属衬底的铁材料在表面转化为氧化铁(混合氧化物)。特别地，在钝化步骤中，金属衬底的金属表面被转化为非晶体的氧化物层。特别优选地，在钝化步骤中在衬底上产生混合铁氧化物层作为非晶体氧化物层。为此，用热的碱性溶液处理轴承构件毛坯，其中通过这种处理，金属衬底的金属在表面被转化成氧化物，氧化物形成转换层。通过钝化步骤产生的转换层优选地具有大于或等于0.5微米的厚度，并且此外具有小于3微米的厚度。
此外，特别地规定，在滚压之前进行轴承构件毛坯的制造步骤，其中在轴承构件毛坯的制造步骤中制造带有毛坯几何形状的轴承构件毛坯，其中轴承构件在滚压之后具有最终几何形状。毛坯几何形状优选地不同于最终几何形状。特别地，将毛坯几何形状选择为使得在压轧轴承构件毛坯之后，轴承构件具有期望的最终几何形状。
本发明的另一个目的是形成根据本发明的方法制造的轴承构件。轴承构件例如是滚动轴承构件，并且特别是带有滚道的滚动轴承构件。特别地，轴承构件被构造为轴承环或滚子体。轴承环和/或滚动轴承构件和/或滚子体选择地被构造为用于大型滚动轴承和/或具有大于500mm的节圆直径。
转换层优选地仅或至少被施加在轴承环的滚道上。特别地，滚子体和/或轴承环的整个表面具有转换层，其中仅部分区段，特别是轴承环的滚道和/或滚子体的压轧面被滚压并且具有保护层。特别地优选地，滚动轴承构件和/或轴承环和/或滚子体被构造为用于风力发电机，特别是用于转子轴承的构件，和/或形成圆锥滚子轴承的组成部分。轴承构件在硬化的金属衬底上具有保护层，其中保护层通过转换层的滚压产生。
附图说明
本发明的其他特征、优点和效果从本发明的优选实施例的以下描述中得到。其中：
图1示出用于制造轴承构件的轴承构件毛坯的加工的示意图；
图2示出滚压轴承构件毛坯的示意性细节视图；
图3示出由于滚压轴承构件毛坯而对边缘区域的影响；
图4示出在滚压之后轴承构件中的内应力；
图5示出方法的流程图；
图6示出滚动轴承的示意性剖面图。
具体实施方式
图1示意性地示出了在执行用于制造轴承构件1的方法时的轴承构件1和轴承构件毛坯2。图1分为两个区段I和II，其中区段I示出了轴承构件毛坯2，而区段II示出了轴承构件1。轴承构件1特别是从根据方法的轴承构件毛坯2的加工中得到。
轴承构件毛坯2包括衬底3，其中衬底3是硬化的金属衬底3，例如钢。特别地，金属衬底3也可以是另外的基于铁的金属合金。硬化的金属衬底3在此形成柱形。在衬底3的表面上，特别是在金属衬底3的柱形表面上形成具有发蓝处理层的形式的转换层4。在此，转换层4基于由钢、由混合氧化铁形成的衬底3。转换层4具有厚度，其中此厚度是初始层厚度db。初始层厚度db大于1.5微米，特别是大于0.5微米。金属衬底3和转换层4一起形成具有直径dr的柱形轴承构件毛坯2。
通过压轧工具5滚压轴承构件毛坯2。压轧工具5具有球6，球6与转换层4并且因此与轴承构件毛坯2直接接触。压轧工具5被构造为流体静力的压轧工具5，并且具有流体静力的伸缩补偿部7。压轧工具5将力F施加到轴承构件毛坯2，其中通过施加力F将转换层4压缩为保护层8。
为了滚压轴承构件毛坯2而使轴承构件毛坯2旋转，其中旋转以转速进行。特别是转速可调节。在轴承构件毛坯2旋转期间，压轧工具5沿进给方向9运动。通过在轴承构件毛坯2旋转期间使滚压工具5沿进给方向9的运动，借助球6扫描轴承构件毛坯2的表面。在用于制造轴承构件1的方法中作为可调节的量特别地采用进给fw，其中进给fw可从转速和进给方向9或进给速度的组合来调节。
通过滚压轴承构件毛坯2将转换层4压缩、平滑和硬化。被滚压的转换层4形成保护层8。保护层8具有厚度，其中此厚度形成最终层厚度de。最终层厚度de小于初始层厚度db的80％。轴承构件毛坯2的转换层4是可变形的并且对冲击敏感，而保护层8是不可变形的并且对冲击不敏感。因此，保护层8通过压缩的转换层4形成。
为了由转换层4生成保护层8，轴承构件毛坯2被滚压，其中滚压以合适的参数进行，该参数是在滚压时为实现希望的材料特征所需的参数。在图2至图4中示出了带有对应的参数的轴承构件1的可获得的特性。
图2示出了转换层4、保护层8和球6的细节剖面。转换层4具有粗糙的表面，其中此粗糙的表面具有深的凹口和沟槽10。在滚压之后所形成的保护层8具有相对平滑的带有较小的粗糙度的表面。球6在转换层4的区域内将力F施加到轴承构件毛坯2的表面上。此力F特别地大于5000兆帕。
