在曲轴机构中的支承结构和构成曲轴机构的零件的制作方法

专利名称：在曲轴机构中的支承结构和构成曲轴机构的零件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在一曲轴机构中的一支承结构和构成曲轴机构的零件，该曲轴机构由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一发动机或类似机器的一活塞运动转换成一旋转运动。
背景技术：
通常在多种场合已使用由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的往复运动转换成旋转运动的一曲轴机构。例如在双轮车辆、特殊车辆、普通用途的双循环发动机车辆和四循环发动机车辆中已发现它的典型应用。对于这些汽车发动机的曲轴机构中的一支承结构包括一大端轴承(设置在一连杆和一曲轴之间和起到一应力传送机构的作用)、一小端轴承(设置在该连杆和一活塞之间和起到一应力传送机构的作用)、一曲轴主轴承等。在曲轴机构中的支承结构涉及包括这些大端和小端轴承、曲轴主轴承等的、和能够将一活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动的一结构。
对于在曲轴机构中的支承结构，传统地使用一滚针和保持架组件，用于降低该结构的尺寸、重量和摩擦(例如见日本专利公开号11-101247和8-4774)。
对于在曲轴机构中的支承结构的这一轴承中的滚针，已经使用由JIS(日本工业标准)规定的SUJ2的渗氮产品，以及已使用具有一大滚子直径的滚针和保持架组件，用于保证对冲击载荷的抵抗能力。
设置在曲轴的各端处的主轴承可转动地支承通过大端轴承被驱动旋转的曲轴。对于主轴承例如使用一深沟球轴承。如对于大端和小端轴承那样，支承曲轴的这主轴承经受很重的冲击载荷。
传统上已知保证防止一普通轴承零件的滚动疲劳的一长期使用寿命的一热处理方法，其中轴承零件的一表层受到一渗碳氮处理，并在热处理期间一氨气附加地混入一环境KX气体中。渗碳氮处理能够使表层变硬、在微观结构中产生剩留的奥氏体和将一滚动疲劳寿命延长到某种程度。
要求曲轴机构中的支承结构具有下列机构性能(1)保证防止滚动疲劳的长期使用寿命，(2)改进抗裂强度，以及(3)抑制长期尺寸变化速率的增长。对于将遭受较重载荷和较高速度的曲轴机构中的其它支承结构，更加要求机构性能保证它使用在较以前更重载荷和更高温度的状态下。

发明内容
基于上述情况，本发明的一目的是提供在一曲轴机构中的一支承结构和构成曲轴机构的零件，它们具有高强度和能够(1)保证一长期疲劳使用寿命(在支承结构的情况中的一长期滚动使用寿命)，(2)具有较大的抗裂强度，以及(3)抑制长期尺寸变化速率的增长，用于改进尺寸稳定性。
按照本发明的一方面的一曲轴机构的一零件是结合在由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构中的一零件。该零件包含具有一晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
按照本发明的该方面的一曲轴机构中的一支承结构是结合在由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构中的一支承结构。该支承结构具有设置在其中的许多轴承，每个轴承具有一内零件、一外零件和多个滚动体。在至少一个轴承中，内和外零件和滚动体的至少一个包含具有一晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
按照本发明的该方面的曲轴机构的零件和支承结构，这些细的奥氏体晶粒显著地改进了抗裂强度、尺寸稳定性和疲劳寿命(在支承结构的情况下的滚动疲劳使用寿命)。将奥氏体晶粒尺寸号设定为在超过10的一范围内，通常11或更大，这是由于不能用10或更大的晶粒尺寸号期待疲劳使用寿命有显著改进。虽然更细的奥氏体晶粒是更希望有的，但是通常难于得到具有晶粒尺寸号超过13的奥氏体晶粒。在曲轴机构的各零件和支承结构中，奥氏体晶粒在受渗碳氮处理显著影响的表层和在其内部展现了类似特性。从而，上述晶粒尺寸号范围对应于表层和其内部。
按照本发明的另一方面的一曲轴机构的一零件是结合在由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构中的一零件。该零件具有不低于2650兆帕的一断裂应力值。
按照本发明的该方面的一曲柄机构中的一支承结构是在由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构中的一支承结构。该支承结构具有设置在其中的多个轴承，每个轴承具有一内零件、一外零件和许多滚动体。在至少一个轴承中，内和外零件和滚动体的至少一个具有不低于2650兆帕的的一断裂应力值。
