專利名稱：制造軸承環(huán)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造用于滾動元件軸承的軸承環(huán)的方法，其中軸承環(huán)包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈和模制到軸承座圈的過模制(overmould)部分。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用這種方法制造的軸承環(huán)和包括這樣的軸承環(huán)的軸承單元，尤其是適于支撐車輛中的輪子的帶凸緣的軸承單元。
背景技術(shù)：
在燃料經(jīng)濟(jì)利益方面，在汽車工業(yè)中具有向著減輕車輛部件重量的不斷發(fā)展的趨勢。但是，重量減輕需要在不損及部件的必要強(qiáng)度或者穩(wěn)定性以及優(yōu)選地不會增大材料成本或者制造成本下實現(xiàn)。車輛輪子軸承是汽車部件中期望減輕重量的例子，這同樣是因為這樣的事實輪子末端軸承屬于車輛的簧下重量。為了經(jīng)得起滾動接觸應(yīng)力，軸承的滾道需要由足夠硬的材料制成。鈦和某些陶瓷是具有必要的機(jī)械屬性并且還重量輕的材料。它們也昂貴，因此， 軸承鋼更常用。軸承鋼具有優(yōu)秀的可淬硬性，但是不能視作重量輕的材料。這樣，獲得制造起來相對便宜并且重量減輕的輪子軸承的一種解決方案是由軸承鋼形成軸承環(huán)的滾道部分并由重量輕的材料形成環(huán)的其它部分。在US06485188中，提出具有嵌入在鑄件部件中的軸承座圈的輪子安裝座。在一個實施例中，輪子安裝座是轂，其中由軸承等級的鋼制成的外軸承座圈嵌入在鑄件部件中，該鑄件部件具有用于附著車輛輪子的徑向凸緣。在進(jìn)一步的實施例中，輪子安裝座是轉(zhuǎn)向節(jié)， 其是圍繞外軸承座圈的鑄件。用于鑄件部件的建議金屬是鋼、可延展的鐵和鋁。在鑄造步驟之后，軸承座圈的外滾道被感應(yīng)硬化。但是，在簡化包括鑄件或者過模制部分的軸承環(huán)的制造方面以及實現(xiàn)能夠具有與完全由例如軸承鋼制成的傳統(tǒng)單元相同的機(jī)械和結(jié)構(gòu)性能的包括這樣的軸承環(huán)的軸承單元方面仍然留有改善空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括制造用于滾動元件軸承的軸承環(huán)的方法，其中軸承環(huán)包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈和在模制工藝中結(jié)合到軸承座圈的過模制部分。在軸承座圈的一個徑向側(cè)面上，軸承座圈具有適于作為用于軸承的滾動元件的滾道的表面，由此過模制部分在相對的徑向側(cè)面結(jié)合到軸承座圈。根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括至少使得軸承座圈的滾道表面在結(jié)合過模制部分到軸承座圈的步驟之前進(jìn)行硬化處理的步驟。本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，軸承座圈可以根據(jù)在軸承環(huán)制造場所使用的標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行硬化，從而降低成本。而且，在模制之前硬化可以比在模制之后更容易地執(zhí)行，從而簡化包括過模制部分的軸承環(huán)的制造。類似地，軸承滾道通常在硬化后進(jìn)行機(jī)加工操作，以實現(xiàn)需要的公差。機(jī)加工操作例如硬車削或者無心磨削也可以更簡單地在模制之前執(zhí)行，尤其是如果模制到軸承座圈的部分具有復(fù)雜的幾何形狀。
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為了在使用中經(jīng)得起滾動接觸疲勞，至少軸承座圈的滾道表面必須經(jīng)歷硬化處理。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，軸承座圈在模制處理之前經(jīng)歷通透硬化處理。在另一個實施例中，軸承座圈的滾道表面在模制之前進(jìn)行表面硬化。這樣的硬化的變體是感應(yīng)表面硬化、激光硬化、燃燒硬化或者滲碳加隨后的爐中(furnace)硬化。在表面硬化中，取決于應(yīng)用的載荷情況，僅滾道表面被硬化到限定深度。這通過局部加熱到發(fā)生奧氏體相變的溫度，隨后淬火，而完成。軸承座圈的其它部分不受硬化處理的影響。在通透硬化中，相比之下，整個部件都加熱到相變溫度，然后淬火，此后軸承座圈在其橫截面上呈現(xiàn)基本恒定的硬度。感應(yīng)硬化技術(shù)常用于硬化凸緣轂的滾道，由此凸緣未被硬化并設(shè)計來抵抗結(jié)構(gòu)疲勞，而滾道被硬化并設(shè)計來抵抗?jié)L道接觸疲勞。在適于內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動的凸緣轂的情形中，滾道部分安置在強(qiáng)交變磁場中以為了在滾道表面中感應(yīng)交流電并產(chǎn)生熱量。感應(yīng)硬化因此要求專用設(shè)備和專用工具。