专利名称：对金属环进行热处理的方法和如此获得的轴承环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对钢环、尤其是轴承进行热处理的方法，其中一个预加热环的外表面和内表面暴露在冷却介质的不同射流中，以使靠近这些表面的环的各个区经受不同冷却过程。
从昭61-235509号日本专利申请公报中可以了解到这类的方法。借助于该方法，可以制造一个内外表面具有不同硬度的轴承环。为此，通过使一个钢质环的一个表面经受冷却介质的喷射，而使该钢质环被局部地淬火。同时，另一表面经受压缩空气流作用。这样，所述外表面获得一个对应于淬火过程的硬度，而内表面获得一个对应于回火过程的硬度。
尽管现有技术的方法在轴承环的机械性能方面提供了一些改进，但它有用的应用受到局限。尤其是，所述过程打算用于对在一个叉形起重机装置的起重杆滚轮中使用的轴承提供改进，其中，外环的外表面与一个起重杆导轨滚动接触。
本发明的目的是提供一种生产环、尤其是具有更广泛应用的任何类型的轴承的通用热处理方法。在制造这种轴承环的通常过程中，在第一步中，从一个管上切割一个环或由一种合适的钢质材料锻造一个环。根据另一种可能性，这种环也可通过冷扎或热成型工艺形成。接着，对所述环进行车削操作，随后对它们进行热处理。
热处理使得环加热到大约为奥氏体化温度的一个温度，然后进行淬火操作以便获得马氏体结构，并最后进行回火。
在这个过程中，所述环发生扭曲变形，结果环的形状和尺寸变化，并且例如它的不圆度增大。为了使环适合用于一个轴承中，它的尺寸应保持在窄的公差内，这导致需要昂贵的磨削操作。
根据经验可以一种合理的方式预测钢质材料的尺寸变化。这些变化特别是由淬火时在马氏体相变过程中发生的体积变化所引起的。与此相对比，环的形状变化较难预测。这些变化是由于环中诸如它们的化学成份、显微结构、可能的脱碳和变形的“不均匀性”所引起的。
但是，形状方面的主要变化是由于残余应力的不同所引起的。最终，在热处理之前和热处理过程中以及淬火之后，环的形状受到塑性变形影响。
因此，本发明的目的是提供一种方法，通过该方法，环的形状变化可以以一种更加可靠的方式加以控制。该目的是通过以这样一种方式控制冷却介质流的供应来实现的，使得通过控制从奥氏体到马氏体或贝氏体结构的相变扩展而在所述环中获得所需的内部应力型式。
被精确控制的诸如冷却介质喷雾或薄雾的冷却介质流现在被用于在环中建立导致较小扭曲变形的应力型式。尤其是，为了制造在其一个表面上具有一个轴承座圈的轴承用的环，给到所述表面的喷雾或薄雾的供应以这样一种方式控制，使得在轴承座圈处的表面区域中获得压缩应力。
被环的另一表面附近的拉伸应力所平衡的轴承座圈附近的压缩应力对在与滚珠滚动接触下的环的性能也有积极影响，因为由于滚动接触疲劳所导致的裂纹形成因此而受到抑制。
通过沿轴向方向夹紧环可以进一步改进本发明的方法，夹紧力以这样一种方式被控制，使得由于冷却过程导致的不圆度降低到最小。
为了精确控制制造过程，至少一个表面的表面温度被测定。
诸如喷雾或薄雾的冷却介质是由在例如0-50℃范围内的合适温度和一过压下的水和空气形成的喷雾或薄雾。环的两个表面同时用诸如水和/或空气的一种冷却介质混合物进行处理。
在这个过程中，环绕着环的轴线以每分钟0-200转范围内的角速度转动。
如上所述，喷雾或薄雾的供应以这样一种方式被控制，以便获得钢质材料的马氏体结构；同时，沿轴向方向施加的夹紧力与环的温度降低相关地被控制，直到大体在马氏体相变温度以下。这样，冷却介质流根据相变图中的一条预定的冷却曲线而加以控制。
本发明还涉及一种通过上述方法制造的钢质轴承环，其中，环的用作轴承座圈的表面附近的区域有压缩应力，而相对区域根据一个所需的应力型式有拉伸应力。
本发明还涉及一种对钢环进行热处理的装置，该装置包括一个支撑装置，用于支撑一个将被处理的环；第一和第二供应装置，用于将一种液体、气体或它们的混合物的喷雾或薄雾分别供应到环的外表面和内表面；以及控制装置，用于控制喷雾或薄雾的供应以便在周围温度下在环中获得一个所需内部应力型式。
所述装置还包括具有一个用于轴向夹紧环的夹紧装置的支撑装置。
夹紧装置包括一个上模和一个下模，它们借助于气缸/活塞装置可相互靠近地移动以便夹紧一个环，下模相对于它们的轴线可转动地由轴承加以支撑。
由气缸/活塞装置所施加的夹紧力以及模的转动速度由控制组件加以控制。
以下将给出本发明的简短概述。
冷却过程由具有两个不同运行闭合环路的计算机加以控制。一个环路用于控制外侧表面上的温度，而另一个环路用于控制环的内侧表面温度。
在实际冷却过程开始之前，将用于环的内侧和外侧直径的所需温度-时间曲线输入计算机作为几个典型的温度-时间设定值。在这些设定值之间的曲线由计算机计算以获得完全描述用于环的内侧和外侧直径的冷却曲线的两条曲线。在冷却过程中，通过两个非接触温度测定装置测定环的内侧和外侧直径上的温度。这些装置的信号被用于反馈到控制装置。控制装置反过来根据实际测定的温度与按照温度设定值曲线所要求的温度之间的差别及时地调节流向内侧和外侧喷管的水流。流向喷管的空气流可以保持在恒定的水平或者根据水流而加以确定。
