轴承圈及其热处理方法与流程

本发明涉及轴承领域，具体涉及一种轴承圈及其热处理方法。

背景技术：

热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构，来控制其性能的一种金属热加工工艺。

轴承圈的热处理是轴承圈制造过程中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变轴承圈的形状和整体的化学成分，而是通过改变轴承圈内部的显微组织，或改变轴承圈表面的化学成分，来改善轴承圈的使用性能，改善轴承圈的质量。

目前，制造轴承圈使用的原料有渗碳钢、通淬钢等，其中对通淬钢制造的轴承圈的热处理工艺包括马氏体淬火和贝氏体淬火，也可感应淬火；对渗碳钢制造的轴承圈的热处理工艺是渗碳淬火。

渗碳淬火热处理工艺的成本较高，但由于心部硬度低有较好的抗通裂能力；而通淬的成本较低，但是形成的轴承圈因表面与心部硬度都高具有较大的通裂风险。而感应淬火可以做到只是功能区硬化，但对于形状复杂的工件和大工件需要特殊的感应加热设备，工艺难度较大。

技术实现要素：

本发明解决的问题是现有轴承圈的热处理方法中，渗碳淬火成本高，通淬形成的轴承圈的通裂风险大，感应淬火的工艺难度大。

为解决上述问题，本发明提供一种轴承圈的热处理方法，所述轴承圈为通淬钢，所述轴承圈的内周面或外周面具有滚道，包括：对所述轴承圈进行通淬；通淬后，对所述轴承圈的与所述滚道相背一侧的周面进行退火。

可选的，所述退火为感应加热退火，火焰退火，或者激光退火；所述退火的最高加热温度不超过钢的奥氏体转化温度Ac1。

可选的，所述感应加热退火采用感应加热器进行加热。

可选的，所述周面的各个部位同时进行所述感应加热退火；或者，所述周面划分为若干区域，对各个区域分别进行所述感应加热退火。

可选的，所述通淬为马氏体淬火或贝氏体淬火。

可选的，对所述周面退火至硬度小于或等于550HV。

可选的，所述退火后，所述轴承圈在滚道侧未被退火的最小深度为：与所述滚道配合的滚动体的直径的5％。

可选的，所述轴承圈在滚道侧未被退火的深度范围为：与所述滚道配合的滚动体的直径的5％～7％。

本发明还提供一种轴承圈，在内周面或者外周面设有滚道，所述轴承圈包括：具有第一硬度的第一环形圈，以及具有第二硬度的第二环形圈，所述第二环形圈环绕所述第一环形圈的外周面，或者所述第一环形圈环绕所述第二环形圈的外周面，所述滚道位于所述第一环形圈，所述第二硬度小于所述第一硬度。

可选的，所述第一环形圈由通淬钢制造，通淬时的热处理为马氏体淬火，或者为贝氏体淬火。

可选的，所述第二环形圈的硬度小于或等于550HV。

可选的，沿径向方向，所述第一环形圈的最小厚度为：与所述滚道配合的滚动体的直径的5％。

可选的，沿径向方向，所述第一环形圈的厚度为：与所述滚道配合的滚动体的直径的5％～7％。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

轴承圈的材料选用通淬钢，先对轴承圈进行通淬，再对轴承圈的与滚道相背一侧的周面进行退火。通过成本低的通淬获得硬度均一的马氏体或贝氏体组织，然后通过感应加热退火，使得非滚道侧的马氏体或贝氏体组织继续回火分解，硬度降低，同时因马氏体或贝氏体组织继续回火分解产生体积收缩，在滚道侧形成压应力，从而提高轴承圈抗开裂的能力，同时提高其疲劳 寿命，并且工艺难度低。

附图说明

图1是本发明实施例中轴承圈的热处理方法的步骤图；

图2示出了本发明实施例中轴承内圈的沿轴向方向的局部截面图；

图3示出了本发明实施例中轴承外圈的沿轴向方向的局部截面图；

图4示出了感应加热退火后的硬度与深度关系曲线图。

具体实施方式

如背景技术中提到的，渗碳淬火热处理工艺的成本较高，但由于心部硬度低有较好的抗通裂能力；而通淬的成本较低，但是形成的轴承圈因表面与心部硬度都高具有较大的通裂风险。这里对此作详细分析。

渗碳淬火主要用于由渗碳钢制造的轴承圈的热处理。由于渗碳钢的含碳量低，淬火后的硬度不能达到轴承的使用要求。因此需要通过对表面功能层(例如滚道)进行渗碳，形成含碳量较高的渗碳层，以使得淬火后渗碳层的硬度能够达到轴承的使用要求，同时，使得轴承圈的心部保持低硬度。

