CN1497194A - 装满滚子的滚动轴承和用于发动机的滚子凸轮随动件 - Google Patents

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Abstract

提供一可在高速、重载和润滑油粘度降低的条件下使用的装满滚子的滚动轴承。该装满滚子的滚动轴承由一外环(4)、一内环(2)和诸滚子(3)组成，它们由钢制成，外环、内环和诸滚子中至少一个在其表面层上具有碳氮共渗层，且表面层的奥氏体晶粒的尺寸数大于10。

Description

装满滚子的滚动轴承和用于发动机的滚子凸轮随动件
技术领域
本发明涉及装满滚子的滚动轴承和用于发动机的无轴承保持架的滚子凸轮随动件，诸如用于摇臂的轴承、凸轮随动件和滚子随动件轴承。
背景技术
在目前使用的滚动轴承中，诸如用于摇臂的轴承的无轴承保持架的装满滚子的轴承，其应用于高速重型设备中的数量在不断增长。在无轴承保持架的装满滚子的轴承中，不可避免地发生滚子互相干扰。因此，在高速下滚子的位置不能适当地受到控制，以致可能发生歪斜。因滑动以及表面压力的局部增高的结果产生的热量可导致表面损坏(脱皮、破碎、表面起始的脱皮)，以及内部起始的脱皮，而装满滚子的滚子轴承根据计算后应具有一高的承载能力。
具体来说，在诸如滚子随动件、凸轮随动件和摇臂之类的这种装满滚子的滚子轴承中，滚子之间的干扰和轴承缺少加油，可致使由滚子和滚道表面起始的脱皮。此外，组装误差和偏向载荷的影响可致使滚子歪斜，结果导致因滑动引起的表面起始的脱皮，以及因表面压力局部增高引起的内部起始的脱皮。这里所述的装满滚子的滚子轴承是指如上所述的无轴承保持架的轴承，因此，有时可缩称为全滚子轴承。
对于具有一外环的圆周与凸轮滚动接触的用于发动机的滚子凸轮随动件来说，滚子凸轮随动件的最大的改进是为了外环圆周的改进。例如，由喷丸处理引起的残余压应力和由高度集中的碳氮共渗(过程引起的效应)引起硬度的增加，这两种方法已被用来延长轴承的寿命，主要地是改进与凸轮滚动接触的外环的圆周面。
尽管为延长作为内环的滚子轴的滚动寿命作了改进，但滚子和整个轴承的改进相对较少，所作的某些改进仍然涉及材料方面，以提供耐热性和微结构的稳定性，以及通过碳氮共渗获得的硬度的增加，由此，来延长轴承的寿命。关于延长用于发动机的滚子凸轮随动件的寿命，已知有以下各种技术：
(d1)对于发动机阀机构的凸轮随动件，在额定发动机转速(rpm)下，计算的轴承寿命达到1000小时或更长(日本专利公开No.2000-38907)。
(d2)为了使凸轮随动件的轴承轴达到如下特性：碳比例＝10-25％；分解的奥氏体成分对原始保持的奥氏体成分的比例＝1/10-3/10；端面硬度＝HV830-960；以及表面粗糙度的平均波长＝25μm或不到，轴承钢是碳氮共渗和硬度喷丸处理(日本专利公开No.10-47334)。
(d3)例如，高聚合物的一固体润滑膜形成在凸轮随动件轴上，以改进轴的耐磨损性(日本专利公开No.10-103339)。
(d4)例如，一凸轮随动件轴由工具钢制成，并且在低于回火温度的温度下，进行氮离子化或离子电镀，以使其具有高的硬度(日本专利公开No.10-110720)。
(d5)用于发动机阀机构的一凸轮随动件轴承，其轴具有150Mpa或不到的弯曲应力(日本专利公开No.2000-38906)。
(d6)用于发动机阀机构的一凸轮随动件，其具有一极佳的润滑油保持能力且设置在轴承部件的滚动表面上的磷酸盐薄膜(日本专利公开No.2002-31212)。
(d7)用于发动机阀机构的一凸轮随动件，其在滚子滚动的轴的区域具有一冠状物(日本实用新型公开No.63-185917)。
(d8)一渗碳轴具有一滚动表面层，其以1.2％-1.7％的碳浓度进行高浓度的渗碳或碳氮共渗，并具有一HV300的内部硬度(日本专利公开No.2002-194438)。
涉及摇臂还有如下所述的其它问题。在滚子轴的两端填密地固定在一滚子支承件上的情形中，尽管滚子轴的滚动表面应具有高的硬度，但其两端应有足够的软度以便填密固定。此外，在轴的两端填密地固定之后，应有高的强度(硬度)来防止使用中松动。下面的文献公开一滚子摇臂的滚子轴两端的填密固定。
(d9)滚子轴的外表面均匀地进行高频感应硬化处理，然后进行回火，此后，仅对轴的端部进行高频退火处理，由此实现软化(日本专利公开No.5-179350)。
可以假定，类似于摇臂、滚子随动件和凸轮随动件的装满滚子的滚子轴承，与普通的轴承保持架式轴承一样，在使用中将提高速度和载荷，而对其的润滑油的粘度将减小。为了延长装满滚子的滚子轴承在这种条件下使用的滚动寿命，(a1)如同通常做法那样，对依赖于荷载的滚动疲劳寿命应采取任何的措施，以及(a2)对因由滑动和失去油膜导致的金属接触引起的表面破坏寿命，应进一步采取任何的措施。然而，针对依赖于荷载的滚动疲劳寿命和由金属接触引起的表面损坏寿命，还没有一种技术能显著地延长这两种寿命。此外，除了上述两种延长寿命的措施之外，(a3)对因滚子互相干扰以及对装满滚子的滚子轴承特有的滚子的歪斜引起的寿命缩短的问题，应采取任何的措施。
上述已知技术通过增加硬度和残余压缩应力，或改进轴承部件与对应部件滚动接触的滚动表面来提高滚动寿命。在实际评价这些技术时，发现它们在外环的情形中施加弯曲的应用中对延长寿命很有效，而为延长内环和整个滚子轴承的滚子的寿命，通过其本身，这样的改进不一定是有效的。
发明内容
考虑到使用中速度和荷载的增加，以及润滑油粘度的降低，本发明的一个目的是提供一装满滚子的滚动轴承，尤其是用于发动机的滚子凸轮随动件，其在严峻的润滑、滑动和载荷条件下，显示出较长的寿命。
根据本发明的一装满滚子的滚动轴承由一外环、一内环和滚子组成，它们由钢制成，外环、内环和滚子中至少一个在其表面层上具有碳氮共渗层，且表面层的奥氏体晶粒的尺寸数大于10。
对于本发明的装满滚子的滚动轴承，可使用带有细微晶粒和耐热的材料，来延长表面损坏(如脱皮和破坏的表面起始的剥落)寿命，以及内部起始的脱皮寿命。具体来说，改进这种诸如轴承钢的材料的处理或热处理类型，以形成一种碳氮共渗的结构，来确保由日本工业标准(JIS)规定的奥氏体晶粒尺寸数大于10。最好形成的结构可显著地提高耐裂纹发生和扩展的能力。因此，可阻止因滑动引起表面热量的产生和由切向力导致的表面裂纹发生。此外，阻止由内部起始的脱皮引起的裂纹，可显著地延长寿命。
上述的微结构进一步进行加工和热处理，且在表面层赋予残余压缩应力，以增加硬度，这样，可进一步延长寿命。所述加工和热处理可以是下面诸工艺中的任何一种，或其组合：(b1)喷丸处理，(b2)滚筒抛光，(b3)辊轧，(b4)上漆，(b5)渗碳和碳氮共渗，(b6)碳氮共渗和深冷处理，以及(b7)碳氮共渗和二次淬火和深冷处理。
这里，奥氏体晶粒尺寸数大于10意味着奥氏体晶粒足够细微致使具有大于10或11或以上的尺寸数，其根据JIS G 0551规定的测试奥氏体晶粒尺寸的方法确定。当一结构由奥氏体温度范围内的温度进行淬火时，奥氏体晶粒边界保持淬火的结构，因此，测量剩余奥氏体晶粒的成分，其有时称之为前奥氏体晶粒边界。
外环、内环和滚子中的至少一个可在等于或大于A1转变温度的碳氮共渗温度下进行碳氮共渗，然后，冷却到低于A1转变温度的温度，并加热到低于碳氮共渗温度的淬火温度，由此，进行淬火。
