一种滚动轴承构件制造方法及滚动轴承构件的制作方法

专利名称：一种滚动轴承构件制造方法及滚动轴承构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种至少在其表层区域内有 一 定碳梯度的滚动轴承构 件的制造方法。
背景技术：
已知滚动轴承由至少两个构件组成，即一个或多个圏，在其中运 行滚动体，如滚子。 一般这种旋转对称的滚动轴承构件例如由渗碳钢 切削加工而成，其中圏或滚柱由棒料车削或者由柱料锻造而成。为了 在表层区域内形成给定的硬度，通过渗碳处理调节梯度结构，通过热 处理方法在其表层梯度结构内部富含碳。必要时也可碳氮共渗处理， 也就是说在表层区域内还要进行富氮处理。渗碳处理之后，由于富聚
至少0.6。/。的碳和必要时还附加地富聚的氮素，这一表层会变硬。滚动 轴承圏硬度通常为58 HRC或更高。而未富聚的芯部仍按原始的成分 保持较软。根据所采用的原材料，硬度在20与45HRC之间。因此， 如所生产的圏例如有一个坚韧的芯部和一层坚石更耐滚的外部层，后者 还处在起正面作用的固有压应力之下。
由于这样一个滚动轴承构件的应力作用，例如在渗碳硬化处理时 却要求2毫米以上的高渗碳深度。根据相应选择的材料，这一深度取 决于热处理时间，长达几个小时。因而，这种处理工步与相当耗时联 系在一起，此外这对生产成本也有不利影响。

发明内容
因此，本发明的任务在于给出一种方法，按照此方法，不用耗费 时间地进行渗碳处理就可产生至少一个层富含碳的、具有碳梯度的表 层。
为解决这一任务，在按照本发明的方法中{殳定，用喷射方法将熔 化的金属喷射到载体上，其中待喷射金属的碳含量在喷射过程中被改变。
按照本发明的滚动轴承构件不同于普通的滚动轴承构件，不再由 一种均质材料加工而成，接着又进行相应的淬硬处理，而是根据本发 明，用金属喷射方法制成表层，其一般形成滚动轴承滚动面。在这样 一种喷射密实法中，在其气体雾化器中在保护气流中将金属熔液雾化 成球状微滴。通过气体将金属液滴快速冷却到液相和固相温度之间的 温度，经常甚至稍低于固相温度。这样被冷却的微滴以很高的速度运 动并具有粘稠度。如果微滴高速碰撞一表面，例如一制造构件使用的 载体环或类似部件，则因其自身的高动能而组织密实化。这就形成了 高密度材料复合体。通过喷射密实化可以生产出无偏析的、孔隙少的、 具有均质组织结构和高密度的金属层。根据本发明，为在喷射的金属 层内产生在普通旋转对称的滚动轴承构件中径向分布的碳梯度，在喷 射过程中待喷射金属的碳含量是变化的。就是说，根据所希望的碳梯 度，在喷射过程中以任意方式改变喷射的粘稠金属的碳含量。在对表 层连续依次分层喷射之后，在完成的表层内由此也必然形成一个按照 设想的碳含量变化而改变的碳含量。这就意味着，完成的滚动轴承构 件由于应用具有可变碳含量的喷射密实法按照本发明进行制造，原本 就有最后可任意调节的、因而至少在表层区域内符合要求的碳梯度。 因而，在现有技术中很耗时的渗碳热处理工序完全可以省去。滚动轴 承构件总是要进行的热处理还只取决于构件大小及其重量，而不再取 决于待改性的表层的厚度。
按照本发明的方法还利用喷射方法的优点，关于金属层的成分及 由此金属层的物理、化学和机械固有特性的调节，这种喷射方法具有 极高的灵活性，依此金属层的成分特别是在决定机械、物理和化学特 性的各组分方面可以快速任意地改变。这就是说，原本应用的原材料， 因此也就是说熔化的金属，可根据要求的不同特性进行选择。此外， 在检验过程中还可根据本发明改变碳含量，这样应用按照本发明的方 法给出了进一步的自由度。为在喷射过程中改变碳含量，可用几种不同的方式。按照本发明 的第一个可选方案，为改变碳含量，将碳加入由其中引出被喷射的金 属的熔液中。例如这可以碳丝的形式放入熔液中并在那里溶散，或者 也可通过向熔液里吹碳粉来实施。在本发明的该设计方案中，熔液自 身还被富集碳，其中通过相应改变送入的碳丝或吹入的碳粉的量可以 任意方式改变碳含量。在继续喷射过程中，通过待喷射金属的量的不 断增加，也就是熔化的钢量的不断增加，必然会使层厚增长，这一层 与位于其下的层相比，具有不同的碳含量，并且这层含碳量继续增加
