滚动轴承及钢的热处理方法

专利名称：滚动轴承及钢的热处理方法
技术领域：
本发明涉及对于滚动疲劳要求长寿命、且用于必需抑制尺寸经时变化率的部位的滚动轴承及钢的热处理方法。
背景技术：
为了得到对于滚动疲劳长寿命、且高强度的轴承零件，以晶粒的细化为目的提出了以下的热处理方法。即，揭示有如下的热处理方法使淬火加热时的气氛气体中含有NH3气体，对表层进行碳氮共渗，暂时冷却到A1临界点以下，接着再加热到比该碳氮共渗处理时的温度低的温度进行淬火，从而使奥氏体晶粒在8μm以下(参看专利文献1)。该热处理方法中，由于使淬火时的加热温度比碳氮共渗温度低，因此淬火中必需使用以在淬火中充分硬化为目的加大冷却速度等特别的冷却方法。
专利文献1日本专利特开2003-226918号公报发明的揭示发明要解决的课题但是，即使如上所述在淬火处理中使用特别的方法，仍存在对于壁厚等尺寸大的轴承零件无法获得稳定的材质等问题，希望有将上述提出的优秀的热处理方法适用于大尺寸的轴承零件的方法。
本发明的目的在于提供不论零件的尺寸都对滚动疲劳具有长寿命、且没有抗裂强度的下降和尺寸经时变化率的增大，在规定尺寸以下的零件，可以实现基于进一步晶粒细化的高强度化的滚动轴承及钢的热处理方法。
解决课题的方法本发明的滚动轴承包括套圈和滚动体，该套圈和滚动体中至少一个构件在其表面具有富氮层，表层部的奥氏体晶粒号为11号以上，对于构成该构件的钢，淬透性试验(JISG0561)中达到HRC50的位置与淬火端的距离在12.7mm(8/16英寸)以上。
本发明的其它滚动轴承包括套圈和滚动体，该套圈和滚动体中至少一个构件由以重量比含有0.8～1.5％的碳、0.4～1.2％的Si、0.8～1.5％的Mn和0.5～1.8％的Cr的钢构成，在其表面具有富氮层，表层部的奥氏体晶粒号为11号以上。
本发明的钢的热处理方法用于由如下的钢构成的零件以重量比含有0.8～1.5％的碳、0.4～1.2％的Si、0.8～1.5％的Mn和0.5～1.8％的Cr，淬透性试验(JISG0561)中达到HRC50的位置与淬火端的距离在12.7mm以上。该方法中，将上述钢的零件在810～950℃下进行碳氮共渗处理或氮化处理后，冷却至低于该钢材的A1临界点的温度区域，然后再加热到A1临界点以上、低于上述碳氮共渗处理或氮化处理的温度的淬火温度区域，进行淬火。
通过上述的构成，不仅得到微细的奥氏体粒径，而且不管是大尺寸还是小尺寸，不论轴承零件的尺寸，都获得稳定的、足够良好的淬火硬化组织，可以得到对滚动疲劳长寿命、且高强度的性能。此外，上述的钢由于淬透性良好，可适用于硬化不充分的大尺寸的轴承零件。此外，上述的钢不仅是淬透性，还由于化学成分的特有效果，可以使滚动疲劳寿命延长，使抗裂性能和耐尺寸经时变化率进一步提高。
上述中，钢的淬透性试验(JISG0561)实现了与国际标准ISO 642的钢的淬透性末端淬火试验(Steel-Hardenability test by end quenching)(乔米尼试验(Jominy test))的一致，可以认为是同样的试验方法。上述试验方法中，试验片必须是直径25mm左右、长度100mm左右的尺寸，例如在制成滚动轴承零件的形状后，无法确保上述淬透性试验的试验片的尺寸。因此，淬透性试验是对加工成零件形状之前的原材料状态的钢进行的。
上述淬透性试验中达到HRC50的位置未满12.7mm时，淬透性不足，使用于壁厚较厚的零件的情况下，因为零件中心部没有充分硬化，所以硬度低，无法承受规定的负荷。
淬透性主要由钢的化学组成决定，还受到淬透性试验时的奥氏体晶粒径的影响。本发明中，因为奥氏体粒径在11号以上，达到微细的水平，所以通过限定化学组成的范围，可以将钢的淬透性控制在规定的范围内。化学组成的范围设定不仅要确保淬透性，而且如上所述各化学成分对各种性能也有特有的效果，所以也考虑到这一点。
C0.8～1.5％C对提高淬透性的作用大，对于从较低温度的淬火，为了确保硬度一定量的C是必需的，在细化晶粒方面，也必须形成作为有效的奥氏体核形成位置的碳化物，所以下限设为0.8％。另一方面，如果过多，则有损加工性，碳氮共渗时碳化物粗大化，所以上限设为1.5％。
Si0.4～1.2％Si对于确保滚动时的长寿命是必需的，如果不含有0.4％以上，其效果不明显，所以下限设为0.4％。另一方面，如果过多，则强化铁素体，显著破坏加工性，同时阻碍碳氮共渗时的碳和氮的渗入，所以上限设为1.2％。
Mn0.8～1.5％Mn与Si同样，对于确保滚动时的长寿命是必需的。另外，Mn显著影响钢的淬透性的提高，所以对于大尺寸的轴承零件是必不可少的元素。从确保滚动寿命和淬透性的角度来看，下限设为0.8％，但如果过多，则有损加工性，淬火中残留的奥氏体过多，无法确保必要的硬度，因此上限设为1.5％。
Cr0.5～1.8％一定量的Cr是必需的，为了使晶粒细化，必须形成作为奥氏体核形成位置的碳化物，所以下限设为0.5％。另一方面，如果过多，则碳氮共渗时碳化物粗大化，所以上限设为1.8％。
上述表层的氮浓度以重量比可以设为0.05～0.7％。通过该构成，可以充分提高表层的硬度。
附图的简单说明

