专利名称：滚动部件和动力传动部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及受到反复拉伸应力的作用，在苛刻的润滑条件下及伴有滑动的条件下使用的由经高频淬火的钢材制成的滚动部件及具有该滚动部件的动力传动部件。
背景技术：
以滚动轴承为代表的形状较简单的滚动部件采用滚动寿命优良的SUJ2等轴承钢。但是由于轴承钢加工性差，因此不适用于形状复杂的滚动部件。而与此相反，S53C等中碳钢具有良好的加工性，因此适用于形状复杂的滚动部件。一般将中碳钢加工成复杂的形状后，对其滚动部位进行高频淬火后再使用。此外，中碳钢中贵重的合金元素含量少，因此价格低廉，还可节约稀有资源。
但是多数情况下，在形状复杂的滚动部件的滚动部位不仅仅只受到单纯的滚动负荷。除了滚动以外，还伴有滑动，以及叠加滚动以外的反复拉伸应力，因此在滚动部位易产生龟裂，这样有时会迅速传播，导致致命的损伤。一般认为其原因是中碳钢的滚动寿命比轴承钢差。
近来，随着节能化、小型化，在比以前更苛刻的条件下使用滚动部件的情况增多。要在考虑到生产性及成本的同时实现长寿命化，加工性差的轴承钢存在局限。因此，对以重新调整了以往中碳钢中所含的廉价合金元素C、Si、Mn的含量的钢材作为原材料制造的滚动部件的要求增高。具体说就是，迫切要求改进下述项目(1)及(2)。
(1)在中碳钢级别下，使高频淬火部的滚动寿命提高到与轴承钢同等水平。
(2)在中碳钢级别下，使阻止高频淬火部产生表面龟裂的阻力提高。
上述(1)在提高对滚动疲劳的可靠性方面有效，(2)对抑制因滑动产生表面龟裂有效。
发明的揭示本发明的目的是提供滚动部件及具有该滚动部件的动力传动部件，该滚动部件由滚动寿命提高到与轴承钢同等水平、且表面龟裂的发生特性得到改进的中碳钢级别的钢材制成。
本发明的滚动部件中，在形成该滚动部件的钢的高频淬火硬化部具有 以上的相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth。由于具有 以上的应力强度因子范围的下限值，因此相对拉伸应力的反复所引起的疲劳龟裂的产生和扩展的阻力高于以往材料(S53C)。以往，对滚动部件所用的钢材的高频淬火部并没有要求相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth必须在规定值以上。此外，关于以往的滚动部件用的中碳钢S53C，没有揭示过在高频淬火部得到了上述应力强度因子范围的下限值ΔKth。
通过确保上述应力强度因子范围的下限值ΔKth，在滚动以外还伴有滑动及叠加反复拉伸应力的条件下，在滚动部位基本不会发生表面龟裂及传播。
附图的简单说明
图1为采用本发明的滚动部件的车轮轴承和等速联轴节一体化的第3代轮毂组件的模式图。
图2为采用本发明的滚动部件的车轮轴承和等速联轴节一体化的第4代轮毂组件的模式图。
图3为实施例1中滚动的滚动疲劳寿命L10的实测值和预测值的关系图。
图4为实施例2中疲劳裂纹扩展试验的测定中所用的试验片的示意图。
图5为表示在疲劳裂纹扩展试验中求得应力强度因子的(4)式中的校正系数FI(a/W)和α(＝a/W)的关系的图。
图6为根据疲劳裂纹扩展试验的龟裂扩展速度da/dN和应力强度因子范围ΔKI的关系，求出应力强度因子范围的下限值的方法的示意图。
图7为实施例2中滚动的滚动疲劳寿命L10的实测值和预测值的关系图。
实施发明的最佳方式接着，用实施例对本发明进行详细地说明。采用本发明的滚动部件的轮毂组件如图1和图2所示。图1为车轮轴承6和等速联轴节一体化的轮毂联轴节、即第3代轮毂组件(H/U)的模式图。图2为具有比上述第3代轮毂组件更先进的第4代H/U的车轮轴承6的模式图。图1所示的第3代H/U中，内圈滚道2的一端和轮毂圈4形成一体、另一个内圈滚道5由轮毂圈4紧固。外圈3为直接固定于关节的结构。该第3代H/U中，等速联轴节1为独立的部件。