本发明人发现通过在高于A1转变温度的一温度对钢渗碳氮处理，然后在低于A1转变温度的一温度对该钢冷却，然后将该钢再加热到不低于A1转变温度的温度范围，以及对该钢淬火，能够得到具有一渗氮层的钢，该渗氮层显示出不低于2650兆帕的的一传统上不能实现的断裂应力值。从而，能够获得在断裂应力方面超过传统情况的和具有高强度的在一曲轴机构中的一零件和一支承结构。
按照本发明的又一方面的一曲轴机构的一零件是结合在由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的一往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构中的一零件。该零件具有不大于百万分之0.5的一氢含量。
按照本发明的该方面的在一曲柄机构中的一支承结构是由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构经过一连杆将一活塞的往复运动转变为旋转运动的一曲柄机构中的一支承结构。该支承结构具有设置在其中的许多轴承，每个轴承具有一内零件、一外零件和许多滚动体。在至少一个轴承中，内和外零件和滚动体的至少一个具有不大于百万分之0.5的一氢含量。
按照本发明的该方面的曲柄机构中的零件和支承结构，可以减小由于氢而引起的钢的脆性。如果钢的氢含量超过百万分之0.5，会降低钢的抗断裂强度。不能将这钢用于将遭受大范围载荷的一部分。虽然希望含有较小数量的氢，但是将氢含量降低到百万分之0.3之下要求一长时期的加热。在这情况下，奥氏体晶粒会有一粗而大的直径，以及韧性会受到削弱。因此，一氢含量落在百万分之0.3至0.5的一范围内是所希望的，以及落在百万分之0.35至0.45的范围内是更加希望的。
在测量上述氢含量中，不测量可扩散氢和仅测量在一预定温度下从钢释放的不扩散氢。在小尺寸样品中的可扩散氢甚至在室温下从该样品释出、并扩散，因此不测量可扩散的氢。不可扩散的氢容纳在钢中的任何缺陷之中和仅在一预定的加热温度或更高温度下从样品中释放。即使仅测量不可扩散的氢，氢含量显著地根据测量方法而变化。上述氢含量的上述范围由热电导率测定法确定。如后面详细所述，可用一LECO DH-103氢测定仪或一类似测定装置进行该项测量。
在曲轴机构的上述支承结构中，设置在支承结构中的至少一轴承是位于曲轴的一端的、用于可转动地支承曲轴的一轴承。
用这结构，例如，由一深沟球轴承形成的曲轴主轴承能够延长滚动疲劳使用寿命、改进抗裂强度和保证尺寸稳定性。
按照本发明的一曲轴机构(包括该曲轴机构中的一支承结构)的一零件的一生产方法是结合在由一曲柄销、一曲柄臂和一曲轴的结构通过一连杆使一活塞的往复运动转变成旋转运动的一曲轴机构中的一零件的一生产方法。该方法的特征在于生产该零件的方法包括在超过A1转变温度的一渗碳氮温度下对用于一轴承零件的钢渗碳氮处理，然后使这钢冷却至低于A1转变温度的一温度，以及然后使这钢再加热至不低于A1转变温度的一温度范围，和对此钢淬火。
按照本发明的曲轴机构(包括在该曲轴机构中的支承结构)的零件的制造方法，在对钢渗碳氮处理和然后冷却至低于A1转变温度的一温度之后进行最后淬火，从而能够得到细的奥氏体晶粒。因此，能够改进一摆锤式冲击试验值、一断裂韧性值、抗裂强度、疲劳使用寿命(在支承结构的情况下滚动疲劳使用寿命)和其它特性。
此外，通过将钢冷却到允许奥氏体转变的一温度，例如，可以使在渗碳氮时的奥氏体晶粒边界和在最后淬火的奥氏体晶粒边界相互不相干。更进一步，由于在最后淬火时的加热温度低于在渗碳氮时的加热温度，受渗碳氮影响的在表层处的不溶解的碳素体的数量在最后淬火过程较在渗碳氮处理中有所增加。因此，在关于最后淬火的加热温度下，与在渗碳氮时的情况比较，在不溶解的碳素体数量方面的比值增加了和奥氏体数量方向的比值下降了。并且，从铁—碳双相图看，在碳素体和奥氏体共存的一区域中，溶解在奥氏体中的碳的浓度随着淬火温度的下降而下降。
当钢被加热至最后淬火温度时，由于存在大量不溶解碳素体，奥氏体晶粒变细。经历通过淬火从奥氏体至马丁体或贝氏体转变的结构的碳浓度较低，因此该结构较从一渗碳氮温度进行淬火的一结构在韧性方面是优越的。
在曲轴机构的零件的上述生产方法中，淬火温度较佳地是在从790℃至830℃的一范围内。
从而，将该钢再加热至一温度，在该温度下奥氏体晶粒在淬火之前不大可能增长。这能够缩小奥氏体晶粒的尺寸。
其中，内零件或外零件可以是与轴、壳体或其它零件分开设置的一内环或一外环。或者，内零件或外零件可以起到如与轴、壳体或任何其它零件相结合的内环或外环的作用。
此外，其中奥氏体晶粒涉及在热处理中相变的晶粒。淬火之后该微量保留在马氏体或贝氏体的铁素体相中。可以应用术语“以前”来强调在淬火处理之前的奥氏体晶粒边界。即，一奥氏体晶粒和一以前的奥氏体晶粒涉及相同物质。在进行显示晶粒边界的一加工、例如对于所述零件的一金相样品的蚀刻加工之后能够观察到以前的奥氏体晶粒边界。关于晶粒尺寸的测量，可以将ASTM(美国试验和材料协会)确定的晶粒尺寸转换成得到一平均晶粒直径，或可以使用截断方法或类似方法，其中将一直线以一任意方向放置在一金相结构上，用于得到该直线与晶粒边界的诸交点之间的一平均长度。
