壓縮機軸承和壓縮機部件的製作方法

2023-06-17 09:33:36

專利名稱：壓縮機軸承和壓縮機部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一用於壓縮機本體和傳輸驅動力到壓縮機本體的皮帶輪的壓縮機軸承，以及一壓縮機部件。
背景技術：
為提高包含在帶有一皮帶輪機構的壓縮機內的滾動軸承(下文中稱之為壓縮機軸承)的壽命，實施一熱處理。傳統的做法是，例如，在部件的淬火中，它們在環境的RX氣體中加熱，並用氨氣進一步引入到其中，以使它們的表面層部分成為碳氮共滲。碳氮共滲處理可硬化表面層部分，並在微結構中產生殘餘奧氏體，以提供增加的滾動接觸疲勞壽命(日本專利公開Nos.11-101247和8-4774)。
上述用於壓縮機軸承部件的碳氮共滲處理是一擴散碳和氮的過程。這要求在長時間內保持高溫。
當軸承部件在高溫中保持一長的時間，奧氏體顆粒變粗糙，導致韌性降低而由此成為脆性鋼。這導致降低的開裂強度。
此外，形成粗糙的奧氏體顆粒，因而難於獲得提高的抗開裂強度。而且，由於更多的奧氏體殘留，所以，長期的尺寸變化率提高。
擴散碳和氮的碳氮共滲處理要求軸承部件應在高溫下保持一長的時間。這導致一粗糙的結構，並限制對應於抗開裂強度的斷裂應力值的提高。
另一方面，對帶有一皮帶輪機構的壓縮機軸承要求(1)確保增加抗滾動疲勞的壽命時間，(2)提高抗開裂強度，以及(3)約束長期的尺寸變化率的提高。
在傳統技術中，為了達到這樣的機械特性，在鋼合金的設計中，調整組成成分。然而，特殊合金部件的原材料難於得到，由此，導致高的成本。
未來的帶有皮帶輪機構的壓縮機軸承要求具有這樣的機械性能，它允許在比傳統軸承高的載荷和高的溫度下使用，以適應較高載荷和較高溫度的環境。
因此，上述的壓縮機軸承需要強度大，並要求(1)一長的滾動接觸疲勞壽命，(2)一高的抗開裂強度，以及(3)通過約束長期尺寸變化率的增加來提高尺寸的穩定性。

發明內容
本發明的目的在於，提供一帶有高強度的壓縮機軸承和壓縮機部件，並具有(1)長的疲勞壽命(在壓縮機軸承中的長的滾動疲勞壽命)，(2)一高的抗開裂強度，以及(3)通過約束長期尺寸變化率的增加來提高尺寸的穩定性。
本發明提供包含在壓縮機內的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體內的皮帶輪機構。部件具有奧氏體顆粒，其顆粒大小數目落入超過10的範圍內。
本發明提供用於一壓縮機內的壓縮機軸承，所述壓縮機具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體內的皮帶輪機構。一具有軌道表面的部件和多個包含在壓縮機軸承內的滾動元件中的至少一個部件，其具有的奧氏體顆粒的大小數目落入超過10的範圍內。
在根據本發明的壓縮機部件和壓縮機軸承中，小的奧氏體顆粒大小允許顯著地增加的抗開裂的強度，尺寸穩定性以及疲勞壽命(或當部件是壓縮機軸承時滾動接觸疲勞壽命)。如果保持奧氏體顆粒大小數為10或小於10，則疲勞壽命的任何顯著地提高都是不可能的，因此，顆粒大小數大於10，最好11或更大。儘管要求有更細的奧氏體顆粒，但超過13的顆粒大小數通常難於達到。應注意到，不管是因碳氮共滲處理而顯著地受影響的表面層部分，還是比表面層部分深的內部部分，壓縮機部件和壓縮機軸承的奧氏體顆粒不發生變化。這樣，表面層部分和內部部分將設定為用作上述顆粒數範圍的目標的位置。
本發明提供包含在壓縮機內的另外的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體內的皮帶輪機構。部件具有一至少為2650MPa的斷裂應力值。
本發明提供用於一壓縮機內的另一壓縮機軸承，所述壓縮機具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體內的皮帶輪機構。一具有軌道表面的部件和多個包含在壓縮機軸承內的滾動元件中的至少一個部件，其具有至少為2650MPa的斷裂應力值。
本發明者業已發現，鋼在超過一A1的轉變點的溫度下碳氮共滲處理，然後，冷卻到低於A1的轉變點的溫度，其後，再次加熱到大於A1的轉變點的溫度範圍並進行淬火，這樣處理的鋼可設置有允許鋼提供不小於2650MPa的斷裂應力值的氮化層，這在傳統上尚未達到過。一壓縮機部件和一壓縮機軸承在斷裂應力上優於傳統的，由此可獲得較高的強度。
本發明提供包含在壓縮機內的另外的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體內的皮帶輪機構。部件具有一至多為0.5ppm的氫含量。
本發明提供用於一壓縮機內的另一壓縮機軸承，所述壓縮機具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體內的皮帶輪機構。一具有軌道表面的部件和多個包含在壓縮機軸承內的滾動元件中的至少一個部件，其具有一至多為0.5ppm的氫含量。
在根據本發明的其它的壓縮機部件和壓縮機軸承中，可減緩因氫引起的鋼的脆化。如果鋼具有超過0.5ppm的氫含量，則鋼具有降低的抗開裂強度。這樣的鋼不能充分適用於承受重載荷的零件。低的氫含量是理想的。然而，將氫含量減少到小於0.3ppm要求長時間的熱處理，導致奧氏體顆粒尺寸的提高，因此降低韌性。然後，氫含量理想地在0.3至0.5ppm的範圍內，更為理想地在0.35至0.45ppm範圍內。
