專利名稱：滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性增加的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于增加滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性的方法。更具體地，本發明涉及一種用于增加主要是鋼制機械零件的滾柱軸承的疲勞強度的方法，以用于降低在此滾柱軸承中形成所謂的“白蝕裂紋(while etching cracks)”或“脆性碎片(brittle flakes)”的趨勢。
背景技術：
已知當機械零件在彼此上滾動且滑動時，發生一定的磨損和疲勞癥狀。此疲勞的特殊的形式從一定的球軸承和滾柱軸承中已知，所述軸承例如使用在風力渦輪機中用于將轉子軸以旋轉方式支承在風力渦輪機的殼體內，或例如使用在行星齒輪單元中用于將行星輪相對于行星架支承。
在已經受載例如超過2500小時或例如超過10000小時之后，在此軸承中可觀察到·疲勞現象，從而脆性碎片從軸承的滾柱元件或從軸承表面的剝離。此脆性碎片的形成總是伴隨有較小裂紋的形成和/或在所述軸承表面下方的轉變區域的形成。這些裂紋和區域可例如在疲勞研究情況中通過顯微鏡可見。在此，獲取已暴露于滾動載荷和/或滑動載荷很長時間的軸承的樣本，然后用合適的化學產品腐蝕此樣本，使得裂紋和轉變區域可被清晰地觀察到。
作為滾動和/或滑動的結果而發生的疲勞的特征是，在脆性碎片中或在脆性碎片附近可觀察到其顏色在顯微鏡下為白色的裂紋、區域、帶和/或層。這些特征經常被稱為白蝕裂紋，白蝕區，白蝕層，白蝕帶等。
根據現有技術和科學，作為滾動和/或滑動載荷的結果而形成脆性碎片和白蝕裂紋的機制尚未知。只要此機制未被發現，則仍將難于發現有效的方式來避免或至少降低白蝕裂紋的形成。發明內容
本發明的實施例提供了一種用于增加滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性的方法。所述方法包括形成在滾柱軸承的軸承滾道表面上的混合物層(也稱為白層)和/或所述軸承滾道表面處的材料區，所述材料區與原來材料相比，或換言之與處理前的軸承材料相比，具有較低的屈服點或屈服應力。這通過如下方式實現將滾柱軸承加熱到100°c和200°C之間、例如 120°C和150°C之間或130°C和140°C之間的溫度5分鐘和2小時之間、例如15分鐘和30分鐘之間的時間段，同時使軸承滾道表面與化學添加劑接觸。
根據本發明的實施例，在滾柱軸承的軸承滾道表面上可以僅形成白層，或者，在軸承滾道表面處可以僅形成與原來材料相比、或換言之與處理前的軸承材料相比具有較低的屈服點或屈服應力的材料區。
根據另一個實施例，可同時形成在滾柱軸承的軸承滾道表面上的白層和在軸承滾道表面處的材料區，該材料區具有比原來材料低的屈服點或屈服應力。在后者情況中，具有較低的屈服點或屈服應カ的材料區可位于白層和軸承的基礎材料之間。化學添加劑例如可以是帶有高達500ppm的含水量的防護油或變速箱油。根據本發明的實施例，所述方法可被整合到在將滾柱軸承組裝在應用設備、例如風カ渦輪機的變速箱內的組裝過程期間的軸承熱處理中。 根據本發明的其它實施例，可在將滾柱軸承安裝在特定的應用設備、例如風カ渦輪機的變速箱內之后執行方法。根據此實施例，可在特定的應用設備的首次正常運行之前執行方法，或可在特定的應用設備的首次正常運行之后執行方法。根據本發明的進ー步其它實施例，可在應用設備的正常運行期間且在正常工作溫度下執行方法。“在正常運行期間”意味著在應用設備的所意圖的應用設備工作期間。



