机器零件、滚动轴承、锥形滚柱轴承以及制造机器零件的方法

技术领域

本发明涉及机器零件、滚动轴承、锥形滚柱轴承以及制造机器零件的方法， 具体来说，涉及机器零件、滚动轴承、锥形滚柱轴承以及制造可同时达到耐用 性改进和尺寸稳定性改进的机器零件的方法。

背景技术

作为提高诸如滚动轴承那样的钢制机器零件耐用性的措施，碳氮共渗工艺 过程是公知的过程，其中，在淬火处理之前，将碳和氮引入到零件的表面层部 分内(例如，参见日本专利特开平5-118336号公报(专利文献1))。众所 周知，该种碳氮共渗工艺过程提高滚动轴承的滚动疲劳寿命，尤其是例如在硬 的异物侵入滚动轴承内的环境(异物侵入环境)中的寿命。

引证清单

专利文献

专利文献1：日本专利特开平5-118336号公报

发明内容

技术问题

然而，考虑到近来对于提高机器零件耐用性的需求，传统的碳氮共渗工艺 不能确保依据于应用所需的足够耐用性。具体来说，例如，在车辆的传动或差 动器中，为了增加传动的级数和扩大驾驶空间，允许放置轴承的空间变得越来 越小。因此，正在研发使支承传动或差动器中的传动轴的轴承尺寸的减小，且 用较小的轴承来支承与传统情形中载荷等同的载荷之需要已有所上升。当轴承 制得较小时，且例如在锥形滚柱轴承中，锥形滚柱的较大端面在该锥形滚柱轴 承上被导向而与内环的较大法兰表面接触，锥形滚柱和较大法兰表面之间的接 触压力不可避免地变得较高。其结果，出现了这样的问题，即在锥形滚柱和较 大法兰表面之间发生咬死。

还会出现另一问题，时效(日文:経年)尺寸变化率随碳氮共渗工艺使用 而增大，导致机器零件尺寸稳定性降低。

提出本发明是为了解决上述问题，本发明的目的是提供机器零件、滚动轴 承、锥形滚柱轴承以及制造可同时达到耐用性改进和尺寸稳定性改进的机器零 件的方法。

解决问题的方案

根据本发明一个方面的机器零件由钢构成，钢含有至少0.60％质量百分比 且不超过1.50％质量百分比的碳，至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量 百分比的硅，至少0.30％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的锰，以及至 少0.20％质量百分比且不超过2.00％质量百分比的铬，其余部分由杂质构成。 接触表面之下要与另一零件接触的表面层部分内的氮浓度至少为0.3％质量百 分比。残余奥氏体的平均数量整体上不超过20％体积百分比。

根据本发明另一个方面的机器零件由钢构成，钢含有至少0.60％质量百分 比且不超过1.50％质量百分比的碳，至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质 量百分比的硅，至少0.30％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的锰，以及 至少0.20％质量百分比且不超过2.00％质量百分比的铬，并还含有不超过0.5％ 质量百分比的镍和不超过0.2％质量百分比的钼中至少任一种，其余部分由杂 质构成。接触表面之下要与另一零件接触的表面层部分内的氮浓度至少为 0.3％质量百分比。残余奥氏体的平均数量整体上不超过20％体积百分比。

本申请的发明人已经研究出各种措施，以在用于与另一零件接触的机器零 件中同时达到耐用性的改进和尺寸稳定性的改进。其结果，发明人达到以下的 认识并提出了本发明。

在机器零件中，诸如开裂那样的损坏很可能出现在与另一零件相接触的表 面(接触表面)内，诸如是在滚动轴承的滚动接触表面以及就在该表面之下。 因此，通过对该接触表面实施碳氮共渗工艺可提高耐用性。此时，根据本申请 的发明人所作的研究，通过将在从接触表面的那个表面到20μm深度的区域内 的平均氮浓度设定为至少0.3％质量百分比，该接触表面的耐用性便得到提高 (在本说明书、权利要求书和本申请的摘要中，“表面层部分”是指从表面到 20μm深度的区域，而“表面层部分内的氮浓度”是指表面层部分内的平均氮浓 度)。另一方面，当淬火-硬化后的钢内氮浓度增高时，残余奥氏体的量也增 加。在机器零件使用过程中，随着该奥氏体的分解，时效变化率也增加。

这里，就接触表面的耐用性来说，表面层部分内氮浓度、即从表面起的20μm 深度内的非常薄的一层中的氮浓度是主要的。另一方面，时效变化率受机器零 件的整体内残余奥氏体量影响。因此，一种研究旨在通过减小机器零件整体残 余奥氏体量，同时提高表面层部分内氮浓度，来同时达到提高的耐用性和提高 的尺寸稳定性，该项研究已经揭示，通过将接触表面之下的表面层部分内的氮 浓度设定为至少0.3％质量百分比，并设定整体平均残余奥氏体量为不超过 20％体积百分比，便可同时达到耐用性的提高和尺寸稳定性的提高。例如，通 过将浓度比普通碳氮共渗工艺高的氮引入到零件的表面，然后，在比通常高的 温度下进行回火处理，便可达到表面层部分内氮浓度和全部残余奥氏体量的如 此的组合。

在本发明的机器零件中，将接触表面之下的表面层部分内的氮浓度设定为 至少0.3％质量百分比，且设定整体平均残余奥氏体量为不超过20％体积百分 比。其结果，根据本发明的机器零件可提供同时可达到耐用性提高和尺寸稳定 性提高的机器零件。

现将描述构成本发明机器零件的钢成分范围为何限制在上述范围的原因。

碳：至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质量百分比

在淬火硬化之后，碳含量对机器零件的接触表面的硬度有很大的影响。如 果钢中的碳含量小于0.60％质量百分比，则在淬火硬化之后将难于对接触表面 提供足够的硬度。替代地，通过碳氮共渗处理等来补偿表面内碳含量的需求在 上升，导致生产效率降低并提高制造成本。另一方面，如果碳含量超过1.50％ 质量百分比，则担心在淬火硬化时出现开裂(淬火开裂)。因此，将碳含量设 定为至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质量百分比。