图1A是本发明实施例中的热处理方法的说明图，进行2次淬火的方法的示意图。
图1B是本发明实施例中的热处理方法的说明图，进行1次淬火的方法的示意图。
图2是以往例的钢的显微组织的示意图。
图3是本发明例的钢的显微组织的示意图。
图4是比表面积与表层硬度的关系的示意图。
图5A是表示滚动疲劳试验机的侧视图。
图5B是表示滚动疲劳试验机的主视图。
图6是抗静压破坏强度试验片的示意图。
符号的说明1试验体、2驱动辊、3支持辊、4辊筒、5上辊、6下辊、A碳氮共渗处理(温度)、B淬火(温度)。
实施发明的最佳方式(实施例)以下，对本发明的实施例进行说明。本实施例中评价的滚动轴承零件是对以重量比含有1.0％的C、0.5％的Si、1.0％的Mn和1.0％的Cr的钢使用图1A或图1B所示的热处理方法得到的零件。图1A所示的热处理方法为进行第1次淬火和第2次淬火共2次淬火的方法；而图1B所示的热处理方法为加热至碳氮共渗处理温度A后，不进行淬火而冷却至低于A1临界点的温度，接着再加热到A1临界点以上、低于碳氮共渗处理温度的淬火温度B进行淬火的方法。两种情况下，碳氮共渗处理温度A都在810～950℃的温度区域，最终的淬火温度B都为750～810℃。不进行碳氮共渗处理而进行氮化处理的情况下，加热温度也同样设定。如图1A和图1B所示，淬火进行油淬火，油冷后进行180℃下的回火处理。
使用上述图1A所示的热处理方法的以往的滚动轴承零件(日本专利特开2003-226918号公报)的显微组织示于图2。此外，使用上述图1A所示的热处理方法的本发明的滚动轴承零件的显微组织示于图3。根据这些显微组织，都是按照JIS标准G0551的钢的奥氏体晶粒度试验方法的粒度号中相当于12号的微细颗粒，平均粒径在6μm以下。测定方法是计数规定区域的晶粒数，并找到相应的粒度号。上述JIS标准中没有预设本发明实施例这样微细的晶粒，所以将上述JIS标准中的计算式推广进行适应。
为了研究使用本发明例的钢制成的零件的滚动疲劳寿命和材料特性，进行了热处理后的硬度、使用圆筒形试验片的滚动疲劳试验和抗静压破坏强度、尺寸经时变化率的测定。作为比较例，进行了使用以往的钢、使用同样的热处理方法的零件的试验。以下，将对2型轴承钢(JISSUJ2)进行了图1A的热处理的材料标记为A材(比较例)，将对上述含有1.0％的℃、0.5％的Si、1.0％的Mn和1.0％的Cr的钢进行了图1A的热处理的材料标记为B材(本发明例)，另外将使用B材将图1A所示的第2次淬火温度降至780℃进行处理的材料标记为BL材(本发明例)。关于各自的奥氏体晶粒度，A、B材都为12号，BL材为13号。
1.硬度图4中表示了各种形状的零件的各比表面积(表面积/体积)下的从表面到0.05mm深度位置的硬度测定结果。比表面积的值中数值越小则壁厚等尺寸越大，淬火中自表面的发热量越小。虽然B材(本发明例)相比A材(比较例)比表面积在1/2以下，但在A材(比较例)中硬度低的比表面积的区域或比其更小的区域也具有稳定的高表层硬度。即，得到的结果显示，本发明例的B材在化学组成上确保了比比较例的A材更高的淬透性。
2.滚动疲劳寿命滚动疲劳寿命试验的试验条件示于表1，滚动疲劳试验机的简图示于图5A和图5B。图5A是滚动疲劳试验机的侧视图，图5B是其主视图。根据图5A和图5B，试验体1被通过上辊5和下辊6加压的辊筒4从上下夹持。上述辊筒4由驱动辊2旋转驱动，压住试验体1的同时使试验体旋转。为了稳定地支持旋转的试验体1，支持辊3接触试验体进行支持，使试验体1夹持在支持辊3与驱动辊之间。试验期间，润滑油从上辊5与驱动辊2之间向试验体供给。如果试验体破损则旋转运动出现异常，所以可对其进行检测。
试验条件