在上述的氫含量測量中，不測量擴散的氫，僅測量在預定溫度或超過的溫度下從鋼中釋放的非擴散的氫。在小尺寸試樣中的擴散的氫從試樣中釋放，散布甚至到室溫，因此不測量擴散的氫。非擴散氫捕獲在鋼中的任何缺陷內，只在預定加熱溫度或更高溫度下從試樣中釋放。即使僅測量非擴散氫，氫含量也依據測量的方法而相當地變化。上述氫含量的範圍是通過熱電導分析法確定。此外，如下文中詳細所述，可藉助於一LECO DH-103氫測定儀或類似的測量裝置來進行測量。
上述壓縮機軸承較佳地是一旋轉斜盤支承軸承，其轉動地支承壓縮機本體的一旋轉斜盤和一轉動件。
上述壓縮機軸承較佳地是一轉動件/皮帶輪支承件軸承，其轉動地支承壓縮機本體的轉動件和皮帶輪機構的皮帶輪軸承支承件。
上述壓縮機軸承較佳地是一主軸支承軸承，其轉動地支承一壓縮機本體的主軸和皮帶輪機構的皮帶輪軸承支承件。
上述壓縮機軸承較佳地是一皮帶輪支承軸承，其轉動地支承一皮帶輪和皮帶輪機構的皮帶輪軸承支承件。
在上述壓縮機軸承中，旋轉斜盤支承軸承是一滾針推力軸承。
在上述壓縮機軸承中，轉動件/皮帶輪支承件軸承是一滾針推力軸承。
本發明提供一種製造壓縮機部件(包括一壓縮機軸承)的方法，所述部件容納在具有一壓縮機本體和一將驅動力傳輸到壓縮機本體的皮帶輪機構的壓縮機內。部件至少由用於軸承部件的經碳氮共滲處理的鋼形成，軸承部件首先在高於轉變溫度A1的溫度下，然後將鋼冷卻到低於轉變溫度A1的溫度，接著，將鋼再次加熱到不小於轉變溫度A1而小於對鋼進行碳氮共滲處理施加的溫度的溫度範圍，並對鋼進行淬火。
在製造壓縮機部件(包括壓縮機軸承)的本方法中，在鋼碳氮共滲處理之後，鋼在最後淬火之前，鋼冷卻到低於轉變溫度A1的溫度。可獲得細微的奧氏體顆粒大小，卻貝(Charpy)衝擊值、斷裂韌性、抗開裂強度、疲勞壽命(或，如果部件是壓縮機軸承，則為滾動接觸疲勞壽命)等可得到提高。
此外，例如，通過冷卻到奧氏體發生轉變的溫度，在碳氮共滲處理中的奧氏體顆粒邊界可與最終淬火的溫度無關。此外，最終淬火溫度低於碳氮共滲處理的溫度，因此，與碳氮共滲處理相比，在表面層中的未溶解的滲碳體的量(其受碳氮共滲處理的影響)增加。這樣，未溶解的滲碳體的比例增加，而與碳氮共滲處理中的那些比例相比，奧氏體的比例在最終淬火的加熱溫度下減小。此外，從Fe-C兩相圖中可見，在滲碳體和奧氏體共存範圍內，在碳和奧氏體的固溶中的碳的濃度隨著淬火溫度的下降而下降。
當溫度提高到最終淬火溫度時，由於仍存在著大量的阻礙奧氏體顆粒生長的未溶解的滲碳體，所以，奧氏體顆粒變得更細。此外，通過淬火從奧氏體轉變為馬氏體或貝氏體的結構具有一低的碳濃度，這樣，與從碳氮共滲處理溫度淬火的結構相比，上述結構具有高的韌性。
在製造壓縮機部件的本方法中，較佳地，鋼在淬火前，加熱到790℃至830℃的溫度範圍。
鋼再次加熱到一溫度，在此溫度，不允許鋼在淬火前奧氏體顆粒生長。由此可達到細的奧氏體顆粒大小。
在此說明書中的具有軌道表面的零件包括一用作內環的內部零件，一用作外環的外部零件，以及一推力軸承的軸承墊圈。內部零件、外部零件，或軸承墊圈可單獨地由諸如一軸或外殼的零件提供，或可與諸如軸或外殼之類的零件一體地發揮作用。
奧氏體顆粒也指在奧氏體通過淬火轉變為諸如馬氏體或貝氏體的鐵素體相之後保持的微量。淬火前的奧氏體顆粒邊界有時也稱之為「前奧氏體顆粒邊界」，以便區別於淬火後殘餘的奧氏體顆粒。即，「奧氏體顆粒」和「前奧氏體顆粒邊界」用來意指同一事物。
在經受諸如用於所述零件樣品的金相的蝕刻過程的生長顆粒邊界的過程之後，可以觀察到前奧氏體顆粒邊界。對於顆粒大小的測量，ASTM(美國試驗和材料協會)定義的顆粒大小數的平均值(＝最多8μm的平均顆粒大小)可被轉化而獲得一平均顆粒直徑，或可採用截線法或諸如此類的方法，其中，直線沿任意的方向放置在一金相結構上，以獲得在直線滿足顆粒邊界的諸點之間的平均長度。
上述的氮化層由碳氮共滲處理(下文中將詳細描述)形成。氮化層可以富碳或不富碳。
根據本發明的壓縮機部件和壓縮機軸承可以不是一直具有如下文中所述的所有效應，並可具有如下文中所述的本發明的一個或多個效應。
儘管傳統技術由於增加的奧氏體顆粒的大小而不能達到提高的抗開裂強度，但本發明由於增加的殘餘的奧氏體，由於奧氏體顆粒具有的顆粒大小數落入到超過10的範圍內，所以，可達到降低的長期尺寸變化率。
此外，儘管傳統技術使用一難於獲得和成本高的用於特殊合金部件的原材料，以便增加滾動接觸疲勞壽命，提高抗開裂強度，以及保持下降的長期尺寸變化率，但本發明可達到一大於傳統的斷裂應力值，以及提高的抗開裂強度，因為斷裂應力值可達到2650Mpa或以上。
此外，儘管傳統技術不適用於部分經歷重載荷，因為超過0.5ppm的氫含量導致鋼的催化和抗開裂強度的降低，但本發明可達到提高的抗開裂強度，因為氫含量為0.5ppm或不到。
使用經受如上所述的熱處理的軸承件，壓縮機部件和壓縮機軸承可達到如下的機械特性(1)一長的抗滾動疲勞的壽命，(2)一提高的抗開裂強度，以及(3)一對長期尺寸變化率增加的限制。
如果結合諸附圖閱讀下面的本發明的詳細描述，則本發明的上述的和其它的目的、特徵、方面和優點將會變得更加明白。