图2所示的第4代H/U为更小型的结构。内圈滚道中的一个滚道5和轮毂圈4形成一体，这与第3代相同，但另一个内圈滚道和联轴节外圈3形成一体。因此，对该部分就有两方面的要求，即(I)作为轴承滚道部的滚动疲劳寿命，以及(II)作为联轴节部的对伴有滑动的滚动摇动运动的寿命。
实施例1如表1所示，本发明例采用了本发明的成分范围内的钢A1～A9作为原材料，比较例采用了本发明的成分范围外的钢B1～B10作为原材料。如表1的备注中所述，比较例B1为以往材料S53C，B10为轴承钢SUJ2。
表1
*含0.2～0.3wt％
(1)滚动疲劳试验如前所述，中碳钢的缺点是滚动寿命低于轴承钢。如果考虑到将来要在所预测的苛刻的条件下使用，则最好具有与轴承钢同等的滚动寿命。对试验片进行了高频淬火处理使硬化层深度达到约2mm。在该试验中，以试验N数为15个，按滚动寿命为L10(10％寿命)进行了评价。以下所示为滚动疲劳试验的条件。
(试验片尺寸)外径12mm×长22mm(配对钢球尺寸)直径19.05mm(最大接触表面压力Pmax)5.88GPa(负荷速度)46240次/分钟(润滑油)透平油VG68(2)滚动滑动疲劳试验如滚针轴承的配对轴、等速联轴节、球头螺钉等，在滚动部位存在滚动的过程中还伴有滑动的部位。不仅要在纯粹的滚动条件下达到长寿命，还必须在受到滑动的影响的条件下也确保长寿命。滚动滑动疲劳试验是对在滚动滑动条件下的寿命进行评价的2圆筒试验。对试验片进行了高频淬火处理使硬化层深度达到约2mm。以下所示为试验条件。
(对象试验片)外径40mm×宽12mm、无外径复曲率(直线)(配对试验片)外径40mm×宽12mm、外径复曲率60mm、材质为轴承钢SUJ2(最大接触表面压力Pmax)3.5Gpa(转数)对象试验片1800rpm/配对试验片2000rpm(润滑油)透平油VG46(3)试验结果表2所示为滚动疲劳试验和滚动滑动疲劳试验的结果。在滚动寿命L10的实测值方面，以往的中碳钢S53C(比较例1)为2630×104、轴承钢SUJ2(比较例B10)为7300×104，S53C为轴承钢的一半以下。如果考虑到在本发明例中为仅有廉价的合金成分的构成，则希望具有即使达不到轴承钢的水平但至少约为S53C的2倍即5000×104以上的L10。根据该观点，本发明例A1～A9都显示在5000×104以上的实测值，特别是A5、A8、A9具有与轴承钢同等的寿命。
表2
*1相对于新品的试验片的X射线半宽度的降低量比较例中，B2和B3在5000×104以上，但除此以外的合金元素含量较少的材料寿命短。表1所示的L10的预测值是相对L10的实测值、由以化学成分C、Si、Mn的量为因变数进行多重回归分析所得到的预测式、即下述式(1)的L求得的值。
L＝11271(C)+5796(Si)+2665(Mn)-6955…(1)L和L10之间存在L10＝L×104的关系。因此，在L10和成分元素的含有率(wt％)之间下述(2)式成立。
L10(×10-4)＝11271(C)+5796(Si)+2665(Mn)-6955…(2)图3为表示各钢的L10的实测值和预测式的关系的图，图中显示两者具有非常良好的相关性。即表示通过合金元素C、Si、Mn的量能够高精度地预测L10。不仅是本发明例A1～A9的C、Si、Mn的组成范围，只要是能够由式(2)求得的L10的预测值在5000×104以上的构成，就能够保证长寿命。
在滚动滑动条件下的寿命方面，本发明例A1～A9都优于S53C(比较例B1)。而比较例都在S53C以下。从合金成分上看，C、Si、Mn的均衡对提高滚动滑动寿命是必须的。在表2的右栏中示出了作为阻止软化性的尺度的进行一定时间滚动滑动试验后，(与滚动滑动试验相同的条件下滚动9×105次)后的X射线衍射半宽度。总之可以说本发明例的材料的半宽度下降少，基本不会因滑动的影响而引发疲劳。