硅：至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比

硅有利于提高钢的回火软化阻力。如果钢中硅含量少于0.15％质量百分比， 则回火软化阻力变得不够，由于淬火硬化之后的回火或机器零件使用过程中温 度上升的缘故，有可能接触表面的硬度显著降低。另一方面，如果硅含量超过 2.50％质量百分比，则材料淬火之前的硬度增大，在将材料形成为机器零件之 时冷作的可加工性降低。因此，将硅含量设定为至少0.15％质量百分比且不超 过2.50％质量百分比。

锰：至少0.30％质量百分比且不超过1.50％质量百分比

锰有利于提高钢的淬火性。如果锰含量小于0.30％质量百分比，则该效应 不能充分地保持。另一方面，如果锰含量超过1.50％质量百分比，则材料在淬 火之前的硬度提高，冷作中的可加工性降低。因此，将锰含量设定为至少0.30％ 质量百分比且不超过1.50％质量百分比。

铬：至少0.20％质量百分比且不超过2.00％质量百分比

铬含量有利于提高钢的淬火性。如果铬含量小于0.20％质量百分比，则该 效应不能充分地保持。另一方面，如果铬含量超过2.00％质量百分比，则会出 现材料成本上升的问题。因此，将铬含量设定为至少0.20％质量百分比且不超 过2.20％质量百分比。

镍：至少0.5％质量百分比

镍也有利于提高钢的淬火性。尽管镍在构成根据本发明的机器零件的钢中 不是关键的成分，但在对构成诸如大的机器零件的机器零件的钢需要特别高的 淬火特性的情形中，可添加镍含量。然而，如果镍含量超过0.5％质量百分比， 则存在淬火后残余奥氏体量增加而造成尺寸稳定性降低的可能性。因此，镍含 量较佳地添加到构成机器零件的钢内的范围是不超过0.5％质量百分比。

钼：不超过0.2％质量百分比

钼也有利于提高钢的淬火性。然而，如果钼含量超过0.2％质量百分比，则 会出现材料成本提高的问题。因此，钼含量较佳地添加到构成机器零件的钢内 的范围是不超过0.2％质量百分比。

在以上描述的机器零件中，在接触表面之下的上述表面层部分中，在垂直 于接触表面的截面中每100μm²可存在有直径不超过0.5μm的五个或更多个碳 氮化合物。

因为通过使表面层部分内以每100μm²五个或更多个的比率存在着直径不 超过0.5μm的细的碳氮化合物，而使表面层部分得到加强，因此表面层部分的 耐用性更加提高，于是，获得耐用性优秀的机器零件。这里，碳氮化合物是碳 化铁，或通过用氮来替换该碳化物中的部分碳来获得，碳氮化合物包括Fe-C- 基的化合物和Fe-C-N-基的化合物。该碳氮化合物还可含有被包含在钢中的合 金元素，诸如是铬。

在上述机器零件中，在从接触表面起深度50μm的区域内残余奥氏体量可 以至少为20％体积百分比。然后，可提高接触表面的耐用性，尤其是接触表 面在异物侵入环境中的耐用性。

上述机器零件可以是构成轴承的零件。具有提高的接触表面耐用性和优秀 尺寸稳定性的本发明机器零件适用于构成诸如滚动轴承那样的轴承的零件。

上述机器零件可以是滚动轴承的内环，并在径向内表面上可具有不超过 0.05％质量百分比的氮浓度。由于残余奥氏体分解引起的尺寸变化经常显现为 零件尺寸的膨胀。另一方面，常常使用滚动轴承的内环，使其径向内表面配装 在轴或类似零件的外周表面上。因此，当内直径膨胀时，内环在轴上的配合状 态会变得不稳定。为解决该问题，可将径向内表面内氮浓度减小到不超过 0.05％质量百分比，以限制上述问题出现。

根据本发明的滚动轴承包括滚道构件和多个布置成与本发明的滚道构件接 触的滚动元件。滚道构件和滚动元件中的至少任一个是上述的本发明机器零 件。根据本发明的滚动轴承，通过将本发明的上述机器零件作为部件而纳入， 可提供同时可达到耐用性提高和尺寸稳定性提高的滚动轴承。

根据本发明一个方面的锥形滚柱的轴承包括外环、内环、多个锥形滚柱以 及轴承罩，其中，外环具有锥形的外环滚道表面，内环具有锥形的内环滚道表 面，并在内环滚道表面的较大直径侧上设置有较大的法兰表面，在较小直径侧 上设置有较小的法兰表面，多个锥形滚柱可滚动地布置在外环滚道表面和内环 滚道表面之间，轴承罩以预定的间距将锥形滚柱保持在圆周方向上。在轴承使 用过程中，各个锥形滚柱的较大端面被引导成与内环的较大法兰表面相接触。 R/R_BASE比值范围从0.75至0.87，其中，R表示各个锥形滚柱的较大端面的曲 率半径，而R_BASE表示从包括各个锥形滚柱的外圆周表面的锥形表面顶点到内 环的较大法兰表面的距离。外环、内环和锥形滚柱中的至少任何一个是上述根 据本发明的一个方面的机器零件。

根据本发明另一个方面的锥形滚柱的轴承包括外环、内环、多个锥形滚柱 以及轴承罩，其中，外环具有锥形的外环滚道表面，内环具有锥形的内环滚道 表面，并在内环滚道表面的较大直径侧上设置有较大的法兰表面，在较小直径 侧上设置有较小的法兰表面，多个锥形滚柱可滚动地布置在外环滚道表面和内 环滚道表面之间，轴承罩以预定的间距将锥形滚柱保持在圆周方向上。在轴承 使用过程中，各个锥形滚柱的较大端面被引导成与内环的较大法兰表面相接 触。R/R_BASE比值范围从0.75至0.87，其中，R表示各个锥形滚柱的较大端面 的曲率半径，而R_BASE表示从包括各个锥形滚柱的外周表面的锥形表面顶点到 内环的较大法兰表面的距离。外环、内环和锥形滚柱中的至少任何一个是上述 根据本发明的另一个方面的机器零件。

本申请的发明人已经研究了各种措施来在锥形滚柱轴承中实现对尺寸稳定 性的提高，同时确保高耐用性。其结果，发明人达到了以下的认识并得出本发 明。

在包括内环、外环和锥形滚柱的上述锥形滚柱轴承中，当使用Karna公式 来计算内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间形成的油膜厚度时，油 膜厚度在R/R_BASE比值为0.76时最大。当R/R_BASE比值超过0.9时，油膜厚度 快速减小。

