CN117157417A - 用于生产滚动元件轴承部件的方法、滚动元件轴承部件以及滚动元件轴承 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种用于生产滚动元件轴承部件(1)的方法，其中：滚动元件轴承部件(1)由100CrMnSi6‑4或100Cr6类型的滚动元件轴承钢形成；将滚动元件轴承部件(1)加热以形成奥氏体微观组织，并且随后在热盐浴中淬火至170℃与200℃之间的第一温度，使得至少在滚动元件轴承部件(1)的芯部区域(8)中存在珠光体和/或铁素体微观组织；此后紧接着，将滚动元件轴承部件(1)加热至220℃与280℃的温度范围中的至少第二温度并保持至少7小时，在滚动元件轴承部件(1)的表面(7)处形成主要贝氏体微观组织。本发明还涉及一种滚动轴承部件(1)和一种滚动轴承(2)。

Description

用于生产滚动元件轴承部件的方法、滚动元件轴承部件以及 滚动元件轴承

技术领域

本发明涉及用于生产滚动轴承部件的方法，其中，滚动轴承部件由100CrMnSi6-4或100Cr6类型滚动轴承钢形成。此外，本发明涉及滚动轴承部件和滚动轴承。

背景技术

DE 10 2006 052 834A1公开了一种用于生产滚动轴承环的方法，其中，轴承环由碳含量大于按重量计0.5％且总铬、镍和钼含量在按重量计1.4％与按重量计3.0％之间的低合金可穿透硬化钢来生产。轴承环经过硬化处理，在硬化处理中，轴承环被加热至800℃与880℃之间的外部温度，并且然后被淬火直到轴承环达到150℃以下的温度。

WO 00/63 455A1描述了一种来自SAE52100系列的钢，该钢具有按重量计0.9％至1.0％的碳、按重量计0.15％至0.40％的硅、按重量计0.25％至0.80％的锰、按重量计1.30％至1.95％的铬、按重量计最大0.25％的镍以及按重量计0.05％至0.35％的钼、具有用于在滚动轴承部件中使用的超细贝氏体微观组织。在这种情况下，从奥氏体微观组织开始，从马氏体起始温度以上执行冷却至250℃，并且该温度通常保持180分钟以产生超细贝氏体。

DE 10 2006 059 050A1公开了一种用于对由穿透硬化的贝氏体滚动轴承钢制成的滚动轴承部件进行热处理的方法。该方法以两个步骤执行，其中，在温度为180℃至210℃范围中的盐浴中从奥氏体化温度开始进行冷却直到达到温度均衡，然后转移至第二浴持续约一小时。第二浴的温度为约220℃至240℃。在整个部件上产生均匀的贝氏体微观组织。

US2010/0 296 764A1描述了一种由具有穿透硬化的贝氏体和/或马氏体微观组织的轴承钢制成的滚动轴承元件。通过感应硬化在表面上产生压应力。

EP 0 908 257A2描述了一种用于生产作为具有贝氏体基本组织的烧结部件的小齿轮的方法。通过表面硬化形成包括马氏体微观组织的边缘层。

发明内容

本发明的目的是进一步开发用于生产滚动轴承部件的方法、滚动轴承部件以及滚动轴承。

该目的通过下述各者来实现：具有权利要求1的特征的用于生产滚动轴承部件的方法、具有权利要求3的特征的滚动轴承部件以及具有权利要求6的特征的滚动轴承。本发明的优选或有利的实施方式由从属权利要求、以下描述和附图得出。

在根据本发明的用于生产由100CrMnSi6-4或100Cr6类型的滚动轴承钢形成的滚动轴承部件的方法中，将滚动轴承部件加热以便形成奥氏体微观组织，并且随后在热盐浴中淬火至170℃与200℃之间的第一温度，使得至少在滚动轴承部件的芯部区域中存在珠光体和/或铁素体微观组织，其中，此后紧接着将滚动轴承部件加热至220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度并保持至少7小时，其中，在滚动轴承部件的表面上形成主要贝氏体微观组织。

首先，滚动轴承部件通过适合的制造过程由100CrMnSi6-4或100Cr6类型的滚动轴承钢形成。最适合的滚动轴承钢是100CrMnSi6-4，其相对便宜并且在热处理后仍然表现出期望的性能。替代性地，100Cr6也是适合的，因为这种材料也是便宜的并且适于壳体硬化。在开始热处理时，将滚动轴承部件加热至奥氏体化温度，并且然后淬火至170℃与200℃之间的第一温度，其中，淬火速率选择成使得防止滚动轴承部件的表面中发生开裂，而同时在滚动轴承部件的侧向表面上以可能最低的变形来产生技术上最佳且抗过度滚动壳体。特别地，淬火速率选择成使得在上部温度范围中的淬火比珠光体形态的出现发生得更快。此外，淬火速率根据滚动轴承部件的几何形状以及淬火介质即热盐浴、特别是热盐浴的热容量来选择。最佳淬火速率的计算可以通过软件以已知的方式执行。另外，淬火速率可以通过引入的热电偶在淬火期间进行测量。