通过一渗碳氮处理，如后面所述，可以形成一渗氮层。渗氮层可能或可能不带有较多的碳。
如以上所述，当使用本发明的曲轴机构中的零件和支承结构和形成渗氮层时，显著地改进了抗裂强度、尺寸稳定性和疲劳使用寿命(在支承结构的情况下的滚动疲劳使用寿命)。能够降低曲轴机构的尺寸。
从以下结合附图的对本发明的详细叙述中，本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点将变得显而易见。
附图简述

图1是其中结合有按照本发明的一实施例的一曲轴机构的一支承结构的一发动机部分的一示意剖视图。
图2A是结合在图1的发动机部分中的曲轴机构的一主要部分的一示意立体图，以及图2B和2C分别是一连杆组件和一曲轴的示意图。
图3A和3B示出了曲轴机构中的支承结构，尤其分别示出了一滚针轴承和一深沟球轴承的剖视图。
图4是其中结合具有相对于一活塞可转动地设置的和固定于一连杆的一活塞小端轴的类型的一曲轴机构的一发动机部分的一示意剖视图。
图5示出了应用于按照本发明的一实施例的一曲轴机构的一零件的一热处理过程。
图6示出了应用于按照本发明的实施例的曲轴机构的零件的热处理过程的一修改的过程。
图7A和7B分别示出了本发明的一轴承零件的和一传统轴承零件的微观结构、具体地是奥氏体晶粒。
图8A和8B分别示意地示出了对应于图7A和7B的奥氏体晶粒边界。
图9示出了关于试验静压力断裂强度(测试断裂应力)的一试件。
图10A是一滚动疲劳使用寿命试验仪的一示意正视图，以及图10B是它的一示意侧视图。
图11示出了关于测试静断裂韧性的一试件。
具体实施例方式
以下将参照附图叙述本发明的实施例。
主要参阅图1，发动机部分包括具有一缸体11、一曲轴壳体2 1和一曲轴机构30的一缸壳体。将曲轴机构30主要零件安置在缸体11的内部或在曲轴壳体21的一内部空间内。
曲轴机构30其中包括一活塞12、一活塞小端轴22、一小端轴承32、一连杆31、一大端轴承33、一曲轴36和一曲轴主轴承41。
将活塞12设置在缸体11内，允许它滑动(往复运动)。活塞小端轴22固定地连接于活塞12。
曲轴36包括一第一曲轴部分36A、一第二曲轴部分36B、曲轴轴颈36c、36c、一第一曲柄臂35A、一第二曲柄臂35B和一曲柄销34。曲轴36具有通过曲轴主轴承41可转动地连接于曲轴壳体21或类似件的它的轴颈36c。由第一和第二曲柄臂35A和35B使曲柄销34的轴线(中心线)相对于第一和第二曲轴部分36A和36B的轴线(转动中心)偏置。
通过连杆31将活塞12和曲轴36相互连接。
主要参照图2B，连杆31具有在一端的一小端部分31a和在另一端的一大端部分31b。将小端轴承32安装在小端部分31a设置的一孔内，以及将大端轴承33安装在大端部分31b设置的一孔内。用这小端轴承32，使活塞小端轴22可转动地支承小端部分31a，如图1和2A所示。用大端轴承33，使曲柄销34可转动地支承大端部分31b，如图1和2C所示。
主要参阅图1，如上所述，连杆31在一端以一可转动方式连接于活塞小端轴22和在另一端也以一可转动方式连接于曲柄销34。从而，连杆31的大端部分31b相对于曲柄销34转动，同时，相对于曲轴36的转动中心偏心运动。小端部分31a相对于缸体11滑动(往复运动)，同时它相对活塞小端轴22转动。因此，将活塞12的滑动(往复运动)转化为曲柄销34的偏心运动，以及曲轴36被驱动旋转，以致得到旋转驱动力。
按照本实施例的曲轴机构中的支承结构包括小端轴承32、大端轴承33和曲轴主轴承41。小端轴承32和大端轴承33可以各为一滚针轴承20，例如如图3A所示，以及曲轴主轴承41可以是一深沟球轴承10，例如如图3B所示。
参阅图3A，滚针轴承20包括在一周向设置的作为滚动体的许多滚针18、保持各个滚针的一保持架19、作为一内环的一内零件(未示出)和作为外环的一外零件(未示出)。在图1的结构中，小端轴承32和大端轴承33都没有在一传统滚针轴承中设置的内环和外环。在小端轴承32内，活塞小端轴22是用作为内环的、具有在它的外周面上的一滚动接触表面的内零件，以及连杆小端部31a是用作为外环的、具有在它的内周表面上的一滚动接触表面的外零件。在大端轴承33内，曲柄销34是用作为内环的、具有在它的外周上的一滚动接触表面的内零件，以及连杆大端部分31b是用作为外环的、具有在它的内周上的一滚动接触表面的外零件。
应注意小端和大端轴承32和33各可以具有这些内和外环，如使用在一传统的滚针轴承中的情况那样。
参阅图3B，深沟球轴承10包括设置在一周向的、作为滚动体的许多球8、保持各个球8的一保持架9、一内环(内零件)6和一外环(外零件)7。在图1的结构中，曲轴主轴承41具有在一传统深沟球轴承中设置的内和外环，不过它可以没有这些内和外环。在这一情况下，在图1中，曲轴轴颈36c可以是用作为内环的、具有在它的外周面上的一滚动接触表面的内零件，以及曲轴壳体或类似零件可以是用作为外环的、具有在它的内周表面上的一滚动接触表面的外零件。