渗碳淬火包括渗碳、退火以及最终淬火等多道工序。渗碳工序中，碳需要在高温下，如960℃的温度下，扩散进入渗碳钢中。整个渗碳过程需要耗费的时间很长，例如要形成3毫米的渗碳层，所需的渗碳时间将超过30小时。另外，轴承圈在960℃的高温下容易发生变形，因此在渗碳工艺中，为了避免轴承圈的变形过大，因此渗碳淬火往往需要采用夹模淬火(或称夹持淬火、模具淬火)，以减少变形，这就要求制作专门的模具或夹具。总的来说，因此渗碳工艺的成本很高。

另外，在渗碳淬火的渗碳工序中，由于温度高、时间长，导致轴承圈表面渗碳气氛中的氧向轴承圈内部扩散，导致轴承圈的表层组织会发生恶化，例如发生内氧化等，从而使轴承圈在未磨削的部位(例如滚道边缘的沟槽处)的强度和冲击值下降。

通淬主要用于由通淬钢制造的轴承圈的热处理。通淬钢经过通淬后，轴承圈沿径向方向各处的硬度几乎相同，并且通淬的成本远低于渗碳淬火。

但是，与渗碳淬火相比，通淬形成的轴承圈面临更大的通裂风险。一方面，在使用过程中，滚道与滚动体之间摩擦接触，当滚道表面由于摩擦剥落后会产生裂纹，并在该裂纹处形成应力集中，导致裂纹沿深度方向扩散。另一方面，对于轴承内圈来说，如果轴承内圈与轴的过盈配合太大，轴承内圈将由于受到周向应力而发生开裂；对于轴承外圈来说，轴承外圈设于轴承座上，通常来讲，轴承外圈与轴承座之间的配合面并不能保证完全贴合，这将导致轴承外圈由于受到弯曲应力而发生开裂。

对于渗碳淬火形成的轴承圈来说，由于心部硬度低、韧性高，裂纹的扩展会在心部减缓甚至停止，但是对通淬形成的轴承圈来说，由于轴承圈各处硬度均一，裂纹的扩展可能不会终止，最终导致通裂。

感应加热淬火也是轴承圈热处理的一种方法，一般用于将功能区(例如滚道)通过感应加热到奥氏体化温度，然后淬火。感应圈需要专门的感应加热设备，例如合适的感应圈。如果感应圈的尺寸能够覆盖轴承圈的滚道的需淬火区域，使得轴承圈的滚道同时均匀加热，则能够达到良好的淬火效果。

但对于一些复杂形状或大型尺寸的轴承圈来说，通常的感应加热不能完全同时均匀地加热轴承圈的淬火区域，对于大型尺寸的轴承圈如果要进行感应加热淬火，有两种选择：一是另外定制大功率的感应加热设备同时均匀地加热轴承圈的淬火区域，这无疑会增加成本和工艺难度。二是利用通常的感应加热设备将淬火区域划分为若干子区域，然后按次序对各个子区域进行感应加热淬火，即分区域感应加热淬火。分区域感应加热淬火的缺点在于，由于在感应加热淬火时，淬火区域边缘部位的淬火温度可能会略低于中心区域的淬火温度，那么当前一子区域淬火完毕，对后一子区域进行淬火时，相邻两子区域之间的交界部位的温度有可能会正好处于退火温度范围，使得交界部位软化而形成软带，导致硬度不达标，为此要定制特殊的无软带感应加热淬火设备，从而增加成本和工艺难度。

另外，尤其对于一些形状复杂、同时尺寸较大的轴承圈来说，甚至由于感应加热淬火的难度实在太大而无法实施。

基于上述问题，本发明实施例提出一种新的轴承圈的热处理方法，可用 于替代目前对轴承圈采用的通淬、渗碳淬火或者感应加热淬火的热处理方法。本方法特别适用于采用通淬钢制造的轴承圈，保留了通淬钢热处理低成本的优点，并能够减轻或消除现有通淬钢的通裂风险。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种轴承圈的热处理方法，特别适用于通淬钢，包括马氏体和贝氏体热处理后得到的通淬钢。轴承圈可以是轴承内圈或者轴承外圈，其中轴承内圈的外周面具有滚道，轴承外圈的内周面具有滚道。

参照图1所示，该热处理方法包括：对轴承圈进行通淬；通淬后，对轴承圈的与滚道相背一侧的周面进行退火。

由此可见，本实施例的热处理方法中，分为两个步骤：

步骤一：对轴承圈进行通淬；

步骤二：对轴承圈的与滚道相背一侧的周面进行退火。

下面对对上述两个步骤分别进行说明。

(1)实施步骤一，对轴承圈进行通淬。

通淬也称普通淬火，指的是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速连续冷却的金属热处理工艺，用于增加金属工件的硬度。通淬常用的淬冷介质有盐、水、油、空气等。

