專利名稱：一種滾動軸承構(gòu)件制造方法及滾動軸承構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種至少在其表層區(qū)域內(nèi)有 一 定碳梯度的滾動軸承構(gòu) 件的制造方法。
背景技術(shù)：
已知滾動軸承由至少兩個構(gòu)件組成，即一個或多個圏，在其中運 行滾動體，如滾子。 一般這種旋轉(zhuǎn)對稱的滾動軸承構(gòu)件例如由滲碳鋼 切削加工而成，其中圏或滾柱由棒料車削或者由柱料鍛造而成。為了 在表層區(qū)域內(nèi)形成給定的硬度，通過滲碳處理調(diào)節(jié)梯度結(jié)構(gòu)，通過熱 處理方法在其表層梯度結(jié)構(gòu)內(nèi)部富含碳。必要時也可碳氮共滲處理， 也就是說在表層區(qū)域內(nèi)還要進行富氮處理。滲碳處理之后，由于富聚
至少0.6。/。的碳和必要時還附加地富聚的氮素，這一表層會變硬。滾動 軸承圏硬度通常為58 HRC或更高。而未富聚的芯部仍按原始的成分 保持較軟。根據(jù)所采用的原材料，硬度在20與45HRC之間。因此， 如所生產(chǎn)的圏例如有一個堅韌的芯部和一層堅石更耐滾的外部層，后者 還處在起正面作用的固有壓應力之下。
由于這樣一個滾動軸承構(gòu)件的應力作用，例如在滲碳硬化處理時 卻要求2毫米以上的高滲碳深度。根據(jù)相應選擇的材料，這一深度取 決于熱處理時間，長達幾個小時。因而，這種處理工步與相當耗時聯(lián) 系在一起，此外這對生產(chǎn)成本也有不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務在于給出一種方法，按照此方法，不用耗費 時間地進行滲碳處理就可產(chǎn)生至少一個層富含碳的、具有碳梯度的表 層。
為解決這一任務，在按照本發(fā)明的方法中{殳定，用噴射方法將熔 化的金屬噴射到載體上，其中待噴射金屬的碳含量在噴射過程中被改變。
按照本發(fā)明的滾動軸承構(gòu)件不同于普通的滾動軸承構(gòu)件，不再由 一種均質(zhì)材料加工而成，接著又進行相應的淬硬處理，而是根據(jù)本發(fā) 明，用金屬噴射方法制成表層，其一般形成滾動軸承滾動面。在這樣 一種噴射密實法中，在其氣體霧化器中在保護氣流中將金屬熔液霧化 成球狀微滴。通過氣體將金屬液滴快速冷卻到液相和固相溫度之間的 溫度，經(jīng)常甚至稍低于固相溫度。這樣被冷卻的微滴以很高的速度運 動并具有粘稠度。如果微滴高速碰撞一表面，例如一制造構(gòu)件使用的 載體環(huán)或類似部件，則因其自身的高動能而組織密實化。這就形成了 高密度材料復合體。通過噴射密實化可以生產(chǎn)出無偏析的、孔隙少的、 具有均質(zhì)組織結(jié)構(gòu)和高密度的金屬層。根據(jù)本發(fā)明，為在噴射的金屬 層內(nèi)產(chǎn)生在普通旋轉(zhuǎn)對稱的滾動軸承構(gòu)件中徑向分布的碳梯度，在噴 射過程中待噴射金屬的碳含量是變化的。就是說，根據(jù)所希望的碳梯 度，在噴射過程中以任意方式改變噴射的粘稠金屬的碳含量。在對表 層連續(xù)依次分層噴射之后，在完成的表層內(nèi)由此也必然形成一個按照 設想的碳含量變化而改變的碳含量。這就意味著，完成的滾動軸承構(gòu) 件由于應用具有可變碳含量的噴射密實法按照本發(fā)明進行制造，原本 就有最后可任意調(diào)節(jié)的、因而至少在表層區(qū)域內(nèi)符合要求的碳梯度。 因而，在現(xiàn)有技術(shù)中很耗時的滲碳熱處理工序完全可以省去。滾動軸 承構(gòu)件總是要進行的熱處理還只取決于構(gòu)件大小及其重量，而不再取 決于待改性的表層的厚度。