试验结果示于表2。B材表现出A材的L10寿命(10个试验片中1个破损的寿命)的1.2倍的长寿命。比A、B材晶粒小的BL材寿命更长。
试验结果

3.抗静压破坏强度试验图6中表示抗静压破坏试验的试验片。在图6所示的试验片的P方向施加荷重，进行抗静压破坏强度试验。试验结果示于表3。本发明例的B材为不逊于比较例的A材的水平。另一方面，本发明例的BL材比A材强度高。
试验结果

4.尺寸经时变化率表4中，表示保持温度120℃、保持时间500小时下的尺寸经时变化率的测定结果。表4中，除了尺寸经时变化率之外，还一并表示了表面硬度、自表面深度0.1mm位置的残留奥氏体量。本实施方式中，虽然残留奥氏体量多，但与比较例A材的尺寸经时变化率相比，本发明例的B材和BL材的尺寸经时变化率被抑制到其1/3以下。
试验结果

※)越小越好5.异物混入润滑下的寿命试验使用圆锥滚子轴承30206(JIS)，在混入规定量的标准异物的异物混入润滑下评价滚动疲劳寿命。试验条件示于表5，试验结果示于表6。
异物混入润滑下的滚动疲劳试验条件
异物混入润滑下的寿命试验结果

与比较例A材相比，本发明例B材的滚动疲劳寿命约为其0.9倍，为与A材大致同样程度的长寿命。另一方面，本发明例BL材为比较例A材的1.2倍，寿命更长。
由以上的结果可知，对含有1.0％的C、0.5％的Si、1.0％的Mn和1.0％的Cr的钢进行了图1A所示的热处理得到的钢可以获得与对2型轴承钢进行了图1A的热处理的比较例A材同等的材质，而且可以防止抗裂强度、滚动疲劳寿命的下降，同时满足尺寸经时变化率的减低。另外还明确，产生了淬透性高的优点，在降低淬火温度使晶粒进一步精细的情况下，可以使各项特性更良好。
6.淬透性试验本实施例中，保持上述微细晶粒产生的良好特性的同时，连大尺寸都能获得充分的硬化组织，或者尺寸为与以往同等的小尺寸，但进一步使晶粒细化，使强度进一步提高。因此，试制了改变了化学成分的样品，研究了淬火温度、硬度和晶粒的关系。这时，作为钢的淬透性的标准，以上述的淬透性试验中达到HRC50的位置离淬火端的距离(简称为乔米尼值)进行整理。结果示于表7。