这样一微结构一旦被冷却到低于碳氮共渗温度的温度，然后，从合成的淬火温度中进行淬火，这样，可获得相当细微的奥氏体晶粒。通过加热到低于碳氮共渗温度的温度而进行淬火的这种过程，根据加工过程的次序，有时称之为二次淬火或最终淬火。
淬火温度可以在一温度范围内，其中，碳化物和/或氮化物和一奥氏体态共存在钢的碳氮共渗的表面层内。
淬火温度低于碳氮共渗温度，因此，与在碳氮共渗过程中的量相比，在表面层内的未溶解的碳化物和/或氮化物的量(其受碳氮共渗过程的影响)增加。然后，当淬火温度在这些组分共存的温度范围内时，未溶解碳化物/氮化物的比例增加，而与碳氮共渗过程中的比例相比，在淬火温度下的奥氏体比例下降。此外，从Fe-C的两相图中可见，在碳化物(渗碳体)和奥氏体共存的范围内，溶解在奥氏体内的碳的浓度随淬火温度的下降而下降。由于用于轴承的钢具有较低成分的诸如硅和锰之类的其它合金元素，所以，温度范围和产生的层可参照Fe-C的两相图给以充分精度的讨论。此外，类似于碳，氮是溶解在铁中的间隙元素，并产生类似于在预定温度区域内的渗碳体的铁的氮化物，氮可近似地看作与碳相同。
当温度增加到淬火温度时，奥氏体晶粒变细，因为仍存在大量的未溶解的碳化物和/或氮化物阻止奥氏体晶粒的生长。此外，当施加上述的热处理时，通过淬火从奥氏体转变到马氏体的结构具有略低的碳浓度，这样，该结构与从碳氮共渗温度中淬火的结构相比，具有略微高的韧性。换句话说，淬火的结构具有(c1)与通过传统过程产生的结构相比，较大量的未溶解的碳化物/氮化物，以及(c2)低于传统的碳浓度。
上述的淬火温度可以是790℃-830℃。该温度适用于大部分钢材，以便于控制烧结温度。
此外，外环、内环和滚子中的至少一个可以是在碳氮共渗之前进行冷加工的。
应用冷加工可在热处理中提高奥氏体晶粒的晶核形成密度，由此，形成一细晶结构。
奥氏体可具有至少为11的晶粒尺寸数。在定义的奥氏体晶粒尺寸下，特别地和不可想像细的奥氏体晶粒有助于达到稳定长的滚动疲劳寿命和表面损坏寿命。此外，润滑油粘度下降的问题可满意地得到解决。
在外环、内环和滚子中的至少一个中，可产生至少为500Mpa的残余压缩应力。
如上所述，微结构还可进行加工和热处理，一残余压缩应力可形成在表面层，以进一步延长寿命。
根据本发明的用于发动机的滚子凸轮随动件包括一与发动机的凸轮轴滚动接触的外环，一位于外环内部、并固定在凸轮随动件体上的滚子轴，以及放置在外环和滚子轴之间的轴承元件。外环、滚子轴和轴承元件中的至少一个具有一碳氮共渗层，而在至少一个表面层内的奥氏体晶粒制得细微，以具有大于10的晶粒尺寸数。
在组分中的奥氏体晶粒制得足够细微，以具有大于10的晶粒尺寸数，因此，可相当地提高滚动疲劳寿命。在具有10或不到10的晶粒尺寸数的情况下，任何显著提高滚动疲劳寿命均是不可能的，因此，晶粒尺寸数大于10，较佳地是11或更大。尽管要求有更细的奥氏体晶粒，但通常难于达到超过13的晶粒尺寸数。这里要指出的是，位于外环和滚子轴之间的上述轴承元件是指包括滚子和滚动元件的轴承，然而，从狭义的意义上讲，轴承元件可以是滚子或滚动元件。
奥氏体晶粒尺寸数可通过由JIS定义的通常的方法来加以确定，或根据截取法来确定，例如，使用与上述晶粒尺寸数对应的平均晶粒尺寸。较小奥氏体晶粒尺寸是理想的，且还要求奥氏体的晶粒尺寸数为11或以上。或者，平均晶粒尺寸可以是6μm，或更小。奥氏体晶粒尺寸数可在碳氮共渗层中实现。然而，一般来说，奥氏体细度的状况在位于碳氮共渗层内的钢体内得到满足。
这里，奥氏体晶粒是指在热处理过程中相位转变的奥氏体的结晶颗粒，在奥氏体通过冷却转变为马氏体之后，仍保持颗粒的微量。
对于根据本发明的用于发动机的另一滚子凸轮随动件，外环、滚子轴和轴承元件中的至少一个具有一碳氮共渗层，并具有一至少为2650Mpa的断裂应力。
本发明的发明者业已发现，这里所述的热处理方法(低温二次淬火法)，以后可用来将具有碳氮共渗层的钢的断裂应力提高到2650Mpa或以上，这通过任何传统方法还尚未达到过。这样，可获得高强度的滚动轴承，以在滚子凸轮随动件的载荷条件下达到良好的耐用性。
对于根据本发明的用于发动机的还有另一滚子凸轮随动件，外环、滚子轴和轴承元件中的至少一个具有一碳氮共渗层，并具有至少为0.5ppm的氢的成分。
上述的热处理(低温二次淬火法)可用于降低组装到一凸轮随动件上之前的任何一部件内的氢的成分。然后，可缩短氢进入到钢内以增加和达到发生裂纹时的临界点所需要的时间。由于这个原因，连同尚未阐明的任何其它原因，可提高耐用性。
要求有一低的氢的成分。然而，氢成分减小到小于0.3ppm的成分要求有长时间的热处理，导致奥氏体颗粒的尺寸的增加，且因此损害韧性。然后，氢成分要求在0.3至0.5ppm的范围内，最好在0.35至0.45ppm的范围内。
在测量上述的氢成分中，未测量扩散的氢，而仅测量在预定的温度或高于该温度下从钢中释放非扩散的氢。在一小规模采样中的扩散的氢即使在室温下也会从样品中释放而扩散，因此，可扩散的氢不予测量。非扩散的氢囿于钢材的任何缺陷中，且仅在预定的加热温度或高于此温度下从样品中释放。即使仅测量到非扩散的氢，根据测量的方法，氢成分也会有相当的变化。上述的氢成分的范围是由热电导分析法确定。此外，如在下文中将详细介绍的，可借助于一LECO DH-103氢测定仪或类似的测量设备来进行测量。
(c1)凸轮随动件本体可枢转地连接在位于其本身的一端和另一端之间的转动轴上，发动机的一打开/关闭阀可邻接在一端上，另一端可具有一分叉的滚子支承部分，滚子轴可固定在分叉的滚子支承部分上。
(c2)凸轮随动件本体可安装在其本身的一端和另一端之间，具有一固定在两个侧壁之间延伸的滚子孔内的滚子轴，发动机的一打开/关闭阀的一端可邻接在一端上，且一枢轴可邻接在另一端上。
(c3)凸轮随动件本体可枢转地连接在位于其本身的一端和另一端之间的转动轴上，发动机的一打开/关闭阀的一端可邻接在一端上，另一端可邻接在从凸轮轴传输应力的互锁杆的一端上，凸轮随动件本体安装在互锁杆的另一端，互锁杆的一端和另一端分别位于摇臂和凸轮上，且滚子轴可连接到凸轮随动件本体，并邻接在凸轮上。
(c1)、(c2)和(c3)的凸轮随动件本体共同之处在于，它们从凸轮传输驱动力至发动机阀，而它们在结构上不同，以适应不同的发动机类型。
关于上述发动机的滚子凸轮随动件，轴承元件可以是装满滚子的滚针轴承。滚子轴的端部的硬度可低于其中心部分的硬度。因此，滚子轴的中心部分具有用作滚动接触表面所必要的硬度，而端部则做成较软。因此，确保类似于滚动疲劳寿命的耐用性，例如，可做到填密的固定。上述的所有滚动轴承可具有填密的滚子轴的一端。
此外，凸轮随动件本体可采取压力形成，以提高生产效率。
如果结合附图，从下面的本发明的详细描述中，本发明的上述的和其它的目的、特征、方面和优点将会变得更加明白。
附图的简要说明
图1示出一摇臂的轴承，其是根据本发明的一实施例的装满滚子的滚子轴承。
图2是沿图1的线II-II截取的截面图。
图3示出根据本发明实施例的改型的一发动机的滚子凸轮随动件。
图4示出根据本发明另一实施例的一发动机的滚子凸轮随动件。
