傳動零件、製造傳動零件的方法和圓錐滾子軸承的製作方法
2023-07-29 11:14:36
專利名稱：傳動零件、製造傳動零件的方法和圓錐滾子軸承的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有一較長的滾動接觸疲勞使用壽命、提高的抗裂強度或一減少的長期的尺寸變化的一傳動零件，以及構造該零件的一方法和一圓錐滾子軸承。
背景技術：
為延長一軸承的零件的使用壽命，進行一熱處理。具體地，例如，在淬火零件時，將它們在帶有進一步引入其中的氨氣的一環境KX氣體中進行加熱，用於對它們的表層部分滲碳—氮，例如在日本專利公開號8-4774和11-101247中所揭示的那樣。這滲碳—氮處理能硬化表層部分和產生一微觀結構形式的所含奧氏體，用於延長滾動接觸疲勞使用壽命。
上述滲碳—氮處理是擴展碳和氮的處理。它要求保持一較長時期的一高溫。從而，例如產生了一粗化結構和幾乎沒有獲得提高的抗裂強度。並且，隨著保持更多的奧氏體，就增加了長期尺寸變化速率，這也是這滲碳—氮處理中的一問題。
通過依靠提供一調整的成份的一合金鋼，防止滾動疲勞，能保證一延長的使用壽命，提供提高的抗裂強度和避免一增加的長期尺寸變化。但是，依靠設計該合金，不利地增加了原材料成本。
在一傳動裝置中的未來的軸承將被使用在高溫下施加大載荷的環境中。此外，將要求它們使用在一縮小尺寸的傳動裝置中。因此，將要求該軸承可在比傳統更高的溫度、較大載荷之下工作。因此，要求一軸承具有較大強度、較長的防止滾動接觸疲勞的使用壽命和較大的防裂強度和尺寸穩定性。
發明內容
本發明的一目的是提供具有一增加的抗裂強度、一提高的尺寸穩定性和一延長的疲勞使用壽命(或在一圓錐滾子軸承或當該零件是一滾動軸承或一滾動軸承的零件時的一延長的滾動接觸疲勞使用壽命)的一傳動零件和製造該零件的一方法和一圓錐滾子軸承。
本發明提供結合在能夠通過齒輪的嚙合相對於一輸入軸的一轉速改變一輸出軸的一轉速的一傳動裝置中的一傳動零件。該零件在一表層處具有一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的晶粒號的一奧氏體晶粒。
在按照本發明的傳動零件中，一小的奧氏體晶粒尺寸允許顯著地增加抗裂強度、尺寸穩定性和疲勞使用壽命(或當該零件是一滾動軸承或一滾動軸承的零件時的滾動接觸疲勞使用壽命)。對於10或以下的奧氏體晶粒尺寸號，任何顯著地改善疲勞使用壽命都是不可能的，從而該晶粒尺寸號大於10，以及較佳地為11或以上。雖然希望有進一步更細的奧氏體晶粒，但是超過13的晶粒尺寸號通常是難以實現的。應注意不論傳動零件的奧氏體組織可以是在當滲碳—氮時顯著影響的一表層部分內或比表層部分較內部的一部分內，該奧氏體不變化。從而，表層部分和該內部將被設定為用於上述晶粒號範圍的對象的諸位置。
本發明提供結合在能夠通過齒輪的嚙合相對一輸入軸的一轉速改變輸出軸的一轉速的一傳動裝置內的另一傳動零件。該零件具有在一表層處的一滲氮層和至少2650兆帕的一斷裂應力值。
本發明發現能夠對在超過一A1轉變點的一溫度進行滲碳—氮、然後冷卻至低於A1轉變點的一溫度、隨後再加熱至高於A1轉變點的一溫度範圍和進行淬火的鋼提供一滲氮層，該滲氮層允許該鋼提供不低於2650兆帕的一斷裂應力值，該值在傳統是不能實現的。從而能夠獲得在斷裂應力方面超過傳統的傳動零件、因此在強度方面更大的一傳動零件。
本發明提供結合在能夠通過齒輪的嚙合相對一輸入軸的一轉速改變一輸出軸的一轉速的一傳動裝置中的另一傳動零件。該零件在一表層有一滲氮層和至多百萬分之0.5的氫含量。
在按照本發明的又一傳動零件中，能夠減輕由於氫造成的鋼的脆性。如果鋼具有超過百萬分之0.5的一氫含量，那麼該鋼就有較低的抗裂強度。這樣的鋼不大適合用於對經受重載荷的一軸的一支承結構。希望有較低的氫含量。但是，氫含量下降至低於百萬分之0.3要求長時間的熱處理，這造成奧氏體晶粒尺寸的增加，從而降低了韌性(toughness)。從而，希望氫含量在百萬分之0.3至0.5的範圍內，更較佳地在百萬分之0.35至0.45的範圍內。
在測量以上氫含量中，不測量可擴散的氫和僅測量在一預定溫度或更高溫度從鋼釋放的不可擴散的氫。甚至在室溫下，在一小尺寸試樣中的可擴散的氫從該試樣釋放、擴散，所以不測量可擴散的氫。不可擴散的氫包容在鋼中的任何缺陷之中和僅在一預定加熱溫度或更高溫度下從該鋼釋放。既使僅測量不可擴散的氫，但氫含量會依據測量方法有相當大的變化。所以由熱導電率確定上述氫含量的範圍。此外，如後面所述，可以由一LECO DH-103氫測定儀或類似測量裝置進行該測量。
上述傳動零件較佳地是可轉動地支承輸入軸、輸出軸、或各齒輪的一滾動軸承，以及該滾動軸承是一圓錐滾子軸承。
上述傳動零件較佳地是可轉動地支承輸入軸、輸出軸、或各齒輪的一滾動軸承，以及該滾動軸承是一滾針軸承。