注(i)乔米尼值为根据化学成分的推定值(以晶粒度No.10计算得到)(ii)表层硬度为壁厚15mm的试验片(外径85mm、内径55mm、宽30的环)的实测值参照表7，如本发明例的试验体1～4、L5所示，如果达到HRC50的位置与淬火端的距离在12.7mm(8/16英寸)以上，则即使是壁厚的零件，在淬火处理中也可以充分硬化，能够稳定地长寿命化。此外，对于规定尺寸以下的零件，通过以更低的淬火温度进行的淬火处理，可以进一步使晶粒细化。与之相反，比较例的试验体5、6、16中，无法充分硬化，无法得到使表层硬度足够高的材料。
为了保持微细的晶粒的同时提高淬透性，本发明的钢在上述的化学成分范围内，具有上述淬透性试验法(JISG0561)中达到HRC50的位置(乔米尼值)与淬火端的距离在12.7mm(8/16英寸)以上的淬透性，并具有保证其的化学组成。如果使用这样的淬透性高的钢，则不论是壁厚的零件还是壁薄的零件，都可以进一步减低淬火速度和淬火温度，所以能够防止淬火变形、增加残留奥氏体等，使轴承精度和滚动寿命等轴承品质稳定地提高。
以下，对包括上述本发明实施例的本发明的实施方式进行罗列说明。
对于上述本发明的钢的零件，可以使以表面积/体积表示的比表面积的值在0.6以下。通过该构成，可以对非常大尺寸的块状零件使用本发明，可以确保长滚动疲劳寿命和高强度。
上述的钢的热处理方法中，可以将A1临界点以上、低于碳氮共渗处理或氮化处理的温度的淬火温度区域设定为750～810℃。
通过该构成，不仅确保良好的淬透性，而且可以获得超细的奥氏体粒径，能够获得长滚动疲劳寿命和高强度。
只要是在表层具有碳氮共渗层或富氮层的钢，不局限于轴承零件，上述的热处理方法可以使用于任何钢零件。此外，上述富氮层不论是否与碳共存，只要氮富化，也可以是通过碳氮共渗处理形成的表层。
此外，上述淬火处理中的淬火温度无法自完全奥氏体化的状态淬火，可是以上述的淬火温度虽然可能残存部分渗碳体，但几乎完全奥氏体化。因此，淬火后得到的显微组织也与自完全奥氏体化的状态淬火的组织同样充分硬化，通过使该显微组织浸蚀显现可以测定奥氏体晶粒度。对于上述本发明中的奥氏体晶粒，应考虑到本发明的意义进行解释。
这里揭示的实施方式在所有方面都为示例，不应被认为是限制。本发明的范围并不是上述说明，而是在权利要求中表示，与权利要求相同的含义和范围内所有的变更也应包含在内。
产业上利用的可能性如果采用本发明的滚动轴承和钢的热处理方法，不仅保持微细的晶粒，而且即使制品壁厚等尺寸大也可以使其硬化，或者在尺寸在规定尺寸以下的情况下使淬火温度降低，可以进一步使晶粒细化。因此，滚动轴承等具有富氮层的钢制零件的耐久性可以显著提高，所以有望被广泛用于汽车相关零部件等多种钢零件。
权利要求
1.滚动轴承，它包括套圈和滚动体，其特征在于，前述套圈和滚动体中至少一个构件在其表面具有富氮层，表层部的奥氏体晶粒号为11号以上，构成该构件的钢中淬透性试验(JISG0561)中达到HRC50的位置与淬火端的距离在12.7mm(8/16英寸)以上。
2.滚动轴承，它包括套圈和滚动体，其特征在于，前述套圈和滚动体中至少一个构件由以重量比含有0.8～1.5％的碳、0.4～1.2％的Si、0.8～1.5％的Mn和0.5～1.8％的Cr的钢构成，在其表面具有富氮层，表层部的奥氏体晶粒号为11号以上。
3.如权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于，前述表层的氮浓度以重量比为0.05～0.7％。
4.如权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于，前述至少一个构件中，以(表面积/体积)表示的比表面积的值在0.6以下。
5.钢的热处理方法，其特征在于，将由钢构成的零件在810～950℃下进行碳氮共渗处理或氮化处理后，冷却至低于前述钢材的A1临界点的温度区域，然后再加热到A1临界点以上、低于前述碳氮共渗处理或氮化处理的温度的淬火温度区域，进行淬火；所述钢以重量比含有0.8～1.5％的碳、0.4～1.2％的Si、0.8～1.5％的Mn和0.5～1.8％的Cr，淬透性试验(JISG0561)中达到HRC50的位置与淬火端的距离在12.7mm以上。
6.如权利要求5所述的钢的热处理方法，其特征在于，前述A1临界点以上、低于前述碳氮共渗处理或氮化处理的温度的淬火温度区域为750～810℃。
全文摘要
本发明提供对于大尺寸的零件也对滚动疲劳长寿命、且没有抗裂强度的下降和尺寸经时变化率的增大，或者在规定尺寸以下的零件，可以实现基于进一步晶粒细化的高强度化的滚动轴承。本发明的滚动轴承包括套圈和滚动体，套圈和滚动体中至少一个构件在其表面具有富氮层，表层部的奥氏体晶粒号为11号以上，具有在钢的淬透性试验方法中达到HRC50的位置与淬火端的距离在12.7mm(8/16英寸)以上的淬透性。
文档编号C23C8/26GK1910379SQ20058000237
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月11日 优先权日2004年1月15日
发明者大木力, 藤田康平 申请人:Ntn株式会社