图5是包括一装满滚子的滚子轴承的一部分的放大的视图，其中，装满滚子的滚子轴承与图4所示的一发动机滚子凸轮随动件的一凸轮接触。
图6示出根据本发明的实施例的一热处理方法。
图7示出根据实施例改型的一热处理方法。
图8A和8B示出一轴承部件的微结构，特别是原奥氏体晶粒，图8A示出本发明的一轴承部件，而图8B示出一传统的轴承部件。
图9A和9B图解示出分别对应于图8A和8B的奥氏体晶粒的边界。
图10示意地示出用于一滚动外环的滚动疲劳寿命的试验装置。
图11示出一用来测试静态裂纹强度的试验件。
图12示出当一辊子轴的两端通过高频加热被软化时的硬度分布。
图13示出一用来测试静压裂纹强度(测量裂纹应力)的试验件。
图14A是一滚动疲劳寿命试验装置的正视图，而图14B是其侧视图。
图15示出一用来测试静态裂纹韧性的试验件。
具体实施方式
下面结合附图来描述本发明的实施例。图1是一示意的正视图，示出根据本发明的一实施例的发动机的滚子凸轮随动件的结构。图2是沿图1的线II-II截取的截面图。参照图1和2，作为一枢转件的摇臂1在中心部分通过一轴承金属可枢转地支承在一摇臂轴5上。
一调整螺钉7旋入到该摇臂1的一端1b。调整螺钉7通过一锁定螺母8而被固定，调整螺钉的下端邻接在一内燃机的进气阀或排气阀的上端。阀9由弹簧10的弹力偏压。
摇臂1的另一端1a装备有凸轮随动件50的一本体(凸轮随动件本体)，且凸轮随动件本体50具有一分叉的滚子支承部分14，其与本体一体地形成。在分叉的滚子支承部分14中，对应于一内环的滚子轴2的两端进行压配或借助于一弹簧卡环进行固定。在滚子轴2的外表面的中心部分，一外环4通过滚子3可转动地被支承。滚子3放置在滚子轴2和外环4之间，以用作轴承元件。换句话说，位于滚子轴2和外环4之间的轴承元件是滚子。滚子3的轴向方向与滚子轴的轴向方向平行。外环4的外表面通过弹簧10的偏压力与凸轮6的表面接触。应该指出的是，这里采用的术语“一个”和“另一个”并无规定的意义，仅在本描述中用作参照的次序。
凸轮随动件本体50是装满滚子的滚动轴承的一个具体的实例。具体来说，一滚动轴承包括一由滚子轴2形成的内环，一由滚子3形成的滚动元件，且外环4是用作摇臂的装满滚子的轴承。一般来说，一无轴承保持架的轴承被称之为装满滚子的轴承。上述用于摇臂的装满滚子的轴承转动，而同时接触凸轮6，这样，凸轮6的压力和撞击力作用在外环4上。在该实施例中的一发动机的滚子凸轮随动件是这样一部件，其包括用于摇臂和凸轮随动件本体的装满滚子的轴承。
当摇臂轴承转动而同时接触凸轮6时，凸轮6的压力和撞击力作用在外环4上，由于反复的弯曲应力，可能导致压痕和裂纹。特别是，随着发动机输出的增加，发动机的转速(rpm)因此增加，这样，这些力变大导致发生裂纹和压痕的风险变大，因此，缩短滚动寿命和表面损坏寿命。
由于大的力作用在轴承上而引起的压痕可能形成在内环上，因为内环和滚动元件(滚子)之间的表面压力通常大于外环和滚动元件(滚子)之间的表面压力。然而，对于凸轮随动件，弯曲应力作用在外环上，而高的表面压力载荷也作用在外环上，因此，压痕可能形成在外环和滚动元件之间。本发明的发明者业已发现，通过在上述诸部件中的至少一个部件上的一表面层上形成一碳氮共渗层，使表面层的奥氏体晶粒尺寸数大于10，或如上述情形中的至少11，可延长表面损坏寿命和滚动寿命。此外，发明者还发现通过增加表面层的残余压应力，可增加延寿的程度。
图3示出根据本发明的另一实施例的一发动机的滚子凸轮随动件。该凸轮随动件的凸轮随动件本体50具有一固定在滚子孔(未示出)内的滚子轴2，所述滚子孔在摇臂1的一端1b和另一端1a之间，并在两个侧壁之间延伸，而一端邻接在发动机开—闭阀9的一端上，而另一端邻接在枢轴上(未示出)。具有枢轴孔15的凸轮随动件本体50通过弹簧10沿预定的方向绕枢轴偏置，并通过一外环4接纳从凸轮6传输的驱动力，由此，抵抗弹簧的偏压力而移动阀9。
图4示出根据本发明的又一实施例的一发动机的滚子凸轮随动件。图5是包括如图4所示的一摇臂滚动轴承的一部分的放大的视图。参照图4，一转动轴5放置在一摇臂1的中心部分，且摇臂1绕轴枢转。摇臂1的一端1b邻接在发动机阀9的一端上，而臂的另一端1a邻接在互锁杆16的一端上。一调整螺钉8具有调整摇臂的另一端1a邻接在互锁杆16上的位置的功能。
一凸轮随动件本体50设置在位于互锁杆16的下端上的中空的轴承连接16a，而一用于摇臂的装满滚子的轴承通过连接件17连接。一邻接在外环4上的凸轮6传输驱动力至互锁杆。
在用于发动机的滚子凸轮随动件的装满滚子的轴承的诸部件中，滚子3、滚子轴2和外环2中的至少一个，是通过低温二次淬火的热处理，以使奥氏体晶粒变得细微。
一奥氏体晶粒变细的碳氮共渗层较佳地通过下述方法来形成，然而，除此之外的任何方法可被使用。图6示意地示出根据本发明形成具有细微奥氏体晶粒的碳氮共渗层的一热处理方法，而图7示出该方法的改型。具体来说，图6示出一实施一次淬火和二次淬火的热处理的方式，图7示出一热处理的方式，根据该方式，一材料冷却到低于在淬火过程中的转变温度A1的温度，此后，再次加热以便最终淬火。参照这些附图，在过程T1，碳和氮通过钢的基体扩散，而碳充分地溶解在其中，此后，冷却到低于转变温度A1的温度。然后，在如图所示的过程T2，再次加热到低于在过程T1中的温度，然后，进行油中淬火。在过程T1，可将表面层加热到奥氏体、碳化物和/或氮化物共存的温度范围内的温度。在呈现有奥氏体、碳化物和/或氮化物的共存区域内的某一温度下，奥氏体晶粒细微，碳(氮)在奥氏体中的浓度相当低。因此，即使执行淬火，可形成足够韧性的淬火结构。
与一般的或正常的淬火相比，其中，进行碳氮共渗，紧接着进行一次淬火，上述的热处理可提高裂纹强度，和延长表面损坏寿命及滚动疲劳寿命，且同时碳氮共渗表面层。此外，可解决润滑油粘度降低的问题。该热处理还可形成具有奥氏体晶粒的微结构，其晶粒的尺寸比传统的小一半或以上。经受这种热处理的一轴承部件具有长的滚动疲劳寿命和长的表面损坏寿命，并能解决粘度下降的问题。轴承部件还可具有一提高的裂纹强度和一缓慢的尺寸变化的减小的速率。
图8A和8B示出一轴承部件的微结构，特别是奥氏体晶粒。图8A示出本发明的轴承部件，而图8B示出传统的轴承部件的轴承部件。即，图8A示出已经如图6所示的热处理的一轴承钢的奥氏体晶粒尺寸。为了进行比较，图8B示出一经受传统热处理的轴承钢的奥氏体的晶粒尺寸。图9A和9B用图表方式示出示于图8A和8B中的奥氏体晶粒尺寸。在具有奥氏体晶粒尺寸的结构中，传统奥氏体的颗粒直径是10，这是由JIS规定的颗粒尺寸数，而通过本热处理的本发明的颗粒尺寸数是12，由此可见，颗粒细微。此外，在图8A中的平均颗粒直径是5.6μm，其由截取法测得。在830℃的淬火温度下，平均颗粒直径近似为8μm。
实例
实例1
准备其对应材料示于表1中的诸轴承。这些轴承是装满滚针的轴承，其包括在一发动机的滚子凸轮随动件中。一内环(滚子轴)的尺寸是14.64mm(外直径)×17.3mm(宽度)，而一外环的尺寸是18.64mm(内直径)×24mm(外直径)×6.9mm(宽度)。采用26个滚子，各具有尺寸为2mm(外直径)×6.8mm(长度)。诸轴承是无轴承保持架的装满滚子的轴承。轴承具有一基本的额定载荷8.6KN和一基本的静态额定载荷12.9KN。这里，大体上说，各轴承是同样材料的组合，而某些是各由不同的材料组合，而且，某些是由额外的工艺过程形成的。表1示出准备的诸轴承的一清单。