在本实施例的曲轴机构中的支承结构(小端轴承32、大端轴承33、曲轴主轴承41)内，其中所包括的内零件(活塞小端轴22、曲柄销34、内环6)、外零件(连杆小端部分31a、连杆大端部分31b、外环7)和滚动体(滚针18、球8)的至少一个具有一渗氮层，以及具有小于百万分之0.5的氢含量。
在本实施例的曲轴机构中的支承结构(小端轴承32、大端轴承33、曲轴主轴承41)内，其中包括的内零件(活塞小端轴22、曲柄销34、内环6)、外零件(连杆小端部分31a、连杆大端部分31b、外环7)和滚动体(滚针18、球8)的至少一个具有一渗氮层，以及具有一晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
在本实施例的曲轴机构中的支承结构(小端轴承32、大端轴承33、曲轴主轴承41)内，其中所包括的内零件(活塞小端轴22、曲柄销34、内环6)、外零件(连杆小端部分31a、连杆大端部分31b、外环7)和滚动体(滚针18、球8)的至少一个具有一渗氮层，以及具有不小于2650兆帕的一断裂应力值。
此外，本发明的曲轴机构零件(上述支承结构的内零件、外零件、滚动体、活塞12、活塞小端轴22、连杆31、曲轴36和其它零件的至少一个)具有一渗氮层，以及具有不大于百万分之0.5的氢含量。
而且，本发明的曲轴机构零件(上述支承结构的内零件、外零件、滚动体、活塞12、活塞小端轴22、连杆31、曲轴36和其它零件的至少一个)具有一渗氮层，以及包含具有一晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
并且，本发明的曲轴机构零件(上述支承结构的内零件、外零件、滚动体、活塞12、活塞小端轴22、连杆31、曲轴36和其它零件的至少一个)具有一渗氮层，以及具有不小于2650兆帕的一断裂应力值。
以上所述的是其中活塞小端轴22固定于活塞12和相对于连杆31可转动的情况，如图1所示。但是，活塞小端轴22可以固定于连杆和相对于活塞可转动。以下，为此解释该结构。
参照图4，这结构的曲轴机构30包括两套活塞12A、12B，通过一曲轴36的结构允许它们滑动(往复运动)。
曲轴36具有一第一曲轴部分36A、一第二曲轴部分36B、曲轴轴颈36c、36c、一第一曲柄臂35A、一第二曲柄臂35B、一第三曲柄臂35C和曲柄销34A、34B。
一活塞12A通过连杆31A连接于曲轴36的曲柄销34A。活塞小端轴22A固定于连杆31A的小端部分31a。用小端轴承32，使活塞小端轴22a以一可转动方式支持活塞12A。用大端轴承33A，使曲柄销34A以一可转动方式支承连杆31A的大端部分31b。
另一活塞12B通过连杆31B连接于曲轴36的曲柄销34B。活塞小端轴22B固定于连杆31B的小端部分31a，以及由活塞小端轴22B可转动支持活塞12B。由曲柄销34B通过大端轴承33B以可转动方式支承连杆31B的大端部分31b。
曲轴36具有由曲轴主轴承41可转动地支承的它的曲轴轴颈36c。
在图4所示的曲轴机构中的支承结构包括小端轴承32、大端轴承33A、33B和曲轴主轴承41。小端轴承32和大端轴承33A、33B可以各为一滚针轴承20，例如如图3A所示，以及曲柄主轴承41可以是一深沟球轴承，例如如图3B所示。
在图4所示的曲轴机构中的支承结构(小端轴承32、大端轴承33A、33B、曲轴主轴承41)中，其中包含的内零件(活塞小端轴22A、曲柄销34A、34B、内环6)、外零件(活塞12A、连杆大端部分31b、外环7)和滚动体(滚针18、球8)的至少一个具有一渗氮层，以及具有不大于百万分之0.5的氢含量。
在本实施例的的曲轴机构内的支承结构(小端轴承32、大端轴承33A、33B和曲轴主轴承41)中，其中包含的内零件(活塞小端轴22A、曲柄销34A、34B、内环6)、外零件(活塞12A、连杆大端部分31b、外环7)和滚动体(滚针18、球8)的至少一个具有一渗氮层，以及包含具有一晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
在本实施例的的曲轴机构内的支承结构(小端轴承32、大端轴承33A、33B和曲轴主轴承41)中，其中包含的内零件(活塞小端轴22A、曲柄销34A、34B、内环6)、外零件(活塞12A、连杆大端部分31b、外环7)和滚动体(滚针18、球8)的至少一个具有一渗氮层，以及具有不小于2650兆帕的一断裂应力值。
此外，本实施例的曲轴机构的零件(上述支承结构的内零件、外零件和滚动体、活塞12A、12B、活塞小端轴22A、22B、连杆31A、31B、曲轴36和其它零件的至少一个)具有一渗氮层，以及具有不大于百万分之0.5的氢含量。
此外，本实施例的曲轴机构的零件(上述支承结构的内零件、外零件和滚动体、活塞12A、12B、活塞小端轴22A、22B、连杆31A、31B、曲轴36和其它零件的至少一个)具有一渗氮层，以及包含具有一晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