上述傳動零件較佳地是可轉動地支承輸入軸、輸出軸、或各齒輪的一滾動軸承，以及該滾動軸承是一球軸承。
本發明提供製造結合在能夠通過齒輪的嚙合相對一輸入軸的一轉速改變一輸出軸的一轉速的一傳動裝置中的一傳動零件的一方法。該零件通過對一軸承的零件在高於一A1轉變點的一溫度滲碳—氮、然後對該鋼冷卻至低於A1轉變點的一溫度、隨後對該鋼再加熱至不低於A1轉變點和低於對鋼滲碳—氮的溫度的一溫度範圍、以及對該鋼淬火而形成。
在製造傳動零件的本方法中，在對鋼滲碳—氮之後，將該鋼冷卻至低於A1轉變點的一溫度，然後最終淬火。能夠獲得一較細的奧氏體晶粒尺寸，其結果，能夠改進擺錘式衝擊試驗值、斷裂韌性、防裂強度、疲勞使用壽命(或在該零件是一滾動軸承或一滾動軸承的零件時的滾動接觸疲勞使用壽命)等。
並且例如通過冷卻到奧氏體轉變的一溫度，在滲碳—氮中的奧氏體晶粒邊界能夠與最後淬火中的情況無關。此外，最後淬火溫度低於滲碳—氮溫度，從而在受滲碳—氮處理影響的表層中的未溶解的碳素體的數量與在滲碳—氮處理中的該數量相比有了增加。從而未溶解的碳素體的比值增加，同時在最後淬火中的加熱溫度下奧氏體的比值較在滲碳—氮處理中的那些比值有了下降。此外，從鐵—碳兩相圖可知，在碳素體和奧氏體共存的區域內，在碳的固態溶體中的碳和奧氏體的濃度隨著淬火溫度的下降而下降。
當溫度上升到最後淬火溫度時，由於保留了防止奧氏體晶粒增長的大量未溶解的碳素體，使奧氏體晶粒較細。而且，通過淬火從奧氏體至馬丁體轉變的結構具有一較低的碳濃度，從而該結構較從滲碳—氮溫度淬火的結構具有較高的韌性。
在製造傳動零件的本方法中，較佳地是將鋼加熱至790℃到830℃的一溫度範圍，然後對它淬火。
將鋼再加熱至幾乎不允許奧氏體晶粒增長的一溫度，然後對鋼淬火。從而能夠獲得較細的奧氏體晶粒尺寸。
本發明提供了具有一內環、一外環和圓錐滾子的一圓錐滾子軸承。內環、外環和圓錐滾子的至少任何一個具有一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的一晶粒尺寸號的一奧氏體晶粒。
在按照本發明的圓錐滾子軸承中，提供較小奧氏體晶粒尺寸的內環、外環、滾動體的至少任何一個允許顯著地增加抗裂強度、尺寸穩定性和滾動接觸疲勞使用壽命。對於10或以下的奧氏體晶粒尺寸號，任何顯著地改進滾動疲勞使用壽命是不可能的，從而晶粒尺寸號是大於10，較佳地為11或以上。雖然希望有進一步更細的奧氏體晶粒，但通常很難實現超過13的晶粒尺寸號。應注意在傳動裝置中軸的支承結構的內環、外環和滾動體的一奧氏體組織不管它可以在當對其滲碳—氮時受顯著影響的一表層內或較表層部分在內部的一部分都是不變的。從而，表層部分和內部將被設定為用於上述晶粒號範圍的對象的諸位置。
在本說明書中的內和外環可以與例如一軸或一殼體的一零件合併，或可以與這一零件分開地提供。
奧氏體晶粒還涉及在通過冷卻奧氏體轉變成鐵素體相、例如馬丁體或貝氏體之後它的少量殘餘。在淬火之前的一奧氏體晶粒邊界有時稱為「在前的奧氏體晶粒邊界」，區別於淬火後的保留的奧氏體晶粒。即，使用「奧氏體晶粒」和「在前的奧氏體晶粒邊界」表示相同的內容。
在前的奧氏體晶粒邊界在受到一加工、例如對新研究的零件的一金屬相試樣進行的一侵蝕加工、顯現一晶粒邊界之後能夠被觀察到。為了測量該晶粒尺寸，可以將由ASTM(美國測試和材料協會)規定的晶粒號的平均值(＝最多8微米的平均晶粒尺寸)轉換成獲得一平均晶粒直徑，或可以使用截斷方法等，其中在一金屬相結構上、在一任意方向放置一直線，從而獲得在該直線與晶粒邊界相交的諸點之間的平均長度。
通過如下將討論的一滲碳—氮處理形成上述滲氮層。該滲氮層可以或可以不含有較多的碳。
從以下結合附圖的本發明的詳細敘述中，本發明的上述和其它目的、特徵、方面和優點將變得更加明顯。
附圖簡述
圖1是一傳動裝置結構的一示意剖視圖，其中結合了按照本發明的一實施例的一傳動零件。
圖2是用作為圖1所示的滾動軸承10A和10B的一深溝球軸承的結構的示意剖視圖。
圖3是示出應用於在本發明的一實施例中的傳動零件的一熱處理方法的一過程圖。
圖4是示出應用於在本發明的該實施例中的傳動零件的熱處理方法的一示例性變化的一過程圖。
圖5A示出了按照本發明的一軸承的一微觀結構、更具體地為奧氏體晶粒；圖5B示出了背景技術中的一軸承的一微觀結構、更具體地為奧氏體晶粒。
圖6A是圖5A所示的奧氏體晶粒邊界圖，圖6B是圖5B所示的奧氏體晶粒邊界圖。
圖7是一圓錐滾子軸承結構的一示意剖視圖。
圖8是一圓柱滾子軸承結構的一示意剖視圖。
圖9是一滾針軸承結構的一示意剖視圖。
圖10是一自調準滾子軸承結構的一示意剖視圖。
圖11是其中使用圖7所示的圓錐滾子軸承作為在一傳動裝置中的一軸的一支承結構的一結構示意圖。
圖12是其中使用圖10所示的自調準滾子軸承作為一傳動裝置中一軸的一支承結構的一結構示意圖。