應注意到，在不同的附圖中，相同的附圖標記指示相同的、類似的或相似的元件。圖1圖示了在WEC失效軸承的滾道表面附近的白蝕區。圖2示意性地圖示了材料樣本，所述材料樣本包括在軸承滾道表面處的白層和作為帶有摩擦V的沖擊載荷Pmax的結果的塑性變形區。圖3示出了對于未被任何處理的標準軸承材料和對于已在空氣中被熱處理的軸承材料的壓頭載荷測量的結果。圖4示出了對于未被任何處理的標準軸承材料和對于已被熱處理同時軸承滾道表面曾與化學添加劑接觸的軸承材料的壓頭載荷測量的結果。圖5圖示了根據本發明的實施例的方法中的加熱步驟的示例，其帶有溫度和時間的參數。
具體實施例方式在描述中將使用不同的實施例來描述本發明。因此，將參考不同的附圖。應理解的是這些附圖g在非限制，僅通過權利要求限制本發明。附圖因此用于圖示目的，附圖中的一些元件的尺寸為清晰起見被夸大。術語“包括”不解釋為以任何方式限制本發明。在權利要求中所使用的術語“包括” g在限制其后所描述的內容；這不排除其他元件、零件或步驟。在權利要求中和在描述中所使用的術語“連接”不應解釋為限制于直接連接，除非另外指明。因此，部分A連接到部分B不限制于部分A直接接觸部分B，而是也包括部分A和部分B之間的間接接觸，換言之也包括在部分A和部分B之間存在中間部分的情形。并非本發明的所有實施例都包括本發明的所有特征。在如下的描述和權利要求中，所要求的實施例中的任何實施例能以任何組合使用。本發明提供了一種用于増加滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性的方法。更具體地，本發明提供了一種用于増加主要是鋼制機械零件的滾柱軸承的疲勞強度的方法，以降低在此滾柱軸承上形成“白蝕裂紋”或“脆性碎片”的趨勢。滾柱軸承例如可以是使用在風カ渦輪機或用于風カ渦輪機的變速箱內的滾柱軸承。白蝕裂紋堅固性意味著滾柱軸承材料抵抗白蝕裂紋的形成的能力。
如上所述，當機械零件在彼此上滾動和滑動時，發生一定的磨損和疲勞的癥狀，例如出現脆性碎片和白蝕裂紋，白蝕裂紋也稱為WEC。為便于解釋，在如下的描述中，受到由于WEC導致的損傷或由于WEC的存在而導致的失效的軸承將稱為WEC失效軸承。同樣如上所述，導致作為滾動或滑動載荷的結果而形成WEC的機制尚未已知。因此，重要的是，首先確定是什么原因導致了在軸承材料中的WEC形成，以發現合適的方法或措施來盡可能有力地且有效地防止在滾柱軸承材料內形成WEC。圖1示出了 WEC失效軸承的部分的顯微圖像。此圖像示出了白蝕裂紋I的存在和半圓形裂紋表面2的存在。白蝕區I位于軸承的滾道表面3附近，且可定向為與滾道表面 3平行、或相對于滾道表面3傾斜。軸承的滾道表示軸承的功能表面，該功能表面接觸軸承的滾子元件。基于白蝕區I的定向和帶有納米結晶的改變的微結構，這些白蝕區可解釋為絕熱剪切帯，如本領域技術人員所已知。圖1中的圖像也示出了在軸承的滾道表面3正下方的半圓形裂紋表面2。基于全局幾何形狀和凸起(頂部)和凹入(穴)在裂紋表面處的存在，此半圓形裂紋表面2可解釋為由波狀載荷生成的剝落裂紋表面。類似的半圓形或整圓形裂紋表面可與在滾道表面3正下方的材料雜質的存在相結合地觀察到。此觀察與在沖擊試驗之后注意到的材料雜質在剝落裂紋表面處的影響一致。因為存在絕熱剪切帶和剝落裂紋表面，所以已斷定WEC失效最可能由作用在軸承材料上的沖擊載荷導致。因此，避免或至少降低WEC失效的方式可以是增加抵抗沖擊載荷的耐受性。在此，使得軸承抵抗WEC更穩定的ー個可能性可以是施加另外的材料處理，這增加了抵抗沖擊載荷的耐受性，或換言之增加了軸承材料的允許的可施加的沖擊載荷。從涉及沖擊載荷技術的已知理論中，可推斷通過在表面處設置混合物層和/或在白層和原來的軸承材料之間設置塑性變形區，可使得材料獲得更高的對于沖擊載荷的耐受性，本領域技術人員也把混合物層稱為白層。這在圖2中示意性地圖示，所述圖2示出了材料樣本，所述材料樣本包括在樣本的表面4處的白層(區3，Z3)和作為帶有摩擦V的沖擊載荷Pmax的結果在白層(區3，Z3)和原來材料(區LZ1)之間的塑性變形區(區2，Z2)。