此外，本实施例的曲轴机构的零件(上述支承结构的内零件、外零件和滚动体、活塞12A、12B、活塞小端轴22A、22B、连杆31A、31B、曲轴36和其它零件的至少一个)具有一渗氮层，以及具有不小于2650兆帕的一断裂应力值。
除了上述之外，图4所述的结构类似于图1-3B所示的结构，从而用相同的标号表示相同的部分，以及不重复对它们的叙述。
以下将叙述按照本发明的执行在一曲轴机构(在曲轴机构中的一支承结构)的一零件上的包括一渗碳氮过程的热处理。
图5和6示出了按照本发明的热处理方法。图5示出了其中进行主淬火和第二次淬火的一热处理图。图6示出了其中在淬火的过程中将一材料冷却至低于A1转变温度的一温度和随后为了最后淬火再加热该材料。
参阅图5，例如首先将用于一轴承零件的钢加热到超过A1转变温度的一渗碳氮温度(例如845℃)。在这温度下，用于轴承零件的钢经受渗碳氮处理。在该温度T1下的处理期间，碳和氮通过钢的基体扩散，以及碳充分地溶解在钢中。此后，用于轴承零件的钢经受从处理温度T1的油淬火和冷却到低于A1转变温度的一温度。然后在1 80℃回火，不过可以省略该回火处理。
然后，对用于轴承零件的钢再加热到不低于A1转变温度、但低于上述渗碳氮温度的一温度(例如800℃)。在这温度T2下进行处理，以及然后进行从处理温度T2的油淬火，随后冷却到低于A1转变温度的一温度。然后在180℃进行回火。
参照图6，首先将用于轴承零件的钢加热至超过A1转变温度的一渗碳氮温度(845℃)。然后，保持这温度使钢经受渗碳氮处理。在这温度T1的处理中，碳和氮扩散通过钢基体，以及碳充分地溶解在钢内。然后，将用于轴承零件的钢冷却至A1转变温度或更低温度，不行淬火。然后将钢再加热至不低于A1转变温度、但低于上述渗碳氮温度的一温度(例如800℃)。将钢保持在这温度下和经受处理。从处理温度T2进行油淬火和使钢冷却至低于A1转变温度的一温度。然后在180℃进行回火。
与普通淬火(通过它进行渗碳氮处理和然后立即进行淬火)比较，上述热处理能够提供提高的抗裂强度和降低长期尺寸变化速率，同时对表层渗碳氮。如以上所讨论，这热处理能够产生具有一晶粒尺寸小于传统的一半或以上的奥氏体晶粒的一微观结构。经历了上述热处理的曲轴机构的零件和曲轴机构中的支承结构能够保证一较长的疲劳使用寿命(在支承结构的情况下一较长的滚动疲劳使用寿命)、改进的抗裂强度和降低的长期尺寸变化速率。
在上述热处理的任何一个情况中，渗碳氮处理能够产生一渗氮层，或者，一“渗碳氮层”。由于用于渗碳氮处理的材料，即钢，具有碳的一高浓度，在通常渗碳氮处理的环境气体中的碳可能不易于进入钢的表面。例如，如果钢具有一高碳浓度(约1％重量)，可能或不可能形成具有比这数值更高的碳浓度的一渗碳层。但是，在普通钢中的氮的一浓度通常大约最大不超过0.025％重量那样低，不过这取决于铬或类似元素的浓度。因此，能够显著地形成一渗氮层，而与原钢中的碳的浓度无关。将可以理解渗氮层也可含有较多的碳。
图7A示出了经历了图5所示的热处理图的轴承钢的奥氏体晶粒尺寸。为了比较，图7B示出了经历一传统热处理方法的轴承钢的奥氏体晶粒尺寸。图8A和8B分别示意地示出了图7A和7B的奥氏体晶粒尺寸。如从示出奥氏体晶粒尺寸的这些图可以看到的那样，虽然传统的奥氏体晶粒尺寸对应于JIS规定的晶粒尺寸号10，但是通过本发明的热处理获得了晶粒尺寸号12的更细的晶粒。并且，用截断方法测得的图7A中的平均晶粒直径是5.6微米。
以下将叙述本发明的实验。
例1对于本发明的例1使用JIS-SUJ2(1.0％重量的碳-0.25％重量的硅-0.4％重量的锰-1.5％重量的铬)。通过以下步骤生产表1中所示的试样。
表1

1)由于不充分淬火而不评价试样A-D本发明的试样在KX气体和氨气体的一混合物的环境气体中、850℃、保持150分钟进行渗碳氮处理。跟随图5所示的热处理图，从850℃的一渗碳氮温度进行主淬火，随后通过加热至低于渗碳氮温度的780℃至830℃的一温度范围内的一温度进行第二次淬火。由于样品A的淬火不充分，所以没有测试带有780℃的第二次淬火温度的试样A。
试样E和F本发明的试样这些试样经过了与本发明的试样A-D的相同步骤进行渗碳氮。在等于或高于渗碳氮温度(850℃)、850℃至870℃的一温度进行第二次淬火。
传统的渗碳氮试样比较例子在KX气体和氨气的一混合物的一环境气体中、850℃、保持150分钟进行渗碳氮。从渗碳氮温度连续进行淬火和不进行第二次淬火。
普通的淬火试样比较例子没有进行渗碳氮，通过将温度增加到850℃进行淬火和不进行第二次淬火。
对以上试样，进行了以下试验(1)测量氢含量，(2)测量晶粒尺寸，(3)摆锤式冲击试验，(4)测量断裂应力和(5)滚动疲劳试验。其试验结果示出在表1中。
现在叙述测量方法和试验步骤。