圖1 3示出用於一靜壓力斷裂強度試驗(測量斷裂應力)的一試樣。
圖14A是一滾動接觸疲勞使用壽命試驗儀的一示意正視圖，圖14B是該滾動接觸疲勞使用壽命試驗儀的一示意側視圖。
圖15示出用於一靜態斷裂韌性試驗的一試樣。
具體實施例方式
以下將參照附圖敘述本發明的實施例。
參閱圖1，這傳動裝置是一嚙合的傳動裝置，它主要包括滾動軸承10A至10F、一輸入軸11、一輸出軸12、一中間軸13、齒輪14a-14k和一殼體15。
由殼體15通過滾動軸承10A可轉動地支承輸入軸11。在這輸入軸11的外周邊部分處設置齒輪14a，以及在其內周邊部分設置齒輪14b。
殼體15通過滾動軸承10B可轉動地支承輸出軸12的一側，同時輸出軸12的另一側由輸入軸11通過滾動軸承10C可轉動地支承。這輸出軸12設置有齒輪14c至14g。這些齒輪14c至14g的軸向載荷由為一推力滾針軸承的滾動軸承10F支承。
齒輪14c和14d分別設置在一零件的外和內周邊部分處。帶有齒輪14c和14d的零件由輸出軸12通過滾動軸承10D可轉動地支承。齒輪14e安裝在輸出軸12上，從而它與輸出軸一起轉動和可在輸出軸12上軸向滑動。
齒輪14f和14g都設置在一零件的外周邊部分處。帶有齒輪14f和14g的零件安裝在輸出軸上，以致它與輸出軸12一起轉動和可在輸出軸12上軸向滑動。當帶有齒輪14f和14g的零件朝該圖中的左側滑動時，齒輪14f能與齒輪14b嚙合。當帶有齒輪14f和14g的零件朝該圖的右側滑動時，齒輪14g能與齒輪14d嚙合。
中間軸13固定於殼體15。中間軸13通過滾動軸承10E可轉動地支承具有齒輪14h和14k等的一齒輪件。齒輪14h始終與齒輪14a嚙合，以及齒輪14i始終與齒輪14c嚙合。當齒輪14e朝該圖的左側滑動時，齒輪14j能與齒輪14e嚙合。當齒輪14e朝該圖的右側滑動時，齒輪14k能與齒輪14e嚙合。
在本實施例中，對於輸入軸11的支承結構具有滾動軸承10A和10C，同時對於輸出軸的支承結構具有滾動軸承10B和10C。例如滾動軸承10A和10B是深溝球軸承。例如，滾動軸承10C是滾針軸承。對於齒輪14c和14h至14k的支承結構有滾動軸承10D至10F。例如，滾動軸承10D和10E是滾針軸承。滾動軸承10F是推力滾針軸承。
參閱圖2，深溝球軸承10A和10B各有固定於殼體15的一外環1(一外零件)、固定於輸入軸11或輸出軸12的一內環2(一內零件)、在外環1和內環2之間滾動的許多球3以及將許多球3相互間以一等間距保持在適當位置的一保持架4。
返回參閱圖1，用作為滾動軸承的滾針軸承10C具有一保持架和滾子結構，其一保持架保持許多滾針3b。在這結構中，滾動軸承的一外零件與輸入軸11相合併，同時它的內零件與輸出軸12相合併。
用作為軸承10D和10E的滾針軸承各具有一保持架和滾子結構，其中由一保持架保持許多滾針3b。在這結構中，該滾動軸承的外零件與齒輪14c或14h至14k合併在一起，同時其內零件與輸出軸12或中間軸13合併在一起。用作為滾動軸承10F的推力滾針軸承有固定於中間軸13的一外環1c(一外零件)、固定於帶有齒輪14h至14k的齒輪件的一內環2C(一內零件)、在外環1c和內環2c之間滾動的許多滾針3c以及將許多滾針3c以相互間的一等間距保持在適當位置的一保持架。
結合在上述傳動裝置中的傳動零件(例如滾動軸承10A至10F的外零件、內零件和滾動體、輸入軸11、輸出軸12、中間軸13、齒輪14a至14k、殼體15等的至少一個)具有在一表層處的一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的一晶粒號的一奧氏體組織。
尤其當各滾動軸承10A至10F的外零件、內零件和滾動體的至少任何一個是按照本發明的傳動零件時，外零件(外環1、輸出軸12或齒輪14c、14h至14k的一外環部分)、內零件(內環2、輸入軸11的一內環部分、輸出軸12的一內環部分或中間軸13的一內環部分)和滾動體(球3或滾針3b、3c)的至少任何一個包括具有一滲氮層和落在超過10的一範圍內的一晶粒號的一奧氏體組織的鋼。
而且，結合在上述傳動裝置中的傳動零件(例如，滾動軸承10A至10F的外零件、內零件和滾動體、輸入軸11、輸出軸12、中間軸13、齒輪14a至14k、殼體15等的至少一個)具有在一表層處的一滲氮層和至少2650兆帕的一斷裂應力值。
尤其當各滾動軸承10A至10F的外零件、內零件和滾動體的至少任何一個是按照本發明的傳動零件時，外零件(外環1、輸出軸12或齒輪14c、14h至14k的一外環部分)、內零件(內環2、輸入軸11的一內環部分、輸出軸12的一內環部分或中間軸13的內環部分)和滾動體(球3或滾針3b、3c)的至少任何一個包括具有一滲氮層和具有至少2650兆帕的一斷裂應力值。