附圖的簡要說明

圖1是一示意地示出一帶有一皮帶輪機構的壓縮機的截面圖，其中，包括一根據本發明的一實施例的壓縮機部件(包括一壓縮機軸承)。
圖2是用來說明應用於本發明的實施例中的壓縮機部件(包括壓縮機軸承)的熱處理方法的曲線圖。
圖3是用來說明應用於本發明的實施例中的壓縮機部件(包括壓縮機軸承)的熱處理方法一示範的變體的曲線圖。
圖4A示出本發明中的一示範的軸承部件的微結構，尤其是奧氏體顆粒，而圖4B示出傳統的軸承部件的微結構，尤其是奧氏體顆粒。
圖5A示出示於圖4A中的奧氏體顆粒邊界，而圖5B示出示於圖4B中的奧氏體顆粒邊界。
圖6A是示出一深槽的球軸承的截面圖，而圖6B是示出一多排角接觸球軸承的截面圖。
圖7是示出一圓柱形輥子軸承的截面圖。
圖8是示出一四點接觸球軸承的截面圖。
圖9A是部分地示出滾針推力軸承的截面立體圖，圖9B是圖9A的滾針部分的放大的截面圖，而圖9C是沿圖9A的線IXc-IXc截取的放大的截面圖。
圖10是示出另一示範的帶有一皮帶輪機構的壓縮機的結構的局部截面圖。
圖11示出一用於靜態壓力斷裂強度試驗的試樣(用來測試斷裂應力)。
圖12A是一滾動接觸疲勞壽命試驗機的示意的正視圖，而圖12B是一滾動接觸疲勞壽命試驗機的示意的側視圖。
圖13示出一用於靜態斷裂韌性試驗的試樣。
具體實施例方式
下面將參照附圖描述本發明的一實施例。
參照圖1，壓縮機包括一單一的旋轉斜盤型的旋轉斜盤壓縮機200和一壓縮機皮帶輪機構400。
壓縮機首先描述單一的旋轉斜盤型的旋轉斜盤壓縮機200。
參照圖1，單一的旋轉斜盤型的旋轉斜盤壓縮機200包括一外殼202、一皮帶軸承支承件418(例如，固定地旋入到外殼202內)、一主軸204、一附連到主軸204上的轉動件211、一根據轉動件211的轉動擺動的旋轉斜盤203、一連接到旋轉斜盤203的活塞杆215，以及一連接到活塞杆215的相對側的活塞207。
由多排滾針推力軸承形成的轉動件/皮帶輪支承件軸承401布置成一支承結構，其用來接納轉動件211和皮帶輪軸承支承件418之間的推力載荷。一由多排滾針推力軸承形成的旋轉斜盤支承件軸承404布置成一支承結構，其用來接納旋轉斜盤203和轉動件211之間的推力載荷。
在壓縮機200中，轉動件211隨主軸204的轉動而轉動，由此，旋轉斜盤203擺動。旋轉斜盤203的該擺動運動造成活塞杆215作往復運動，以允許連接到活塞杆215上的活塞207在氣缸內作往復運動。
壓縮機皮帶輪機構現將描述壓縮機皮帶輪機構400。
參照圖1，皮帶輪軸承支承件418固定地旋入到壓縮機外殼202內。此外，離合器電磁體固定地附連到皮帶輪軸承支承件418。另一方面，一動力傳輸件424配裝在主軸204的端部。皮帶輪425配裝在皮帶輪支承軸承403的外圓周上。
一主軸支承軸承402布置在主軸204和皮帶輪軸承支承件418之間。此外，一皮帶輪支承軸承403布置在皮帶輪425和皮帶輪軸承支承件418之間。
在皮帶輪機構400中，通過勵磁或不勵磁電磁體419，由驅動力(未示出)轉動的皮帶輪425的轉動驅動力被傳輸到主軸204上，以操作壓縮機，或皮帶輪425的轉動驅動力不被傳輸到主軸204，以終止壓縮機的操作。
壓縮機軸承壓縮機軸承廣義地分為用於壓縮機本體200的壓縮機軸承和用於皮帶輪機構400的壓縮機軸承。
用於壓縮機本體200的壓縮機軸承包括一旋轉斜盤支承軸承404，其轉動地支承旋轉斜盤203和轉動件211，以及轉動件/皮帶輪支承件軸承401，其轉動地支承轉動件211和皮帶輪軸承支承件418。
用於皮帶輪機構400的壓縮機軸承包括主軸支承軸承402，其轉動地支承主軸204和皮帶輪軸承支承件418，以及皮帶輪支承件403，其轉動地支承皮帶輪425和皮帶輪軸承支承件418。
將在下文中描述的示於圖9A-9C的滾針推力軸承，用於轉動件/皮帶輪支承件軸承401，以及用於旋轉斜盤支承軸承404。將在下文中描述的示於圖7的滾針推力軸承或圓柱形滾子軸承，用於主軸支承軸承402。將在下文中描述的示於圖6A的深槽球軸承或示於圖6B的多排角接觸球軸承，用於皮帶輪支承軸承403，或者，可使用如圖8所示的四點接觸球軸承。
如圖6A所示的深槽球軸承具有一外環31(一具有軌道表面的零件外部零件)，一內環32(一具有軌道表面的零件內部零件)，用作滾動元件的多個球33，以及一保持圈34。如圖6B所示的多排角接觸球軸承具有一外環31(一具有軌道表面的零件外部零件)，一內環32(一具有軌道表面的零件內部零件)，用作滾動元件的多個球33，以及一保持圈34。用作滾動元件的多個球33布置成多排。
示於圖7中的圓柱形滾子軸承具有一外環31a(一具有軌道表面的零件外部零件)，一內環32a(一具有軌道表面的零件內部零件)，用作滾動元件的多個圓柱形滾子33a，以及一保持圈34a。
示於圖8中的四點接觸球軸承具有一外環31b(一具有軌道表面的零件外部零件)，一內環32b(一具有軌道表面的零件內部零件)，用作滾動元件的多個球33，以及一保持圈34b。