通透硬化更加簡單，因此更為優(yōu)選。軸承座圈可以在淬火以前簡單地放置在爐中并加熱到需要的溫度一需要的時間段。在兩種類型的硬化中，熱處理包括加熱軸承鋼到奧氏體相，將其保持在奧氏體相直到存在于合金中的碳的一部分已經(jīng)分散(dissolve)，然后快速冷卻。在快速冷卻時，奧氏體的主要部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或者貝氏體，其取決于冷卻條件。在馬氏體硬化的情形中，鋼變得非常脆和硬。在淬火之后，因此對鋼進(jìn)行回火，其包括再加熱鋼到接近于馬氏體開始溫度的溫度一段時間直到鋼實現(xiàn)必要的韌性，同時保持足夠的硬度。馬氏體開始溫度取決于軸承鋼的組分以及淬火溫度，但是大多數(shù)馬氏體硬化軸承鋼在150-160°C的溫度下回火。在貝氏體硬化的情形下，鋼被淬火到大約230°C的溫度，保持在該溫度幾個小時，直到奧氏體相已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，然后空氣冷卻到室溫。產(chǎn)生的貝氏體硬化鋼比馬氏體硬化鋼更加可延展，并且不需要進(jìn)行回火處理。典型地，軸承環(huán)被硬化直到至少滾道具有在58和65HRC(洛氏硬度)之間的硬度。 在硬化之后，滾道不應(yīng)暴露于過熱的溫度，因為這在效果上會導(dǎo)致過回火，其會降低滾道硬度。在具有馬氏體硬化滾道的滾動元件軸承的情形下，軸承不適于在大約150°C以上的操作溫度。對于具有貝氏體硬化滾道的軸承，最大操作溫度是大約250°C，也就是，更低的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度。類似地，在包括硬化軸承鋼制成的軸承座圈和以模制或者半模制狀態(tài)結(jié)合到軸承座圈的過模制部分的軸承環(huán)中，滾道表面的溫度必須保持在預(yù)定溫度值之下，預(yù)定溫度值即滾道表面的硬度不會受到不利地影響的最高溫度。過模制部分結(jié)合到的相對的軸承座圈表面的溫度可超過預(yù)定值，因為僅滾道表面需要具有到大約1. 5-2. 5毫米的深度的特定硬度，其取決于預(yù)期的載荷情形。但是，軸承鋼是優(yōu)秀的熱導(dǎo)體。在本發(fā)明的一個實施例中，軸承環(huán)的過模制部分由熱塑性塑料材料形成。高性能的工程塑料例如聚酰胺46是具有用于某些軸承應(yīng)用的必要的機(jī)械性能的塑料材料的一個例子。聚酰胺46具有的熔化溫度。以該塑料材料為例子，具有質(zhì)量Hi1的一定量的模制聚酰胺46模制到軸承座圈。模制材料包含一定量的熱能量，其可以由系統(tǒng)焓進(jìn)行計算。假定在與模制塑料(在)接觸之前軸承鋼的溫度為25°C，系統(tǒng)焓％由％ = (295-25) · Hi1 · Cpa給出，其中Cpa是聚酰胺46的比熱容。為了提高滾道表面的溫度Δ T的量，該量將導(dǎo)致滾道表面達(dá)到預(yù)定溫度值，需要％的熱能量，其可以由A =m2 ^Cbs* ΔΤ進(jìn)行計算，其中叫是軸承座圈的質(zhì)量，Cbs是制造軸承座圈的軸承鋼的比熱容。接著，假定熱能量A在熱傳遞損失中消耗，例如，熱傳遞到過模制部分在其中成形的模具以及熱傳遞到周圍環(huán)境，那么當(dāng)A > Q1-Q3時，滾道表面的溫度將不會超過預(yù)定溫度值，并且滾道的硬度將不會受到影響。在本發(fā)明的另一個實施例中，軸承環(huán)的過模制部分由鋁或者其合金形成。鋁部分可以例如在大約700°C溫度下的壓力鑄造工藝中結(jié)合到軸承座圈。優(yōu)選地，鋁過模制部分以半固態(tài)金屬工藝，即流變鑄造工藝、流變成型工藝、流變模制工藝、觸變鑄造 (thixocasting)工藝、觸變成形(thixoforming)工藝或者觸變模制(thixomoulding)工藝之一，結(jié)合到軸承座圈。在半固態(tài)金屬工藝中，處理溫度為大約580°C。當(dāng)過模制部分是由金屬例如鋁制成時，結(jié)合到軸承座圈的模制或者半固態(tài)鋁的量(質(zhì)量)更可能包含足夠的熱能以致使?jié)L道表面的溫度超過預(yù)定溫度值。這樣，在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，所述方法包括控制滾道表面的溫度以將其保持在預(yù)定溫度值之下的步驟。在一個實施例中，溫度控制步驟包括冷卻滾道表面；例如，通過循環(huán)冷卻介質(zhì)通過滾道表面并將從滾道移除的熱量傳遞到熱交換器。有利地，冷卻介質(zhì)可以具有在80°C和 100°C之間的溫度以防止軸承座圈的滾道表面和模制側(cè)面之間的過大的溫度梯度，從而降低熱傳遞速率。在另一個實施例中，溫度控制的步驟包括在模制步驟之前在軸承座圈的與滾道表面相對的表面上提供熱障。熱障是減少傳遞到軸承座圈的熱能量的材料層，以使得滾道表面溫度保持在預(yù)定溫度值以下。在一個實施例中，熱障是具有極低熱導(dǎo)率的絕緣層。熱障可以是例如等離子噴射到軸承座圈的與滾道表面徑向相對的表面的陶瓷氧化鋁或者氧化鋯涂層。該涂層具有比模制溫度更高的熔點。此外，噴涂并烘焙到鋼上的牙用陶瓷可以被考慮。當(dāng)絕緣層通過等離子噴射工藝或者烘焙工藝設(shè)置在軸承座圈上時，應(yīng)用溫度將超過硬化軸承鋼可安全地暴露到的預(yù)定溫度值。