综上所述，通过将C、Si、Mn的量最优化，能够使滚动寿命提高，而且能够使滚动滑动寿命稳定和提高。
实施例2如表3所示，本发明例采用相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth为 以上的钢(A1～A13)作为原材料。比较例采用ΔKth小于 的钢(B1～B8)作为原材料。此外，如备注中所述，比较例B1为以往材料S53C，比较例B8为轴承钢SUJ2。A1～A9是ΔKth为 以上，并且C、Si、Mn为可使式(2)中的L10在5000×104以上的组成范围的材料。
表3
*含0.2～0.3wt％(1)疲劳裂纹扩展试验为了评价高频淬火硬化部的相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth，进行了3点弯曲试验。为了消除残余应力对疲劳裂纹扩展的影响，使试验片均匀硬化到内部。以下所示为试验条件。
(试验片尺寸)80mm×20mm×2mm(在中央引入裂纹及疲劳预龟裂)图4所示为上述试验片形状(80mm×20mm×2mm)和利用3点弯曲进行反复加载载荷的试验状况。在试验片的一侧用线切割机形成裂纹，预先导入疲劳预龟裂。如图4所示，在支点间距离S的配置3点弯曲的试验片的中央加载载荷P时的公称弯曲应力σ。用(3)式表示。裂纹长度为a(m)时的应力强度因子KI可通过将σ。代入式(4)求得。(4)式中的FI(a/W)为校正系数。图5所示为由FEM(有限元法FiniteElement Method)求得的a/W与FI(a/W)的关系。
σo＝3SP/(2tW2)……………(3)KI＝FI(a/W)·σo(πa)1/2………(4)将应力强度因子范围的下限值ΔKth中，约束最严格的平面应变应力状态(I型应力状态)的值用ΔKIth符号表示。即，ΔKIth表示平面应变应力的应力强度因子范围的下限值。即，本发明的应力强度因子范围的下限值ΔKth为平面应变应力状态的应力强度因子范围的下限值。在前面的说明中只简单地进行了标记而省略了表示是I型(平面应变应力状态)的符号，在以后的说明中有时也省略I型的表示，而将平面应变状态的应力强度因子范围的下限值标记为ΔKth。用下述的负荷方法对上述试验片施加负荷。
(负荷方法)载荷控制(负荷频率)8Hz(应力比)0.5(2)裂缝疲劳试验为了评价裂缝疲劳强度，采用经高频淬火的环形试验片进行了裂缝疲劳试验。对试验片进行了高频淬火处理使硬化层深度达到约2mm。以下所示为试验条件。试验数为4个，按平均寿命进行了评价。
(试验片尺寸)外径60mm×内径45mm×宽15mm(载荷)9.5kN(旋转速度)8000rpm(3)滚动疲劳试验采用和实施例1相同的条件，进行了滚动疲劳试验。即，使用经高频淬火的圆筒试验片进行了滚动疲劳试验。对试验片进行了高频淬火处理使硬化层深度达到约2mm，使用15个试验片，评价了滚动寿命L10(10％寿命)。
(4)滚动滑动疲劳试验采用和实施例1相同的条件进行。即，利用2圆筒试验进行滚动滑动试验，对试验片进行了高频淬火处理使硬化层深度达到约2mm。试验片个数为2个，用平均寿命进行了评价。
(5)微量润滑滚动试验在润滑油没有充分供给的条件下，油膜部分断裂，引起表面发热，有时产生表面龟裂。为了重现这种情况，在和(4)滚动滑动疲劳试验相同的试验中，在滚动初期涂布润滑油后，不再供给润滑油而使其滚动，试验片数为2个，按平均寿命进行了评价。
(6)试验结果表4所示为疲劳裂纹扩展试验、裂缝疲劳试验、滚动疲劳试验、滚动滑动疲劳试验和微量润滑滚动试验的结果。
表4 图6所示为疲劳裂纹扩展试验的ΔKIth的求出方法。在图6中显示了本发明例A1和比较例B8(SUJ2)的裂纹扩展速度da/dN和应力强度因子范围ΔKI的关系。应力强度因子范围的下限值ΔKIth是即使加载负荷龟裂也不扩展时的应力强度因子。根据图6的曲线，本发明例A1的ΔKIth为 比较例B8的ΔKIth为 疲劳裂纹扩展试验的结果为，本发明例A1～A13的ΔKIth全部都为6.2 以上。而比较例B1～B8的ΔKIth中，B1(S53C)为 最大，其它都小于该值。