儘管示於圖6A、6B、7和8中的軸承已描述為具有外環31、31a、31b和內環32、32a、32b，但各個軸承可不具有一外環和一內環。在此情形中，在主軸支承軸承402內的主軸204和在皮帶輪支承軸承403內的皮帶輪軸承支承件418，各是具有在其外圓周表面上的軌道表面(滾動接觸表面)的零件，以用作起作為一內環作用的內部零件。另一方面，在主軸支承軸承402內的皮帶輪軸承支承件418和在皮帶輪支承軸承403內的皮帶輪425，各是具有在其內圓周表面上的軌道表面(滾動接觸表面)的零件，以用作起作為一外環作用的外部零件。
示於圖9A-9C中的滾針推力軸承具有多個用作滾動元件的滾針2，而一環形滾針保持圈34c沿圓周的方向以規定的間距保持這些滾針2。各個滾針2分為一外直徑側的滾針2a和一內直徑側的滾針2b，它們布置成多排。環形滾針保持圈34c由兩個環形保持圈3和4形成。
這兩個保持圈3和4具有多個長方形空穴5和6，它們各具有的長度大於沿圓周方向的滾針2的長度L。各具有長度La的滾針保持部分5a和6a形成為在空穴5和6的邊緣處沿相對方向突出。滾針2保持成沿圓周方向被保持部分5a和6a夾持在中間。
用於壓縮機本體200的壓縮機軸承採用具有大的滾針直徑的滾針推力軸承，以便耐受來自活塞207的衝擊。滾針推力軸承構造成使滾針2與軌道表面線接觸(將在下文中描述)。在軌道表面上呈線接觸的滾針2，朝向外直徑離軸承的轉動中心越遠，則圓周速度越大。
用於壓縮機本體200的作為壓縮機軸承的滾針推力軸承，不象普通軸承那樣具有一軸承墊圈，因此，多個滾針2保持在保持圈34c內，並與軌道表面呈線接觸地轉動。在旋轉斜盤支承軸承404中，各個旋轉斜盤203和轉動件211用作為一具有軌道表面的零件。在轉動件/皮帶輪支承件軸承401中，各個轉動件211和皮帶輪軸承支承件418用作為一具有軌道表面的零件。
修改的應用(1)包括一皮帶輪機構的壓縮機軸承參照圖10，壓縮機包括一壓縮機(未示出)和壓縮機皮帶輪機構400。
(2)壓縮機皮帶輪機構參照圖10，皮帶輪軸承支承件418固定在壓縮機的外殼上。離合器電磁體419固定地附連到皮帶輪軸承支承件418。另一方面，動力傳輸件424配裝在主軸204的端部。皮帶輪425配裝在皮帶輪支承軸承403的外圓周上。
儘管圖1和10中的皮帶輪機構包括離合器電磁體419，但也可使用沒有一離合器電磁體的皮帶輪機構。
(3)壓縮機儘管如圖1所示的用於汽車空調器的單一旋轉斜盤型的旋轉斜盤壓縮機可用作為一壓縮機，但本發明不局限於此。可使用其它類型的旋轉斜盤壓縮機或螺旋型壓縮機。其它類型的旋轉斜盤壓縮機包括，例如，一雙旋轉斜盤型的旋轉斜盤壓縮機、一單一旋轉斜盤型的可變位移的旋轉斜盤壓縮機等。
(4)壓縮機軸承主軸軸承402a、402b和皮帶輪支承軸承403設置為一壓縮機軸承。例如，如圖6A所示的深槽球軸承用於主軸支承軸承402a、402b。如圖6B所示的多排角接觸球軸承(例如)用於皮帶輪支承軸承403。壓縮機軸承不限於該實施例，可使用任何合適的軸承。
本實施例的特徵包括在本實施例的壓縮機軸承401、402、402a、402b、403、404內，具有軌道表面(主軸204、皮帶輪425、旋轉斜盤203、轉動件211、皮帶輪軸承支承件418、外環31、31a、31b、內環32、32a、32b)，以及滾動元件(球33、圓柱形滾子33a、滾針2a、2b)的零件中的至少一個零件，具有一氮化層和顆粒大小數落入超過10的範圍內的奧氏體顆粒。
包括在本實施例的壓縮機軸承401、402、402a、402b、403、404內，具有軌道表面(主軸204、皮帶輪425、旋轉斜盤203、轉動件211、皮帶輪軸承支承件418、外環31、31a、31b、內環32、32a、32b)，以及滾動元件(球33、圓柱形滾子33a、滾針2a、2b)的零件中的至少一個零件，具有一氮化層和至少為2650MPa的斷裂應力值。
包括在本實施例的壓縮機軸承401、402、402a、402b、403、404內，具有軌道表面(主軸204、皮帶輪425、旋轉斜盤203、轉動件211、皮帶輪軸承支承件418、外環31、31a、31b、內環32、32a、32b)，以及滾動元件(球33、圓柱形滾子33a、滾針2a、2b)的零件中的至少一個零件，具有一氮化層和至多為0.5ppm的氫含量。
此外，本實施例中的壓縮機部件(具有軌道表面和滾動元件的零件，壓縮機軸承401-404的活塞杆215，活塞207，動力傳輸件424以及諸如此類的零件中的至少一個)，具有一氮化層和顆粒大小數落入超過10的範圍內的奧氏體顆粒。
本實施例中的壓縮機部件(具有壓縮機軸承401-404的軌道表面和滾動元件的零件，活塞杆215，活塞207，動力傳輸件424以及諸如此類的零件中的至少一個)，具有一氮化層和至少為2650MPa的斷裂應力值。
本實施例中的壓縮機部件(具有軌道表面和滾動元件的零件，壓縮機軸承401-404的活塞杆215，活塞207，動力傳輸件424以及諸如此類的零件中的至少一個)，具有一氮化層和至多為0.5ppm的氫含量。
在壓縮機軸承上執行的熱處理以下，將給出關於一熱處理的描述，其包括根據本實施例在壓縮機部件(包括壓縮機軸承)上執行碳氮共滲處理。該熱處理提供具有上述特徵(氫含量、奧氏體顆粒大小、斷裂應力值)的本實施例的壓縮機部件(包括壓縮機軸承)。
本發明的本實施例中的熱處理示於圖2和3中。圖2示出一熱處理的圖形，根據該圖形實施初級淬火和二次淬火，而圖3示出一熱處理的圖形，根據該圖形材料在淬火過程中冷卻到低於轉變溫度A1的溫度，其後，再次加熱到最後淬火。兩者均是本發明的示範的實施例。