因此，絕緣層優(yōu)選地在硬化處理之前設(shè)置在軸承座圈上。在一些實施例中，絕緣層可以在硬化處理之后提供，在該情形下，硬化滾道表面在例如氧化鋁涂層的施加的過程中適當(dāng)?shù)乩鋮s。在進(jìn)一步的實施例中，熱障是在模制工藝過程中熔化的犧牲層，從而減少由于焓轉(zhuǎn)變傳遞到軸承座圈的熱能量。用于犧牲層的適當(dāng)?shù)牟牧习ㄒ兹酆辖鹄缁阢G或者銦的合金，其可以通過金屬注射模制、噴射、鑄造或者浸漬施加到軸承座圈。低溫焊接合金例如錫-銀合金也可以使用。這樣的焊接合金可以通過任何適當(dāng)?shù)念A(yù)焊接工藝?yán)鐭峤n、 粉末技術(shù)或者其它的適當(dāng)方式施加到軸承環(huán)。優(yōu)選地，犧牲層具有低于預(yù)定溫度值的熔點。 這意味著，犧牲層被施加的溫度將不會影響滾道硬度并且犧牲層可在硬化步驟之后施加。除提供熱防護(hù)之外，熱障還可以選取來有利于過模制部分結(jié)合到軸承座圈。例如當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的軸承外環(huán)包括由聚酰胺46形成的過模制部分時，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物 (GFRP)的襯墊可以收縮配合在軸承座圈的徑向外表面周圍。該GFRP襯墊將用作絕熱器，并且當(dāng)襯墊的聚合物熔化時，一些模制聚酰胺46將變得散布在玻璃纖維之間，從而產(chǎn)生良好的結(jié)合。而且，當(dāng)過模制部分由鋁制成時，熱障可以防止鋁擴(kuò)散到軸承鋼的鐵中。產(chǎn)生的金屬間化合物是脆的并可以降低軸承單元的韌性。在第二方面，本發(fā)明涉及軸承環(huán)，其包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈和由重量更輕的材料制成的過模制部分，其中至少軸承座圈的滾道表面在過模制部分結(jié)合到軸承座圈以前硬化。在進(jìn)一步的發(fā)展中，軸承座圈包括設(shè)置在軸承座圈和過模制部分之間的熱障。軸承環(huán)可以是包括在軸承座圈的徑向外表面上的熱障的軸承外環(huán)，或者可以是包括在軸承座圈的徑向內(nèi)表面上的熱障的軸承內(nèi)環(huán)。在第三方面，本發(fā)明涉及包括根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的軸承單元。在第一實施例中， 軸承單元是包括根據(jù)本發(fā)明的軸承外環(huán)的輪子軸承單元，并適于外環(huán)轉(zhuǎn)動。在這個實施例中，軸承環(huán)的過模制部分包括設(shè)置有用于車輛輪子附著的裝置的徑向延伸凸緣。在根據(jù)本發(fā)明的軸承單元的第二實施例中，軸承單元是包括根據(jù)本發(fā)明的軸承外環(huán)的輪子軸承單元并適于內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動。在第二實施例的一個例子中，軸承環(huán)的過模制部分包括設(shè)置有使得凸緣能夠附著到車輛的懸掛部件的裝置的徑向延伸凸緣。在第二實施例的進(jìn)一步的例子中，過模制部分包括懸掛部件。例如，轉(zhuǎn)向節(jié)或者不可轉(zhuǎn)向的懸掛部件可以模制在軸承座圈周圍。在其它的實施例中，軸承單元包括根據(jù)本發(fā)明的軸承內(nèi)環(huán)。再一次地，軸承單元可以是適于內(nèi)環(huán)或者外環(huán)轉(zhuǎn)動的輪子軸承單元。當(dāng)軸承單元適于從動內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動時，內(nèi)環(huán)的過模制部分包括設(shè)置有用于車輛輪子附著的裝置的徑向延伸凸緣并可以進(jìn)一步地通過非圓形孔執(zhí)行。這樣，具有相應(yīng)的非圓形形狀的驅(qū)動元件(例如恒定速度接頭的舷外軸)可以傳遞扭矩到帶凸緣的軸承內(nèi)環(huán)。非圓形孔與部分地由重量輕的金屬例如鋁形成的帶凸緣的內(nèi)環(huán)的組合的優(yōu)點在于，非圓形形狀給予增加的剛度到內(nèi)環(huán)。本發(fā)明的其它的優(yōu)點將從詳細(xì)描述和附圖變得明顯。


在下面，參照附圖描述本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的例子的軸向視圖；圖2示出可以用于生產(chǎn)圖1的軸承環(huán)的根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的另一例子的軸向視圖；圖4示出可以應(yīng)用來生產(chǎn)圖3的軸承環(huán)的根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖；圖5示出包括根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的軸承單元的局部橫截面視圖。