另一方面，当计算内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间的最大 赫兹(Hertzian)应力时，最大赫兹应力随R/R_BASE比值的增大而单调地减小。

这里，为了抑制由于内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间的滑 动摩擦所引起的发热以阻止内环和锥形滚柱的咬死，要求提高油膜厚度和降低 最大赫兹应力。此外，根据本申请的发明人所作的研究，通过将R/R_BASE比值 调整到0.75至0.87，便可有效地限制发生咬死。应该指出的是，大致锥形滚 柱轴承的R/R_BASE比值近似地位0.90至0.97。

在诸如外环、内环和滚动元件之类的轴承零件中，在与另一零件接触的表 面中以及就在该表面之下，可能出现诸如开裂或咬死那样的损坏。为解决该问 题，可对该接触表面以进行碳氮化合物化以提高耐用性。此时，根据本申请的 发明人所作的研究，通过将在从作为接触表面的那个表面到20μm深度的区域 内的平均氮浓度设定为至少0.3％质量百分比，该接触表面的耐用性便得到提 高(在本说明书、权利要求书和本申请的摘要中，“表面层部分”是指从表面到 20μm深度的区域，而“表面层部分内氮浓度”是指表面层部分内的平均氮浓 度)。特别地，通过增加表面层部分内的氮浓度，可增加滚动接触表面附近的 残余奥氏体量，于是，提高了异物侵入环境中的抵抗滚动疲劳的耐用性。此外， 通过提高表面层部分内的氮浓度，也提高了该表面层部分内的回火软化阻力。 因此，即使在例如通过内环和锥形滚柱之间的滑动接触(例如，较大端面和较 大法兰表面之间的滑动接触)提高了接触部分的温度时，也阻止该接触部分的 硬度降低，且阻止出现咬死。

另一方面，淬火-硬化钢中的氮浓度提高，残余奥氏体量也增加。在轴承零 件的使用过程中，由于奥氏体的分解，时效变化率增大。

这里，就接触表面的耐用性来说，表面层部分内氮浓度、即从表面起的20μm 深度内的非常薄的一层是主要的。另一方面，稳定变化率受机器零件整体内的 残余奥氏体量影响。因此，一种研究旨在通过减小整个机器零件中残余奥氏体 量，同时提高表面层部分内氮浓度，来同时达到提高的耐用性和提高的尺寸稳 定性，该项研究已经揭示，通过将接触表面之下的表面层部分内的氮浓度设定 为至少0.3％质量百分比，并设定整体平均残余奥氏体量为不超过20％体积百 分比，便可同时达到耐用性的提高和尺寸稳定性的提高。例如，通过将浓度比 普通碳氮共渗工艺高的氮引入到机器零件表面，然后，在比通常高的温度下进 行回火处理，便可达到表面层部分内氮浓度和全部残余奥氏体量的如此的组 合。

在本发明的锥形滚柱轴承中，通过将R/R_BASE比值范围调整到从0.75至 0.87，便可限制锥形滚柱较大端面和内环的较大法兰表面之间发生的咬死。此 外，因为外环、内环和锥形滚柱中的至少任何一个是高强度轴承零件(上述根 据本发明的机器零件)，其中，该接触表面之下的表面层部分内的氮浓度被设 定为至少0.3％质量百分比，残余奥氏体的整体平均量设定为不超过20％体积 百分比，因此可提高尺寸稳定性，同时，达到耐用性的提高，以在包括异物侵 入环境在内的严重恶劣环境中承受滚动疲劳，还通过提高回火软化阻力来阻止 咬死。其结果，根据本发明的锥形滚柱轴承，可提供既可达到尺寸稳定性同时 又确保高耐用性的锥形滚柱轴承。

在上述锥形滚柱轴承中，可由平行于锥形滚柱的较小端面的表面来形成上 述内环的较小法兰表面。

因此，即使较小端面上的斜面尺寸和较小端面的形状存在波动，彼此平行 的较小端面49和较小法兰表面44在最初组装状态下也会形成表面接触。因此， 此时较大端面和较大法兰表面之间的间隙不受较小端面上的斜面尺寸和较小 端面的形状波动的影响，该时间一直延续到操作开始之后各个锥形滚柱落定到 正式位置且波动较小时。其结果，可缩短锥形滚柱轴承的磨合时间。

在上述锥形滚柱轴承中，上述内环的较大法兰表面的表面粗糙度Ra范围 从0.05至0.20μm。

在以低速进行磨合时，通过将上述表面粗糙度Ra设定到至少0.05μm，内 环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间的润滑条件可以是边界润滑，而 不是流体润滑和边界润滑之间的混合润滑。因此，摩擦系数得到稳定，可精确 地控制预加载力。应该指出的是，在转速超过100rpm的一般轴承使用状态下， 由于足够的油膜形成在较大的法兰表面和较大的端面之间，润滑条件形成为流 体润滑，于是，摩擦系数变得足够小。另一方面，通过设置表面粗糙度Ra不 超过0.20μm，即使当轴承温度在高速转动时增高且润滑剂粘度减小时，也可 充分地确保油膜厚度，并可更可靠地阻止发生咬死。

在上述锥形滚柱轴承中，在上述锥形滚柱的较大端面与内环的较大法兰表 面接触时所留出的内环的较小法兰表面和锥形滚柱的较小端面之间的间隙可 被控制在不超过0.4mm。因此，可减少磨合时锥形滚柱落入到规则位置之前的 转动次数，从而缩短磨合时间。

在上述锥形滚柱轴承中，上述内环的较小法兰表面可以是打磨过的表面或 车削过的表面。因此，内环的较小法兰表面和锥形滚柱的较小端面之间的间隙 可精确地进行控制。

在上述锥形滚柱轴承中，内环的较大法兰表面可包括与各个锥形滚柱的较 大端面相接触的基面以及与基面的外侧光滑连接的侧腹，该侧腹沿远离各个锥 形滚柱的较大端面的方向弯曲。