按照本發(fā)明的方法還利用噴射方法的優(yōu)點，關(guān)于金屬層的成分及 由此金屬層的物理、化學和機械固有特性的調(diào)節(jié)，這種噴射方法具有 極高的靈活性，依此金屬層的成分特別是在決定機械、物理和化學特 性的各組分方面可以快速任意地改變。這就是說，原本應用的原材料， 因此也就是說熔化的金屬，可根據(jù)要求的不同特性進行選擇。此外， 在檢驗過程中還可根據(jù)本發(fā)明改變碳含量，這樣應用按照本發(fā)明的方 法給出了進一步的自由度。為在噴射過程中改變碳含量，可用幾種不同的方式。按照本發(fā)明 的第一個可選方案，為改變碳含量，將碳加入由其中引出被噴射的金 屬的熔液中。例如這可以碳絲的形式放入熔液中并在那里溶散，或者 也可通過向熔液里吹碳粉來實施。在本發(fā)明的該設計方案中，熔液自 身還被富集碳，其中通過相應改變送入的碳絲或吹入的碳粉的量可以 任意方式改變碳含量。在繼續(xù)噴射過程中，通過待噴射金屬的量的不 斷增加，也就是熔化的鋼量的不斷增加，必然會使層厚增長，這一層 與位于其下的層相比，具有不同的碳含量，并且這層含碳量繼續(xù)增加
到，致使達到所期望的碳含量，如其在滲碳處理后本應有的含量一樣。
除了將碳加入熔液、也就是熔液儲備自身中，還存在這種可能， 即為改變碳含量，將碳粉吹入由熔化材料構(gòu)成的噴射錐中。吹入的高 純度碳粉由以高速夾帶在惰性氣流中的金屬液滴和氣流自身帶走，并 以這種方式結(jié)合到表層中。在這里噴射的金屬的碳含量也通過向噴射 錐中供給碳粉而相應變化，而且在這里碳含量可能極快地變化，因為 吹入的碳粉量最后可以任意地和在任何被改變，這一改變直接影響噴 射層的碳含量。
另一種方法選擇方案規(guī)定使用不同碳含量的兩種或多種熔液，為
形成從其中引出被噴射金屬的熔液，所述熔液^皮相互混合。兩種可由 單獨容器引出的熔液被輸送給可以是噴射單元整體組成部分的分配
器，并在那里按照笫一種熔液的100%與第二種熔液的100%之間的任
意混合比例相互混合。因此這里也可以在混合4支術(shù)上達到在一種熔液 的最低碳含量與另一種熔液的最高碳含量之間的任意碳含量。
按照本發(fā)明方法的另一種選擇方案規(guī)定，利用兩個或多個單獨的 噴射裝置噴射兩種或多種具有不同碳含量的熔液，其中噴射錐相互重 疊，并且改變噴射裝置的輸出量。在此例如通過第一噴射裝置噴出低 碳含量的鋼，而通過第二噴射裝置噴出高碳含量的鋼。噴射錐優(yōu)選地 完全重疊，若同時噴射，它們也要完全相互銜接。因此，噴射的熔液 也可任意相互混合。若只有第一個噴射裝置運行，那么只噴覆可通過 該噴射裝置噴射的金屬。若現(xiàn)在再增加接通第二噴射系統(tǒng)，那么就可
6根據(jù)其噴射功率，增加由兩種輸出熔液混合物構(gòu)成的、最后產(chǎn)生的表 層的碳含量，其中，可這樣進行噴射控制，使得在如第二噴射裝置被 接通的程度上，降低第一噴射裝置的噴射功率。顯然，在第一熔液的 最低碳含量和第二熔液的最高碳含量之間，可以任意方式改變碳含量。 此外，在噴射層上也可任意產(chǎn)生碳梯度，噴射層不一定只涉及表層， 關(guān)於這點下面還要詳述。
氮氣或富含氮的氣體優(yōu)選被用作噴射熔化金屬的載氣。此外，根 據(jù)碳氮共滲，也可同時實現(xiàn)噴射金屬層的氮富集，這樣按照噴射密實 法，再為此也不需要單獨的處理工步。
本發(fā)明的合乎目的的擴展方案規(guī)定，特別是為形成構(gòu)件上的耐磨 表層，將一種或多種粉末形式的硬材料吹入噴射錐，然后使之與噴射 的金屬層結(jié)合。硬材料可以是碳化物、氮化物或氧化物，它們以粉末