而且，結合在上述傳動裝置的傳動零件(例如滾動軸承10A至10F的外零件、內零件和滾動體、輸入軸11、輸出軸12、中間軸13、齒輪14a至14k、殼體15等的至少一個)具有在一表層處的一滲氮層和在鋼中的最多百萬分之0.5的一氫含量。
尤其當各滾動軸承10A至10F的外零件、內零件和滾動體的至少任何一個是按照本發明的傳動零件時，外零件(外環1、輸出軸12或齒輪14c、14h至14k的一外環部分)、內零件(內環2、輸入軸11的一內環部分、輸出軸12的一內環部分或中間軸13的內環部分)和滾動體(球3或滾針3b、3c)的至少任何一個包括具有一滲氮層和具有在鋼中的最多百萬分之0.5的一氫含量的鋼。
以下將敘述關於這傳動裝置的一變速工作。
當齒輪14f不與齒輪14b嚙合、齒輪14g不與齒輪14d嚙合以及齒輪14e與齒輪14j嚙合時，輸出軸11的驅動力通過齒輪14a、14h、14j和14e傳到輸出軸12。例如，在這狀態中的傳動裝置是處於第一檔中。
當齒輪14g與齒輪14d嚙合、齒輪14e不與齒輪14j嚙合時，輸入軸11的驅動力通過14a、14h、14i、14c、14d和14g傳到輸出軸12。例如，在這狀態中的傳動裝置是處於第二檔中。
當齒輪14f與齒輪14b嚙合、齒輪14e不與齒輪14j嚙合時，齒輪14b和14f的嚙合將輸入軸11直接連接到輸出軸12，從而輸入軸11的驅動力直接傳到輸出軸12。例如，在這狀態中的傳動裝置處於第三檔(高檔)中。
以下將敘述按照本發明的關於執行在該傳動裝置上的包括一滲碳—氮處理的一熱處理。
圖3示出了一熱處理流程圖，按照該圖進行主淬火和第二次淬火；圖4示出了一熱處理流程圖，按照該圖在一淬火處理中一材料被冷卻到低於A1轉變點的一溫度，以及然後再加熱進行最終的淬火。這兩圖都是本發明的示例性實施例。
參閱圖3，用於一軸承的零件的鋼被加熱到用於滲碳—氮的、高於A1轉變點的一溫度(例如845℃)。在這溫度，對鋼進行滲碳—氮處理。在一處理溫度T1下，碳和氮在一鋼基體中擴散，從而碳能夠充分地被包含在鋼中。然後，在處理溫度T1的用於軸承的零件的鋼受到油淬火，被冷卻到低於A1轉變點的一溫度。然後，鋼在180℃進行回火。但是，可以省去這回火。
然後將此鋼再次加熱到不低於A1轉變點的和低於該鋼滲碳—氮的溫度的一溫度(例如800℃)。在這溫度下，保持該鋼進行一處理T2。然後在處理溫度T2下，使該鋼進行油淬火、冷卻到較A1轉變點低的一溫度。然後，在180℃下對該鋼回火。
參閱圖4，首先將用於軸承的零件的鋼加熱至高於A1轉變點的、用於滲碳—氮的溫度(例如845℃)。在這溫度下，該鋼受到滲碳—氮處理。在處理溫度T1下，碳和氮擴散進入鋼基體，以致碳能充分地被包含在鋼內。此後，不對用於軸承的零件的鋼淬火，但冷卻到低於A1轉變點的一溫度。然後，對該鋼再次加熱到不低於A1轉變點和低於對鋼滲碳—氮的溫度的一溫度(例如800℃)。將該鋼在這溫度下，進行處理T2。然後，在處理溫度T2下對該鋼進行油淬火、冷卻到低於A1轉變點的一溫度。然後，在180℃下對該鋼進行回火。
與普通的或通常的淬火(據此進行滲碳—氮，然後立即進行淬火)比較，以上討論的熱處理能夠提供提高的斷裂強度和降低的長期尺寸變化速率，同時對表層滲碳—氮。這熱處理也能夠產生具有晶粒尺寸小於傳統的該晶粒尺寸的一半或以上的奧氏體晶粒的一微觀結構。接受了上述熱處理的傳動零件能夠具有一較長的疲勞使用壽命(或者當該零件是一滾動軸承或一滾動軸承的零件時一較長的滾動接觸疲勞使用壽命)，一提高的抗裂強度和一降低的長期尺寸變化速率。
上述的兩熱處理允許它們的滲碳—氮處理產生是一「滲碳—氮」的一滲氮層。由於用於滲碳—氮處理的材料、鋼、具有一碳的高濃度，所以在通常滲碳—氮處理的大氣中的碳不可能容易地進入該鋼的表面。例如，對於具有一高碳濃度(大約1％重量)的鋼，一滲碳層可以具有較這數值較高的一碳濃度，或者可以形成沒有比這數值更高的碳濃度的一滲碳層。但是，在普通鋼中的氮濃度通常低到大約最高不大於0.025％的重量，不過這取決於鉻的濃度等。因此，能夠明顯地形成一滲氮層，而與原來鋼中的碳濃度無關。將會理解上述滲氮層也可以含較多的碳。
圖5A示出了進行過圖3所示的熱處理的一軸承鋼的奧氏體的一晶粒尺寸。作為比較，圖5B示出了經受傳統熱處理的一軸承鋼的奧氏體的一晶粒尺寸。圖6A和6B示意地示出了圖5A和5B所示的奧氏體的晶粒尺寸。在帶有奧氏體的晶粒尺寸的結構中，傳統的奧氏體的晶粒直徑是由JIS(日本工業標準)所確定的一晶粒尺寸號10，而本發明的、通過其熱處理的奧氏體晶粒尺寸號是12，以及可以看到更細的晶粒。而且，圖5A的平均晶粒直徑是由截斷方法測得的5.6微米。
以下將敘述在傳動裝置中用於軸的支承結構的一修改情況。