具體實施例方式將參照圖1描述本發(fā)明的方法，圖1示出根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的例子的軸向視圖。 在這個例子中，環(huán)是軸承外環(huán)101，其包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈102和由重量輕的材料制成的過模制部分106。軸承座圈102具有徑向內(nèi)表面103，其在當(dāng)環(huán)101形成滾動元件軸承的一部分時將用作用于滾動元件的外滾道。軸承環(huán)101的過模制部分106在模制工藝中結(jié)合到軸承座圈102的徑向外表面104。模制工藝應(yīng)當(dāng)理解為其中模制或者半模制材料利用剛性模具圍繞軸承座圈102 成形的任何工藝，憑此，模制或者半模制材料在模具內(nèi)硬化或者凝結(jié)，從而具有其形狀。因此，模制包括熱塑塑料的模制、金屬的壓力鑄造和半固態(tài)金屬工藝?yán)缬|變成形。如將理解的，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)是軸承內(nèi)環(huán)時，過模制部分成形在軸承座圈內(nèi)并結(jié)合在徑向內(nèi)表面上。在軸承環(huán)受到重的載荷的應(yīng)用中，由鋁或者鋁合金形成的過模制部分是有利的， 用于結(jié)合鋁部分到軸承座圈的優(yōu)選工藝為半固態(tài)金屬工藝，例如流變鑄造。半固態(tài)金屬工藝是接近凈形狀工藝，其中金屬或者金屬合金在它的液相線和固相線溫度之間的溫度下成形。半固態(tài)金屬或者金屬漿具有觸變屬性，意味著金屬漿的粘性在當(dāng)它受到剪切時降低。在傳統(tǒng)的熔融金屬工藝?yán)玷T造中，鑄件金屬或者金屬合金的微觀結(jié)構(gòu)包含導(dǎo)致材料脆性的互鎖枝狀晶體。在半固態(tài)金屬工藝中，相比之下，球狀顆粒被形成，金屬具有精細(xì)的均一的微觀結(jié)構(gòu)，其給予改善的機(jī)械屬性。半固態(tài)金屬工藝還對空氣誘捕更不敏感，并且以這種方法形成的部件比例如鑄造部件具有更少的缺陷和更低的多孔性。而且，半固態(tài)金屬工藝在低于鑄造工藝的溫度下進(jìn)行，意味著更少的熱能量傳遞到軸承座圈102，其益處將在下面進(jìn)一步詳述。在使用中，滾動元件軸承的滾道必須能夠經(jīng)得起滾動接觸疲勞，并且因此必須具有大約58-65HRC的硬度，如果軸承要實現(xiàn)它的額定壽命的話。具有大于0. 4重量％的碳含量的鋼因此用于滾動元件軸承中，因為這些鋼具有必要的可淬硬性(hardenability)。 根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)中的軸承座圈這樣適于由軸承等級的鋼在ISO 683-17，例如還稱作 DIN100Cr6或者SAE 52100的ISO 683-17/B1中表明的熟知的通透硬化和表面硬化軸承鋼制成。對于特定場合，某些不銹鋼或者工具鋼可以用作軸承鋼，例子為AISI430D和M50。這樣，根據(jù)本發(fā)明的方法包括由軸承等級的鋼生產(chǎn)軸承座圈102的步驟。傳統(tǒng)地應(yīng)用來制造軸承環(huán)坯件的任何技術(shù)可以用于生產(chǎn)軸承座圈，包括鋼管的熱鍛和熱軋和冷軋。 所述方法進(jìn)一步包括至少硬化軸承座圈102的滾道表面103的步驟。優(yōu)選地，軸承座圈受到通透硬化處理，意味著軸承座圈在通過它的橫截面上被提供基本恒定的硬度。再一次地，如軸承制造商應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)可以用于硬化軸承座圈102。在一個實施例中，軸承座圈102被馬氏體地硬化。馬氏體硬化包括加熱軸承座圈到奧氏體相變溫度例如1100°C之上的溫度，保持它在該溫度直到一部分碳已經(jīng)分散，然后在淬火介質(zhì)例如油或者水中快速冷卻或者淬火。當(dāng)奧氏體相冷卻太快以使得碳從固態(tài)溶液擴(kuò)散出來以形成滲碳體并從而轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w時，捕獲的碳扭曲晶格，并阻礙從(奧氏體相的)面心立方體到(珠光體的)體心立方體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生并且轉(zhuǎn)變的產(chǎn)品是體心體心正方(BCT)晶格。該晶格結(jié)構(gòu)是非常硬的，但是還特別脆。在該階段，材料具有超過用于軸承場合的足夠硬度的硬度，但是并不具有足夠的韌性。因此，在淬火之后，軸承座圈被再次加熱或者回火，以允許一些捕獲的碳從BCT結(jié)構(gòu)擴(kuò)散出去并形成鐵素體。在馬氏體硬化情形中，淬火產(chǎn)品典型地在大約150-160°C的溫度，即馬氏體開始溫度帶中的溫度，回火一段時間?；鼗鹪黾禹g性，但是降低硬度，因此該工藝必須小心地進(jìn)行控制以保證軸承座圈保持足夠硬度以經(jīng)得起滾動接觸疲勞?；鼗疬€有利于材料內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力的釋放。在另一個實施例中，硬化步驟包括使得軸承座圈進(jìn)行貝氏體硬化。