在这方面，已经证明特别有效的是在滚动轴承部件的芯部区域以至多2K/s的淬火速率被冷却。这使得能够在滚动轴承部件的芯部区域中形成珠光体和/或铁素体微观组织。

术语“芯部区域”被理解为是指位于滚动轴承部件的内部并且距滚动轴承部件的表面一定距离处的区域，在部件比如实心滚动元件的情况下，该区域从该部件的中心延伸超过滚动元件的直径的至少75％。在环形滚动轴承部件的情况下，芯部区域也被理解为是指位于滚动轴承部件的内部并且距滚动轴承部件的表面一定距离处的区域，该区域由内径和外径界定并且从由内径和外径形成的壁厚度的中心延伸超过该壁厚度的至少75％。

在热盐浴中进行淬火期间，在滚动轴承部件的微观组织中发生相变，其中，在滚动轴承部件中在表面上、或在靠近表面的区域中并且在芯部区域中、或在远离滚动轴承部件的表面的区域中形成大致珠光体和/或大致铁素体微观组织。所产生的微观组织基本上取决于微观组织中必要的固溶状态以及滚动轴承部件的合金成分和几何形状。

通过热盐浴实现比较温和的淬火效果，该淬火效果可以通过热盐浴的温度和水含量来调节。

此处，优选的水含量为按体积计至少0.3％。适合的盐浴在市场上以AS140的名称从制造商Durferrit GmbH、曼海姆可获得。

相关的优点是减少了由于热应力而引起的裂纹形成。此外，在具有可变尺寸、大小和重量的滚动轴承部件中可以实现较低的残余应力。滚动轴承部件在热盐浴中淬火直到至少在芯部区域中实现珠光体和/或铁素体微观组织。在这方面中，整个滚动轴承部件可能已经具有热盐浴的温度。然而，还可以设想的是，滚动轴承部件的仅一部分已经具有热盐浴的温度，而另一部分、特别是更靠近滚动轴承部件的芯部的另一部分仍然具有高于第一温度的温度。淬火或热盐浴中的淬火以时间控制的方式进行。

铁素体是由铁的铁素体相组成的单相成分。铁素体形成多面体、无孪晶微观组织，比马氏体更软并且相对容易形成。特别地，合金元素铬和硅促进铁素体的形成。包括铁素体的微观组织意味着该微观组织、特别是在滚动轴承部件的芯部区域中的微观组织基本上或主要包括铁素体。因此，该微观组织包括铁素体，即使该微观组织不是完全且仅由铁素体形成也是如此。因此，甚至与完全铁素体微观组织的轻微偏差、特别地高达按体积计5％的偏差——其中也可能存在其他微观组织——仍被理解为本发明的含义内的包括铁素体的微观组织。

另一方面，珠光体是钢的层状的共析成分、即铁素体和渗碳体的相混合物，其由于碳含量在0.02％与6.67％之间的铁碳合金中的耦合结晶而出现。珠光体比马氏体软。包括珠光体的微观组织意味着该微观组织、特别是在滚动轴承部件的芯部区域中的微观组织基本上或主要包括珠光体。因此，该微观组织包括珠光体，即使该微观组织并非完全且仅由珠光体形成也是如此。因此，甚至与完全珠光体微观组织的轻微偏差、特别地高达按体积计5％的偏差——其中也可能存在其他微观组织——仍被理解为本发明的含义内的包括珠光体的微观组织。

珠光体和铁素体的混合物也可以存在于滚动轴承部件的芯部区域中。

淬火之后，将滚动轴承部件从热盐浴中移除，并且随后再加热至220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度。第二温度根据滚动轴承部件的合金成分和尺寸来选择。词语“220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度”将被理解为使得滚动轴承部件在温度范围中保持一定量的时间，其中，温度可以根据热处理策略在该范围内变化，并且特别地，可以以目标方式递增地调整。可以设想的是，仅将滚动轴承部件在整个处理时间内再加热至单个的第二温度。替代性地，可以设想的是，在220℃与280℃之间的温度范围内递增地设定多个温度，以便在滚动轴承部件的表面上或靠近表面的区域中设定期望的微观组织。在220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度所保持的保持时间也取决于在每种情况下选择的热处理策略。在任何情况下，保持时间超过7小时。换言之，滚动轴承部件在220℃与280℃之间的温度处保持至少7小时，无论在所述时间期间接近该范围和保持在该范围内的温度是多少。保持第二温度直到在滚动轴承部件的表面上或靠近表面的区域中形成贝氏体微观组织。