本实施例中，通淬的目的是使得轴承圈形成硬化相的马氏体组织或贝氏体组织。其中，获得马氏体组织的通淬称为马氏体通淬，获得贝氏体组织的通淬称为贝氏体通淬。

具体地，通淬时，先将轴承圈加热到830℃～860℃，然后在该温度下保温10～20分钟，然后将轴承圈放入淬冷介质中快速连续地冷却，以形成马氏体组织或贝氏体组织。本实施例中，冷却方式包括通过油冷得到马氏体组织，以及通过盐浴等温冷却得到马氏体或贝氏体组织。

油冷时，油的温度范围在60℃～80℃之间。通淬后的轴承圈放入油中，冷却至200℃以下，例如冷却至70℃～80℃时取出，得到马氏体组织。如果油的 温度大于80℃，油将发生分解、老化，冷却效果降低；如果油的温度小于60℃，油的流动性较差，冷却效果也将不理想。

盐浴冷却时，可以采用亚硝酸钠、硝酸钾混合盐作为淬冷介质。将盐加热至一定温度，其将发生融化而形成盐浴，盐浴的温度范围在180℃～260℃之间。将轴承圈放入盐浴中，冷却到盐浴温度后即取出，获得马氏体组织。如盐浴温度在贝氏体转变温度，轴承圈在盐浴停留2～6小时将得到贝氏体组织。

相比于油冷而言，盐冷的冷却效果更均匀，轴承圈的变形更小，冷却后形成的轴承圈的圆度更好，因而在后续工序需要的磨削量将更少。

本实施中，滚道作为轴承圈的功能区，如果在功能区形成拉应力，则将降低其疲劳寿命，如果功能区形成压应力，则将提高其疲劳寿命。马氏体通淬后，在滚道侧(即具有滚道的周面)将形成拉应力。贝氏体通淬后，在滚道侧形成压应力。如果是马氏体通淬，一般在通淬后还需要进行回火，以提高其韧性。

(2)实施步骤二，如图2、图3，对轴承圈的与滚道相背一侧的周面(或称非滚道侧)进行退火。其中，对非滚道侧进行退火，意味着退火深度不会延及滚道一侧。也就是说，退火深度一定小于轴承圈的径向厚度。图2示出了轴承内圈沿轴向方向的局部截面图。图3示出了轴承外圈沿轴向方向的局部截面图。

如图2，对于轴承内圈，滚道10位于轴承内圈的外周面，因此，退火区域20的表面为轴承内圈的内周面。退火深度直至图2中虚线部位。

如图3，对于轴承外圈，滚道10位于轴承外圈的内周面，因此，退火区域20的表面为轴承内圈的外周面。退火深度直至图3中虚线部位。

在通淬的时候，轴承圈内材料的比容会发生变化，轴承圈内的组织将从原始的铁素体、渗碳体的混合体，转变为淬火后的马氏体组织或贝氏体组织，轴承圈内材料的比容将增大。

在退火时，对于退火区域，碳将从硬化相的马氏体组织或贝氏体组织中扩散出来，使得退火区域体积收缩，从而对未退火区域(即滚道侧)形成一个压应力，并通过该压应力抵抗轴承圈在滚道侧发生开裂，提高轴承圈抗开 裂的能力。同时，由于该压应力可抵抗轴承圈在使用时所受的外界应力，因而也能够增加轴承的疲劳寿命。

如前所述，马氏体通淬后，滚道侧形成拉应力，那么，退火后，滚道侧的拉应力将转化为压应力。贝氏体通淬后，滚道侧形成压应力，那么，退火后，滚道侧的压应力将增大。

如图2所示，轴承内圈为例，其中轴承内圈为通淬后的马氏体钢。

退火前，将轴承内圈的沿轴向方向截开，得到的整个截面沿径向各处的硬度相同，均为约700HV(维氏硬度，单位kg/mm²)。退火时，轴承内圈的内周面被加热退火。

退火后，如图4所示，其中图4示出了退火后轴承圈沿径向方向各处的硬度与退火深度关系，其中横坐标表示距退火表面的距离(mm)，距离越大，表示距离退火表面越远，距离滚道越近；纵坐标表示硬度(HV3)，数值越大，则硬度越高；曲线表示退火的硬度与深度关系曲线。

从图4中可以看到，随着距退火表面距离的增加，硬度变大。在滚道侧的表面的硬度仍保持在约700HV，同时形成约330MPa的压应力；而在退火侧的表面的硬度降至约500HV，同时形成约31MPa的拉应力。实验时，选用圆锥滚子轴承的轴承内圈，该轴承内圈的内经100.82毫米，宽度67.18毫米，感应圈在轴承内圈的内孔同时加热内侧至约700℃，而在滚道侧用水冷却。