到，致使达到所期望的碳含量，如其在渗碳处理后本应有的含量一样。
除了将碳加入熔液、也就是熔液储备自身中，还存在这种可能， 即为改变碳含量，将碳粉吹入由熔化材料构成的喷射锥中。吹入的高 纯度碳粉由以高速夹带在惰性气流中的金属液滴和气流自身带走，并 以这种方式结合到表层中。在这里喷射的金属的碳含量也通过向喷射 锥中供给碳粉而相应变化，而且在这里碳含量可能极快地变化，因为 吹入的碳粉量最后可以任意地和在任何被改变，这一改变直接影响喷 射层的碳含量。
另一种方法选择方案规定使用不同碳含量的两种或多种熔液，为
形成从其中引出被喷射金属的熔液，所述熔液^皮相互混合。两种可由 单独容器引出的熔液被输送给可以是喷射单元整体组成部分的分配
器，并在那里按照笫一种熔液的100%与第二种熔液的100%之间的任
意混合比例相互混合。因此这里也可以在混合4支术上达到在一种熔液 的最低碳含量与另一种熔液的最高碳含量之间的任意碳含量。
按照本发明方法的另一种选择方案规定，利用两个或多个单独的 喷射装置喷射两种或多种具有不同碳含量的熔液，其中喷射锥相互重 叠，并且改变喷射装置的输出量。在此例如通过第一喷射装置喷出低 碳含量的钢，而通过第二喷射装置喷出高碳含量的钢。喷射锥优选地 完全重叠，若同时喷射，它们也要完全相互衔接。因此，喷射的熔液 也可任意相互混合。若只有第一个喷射装置运行，那么只喷覆可通过 该喷射装置喷射的金属。若现在再增加接通第二喷射系统，那么就可
6根据其喷射功率，增加由两种输出熔液混合物构成的、最后产生的表 层的碳含量，其中，可这样进行喷射控制，使得在如第二喷射装置被 接通的程度上，降低第一喷射装置的喷射功率。显然，在第一熔液的 最低碳含量和第二熔液的最高碳含量之间，可以任意方式改变碳含量。 此外，在喷射层上也可任意产生碳梯度，喷射层不一定只涉及表层， 关於这点下面还要详述。
氮气或富含氮的气体优选被用作喷射熔化金属的载气。此外，根 据碳氮共渗，也可同时实现喷射金属层的氮富集，这样按照喷射密实 法，再为此也不需要单独的处理工步。
本发明的合乎目的的扩展方案规定，特别是为形成构件上的耐磨 表层，将一种或多种粉末形式的硬材料吹入喷射锥，然后使之与喷射 的金属层结合。硬材料可以是碳化物、氮化物或氧化物，它们以粉末
形式被送入喷射锥中，并且要具有1纳米到200微米的很细的粒度。 这样通过碳含量除提高硬度之外，还可降低磨损。
按照本发明的第一设计方案，熔液金属可以被喷射到预制件、特 别是由可淬硬处理的材料构成的管材或棒材形式形式的载体上，该预 制件接着变成为所制造的滚动轴承构件的整体组成部分。这里也可能 使用一种必要时经受初步成型处理的预制栽体。如上所述，作为这样 的载体，可以使用由可相应淬石更的材料构成的4奉材或管材，但正如这 种预制件也可以已经具有最终制成的滚动轴承构件例如内圏或外圏的 基本轮廓，或者也相应地确定尺寸。在这种情况下，接近最终轮廓的 预制件被装在还可再利用的载体上，该载体在喷射过程中将预制件夹 持固定，并且可将预制件从载体上取下。
除了应用预制载体件以外，还可使用原本可再利用的载体，为形 成整个构件，用喷射方法在该载体上喷射金属。在本发明的这一设计 方案中，不仅可以用喷射密实法制造表层，而且甚至还可制造整个构 件，例如内圏或外圏。为此，使用还可再利用的载体，如陶瓷或水泥 管，为形成基本构件本体，可在载体上喷射一种成分的熔液，如中心 构件本体本应有的成分那样。如先前所述，为此一般使用渗碳钢。为产生表层，然后实施按照本发明的碳变化方案。若滚动轴承构件是内 圈，其滚动轴承滚动面是外侧面，则以这种方式进行。若滚动轴承构 件是外圏，那么就用按照本发明的碳变化方案，直接以对可再利用载 体的第一喷射开始，并且在产生这一内表层之后才喷射用于形成基本 构件本体的材料。若还要再产生富集的外表层，那么在喷射过程结束 时在最终的喷射过程期间再实施按照本发明的碳追加。