因此，在靠近内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间的接触区域 的外边缘处留出间隙。其结果，提高了朝向该接触区域抽取润滑剂的功能，于 是，形成足够的油膜。此外，形成该光滑的侧腹可抑制出现刮伤，当锥形滚柱 出现倾斜时，锥形滚柱和内环的较大法兰表面之间的接触会造成这种刮伤。

在上述锥形滚柱轴承中，侧腹可具有包括拱形区域的截面形状。因此，可 容易地形成具有抽取润滑剂的优秀功能的侧腹。

在上述锥形滚柱轴承中，具有圆形平面形状的凹陷可设置在各个锥形滚柱 的较大端面的中心部分处，而该凹陷的外周端部可定位在基面和内环的侧腹之 间的边界区域中。

因此，润滑剂可被引导到上述间隙附近，该间隙是内环较大法兰表面和锥 形滚柱较大端面之间的接触区域的外边缘附近留出，以充分地将润滑剂供应到 该间隙。此外，还可增大锥形滚柱的允许斜角。

在上述锥形滚柱轴承中，基面和侧腹之间的边界可定位在最大接触椭圆的 外边缘处，该接触椭圆由轴承许用最大轴向载荷下锥形滚柱的较大端面和较大 法兰表面之间的接触所造成。

因此，可将润滑剂抽到其中的上述间隙可大致留出在锥形滚柱轴承的全部 使用荷载上。

在上述锥形滚柱轴承中，在接触表面之下的表面层部分中，在垂直于接触 表面的截面中每100μm²可存在有直径不超过0.5μm的五个或更多个碳氮化合 物。

因为通过在表面层部分内以每100μm²五个或更多个的比率存在着直径不 超过0.5μm的细的碳氮化合物，而使表面层部分得到加强，因此表面层部分的 耐用性更加提高，于是，获得耐用性优秀的机器零件。这里，碳氮化合物是碳 化铁，或通过用氮来替换该碳化物中的部分碳来获得，碳氮化合物包括Fe-C- 基的化合物和Fe-C-N-基的化合物。该碳氮化合物还可含有被包含在钢中的合 金元素，诸如是铬。

在上述锥形滚柱轴承中，在从接触表面起深度50μm的区域内的残余奥氏 体量可以至少为20％体积百分比。然后，可提高接触表面的耐用性，尤其是 异物侵入环境中的接触表面的耐用性。

在上述锥形滚柱轴承中，内环可以是上述高强度的轴承零件，内环的径向 内表面上的氮浓度可为不超过0.05％质量百分比。

由于残余奥氏体分解引起的尺寸变化经常显现为零件尺寸的膨胀。另一方 面，常常使用滚动轴承的内环，使其径向内表面配装在轴或类似零件的外周表 面上。因此，当内直径膨胀时，内环在轴上的配合状态会变得不稳定。为解决 该问题，可将径向内表面内氮浓度减小到不超过0.05％质量百分比，以限制上 述问题出现。

上述锥形滚柱轴承可用来支承车辆的传动轴。上述车辆可以是两轮车辆。 在用于如下车辆的齿轮轴支承装置中，即，在该车辆中齿轮轴可转动地由轴承 支承在充满齿轮油的外壳内，上述锥形滚柱轴承可被用作该轴承。本发明的锥 形滚柱轴承适用于上述应用，其中，需要尺寸的缩减同时要确保足够的耐用性。

根据本发明的一个方面的制造机器零件的方法包括如下步骤：由对钢材进 行成形来生产成形构件，该钢材含有至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质 量百分比的碳，至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比的硅，至少 0.30％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的锰，以及至少0.20％质量百分 比且不超过2.00％质量百分比的铬，其余部分由杂质构成；对成形构件进行碳 氮共渗透；对已经碳氮共渗透的成形构件进行淬火硬化；对已经碳氮共渗透的 成形构件进行回火；以及对已经回火的成形构件进行机加工，由此形成接触表 面，该接触表面是有待与另一零件接触的表面。在对成形构件进行碳氮共渗透 的步骤中，对成形构件进行碳氮共渗透，以在形成接触表面的步骤中，该接触 表面之下的表面层部分中的氮浓度至少为0.3％质量百分比。在对成形构件进 行回火的步骤中，对成形构件进行回火，以使成形构件的残余奥氏体的平均数 量整体上不超过20％体积百分比。对成形构件进行碳氮共渗透、对该成形构 件进行淬火硬化、对该成形构件进行回火以及形成接触表面的诸步骤这样来进 行：在接触表面之下的表面层部分中，在垂直于接触表面的截面中每100μm²可存在直径不超过0.5μm的五个或更多个碳氮化合物。

根据本发明的另一方面的制造机器零件的方法包括如下步骤：对钢材 进行成形来生产成形构件，该钢材含有至少0.60％质量百分比且不超过1.50％ 质量百分比的碳，至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比的硅，至 少0.30％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的锰，以及至少0.20％质量百 分比且不超过2.00％质量百分比的铬，并还含有不超过0.5％质量百分比的镍 和不超过0.2％质量百分比的钼中的至少任一种，其余部分由杂质构成；对该 成形构件进行碳氮共渗透；对已经碳氮共渗透的该成形构件进行淬火硬化；对 已经淬火硬化的该成形构件进行回火；以及对已经回火的该成形构件进行机加 工，由此形成接触表面，该接触表面是有待与另一零件接触的表面。在对该成 形构件进行碳氮共渗透的步骤中，对该成形构件进行碳氮共渗透，以在形成该 接触表面的步骤中，该接触表面之下的表面层部分中的氮浓度至少为0.3％质 量百分比。在对该成形构件进行回火的步骤中，对该成形构件进行回火，以使 该成形构件的残余奥氏体的平均数量整体上不超过20％体积百分比。对该成 形构件进行碳氮共渗透、对该成形构件进行淬火硬化、对该成形构件进行回火 以及形成该接触表面的诸步骤这样来进行，使得在该接触表面之下的该表面层 部分中，在垂直于该接触表面的截面中，每100μm²存在有直径不超过0.5μm 的五个或更多个碳氮化合物。

根据所述一个和另一个方面的制造机器零件的方法，可制造根据一个 和另一个方面的机器零件，在该机器零件中，在接触表面之下的表面层部分中， 在垂直于接触表面的截面中每100μm²存在直径不超过0.5μm的五个或更多个 碳氮化合物。