在圖1所示的結構中，作為用於軸的支承結構的滾動軸承10A和10B是深溝球軸承。但是，滾動軸承10A和10B可以是如圖7所示的圓錐滾子軸承或如圖8所示的圓柱滾子軸承。
當圖7中的圓錐滾子軸承和圖8中的圓柱滾子軸承各自的一外零件(外環1)、一內零件(內環2)和一滾動體(滾子3)的至少任何一個按照本實施例的傳動零件時，諸零件的該任何一個包括具有一滲氮層和具有帶一晶粒尺寸號落在超過10的一範圍內的一奧氏體組織的鋼。
並且，當圖7中的圓錐滾子軸承和圖8中的圓柱滾子軸承各自的外零件(外環1)、內零件(內環2)和滾動體(滾子3)的至少任何一個是按照本實施例的傳動零件時，諸零件的該任何一個包括具有一滲氮層和具有至少2650兆帕的一斷裂應力值的鋼。
並且，當圖7中的圓錐滾子軸承和圖8中的圓柱滾子軸承各自的外零件(外環1)、內零件(內環2)和滾動體(滾子3)的至少任一個是按照本實施例的傳動零件時，諸零件的該至少一個包括具有一滲氮層和具有最多百萬分之0.5的一氫含量的鋼。
當圖7的圓錐滾子軸承和圖8的圓柱滾子軸承各自的外零件(外環1)、內零件(內環2)和滾動體(滾子3)的至少任一個是按照本實施例的傳動零件時，諸零件的該任一個由如圖3和4中所示的方法形成。
圖7所示的圓錐滾子軸承在外環1和內環2之間有由保持架4保持的許多圓錐滾子(錐子滾子)3。這圓錐滾子軸承被設計成外環1和內環2的滾道表面和滾子3的一圓錐的頂點匯聚在軸承中心線上的一點。因此，來自外環1和內環2的滾道表面的合力將滾子3壓向內環2的一大環圈，同時沿著滾道引導和滾動滾子3。
圖8所示的圓柱滾子軸承在外環1和內環2之間具有由保持架4保持的許多圓柱滾子3。
圖9所示的滾針軸承在外環1和內環部分(未示出)之間具有由保持架4保持的許多滾針3。滾針3通常具有最大5毫米的一直徑和為直徑3至10倍的一長度。
圖10所示的自調準滾子軸承在外環1和內環2之間具有許多桶形滾子3，這些滾子被設置成兩行和被保持架4保持住。被設置成兩行的這些桶形滾子3具有能夠處理軸的傾斜等的自調準的能力。
參閱圖11，其上設置有許多齒輪24a至24d的一軸21由殼體15通過圓錐滾子軸承10A(或10B)可轉動地支承。
參閱圖12，其上設置有許多齒輪34a至34d的一軸31由殼體15通過自調準滾子軸承10A可轉動地支承。
結合在圖11或12所示的傳動裝置中的傳動零件(例如，如圖11所示的許多齒輪24a至24d，軸21，圓錐滾子軸承10A和10B的外零件、內零件和滾動體，殼體15等的至少一個；或如圖12所示的許多齒輪34a至34d，軸31，自調準滾子軸承10A的外零件、內零件和滾動體，殼體15等的至少一個)具有在一表層處的一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的一晶粒尺寸號的一奧氏體組織。
結合在圖11或12所示的傳動裝置中的傳動零件(例如，如圖11所示的許多齒輪24a至24d，軸21，圓錐滾子軸承10A和10B的外零件、內零件和滾動體，殼體15等的至少一個；或如圖12所示的許多齒輪34a至34d，軸31，自調準滾子軸承10A的外零件、內零件和滾動體，殼體15等的至少一個)具有在一表層處的一滲氮層和至少2650兆帕的一斷裂應力值。
結合在圖11或12所示的傳動裝置中的傳動零件(例如，如圖11所示的許多齒輪24a至24d，軸21，圓錐滾子軸承10A和10B的外零件、內零件和滾動體，殼體15等的至少一個；或如圖12所示的許多齒輪34a至34d，軸31，自調準滾子軸承10A的外零件、內零件和滾動體，殼體15等的至少一個)具有在一表層處的一滲氮層和至多百萬分之0.5的一氫含量。
在圖1所示的結構中，作為用於軸的支承結構的滾子軸承10C是一滾針軸承。但是，滾動軸承10C可以是如圖2所示的深溝球軸承、圖7所示的圓錐滾子軸承、圖8所示的圓柱滾子軸承、圖9所示的滾針軸承(具有一外環或一內環的結構)或圖10所示的自調準滾子軸承。
在以上實施例中主要敘述了嚙合的傳動裝置。但是，本發明不局限於這類型的傳動裝置。本發明也可應用於其它類型的傳動裝置，例如一滑動—嚙合傳動裝置或一同步—嚙合傳動裝置。
現在將以舉例方式敘述本發明。
例子1使用JIS-SUJ2(1％重量的碳，0.25％重量的矽，0.4％重量的錳，1.5％重量的鉻)用於本發明的例子1。在表1所示的試樣各通過以下所述的步驟生產。
表1
1)由於不充分的淬火，所以這次不評價。
試樣A-D本發明的例子在KX氣體和氨氣的一混合物的一大氣中、在850℃下保持150分鐘進行滲碳—氮。按圖3的熱處理圖，從850℃的一滲碳—氮溫度進行主淬火，以及通過加熱至低於滲碳—氮溫度的從780℃至830℃的一溫度範圍中的一溫度進行隨後的第二次淬火。由於試樣A的淬火不充分，所以沒有測試帶有780℃的一第二次淬火溫度的試樣A。
樣品E和F本發明的例子這些試樣通過與本發明的試樣A-D的相同步驟進行滲碳—氮，然後在等於或高於850℃的滲碳—氮溫度的從850℃至870℃的一溫度進行第二次淬火。