由于用于环的内侧直径和外侧直径的温度设定值曲线是完全相互独立的，因此，在冷却处理过程中，可以独立于外侧直径地改变内侧直径上的冷却速率。这对于能以一种可重复的方式控制整个环横截面的应力分布型式是必要的。
以下结合附图对本发明进行进一步的描述。
图1显示实现本发明方法的一种装置，该装置处于安装一个环的阶段。
图2显示处于运行状态的图1中的装置。
图3是本发明装置控制系统的简图。
图4是一个连续冷却相变图。
图1和图2中的装置包括一个基座1，它支撑着气动气缸/活塞装置2以及固定支柱16。一个下部支架3安装在气缸/活塞装置2的上部，下部支架上支承着一个下模17，下模17借助于另一个气缸活塞装置10可相对于支架3上下移动。
一个上部支架7安装在支柱16的上端部，上部支架上有一个固定上模14。支柱16还具有一个供应环16，供应环设置有多个径向向内指向的喷洒喷管5。一个供应管8延伸穿过上部支架7和上模14，供应管8的下端部设置有多个径向向外指向的喷洒喷管13。
在运行时，钢质材料环12放置在下模17上，下模17处于其下部位置。接着，液压活塞/气缸装置2和10以这样一种方式运行，使得环12的上部边缘被夹紧在下模17和上模14之间。借助于设置在活塞/气缸装置10下端部与下部支架3的支架部分11之间的压力传感器9，可以控制施加在环12上的夹紧力。
下模17和上模14安装在轴承11，15中，使得一旦驱动电机(未示出)启动，模17，14连同环12一起转动。此外，加压的水和空气混合物以这样一种方式被供应到管6和8，使得冷却的水/空气混合物控制流喷洒在环12的外表面和内表面上。
如示意图3所示，图1和图2中的装置在计算机18的计算机控制下运行。该计算机包含合适的程序，用于控制向环12的内外表面喷洒。通过接触热电偶19或一个非接触传感器20测定的有关环12温度的数据被传给控制组件18。
计算机18控制阀21、22、23、24，阀21、22、23、24分别用于调节流向喷管5和13的空气与水的供应量。阀21，23通过管25从一个空气缓冲器26被供给空气，阀22，24通过管27从一个水缓冲器28被供给水。
而且，控制组件18控制阀29，用于调节活塞/气缸装置10中的压力，从而调节由下模17和上模14施加在环12上的夹紧力。
通过以合适方式编制控制组件18的程序，可以模拟对环12的任何冷却/淬火过程。例如，即使水和空气用作一种(对环境有利的)冷却介质，通过以所需方式简单地控制阀21-24可以获得一条油冷却曲线。
在这个过程中，通过借助于下模17和上模14给环12施加所需的轴向夹紧力以及在控制组件18的控制下，环的扭曲变形可减至最小。
如上所述，喷洒淬火装置可分别遵循环外、内表面上的预定冷却曲线。通过仔细选择环外、内直径的冷却特性，可以控制所形成的显微结构和残余应力型式。将参照图4中的CCT(连续冷却相变)图对此进行解释。
在该图中，I区表示奥氏体+贝氏体，II区表示奥氏体+珠光体，III区表示奥氏体+碳化物，以及IV区表示马氏体+碳化物(+奥氏体)。
示例1曲线M1表示轴承内环的外径的冷却曲线，M2表示轴承内环的内径的冷却曲线。通过将内径更快速地冷却至马氏体相变开始温度(Ms)附近的一个温度，接着缓慢地但可控制地冷却至室温，马氏体相变在环壁上以一种被控制的方式进行。淬火过程使得在内环的轴承座圈区具有一个更有利的残余应力型式(较小的张力或平均的压应力)，从而使轴承具有更长的使用寿命。对于外环，对内外表面的冷却过程分别是相反的。
示例2曲线B表示形成一个贝氏体显微结构的冷却曲线。在被控制淬火到贝氏体相变温度之后，在足够时间内维持一个平衡热传递(根据实际情况，冷却以带走相变热或加热以弥补周围的热量损失)以便完成贝氏体相变。该冷却曲线将仅产生低的残余应力。
权利要求
1.一种对钢环、尤其是轴承进行热处理的方法，该方法使一个预加热环的外表面和内表面暴露在冷却介质的不同射流中，从而使这些表面的各个区经受不同冷却过程，其特征在于，以这样一种方式控制冷却介质流的供应，从而使得通过控制从奥氏体到马氏体或贝氏体材料结构的相变扩展而在所述环中获得所需的内部应力型式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冷却介质由一种液体、气体或它们的混合物组成。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法用于制造一个轴承用的环，该环在它的一个表面上具有一个轴承座圈，供应到所述表面的冷却介质以这样一种方式控制，使得表面附近的轴承座圈中获得压缩应力。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，环在其内径处沿轴向方向被夹紧，夹紧力以这样一种方式控制，使得由于冷却过程导致的不圆度保持为最小。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，夹紧力控制在一个预定的范围内。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，测定至少一个表面的表面温度以便控制冷却过程。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，冷却介质是由在例如0-50℃范围内的合适温度和一确定的过压下的水和/或空气形成的喷雾或薄雾。