可见，本实施例中，通过对轴承圈在非滚道侧进行退火，使得退火区域的组织收缩、硬度降低，以在滚道侧形成压应力，提高非滚道侧的韧性，从而提高轴承圈抗开裂的能力，同时提高其疲劳寿命。

其中，退火的深度可以通过退火时间和功率调整。

从一方面看，退火的深度越深、则滚道侧的压应力越大，轴承圈抗开裂的能力和疲劳寿命越好。

但是，根据与滚道配合的滚动体的直径、以及轴承所承受的负载来看，轴承圈在滚道侧必须具有一定深度的硬化层，或者说滚道侧必须在一定深度范围内保留足够高的硬度，以使得滚道作为功能区具有足够的负载能力、同 时具有足够的耐久性能。

本实施例中，为了保证功能区的工作性能，轴承圈在滚道侧的硬化层的最小深度为：与滚道配合的滚动体直径的5％。也就是说，退火后，轴承圈在滚道侧未被退火的最小深度为与滚道配合的滚动体直径的5％。优选的，轴承圈在滚道侧的硬化层的深度范围可以为：与滚道配合的滚动体直径的5％～7％之间。

从另一方面看，退火区域的硬度越小，则非滚道侧的韧性越好，轴承圈抗开裂的能力越好。本实施例中，退火时，对非滚道侧的周面进行退火时，将其退火至硬度小于或等于550HV。

其中，退火可以为感应加热退火，火焰退火，或者激光退火。本实施例采用感应加热退火。

其中，感应加热退火是指采用感应加热技术进行的退火工艺。感应加热退火包括感应加热和冷却两个步骤。

感应加热步骤：将退火区域加热到不超过钢的奥氏体转化温度Ac1，其中Ac1一般为723℃或者略低于723℃，也就是说，感应加热退火时，感应加热的最高加热温度为723℃。此时，非退火区域需要保持在马氏体通淬回火温度或贝氏体处理温度以下，如200℃以下的温度中，可以通过水冷进行。也就是说，退火区域加热的过程中，非退火区域处于水冷状态。

冷却步骤：当退火区域加热时723℃或者略低于723℃时，立即将整个轴承圈进行冷却，使其冷却至200℃以下。冷却方式可以采用水冷。

进一步地，对于退火区域所对应的周面来说，各个部位同时进行感应加热退火；或者，周面划分为若干区域，对各个区域分别进行感应加热退火。

对轴承圈进行感应加热时，一般利用感应加热器，如感应加热圈。加热时，感应加热圈位于退火区域的一侧，即内圈的内周面、外圈的外周面，然后在感应加热圈中输入交流电、形成交变磁场并在轴承圈的退火区域中产生同频率的感应电流，使得退火区域的表面被迅速加热。

感应加热圈的轴向长度可以与轴承圈的轴向长度相应，同时加热整个需 退火的表面，也可以比轴承圈的轴向长度小，感应圈沿轴向移动分区加热整个退火区域。

分区加热时，感应加热器也可以半环形或扇形，然后轴承圈的退火区域可以沿周向划分为多个区域，并通过感应加热圈依次进行加热。

本实施例还提供一种轴承圈，如图2、图3所示，轴承圈可以是内圈或者外圈，其中内圈的外周面具有滚道，外圈的内周面具有滚道。该轴承圈包括：

具有第一硬度的第一环形圈，以及具有第二硬度的第二环形圈，第二环形圈环绕第一环形圈的外周面，或者第一环形圈环绕第二环形圈的外周面。滚道位于第一环形圈，并且位于第一环形圈与背向第二环形圈一侧的周面上，第二硬度小于第一硬度。

如果是轴承内圈，如图2所示，第一环形圈位于第二环形圈的径向外侧，滚道10位于第一环形圈的外周面上；如果是轴承外圈，如图3所示，则第一环形圈位于第二环形圈的径向内侧，滚道10位于第一环形圈的内周面上。

其中，第一环形圈由通淬钢制造，通淬时的热处理为马氏体淬火后形成的马氏体钢，或者贝氏体淬火后形成的贝氏体钢，第一环形圈的硬度为约700HV。

第二环形圈的硬度小于或等于550HV。优选的，第二环形圈的硬度可以小于或等于500HV。

其中，沿径向方向，第一环形圈的最小厚度为：与滚道配合的滚动体的直径的5％。优选的，第一环形圈的厚度为与滚道配合的滚动体的直径的5％～7％。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。