再一次地，軸承座圈102被加熱到奧氏體相變溫度以上的溫度并快速冷卻或者淬火。在這個實施例中，材料在介質(zhì)例如鹽水中淬火，其保持在馬氏體相變溫度以上的溫度例如230°C，直到奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。然后材料空氣冷卻到室溫。貝氏體具有用于軸承應(yīng)用的必要的硬度并比馬氏體更具有延展性，意味著不需要進(jìn)一步的熱處理(回火)。當(dāng)進(jìn)行加熱時，但是，貝氏體硬化軸承鋼將在大約250°C的溫度，也就是低于貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，開始失去硬度。根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)一步包括在模制工藝中結(jié)合過模制部分106到軸承座圈102 的步驟。在一些實施例中，過模制部分是由熱塑性塑料材料例如聚酰胺46制成，其在大約 295°C的工藝溫度下模制到軸承座圈。在其它的實施例中過模制部分是由在壓力鑄造工藝中在大約700°C的工藝溫度下結(jié)合到軸承座圈的鋁或者鋁合金制成。鋁過模制部分還可在半固態(tài)金屬工藝中結(jié)合，其發(fā)生在大約580°C的溫度。如果硬化軸承鋼暴露到任何的上述工藝溫度，結(jié)果將是硬度降低。在軸承應(yīng)用中，軸承座圈102的僅滾道表面103需要具有到例如大約2毫米深度的58-65HRC的硬度，其取決于預(yù)期的軸承載荷。因此，軸承座圈的與滾道表面徑向相對的表面可以暴露到模制涉及的工藝溫度。但是，軸承鋼是優(yōu)秀的導(dǎo)熱體并具有低的比熱容。因此，必須確定從模制工藝傳遞到軸承座圈的熱能是否足以引起將不利地影響滾道硬度的滾道表面103上的溫度的增加。這取決于許多因素，包括模制到軸承座圈的材料的比熱容、質(zhì)量和溫度；軸承座圈的質(zhì)量和厚度；軸承鋼的比熱容、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率；不利地影響硬度所需的溫度增加大小、軸承座圈暴露到升高的工藝溫度的持續(xù)時間和傳遞到周圍環(huán)境的熱量。所述測定數(shù)據(jù)可以通過例如通過軸承座圈的熱轉(zhuǎn)移的熱瞬時有限元分析。如果確定模制工藝不會導(dǎo)致滾道表面上的溫度破壞性地增大，過模制部分簡單地在與滾道表面103相對的表面104上結(jié)合到軸承座圈102。如果確定模制工藝將導(dǎo)致在滾道表面103上的溫度的破壞性增大，那么所述方法包括溫度控制步驟，其中滾道表面保持在滾道硬度不會被不利地影響的最高安全溫度之下。如前所述，當(dāng)軸承座圈102已經(jīng)馬氏體地硬化時，最高安全溫度大致等于軸承座圈回火的溫度。當(dāng)軸承座圈已經(jīng)貝氏體地硬化時，最高安全溫度大致等于更低的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)本發(fā)明的方法描述在圖2的流程圖中，可以總結(jié)如下(還參照圖1)在第一步210中，軸承座圈102由軸承鋼進(jìn)行制造。在第二步220中，至少軸承座圈102的滾道表面103被硬化。在子步驟225中，確定是否過模制部分106到軸承座圈102的結(jié)合將導(dǎo)致硬化滾道表面103的溫度達(dá)到最高安全溫度，所述最高安全溫度為滾道表面可以經(jīng)得起而不會導(dǎo)致硬度降低的最高溫度。如果否，所述方法包括在模制工藝中結(jié)合過模制部分106到軸承座圈102的第三步 230 ο如果是，所述方法包括在模制工藝中結(jié)合過模制部分106到軸承座圈102的步驟 240,由此模制工藝包括冷卻滾道表面103以保證滾道表面的溫度保持在最高安全溫度之下。這樣，根據(jù)本發(fā)明的方法包括溫度控制步驟。在圖2的流程圖描述的實施例中溫度控制步驟包括在模制工藝中冷卻滾道表面103以從滾道散熱并防止溫度超過預(yù)定值。這可以通過在模制工藝過程中允許冷卻介質(zhì)流動通過滾道表面而完成。例如，依靠水的循環(huán)流動和熱交換器，由此水從滾道表面散熱，所述熱在水再循環(huán)以前傳遞到熱交換器。冷卻介質(zhì)和冷卻參數(shù)可以基于可以通過例如有限元分析進(jìn)行確定的需要從滾道移除多少熱量而進(jìn)行適當(dāng)選擇。這樣，當(dāng)模制工藝包括冷卻時，半固態(tài)金屬工藝具有超過鑄造工藝的進(jìn)一步的優(yōu)點。更低的工藝溫度意味著需要從滾道表面移除更少的熱量。在替代實施例中，溫度控制步驟包括在軸承座圈和過模制部分之間應(yīng)用熱障。根據(jù)這個實施例制成的軸承環(huán)的例子示出在圖3中。在這個例子中，軸承環(huán)301是包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈302的軸承內(nèi)環(huán)，所述軸承座圈302具有徑向外表面303，該表面已經(jīng)硬化并適于用作滾動元件軸承的滾動元件的滾道。在徑向內(nèi)表面304上，軸承座圈 302設(shè)置有熱障層308，軸承環(huán)包括在模制工藝中結(jié)合到軸承座圈302的過模制部分306，以使得過模制部分接觸熱障308。