表1
试验样品一览表
  No               特征 晶粒尺寸No. 表面层硬度(HV) 残余压缩应力 500℃回火硬度(HV)
实例*1   1   轴承钢：深度冷加工+碳氮共渗     11     750     200     620
  2   轴承钢：碳氮共渗+低温二次淬火     12     770     150     580
  3   渗碳钢：碳氮共渗+低温二次淬火     11     770     350     650
  4   No.1+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     11     820     650     610
  5   No.2+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     12     800     600     590
  6   No.3+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     11     800     700     640
  7   No.1+深冷处理     11     850     100     610
  8   No.7+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     11     890     650     610
  9   对内环和滚子：碳氮共渗和低温二次淬火，对外环：正常热处理   外环：9其它：12   外环：740其它：760   外环：0其它：150   外环：470其它：590
  10   对内和外环：渗碳钢的碳氮共渗和低温二次淬火，对滚子：碳氮共渗 内/外环：11滚子：8 内/外环：760滚子：780 内/外环：350滚子：150 内/外环：650滚子：590
对比实例   11   对内和外环和滚子：轴承钢正常热处理     10     740     0     470
  12   对内和外环和滚子：轴承钢碳氮共渗     8-9     780     180     580
  13   对内和外环：渗碳钢正常渗碳，对滚子：轴承钢正常热处理   内/外环：7滚子：10     730 内/外环：400滚子：0 内/外环：460滚子：470
  14   渗碳钢二次淬火     10     750     200     470
  15   No.11+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     10     800     500     470
*1本发明的实例
示于表1中的诸样品如下：
No.1：一轴承钢预先经受深度冷加工，热处理使晶粒变细，然后进行碳氮共渗。
No.2：一轴承钢进行碳氮共渗，然后，在低于碳氮共渗温度的温度下进行二次淬火。
No.3：一渗碳钢进行渗碳、碳氮共渗，然后在较低温度下进行二次淬火。换句话说，在渗碳过程之后，进行低温的淬火。
No.1-3的样品的奥氏体晶粒尺寸至少是No.11。这些材料用作基本样品。下列样品的准备是对基本样品进行额外的处理，以在表面层内形成一残余的压缩应力。
No.4：样品No.1的内和外环经喷丸处理，且诸滚子经过滚筒抛光。
No.5：样品No.2的内和外环经喷丸处理，且诸滚子经过滚筒抛光。
No.6：样品No.3的内和外环经喷丸处理，且诸滚子经过滚筒抛光。
No.7：样品No.1的内和外环额外地经深冷处理(-196℃)。
No.8：样品No.1的内和外环额外地经深冷处理(-196℃)，然后进行喷丸处理，且诸滚子经过滚筒抛光。
对于下列的样品，上述的诸方法应用于内和外环以及各滚子，尤其是滚动寿命对其尤显得重要的内环和滚子。
No.9：内环和滚子经碳氮共渗，然后，在低于碳氮共渗温度的温度下进行二次淬火，且外环经受正常的热处理。
No.10：对于内和外环，渗碳钢进行渗碳、碳氮共渗、冷却，然后在低温下进行二次淬火，对于滚子，轴承钢进行碳氮共渗。
作为对比实例，准备五个样品No.11-15，如表1的下部所示。
No.11：内和外环以及滚子由经正常热处理的轴承钢制成(正常样品)。
No.12：内和外环以及滚子由经碳氮共渗的轴承钢制成。
No.13：内和外环由经渗碳的渗碳钢制成，而滚子由经正常热处理的轴承钢制成。
No.14：该样品由二次淬火的渗碳钢制成。
No.15：样品No.11的内和外环经喷丸处理，且诸滚子经过滚筒抛光。
对于这些样品，测量晶粒尺寸、硬度和500℃淬火(热阻指数)后的硬度，最终的测量数据示于表1中。
下面详细描述用于评价滚动寿命和表面损坏强度的试验。
滚动寿命的评价：
组装一外环(18.64mm(内直径)×24mm(外直径)×6.9mm(宽度))、26个滚子(2mm(外直径)×6.8mm(长度))和一滚子轴(14.64mm(外直径)×17.3mm(长度))，然后，在2.58KN的载荷下经受滚动疲劳试验。一试验机示于图10中，测试条件示于表2中。该测试对外环的转动进行的。参照图10，多个针形滚子53(3)可转动地放置在包含在试验机内的滚子轴52(2)和外环54(4)之间。外环54以预定的速度在由部件55和56施加其上的径向载荷下转动，从而进行一寿命试验。这里，试验在基本路面额定载荷8.6KN的30％的载荷下进行。试验结果示于表3中。
表2
轴承滚动寿命试验条件
    试验机     用于外环转动的试验机
    试验件     摇臂轴承组件
    载荷(N)     2580N(0.3C)
    外环rpm     7000rpm
    润滑剂     发动机油10W-30
    油温     100℃
    寿命     脱皮寿命
表3
试验结果
No. 特征 相对滚动寿命(L50)
实例*1     1 轴承钢：深度冷加工+碳氮共渗     3.0
    2 轴承钢：碳氮共渗+低温二次淬火     3.5
    3 渗碳钢：碳氮共渗+低温二次淬火     3.2
    4 No.1+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     4.1
    5 No.2+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     3.9
    6 No.3+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     4.3
    7 No.1+深冷处理     2.8
    8 No.7+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     3.5
    9 对内环和滚子：碳氮共渗和低温二次淬火，对外环：正常热处理     2.8
