滚动、滑动部件及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及滚动、滑动部件及其制造方法。更具体地说，本发明是有关发动机辅机的车辆用交流发电机、汽车空调用压缩机、水泵部件、以及环形无级变速机的圆盘和辊等动力传动部件等在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的工作条件下使用的滚动、滑动部件及其制造方法。
背景技术
本说明书和权利要求书中所述的滚动、滑动部件是指进行纯粹的滚动接触、纯粹的滑动接触、以及滚动接触和滑动接触混合存在的部件。
例如，滚动轴承的套圈和滚动体等滚动轴承部件是使用JISSUJ2规定的高碳铬轴承用钢或JIS SCR420规定的表面渗碳硬化处理钢等轴承用钢制成的，但这样的滚动轴承在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的工作条件下使用时，其表面以下会产生DEA(DarkEtching Area，黑色组织)、白层(白色组织)等疲劳组织。在这些疲劳组织中如果产生白层，滚动轴承的工作寿命就会显著缩短。例如，交流发电机用滚珠轴承可在最高18000-22000rpm的高转速和20G以上的高冲击负载下使用，容易产生上述的疲劳组织。
以往人们就已经知道，在滚动轴承的使用过程中滚动轴承部件上产生的这些疲劳组织中，白层是晶粒被细化至nm级的组织。这些白层据认为是按以下所述的机理产生的。即在使用滚动轴承时，由于应力集中地作用，滚动轴承部件上会产生裂纹，在该裂纹处应力集中加剧，从而沿着裂纹会反复地产生塑性变形，其结果，晶粒被细化达到nm数量级，最终导致白层产生。
以往，为了防止上述的白层的产生，人们在轴承用钢中添加Ni和Mo等元素，以提高韧性，防止产生裂纹，从而抑制白层的发生(例如参见日本专利特开2002-60904号公报)。
但是，对于使用高碳铬轴承用钢或表面渗碳硬化处理钢等价格低廉的普通轴承用钢制成的滚动、滑动部件来说，如何抑制白层产生的方法目前还没有研制、开发出来。
【发明内容】
本发明是鉴于上述实际情况而完成的。本发明的目的是，提供使用一般的轴承用钢形成的、且抑制疲劳组织产生的滚动、滑动部件及其制造方法。
本发明是经过下述过程而研制成功的。即为了达到上述目的，本发明人反复进行了深入的研究，结果发现，在滚动、滑动部件的滚动、滑动面的表层部，由于滚动接触使得接触部位的内部局部产生应力，在该应力的作用下马氏体组织局部地受到剪切变形，致使该区域中的晶粒变成nm数量级，从而形成了白层。
本发明人还发现，当滚动、滑动部件的滚动、滑动面的表层部存在较大的热处理应变或较多的残余奥氏体时，容易产生应力集中，其结果是，在马氏体组织内部产生局部的剪切变形。本发明是基于这一发现而完成的。另外，本发明人还发现，如果滚动、滑动部件的滚动、滑动面表层部的残余压应力增大，则马氏体组织内部也会产生相应的局部剪切变形。
本发明的滚动、滑动部件是由轴承用钢构成的。其滚动、滑动面的表层部的表面硬度以洛氏硬度C计算是56-64，残余奥氏体量在12％(体积)以下，马氏体的X射线半值宽度是4-6度。
本发明的滚动、滑动部件，即使是使用一般的轴承用钢制成的滚动、滑动部件，也能够抑制白层等疲劳组织的产生。其结果是，能延长长期在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的工作条件下工作的滚动、滑动寿命。而且，由于使用普通的轴承用钢，材料的成本降低。在轴承用钢中，JIS SUJ2的生产量特别大，因而使用该钢种时材料的成本大幅度降低。
优选的是，滚动、滑动部件的上述滚动、滑动面的表层部残余奥氏体量在9％(体积)以下，马氏体的X射线半值宽度是4-5度，残余压应力的绝对值是在1000MPa以下。
本发明的滚动轴承配备有内、外两个套圈以及滚动体。其中，滚动体是由上述本发明的滚动、滑动部件构成。在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的条件下使用的滚动轴承的滚动体上，特别容易产生上述的白层等疲劳组织。但是，如果是将本发明的滚动、滑动部件用于滚动体而制成的滚动轴承，就有可能抑制滚动体上产生白层等，从而提高滚动轴承的滚动疲劳寿命。
优选的是，滚动轴承配备有内、外两个套圈以及滚动体，其中滚动体由高碳铬轴承用钢制成，滚动体的滚动面的表层部表面硬度以洛氏硬度C计算是56-64，残余奥氏体量在9％(体积)以下，马氏体的X射线半值宽度是4-5度，残余压应力的绝对值在1000MPa以下。