形式被送入噴射錐中，并且要具有1納米到200微米的很細的粒度。 這樣通過碳含量除提高硬度之外，還可降低磨損。
按照本發(fā)明的第一設計方案，熔液金屬可以被噴射到預制件、特 別是由可淬硬處理的材料構(gòu)成的管材或棒材形式形式的載體上，該預 制件接著變成為所制造的滾動軸承構(gòu)件的整體組成部分。這里也可能 使用一種必要時經(jīng)受初步成型處理的預制栽體。如上所述，作為這樣 的載體，可以使用由可相應淬石更的材料構(gòu)成的4奉材或管材，但正如這 種預制件也可以已經(jīng)具有最終制成的滾動軸承構(gòu)件例如內(nèi)圏或外圏的 基本輪廓，或者也相應地確定尺寸。在這種情況下，接近最終輪廓的 預制件被裝在還可再利用的載體上，該載體在噴射過程中將預制件夾 持固定，并且可將預制件從載體上取下。
除了應用預制載體件以外，還可使用原本可再利用的載體，為形 成整個構(gòu)件，用噴射方法在該載體上噴射金屬。在本發(fā)明的這一設計 方案中，不僅可以用噴射密實法制造表層，而且甚至還可制造整個構(gòu) 件，例如內(nèi)圏或外圏。為此，使用還可再利用的載體，如陶瓷或水泥 管，為形成基本構(gòu)件本體，可在載體上噴射一種成分的熔液，如中心 構(gòu)件本體本應有的成分那樣。如先前所述，為此一般使用滲碳鋼。為產(chǎn)生表層，然后實施按照本發(fā)明的碳變化方案。若滾動軸承構(gòu)件是內(nèi) 圈，其滾動軸承滾動面是外側(cè)面，則以這種方式進行。若滾動軸承構(gòu) 件是外圏，那么就用按照本發(fā)明的碳變化方案，直接以對可再利用載 體的第一噴射開始，并且在產(chǎn)生這一內(nèi)表層之后才噴射用于形成基本 構(gòu)件本體的材料。若還要再產(chǎn)生富集的外表層，那么在噴射過程結(jié)束 時在最終的噴射過程期間再實施按照本發(fā)明的碳追加。
顯然，在按照本發(fā)明的方法中還具有很大的靈活程度，其使得能 夠制造其成分和固有特性極為不同的滾動軸承構(gòu)件，其中可以有利地 省去為滲碳或碳氮共滲而進行的耗費時間的熱處理方法。在按照本發(fā) 明的方法的范圍內(nèi)完成滾動軸承構(gòu)件之后，在下一步加工步驟如鍛造 和/或碾環(huán)中還需要做的僅是對殘余疏松度進行再壓實處理，接著再做 普通的熱處理，而不用耗時分散控制地形成滾動軸承構(gòu)件的摩擦層。 在使用預制成型的優(yōu)選接近最終輪廓的毛坯(預制的載體)，還可簡化 這些后續(xù)加工步驟。
除按照本發(fā)明的方法之外，本發(fā)明還涉及一種滾動軸承構(gòu)件，尤 其是以圏或滾子的形式，它有至少一層通過噴射熔化的金屬形成的表 層，而且在該表層內(nèi)部碳含量至少區(qū)段式地改變。滾動軸承構(gòu)件特別 是按照先前描述的方法制出。滾動軸承構(gòu)件自身可有一個在其上形成 表層的預制金屬載體，例如一個接近最終輪廓的環(huán)或類似部件。對外 還有備選方案，滾動軸承構(gòu)件整體可以是完全用噴射方法制出的噴射 密實化構(gòu)件。此外，至少在噴射.的表層內(nèi)至少區(qū)段式地填入一種或多 種硬材料，正如那里也可能存在在噴射工藝期間加入的較高氮含量一 樣。


下面參照附圖借助實施例說明本發(fā)明的其它細節(jié)、特征和優(yōu)點。
附圖為示意圖，表示如下
圖1用于說明第一種方法變型方案的原理圖2按照本發(fā)明的滾動軸承構(gòu)件的局部視圖，同時示出碳梯度；
圖3用于說明第二種方法變型方案的原理圖；圖4用于說明第三種方法變型方案的原理圖；和 圖5用于說明第四種方法變型方案的原理圖。
具體實施例方式