显然，在按照本发明的方法中还具有很大的灵活程度，其使得能 够制造其成分和固有特性极为不同的滚动轴承构件，其中可以有利地 省去为渗碳或碳氮共渗而进行的耗费时间的热处理方法。在按照本发 明的方法的范围内完成滚动轴承构件之后，在下一步加工步骤如锻造 和/或碾环中还需要做的仅是对残余疏松度进行再压实处理，接着再做 普通的热处理，而不用耗时分散控制地形成滚动轴承构件的摩擦层。 在使用预制成型的优选接近最终轮廓的毛坯(预制的载体)，还可简化 这些后续加工步骤。
除按照本发明的方法之外，本发明还涉及一种滚动轴承构件，尤 其是以圏或滚子的形式，它有至少一层通过喷射熔化的金属形成的表 层，而且在该表层内部碳含量至少区段式地改变。滚动轴承构件特别 是按照先前描述的方法制出。滚动轴承构件自身可有一个在其上形成 表层的预制金属载体，例如一个接近最终轮廓的环或类似部件。对外 还有备选方案，滚动轴承构件整体可以是完全用喷射方法制出的喷射 密实化构件。此外，至少在喷射.的表层内至少区段式地填入一种或多 种硬材料，正如那里也可能存在在喷射工艺期间加入的较高氮含量一 样。


下面参照附图借助实施例说明本发明的其它细节、特征和优点。
附图为示意图，表示如下
图1用于说明第一种方法变型方案的原理图2按照本发明的滚动轴承构件的局部视图，同时示出碳梯度；
图3用于说明第二种方法变型方案的原理图；图4用于说明第三种方法变型方案的原理图；和 图5用于说明第四种方法变型方案的原理图。
具体实施例方式
图1以原理图形式表示喷射装置1，借其可实施按照本发明的方 法。喷射装置1 一方面具有喷射单元2，还具有一个其内包含有金属 熔液S的熔液储存容器3。另外，还设有载气源4，这里为一氮气供应。 由熔液储存容器3连续不断地提取待喷射的熔化金属，该金属以极小 金属液滴5的形式通过载气以喷射锥6喷射到一载体7上，在所示实 例中为由可淬硬金属构成的管子。载体7转动并可轴向运动。随着转 动的增加和喷射的持续，在载体7上形成一层越来越厚的喷射密实层。 为能改变喷射上的层8内的碳含量，所示实例中碳C在适当时刻被加 入熔液S中。这可通过加入碳丝或通过吹入碳粉实现。熔液因此富集 碳越积越多，因而所产生的层8也必然这样。而图l所示实例表明， 碳C直接进入熔液储存容器3中，自然会存在这种可能性，也在直接 在喷射单元2前面的熔液输入管道中才加入碳，或将碳加入喷射单元 自身。各种情况下，按这一实施例都可将碳C输入均质熔液。
在具体的方法设计方案中，首先利用原始熔液S,也就是说没有 碳含量变化的成分，对载体7，在这里如所描述的那样为例如由可淬 硬的也就是渗碳钢构成的管，开始喷射过程。熔液S例如含有一种渗 碳钢的成分，就是说碳含量低于0.35%，必要时还含有其它合金元素， 如Cr (最高4% )、 Mo (最高2% )、 Ni和/或'Mn (最高各4% )和 Si(最高1.5%)以及其它钢伴生物(Stahlbegleiter ) 在应用这种原 成分的情况下，在喷射过程中首先喷射第一层8a(见图2)，使其厚度 为几毫米，优选至少5毫米。然后形成富碳表层，为此为提高熔液碳 含量，如前所述，将碳C加入熔液S中。因此，随后产生的第二表层 8b中碳越集越多，如图2中原理曲线图所示。在那里两层8a、 8b的 横截面上涂覆碳含量，这里还要再次指出的是，此处仅是原理图。表 层8b中最大碳含量符合所期待的碳含量，如其通常按照在这里不需要 的渗碳步骤也存在的那样。