在本发明的上下文中，词语“此后紧接着”将被理解为意味着滚动轴承部件在其已经从奥氏体化温度淬火至第一温度之后不被冷却至170℃以下。相反，淬火之后将滚动轴承部件重新加热至220℃与280℃之间的一个或更多个温度持续至少7小时，使得在热处理之后，在芯部区域中存在主要的珠光体和/或铁素体微观组织，并且在表面上或靠近表面的区域中存在贝氏体微观组织或大部分贝氏体微观组织。换言之，淬火之后对滚动轴承部件进行直接再加热。

贝氏体是在珠光体形态以下马氏体形态以上的温度处通过进行等温和连续冷却两者而形成的微观组织。上贝氏体包括成束布置的针状铁素体。在各个铁素体针状部之间具有平行于针状部轴线的更多或更少的连续碳化物膜。必须在上贝氏体与下贝氏体之间进行区分，另一方面，下贝氏体包括铁素体板状部，其中，碳化物形成为与针状部轴线成60°的角度。贝氏体也比马氏体软，但比珠光体硬。包括贝氏体的微观组织是指滚动轴承部件的表面上或靠近表面的区域中的微观组织基本上或主要包括贝氏体。因此，该微观组织包括上贝氏体，即使微观组织并非完全上贝氏体和仅上贝氏体也是如此。因此，甚至与完全贝氏体微观组织的轻微偏差——其中也可能存在其他微观组织——仍被理解为本发明的含义内的包括上贝氏体的微观组织。特别地，优选的是，在靠近表面的区域中的贝氏体中存在不超过按体积计5％的珠光体。优选地，在滚动轴承部件的表面上根本不存在珠光体。

滚动轴承部件可以形成为接近其最终几何形状而成形的部件坯料，其中，在将部件从220℃与280℃之间的温度范围冷却之后，可以进行进一步处理、特别是机械加工，以便使滚动轴承部件达到其最终几何形状。替代性地，部件可以在热处理之前已经以最终几何形状存在。滚动轴承部件可以被设计为例如滚动轴承的内环、外环或滚动元件，其中，此处所提出的滚动轴承部件的生产和热处理特别适合于具有大尺寸、特别是直径或厚度大于85mm的部件。换言之，优选地直径为至少85mm、特别地200mm的滚动轴承部件被加热以便形成奥氏体微观组织，并且随后在热盐浴中淬火至第一温度，使得至少在滚动轴承部件的芯部区域中存在珠光体和/或铁素体微观组织，其中，此后紧接着，将滚动轴承部件加热至220℃与280℃之间的至少一个第二温度并在该温度范围中保持至少7小时，以便在滚动轴承部件的表面上形成贝氏体微观组织。

相应钢的可硬化性通过对合金成分的选择来确定。在可穿透硬化钢、比如在此处被认为是有利的100CrMnSi6-4的情况下，可硬化性也可以通过下述方式来改变：通过奥氏体化温度来改变碳含量以及所溶解的合金元素比如铬的含量。用于待处理的滚动轴承部件的几何形状所需或相应应用所必要的固溶状态及淬火效果可以预先借助于软件和/或试验来确定。

滚动轴承部件的处理导致在滚动轴承部件的表面上形成残余压应力。残余压应力是在微观组织转变为贝氏体微观组织期间实现的，这发生在滚动轴承部件的表面上或靠近表面的区域中。残余压应力是部件的微观组织内的负残余应力，该残余压应力导致滚动轴承部件的疲劳强度在表面处提高。另外，防止了裂纹形成并提高了滚动轴承部件的耐腐蚀性。

此外，滚动轴承部件优选地处理成使得滚动轴承部件具有至少58HRC的表面硬度。58HRC的硬度(洛氏硬度)对应于约655HV的维氏硬度。因此，根据本发明的滚动轴承部件在其表面上具有58HRC的硬度和贝氏体微观组织。所谓的硬化深度——在该硬化深度处滚动轴承部件的硬度为550HV1或52.3HRC——优选地在与滚动轴承部件的表面垂直的为滚动轴承部件厚度或滚动轴承部件直径的约5.2％的深度处。根据DIN 50190-1，表面硬化深度是从相应部件的表面的垂直距离，在该垂直距离处，硬度已经下降至550HV1的值。从表面到芯部的硬度变化由硬度测量来确定。单位HRC由作为试验方法名称的HR(硬度，洛氏)以随后的另一字母组成，此处字母为C，C表示标尺并且因此表示试验力和物体。具有120°的顶角度和98.0665N的初始试验力的金刚石锥用于标尺C(C代表“cone”)。用于标尺C的附加试验力为1372.931N。