在上述制造机器零件的方法中，在淬火硬化该成形构件步骤中，以如下的 冷却速率来冷却将是接触表面之下的表面层部分的区域：在从淬火温度到 600℃的温度范围内以平均至少为20℃/秒的速率进行冷却，并在从淬火温度到 400℃的温度范围内以平均至少为30℃/秒的速率进行冷却，由此可使成形构件 淬火硬化。因此，通过碳氮共渗透将是降低淬火性能的表面层部分的区域可靠 地得到淬火硬化。

本发明的优点

从以上描述中可以明白，根据本发明的机器零件、滚动轴承、锥形滚柱轴 承以及制造机器零件的方法，可提供机器零件、滚动轴承、锥形滚柱轴承，以 及制造可同时达到耐用性提高和尺寸稳定性提高的机器零件的方法。

附图说明

图1是显示深槽滚珠轴承结构的示意性剖视图。

图2是显示图1中主要部分的放大的示意性局部剖视图。

图3是显示推力滚柱轴承结构的示意性剖视图。

图4是图3中滚道环的示意局部剖视图。

图5是图3中滚柱的示意性剖视图。

图6是示意性地显示制造滚动轴承的方法的流程图。

图7是显示差动器结构的示意性剖视图。

图8是显示锥形滚柱轴承结构的示意性剖视图。

图9是显示图8中主要部分的放大的示意性剖视图。

图10是用于描述图8中锥形滚柱轴承的设计规格的示意性剖视图。

图11是用于描述锥形滚柱的较大端面的曲率半径和油膜厚度之间关系的 示意图。

图12是用于描述锥形滚柱的较大端面的曲率半径和最大赫兹应力之间关 系的示意图。

图13是用于描述构成锥形滚柱轴承的轴承零件结构的示意性剖视图。

图14是显示锥形滚柱轴承的结构变化的示意性剖视图。

图15是示意性地显示制造锥形滚柱轴承的方法的流程图，。

图16是显示表面附近氮浓度的分布的示意图。

图17是显示表面附近氮浓度的分布的示意图。

图18是显示表面附近氮浓度的分布的示意图。

图19是显示表面附近氮浓度的分布的示意图。

图20是显示脱开附连之后在脱开部分附近的形状的示意图。

图21是显示压痕的示例形状的示意图。

图22是显示滚动疲劳寿命试验结果的示意图。

图23是显示表面层部分内的氮浓度和滚动疲劳寿命之间关系的示意图。

图24是显示表面附近残余奥氏体量的分布的示意图。

图25是显示残余奥氏体量和时效尺寸变化率之间关系的示意图。

图26是显示表面附近碳和氮浓度的分布的示意图。

图27是显示表面附近碳和氮浓度的分布的示意图。

图28是试验片表面的SEM照相图。

图29是试验片表面的SEM照相图。

图30是试验片表面的SEM照相图。

图31是试验片表面的SEM照相图。

图32是显示环境温度和硬度之间关系的示意图。

具体实施方式

现参照附图来描述本发明的实施例。在以下附图中，相同的附图标记指定 相同的或对应的部分，不再重复冗余的描述。

(第一实施例)

首先参照图1和2，将描述作为本发明一个实施例的第一实施例，作为举 例，引证一个作为机械元件的滚动轴承，其包括作为机器零件的轴承零件。深 槽滚珠轴承1包括外环11、内环12、滚珠13和轴承罩14，外环11用作为起 作轴承零件的第一滚道构件，内环12用作为起作轴承零件的第二滚道构件， 滚珠13作为多个滚动元件，这些滚动元件起作轴承零件。在外环11处，形成 了外环滚动接触表面11A，其用作环形的第一滚动接触表面。在内环12处， 形成了内环滚动接触表面12A，其用作与外环滚动接触表面11A相对的环形 的第二滚动接触表面。在多个滚珠13的各个滚珠处，形成了滚珠滚动表面 13A(滚珠13的表面)，其用作为滚动元件的滚动接触表面。外环滚动接触表面 11A、内环滚动接触表面12A和滚珠滚动表面13A都是这些轴承零件的接触 表面。滚珠13各自在滚珠滚动表面13A处与各个外环滚动接触表面11A和内 环滚动接触表面12A接触，诸滚珠13由环形轴承罩14保持，以预定间距沿 圆周方向布置，以便能够在环形滚道上滚动。有了上述结构，深槽滚珠轴承1 的外环11和内环12可相对于彼此转动。

参照图2，用作为轴承零件的外环11、内环12和滚珠13用淬火-硬化钢制 成，该钢材含有至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的碳，至少 0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比的硅，至少0.30％质量百分比且 不超过1.50％质量百分比的锰，以及至少0.20％质量百分比且不超过2.00％质 量百分比的铬，其余部分由杂质构成，例如，作为JIS高碳铬轴承钢的SUJ2。 在包括起作接触表面之用的外环滚动接触表面11A、内环滚动接触表面12A 和滚珠滚动表面13A的区域内，分别形成了氮浓度比内部分11C、12C和13C 高的富氮层11D、12D和13D。表面层部分11B、12B和13B具有离起作接触 表面之用的外环滚动接触表面11A、内环滚动接触表面12A和滚珠滚动表面 13A不超过20μm的距离，在如此的表面层部分内的平均氮浓度至少为0.3％ 质量百分比，这些接触表面为富氮层11D、12D和13D的表面。此外，整个 外环11、整个内环12和整个滚珠13各自之内的残余奥氏体量不超过20％体 积百分比。

各起作根据本实施例的轴承零件之用的外环11、内环12和滚珠13在接触 表面之下的表面层部分11B、12B和13B内具有至少0.3％质量百分比的氮浓 度，在整个外环11、整个内环12和整个滚珠13各自之内的平均残余奥氏体 量不超过20％体积百分比。其结果，外环11、内环12和滚珠13是可同时达 到耐用性提高和尺寸稳定性提高的机器零件。

应该指出的是，构成外环11、内环12和滚珠13的钢还可含不超过0.5％ 质量百分比的镍和不超过0.2％质量百分比的钼中的至少任何一种。因此，钢 的淬火特性提高，可获得大尺寸的滚动轴承的轴承零件。