8.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，环和喷管绕着环的轴线以每分钟0-200转范围内的相对速度转动。
9.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，冷却介质的供应以这样一种方式控制，以获得钢质材料的马氏体显微结构或贝氏体。
10.如权利要求4和9所述的方法，其特征在于，沿轴向方向施加的夹紧力与环的温度降低相关地被控制，直到马氏体相变温度以下。
11.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，冷却介质流根据相变图中的一条预定的冷却曲线而加以控制。
12.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，冷却过程以这样一种方式控制，以便获得所需的内部应力型式。
13.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤-为一个环的内表面在温度-时间范围内选择一条第一所需冷却曲线；-为一个环的外表面在温度-时间范围内选择一条所需第二冷却曲线；-测定所述内外表面的瞬时温度；-根据所述第一和第二所需冷却曲线以及所述测定温度控制内表面的冷却介质流和外表面的冷却介质流。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，冷却介质是诸如水的一种液体和诸如空气的一种气体的混合物，该方法包括改变液体流的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法包括保持气体流在一基本恒定水平的步骤。
16.一种通过如上述任一权利要求所述方法制造的钢环，其特征在于，环的用作轴承座圈的表面附近的区域有压缩应力，而相对区域根据一个所需的应力型式有平衡拉伸应力。
17.根据权利要求1-15任一所述方法对钢环进行热处理的装置，该装置包括一个支撑装置(1-3，7，9-12，14-17)，支撑装置用于支撑一个将被处理的环(12)；第一(5，6，23，24)和第二(8，13，21，22)供应装置，第一和第二供应装置用于将一种液体、气体或它们的混合物的喷雾或薄雾分别供应到环(12)的外表面和内表面；以及控制装置(18)，控制装置用于控制喷雾或薄雾的供给，以便在周围温度下在环(12)中获得一个所需内部应力型式。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，支撑装置包括一个夹紧装置(14，17)，用于轴向夹紧环。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，夹紧装置包括一个上模(14)和一个下模(17)，它们借助于气缸/活塞装置(2)可相互靠近地移动，从而夹紧一个环(12)。
20.如权利要求18或19所述的装置，其特征在于，上模(14)和下模(17)相对于它们的轴线可转动地由轴承(11，15)加以支撑。
21.如权利要求19或20所述的装置，其特征在于，由气缸/活塞装置(2)所施加的夹紧力以及模(14，17)的转动速度由控制组件(18)加以控制。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，上模(14)有一个固定位置，下模(17)连接到一个气缸/活塞装置(10)上，气缸/活塞装置(10)用于将所述下模(17)移向和移离上模(14)。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，用于移动下模(17)的气缸/活塞装置(10)被支撑在一个下支架(3)中，下支架(3)由另一个气缸/活塞装置(2)所支撑，气缸/活塞装置(2)用于沿着与下模(17)相同方向移动所述下支架(3)。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，下支架(3)具有一个用于移动一个环(12)的传送装置(4)，传送装置与上模(14)有一段距离地位于下支架(3)位置中的下模(17)的上部。
全文摘要
用于对钢质环、尤其是轴承进行热处理的方法和装置,该方法和装置使一个预加热环的外表面和内表面暴露在冷却介质的不同射流中,从而使这些表面的各个区经受不同冷却过程。冷却介质流的供应以这样一种方式控制,从而使得通过控制从奥氏体到马氏体或贝氏体材料结构的相变扩展而在所述环中获得所需的内部应力型式。
文档编号C21D9/40GK1262709SQ98807062
公开日2000年8月9日 申请日期1998年7月10日 优先权日1997年7月10日
发明者亨德里克斯·扬·卡潘, 科内利斯·诺兰德, 扬·图勒·斯吕克, 马茨·约翰·佩尔松, 巴伯拉·琳内·托齐尔 申请人:Skf工程研究中心公司