傳統的滲碳—氮試樣比較例子在KX氣體和氨氣的一混合物的一大氣中、在850℃下保持150分鐘進行滲碳—氮。從滲碳—氮溫度連續進行淬火以及不進行第二次淬火。
通常的淬火樣品比較例子沒有滲碳—氮，通過加熱至850℃進行淬火，以及不進行第二次淬火。
對以上諸試樣，進行了以下試驗有(1)測量氫含量，(2)測量晶粒尺寸，(3)擺錘式衝擊試驗，(4)測量斷裂應力和(5)滾動疲勞試驗。在表1中示出了它們的結果。
現在將敘述它們的測量和試驗方法。
(1)測量氫含量用LECO公司製造的用於分析一鋼中的不可擴散的氫的含量的一DH-103氫測定儀確定氫含量，不測量可擴散的氫含量。LECO DH-103氫測定儀的技術規格如下分析範圍百萬分之0.01-50.00分析精度±百萬分之0.1或±3％H(較高)分析靈敏度百萬分之0.01檢測方法熱電導率試樣重量尺寸10毫克-35克(最大12毫米(直徑)×100毫米(長度))爐子溫度範圍50℃-1100℃試劑無水高氯酸鎂(Mg(ClO4)2)，二氧化碳吸收劑和NaOH承載氣體氮氣，劑量氣體(氫氣)(兩氣體具有至少99.99％的一純度和40磅/平方英寸的壓力(2.8公斤力/平方釐米)的一壓力)。
在此大致敘述分析的步驟。由一專用取樣器保持一試樣以及將該試樣和取樣品一起放入氫測定儀。其中可擴散的氫由氮承載氣體引入一熱電導率檢測器。在這例子中不測定擴散的氫。然後，從取樣器中拿出該試樣，並在一電阻加熱器中對它加熱，以及由氮承載氣體將不擴散的氫引入熱電導率檢測器。由熱電導率檢測器測定熱導電率，用於確定不擴散的氫含量。
(2)測量晶粒尺寸按照JIS G 0551規定的在鋼中測試奧氏體的晶粒尺寸的方法測量該晶粒尺寸。
(3)擺錘式衝擊試驗按照由JIS Z 2242規定的對鋼進行擺錘式衝擊試驗方法進行擺錘式撞擊試驗。這裡所使用的一試件是由JIS Z 2202規定的一U槽口試件(JIS 3號試件)。
應注意一擺錘式衝擊試驗值是被截面積(0.8平方釐米)除的吸收能量E，如下所述的一數值。
吸收能量E＝WgK(cosβ-cosα)擺錘重量W＝25.438公斤重力加速g＝9.80665米/秒2從擺錘的轉動軸中心至重心的距離K＝0.6569米擺錘升起的角度α＝146°擺錘上、下運動的角度β(4)測量斷裂應力圖13示出了用於測量斷裂應力的一試件。使用了Amslek通用的試驗機。沿該圖中的方向P施加一載荷。然後，將為一斷裂載荷的所測得的載荷用關於一彎曲梁的下列應力計算公式轉換成一應力。應注意所用的試件不局限於圖13所示的試件，可以是具有一不同形狀的任何試件。
假設在如圖13所示的試件的凸起表面上的一纖維應力(fibek stkess)是σ1和在凹入表面上的一纖維應力是σ2，那麼由下列公式(JSME機械工程師手冊，材料的A4-強度，A4-40)確定σ1和σ2。式中N表示包括環形試件的軸線的一剖面的一軸向力，A表示一截面面積，e1表示一外半徑，e2表示一內半徑，以及k是彎曲梁的一剖面模量。
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)滾動疲勞試驗在圖14A和14B中以其簡化形式示出了滾動疲勞使用壽命試驗儀。在表2中示出了關於一滾動疲勞使用壽命試驗的試驗條件。參照圖14A和14B，經受滾動疲勞使用壽命試驗的一試件221由一驅動軸211驅動，從而轉動，同時與諸球213接觸。球213是由一導輥212引導、滾動的(3/4)英寸的球。球213在試件221上施加一大的表面壓力，同時試件221也在球213上施加一大的表面壓力。
將在將敘述上述測量和試驗的結果。
(1)氫含量表1示出了沒有附加處理的傳統的滲碳—氮試樣具有鋼中的為百萬分之0.72的一相當大的氫含量。認為一個原因是在滲碳—氮處理的大氣中所含的氨(NH3)被分解和然後氫進入鋼中。另方面，試樣B-F的鋼中的氫含量降至百萬分之0.37至0.42，這幾乎是傳統試樣的氫含量的一半。鋼中的這氫含量基本上等於通常淬火試樣的氫含量。
鋼中的氫含量的上述下降能夠減輕由於在固態溶體中的氫所引起的鋼的脆性程度。換句話說，通過減少氫含量，顯著地改進了本發明的試樣B-F的擺錘式衝擊試驗值和斷裂應力值。
(2)晶粒尺寸參閱表1，關於晶粒尺寸，在低於滲碳—氮處理的淬火溫度(主淬火)的一溫度進行第二次淬火的試樣、即試樣B-D具有顯著細小的奧氏體晶粒，即晶粒尺寸號是11-12。試樣E和F以及傳統的滲碳—氮試樣和通常淬火試樣具有晶粒尺寸號中10的奧氏體晶粒，這意味著試樣E和F的晶粒尺寸大於試樣B-D的晶粒尺寸。
(3)擺錘式衝擊試驗值表1示出了傳統的滲碳—氮試樣的擺錘式衝擊試驗值是5.33焦/平方釐米，而本發明的試樣B-F的該試驗值較高，從6.20至6.65焦/平方釐米。從這也可知一較低的第二次淬火溫度導致了一較高的擺錘式衝擊試驗值。通常淬火的試樣具有6.70焦/平方釐米的較高的擺錘式衝擊試驗值。