通過外部沖擊載荷形成該白層(區3，Z3)和塑性變形區(區2，Z2)，且當白層由于磨損而減少時這些結構維持存在或復原。增加軸承材料的可允許沖擊載荷的另ー個可能性是僅在作用有沖擊載荷的表面處或在材料的整個體積處降低所述材料的屈服點或屈服應力。已執行了如何可以在軸承上形成白層和/或具有比原來材料更低的屈服點或屈服應カ的軸承滾道表面處的材料區的實驗，所述軸承例如適合于使用在風カ渦輪機的變速箱內，例如為支承變速箱內的軸或行星輪的軸承。首先，研究白層的形成。在第一實驗中，軸承材料被硬加工，如本領域技術人員所已知。其結果是當檢查材料的微結構時，在表面附近可見較薄和較小的晶體，這是軸承材料的硬加工的結果。在該較薄的材料結構中可見到的累積的塑性變形對應于圖2中的區Z2。在另ー個實驗中，軸承材料在130°C和140°C之間的溫度下、在真空中被加熱15分鐘至30分鐘的時間段。該處理不導致微觀結構的明顯改變。這導致在晶粒邊界附近的一些小的(帶有大約20nm的直徑)的貝它碳化物，而不改變在滾道表面附近的帶有較薄和較小的晶體的原來的微觀結構。
另外的實驗包括將軸承材料在130°C和140°C之間的溫度下、在空氣中加熱15分鐘和30分鐘之間的時間段，且披露了帶有在IOnm至15nm之間的厚度的氧化物層的微觀結構。
在再另一個實驗期間，軸承材料在130°C和140°C的溫度下、在存在化學添加劑的情況下被加熱15分鐘至30分鐘之間的時間段，在所給出的示例中化學添加劑是防護油，且化學添加劑與軸承滾道表面接觸。這披露了在IOOnm和150nm之間的厚度的白層在軸承滾道表面處的形成。
其次，借助于壓頭載荷測量確定上述被處理的軸承材料的屈服點或屈服應力。在此測量期間，變形被測量為所施加的壓頭載荷的函數。
圖3圖示了對于無任何處理的原來軸承材料的此測量的結果(曲線5、7和9)，以及對于已在空氣中如上所述被熱處理的軸承材料的結果(曲線6、8和10)。曲線5和曲線6 示出了彈性變形，曲線7和曲線8示出了塑性變形，且曲線9和曲線10示出了總變形。從圖3中可見，在空氣中的加熱不造成原來軸承材料和被熱處理的軸承材料之間的任何明顯差異。
圖4示出了對于無任何處理的原來軸承材料的壓頭載荷測量的結果(曲線11、13 和15) ，以及對于已被熱處理同時使軸承滾道表面與化學添加劑接觸的軸承材料的結果(曲線12、14和16)同樣如上所述。曲線11和曲線12示出了彈性變形，曲線13和曲線14示出了塑性變形，且曲線15和曲線15示出了總變形。從圖4中可見，被熱處理的材料的彈性變形(曲線12)遠低于原來軸承材料的彈性變形(曲線11)。降低的彈性變形限制了其中載荷傳遞經由彈性變形實現的所有類型的材料載荷機制的形成。此外，被熱處理的材料的塑性變形(曲線14)明顯高于原來軸承材料的塑性變形(曲線13)。這意味著，形成了類似于圖 2中的區Z2的塑性變形區，且在此區內的材料的屈服點或屈服應力降低。
作為以上研究的結果，本發明提供了一種用于增加滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性的方法。該方法包括形成在滾柱軸承的軸承滾道表面上的白層和/或在軸承表面處的材料區，其與原來材料相比具有更低的屈服點或屈服應力。這通過如下方式實現將滾柱軸承加熱到100°c和200°C之間的溫度5分鐘和2小時之間的時間段，同時使軸承滾道表面與化學添加劑接觸。可與本發明的實施例一起使用的合適的化學添加劑例如可以是帶有高達 500ppm的含水量的防護油或變速箱油。