裂缝疲劳试验的结果显示，本发明例A1～A13的裂缝疲劳寿命全部为比较例B1(S53C)的1.5倍以上。而比较例B2～B7均低于比较例B1(S53C)。
在滚动寿命L10的实测值方面，以往的中碳钢S53C(比较例B1)为2630×104，轴承钢SUJ2(比较例B8)为7300×104，S53C(比较例B1)为轴承钢的一半以下。如果考虑到是仅有廉价的合金成分的构成，则希望具有即使达不到轴承钢的水平但至少约为S53C的2倍即5000×104以上的L10。根据该观点，本发明例A1～A13都显示在5000×104以上的L10，特别是A5、A8、A9具有与轴承钢同等的寿命。而比较例B2～B7都在5000×104以下，寿命短。表3所示的L10的预测值是相对L10的实测值、由以化学成分C、Si、Mn的量为因变数进行多重回归分析所得到的式(2)求得的值。
图7所示为L10的实测值和预测值的关系，图中显示两者具有非常良好的相关性。即表示通过合金元素C、Si、Mn的量能够高精度地预测L10。不仅是本发明例A1～A13的C、Si、Mn的数值范围，只要是由式(2)求得的L10的预测值在5000×104以上的构成，就能够保证长寿命。
在滚动滑动条件下的寿命，本发明例A1～A9都优于S53C(比较例B1)。另一方面，A10～A13的滚动滑动寿命和S53C同等或稍差，比较例除了B8(SUJ2)以外，全都在S53C以下。如果从合金成分上来看，无论本发明例还是比较例，都发现存在Mn量多的材料的滚动滑动寿命优良的倾向。
微量润滑滚动试验的结果为，本发明例A1～A13都优于S53C(比较例B1)。在比较例中，C、Si、Mn量中的2种元素的量较多的B6、B7显示出较长寿命，但在前述滚动滑动试验条件下的寿命不长。
根据以上所述，要使以中碳钢为基础的材料在裂缝疲劳寿命、滚动寿命、滚动滑动寿命、微量润滑寿命都优良，首先ΔKth必须在 以上。而且，通过调整C、Si、Mn的量以确保该ΔKth，还能使其它性能的可靠性得到提高。
本发明的高频淬火滚动部件，在伴有滑动或叠加滚动以外的反复拉伸应力的条件下，能够抑制在作为滚动部位的高频淬火硬化部产生和传播表面龟裂，并且具有与轴承钢同等优良的滚动寿命。因此，使用了上述滚动部件的动力传动部件，能够同时实现高强度化和长寿命化。
接着，对包括上述实施例在内的本发明的实施方式和其作用效果，特别是合金元素的作用效果进行汇总说明。
作为上述本发明的滚动部件的实施方式1，具有下述合金成分范围的钢材可使其高频淬火部的上述ΔKth达到 以上，从而能确保寿命的进一步增长。即，可以在含有C0.5～0.7wt％、Si0.6～1.2wt％、Mn0.6～1.5wt％、余分为铁和无法避免的杂质的成分组成内构成滚动部件。
使碳量为0.5～0.7wt％，能够保证利用高频淬火达到一定以上的硬度，和一定量的Si及Mn共存，能够保证在较大的载荷条件下的滚动寿命。因此所必需的碳量为0.5wt％以上。要进一步提高硬度和滚动寿命，最好含有0.55wt％以上的碳。
碳形成碳化物，为了得到稳定的硬度其含量最好多一些。但碳量如果过多，则原材料硬度过高，加工性差。此外还必须进行防止成分偏析的高温扩散热处理(soaking，均热)及碳化物球状化等特别的热处理，由此会导致成本增高，因此以0.7wt％作为上限。为了在确保Mn的上述效果的基础上，减少成分偏析引起的弊害，碳量最好在0.65wt％以下。
Si是强化钢的质地，使滚动寿命增大的元素。因此，通过含有0.6wt％以上的Si，具有在曝露于高温时抑制软化，延缓较大载荷反复加载所引起的组织变化及龟裂产生的作用。因此，Si的下限为0.6wt％。要进一步提高高温下的防软化性，最好为0.7wt％以上。