(4)斷裂應力值的測量斷裂應力對應於防裂強度。從表1可知傳統的滲碳—氮試樣的斷裂應力是2330兆帕。另方面，試樣B-F的斷裂應力被改進到2650至2840兆帕。通常淬火試樣具有2770兆帕的斷裂應力，這在試樣B-F的斷裂應力的範圍內。並認為氫含量的下降非常有利於改進試樣B-F的抗裂強度以及奧氏體晶粒尺寸的縮小。
(5)滾動疲勞試驗按照表1，通常淬火的試樣具有較短的滾動疲勞使用壽命(L10)，這是由於在表層沒有一滲氮層。相比較，傳統的滲碳—氮試樣的滾動疲勞使用壽命是通常淬火試樣的3.1倍長。試樣B-D的滾動疲勞使用壽命與傳統的滲碳—氮試樣比較有了顯著的改進。試樣E和F具有幾乎與傳統的滲碳—氮試樣相同的滾動疲勞使用壽命。
總之，在按照本發明的試樣B至F中能夠降低鋼中的氫含量。從而，在試樣B至F中能夠得到改進的斷裂應力和擺錘式衝擊試驗值。除了這些斷裂應力值和擺錘式衝擊試驗值之外，希望應改進滾動接觸疲勞使用壽命。這僅在帶有晶粒尺寸號至少約11的更細的晶粒的試樣B至D中實現。試樣B至F對應於按照本發明的例子，但是，本發明更想要的範圍是對應於在低於鋼施加滲碳—氮的溫度的一溫度下進行第二次淬火的和從而具有更細晶粒的試樣B至D。
例子2現在敘述本發明的例子2在下列試樣A、B和C上進行一系列試驗。通常使用於試樣A-C的、將進行熱處理的一材料是JIS-SUJ2(1％重量的碳、0.25％重量的矽、0.4％重量的錳、1.5％重量的鉻)。試樣A-C各經過下列步驟處理。
試樣A-比較例子僅通常的淬火(沒有滲碳—氮)試樣B-比較例子在滲碳—氮後直接淬火(傳統的滲碳—氮和淬火)。在845℃下保持150分鐘進行滲碳—氮。滲碳—氮處理的大氣是KX氣體和氨氣的一混合物。
試樣C-本發明的例子按照圖2所示的熱處理圖形對一軸承材料進行處理。在845℃下保持150分鐘進行滲碳—氮處理。滲碳—氮處理的大氣是KX氣體和氨氣的一混合物。最後淬火溫度是800℃。
(1)滾動疲勞使用壽命在表2和圖7中示出了用於滾動疲勞使用壽命的試驗條件和試驗裝置。表3示出了滾動疲勞使用壽命試驗的結果。
表2
表3 試驗結果
按照表3，滲碳—氮試樣B(比較例子)具有為僅進行通常淬火的試樣A(比較例子)的3.1倍長的一滾動疲勞使用壽命(L10使用壽命10個試件中有一個損壞)，可知通過滲碳—氮處理得到了延伸使用壽命的效果。相比較，本發明的試樣C具有為試樣B的1.74倍長的和為試樣A的5.4倍長的一延長的使用壽命。並認為主要由於較細的微觀結構得到了這改進。
(2)擺錘式衝擊試驗通過使用由上述的JIS Z 2242規定的一U槽口試件進行擺錘式衝擊試驗。表4示出了這試驗結果。
表4
本發明的一例子的試樣C得到了與僅進行通常淬火的試樣A(比較例子)相同的和高於滲碳—氮試樣B(比較例子)的一擺錘式衝擊試驗值。
(3)靜態斷裂韌性試驗使用圖15所示的試件進行靜態斷裂韌性試驗。在這試件中，做出了約1毫米的一預裂開，然後施加會產生三點式彎曲的一靜載荷，以及然後確定一斷裂載荷。利用下列公式計算斷裂韌性值(KIC值)。表5中示出了該試驗結果。
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
由於事先引入的開裂具有比滲氮層深的一深度，對於試樣A和B(比較例子)得到了為試樣A和B(比較例子)約1.2倍高的一斷裂韌性值(KIC)(4)靜壓力斷裂強度試驗(斷裂應力的測量)使用上述的圖13中所示的一靜壓力斷裂強度試件。沿該圖中的方向P施加一載荷，進行如剛才所述的一靜壓力斷裂強度試驗。表6示出了試驗結果。
表6 試驗結果
滲碳—氮試樣B(比較例子)具有比僅進行通常的淬火的試樣A(比較例子)略小的一靜壓斷裂強度的一數值。相比較，本發明的一例子的試樣C具有比試樣B高得多和略高於試樣A的一靜壓力斷裂強度值。
(5)長期尺寸變化速率表7示出了在130℃(保持溫度)和500小時(保持時間)的條件下測得的長期尺寸變化的速率，並有表面硬度和所含奧氏體的量(離表面0.1毫米深處)。
表7
*較小是優越的與具有大量所含的奧氏體的試樣B的尺寸變化速率比較，本發明的一例子的試樣C具有一較低的尺寸變化速率。
(6)在汙染的潤滑條件下的使用壽命試驗使用球軸承6206評價在有一預定數量的通常的、混在其中的汙染物的一被汙染的潤滑條件下的滾動疲勞使用壽命。
表8示出了試驗條件和表9示出了試驗結果。
表8
表9
進行滲碳—氮的試樣B(比較例子)具有約為試樣A的2.5倍長的一使用壽命，本發明的試樣C具有約為試樣A的3.7倍長的使用壽命。
雖然本發明的試樣C較比較例子的試樣B具有較少量的所含奧氏體，但試樣C具有較長的使用壽命，這是因為進入的氮和較細的微觀結構的影響。