圖1以原理圖形式表示噴射裝置1，借其可實施按照本發(fā)明的方 法。噴射裝置1 一方面具有噴射單元2，還具有一個其內(nèi)包含有金屬 熔液S的熔液儲存容器3。另外，還設有載氣源4，這里為一氮氣供應。 由熔液儲存容器3連續(xù)不斷地提取待噴射的熔化金屬，該金屬以極小 金屬液滴5的形式通過載氣以噴射錐6噴射到一載體7上，在所示實 例中為由可淬硬金屬構(gòu)成的管子。載體7轉(zhuǎn)動并可軸向運動。隨著轉(zhuǎn) 動的增加和噴射的持續(xù)，在載體7上形成一層越來越厚的噴射密實層。 為能改變噴射上的層8內(nèi)的碳含量，所示實例中碳C在適當時刻被加 入熔液S中。這可通過加入碳絲或通過吹入碳粉實現(xiàn)。熔液因此富集 碳越積越多，因而所產(chǎn)生的層8也必然這樣。而圖l所示實例表明， 碳C直接進入熔液儲存容器3中，自然會存在這種可能性，也在直接 在噴射單元2前面的熔液輸入管道中才加入碳，或?qū)⑻技尤雵娚鋯卧?自身。各種情況下，按這一實施例都可將碳C輸入均質(zhì)熔液。
在具體的方法設計方案中，首先利用原始熔液S,也就是說沒有 碳含量變化的成分，對載體7，在這里如所描述的那樣為例如由可淬 硬的也就是滲碳鋼構(gòu)成的管，開始噴射過程。熔液S例如含有一種滲 碳鋼的成分，就是說碳含量低于0.35%，必要時還含有其它合金元素， 如Cr (最高4% )、 Mo (最高2% )、 Ni和/或'Mn (最高各4% )和 Si(最高1.5%)以及其它鋼伴生物(Stahlbegleiter ) 在應用這種原 成分的情況下，在噴射過程中首先噴射第一層8a(見圖2)，使其厚度 為幾毫米，優(yōu)選至少5毫米。然后形成富碳表層，為此為提高熔液碳 含量，如前所述，將碳C加入熔液S中。因此，隨后產(chǎn)生的第二表層 8b中碳越集越多，如圖2中原理曲線圖所示。在那里兩層8a、 8b的 橫截面上涂覆碳含量，這里還要再次指出的是，此處僅是原理圖。表 層8b中最大碳含量符合所期待的碳含量，如其通常按照在這里不需要 的滲碳步驟也存在的那樣。
9載體7在這里形成所制造的滾動軸承構(gòu)件的整體組成部分。在示 例中，由載體7(定長)切下單個的圈以形成滾動軸承構(gòu)件，其中圖2 表示這種被切下的滾動軸承構(gòu)件9的局部剖視圖，在這里為環(huán)的形式。 當然代替連續(xù)的管，有可能也使用接近最終輪廓的單個的預制件，這 里為環(huán)，但然后這些預制件按行設置于在這里未詳細示出的、可再利 用的載體上并且可從其上取下。
圖3示出產(chǎn)生有碳梯度的層的另一方案。在這里所示的包括噴射 單元2和帶有原始成分的熔液S的熔液儲存容器3及載氣供應4的噴 射裝置1中，在需要時將碳C直接添加到熔液錐體6中，這里吹入的 碳粉立即被從噴射單元2高速排出的金屬液滴和載氣N2帶走，并沉 積在自身形成的表層(圖2實施例，表層8b)中。還有可能在使用不 變?nèi)垡撼煞值那闆r下首先形成第一層，稍后才進行碳富集。在本發(fā)明 的設計方案中，由于被直接輸入噴射錐6中，碳含量能夠發(fā)生極快的 變化。附加地，還將抗磨損的、精細粉狀的氧化物、碳化物或氮化物 形式的硬材料加入噴射錐中，其結(jié)合到表層8b中。
圖4示出用于詳細說明另一種方法變型方案的另一原理圖。這里 所示的噴射裝置1同樣包括噴射單元2及共計三個熔液儲存容器3a、 3b和3c。在所示實例中，熔液儲存容器3a中存有含碳量低的第一種 熔液S1，熔液儲存容器3b中存有含碳量高的熔液S2?，F(xiàn)在這兩種熔 液交替地或同時注入第三熔液儲存容器3c中，在這里然后存有要么是 純的熔液S1、純的熔液S2，要么是由熔液S1和S2組成的混合熔液。 這一熔液儲存容器3c不必一定是大容器，而在這里也可以是小尺寸的 分配器，現(xiàn)在從該熔液儲存容器3c中提取最終待噴射的熔液成分，并 且借助通過載氣供應4輸入的惰性氣體通過熔液錐6噴射。