(1)氢含量的测量用分析钢中不扩散氢含量的、由LECO公司制造的一DH-03氢含量测定仪确定氢含量。不测量可扩散的氢含量。LECO DH-103氢测定仪的技术规格如下分析范围百万分之0.01-50.00分析精度±百万分之0.1或±3％H(较高)分析灵敏度百万分之0.01检测方法热电导率测定法试样重量尺寸100毫克-35克(最大12毫米(直径)×100毫米(长度))加热炉温度范围50℃-1100℃试剂无水高氯酸镁Mg(ClO4)2，二氧化碳吸收剂和NaOH承载气体氮气，计量气体氢气(两气体具有至少99.99％的纯度和40磅/平方英寸(2.8公斤力/平方厘米2)的压力)分析步骤如本文大致所述。由一专用取样器取得一试样，将试样与取样器一起放入氢测定仪。其中可扩散的氢由氮承载气体引导至一热电导率检测器。在这例子中不测定扩散的氢。然后，将试样从取样器取出，并在一电阻加热器中加热和由氮承载气体将不扩散的氢引导至热电导率测定器。由热电导率检测仪测定热导电率，从而确定不扩散氢的含量。
(2)测量晶粒尺寸按照由JIS G 0551规定的测试一钢材中奥氏体的晶粒尺寸的方法测量晶粒尺寸。
(3)摆锤式冲击试验按照由JIS Z 2242规定的关于一金属材料的摆锤式冲击试验方法进行一摆锤式撞击试验。其中所使用的一试件是由JIS Z 2202规定的一U槽口试件(JIS3号试件)。
注意一摆锤式冲击试验值是吸收能量E被横剖面积(0.8平方厘米)除的一数值，如以下所述。
吸收能量E＝WgK(cosβ-cosα)摆锤重量W＝25.438公斤重力加速度g＝9.80665米/秒2从摆锤的转动轴中心至重心的距离＝0.6569米摆锤升起的角度α＝146°摆锤上下运动的角度β图9示出了用于测量断裂应力的一试件。使用Amslek通用测试仪按图9中的方向P施加一载荷，以及测定试件断裂时的载荷。然后，将得到的断裂载荷转换成按下列关于一弯曲梁的应力计算公式算出的一应力值。应注意所使用的试件不局限于图9所示出的试件，可以是具有一不同形状的任何试件。
当将图9所示的试件的凸起表面上的一纤维应力表示为σ1和在凹入表面上的一纤维应力为σ2时，由下列公式(JSME机械工程师手册，A4-材料强度，A4-40)确定σ1和σ2。式中H为包括环形试件的轴线的一剖面的一轴向力，A表示一截面面积，e1表示一外半径，e2表示一内半径，以及k是弯曲梁的一截面模量。
σ1＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1+e1/{k(ρ0+e1)}]σ2＝(N/A)+{M/(Aρ0)}[1-e2/{k(ρ0-e2)}]k=-(1/A)∫A{η/(ρ0+η)}dA]]>(5)滚动疲劳试验在表2中示出了关于一滚动疲劳使用寿命试验的试验条件。图10A和10B示意地示出了一滚动疲劳使用寿命试验仪。参阅图10A和10B，经受滚动疲劳使用寿命试验的一试件221由一驱动辊211传动而转动，同时与诸球213接触。诸球是(3/4)英寸的球，并被引导辊212引导滚动。诸球213在试件221上施加一高的表面压力，同时试件221也在诸球13上施加一高的表面压力。
表2

以下叙述上述测量和试验的结果(1)氢含量如表1所示，没有附加处理的传统的渗碳氮试件具有钢中的百万分之0.72相当大的氢含量。认为其原因是在渗碳氮处理中环境气体内所含有氨(NH3)分解和然后进入钢。根据比较，相应试件B-F的钢中的氢含量下降低到百万分之0.37-0.42，这几乎是传统的渗碳氮试件中的氢含量的一半。钢中的这氢含量基本上等于普通淬火试件中的氢含量。
钢中的氢含量的上述下降能够减轻由于在固态溶体中的氢所产生的钢的脆性程度。换句话说，通过氢含量的下降，显著地改进了本发明的试样B-F的摆锤式冲击试验值和断裂应力值。
(2)晶粒尺寸关于晶粒尺寸，在低于渗碳氮处理中的淬火温度(主淬火)的一温度进行第二次淬火的试件，即试件B-D，具有显著变细的奥氏体晶粒，其晶粒尺寸号为11-12，如表1所示。试件E-F以及传统的渗碳氮试件和普通淬火试件具有晶粒尺寸号为10的奥氏体晶粒，该晶粒比试样B-D的晶粒粗。
(3)摆锤式冲击试验值表1示出了传统的渗碳氮试样的摆锤式冲击试验值为5.33焦/平方厘米，而本发明的试样B-F的该值较高，在6.20焦/平方厘米至6.65焦/平方厘米的范围内。从这些数据还可知道一较低的第二次淬火温度导致了一较高的摆锤式冲击试验值。普通的淬火试件具有6.70焦/平方厘米的一较高的摆锤式冲击试验值。
(4)断裂应力值的测量断裂应力对应于防裂强度。从表1可知传统的渗碳氮试样的断裂应力值是2330兆帕。通过比较，改进了试件B-F的断裂应力值，达到2650-2840兆帕，即等于2650兆帕或更高。普通的淬火试件具有2770兆帕的一断裂应力值，这在试件B-F的断裂应力值的范围内。认为氢含量的下降显著地产生了试样B-F的改进的抗裂强度以及缩小的奥氏体晶粒尺寸。
(5)滚动疲劳使用寿命按照表1，普通的淬火试件由于在表层内不存在渗碳氮层所以具有最短的滚动疲劳使用寿命(L10)。通过比较，传统的渗碳氮试件的滚动疲劳使用寿命为它的3.1倍长，试件B-D与传统的渗碳氮试件比较有了显著地改进了滚动疲劳使用寿命。试件E和F具有几乎与传统的渗碳氮试件相同的滚动疲劳使用寿命。