因此從以上討論的結果可知本發明的試樣C、用作為一傳動裝置中的一支承結構的、被本發明的熱處理方法處理過的一軸承零件能夠同時實現三個目的由傳統的滲碳—氮難以實現的延長的滾動疲勞使用壽命，改進的抗裂強度和降低的長期尺寸變化速率。
應注意在這說明書中奧氏體晶粒是指在熱處理期間相變的奧氏體的晶粒，以及在奧氏體通過冷卻換變成馬丁體之後的保留的微量晶粒。
在按照本發明的傳動零件和製造該傳動零件的方法和圓錐滾子軸承中，形成一滲氮層，此外，能夠得到以前不能實現的一優越的斷裂應力值。因此，在本發明中改進了抗裂強度等。此外，能夠縮小傳動裝置的尺寸。
雖然已經詳細地敘述和示出了本發明，應清楚地理解僅以說明性地和示例性地、而不是限制性地敘述本發明，本發明的原理和範圍僅由所附權利要求書的條款限定。例如，滾針軸承可以是一完全型(full type)滾子軸承或一殼型滾子軸承。
權利要求
1.一傳動零件，它結合在能夠通過齒輪(14a至14k)的嚙合相對一輸入軸(11)的一轉速改變一輸出軸(12)的一轉速的一傳動裝置內，所述零件在一表層處具有一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的一晶粒尺寸號的一奧氏體晶粒。
2.如權利要求1所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一圓錐滾子軸承。
3.如權利要求1所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一滾針軸承。
4.如權利要求1所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一球軸承。
5.一傳動零件，它結合在能夠通過齒輪(14a至14k)的嚙合相對一輸入軸(11)的一轉速改變一輸出軸(12)的一轉速的一傳動裝置中，所述傳動零件在表層具有一滲氮層和至少2650兆帕的一斷裂應力值。
6.如權利要求5所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一圓錐滾子軸承。
7.如權利要求5所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一滾針軸承。
8.如權利要求5所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一球軸承。
9.一傳動零件，它結合在能夠通過齒輪(14a至14k)的嚙合相對一輸入軸(11)的一轉速改變一輸出軸(12)的一轉速的一傳動裝置中，所述傳動零件在表層具有一滲氮層和最多百萬分0.5的一氫含量。
10.如權利要求9所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一圓錐滾子軸承。
11.如權利要求9所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一滾針軸承。
12.如權利要求9所述的傳動零件，其特徵在於以可轉動地支承所述輸入軸、所述輸出軸、或各個所述齒輪的滾動軸承的形式提供所述傳動零件，所述滾動軸承是一球軸承。
13.製造一傳動零件的方法，該傳動零件結合在能夠通過齒輪(14a至14k)的嚙合相對一輸入軸(11)的一轉速改變一輸出軸(12)的一轉速的一傳動裝置中，其中至少通過在高於一A1轉變點的一溫度對鋼滲碳—氮、然後將此鋼冷卻至低於A1轉變點的溫度、隨後對此鋼再加熱到不低於A1轉變點和低於對鋼滲碳—氮的所述溫度的一溫度範圍、以及對此鋼淬火形成用於一軸承的零件的所述傳動零件。
14.如權利要求13所述的製造傳動零件的方法，其特徵在於開始淬火的所述溫度範圍是790℃至830℃。
15.一圓錐滾子軸承，它具有一內環(2)、一外環(1)和圓錐滾子(3)，其中所述內環(2)、所述外環(1)和所述圓錐滾子(3)的至少任何一個具有一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的一晶粒尺寸號的一奧氏體晶粒。
全文摘要
一傳動零件，它結合在其中由滾動軸承可轉動地支承一輸入軸(11)、一輸出軸(12)、或齒輪(14c，14h至14k)的一傳動裝置中。該零件在一表層有一滲氮層和帶有落在超過10的一範圍內的一晶粒尺寸號的一奧氏體晶粒。這提供了具有一增加的抗裂強度、提高的尺寸穩定性和一較長的疲勞使用壽命的一傳動零件。還提供了製造這一傳動零件的一方法和一圓錐滾子軸承。
文檔編號F16H55/06GK1526966SQ20041000828
公開日2004年9月8日 申請日期2004年2月27日 優先權日2003年2月28日
發明者奧上浩一, 村松芳紀, 大木力, 堀徑生, 紀 申請人:Ntn株式會社