參照圖2，用於軸承部件的鋼首先加熱到一高於轉變溫度A1的碳氮共滲處理的溫度(例如，845℃)。在此溫度，鋼經受碳氮共滲處理。在處理溫度T1處，碳和氮在鋼基體中擴散，以使碳可充分地包括在鋼內。此後，在處理溫度T1處，用於軸承部件的鋼經受油淬火，以冷卻到低於轉變溫度A1的溫度。然後，鋼可在180℃下經受回火。然而，該回火可省略。
此後，鋼再次加熱到不低於轉變溫度A1而低於施加到碳氮共滲鋼的溫度的溫度(例如，800℃)。在此溫度下，鋼保持承受處理溫度T2。然後，在處理溫度T2，鋼經受油淬火而冷卻到低於轉變溫度A1。此後，鋼在180℃經受回火。
參照圖3，用於造成部件的鋼首先加熱到一高於轉變溫度A1的碳氮共滲處理的溫度(例如，845℃)。在此溫度，鋼經受碳氮共滲處理。在處理T1的溫度處，碳和氮在鋼基體中擴散，以使碳可充分地包括在鋼內。此後，用於軸承部件的鋼不進行回火，但冷卻到不大於轉變溫度A1的溫度。此後，鋼再次加熱到不低於轉變溫度A1而低於施加到碳氮共滲鋼的溫度的溫度。在此溫度下，鋼保持承受處理溫度T2。然後，在處理溫度T2，鋼經受油淬火而冷卻到低於轉變溫度A1。此後，鋼在180℃經受回火。
與通常的或普通的淬火相比，(其中，進行碳氮共滲處理，並立即進行回火一次)，上述的熱處理可提供提高的開裂強度和降低的長期尺寸變化率，而同時碳氮共滲處理表面層。該熱處理也可產生一具有奧氏體晶粒的微結構，顆粒的大小小於傳統的顆粒的一半或以上。經受上述熱處理的壓縮機部件和壓縮機軸承可具有長的疲勞壽命(或當部件是壓縮機軸承時，則為長的滾動接觸疲勞壽命)，增加的抗開裂強度，以及降低的長期尺寸變化率。
上述的熱處理允許其碳氮共滲處理以產生一「碳氮共滲層」的氮化層。由於用於碳氮共滲處理的材料，鋼，具有高的碳濃度，所以，在普通的碳氮共滲處理中碳不容易進入到鋼的表面。例如，如果鋼具有高的碳濃度(約1％，重量計)，則滲碳層可具有大於該值的碳濃度，或形成的滲碳層不具有大於該值的碳濃度。然而，普通鋼的氮濃度通常低至約不大於0.025wt％(最大值)，但其取決於Cr的濃度或諸如此類的因素。因此，不管源頭鋼中的碳濃度如何，顯然可形成氮化層。應該認識到，上述氮化層也可富含碳。
圖4A示出一已經受如圖2所示的熱處理的軸承鋼的奧氏體的顆粒大小。為作比較，圖4B示出一已經受傳統的熱處理的軸承鋼的奧氏體的顆粒大小。圖5A和5B圖示出示於圖4A和4B中的奧氏體的顆粒大小。在具有奧氏體晶粒大小的結構中，傳統奧氏體的顆粒直徑是10，該值由JIS(日本工業標準)定義的顆粒大小數，而本發明的奧氏體通過熱處理是12，因此，可見細的顆粒。此外，圖4A中的平均顆粒直徑是5.6μm，其由截取法測得。
本發明現將描述諸實例。
(實例1)JIS-SUJ2(C 1.0wt％-Si 0.25wt％-Mn 0.4wt％-Cr 1.5wt％)用作本發明的實例1。示於表1中的試樣各通過下述程序產生。
表1

1)由於淬火不充分，此次未評價。
(試樣A-D本發明的實例)在RX氣體和氨氣體混合物的氛圍中，在850℃溫度下持續150分鐘執行碳氮共滲處理。遵照圖2中所示熱處理圖，從850℃的碳氮共滲處理溫度進行初次淬火，其後，通過加熱到低於碳氮共滲處理溫度的780℃至830℃範圍內的溫度，進行二次淬火。由於試樣A的淬火不充分，所以，具有780℃的二次淬火溫度的試樣A沒有試驗。
(試樣E和F本發明的實例)這些試樣通過如本發明的試樣A-D相同的程序進行碳氮共滲處理，然後，在等於或大於850℃的碳氮共滲處理溫度的850℃至870℃範圍內的溫度下進行二次淬火。
(傳統的滲碳氮的試樣比較實例)
在RX氣體和氨氣體混合物的氛圍中，在850℃溫度下持續150分鐘執行碳氮共滲處理。其後，從碳氮共滲處理溫度進行淬火，不進行二次淬火。
(普通淬火的試樣比較實例)不進行碳氮共滲處理，通過將溫度提高到850℃進行淬火，不進行二次淬火。
對於以上的試樣進行試驗，(1)測量氫含量。(2)測量晶粒大小，(3)卻貝衝擊試驗，(4)測量斷裂應力，以及(5)滾動疲勞試驗，它們的結果示於表1。
現將描述它們的測量和試驗方法。
(1)氫含量的測量藉助於由LECO公司製造的氫測定儀DH-103，測定氫含量，以便分析鋼中未擴散的氫的量。擴散的氫量未予測量。LECO DH-103的氫測定儀的技術規格書如下分析範圍0.01-50.00ppm分析精度±0.1ppm或±3％H(較高的一個)分析靈敏度0.01ppm檢測方法熱傳導分析法試樣重量規格10mg-35g(最大12mm(直徑)×100mm(長度))爐溫範圍50℃-1100℃反應劑環噻嗪(Mg(ClO4)2)，燒鹼石棉劑(Ascarite)，氫氧化鹼(NaOH)承載氣體氮氣，稱量氣體氫氣(兩種氣體具有的純度至少為99.99％，壓力為40PSI(2.8kgf/cm2))分析的程序大致地描述如下。用專用的取樣器取樣，試樣連同取樣器一起放入氫測定儀內。其中的擴散的氫被氮載體氣體導向一熱傳導儀探測器。在此實例中不測量擴散的氫。然後，試樣從取樣器中取出，以便在電阻加熱器中加熱，非擴散的氫被氮載體氣體導向熱傳導儀探測器。通過熱傳導儀探測器測量熱導率，以確定非擴散的氫的量。
(2)晶粒大小的測量根據由JIS G0551限定的試驗鋼中奧氏體晶粒大小的方法來測量晶粒大小。