熱障是介于軸承座圈302和過模制部分306之間的材料，其減少在模制工藝過程中傳遞到軸承座圈的熱能的量。在如圖3所示的例子中，熱障308是鉍合金層，例如包括 58%鉍和42%錫的Bi58。該合金具有138°C的熔點，并可以在注射模制工藝中施加到軸承座圈的徑向內(nèi)表面304。138°C的溫度不會影響軸承鋼的硬度，熱障308可以安全地施加到預(yù)硬化的軸承座圈。假如模制部分306是在半固態(tài)金屬工藝中在580°C的溫度下由結(jié)合到軸承座圈302的鋁制成，鉍合金層將在接觸半模制鋁時開始熔化。由于焓轉(zhuǎn)變，鉍合金的溫度不會超過138°C，直到合金已經(jīng)熔化。這樣，轉(zhuǎn)變耗費(fèi)能量。在合金已經(jīng)熔化后，溫度將升高，盡管鉍是差的熱導(dǎo)體并因此持續(xù)提供熱防護(hù)到軸承座圈?；诶鐭嵊邢拊治?，鉍合金層308的厚度被適當(dāng)?shù)剡x擇以防止從軸承座圈的徑向內(nèi)側(cè)面304傳遞到滾道303的熱量致使?jié)L道表面的溫度超過最高安全溫度。具有超過50%鉍的鉍合金例如鉍58的進(jìn)一步的優(yōu)點在于，當(dāng)凝固時，材料并不收縮離開它所施加到的表面，而是稍微膨脹。這在當(dāng)所述表面是環(huán)形部件例如軸承內(nèi)環(huán)的徑向內(nèi)表面時是特別有利的。根據(jù)本發(fā)明的用于生產(chǎn)圖3的軸承環(huán)的方法示出在圖4的流程圖中。在第一步410，軸承座圈302以如前所述的方式由軸承等級的鋼制成。在第二步420，軸承座圈302的至少滾道表面303如前所述地受到硬化處理。在第三步430，犧牲熱障308設(shè)置在軸承座圈的與滾道表面303徑向相對的表面 304 上。在第四步440，過模制部分306在模制工藝中結(jié)合到軸承座圈302，以使得熱障308 位于軸承座圈和過模制部分之間。通過模制重量輕的材料例如鋁或者熱塑性塑料到軸承座圈，根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)可以有利地用在其中期望減少重量的場合例如輪子軸承單元中。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的包括軸承環(huán)的輪子軸承單元的例子的局部橫截面視圖。在這個例子中，輪子軸承單元500是適于內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動的，并包括根據(jù)本發(fā)明的軸承外環(huán)501。軸承外環(huán)501包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈502和由例如在流變鑄造工藝中已經(jīng)結(jié)合到軸承座圈的鋁制成的過模制部分506。在這個例子中過模制部分506是轉(zhuǎn)向節(jié)。圍繞軸承座圈502模制一部分除了使得相對于完全由軸承鋼制成的傳統(tǒng)的軸承降低重量之外具有進(jìn)一步的優(yōu)點。當(dāng)模制工藝過程中過模制的部分冷卻并凝固時，在徑向向內(nèi)的方向發(fā)生收縮。過模制部分圍繞軸承座圈收縮，從而施加有利的預(yù)應(yīng)力到軸承座圈
10并有利于過模制部分506和軸承座圈502之間的牢固的且永久的結(jié)合。在結(jié)合工藝之前，軸承座圈滾道502適當(dāng)?shù)赜不?，例如通過貝氏體通透硬化處理， 并包括徑向內(nèi)表面503，該徑向內(nèi)表面具有用于第一和第二排滾動元件530，531的第一和第二外滾道520，521。軸承環(huán)501進(jìn)一步包括設(shè)置在軸承座圈的徑向外表面上在過模制部分506和軸承座圈502之間的熱障508。在這個例子中，熱障是具有0. 9W/m°C的熱導(dǎo)率和2700°C的熔點的鋯氧化物涂層，其在等離子汽化沉積工藝中施加到軸承座圈的徑向外表面。適當(dāng)?shù)剡x擇鋯氧化物涂層508的厚度以防止軸承座圈的徑向內(nèi)表面503的溫度在流變鑄造工藝過程中超過250°C，以使得滾道520，521在流變鑄造工藝過程中保持它們的硬度。 在這個實施例中，熱障涂層的沉積發(fā)生在將不利地影響硬化軸承鋼的(馬氏體或者貝氏體硬化)硬度的溫度。因此，涂層508在硬化工藝之前適合地施加在軸承座圈上。為了實現(xiàn)進(jìn)一步重量降低，在這個例子中的輪子軸承單元500包括凸緣轂510，其同樣部分地由重量輕的材料制成。凸緣轂510包括由例如低碳鋼制成的插入件512和在流變鑄造工藝中由例如結(jié)合到鋼制的插入件512的鋁制成的過模制部分516。過模制部分 516包括設(shè)置有連接裝置的徑向延伸凸緣518以使得車輛輪子安裝到凸緣轂510。鋼制的插入件512提供強(qiáng)度和剛度到凸緣轂510并還用作用于兩軸承內(nèi)環(huán)525，526的座。軸承內(nèi)環(huán)525，526包括用于第一和第二排的滾動元件530，531的第一和第二內(nèi)滾道MO，M1，軸承單元500鎖定上并通過鎖定螺母5 設(shè)置有任何必要的預(yù)載荷。