在外环11、内环12和滚珠13中，在接触表面(外环滚动接触表面11A、 内环滚动接触表面12A和滚珠滚动表面13A)之下的表面层部分11B、12B和 13B内，在垂直于接触表面的截面中每100μm²可较佳地存在直径不超过0.5μm 的五个或更多个碳氮化合物。通过在表面层部分11B、12B和13B内存在大量 如此细的碳氮化合物，表面层部分11B、12B和13B的耐用性更加提高，于是， 可获得具有优秀耐用性的外环11、内环12和滚珠13。更佳地是，十个或更多 个上述碳化物存在于上述区域内。应该指出的是，例如，通过用扫描电子显微 镜(SEM)来观察上述区域，并使观察结果经受图像分析处理，便可检查上述 碳化物的存在(数量)。

还更为较佳地是，在外环11、内环12和滚珠13中，在离接触表面(外环 滚动接触表面11A、内环滚动接触表面12A和滚珠滚动表面13A)深度为50μm 的区域内的残余奥氏体量至少为20％体积百分比。因此，起作接触表面之用 的外环滚动接触表面11A、内环滚动接触表面12A和滚珠滚动表面13A的耐 用性、尤其是异物侵入环境内接触表面的耐用性均可得到提高。

此外，参照图1，上述内环12的径向内表面12E内的氮浓度可以不超过 0.05％质量百分比。因此，内环12在诸如轴那样构件上的配合状态得到稳定。

接下来，参照图3至5，将描述包括根据另一实施例的轴承零件(机器零 件)的滚动轴承。推力滚针轴承2具有基本上类似于上述深槽滚珠轴承1的结 构和效果的结构和效果。然而，推力滚针轴承2与深槽滚珠轴承1的不同之处 在于滚道构件和滚动元件的结构。这就是说，推力滚针轴承2包括一对起作滚 道构件的滚道环21，其具有圆盘形状，并被布置成它们的一个主表面彼此相 对，还包括作为滚动元件的针形滚柱23和环形轴承罩24。多个针形滚柱23 各自与滚道环滚动接触表面21A相接触，滚道环滚动接触表面21A形成在滚 柱滚动接触表面23A上彼此相对的一对滚道环21的一个主表面上，滚柱滚动 接触表面23A是针形滚柱23的外周表面，并由环形轴承罩24以预定间距布 置在圆周方向上，以能够在环形滚道上滚动。由于上述的结构，推力滚针轴承 2的成对滚道环21可相对于彼此转动。

推力滚针轴承2的滚道环21对应于深槽滚珠轴承的外环11和内环12，而 推力滚针轴承2的针形滚柱23对应于深槽滚珠轴承的滚珠13.它们由相类似的 原材料制造，并具有富氮层21D、23D、内部分21C、23C、表面层部分21B、 23B、滚道环滚动接触表面21A和滚动接触表面23A，它们具有类似的氮浓度 和类似的残余奥氏体量。因此，滚道21和针形滚柱23是能同时达到耐用性提 高和尺寸稳定性提高的机器零件。

接下来，将描述制造根据上述实施例的轴承零件和滚动轴承的方法。首先， 参照图6，在步骤(S10)处执行钢件准备步骤。在步骤(S10)处，钢件由含 有如下成分的钢制成：至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的碳， 至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比的硅，至少0.30％质量百分 比且不超过1.50％质量百分比的锰，以及至少0.20％质量百分比且不超过 2.00％质量百分比的铬，其余部分由杂质构成，例如，诸如JIS、SUJ2、SUJ3、 SUJ4和SUJ5之类的高碳铬轴承钢。具体来说，例如，准备具有上述组成成 分的钢棒、钢丝或类似型材。

接下来，如步骤(S20)那样执行形成步骤。在该步骤(S20)，对步骤(S10) 处准备好的钢棒、钢丝等型材实施机加工，例如，诸如锻造或车削，这样，可 生产出形成为如图1至5所示的外环11、内环12和滚珠13、滚道环21、针 形滚柱23等形状的成形构件。

接下来，如步骤(S30)那样执行碳氮共渗透步骤。在步骤(S30)处，对 步骤(S20)中产出的成形构件进行碳氮共渗透。例如，如下面将要描述的， 执行该碳氮共渗透过程。首先，上述成形构件在至少780℃和不超过820℃的 温度范围内预热至少30分钟且不超过90分钟的时间。接下来，预热的成形构 件在如下的氛围中被加热，在该氛围中，将氨气体进一步引入到吸热的气体(诸 如RX气体)内，并通过添加丙烷气体或丁烷气体作为待要碳氮共渗透的富集 气体来调整碳势。例如，碳氮共渗透的温度可设置在至少820℃且不超过 880℃。碳氮共渗透的时间可根据成形构件内所要形成的富氮层的氮浓度来设 定，例如，可设定为至少4小时且不超过12小时，较佳地至少为4小时和不 超过7小时。因此，可形成富氮层，同时限制成形构件的脱碳。

接下来，如步骤(S40)那样执行淬火步骤。在该步骤(S40)处，在步骤 (S30)带有通过碳氮共渗透而形成在其中的氮富集层的成形构件从预定的淬 火温度迅速地冷却，以进行淬火。例如，该淬火温度可设置为至少820℃和不 超过880℃，且较佳地设置为至少850℃和不超过880℃。例如，可通过将成 形构件浸渍在保持于预定温度下的作为冷却剂的淬火油内来执行淬火处理。在 步骤(S40)处，成形构件内要成为接触表面之下的表面层部分的区域较佳地 在从淬火温度到600℃的温度范围内，以平均至少20℃/秒的冷却速率进行冷 却，以及在从淬火温度到400℃的温度范围内，以平均至少30℃/秒的冷却速 率进行冷却。因此，有待成为表面层部分的通过步骤(S30)内碳氮共渗透降 低淬火性的区域，可以可靠地得到淬火硬化。

接下来，如步骤(S50)那样执行回火步骤。在步骤(S50)处，让在步骤 (S40)内经受淬火处理的成形构件承受回火处理。具体来说，在加热到至少 180℃和不超过240℃的温度范围的氛围中，将成形构件保持至少半个小时和 不超过三个小时的时间，由此执行回火处理。此外，回火温度可在至少180℃ 和不超过210℃。