(3)卻貝衝擊試驗根據由JIS Z2242限定的用於金屬材料的卻貝衝擊試驗方法來進行卻貝衝擊試驗。這裡使用的試驗件是由JIS Z2202限定的U形缺口試驗件(JIS No.3試驗件)。注意到，卻貝衝擊值是一能量吸收值E(將在下文中描述)，它被截面積(0.8cm2)相除。
能量吸收E＝WgR(cosβ-cosα)重錘重量W＝25.438kg重力加速度g＝9.80665m/sec2從重錘的轉動軸中心到重心的距離R＝0.6569m重錘提升的角度α＝146°重錘上下移動的角度β(4)斷裂應力測量圖11示出一用於斷裂應力測量的試驗件。使用一阿姆斯勒(Amsler)萬能試驗機。沿圖中的方向P施加一載荷，並在試驗件斷裂時測量載荷。然後，根據以下的用於曲梁的應力計算公式，將作為斷裂載荷的測得的載荷轉化為一應力。應該指出的是，所使用的試驗件不限制於圖11所示的那種，並可以是具有不同形狀的任何試驗件。
假定在圖11所示的試驗件的凸出表面上的纖維應力為σ1，而在凹陷表面上的纖維應力為σ2，然後，用下列公式(JAME機械工程師手冊，A4-材料力學，A4-40)計算σ1和σ2。其中，N表示包括環形試驗件的軸線的截面的軸向力，A表示截面面積，e1表示外半徑，e2表示內半徑，而k是曲梁的截面模量。
σ1＝(N/A)+{M/(Aρo)}〔1+e1/{k(ρo+e1)})σ2＝(N/A)+{M/(Aρo)}〔1-e2/{k(ρo-e2)})k＝-(1/A)∫A{η/(ρo+η)}dA(5)滾動疲勞試驗滾動疲勞壽命試驗機以其簡單的形式示於圖12A和12B，用於滾動疲勞壽命試驗的試驗條件示於表2中。參照圖12A和12B，一經受滾動疲勞壽命試驗的試驗件521被驅動輥511驅動而轉動，而保持與球513的接觸。球513為(3/4)」其由導向輥512引導而滾動。球513施加一高表面壓力在試驗件521上，而試驗件521也施加一高表面壓力在球513上。
現將描述上述測量結果和試驗。
(1)氫含量表1示出未經額外處理的傳統滲碳氮的試樣鋼中具有0.72ppm的相當大的氫含量。其原因在於，在碳氮共滲處理中，包含在氛圍中的氨(NH3)分解，然而，氫進入鋼中。另一方面，試樣B-F的鋼中的氫含量減少到0.37-0.42ppm，因此，幾乎是傳統試樣的氫含量的一半。該鋼中的氫含量基本上等於普通淬火試樣的氫含量的水平。
因為氫處於固溶狀態，所以，上述鋼中氫含量的減少可減輕鋼的脆化程度。換句話說，通過減少氫的含量，本發明的試樣B-F的卻貝衝擊值和斷裂應力值得到顯著地提高。
(2)晶粒大小參照表1，就晶粒大小來說，在低於碳氮共滲處理(初次淬火)的淬火溫度的溫度下進行二次淬火的試樣，即，試樣B-D具有顯著細的奧氏體顆粒，即晶粒大小數為11-12。試樣E和F以及傳統的滲碳氮的試樣和普通淬火的試樣具有晶粒大小數為10的奧氏體顆粒，這意味著試樣E和F的晶粒大小大於試樣B-D的晶粒大小。
(3)卻貝衝擊值表1示出傳統滲碳氮的試樣的卻貝衝擊值是5.33J/cm2，而本發明的試樣B-F的卻貝衝擊值高於此值，在6.20至6.65J/cm2的範圍內。由此還可見，低的二次淬火溫度導致高的卻貝衝擊值。普通淬火的試樣具有6.70J/cm2的高卻貝衝擊值。
(4)斷裂應力值的測量斷裂應力對應於抗開裂強度。從表1可見，傳統滲碳氮的試樣的斷裂應力是2330MPa。另一方面，試樣B-F的斷裂應力是2650-2840MPa。普通淬火試樣具有2770MPa的斷裂應力，它落在試樣B-F的斷裂應力的範圍內。可以認為氫含量的減小大大有利於提高試樣B-F的抗開裂強度以及減小奧氏體晶粒的大小。
(5)滾動疲勞試驗根據表1，由於表面層缺乏氮化層，所以，普通淬火試樣具有最短的滾動疲勞壽命(L10)。相比之下，傳統滲碳氮的試樣的滾動疲勞壽命是普通淬火試樣的滾動疲勞壽命的3.1倍。與傳統滲碳氮的試樣相比，試樣B-F的滾動疲勞壽命顯著地提高。試樣E和F具有的滾動疲勞壽命幾乎等於傳統滲碳氮的試樣的滾動疲勞壽命。
總而言之，根據本發明，試樣B至F的鋼中的氫含量可減小。因此，在試樣B-F中可達到提高的斷裂應力和卻貝衝擊值。除了斷裂應力和卻貝衝擊值之外，滾動接觸疲勞壽命應理想地提高。這只能通過在試樣B至D中具有甚至更小的顆粒來達到，其奧氏體顆粒大小數至少約為11。試樣B-F對應於根據本發明的實例，然而，本發明的更為理想的範圍是對應於這樣的試樣B-F，其在低於施加到碳氮共滲處理鋼的溫度下經受二次淬火，因此具有甚至更小的顆粒。
(實例2)在下列的試樣X、Y和Z上，執行一系列的試驗。通常用於試樣Y-Z的進行熱處理的材料是JIS-SUJ2(C 1.0wt％-Si 0.25wt％-Mn 0.4wt％-Cr 1.5wt％)。試樣X-Z各通過以下的程序進行處理。
試樣X-比較實例僅普通淬火(沒有碳氮共滲處理)試樣Y-比較實例碳氮共滲處理之後直接淬火(傳統碳氮共滲處理和淬火)碳氮共滲處理在845℃下持續進行150分鐘。碳氮共滲處理的氛圍是RX氣體和氨氣體的混合物。
試樣Z-本發明的實例遵照圖2所示的熱處理圖處理一軸承材料。碳氮共滲處理在845℃下持續進行150分鐘。碳氮共滲處理的氛圍是RX氣體和氨氣體的混合物。最終淬火溫度是800℃。
(1)滾動疲勞壽命用於滾動疲勞壽命試驗的條件和試驗裝置示於表2和圖12A和12B中。滾動疲勞壽命試驗的結果示於表3中。
表2