本发明的交流发电机用滚珠轴承配备有内、外两个套圈以及滚珠，外套圈的外径是32-72mm，滚珠由轴承用钢构成，从滚珠的滚动面的最表面到0.2mm深度的表层部位的表面硬度以洛氏硬度C计算是56-64，残余奥氏体量在12％(体积)以下，马氏体的X射线半值宽度是4-6度。
本发明的滚动、滑动部件的制造方法，其特征在于，由轴承用钢加工形成规定的形状，对加工成的部件原料进行淬火处理，然后进行2次以上的回火处理，再进行表面硬化处理。
采用本发明的滚动、滑动部件的制造方法，由于使用由一般的轴承用钢构成的部件原料，因而材料的成本低廉。而且，在制成的滚动、滑动部件中可以抑制白层等疲劳组织的产生，其结果，在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的使用条件下的滚动、滑动寿命延长。
优选的是，由高碳铬轴承用钢加工形成规定的形状，对加工成的滚动体原料进行淬火处理，然后进行2次以上的回火处理，再进行表面硬化处理，制成滚动轴承用的滚动体。
【附图说明】
图1是表示实施例和比较例的评价试验中使用的快速加速和减速试验装置的正面图。
【具体实施方式】
本发明的滚动、滑动部件是由轴承用钢构成，滚动、滑动面的表层部的表面硬度以洛氏硬度C计算是56-64，残余奥氏体量在12％(体积)以下，马氏体的X射线半值宽度是4-6度。作为上面所述的轴承用钢，可以使用JIS SUJ2中规定的高碳铬轴承用钢或JISSCR420中规定的表面渗碳硬化处理钢等一般的轴承用钢。
在本发明的滚动、滑动部件中，将滚动、滑动面的表层部的表面硬度限定为HRC56-64，这是因为，如果该硬度低于HRC56，不要说高温、高速、高载荷、高振动等严酷的使用条件，就是在一般的使用条件在工作时，滚动、滑动寿命也很低，反之，如果该硬度超过HRC64，则热处理变形就会过大，不能充分获得抑制白层产生的效果，其结果是，在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的使用条件下的滚动、滑动寿命非常短。
另外，在本发明的滚动、滑动部件中，将滚动、滑动面的表层部的残余奥氏体量规定为12％(体积)以下，其理由如下，即，由于奥氏体比马氏体的硬度低，因而在滚动、滑动接触时会形成局部的变形发生源。如果残余奥氏体量超过12％(体积)，则会产生较大的变形，其结果是不能充分获得抑制因变形而引起的白层产生的效果。另外，残余奥氏体量优选为9％(体积)以下。
此外，在本发明的滚动、滑动部件中，将滚动、滑动面的表层部的马氏体的X射线半值宽度限定为4-6度，这是因为，如果低于4度，则表层部的硬度不足，从而在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的使用条件下工作时滚动、滑动寿命随之降低；而如果高于6度，则表层部的热处理变形过大，从而不能充分获得抑制白层产生的效果。另外，马氏体的X射线半值宽度最好为4-5度。
这里所说的表层部，是指在表面和表面附近对滚动、滑动寿命有影响的部分。例如，所谓的表层部是从滚动、滑动面的最表面到最大剪切应力作用的深度的范围，在一般的滚动轴承部件的滚道面和滚动面上，这就相当于0.5mm深度以内的范围。另外，在交流发电机用滚珠轴承中以及在外套圈的外径为32-72mm的情况下使用的滚珠中，所述的表层部是指从滚动面的最表面到0.2mm深度的范围。
本发明的滚动、滑动部件的制造方法的特征是，由轴承用钢加工形成规定的形状，对加工完成的部件原料进行淬火处理，然后进行2次以上的回火处理，再进行表面硬化。作为上面所述的轴承用钢，可以使用JIS SUJ2中规定的高碳铬轴承用钢或JIS SCR420中规定的表面渗碳硬化处理钢等一般的轴承用钢。
在本发明的滚动、滑动部件的制造方法中，所述的淬火处理可以通过例如在830-870℃加热10-60分钟，然后快速冷却的方法来进行。
另外，在本发明的滚动、滑动部件的制造方法中，规定进行2次以上回火处理是由于以下所述的原因。即，对于抑制白层的产生来说，减少残余奥氏体量在和降低马氏体的X射线半值宽度是十分有效的，为了改善这些材料特性，回火温度的范围必须比通常的温度(150-170℃)高。与只进行一次高温回火处理的场合相比，通过进行2次以上的回火处理，可以降低残余奥氏体量和马氏体的X射线半值宽度。第1次回火处理可以通过在150-170℃保持60-120分钟来进行，最后一次回火处理可以通过在180-250℃保持60-120分钟来进行。将第一次回火处理的回火温度规定为150-170℃是基于下面的理由，即，在进行2次以上回火处理的场合，如果将第1次回火的温度设定得过高，则最终回火后的硬度就会过低，反之，如果第1次回火的温度过低，则最终回火后的残余奥氏体量和马氏体的X射线半值宽度的降低幅度就会减小。因此，将第一次回火处理的回火温度规定为150-170℃。将最后一次回火处理的回火温度规定为180-250℃是因为，回火温度在180℃以上时，即使在高温、高速、高载荷、高振动等严酷的工作条件下使用的场合，也可以抑制白层等疲劳组织的产生，不过，提高回火温度时，硬度降低，可能会导致滚动、滑动寿命降低，因此将回火温度的上限规定为250℃。有时，回火处理就进行2次，在这种场合，第1次回火处理可以通过在150-170℃下保持60-120分钟来进行，第2次的最终回火处理可以通过在180-250℃下保持60-120分钟进行。