圖4中的載體7與前述的不同，例如涉及可再利用的載體，諸如 陶瓷或7K泥管。在這上面用噴射密實法(Spruehkompaktierverfahren ) 涂覆整個滾動軸承構(gòu)件，在這里也就是環(huán)。為此，例如在第一噴射區(qū) 段內(nèi)，只在使用高碳含量的熔液S2的情況下噴射內(nèi)表層(這樣長時 間)，直到達到期望的層厚為止。然后再逐漸增加地摻合熔液Sl，直到噴射純的熔液Sl,以形成基本構(gòu)件本體為止。為形成富含碳的外表 層，現(xiàn)在在后一噴射區(qū)段內(nèi)再次提高熔液S2的分額直到最高100%， 使得在那里也形成碳梯度。這里也可以噴射密實法制造整個的滾動軸 承構(gòu)件，其中在所述示例中內(nèi)、外表層都具有碳梯度。在此，當然可 以相應地只成形內(nèi)表層或外表層。
最后，圖5示出用于實施本發(fā)明方法的噴射裝置1的另一原理圖。 本裝置包括兩個可獨立運行的噴射單元2a、 2b，其分別配有獨立的熔 液儲存容器3a、 3b。熔液儲存容器3a中存有低碳含量的熔液S1，熔 液儲存容器3b中存有高碳含量的熔液S2。這兩個噴射單元2a、2b (其 在示例中通過一個公共的載氣源4供氣)設置成這樣，使得其相應的 噴射錐6a、 6b相互重疊，在示例中完全在載體7的附近。這里還要規(guī) 定，載體7是一個陶瓷管或類似部件形式的可再利用載體。例如，如 茱要制造包括具有碳梯度的內(nèi)、外表層的環(huán)或圏，那么噴射單元2b 首先開始噴射由高碳含量的熔液S2構(gòu)成的第一層。在達到幾毫米的最 小層厚之后，再連續(xù)不斷地降低噴射單元2b的噴射功率，并且接通噴 射單元2a,然后連續(xù)不斷地提高其噴射功率。相應功率的降低和提高 優(yōu)選同步地進行，以便在每個時刻都給出100%的總噴射功率。為形 成基本構(gòu)件本體，用100。/。熔液S1噴射，也就是說，滾動(軸承構(gòu)件) 本體只由熔液S1材料構(gòu)成。為形成外表層，然后該過程再反向進行， 即噴射單元2a的噴射功率連續(xù)不斷地降低，而噴射單元2b的噴射功 率則連續(xù)不斷地提高。這樣形成一個環(huán)或管，它具有一個可淬硬的孔、 一個不大可淬硬的芯部和一個又可較高地淬硬的外表層。
總之，按照本發(fā)明的方法使得能夠方便地產(chǎn)生內(nèi)、外表層區(qū)域內(nèi) 的碳梯度組織結(jié)構(gòu)。不再需要耗時很長的專用滲碳步驟。同樣也省去 了該份額的制造費用，還省去了分攤到該熱處理步驟的那份延遲，這 樣后續(xù)加工(磨削)費用就便宜了。另外，在環(huán)軋加工中省去了否則 在開始時總是存在的對約占環(huán)重25%的內(nèi)鍛造余料進行的打孔 (Auslochen)。最后，在時間上總體大大縮短了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因為在鋼 廠生產(chǎn)棒料/半成品中一向常用的方法、鋸掉多余料頭(Bolzen)以進行鍛造以及滲碳過程都省去了 。 附圖標記清單
1噴射裝置
2噴射裝置
噴射裝置
2b噴射裝置
3熔液儲存容器
3a熔液儲存容器
3b熔液儲存容器
4載氣源
5金屬液滴
6噴射錐
6a噴射錐
6b噴射錐
7載體
8層
層
8b層
9滾動軸承構(gòu)件
S金屬熔液
Si熔液
s2熔液
c碳
N2載氣
權(quán)利要求