表3

根據表3，滲碳氮的試樣Y(比較實例)具有的滾動疲勞壽命(L10壽命十個試驗件中一個損壞)是僅經受普通淬火的試樣X(比較實例)的滾動疲勞壽命的3.1倍，由此可見，通過碳氮共滲處理可獲得延長壽命的效果。相比較之下，本發明的試樣Z具有較長的壽命，它是試樣Y的滾動疲勞壽命的1.74倍，是試樣X的滾動疲勞壽命的5.4倍。應該認為這種改進主要是從細微的微結構中獲得。
(2)卻貝衝擊試驗卻貝衝擊試驗使用由上述JIS Z2242限定的U形缺口試驗件進行試驗。試驗結果示於表4中。
表4

本發明的實例的試樣Z獲得的卻貝衝擊值等於僅經受普通淬火的試樣X(對比實例)的卻貝衝擊值，而高於滲碳氮的試樣Y(比較實例)的卻貝衝擊值。
(3)靜態斷裂韌性試驗示於圖13中的試驗件用於靜態斷裂韌性試驗。在此試驗件中，製作約1mm的預斷裂，此後，通過三點彎曲，添加靜態載荷P，然後，確定斷裂載荷。使用下列公式，計算斷裂韌性值(KIc值)。試驗結果示於表5中。
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

由於上述的裂縫具有的深度大於氮化層的深度，因此，對於試樣X和Y(比較實例)獲得相同的結果，而試樣Z(本發明的實例)獲得的斷裂韌性值(KIc值)約為試樣X和Y(比較實例)的斷裂韌性值的1.2倍。
(4)靜壓斷裂強度試驗(斷裂應力測量)使用上述的如圖11中所示的靜態壓力斷裂強度試驗件。沿圖中P的方向施加一載荷來實施上述的靜態壓力斷裂強度試驗。試驗結果示於表6中。
表6試驗結果

滲碳氮處理的試樣Y(比較實例)具有的靜態壓力斷裂強度值略小於僅經受普通淬火的試樣X(比較實例)的靜態壓力斷裂強度值。相比之下，本發明的實例的試樣Z具有的靜態壓力斷裂強度值相當地高於試樣Y的靜態壓力斷裂強度值，而略高於試樣X的靜態壓力斷裂強度值。
(5)長期尺寸變化率表7示出在130℃(保持的溫度)和500小時(保持的時間)的條件下，測得的長期尺寸變化率，以及表面硬度和保持的奧氏體量(從表面起的0.1mm深度處)。
表7

*較小為佳與具有大量殘餘奧氏體的試樣Y的尺寸變化率相比，本發明的實例的試樣Z具有低的尺寸變化率。
(6)在汙染的潤滑劑條件下的壽命試驗使用球軸承6206來評估具有混雜在其中的預定的普通汙染物量的汙染潤滑劑條件下的滾動疲勞壽命。試驗條件示於表8中，試驗結果示於表9中。
表8

表9

經受碳氮共滲處理的試樣Y(比較實例)具有的壽命大約為試樣X的壽命的2.5倍，本發明的試樣Z具有的壽命大約為試樣X的壽命的3.7倍。儘管本發明的試樣Z比比較實例的試樣Y具有較小的殘餘奧氏體量，但因為進入的氮和細的微結構的影響，試樣Z具有一長的壽命。
因此，由上述結果可見，本發明的試樣Z，即，通過本發明的熱處理方法產生的壓縮機部件和壓縮機軸承可同時地達到三個目標延長的疲勞壽命(在壓縮機軸承中是滾動疲勞壽命)，其在傳統的碳氮共滲處理中難於實現，斷裂強度的提高，以及長期尺寸變化率的降低。
應注意到，在本說明書中，奧氏體顆粒是指在熱處理過程中相變的奧氏體的晶粒，而奧氏體通過冷卻轉變到馬氏體之後，仍保持顆粒的微量。
例如，滾針軸承可以是全型滾子軸承或殼型滾針軸承。
本發明可特別有利地應用於具有長滾動疲勞壽命、高抗開裂強度和降低的長期尺寸變化率的壓縮機部件和壓縮機軸承。
儘管本發明已詳細地作了描述和圖示，但應清楚地認識到，以上的描述只是為了說明和示例，而不應認為是限制，本發明的精神和範圍只由附後的權利要求書的諸條款加以限制。
權利要求
1.一包含在壓縮機內的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到所述壓縮機本體(200)內的皮帶輪機構(400)，所述部件具有奧氏體顆粒，其顆粒大小數目落入超過10的範圍內。
2.一包含在壓縮機內的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到所述壓縮機本體(200)內的皮帶輪機構(400)，所述部件具有至少為2650MPa的斷裂應力值。
3.一包含在壓縮機內的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到所述壓縮機本體(200)內的皮帶輪機構(400)，所述部件具有至多為0.5ppm的氫含量。
4.一用於壓縮機的壓縮機軸承，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到所述壓縮機本體(200)內的皮帶輪機構(400)，其中，一具有軌道表面的部件和多個包含在所述壓縮機軸承內的滾動元件中的至少一個部件，其具有的奧氏體顆粒的大小數目落入超過10的範圍內。
5.如權利要求4所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一旋轉斜盤支承軸承(404)，其轉動地支承所述壓縮機本體的一旋轉斜盤和一轉動件。
6.如權利要求5所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述旋轉斜盤支承軸承(404)是一滾針推力軸承。