9载体7在这里形成所制造的滚动轴承构件的整体组成部分。在示 例中，由载体7(定长)切下单个的圈以形成滚动轴承构件，其中图2 表示这种被切下的滚动轴承构件9的局部剖视图，在这里为环的形式。 当然代替连续的管，有可能也使用接近最终轮廓的单个的预制件，这 里为环，但然后这些预制件按行设置于在这里未详细示出的、可再利 用的载体上并且可从其上取下。
图3示出产生有碳梯度的层的另一方案。在这里所示的包括喷射 单元2和带有原始成分的熔液S的熔液储存容器3及载气供应4的喷 射装置1中，在需要时将碳C直接添加到熔液锥体6中，这里吹入的 碳粉立即被从喷射单元2高速排出的金属液滴和载气N2带走，并沉 积在自身形成的表层(图2实施例，表层8b)中。还有可能在使用不 变熔液成分的情况下首先形成第一层，稍后才进行碳富集。在本发明 的设计方案中，由于被直接输入喷射锥6中，碳含量能够发生极快的 变化。附加地，还将抗磨损的、精细粉状的氧化物、碳化物或氮化物 形式的硬材料加入喷射锥中，其结合到表层8b中。
图4示出用于详细说明另一种方法变型方案的另一原理图。这里 所示的喷射装置1同样包括喷射单元2及共计三个熔液储存容器3a、 3b和3c。在所示实例中，熔液储存容器3a中存有含碳量低的第一种 熔液S1，熔液储存容器3b中存有含碳量高的熔液S2。现在这两种熔 液交替地或同时注入第三熔液储存容器3c中，在这里然后存有要么是 纯的熔液S1、纯的熔液S2，要么是由熔液S1和S2组成的混合熔液。 这一熔液储存容器3c不必一定是大容器，而在这里也可以是小尺寸的 分配器，现在从该熔液储存容器3c中提取最终待喷射的熔液成分，并 且借助通过载气供应4输入的惰性气体通过熔液锥6喷射。
图4中的载体7与前述的不同，例如涉及可再利用的载体，诸如 陶瓷或7K泥管。在这上面用喷射密实法(Spruehkompaktierverfahren ) 涂覆整个滚动轴承构件，在这里也就是环。为此，例如在第一喷射区 段内，只在使用高碳含量的熔液S2的情况下喷射内表层(这样长时 间)，直到达到期望的层厚为止。然后再逐渐增加地掺合熔液Sl，直到喷射纯的熔液Sl,以形成基本构件本体为止。为形成富含碳的外表 层，现在在后一喷射区段内再次提高熔液S2的分额直到最高100%， 使得在那里也形成碳梯度。这里也可以喷射密实法制造整个的滚动轴 承构件，其中在所述示例中内、外表层都具有碳梯度。在此，当然可 以相应地只成形内表层或外表层。
最后，图5示出用于实施本发明方法的喷射装置1的另一原理图。 本装置包括两个可独立运行的喷射单元2a、 2b，其分别配有独立的熔 液储存容器3a、 3b。熔液储存容器3a中存有低碳含量的熔液S1，熔 液储存容器3b中存有高碳含量的熔液S2。这两个喷射单元2a、2b (其 在示例中通过一个公共的载气源4供气)设置成这样，使得其相应的 喷射锥6a、 6b相互重叠，在示例中完全在载体7的附近。这里还要规 定，载体7是一个陶瓷管或类似部件形式的可再利用载体。例如，如 茱要制造包括具有碳梯度的内、外表层的环或圏，那么喷射单元2b 首先开始喷射由高碳含量的熔液S2构成的第一层。在达到几毫米的最 小层厚之后，再连续不断地降低喷射单元2b的喷射功率，并且接通喷 射单元2a,然后连续不断地提高其喷射功率。相应功率的降低和提高 优选同步地进行，以便在每个时刻都给出100%的总喷射功率。为形 成基本构件本体，用100。/。熔液S1喷射，也就是说，滚动(轴承构件) 本体只由熔液S1材料构成。为形成外表层，然后该过程再反向进行， 即喷射单元2a的喷射功率连续不断地降低，而喷射单元2b的喷射功 率则连续不断地提高。这样形成一个环或管，它具有一个可淬硬的孔、 一个不大可淬硬的芯部和一个又可较高地淬硬的外表层。
总之，按照本发明的方法使得能够方便地产生内、外表层区域内 的碳梯度组织结构。不再需要耗时很长的专用渗碳步骤。同样也省去 了该份额的制造费用，还省去了分摊到该热处理步骤的那份延迟，这 样后续加工(磨削)费用就便宜了。另外，在环轧加工中省去了否则 在开始时总是存在的对约占环重25%的内锻造余料进行的打孔 (Auslochen)。最后，在时间上总体大大缩短了生产环节，因为在钢 厂生产棒料/半成品中一向常用的方法、锯掉多余料头(Bolzen)以进行锻造以及渗碳过程都省去了 。 附图标记清单