另一方面，即使增加Si量，也不会象后述的Mn那样有助于提高原材料硬度，如果超过1.2wt％以上，则冷轧加工性和热轧加工性劣化，因此上限为1.2wt％。为了抑制热轧加工中因Si的内部氧化而使表层部的表面性状劣化，较好的是使Si量在1.1wt％以下。要进一步减少表面脱碳，较好的是在1.0wt％以下。
通过含有0.6wt％以上的Mn，可改善钢材的淬火性，固熔于钢中使钢强韧化，并且使对滚动寿命有益的残余奥氏体增加。此外，Mn对提高相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth最有效。因此，Mn的含量为0.6wt％以上。为了进一步增加残余奥氏体使滚动寿命进一步提高，Mn的含量较好在0.7wt％以上。
另一方面，Mn除了和Si一样可强化钢的质地以外，还具有进入碳化物中提高碳化物硬度的作用。含有1.5wt％以上会使原材料硬度过度上升，降低加工性及切削性。从这些观点出发，Mn含量的上限为1.5wt％。为了使成分偏析的程度减轻，减少均热处理费用等，Mn较好在1.25wt％以下。此外，由于在制造时铸块大的情况下，会发生更强的成分偏析，因此考虑到铸块尺寸大的情况等，Mn更好在1.0wt％以下。
在电炉炼钢的情况下，由于以碎铁为主要原料，因此碎铁中所含的杂质混入钢中。例如0.3wt％以下的Cr、0.3wt％以下的铜(Cu)及其它的杂质从碎铁包含入钢中。这种从炼钢原料混入的杂质就作为不得不含有的杂质处理。即，即使含有这种杂质也符合本发明的滚动部件的要求。
这里所揭示的实施方式在所有方面都是例示，并不限于此。本发明的范围并不是上述的说明，由权利要求的范围所示，并且还包含和权利要求的范围均等的含义和范围内的所有变更。
产业上利用的可行性采用本发明，通过对形成滚动部件的钢材，调整中碳钢的组成，能够使滚动寿命提高到与含有贵重的合金元素的轴承钢同等的水平，并且能够改进表面龟裂的发生特性。因此可以预见，上述本发明的滚动部件和使用了它的动力传动部件可广泛应用于追求节能化及紧凑化的汽车等中的伴有滑动及叠加滚动以外的反复拉伸应力的动力传动系统。
权利要求
1.滚动部件，它是由钢制成的滚动部件，其特征在于，前述钢的高频淬火硬化部的相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth处于6.2Mpam]]>以上的范围内。
2.如权利要求1所述的滚动部件，其特征还在于，前述钢具有C0.5～0.7wt％、Si0.6～1.2wt％、Mn0.6～1.5wt％、余分为铁及无法避免的杂质的成分组成。
3.如权利要求1所述的滚动部件，其特征还在于，前述钢是调整了C、Si、Mn的含有率(wt％)以满足下式(1)中的L≥5000的钢材。L＝11271(C)+5796(Si)+2665(Mn)-6955…(1)
4.动力传动部件，其特征在于，具有权利要求1所述的滚动部件。
5.如权利要求4所述的动力传动部件，其特征还在于，前述动力传动部件为车轮轴承(6)和等速联轴节(1)一体化的轮毂联轴节。
6.如权利要求4所述的动力传动部件，其特征还在于，在前述滚动部件滚动时叠加有滑动。
全文摘要
本发明的目的是获得使用了滚动寿命提高到与轴承钢同等水平、而且表面龟裂的发生特性得到改进的中碳钢级的钢材的转动部件和具有该转动部件的动力传动部件。因此，使构成上述滚动部件的钢的高频淬火硬化部的相对拉伸型疲劳裂纹扩展的应力强度因子范围的下限值ΔKth处于6.2MPa以上的范围内。
文档编号F16C33/32GK1656324SQ0381165
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月19日 优先权日2002年5月23日
发明者松原幸生, 前田喜久男 申请人:Ntn株式会社