7.如權利要求4所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一轉動件/皮帶輪支承件軸承(401)，其轉動地支承所述壓縮機本體的轉動件和所述皮帶輪機構的皮帶輪軸承支承件。
8.如權利要求7所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述轉動件/皮帶輪支承件軸承(401)是一滾針推力軸承。
9.如權利要求4所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一主軸支承軸承(402、402a、402b)，其轉動地支承所述壓縮機本體的一主軸和所述皮帶輪機構的一皮帶輪軸承支承件。
10.如權利要求4所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一皮帶輪支承軸承(403)，其轉動地支承所述皮帶輪機構的一皮帶輪和一皮帶輪軸承支承件。
11.一用於壓縮機的壓縮機軸承，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到所述壓縮機本體(200)內的皮帶輪機構(400)，其中，一具有軌道表面的部件和多個包含在壓縮機軸承內的滾動元件中的至少一個部件，其具有至少為2650MPa的斷裂應力值。
12.如權利要求11所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一旋轉斜盤支承軸承(404)，其轉動地支承所述壓縮機本體的一旋轉斜盤和一轉動件。
13.如權利要求12所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述旋轉斜盤支承軸承(404)是一滾針推力軸承。
14.如權利要求11所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一轉動件/皮帶輪支承件軸承(401)，其轉動地支承所述壓縮機本體的轉動件和所述皮帶輪機構的一皮帶輪軸承支承件。
15.如權利要求14所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述轉動件/皮帶輪支承件軸承(401)是一滾針推力軸承。
16.如權利要求11所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一主軸支承軸承(402、402a、402b)，其轉動地支承所述壓縮機本體的一主軸和所述皮帶輪機構的一皮帶輪軸承支承件。
17.如權利要求11所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一皮帶輪支承軸承(403)，其轉動地支承所述皮帶輪機構的一皮帶輪和一皮帶輪軸承支承件。
18.一用於壓縮機的壓縮機軸承，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到所述壓縮機本體(200)內的皮帶輪機構(400)，其中，一具有軌道表面的部件和多個包含在所述壓縮機軸承內的滾動元件中的至少一個部件，其具有至多為0.5ppm的氫含量。
19.如權利要求18所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一旋轉斜盤支承軸承(404)，其轉動地支承所述壓縮機本體的一旋轉斜盤和一轉動件。
20.如權利要求19所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述旋轉斜盤支承軸承(404)是一滾針推力軸承。
21.如權利要求18所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一轉動件/皮帶輪支承件軸承(401)，其轉動地支承所述壓縮機本體的轉動件和所述皮帶輪機構的一皮帶輪軸承支承件。
22.如權利要求21所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述轉動件/皮帶輪支承件軸承(401)是一滾針推力軸承。
23.如權利要求18所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一主軸支承軸承(402、402a、402b)，其轉動地支承所述壓縮機本體的一主軸和所述皮帶輪機構的一皮帶輪軸承支承件。
24.如權利要求18所述的壓縮機軸承，其特徵在於，所述壓縮機軸承是一皮帶輪支承軸承(403)，其轉動地支承所述皮帶輪機構的一皮帶輪和一皮帶輪軸承支承件。
全文摘要
一包含在壓縮機內的壓縮機部件，所述壓縮機具有一壓縮機本體(200)和一將驅動力傳輸到壓縮機本體(200)內的壓縮機皮帶輪機構(400)，所述部件具有奧氏體顆粒，其顆粒大小數目落入超過10的範圍內，具有至少為2650MPa的斷裂應力值，或至多為0.5ppm的氫含量。這提供一壓縮機部件和一壓縮機軸承以長的疲勞壽命，高的抗開裂強度，以及降低的長期尺寸變化率。
文檔編號F04C29/00GK1534219SQ200410032320
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年3月28日
發明者大木力, 後藤友彰, 彰 申請人:Ntn株式會社