1喷射装置
2喷射装置
喷射装置
2b喷射装置
3熔液储存容器
3a熔液储存容器
3b熔液储存容器
4载气源
5金属液滴
6喷射锥
6a喷射锥
6b喷射锥
7载体
8层
层
8b层
9滚动轴承构件
S金属熔液
Si熔液
s2熔液
c碳
N2载气
权利要求
1. 用于制造至少在其表层区域内具有一定碳梯度的滚动轴承构件的方法，其特征在于，用喷射方法将熔化的金属喷射到载体上，其中待喷射金属的碳含量在喷射过程中被改变。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，为改变碳含量，向 熔液中加入碳，被喷射的金属是从该熔液中引出的。
3. 按照权利要求2所述的方法，其特征在于，碳以丝的形式被放 入熔液中或作为粉末被吹入熔液中。
4. 按照权利要求l所述的方法，其特征在于，为改变碳含量，将 碳粉吹入由熔化的金属枸成的喷射锥中。
5. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用两种或多种不 同碳含量的熔液，这些熔液被相互混合以形成从其中引出被喷射的金 属的熔液。
6. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在使用两个或多个 单独的喷射装置的情况下，喷射两种或多种不同碳含量的熔液，其中 喷射锥相互重叠并且各喷射装置的给出量被改变。
7. 按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用氮气或 一种富含氮气的气体作为喷射用的载气。
8. 按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，特别是为形 成构件上的耐磨表层，将一种或多种粉末状硬材料吹入喷射锥中。
9. 按照权利要求8所述的方法，其特征在于，使用粒度为l纳米 至200微米的粉末。
10. 按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用预制 件特别是管件作为载体，该预制件成为被制造的滚动轴承构件的整体 组成部分。
11. 按照权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，载体为一 种可再利用载体，用喷射方法将金属喷射到该载体上，以形成整个构 件。
12. 滚动轴承构件，特别是圈或滚子，其特征在于，至少一个表 层(8b)是通过喷射被熔化的金属(5)形成的，在该表层内碳含量至 少区段式地变化，特别是按权利要求1-11之一所述方法制成。
13. 按照权利要求12所述的滚动轴承构件，其特征在于，它具有 在其上形成表层的金属预制载体(7)。
14. 按照权利要求12所述的滚动轴承构件，其特征在于，它是一 个完全用喷射方法制成的喷射密实化的构件。
15. 按照权利要求12-14之一所述的滚动轴承构件，其特征在于， 至少在喷射上的表层(8b)内至少区段式地填入一种或多种硬材料。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造至少在其表层区域内具有一定碳梯度的滚动轴承构件的方法，其中，用喷射方法将熔化的金属喷射到载体上，其中待喷射金属的碳含量在喷射过程中被改变。
文档编号C23C4/06GK101448968SQ200780018369
公开日2009年6月3日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月19日
发明者S·勒施, W·特罗扬 申请人:谢夫勒两合公司