本發明的新穎性和創造性的構思在于如下事實，即WEC失效的原因已被發現，且發現了用于防止或至少明顯降低在軸承材料內的WEC形成的方法。另外的新穎性和創造性的方面在于根據本發明的實施例的方法中的步驟的組合，即將熱處理滾柱軸承的溫度、熱處理滾柱軸承的時間段和化學添加劑的存在加以組合。該組合導致形成在軸承滾道表面上的白層和/或軸承滾道表面處的材料區，其與原來材料或換言之處理前的軸承材料相比具有更低的屈服點或屈服應力。這些現象中的至少一個現象的存在提供了對于沖擊載荷的更高的耐受性，且因此將防止或至少明顯地降低WEC的形成。因此，與目前使用的滾柱軸承相 t匕，使用根據本發明的實施例的方法處理的滾柱軸承將具有更長的壽命，且將顯示出更低的失效。
根據本發明的實施例，可在100°C和200°C之間的溫度下執行滾柱軸承的加熱，例如可以在120°C和150°C之間的溫度下執行，或在130°C和140°C之間的溫度下執行。
加熱溫度的影響在如下的表I中示出。都在如上所述的化學添加劑的存在的情況下施加在所述表中提及的處理溫度。
權利要求
1.用于增加滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性的方法，所述滾柱軸承具有軸承滾道表面，其特征在于，所述方法包括形成在所述滾柱軸承的軸承滾道表面上的白層和/或在所述軸承滾道表面處的材料區，所述材料區與原來材料相比具有較低的屈服點或屈服應力，這通過如下方式實現將所述滾柱軸承加熱到100°c和200°C之間的溫度5分鐘和2小時之間的時間段，同時使所述軸承滾道表面與化學添加劑接觸。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在120°C和150°C之間的溫度下或在130°C和140°C之間的溫度下，執行所述滾柱軸承的加熱。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，在15分鐘和30分鐘之間的時間段期間，執行所述滾柱軸承的加熱。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述化學添加劑是帶有高達500ppm的含水量的防護油或變速箱油。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法被整合到所述滾柱軸承在應用設備中的軸承組裝過程中。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中，在將所述滾柱軸承組裝到應用設備中之后，執行所述方法。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，在所述應用設備的首次正常運行之前，執行所述方法。
8.根據權利要求6所述的方法，其中，在所述應用設備的首次正常運行之后，執行所述方法。
9.根據權利要求6所述的方法，其中，在所述應用設備的正常工作溫度下且在正常運行期間，執行所述方法。
10.根據權利要求5所述的方法，其中，所述應用設備是風力渦輪機。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述應用設備是用于風力渦輪機的變速箱。
全文摘要
本發明涉及滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性增加。本發明提供了一種用于增加滾柱軸承的白蝕裂紋堅固性的方法。該方法包括形成在滾柱軸承的軸承滾道表面上的白層和/或軸承滾道表面處的材料區，所述材料區比原來材料具有低的屈服點或屈服應力，這通過如下方式實現將滾柱軸承加熱到100℃和200℃之間的溫度5分鐘和2小時之間的時間段，同時使軸承滾道表面與化學添加劑接觸。
文檔編號C23C22/02GK103014300SQ201210359759
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月24日 優先權日2011年9月23日
發明者約翰·盧伊克斯, 格里爾特·沃特 申請人:Zf風能安特衛普有限公司