总之，本发明的试样B-F具有钢中的较低的氢含量、改进的断裂应力值和改进的摆锤式冲击试验值。但是，仅在具有晶粒尺寸号至少为11的较细的奥氏体晶粒的试件B-D中看到更加改进的滚动疲劳使用寿命。因此，虽然试件B-F落在本发明的范围内，在低于渗碳氮温度的一温度进行第二次渗火的试件B-D得到了在本发明的更希望有的范围内的更细的晶粒。
例子2现在叙述本发明的例子2。
在下列试样X、Y和Z上进行了一系列试验。试样X-Z采用的、将进行热处理的材料是JIS-SUJ2(1％重量的碳-0.25％重量的硅-0.4％重量的锰-1.5％重量的铬)。试件X-Z各经过下列步骤进行处理。
试件X-比较例子仅进行普通淬火(不进行渗碳氮)。
试样Y-比较例子在渗碳氮之后直接淬火(传统的渗碳氮和淬火)。在845℃下保持150分钟进行渗碳氮处理。在渗碳氮处理中的环境大气是KX气体和氨气的一混合物。
试样Z-本发明的例子对一轴承钢材料进行图2所示的热处理过程。在854℃下保持150分钟进行渗碳处理。在渗碳氮处理中的环境气体是KX气体和氨气的一混合物。最后淬火温度是800℃。
(1)滚动疲劳使用寿命关于滚动疲劳使用寿命的试验条件列在表2中。使用图10A和10B所示的试验仪。表3列出了滚动疲劳使用寿命的结果。
表3

按照表3，经历渗碳氮处理的试件Y(比较例子)具有为仅经历普通淬火的试件X(比较例子)的3.1倍长的滚动疲劳使用寿命(L10使用寿命10个试件中有一个损坏)，从而可知通过渗碳氮处理得到延长使用寿命的效果。通过比较，本发明的试件Z具有较长的使用寿命，是试件Y的1.74倍长和是试件X的5.4倍长。认为这改进主要是从较细的微观结构得到的。
(2)摆锤式冲击试验通过使用由上述JIS Z 2242规定的一U槽口试件进行一摆锤式冲击试验。试验结果列在表4中。
表4

本发明的摆锤式冲击试验值等于仅经历普通淬火的例子X(比较例子)的该值，以及高于经历渗碳氮处理的例子Y(比较例子)的该值。
(3)静态断裂韧性试验图11所示了用于一静态断裂韧性试验的一试件。在该试件中做出了约1毫米的预裂缝，以及通过三点式弯曲方式对其施加一静载荷P，然后测定一断裂载荷。使用下列公式计算一断裂韧性值(KIC值)。
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}表5

由于预裂缝具有大于渗碳氮层的深度的一深度，所以对于比较例子的试件X和Y得到了相同的结果。通过比较，本发明的试件Z的断裂韧性值(KIC值)大约是比较例子的试件X和Y的该值的1.2倍。
(4)静压力断裂强度试验(断裂应力的测量)使用以上所述的、如图9中所示的一静压力断裂强度试件。在图9的方向P施加一载荷，以与上述相同方式进行一静压力断裂强度试验。试验结果列在表6中。
表6试验结果

经过渗碳氮处理的试件Y(比较例子)具有一有些小于仅经过普通淬火的试样X(比较例子)的静态压力断裂强度。通过比较，本发明的试件Z具有大于试件Y和略大于试件X的静态压力断裂强度。
(5)长期尺寸变化速率测量了在130℃、保持500小时的情况下长期尺寸变化速率。表7示出了测量结果以及表面硬度和所含的奥氏体的数量(在离表面0.1毫米深处)。
表7

*较小是优越的从此表可知与具有较多数量(体积％)的所含奥氏体的试件Y的尺寸变化速率比较，本发明的试样Z具有较小的尺寸变化速率。
(6)在受污染的润滑状态下的使用寿命试验使用球轴承6206评价在具有一预定数量的通常混在其中的污染物的一受污染的润滑状态下的滚动疲劳使用寿命。试验条件列在表8中和试验结果列在表9中。
表8

表9

经历了传统的渗碳氮处理的试件Y(比较例子)具有是试件X的约2.5倍长的使用寿命，以及本发明的试件Z具有是试件X约3.7倍长的使用寿命。虽然本发明的试样Z相对比较例子的试件Y具有较少数量的所含奥氏体，但是因为进入的氮和较细的微观结构的影响，所以试件Z具有较长的使用寿命。
因此从以上讨论结果可知本发明的试件Z，即按照本发明的热处理方法生产的、构成曲轴机构中的支承结构的一轴承零件或曲轴机构的一零件，能够同时实现三个目的延长了滚动疲劳使用寿命(在支承结构的情况下的滚动疲劳使用寿命)，改进抗裂强度和通过传统渗碳氮处理难以实现的减小的长期尺寸变化速率。
应注意其中奥氏体晶粒涉及在热处理期间发生相变的奥氏体晶粒和甚至通过冷却转变为马丁体之后剩留的微量。
并且，在以上实施例中，滚针轴承可以是一完整型滚动轴承或一壳型滚针轴承。
虽然已经详细地叙述和示出了本发明，应该清楚地理解仅是用说明和例子的方式而不是用限制性的方式叙述和示出了本发明，本发明的原理和范围仅由所附权利要求书的条款限定。
权利要求