1. 用于制造至少在其表層區(qū)域內(nèi)具有一定碳梯度的滾動軸承構(gòu)件的方法，其特征在于，用噴射方法將熔化的金屬噴射到載體上，其中待噴射金屬的碳含量在噴射過程中被改變。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為改變碳含量，向 熔液中加入碳，被噴射的金屬是從該熔液中引出的。
3. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，碳以絲的形式被放 入熔液中或作為粉末被吹入熔液中。
4. 按照權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，為改變碳含量，將 碳粉吹入由熔化的金屬枸成的噴射錐中。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用兩種或多種不 同碳含量的熔液，這些熔液被相互混合以形成從其中引出被噴射的金 屬的熔液。
6. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在使用兩個或多個 單獨的噴射裝置的情況下，噴射兩種或多種不同碳含量的熔液，其中 噴射錐相互重疊并且各噴射裝置的給出量被改變。
7. 按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，使用氮氣或 一種富含氮氣的氣體作為噴射用的載氣。
8. 按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，特別是為形 成構(gòu)件上的耐磨表層，將一種或多種粉末狀硬材料吹入噴射錐中。
9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使用粒度為l納米 至200微米的粉末。
10. 按照上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，使用預制 件特別是管件作為載體，該預制件成為被制造的滾動軸承構(gòu)件的整體 組成部分。
11. 按照權(quán)利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，載體為一 種可再利用載體，用噴射方法將金屬噴射到該載體上，以形成整個構(gòu) 件。
12. 滾動軸承構(gòu)件，特別是圈或滾子，其特征在于，至少一個表 層(8b)是通過噴射被熔化的金屬(5)形成的，在該表層內(nèi)碳含量至 少區(qū)段式地變化，特別是按權(quán)利要求1-11之一所述方法制成。
13. 按照權(quán)利要求12所述的滾動軸承構(gòu)件，其特征在于，它具有 在其上形成表層的金屬預制載體(7)。
14. 按照權(quán)利要求12所述的滾動軸承構(gòu)件，其特征在于，它是一 個完全用噴射方法制成的噴射密實化的構(gòu)件。
15. 按照權(quán)利要求12-14之一所述的滾動軸承構(gòu)件，其特征在于， 至少在噴射上的表層(8b)內(nèi)至少區(qū)段式地填入一種或多種硬材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造至少在其表層區(qū)域內(nèi)具有一定碳梯度的滾動軸承構(gòu)件的方法，其中，用噴射方法將熔化的金屬噴射到載體上，其中待噴射金屬的碳含量在噴射過程中被改變。
文檔編號C23C4/06GK101448968SQ200780018369
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者S·勒施, W·特羅揚 申請人:謝夫勒兩合公司