根据本发明的滚动轴承包括外环和/或内环以及在外环和/或内环上滚动的多个滚动元件，其中，外环和/或内环和/或相应的滚动元件是根据前述实施方式的滚动轴承部件。换言之，仅外环、仅内环、仅滚动元件或前述部件的任意组合可以被设计为下述滚动轴承部件：该滚动轴承部件在该滚动轴承部件的芯部区域中具有珠光体和/或铁素体微观组织并且在该滚动轴承部件的表面上具有大量贝氏体微观组织。

特别地，滚动轴承部件被设计为滚动元件，该滚动元件被设计为实心或中空滚子。

关于方法的上述陈述等同地适用于根据本发明的滚动轴承部件和根据本发明的滚动轴承，并且反之亦然。

附图说明

下面使用附图结合本发明的优选示例性实施方式的描述对改进本发明的进一步措施进行说明。在附图中，相同元件或者类似元件设置有相同的附图标记。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于生产滚动轴承部件的方法的示意框图，

图2示出了根据本发明的根据优选实施方式的滚动轴承的高度示意性截面图，

图3示出了作为根据图2的滚动轴承部件的滚动元件的示意性横截面，

图4示出了针对滚动轴承钢100CrMnSi6-4的图，该滚动轴承钢在奥氏体化时间内基于不同的奥氏体化温度具有最小冷却速率，以便防止在边缘区域中超过按体积计5％的珠光体，以及

图5示出了针对滚动轴承钢100CrMnSi6-4和855℃的奥氏体化温度的图，该图指示了根据奥氏体化时间并且因此根据奥氏体化程度以及滚动元件的直径的到滚动元件的表面的用于边缘区域中按体积计5％的珠光体形态的临界距离。

具体实施方式

根据图1，根据本发明的用于生产设计为滚动元件5的滚动轴承部件1的方法根据框图而被可视化。在当前情况下，滚动轴承2的滚动元件5将被理解为滚动轴承部件1。这种滚动元件5可以安装在根据图2的滚动轴承2中，即在空间上安装在外环3与内环4之间，其中，滚动元件5通过保持架6在周向方向上彼此间隔开地布置和导引。为了更好地理解，在图3中再次以横截面示出了滚动元件5。

在第一方法步骤100中，相应的滚动元件5由滚动轴承钢100CrMnSi6-4形成，滚动元件根据图2和图3被设计为直径D为至少85mm的筒状滚子。例如，这可以通过机械加工来完成。根据图2的外环3和/或内环4也可以由100CrMnSi6-4形成并且通过根据本发明的相同方法来生产。该生产涉及滚动轴承部件1的热处理并且在下面进行解释。

在第二方法步骤101中，将滚动元件5加热至硬化温度或奥氏体化温度以形成奥氏体微观组织，并且保持在该温度下直到已经发生微观组织的完全奥氏体化，特别是直到达到必要的固溶状态。随后，在第三方法步骤102中，将滚动元件5引入到热盐浴中并从奥氏体化温度淬火至第一温度。根据热盐浴的性质和混合比、滚动轴承部件1的材料性质以及奥氏体化温度，在当前情况下，热盐浴具有170℃与200℃之间的温度。热盐浴用于使滚动元件5以受控的冷却速率(参照图4)和通过相对温和的淬火效果来冷却，其中，发生微观组织的相变。在该过程中，滚动元件5的奥氏体微观组织在淬火期间转变成珠光体和/或铁素体微观组织。因此，至少在滚动轴承部件1的芯部区域8中形成包括珠光体和/或铁素体的微观组织。