    10 对内和外环：渗碳钢的碳氮共渗和低温二次淬火，对滚子：碳氮共渗     3.1
对比实例     11 对内和外环和滚子：轴承钢正常热处理     1.0
    12 对内和外环和滚子：轴承钢碳氮共渗     1.9
    13 对内和外环：渗碳钢正常渗碳，对滚子：支承钢正常热处理     1.2
    14 渗碳钢二次淬火     1.4
    15 No.11+内和外环喷丸，滚子滚筒抛光     1.7
*1本发明的实例
对于具有表3所示试验结果的样品来说，脱皮主要发生在滚子上或内环上，而脱皮也部分发生在样品No.9的外环上。从表3中可见，较之对比样品，本发明的样品显示较长的寿命，且本发明的任何样品显示的寿命大约是正常处理的样品的寿命的3倍，大约是碳氮共渗样品的寿命的1.5倍。
脱皮试验：
表4示出经受包括一脱皮试验的诸试验的样品的清单，以及试验的结果，而表5示出脱皮试验的条件。准备本发明的样品No.1-3和这些样品中经喷丸处理或深冷处理的本发明的样品。本发明的样品总共8个(No.1-8)，准备5个样品(No.11-15)作为对比实例。因此，经受脱皮试验的样品的总数是13个。
表4
外环强度试验结果
No. 特征   脱皮强度 相对脱皮强度 相对裂纹强度 相对裂纹疲劳强度
实例*1     1 轴承钢：深度冷加工+碳氮共渗     1.7     1.6     1.2     1.2
    2 轴承钢：碳氮共渗+低温二次淬火     1.8     1.7     1.1     1.2
    3 渗碳钢：碳氮共渗+低温二次淬火     1.5     1.5     1.0     1.3
    4 No.1+喷丸处理     2.0     1.8     1.3     13
    5 No.2+喷丸处理     2.1     1.9     1.2     1.3
    6 No.3+喷丸处理     2.0     1.8     1.2     1.4
    7 No.1+深冷处理     1.8     1.6     1.1     1.0
    8 No.7+喷丸处理     2.0     1.8     1.3     1.2
对比实例     11 轴承钢正常热处理     1.0     1.0     1.0     1.0
    12 轴承钢碳氮共渗     1.4     1.5     0.8     1.1
    13 渗碳钢正常渗碳     0.8     0.9     0.7     1.2
    14 渗碳钢二次淬火     1.1     1.1     0.9     1.1
    15 No.11+喷丸处理     1.1     1.0     1.1     1.0
*1本发明的实例
表5
脱皮试验条件
    试验机     环对环型试验机
    试验件     φ40直的，表面粗糙度(Rt)0.2μm
    对应试验件     φ40×R60，表面粗糙度(Rt)3.0μm(SUJ2制成)
    接触表面压力     Pmax 2.3GPa
    润滑油     透平油VG46
    对应试验件转速     2000rpm(试验件循着对应试验件的转动而滚动)
    总加载次数     4.8×105次
各自13个试验样品的具有40mm直径的试验件(镜面抛光)，在恒定的条件下，与粗糙表面的对应试验件滚动接触，在经过一定时间之后，测量在(镜面抛光)样品试验件上观察到的脱皮发生的面积(汇集细微脱皮)对于总面积的比例。确定的面积比的倒数这里定义为脱皮强度，正常样品的对比实例No.1的脱皮强度由标号1加以指示。
试验结果示于表4中。本发明的任何试验件具有的脱皮强度是对比实例的强度的至少1.5倍。业已发现，具有晶粒尺寸数大于10的细微奥氏体晶粒提高韧性，由此，提高抵抗裂纹发生和其后的裂纹生长的能力。此外，通过深冷处理和任何处理设置的带有残余压应力的样品(No.4-8)，在强度上得到提高。这是因为高硬度和残余压应力有效地有利于防止脱皮裂纹的发生和生长。
擦拭法试验：
采用与用于脱皮试验的试验件相同的试验件(见表4)来检查擦拭强度。试验条件示于表6中。被试验的试验件和对应的试验件各由相同材料的组合而制成。
表6
擦拭法试验条件
    试验机     环对环型试验机
    试验件     φ40×R60，表面粗糙度(Rt)3.0μm
    对应试验件     φ40×R60，表面粗糙度(Rt)3.0μm
    接触表面压力     Pmax 2.1GPa
    润滑油     透平油VG46
    对应试验件转速     200rpm，加速度：每30秒100rpm
    试验件转速     200rpm
结果示于表4中。这里，当擦拭发生时，擦拭强度根据对应试验件的转动速度进行评价，其结果显示为相对于用作参考的正常样品(对比实例No.11)的结果的比值。关于擦拭，还发现本发明的实例的擦拭强度(擦拭发生之前的转动速度)，是对比实例的正常样品的强度的至少1.5倍，且略高于其它对比实例的擦拭强度。在具有至少No.11的晶粒尺寸数的晶粒的细度、奥氏体保持的合适的量以及存在的细微的碳化物之间建立的平衡，阻止表面层的塑性流动，因此，提高防卡住的特性。与没经过额外处理的样品相比，经额外处理的样品显示出强度上略有提高。
静态裂纹强度试验：
对于表4中所示的试验样品，通过Amsler试验机对图11所示形状的外环(18.64mm(内直径)×24mm(外直径)×6.9mm(宽度))施加载荷，然后测量裂纹强度。结果示于表4中。裂纹的起始点在环的内表面(滚动接触表面)上。表4表明：从对比实例No.12可见，碳氮共渗通常损害静态裂纹强度。相反，本发明的实例No.1-3的静态强度等于或略大于经受正常热处理的正常样品的静态强度，且本发明的实例不显示出对静态裂纹强度的损害。与实例No.1-3相比，经额外处理的本发明的实例No.4-6，其裂纹强度均得到提高。经受深度冷却的本发明的实例No.7，较之没有经深度冷却处理的实例No.1，在静态裂纹强度上略微低一些，且较之实例No.7，静态裂纹强度略高于经额外处理的实例No.8。
可以考虑到，对比实例No.12的强度受损的原因在于，奥氏体晶粒尺寸的增加，以及由于在碳氮共渗的扩散过程中的长时间的加热，导致保持的奥氏体量的增加，这样，局部地形成具有低的拉伸强度的结构。由于同样的原因对比实例No.13也损害强度。
裂纹疲劳强度试验：
在表7所示的条件下，对图4所示的试验样品的外环上反复地施加一载荷，由此可确定裂纹疲劳强度。具体来说，在98N(下限)至3000-5000N(上限)范围内的一载荷反复地施加在外环上，裂纹出现之前的重复次数被用来评价强度。这里，在加载条件改变的情况下，绘出S-N曲线，根据裂纹呈现之前作用105的一载荷，来评价强度。
表7
环裂纹疲劳试验条件
  试验机   液压伺服型振动台
  试验件   φ18.64×φ24×L6.9
  载荷(N)   在3000-5000范围内变化
  载荷频率(Hz)   20-50(根据载荷变化)