鋼制的插入件512可以由低碳鋼制成，因為凸緣轂510不包括需要被硬化的表面以為了經(jīng)得起滾動接觸疲勞。如將理解的，在包括具有滾道表面的凸緣轂的輪子軸承單元中，凸緣轂可以根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)。鋼制的插入件512然后將由軸承等級的鋼形成，插入件將被硬化，并且，如果需要的話，滾道表面的溫度將在過模制部分516結(jié)合到插入件512的過程中進(jìn)行控制，以防止?jié)L道表面的硬度損失。在如圖5所示的例子中，鋼制的插入件512包括在徑向向內(nèi)的方向延伸的凸出部分513，由此所述部分具有背對軸承單元的旋轉(zhuǎn)軸的表面513s。如上所述，當(dāng)過模制部分冷卻并凝固時發(fā)生收縮，并且在環(huán)形部分的情形中，收縮導(dǎo)致徑向向內(nèi)的方向的收縮。換句話說，凸緣轂510的過模制部分516遠(yuǎn)離鋼制的插入件512收縮，但是抵靠著部分513的表面 513s收縮。所述部分因此用以徑向互鎖鋼制的插入件512和模制到其上的所述部分516。 這樣，在根據(jù)本發(fā)明的軸承內(nèi)環(huán)中，軸承座圈有利地包括具有至少一個背對軸承旋轉(zhuǎn)軸的表面的向內(nèi)延伸部分。在許多的設(shè)計中輪子軸承單元可以根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行。例如，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)環(huán)的徑向內(nèi)表面可以用作用于恒速接頭的滾動元件的外滾道，并且所述單元可以包括一體的CV 接頭。而且，軸承單元可以是單一排或者雙排的傾斜接觸軸承，其中滾動元件是球體、滾柱、 變平的球體等。再者，當(dāng)所述單元是雙排軸承時，用于第一和第二排的滾動元件的滾道可以直徑相等，或者直徑可以不同。根據(jù)本發(fā)明的方法并不限制到用于汽車應(yīng)用的軸承環(huán)的制造，而是還可以應(yīng)用到用于工業(yè)應(yīng)用的制造帶凸緣的和不帶凸緣的軸承環(huán)。已經(jīng)描述本發(fā)明的許多方面/實施例。應(yīng)當(dāng)理解，每個方面/實施例可以與任何其它的方面/實施例組合。本發(fā)明這樣可以在所附專利權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。附圖標(biāo)記圖1示出根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的軸向視圖。
11101 軸承環(huán) 102軸承環(huán)的軸承座圈 103軸承環(huán)的滾道表面 104軸承座圈的與滾道表面徑向相對的表面 106軸承環(huán)的過模制部分圖2示出根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例的流程圖。 210 由軸承鋼制造軸承座圈 220至少硬化軸承座圈的滾道表面
225確定是否過模制部分到軸承座圈的結(jié)合將導(dǎo)致滾道表面達(dá)到預(yù)定值 230如果否，無溫度控制地結(jié)合過模制部分到軸承座圈 240 如果是，具有溫度控制地結(jié)合過模制部分到軸承座圈以保證滾道表面溫度在預(yù)定值之下
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán)的進(jìn)一步的實施例。 301 軸承環(huán) 302軸承環(huán)的軸承座圈 303軸承環(huán)的滾道表面 304軸承座圈的與滾道表面徑向相對的表面 306軸承環(huán)的過模制部分 308熱障(犧牲層)
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例的流程圖。 410 由軸承鋼制造軸承座圈 420至少硬化軸承座圈的滾道表面 430在軸承座圈的與滾道表面徑向相對的表面上設(shè)置熱障 440在模制工藝中結(jié)合過模制部分到熱障圖5示出根據(jù)本發(fā)明的軸承單元的局部橫截面。 500 軸承單元 501根據(jù)本發(fā)明的軸承環(huán) 502軸承座圈 503軸承座圈的滾道表面 506 轉(zhuǎn)向節(jié) 508熱障涂層 510凸緣轂 512鋼制的插入件 513插入件的向內(nèi)延伸的部分 513s部分的表面 516凸緣轂的過模制部分 518輪子安裝凸緣 520,521外滾道 525，526軸承內(nèi)環(huán)
528鎖定螺母530,531 滾動元件540,541 內(nèi)滾道
權(quán)利要求