在滚动元件5已经被淬火之后，在第四方法步骤103中，直接对滚动元件进行再加热。具体地，紧接着在淬火之后，将滚动轴承部件1加热至220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度，其中，所述至少第二温度保持至少7小时。换言之，滚动元件5可以在单个第二温度下保持7小时。替代性地，可以将滚动元件5逐渐加热至220℃与280℃之间的温度范围内的多个不同温度并在该温度下保持，其中，220℃与280℃之间的总保持时间为至少7小时。通过将220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度保持超过7小时，发生微观组织转变，其中，在表面7上以及在靠近滚动轴承部件1的表面的边缘区域9中形成贝氏体微观组织。通过这种热处理，可以更具经济效益地生产具有更大尺寸的壳体硬化设计的滚动轴承部件1，因为即使在具有较低合金含量的材料的情况下，这种热处理也会产生过度滚动阻力表面、在滚动元件5的情况下为过度滚动阻力侧向表面或滚道，并且防止滚动轴承部件1形成裂纹。此外，在表面7上在相关联的微观组织转变为贝氏体微观组织的情况下的热处理设定了残余压应力，这也防止了在滚动元件5上形成裂纹。在热处理之后，滚动元件5具有至少58HRC或655HV的表面硬度。在对应于滚动元件5的直径D的约5.2％、即在这种情况下为约4.4mm的硬化深度A处，滚动元件5具有至少550HV1的硬度。可设想的是，进行另一热处理步骤、例如回火，以便减小滚动元件5内的热诱导应力。此外，可以进行机械后处理，以便使滚动元件5达到该滚动元件的最终几何形状。

图4示出了针对滚动轴承钢100CrMnSi6-4的图，该滚动轴承钢在以分钟为单位的奥氏体化时间内基于855℃、865℃和875℃的不同奥氏体化温度具有以开尔文每秒为单位的最小冷却速率，必须维持该时间以防止在这种类型的滚动轴承钢中形成超过按体积计5％的珠光体。因此可以看出的是，更高的最小冷却速率必须根据奥氏体化程度来设定并且随着奥氏体化程度而增加。

图5还示出了针对由滚动轴承钢100CrMnSi6-4制成的具有不同直径的滚动元件的并且在各自情况下在855℃的奥氏体化温度下根据45分钟、90分钟和150分钟的奥氏体化时间的图。随着奥氏体化程度的增加以及随着以毫米为单位的滚动元件的直径或滚子直径的增加，到滚动元件的表面的临界距离减小，该临界距离对应于滚动元件5的芯部区域8与表面7之间的硬化深度A(参照图3)，贝氏体边缘区域9位于该硬化深度中，并且在该硬化深度中没有出现超过按体积计5％的珠光体形态。因此，对于滚动元件5的相同程度的奥氏体化，硬化深度A以及因此贝氏体边缘区域9的厚度随着滚子或滚动元件5的直径D的增加而减小。

附图标记列表

1 滚动轴承部件

2 滚动轴承

3 外环

4 内环

5 滚动元件

6 保持架

7 表面

8 芯部区域

9 边缘区域

100 第一方法步骤

101 第二方法步骤

102 第三方法步骤

103 第四方法步骤

A 硬化深度

D 直径

Claims (8)

1.一种用于生产滚动轴承部件(1)的方法，其中，所述滚动轴承部件(1)由100CrMnSi6-4或100Cr6类型的滚动轴承钢形成，其中，将所述滚动轴承部件(1)加热以形成奥氏体微观组织，并且随后在热盐浴中淬火至170℃与200℃之间的第一温度，使得至少在所述滚动轴承部件(1)的芯部区域(8)中存在珠光体和/或铁素体微观组织，其中，所述滚动轴承部件(1)此后紧接着被加热至220℃与280℃之间的温度范围中的至少第二温度并保持至少7小时的保持时间，其中，在所述滚动轴承部件(1)的表面(7)上形成主要贝氏体微观组织，并且产生残余压应力。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，所述滚动轴承部件(1)的所述芯部区域(8)以至多2K/s的淬火速率冷却。

3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其特征在于，将所述滚动轴承部件(1)转移至温度在从220℃至280℃的范围中的另一浴中以用于加热至所述第二温度。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其特征在于，所述第二温度在所述保持时间期间朝向280℃递增地增加。

5.一种滚动轴承部件(1)，所述滚动轴承部件通过根据权利要求1至4中的任一项所述的方法来生产，

其特征在于，所述滚动轴承部件(1)在所述表面(7)上具有贝氏体微观组织，并且在所述芯部区域(8)中具有珠光体和/或铁素体微观组织。

6.根据权利要求5所述的滚动轴承部件(1)，

其特征在于，所述滚动轴承部件(1)具有至少58HRC的表面硬度。

7.根据权利要求5或6所述的滚动轴承部件(1)，

其特征在于，所述滚动轴承部件(1)具有至少85mm的直径(D)。

8.一种滚动轴承(2)，所述滚动轴承包括外环(3)和/或内环(4)以及在所述外环(3)上和/或所述内环(4)上滚动的多个滚动元件(5)，其中，所述外环(3)和/或所述内环(4)和/或相应的所述滚动元件(5)是根据权利要求5至7中的任一项所述的滚动轴承部件(1)。