  评价   在S/N曲线上105次的强度
结果示于表4中。裂纹疲劳强度试验的结果，用强度对于对比实例的正常热处理的样品的强度之比来表示。由此可见，与对比实例相比，本发明的所有实例在裂纹强度上均有显著的提高。关于裂纹疲劳强度，本发明的实例No.3具有渗碳钢作为基本部件，且本发明的实例No.6具有渗碳钢作为基本部件，对这些部件添加上残余压应力，它们显现出极佳的强度。
软化滚子轴的两端：
滚子轴的两端表面进行高频退火，仅将滚子轴材料的一端(其已经合适处理)靠近到一高频线圈端部处的开口，或将一端保持在略微插入到开口中的状态，通过高频感应电流加热该端持续相当短的时间，然后，在空气中冷却。或者，在高频加热和上述短时间的冷却之后，通过倒入水到表面上或将材料投入到水中，可快速地进行冷却。最终的硬度分布示于图12和表8中。
表8
滚子轴高频退火之后的硬度S
    区域A     区域B     区域C     区域D
    Z侧 750     700     250     230
    X侧     700     250     230
如图12和表8所示，由滚动元件通过的区域A代表的中心部分和由区域B代表的其两端具有适当高的硬度。另一方面，在外表面两端对于填密过程是重要的区域C和D，确保对填密必要的合适的低的硬度(软度)。
因此，从以上的结果可以确认，对于因不利的滑动条件、滚子的歪斜和滚子互相的干扰而可能具有一短的寿命的摇臂来说，用于这种摇臂的滚动轴承的耐用性得到改进。耐用性的改进是通过加工材料而获得，使其具有细微的晶粒和热阻，由此，同时地改进表面损坏(诸如脱皮和擦拭的表面起始的脱落)寿命以及内部起始的脱皮寿命。具体来说，采用特定的材料处理或热处理类型，以形成一具有至少某个晶粒尺寸的奥氏体的碳氮共渗的结构，其提供显著增加的抵抗裂纹发生和生长的能力。这样，可防止表面裂纹的发生，其由表面层产生的热和滑动引起的切向应力造成，而且可进一步获得相当长的寿命，以阻止由内部起始的脱皮。基于这一点，另外进行加工和热处理，以对表面层提供残余压应力，和增加硬度，从而进一步延长寿命。例如，这些热处理和加工包括喷丸处理、滚筒抛光、滚动、上漆、渗碳和碳氮共渗、碳氮共渗和深冷处理、碳氮共渗、二次淬火和深冷处理。
在进行填密的情形中，对于用作作为轴承元件的内环的滚子轴，滚子轴的端部上的外表面以及端表面的外区域要求足够柔软，以便在填密过程中，进行塑性变形。另一方面，滚子轴的端部要求具有一定的硬度或更高的硬度，因为填密地固定到滚子轴承部分上的滚子轴在凸轮随动件的长时间的使用过程中会松动，最终导致从轴孔中脱落。对于具有由上述热处理和加工添加的特性的滚子轴，仅对滚子轴的两端，调整高频退火中的加热和冷却的条件，以便调整端表面的硬度。然后，获得可被填密且耐用性极佳的滚子轴。换句话说，与传统的碳氮共渗不同，上述的热处理和加工不损害裂纹强度，因此，可形成高强度和长寿命的装满滚子的滚动轴承。此外，高频退火在作为轴承一元件的滚子轴的两端上进行，以调整硬度，由此，使两端能被填密。
因此，对于用于一汽车发动机的进气阀或排气阀的打开/关闭的一摇臂的轴承，例如，宽度在5mm至12mm范围内的一装满滚子的小型滚动轴承，轴承的耐用性可得到提高，而同时可做到轴承的填密。
实例2
JIS-SUJ2(碳重量百分比1.0-硅重量百分比0.25-锰重量百分比0.4-铬重量百分比1.5)被用作本发明的实例2。示于表9中的样品各通过下述的程序形成。
表9
样品 A B C D E F 传统碳氮共渗样品 正常淬火样品
二次淬火温度(℃) 7801) 800 815 830 850 870 - -
氢量(ppm) - 0.37 0.40 0.38 0.42 0.40 0.72 0.38
晶粒尺寸(JIS) - 12 11.5 11 10 10 10 10
夏氏冲击值(摆锤式冲击试验)(J/cm2) - 6.65 6.40 6.30 6.20 6.30 5.33 6.70
断裂应力(MPa) - 2840 2780 2650 2650 2700 2330 2770
相对滚动疲劳寿命(L10) - 5.4 4.2 3.5 2.9 2.8 3.1 1
1)由于不充分淬火未与评价
样品A-D：本发明的实例
在850℃下进行碳氮共渗，在RX气体和氨气混合物的气氛中保持150分钟。遵照图6所示的热处理的类型，从850℃的碳氮共渗温度中进行初次淬火，其后，加热到低于碳氮共渗温度的780℃至830℃的温度范围内的一温度进行二次淬火。具有780℃的二次淬火温度的样品A不进行测试，因为样品A的淬火不充分。
样品E和F：对比实例
这些样品通过与本发明的样品A-D相同的程序进行碳氮共渗，然后，在等于或高于850℃的碳氮共渗温度的从850℃至870℃的一温度下进行二次淬火。
传统的碳氮共渗样品：对比实例
在850℃下进行碳氮共渗，在RX气体和氨气混合物的气氛中保持150分钟。从碳氮共渗温度进行连续地淬火，并不进行二次淬火。
正常淬火实例：对比实例
不进行碳氮共渗，通过提高温度到850℃，进行淬火，不进行二次淬火。
对于上述的样品，进行试验以便(1)测量氢气量，(2)测量晶粒尺寸，(3)夏氏冲击值，(4)测量断裂应力，以及(5)采用下述方法的滚动疲劳试验。
I.对实例2的试验方法
(1)氢气量的测量
借助于由LECO公司制造的DH-103氢测定仪确定氢气量，以分析在钢中的非扩散的氢气量。扩散的氢气量不予测量。LECO的DH-103氢测定仪的技术规格书如下：
            分析范围：0.01-50.00ppm
            分析精度：±0.1ppm或±3％H(高端值)
            分析灵敏度：0.01ppm
            检测方法：热电导分析法
            样品重量规格：10mg-35g(最大：12mm(直径)×100mm(长度))
            炉温范围：50℃-1100℃
            反应剂：无水Mg(ClO4)2，烧碱石棉和NaOH
            载体气体：氮气
            计量气体：氢气
            (两种气体的纯度至少为99.99％，且压力为40PSI
            (2.8kgf/cm2)。)
分析的程序大致描述在此。使用专用的取样器进行取样，样品连同取样器一起放入到氢测定仪。其中可扩散的氢气由氮载体气体引导到热电导分析法的测定仪中。在此实例中，可扩散的请不予测量。然后，样品从取样器中取出在电阻加热器中进行加热，非扩散的氢气由氮载体气体引导到热电导分析法的测定仪中。采用热电导分析法的测定仪测量热电导率，以确定非扩散氢的量。
(2)晶粒尺寸的测量
根据JIS G 0551规定的钢中奥氏体晶粒尺寸测定方法，测量晶粒尺寸。
(3)夏氏(Charpy)冲击试验
根据JIS Z 2202规定的金属材料的夏氏冲击试验方法，进行夏氏冲击试验。这里所用的一试验件是由JIS Z 2202规定的U形槽试验件(JIS No.3试验件)。
(4)断裂应力的测量