另外，在本发明的滚动、滑动部件的制造方法中，表面硬化处理可以通过例如滚筒抛光等冷加工方式来进行。最后可以进行研磨等精加工处理。
实施例
下面说明本发明的实施例和比较例。
实施例1-3和比较例1-8
采用JIS SUJ2标准制备多个直径15/64英寸的滚珠的半成品，接着，将该半成品在850℃下加热20分钟后急冷，进行淬火处理，以及进行2次或1次在各种温度下保持120分钟的回火处理。接着，将经过热处理的多个半成品放入旋转滚筒中，使旋转滚筒按规定的转速和时间进行旋转，对该半成品进行表面硬化处理。表面硬度的控制是通过适当改变旋转滚筒的旋转速度和处理时间来进行的。随后进行研磨加工处理，得到直径15/64英寸的滚珠的成品。最后，测定该制成品的表层部的表面硬度(HRC)、残余奥氏体量、残余压应力以及马氏体的X射线半值宽度。马氏体的X射线半值宽度是使用RIGAKU(リガク)公司制造的RINT2000作为X射线衍射装置，在下列条件下测定的，即，X射线：Cr-Kα射线、加速电压(管电压)：40kV、电流(管电流)：200mA、衍射面：α(211)面。另外，对于进行2次回火处理者，还要测定第1次回火处理结束后的表层部的表面硬度(HRC)。测定结果与回火温度一起示于表1中。
评价试验
对于装入实施例1-3和比较例1-8的滚珠的、型号为6202的试验用深槽滚珠轴承，封入润滑脂，使用图1所示的发动机辅机用试验装置进行快速加速、减速试验。在图1中，快速加速、减速试验装置配备有：固定在由马达(图中未示出)旋转驱动的驱动轴(1)上的皮带轮(2)；以一定的间隔设置在驱动轴(1)的左右两侧并且在左右方向上可任意移动的可动基座(3)(4)；使各可动基座(3)向左右方向的外侧方向靠的螺旋压缩弹簧(5)(6)；固定在各可动基座(3)(4)上的固定轴(7)(8)。另外，将试验轴承(9)的内套圈(9a)固定在左侧的可动基座(3)的固定轴(7)上，同时，将皮带轮(10)固定在外套圈(9b)周围，在右侧的可动基座(4)的固定轴(8)的周围安装可以任意转动的皮带轮(11)，在3个皮带轮(2)(10)(11)上挂上V型皮带(12)。此时的负载载荷(皮带张力)设置成使最大接触面压为2.6GPa。在该状态下，反复地进行在0.5秒内从9000rpm加速至18000rpm和在0.5秒内从18000rpm减速至9000rpm的加减速操作。试验结果也示于表1中。在表1的寿命一栏中所述的“结束”，表示经过该时间后仍未发生剥离。
表1 回火温度(℃) 表面硬度(HRC) 残余奥氏 体量 (体积％) X射线 半值宽 度(度) 残余压 应力 (MPa)寿命(小时) 第1次 第2次 第1次 结束后 成品实施例1 155 180 64.2 63.3 8.6 4.99 -954 790 结束实施例2 170 210 63 59.7 5.5 4.43 -998 820 结束实施例3 170 200 63.5 61.7 6.5 4.25 -939 900 结束比较例1 140 160 66.2 65.6 14.8 6.55 -890 76 剥离比较例2 150 150 65.2 65.1 13.9 6.76 -888 70 剥离比较例3 155 - - 65 13.4 6.35 -874 89 剥离比较例4 155 - - 65.1 12.8 6.18 -758 150 剥离比较例5 170 - - 64.9 13.5 6.28 -813 74 剥离比较例6 260 - - 58.5 4.3 3.45 -818 288 剥离比较例7 150 - - 65.4 31.9 7.17 -939 49 剥离比较例8 230 250 58 55 3.1 4.3 -954 300 剥离
由表1可以看出，使用表层部的表面硬度以洛氏硬度C计算是56-64、残余奥氏体量在12％(体积)以下、马氏体的X射线半值宽度是4-6度的实施例的滚珠的轴承寿命与比较例的轴承寿命相比要长得多。因此，本发明对于防止经常在高速以及急速加减速的条件下使用的交流电机用滚珠轴承的早期破损特别有效。