在对应的区域中在滚压期间，在轴承构件毛坯2和/或轴承构件1的内部内存在多个应力。在此，拉应力11被称为应力，此拉应力基本上以相同指向的方式朝向表面，即朝向转换层4或保护层8。压应力12与力F相反地指向。此外，在此图中绘出了塑性变形的区域13，以及绘出了具有相同的参考应力的线14，其中这些线具有相似的形状走向。
在图2的右侧部分中绘制了三个曲线，其中曲线15示出了参考应力σv与表面间距Z的关系，曲线16示出了内应力σe与表面间距Z的关系，并且曲线17示出了硬度HU与表面间距Z的关系。
在曲线15中可见，参考应力σv相对于表面间距Z具有相对复杂的历程。在此相对于屈服应力σf考虑参考应力σv。在表面区域中，参考应力σv略低于屈服应力σf。随着表面间距Z的增加，参考应力σv大于屈服应力σf，其中随着表面间距Z的增加，参考应力σv再次降至屈服应力σf以下并接近最小值。参考应力σv大于屈服应力σf的表面间距区域示出了理想的弹性范围，其中比较应力σv小于屈服应力σf的范围示出了实际的塑性范围。
曲线16给出内应力σe相对于表面间距Z的关系。在此可以看出，从表面到轴承构件1内部内，内应力σe始终为负，并且从初始值开始进一步下降并且具有最小值，其中内应力σe从该最小值趋近于0。因此，最大内应力σe的点略微远离表面。
曲线17示出了硬度HU与表面间距Z的关系。为此，给出了基本硬度HUG作为比较值。轴承构件1的表面上的硬度与基本硬度HUG相同，其中硬度HU从此处随着表面间距的增加而增加并且趋向于最大值，其中硬度HU再次从该最大值变为基本硬度HUG。
图3示出了通过以不同的力F压轧转换层4而获得的保护层8的表面粗糙度P的多个曲线18、19、20。曲线18示出沿进给路径LF的表面粗糙度P。通过以十兆帕进行滚压，得到了1.40微米的平均粗糙度。
在曲线19中图示了沿以二十兆帕的力F被滚压的轴承构件的进给路径LF的表面粗糙度P。在此导致1.28微米的平均粗糙度。在曲线20中图示了沿进给路径LF以40兆帕的力被滚压的轴承构件1的表面粗糙度P。对于保护层8得到了0.98微米的平均粗糙度。在此可见，随着力F的增大，表面粗糙度P，特别是平均粗糙度降低。
曲线18a示出了对于十兆帕的力F的情况，内应力与表面间距Z的关系，而曲线18b示出了对于以十兆帕的力F的滚压的情况的硬度HU。曲线19a示出了对于二十兆帕的力F的情况的内应力，而曲线20a示出了对于40兆帕的力F的情况的内应力。在此可见，随着力F的增大内应力也增加，其中随着力F的增大，内应力的最大值也转移到轴承构件1和/或保护层8的内部中。
曲线19b示出了对于20兆帕的力F的情况的硬度HU，而曲线20b示出了对于40兆帕的力F的情况的硬度HU。在此可见，随着力F的增大硬度HU增大，并且硬度HU的最大值随着力F的增大而移动到轴承构件1和/或保护层8的内部中。
图4示出了对于球6的不同直径内应力σe与表面间距Z的关系。在曲线21a中图示了在球6的直径为三毫米时对于十兆帕的力F的情况的内应力。在曲线图21b中图示了在球6的直径为六毫米时对于10兆帕的力F的情况的内应力σe，并且在曲线21c中图示了在球6的直径为13毫米时对于10兆帕的力F的情况的内应力σe。在此显见，对于10兆帕的相同的力在球6的直径增大时对于小的表面间距Z得到内应力σe的较平缓的上升，并且对于较大的直径的内应力σe的最大值的下降较平缓地延伸。
图5示意性地示出了作为实施例的所提出的方法的流程。在制造步骤100中，由基于铁的金属材料制造金属衬底3。制造步骤100在此可以包括将材料车削、珩磨、铣削、榫孔和/或成形为金属衬底3。然后将金属基板3硬化。在钝化步骤200中，在硬化的金属基板3上设置有转换层4。为此，在碱性溶液中处理金属衬底3，其中金属衬底3的表面被转化为金属氧化物，金属氧化物形成转换层4。带有转换层4的金属衬底3在此形成轴承构件毛坯2。在滚压步骤300中，将轴承构件毛坯2至少在转换层4的区域中滚压。特别地，仅滚压轴承构件毛坯2的区段，例如仅滚压轴承环的滚道面或滚子体的滚动面。在滚压步骤300中，转换层4被压缩为保护层8，其中通过滚压步骤300将轴承构件毛坯2转化为轴承构件1。