图13示出用于静压断裂强度试验的一试验件(用于测量断裂应力)。一载荷沿图13中的方向P作用，当试验件断裂时，测量该载荷。然后，通过下列的弯曲梁的应力计算公式，将测得的断裂载荷转换成应力。应该指出的是，所采用的试验件并不限于图13所示的那种样式，并且可以是具有不同形状的任何试验件。
假定在如图13所示的试验件的凸出的表面上的纤维应力是σ1，而凹入的表面上的纤维应力是σ2，然后，根据下列公式(JSME机械工程师手册，A-4材料力学，A4-40)计算σ1和σ2。这里，N表示包括环形试验件的轴线的横截面上的轴向力，A表示横截面的面积，e1表示外半径，e2表示内半径，而k是弯曲梁的截面模量
        σ1＝(N/A)+{M/(Aρo)}〔1+e1/{k(ρo+e1)}〕
        σ2＝(N/A)+{M/(Aρo)}〔1-e2/{k(ρo-e2)}〕
        k＝-(1/A)∫A{η/(ρo+η)}dA
(5)滚动疲劳试验
滚动疲劳寿命试验的条件示于表10中。图14A和14B示意地示出一滚动疲劳寿命试验机，图14A是一截面图，而图14B是其侧视图。参照图14A和14B，一经受滚动疲劳寿命试验的试验件31受驱动辊21的驱动而转动，同时，与诸球23接触。诸球是(3/4)”的球，其由导向球引导而滚动。诸球23对试验件31作用一高的表面压力，而试验件31也对诸球23作用一高的表面压力。
II.实例2试验的结果
(1)氢气量
没有额外加工的传统的碳氮共渗的样品具有0.72ppm的相当大的氢气量。其中一个原因在于，在碳氮共渗过程中，包含在气氛中的氨(NH3)分解，然后，氢进入到钢内。另一方面，样品B-D的氢量减少到0.37-0.40ppm，因此，几乎是传统样品的氢量的一半。该氢量基本上等于正常淬火样品的氢量。
上述氢量的减少可减轻因氢在固溶中引起的钢脆性化的程度。换句话说，通过减少氢的量，本发明的样品B-D的夏氏冲击值显著地改善。
(2)晶粒尺寸
关于晶粒尺寸，在碳氮共渗过程中(初次淬火)，在低于淬火温度的温度下进行二次淬火的样品，即，样品B-D具有显著细微的奥氏体晶粒，即，晶粒尺寸数为11-12。样品E和F以及传统碳氮共渗样品和正常淬火样品具有晶粒尺寸数为10的奥氏体晶粒，这意味着样品E和F的晶粒尺寸大于本发明的样品B-D的晶粒尺寸。
(3)夏氏冲击试验
表9示出传统的碳氮共渗样品的夏氏冲击值是5.33J/cm2，而本发明的样品B-D的夏氏冲击值较高，在6.30至6.65J/cm2。由此也可见，低的二次淬火温度导致较高的夏氏冲击值。正常淬火样品具有6.70J/cm2的高的夏氏冲击值。
(4)断裂应力的测量
断裂应力对应于耐裂纹的强度。从表9中可见，传统的碳氮共渗样品的断裂应力是2330MPa。另一方面，样品B-D的断裂应力被提高到2650-2840MPa。正常淬火样品具有2770MPa的断裂应力，其在样品B-F的断裂应力的范围内。应该考虑到，氢量的减少大大地有助于提高样品B-D的耐裂纹的强度，以及奥氏体晶粒尺寸的减小。
(5)滚动疲劳试验
根据表9，正常淬火样品由于在表面层不存在碳氮共渗层而具有最短的滚动疲劳寿命(L10)。相反，传统碳氮样品的滚动疲劳寿命是正常淬火样品的滚动疲劳寿命的3.1倍。与传统碳氮共渗的样品相比，样品B-D的滚动疲劳寿命显著地提高。本发明的样品E和F具有的滚动疲劳寿命几乎等于传统碳氮共渗样品的滚动疲劳寿命。
总而言之，本发明的样品B-D具有低的氢量，具有晶粒尺寸数至少为11的较细微的奥氏体晶粒，以及提高的夏氏冲击值，耐裂纹强度和滚动疲劳寿命。
实例3
现描述本发明的实例3。在下列的样品A、B和C中，进行一系列的试验。普通用于样品A-C的被热处理的材料是JIS-SUJ2(碳重量百分比1.0-硅重量百分比0.25-锰重量百分比0.4-铬重量百分比1.5)。样品A-C各通过下列程序进行加工。
样品A-对比实例：仅正常淬火(无碳氮共渗)
样品B-对比实例：直接在碳氮共渗(传统碳氮共渗和淬火)之后进行淬火
进行碳氮共渗在845℃下保持150分钟。碳氮共渗过程的气氛是RX气体和氨气体的混合物。
样品C-本发明的实例：按照图6所示的热处理型式进行一轴承材料的加工。进行碳氮共渗在845℃下保持150分钟。碳氮共渗过程的气氛是RX气体和氨气体的混合物。最终淬火温度是800℃。
(1)滚动疲劳寿命
用于滚动疲劳寿命试验的试验条件和试验装置如表10和图14A和14B所示。滚动疲劳寿命试验的结果示于表11中。
表10
试验件 φ12×L22圆柱形试验件
试验件数 10
对应钢球 3/4”(19.05mm)
接触表面压力 5.88GPa
加载速度 46240cpm
润滑油 透平VG68-强制循环润滑
表11
样品                寿命(载荷次数) 相对L10
    L10(×104次)     L10(×104次)
    A     8017     18648     1.0
    B     24656     33974     3.1
    C     43244     69031     5.4
根据表11，对比实例的样品B具有的滚动疲劳寿命(L10：十个试验件中一个损坏)是也是对比实例且仅经受轴承淬火的样品A的滚动疲劳寿命的3.1倍，因此可见，通过碳氮共渗过程获得延长寿命的效果。相反，本发明的样品C具有较长的寿命，其是样品B的寿命的1.74倍，是样品A的寿命的5.4倍。应该考虑到，这种改进主要是从细微的微结构中获得。
(2)夏氏冲击试验
采用上述的JIS Z 2242规定的U形槽试验件进行一夏氏冲击试验。试验结果示于表12中。
表12
  样品   夏氏冲击值(J/cm2)     相对冲击值
    A     6.7     1.0
    B     5.3     0.8
    C     6.7     1.0
经受碳氮共渗的样品B(对比实例)具有的夏氏冲击值不大于经受正常淬火的样品A(对比实例)的夏氏冲击值，而样品C的夏氏冲击值等于样品A的夏氏冲击值。
(3)静态断裂韧性试验
图15示出用于静态断裂韧性试验的一试验件。在该试验件的槽中，制作一近似为1mm的预裂纹，此后，通过三点弯曲，添加一静态载荷，然后，确定断裂载荷P。利用下列公式(I)，计算一断裂韧性值(KIc值)。试验结果示于表13中。KIc＝(PL√a/BW2){5.8-9.2(a/W)+43.6(a/W)2-75.3(a/W)3+77.5(a/W)4}…(I)
表13
  样品     试验次数   K1C(MPa√m)    相对K1C
   A         3      16.3      1.0
   B         3      16.1      1.0
    C     3     18.9     1.2
由于预裂纹的深度大于碳氮共渗层的深度，因此，样品A和B(对比实例)获得相同的结果，而样品C(本发明的实例)的结果大约是对比实例的1.2倍。
(4)静态压力断裂强度试验(断裂应力测量)
采用上述图13所示的一静态压力断裂强度试验件。沿图13中方向P施加一载荷，进行静态压力断裂强度试验。试验结果示于表14中。
表14
 样品   试验次数 静态断裂强度(kgf) 相对静态断裂强度
  A       3       4200       1.00