接下来，如步骤(S60)那样执行精加工步骤。在步骤(S60)处，通过机 加工在步骤(S50)处经受回火处理的成形构件，可形成要与另一零件接触的 接触表面，即，深槽滚珠轴承1的外环滚动接触表面11A、内环滚动接触表面 12A和滚珠滚动表面13A，以及推力滚针轴承2的滚道环滚动接触表面21A 和滚动接触表面23A。作为精加工工艺，例如可执行研磨工艺。在全部上述的 步骤中，完成外环11、内环12、滚珠13、滚道环21、针形滚柱23等，它们 各自用作为根据本实施例的轴承零件。

此外，如步骤(S70)那样执行组装步骤。在该步骤(S70)处，将通过步 骤(S10)至(S60)形成的外环11、内环12、滚珠13、滚道环21、针形滚 柱23与单独准备好的轴承罩14、24等进行组合，以组装根据上述实施例的深 槽滚珠轴承1或推力滚针轴承2。因此，完成了制造根据上述实施例的滚动轴 承的方法。

这里，在上述步骤(S30)中，对成形构件进行碳氮共渗透，通过其后步骤 (S60)中进行的精加工，使得接触表面之下的表面层部分11B、12B、13B、 21B和23B内的氮浓度变为至少0.3％质量百分比。即，考虑到步骤(S60)处 的加工允差等，形成了具有调整过的氮量的富氮层11D、12D、13D、21D和 23D，这样，在接触表面完成之后，表面层部分内的氮浓度可以是至少0.3％ 质量百分比。

此外，在上述步骤(S50)处，成形构件经受回火处理，以使整个成形构件 内平均残余奥氏体量不超过20％体积百分比。

在完工产品中，为了将用作接触表面之用的区域内的残余奥氏体量设定到 至少20％体积百分比，所述区域具有离深槽滚珠轴承1的外环滚动接触表面 11A、内环滚动接触表面12A和滚珠滚动表面13A以及推力滚针轴承2的滚 道环滚动接触表面21A和滚动接触表面23A为50μm的深度，步骤(S30)处 形成的氮浓度分布、步骤(S40)处的淬火温度、步骤(S50)处的回火温度、 步骤(S60)处的加工允差等例如都可以进行调整。

此外，为了将内环12的径向内表面12E内的氮浓度设定到不超过0.05％质 量百分比，例如，可在用夹具或涂层覆盖径向内表面12E之后，执行步骤(S30)。

为了实现这样一种状态，即，在表面层部分11B、12B、13B、21B和23B 内，在垂直于接触表面的截面中，每100μm²存在有直径不超过0.5μm的五个 或更多个碳氮化合物，例如可调整步骤(S40)处的淬火温度、步骤(S50) 处的回火温度等。

(第二实施例)

接下来，将描述包括根据作为本发明另一实施例的第二实施例的锥形滚柱 轴承的车辆差动器。图7示出包括根据本实施例的锥形滚柱轴承的车辆差动器 的结构。在该差动器中，锥形滚柱轴承支承着用作为传动轴的齿轮轴。参照图 7，该差动器包括驱动小齿轮32、环形齿轮33、差动齿轮箱34、小齿轮35以 及侧齿轮36，所述驱动小齿轮32由两个锥形滚柱轴承3和4相对于外壳31 可转动地支承，环形齿轮33与驱动小齿轮32啮合，环形齿轮33附连到差动 齿轮箱34，且该差动齿轮箱34由一对锥形滚柱轴承5相对于外壳31可转动 地支承，小齿轮35布置在差动齿轮箱34内，侧齿轮36与小齿轮35相啮合。 锥形滚柱轴承3、4、5、驱动小齿轮32、环形齿轮33、差动齿轮箱34、小齿 轮35和侧齿轮36容纳在充满齿轮油的外壳31内。该齿轮油也起作上述锥形 滚柱轴承3、4和5的润滑剂。为了支承驱动小齿轮32的轴和环形齿轮33所 附连的差动齿轮箱34的轴，可使用齿轮轴支承装置，在该齿轮轴支承装置中 使用了各自用作为本实施例的锥形滚柱轴承的锥形滚柱轴承3、4和5。上述 差动器可用于两轮车辆。

接下来，将描述作为根据上述实施例的锥形滚柱轴承的代表性实例的锥形 滚柱轴承5。参照图8，锥形滚柱轴承5包括：具有锥形外环滚道表面40的外 环41；具有锥形内环滚道表面42的内环45，在该内环滚道表面42的较大直 径侧上设置有较大的法兰表面43，而在较小直径侧上设置有较小的法兰表面 44；多个锥形滚柱46，它们可滚动地布置在外环滚道表面40和内环滚道表面 42之间；以及轴承罩47，其以预定间距沿着圆周方向保持锥形滚柱46处。

参照图9，将内环45的较小法兰表面44精加工成为打磨过的平行于锥形 滚柱46的较小端面49的表面，其布置成与内环滚道表面42接触。在由图9 中交替的长虚线和短虚线所指示的初始组装状态中，内环45的较小法兰表面 44与锥形滚柱46的较小端面49面接触。在由实线指示的在锥形滚柱46落入 到正式位置中的状态中、即在锥形滚柱46的较大端面与内环45的较大法兰表 面接触的使用状态中，可调整内环45的较小法兰表面44和锥形滚柱46的较 小端面49之间的间隙δ，由此落入到尺寸调节范围内，其中，δ≤04mm。

如图10所示，包括锥形滚柱46外圆周表面的锥形表面、包括锥形外环滚 道表面40的锥形表面以及包括内环滚道表面42的锥形表面的各自的顶点在锥 形滚柱轴承5的中心线上的点O处彼此相一致。锥形滚柱46的较大端面48 的曲率半径R和从点O到内环45的较大法兰表面43的距离R_BASE的比值 R/R_BASE的范围从0.75至0.87。较大的法兰表面43已经被打磨光滑，这样， 表面粗糙度Ra变成为例如0.12μm。