1.一種制造用于滾動元件軸承的軸承環(huán)的方法，所述軸承環(huán)(101，301，501)包括具有適于作為用于軸承的滾動元件的滾道的表面(103，303，503)的軸承座圈(102，302，502)，和在與所述滾道表面徑向相對的表面(104，304)上結(jié)合到所述軸承座圈的過模制部分 (106，306，506)，該方法包括步驟由軸承等級的鋼生產(chǎn)軸承環(huán)的軸承座圈；至少使得軸承座圈的滾道表面進(jìn)行硬化處理；在模制工藝中結(jié)合過模制部分到軸承座圈；其特征在于所述硬化步驟是在模制步驟之前執(zhí)行，并且在模制步驟過程中，傳遞到所述滾道表面 (103，303，503)的熱能的凈量不足以使得所述滾道表面的溫度超過預(yù)定值，所述預(yù)定值為硬化的滾道表面能夠經(jīng)得起而不會不利地影響滾道硬度的最高溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括在模制步驟過程中控制所述滾道表面(103，303，503)的溫度的步驟，以使得所述滾道表面溫度保持在所述預(yù)定值之下。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的方法，其中，所述硬化步驟包括馬氏體熱處理，其中至少所述軸承座圈的所述滾道表面(103，303，50；3)被加熱到奧氏體相變溫度，在淬火介質(zhì)中快速冷卻，然后在回火溫度再加熱一段時間，其中所述溫度控制步驟包括保持所述滾道表面的溫度在回火溫度以下。
4.如權(quán)利要求1或者2所述的方法，其中，所述硬化步驟包括使得至少所述軸承座圈的所述滾道表面(103，303，50 進(jìn)行貝氏體硬化工藝，其中所述溫度控制步驟包括保持所述滾道表面的溫度在更低的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度之下。
5.如權(quán)利要求2-4之一所述的方法，其中，所述溫度控制步驟包括在所述模制工藝過程中冷卻所述軸承座圈(102，302，502)的所述滾道表面(103，303，503)。
6.如權(quán)利要求2-5之一所述的方法，其中，所述溫度控制步驟包括在所述模制步驟之前在所述軸承座圈(302,50 上設(shè)置熱障(308，508)，所述熱障設(shè)置在所述軸承座圈的與所述滾道表面(303，50 相對的表面中。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述熱障(508)是熔點高于模制工藝溫度的絕熱器，并在所述硬化步驟之前設(shè)置在所述軸承座圈(50 上。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，陶瓷氧化鋁或者氧化鋯的涂層(508)設(shè)置在所述軸承座圈(502)上。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述熱障(308)包括熔點低于所述預(yù)定溫度的材料，并在所述硬化步驟之后設(shè)置在所述軸承座圈(30 上。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，鉍合金或者銦合金的層(308)設(shè)置在軸承座圈 (302)上。
11.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述過模制部分(106，306，506)是由鋁或者鋁合金形成并在半固態(tài)金屬工藝中結(jié)合到所述軸承座圈，所述半固態(tài)金屬工藝為流變鑄造工藝、流變成形工藝、流變模制工藝、觸變鑄造工藝、觸變成形工藝或者觸變模制工藝之
12.—種軸承環(huán)(101，301，501)，根據(jù)權(quán)利要求1-11之一所述的方法制成。
13.如權(quán)利要求12所述的軸承環(huán)，其中，所述軸承座圈(102,50 的所述滾道表面 (103,503)是所述軸承座圈的徑向內(nèi)表面，所述過模制部分(506)包括圍繞所述軸承座圈模制的可轉(zhuǎn)向或者非可轉(zhuǎn)向車輛懸掛部件。
14.如權(quán)利要求12所述的軸承環(huán)，其中，所述軸承座圈(30 的所述滾道表面(303)是所述軸承座圈的徑向外表面，所述軸承座圈包括在徑向向內(nèi)的方向延伸的部分，所述部分具有背離所述軸承環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸的至少一個表面。
15.如權(quán)利要求14所述的軸承環(huán)，其中，所述軸承環(huán)的孔包括非圓形幾何形狀。
16.一種滾動元件軸承(500)，包括如權(quán)利要求12-15之一所述的軸承環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明包括一種制造用于滾動元件軸承的軸承環(huán)(101)的方法，其中軸承環(huán)包括由軸承等級的鋼制成的軸承座圈(102)和優(yōu)選地由重量輕的金屬例如鋁或者熱塑性材料例如聚酰胺制成的過模制部分(106)。根據(jù)本發(fā)明，所述方法包括在模制工藝中結(jié)合過模制部分(106)到軸承座圈(102)之前至少硬化軸承座圈的滾道表面(103)。在進(jìn)一步的發(fā)展中，所述方法包括溫度控制步驟，以保證滾道表面(103)的溫度在模制工藝過程中保持在預(yù)定值之下。
文檔編號C21D1/18GK102356168SQ200980158148
公開日2012年2月15日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者C.P.A.威瑟斯, H.J.卡帕安, J.F.范德桑登, J.茲瓦茨 申請人:Skf公司