1.一曲轴机构的零件，它结合在由一曲柄销(34，34A，34B)、一曲柄臂(35A，35B，35C)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31，31A，31B)将一活塞(12，12A，12B)的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构(30)中，其中，所述零件具有小于百万分之0.5的氢含量。
2.一曲轴机构的零件，它结合在由一曲柄销(34，34A，34B)、一曲柄臂(35A，35B，35C)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31，31A，31B)将一活塞(12，12A，12B)的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构(30)中，其中，所述零件包含具有晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
3.一曲轴机构的零件，它结合在由一曲柄销(34，34A，34B)、一曲柄臂(35A，35B，35C)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31，31A，31B)将一活塞(12，12A，12B)的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构(30)中，其中，所述零件具有不小于2650兆帕的一断裂应力值。
4.在一曲轴机构(30)中的支承结构(32，33，33A，33B，41)，该曲轴机构(30)由一曲柄销(34，34A，34B)、一曲柄臂(35A，35B，35C)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31，31A，31B)将一活塞(12，12A，12B)的往复运动转变为旋转运动，该支承结构(32，33，33A，33B，41)具有其中设置的多个轴承，各所述轴承包括一内零件、一外零件和多个滚动体，其中在所述轴承的至少一个中，所述内和外零件和所述滚动体的至少一个具有不大于百万分之0.5的氢含量。
5.按照权利要求4所述的在一曲轴机构中的支承结构，其特征在于设置在所述支承结构(32，33，33A，33B，41)中的所述轴承的至少一个是位于所述曲轴(36)的一端部处、用于可转动地支承所述曲轴的一轴承(41)。
6.在一曲轴机构(30)中的支承结构(32，33，33A，33B，41)，该曲轴机构(30)由一曲柄销(34，34A，34B)、一曲柄臂(35A，35B，35C)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31，31A，31B)将一活塞(12，12A，12B)的往复运动转变为旋转运动，该支承结构(32，33，33A，33B，41)具有其中设置的多个轴承，各所述轴承包括一内零件、一外零件和多个滚动体，其中在所述轴承的至少一个中，所述内和外零件和所述滚动体的至少一个包含具有晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒。
7.按照权利要求6所述的在一曲轴机构中的支承结构，其特征在于设置在所述支承结构(32，33，33A，33B，41)中的所述轴承的至少一个是位于所述曲轴(36)的一端部处、用于可转动地支承所述曲轴的一轴承(41)。
8.在一曲轴机构(30)中的支承结构(32，33，33A，33B，41)，该曲轴机构(30)由一曲柄销(34，34A，34B)、一曲柄臂(35A，35B，35C)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31，31A，31B)将一活塞(12，12A，12B)的往复运动转变为旋转运动，该支承结构(32，33，33A，33B，41)具有其中设置的多个轴承，各所述轴承包括一内零件、一外零件和多个滚动体，其中在所述轴承的至少一个中，所述内和外零件和所述滚动体的至少一个具有不小于2650兆帕的一断裂应力值。
9.按照权利要求8所述的在一曲轴机构中的支承结构，其特征在于设置在所述支承结构(32，33，33A，33B，41)中的所述轴承的至少一个是位于所述曲轴(36)的一端部处的、用于可转动地支承所述曲轴的一轴承(41)。
全文摘要
一曲柄机构(30)的零件，它结合在由一曲柄销(34)、一曲柄臂(35A，35B)和一曲轴(36)的结构通过一连杆(31)将一活塞(12)的往复运动转变为旋转运动的一曲轴机构中，该零件具有不大于百万分之0.5的氢含量、晶粒尺寸号超过10的奥氏体晶粒，或不小于2650兆帕的一断裂应力值。从而，能够得到保证较长的疲劳使用寿命、高的抗裂强度和减小的长期尺寸变化率的一曲轴机构中的支承结构和一曲轴机构的零件。
文档编号F16C19/26GK1530567SQ20041002869
公开日2004年9月22日 申请日期2004年3月12日 优先权日2003年3月13日
发明者铃木忠寿, 寺田贵则, 则 申请人:Ntn株式会社