  B       3       3500       0.84
  C       3       4300       1.03
经碳氮共渗的样品B具有的强度略小于经受正常淬火的样品A的强度，而本发明的样品C与样品B相比，具有提高的静态压力断裂强度，并因此等于样品A的静态压力强度。
(5)缓慢尺寸变化率
表15示出在130℃(保持温度)和500小时(保持时间)的条件下，测得的缓慢尺寸变化率，以及表面硬度和保持的奥氏体(0.1mm深度)的量。
表15
样品 试验次数  表面硬度(HRC) 保持γ(％)  尺寸变化率(×10-5) 相对尺寸变化率*)
  A     3     62.5     9.0     18      1.0
  B     3     63.6     28.0     35      1.9
  C     3     60.0     11.3     22      1.2
*：较小的为最佳
与具有大量的保持的奥氏体的样品B的尺寸变化率相比，由于本发明只有一半或不到的较低的保持的奥氏体的量，所以，本发明的样品C具有减小的尺寸变化率。
(6)在污染润滑油条件下的寿命试验
球轴承6206用来评价在污染润滑油条件下的滚动疲劳寿命，润滑油具有预定量的普通污染剂混合在其中。试验条件示于表16中，试验结果示于表17中。
表16
载荷 Fr＝6.86kN
接触表面压力 Pmax＝3.2Gpa
转速 2000rpm
润滑剂 透平56-油槽润滑
污染物量 0.4g/1000cc
污染物 颗粒尺寸：100-180μm，硬度：Hv800
表17
    样品     L10寿命-(h)     相对L10
    A        20.0     1.0
    B        50.2     2.5
    C        45.8     2.3
经受传统碳氮共渗的样品B具有的寿命大约是样品A的寿命的2.5倍，本发明的样品C具有的寿命大约是样品A的寿命的2.3倍。尽管本发明的样品C具有比对比实例的样品B小的保持的奥氏体的量，但因为进入的氮和细微的微结构的影响，样品C具有大致等于样品B的寿命的一长的寿命。
因此，从上述的结果可以看到，本发明的样品C，即，由本发明的热处理方法形成的一轴承部件，可同时达到三个目标：延长由传统碳氮共渗难于达到的滚动疲劳寿命，改善裂纹强度，以及缓慢尺寸变化率。
尽管本发明已经作了详细的描述和图示，但应清楚地理解到，上述的描述和图示只是说明性的和示例的，不能认为有限制的意义，本发明的精神和范围只能由附后的权利要求书中的诸权项来加以限定。

Claims (16)

1.一装满滚子的滚动轴承(50)，其由一外环(4)、一内环(2)和诸滚子(3)组成，它们由钢制成，其中，
外环、内环和诸滚子中至少一个在其表面层上具有碳氮共渗层，且表面层的奥氏体晶粒的尺寸数大于10。
2.如权利要求1所述的装满滚子的滚动轴承，其特征在于，
所述外环、内环和诸滚子中的至少一个在等于或大于A1转变温度的碳氮共渗温度下进行碳氮共渗，冷却到低于A1转变温度的一温度，然后，加热到低于所述碳氮共渗温度的一淬火温度，由此，进行淬火。
3.如权利要求2所述的装满滚子的滚动轴承，其特征在于，
所述淬火温度在一温度范围内，其中，碳化物和/或氮化物和一奥氏体态共存在钢的碳氮共渗的表面层内。
4.如权利要求2所述的装满滚子的滚动轴承，其特征在于，
所述的淬火温度是790℃-830℃。
5.如权利要求2所述的装满滚子的滚动轴承，其特征在于，
所述外环、内环和滚子中的至少一个是在碳氮共渗之前进行冷加工的。
6.如权利要求1所述的装满滚子的滚动轴承，其特征在于，
在所述外环、内环和滚子中的至少一个中，产生至少为500Mpa的残余压缩应力。
7.一用于发动机的滚子凸轮随动件，包括：
一与发动机的凸轮轴(6)滚动接触的外环(4)；
一位于所述外环内部、并固定在凸轮随动件本体(50)上的滚子轴(2)；以及
放置在所述外环和所述滚子轴之间的轴承元件(3)，其中，
所述外环、滚子轴和轴承元件中的至少一个具有一碳氮共渗层，而在至少一个表面层内的奥氏体晶粒制得细微，以具有大于10的晶粒尺寸数。
8.一用于发动机的滚子凸轮随动件，包括：
一与发动机的凸轮轴滚动接触的外环；
一位于所述外环内部、并固定在凸轮随动件本体上的滚子轴；以及
放置在所述外环和所述滚子轴之间的轴承元件，其中，
所述外环、滚子轴和轴承元件中的至少一个具有一碳氮共渗层，且具有至少为2650MPa的断裂应力。
9.一用于发动机的滚子凸轮随动件，包括：
一与发动机的凸轮轴滚动接触的外环；
一位于所述外环内部、并固定在凸轮随动件本体上的滚子轴；以及
放置在所述外环和所述滚子轴之间的轴承元件，其中，
所述外环、滚子轴和轴承元件中的至少一个具有一碳氮共渗层，且具有至多为0.5ppm的氢成分。
10.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，所述凸轮随动件本体(50)安装在一摇臂(1)的一端(1a)上，所述摇臂可枢转地连接在位于所述一端和另一端(1b)之间的一转动轴(5)上，所述发动机的一打开/关闭阀(9)的一端邻接在所述的另一端上，在所述一端上的所述凸轮随动件本体具有一分叉的滚子支承部分(14)，而所述滚子轴固定在所述分叉的滚子支承部分上。
11.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，所述凸轮随动件本体(50)安装在一摇臂(1)的一端(1b)和另一端(1a)之间，所述滚子轴(2)固定在摇臂的两侧壁之间延伸的一滚子孔中，所述发动机的一打开/关闭阀(9)的一端邻接在所述摇臂的所述一端(1b)上，而一枢轴(15)邻接在所述另一端(1a)上。
12.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，一摇臂(1)可枢转地连接在位于所述摇臂的一端(1b)和另一端(1a)之间转动轴(5)，所述发动机的一打开/关闭阀(9)的一端邻接在所述的一端(1b)上，所述另一端(1a)邻接在从所述凸轮(6)传输应力的一互锁杆(16)的一端上，所述凸轮随动件本体(50)安装在所述互锁杆的另一端上，所述互锁杆的所述一端和所述另一端分别位于所述摇臂和所述凸轮(6)上，且所述滚子轴连接在所述凸轮随动件本体并邻接在所述凸轮上。
13.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，所述轴承元件是装满滚针的轴承。
14.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，所述滚子轴的端部具有的硬度低于其中心部分的硬度。
15.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，所述滚子轴的端部是填密的。
16.如权利要求7-9中任何一项所述的发动机的滚子凸轮随动件，其特征在于，所述凸轮随动件是全部压力加工形成的。
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