图6示意性地示出了滚动轴承22的剖面。滚动轴承22包括内圈23和外圈24。内圈23和外圈24相互同心地布置并且可围绕共同的轴线A相互相对旋转。在内圈23和外圈24之间布置有多个滚子体25。内圈23、外圈24和滚子体25分别形成轴承构件26。轴承构件26在其表面上均具有保护层8。内圈23和外圈24分别在滚道上具有保护层8，其中滚道具有和/或形成用于滚子体25的滚动面。滚子体25在整个滚动表面上具有保护层8，其中对于在此为球形的滚子体25，滚动体25的整个表面被保护层8覆盖。
附图标记列表
1、26 轴承构件
2 轴承构件毛坯
3 金属衬底
4 转换层
5 压轧工具
6 球形体或球
7 伸缩补偿部
8 保护层
9 进给方向
10 沟槽
11 拉应力
12 压应力
13 变形
14 参考应力
15 曲线
16 曲线
17 曲线
18a、b 曲线
19a、b 曲线
20a、b 曲线
21a、b、c 曲线
22 滚动轴承
23 内圈
24 外圈
25 滚子体
I 第一区段
II 第二区段
db 初始层厚度
dr 直径
F 力
fw 进给
de 最终层厚度
σV 参考应力
Z 表面间距
σe 内应力
HU 硬度
σV 参考应力
σf 屈服应力
HUG 基本硬度
LF 进给路径
A 轴线
P 表面粗糙度

Claims (10)

1.一种用于制造轴承构件(1)的方法，其中轴承构件毛坯(2)具有基于铁的金属衬底(3)和转换层(4)，其中所述转换层(4)至少局部地构造在所述金属衬底(3)上并且具有初始层厚度(db)，其中形成基于氧化铁的发蓝处理层作为所述转换层(4)，所述发蓝处理层通过借助碱处理池对所述金属衬底(3)进行的至少局部的处理而产生，其中将所述轴承构件毛坯(2)的金属衬底(3)硬化以获得所述轴承构件(1)，并且借助球形体(6)至少在所述转换层(4)的区域中滚压所述轴承构件毛坯(2)，其中所述转换层(4)在该区域中被压缩并且构成带有最终层厚度(de)的所述轴承构件(1)的保护层(8)，其中所述最终层厚度(de)小于所述初始层厚度(db)的95％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球形体(6)是流体静力的光滑压轧或强化压轧工具(5)的组成部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中使用由硬质金属或陶瓷制成的球形体(6)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过滚压将所述转换层(4)如下地压缩，即，使得所述保护层(8)具有至少相应于所述转换层(4)的硬度(HU)的150％的硬度(HU)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过滚压将所述转换层(4)如下地压缩，即，使得所述轴承构件(1)至少在所述保护层(8)的区域中具有大于500兆帕的内应力(σe)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述转换层(4)的区域中所述轴承构件毛坯(2)被无滑动地滚压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在滚压之前进行轴承构件毛坯的制造步骤，其中在所述轴承构件毛坯的制造步骤中制造带有毛坯几何形状的轴承构件毛坯(2)，其中轴承构件毛坯(2)在滚压之后形成带有最终几何形状的轴承构件(1)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在滚压所述转换层(4)时压力选择成大于2000兆帕。
9.通过根据前述权利要求中任一项所述的方法制造的轴承构件(1)，其中所述轴承构件(1)至少局部地具有在硬化的金属衬底(3)上的保护层(8)，其中所述保护层(8)通过所述转换层(4)的滚压生成。
10.根据权利要求9所述的轴承构件(1)，其中所述轴承构件(1)是轴承环或滚子体。
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