图11示出借助于Karna公式计算内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端 面之间所形成的油膜厚度的计算结果。在图11中，垂直轴表示油膜厚度t相 对于比值R/R_BASE＝0.76时的油膜厚度t0之比t/t0。当比值R/R_BASE＝0.76时， 油膜厚度t达到最大，且在比值R/R_BASE超过0.9时，该油膜厚度快速减小。

另一方面，图12示出计算内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间 的最大赫兹应力的计算结果。在图12中，垂直轴表示最大赫兹应力p相对于 比值R/R_BASE＝0.76时的最大赫兹应力p0之比p/p0。最大赫兹应力p随比值 R/R_BASE增加而单调地减小。

从减小扭矩损失和由内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之间的滑 动摩擦造成的发热的观点来看，希望增大油膜厚度t和减小最大赫兹应力p。 参照以上所述的图11和12的计算结果，并依据将在以后描述的咬死阻力试验 的结果，合适的比值R/R_BASE范围可确定为0.75至0.87。

应该指出的是，尽管未予示出，但上述锥形滚柱轴承3和4也具有类似于 上述锥形滚柱轴承5结构的结构。在本实施例中，内环45的较小法兰表面44 被描述为打磨的表面，但为了降低成本也可以是车削的表面。

此外，用作为轴承零件的外环41、内环45和锥形滚柱46用淬火硬化的钢 制成，该钢材含有至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的碳，至 少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比的硅，至少0.30％质量百分比 且不超过1.50％质量百分比的锰，以及至少0.20％质量百分比且不超过2.00％ 质量百分比的铬，其余部分由杂质构成，例如，作为JIS高碳铬轴承钢的SUJ2。 在包括锥形外环滚道表面40、内环滚道表面42、较大法兰表面43、较小法兰 表面44和用作为接触表面的锥形滚柱的表面(作为滚动接触表面之用的较大 端面48、较小端面49和锥形滚柱滚动表面46A)的区域内，如图13所示， 分别形成具有高于内部分41C、45C和46C的氮浓度的富氮层41D、45D和 46D。表面层部分41B、45B和46B内的平均氮浓度至少为0.3％质量百分比， 表面层部分41B、45B和46B具有离开分别为富氮层41D、45D和46D的表 面的接触表面不超过20μm的距离。此外，外环41、全部内环45和全部锥形 滚柱46内各自整体的残余奥氏体量不超过20％体积百分比。

在根据上述实施例的锥形滚柱轴承5中，通过将比值R/R_BASE调整到从0.75 至0.87的范围，可限制锥形滚柱46的较大端面48和内环45的较大法兰表面 43之间的咬死。此外，外环41、内环45和锥形滚柱46是高强度轴承零件， 其中，接触表面之下的表面层部分41B、45B和46B内的氮浓度设定为至少 0.3％质量百分比，整体的平均残余奥氏体量设定为不超过20％体积百分比。 因此，获得了锥形滚柱轴承，其中，尺寸稳定性提高，同时达到耐用性的提高， 以承受包括异物侵入环境在内的严重环境中的滚动疲劳，并还进一步阻止由回 火软化阻力的提高所引起的咬死。其结果，锥形滚柱轴承5具有高的耐用性和 优秀的尺寸稳定性。

应该指出的是，构成外环41、内环45和锥形滚柱46的钢材还可含有不超 过0.5％质量百分比的镍和不超过0.2％质量百分比的钼中的至少任一种。因此， 钢的淬火性改善，且可获得大尺寸滚动轴承的轴承零件。

在外环41、内环45和锥形滚柱46中，在接触表面(外环滚道接触表面40、 内环滚道接触表面42、较大法兰表面43、较小法兰表面44和锥形滚柱表面(较 大端面48、较小端面49和用作滚动接触表面的锥形滚柱滚动表面46A))之 下的表面层部分41B、45B和46B内，每100μm²可较佳地存在有直径不超过 0.5μm的五个或更多个碳氮化合物。由于表面层部分41B、45B和46B内存在 着大量如此细的碳氮化合物，表面层部分41B、45B和46B耐用性更加提高， 于是，获得了具有优秀耐用性的外环41、内环45和锥形滚柱46。更佳地是， 十个或更多个上述碳化物存在于上述区域内。应该指出的是，例如，通过用扫 描电子显微镜(SEM)来观察上述区域，并使观察结果经受图像分析处理，便 可检查上述碳化物的存在(数量)。

此外，在外环41、内环45和锥形滚柱46中，在离接触表面深度为50μm 的区域内的残余奥氏体量较佳地至少为20％体积百分比。因此，起作接触表 面之用的外环滚道表面40、内环滚道表面42、较大法兰表面43、较小法兰表 面44和锥形滚柱表面(较大端面48、较小端面49和用作滚动接触表面的锥 形滚柱滚动表面46A)的耐用性、尤其是异物侵入环境内滚动接触表面的耐用 性均可得到提高。

参照图13，上述内环45的径向内表面45E内的氮浓度可以设定为不超过 0.05％质量百分比。因此，内环45在诸如轴那样构件上的配合状态得到稳定。

接下来，将描述根据上述实施例的锥形滚柱轴承的变型。根据本变型的锥 形滚柱轴承基本上具有与根据上述实施例的锥形滚柱轴承结构和效应类似的 结构和效应。然而，正如下文中将要描述的，本变型与上述实施例情形不同之 处在于锥形滚柱46的较大端面48以及内环45的较大法兰表面43的结构。

参照图14，根据本变型的锥形滚柱轴承中，内环45的较大法兰表面43包 括基面43a和光滑地连接到基面43a外侧并具有拱形横截面的侧腹43b。斜面 43c设置在侧腹43b的外侧上。参照图10和14，具有曲率半径R的球形表面 48a形成了锥形滚柱46的较大端面48，该曲率半径R合适地小于从点O到内 环45的较大法兰表面43的距离R₀。如图14所示，具有圆形平面形状的凹陷 48b设置在该球形表面48a的中心部分处。该凹陷48b的外周端定位在较大法 兰表面43的基面43a和侧腹43b之间的边界附近(边界区域内)。

在轴承使用过程中，锥形滚柱压靠在较大法兰表面43上而随较大端面48 滚动。因此，球形表面48a的一部分与基面43a接触，以产生如图14所示的 接触椭圆50。侧腹43b和基面43a之间的边界设置在该接触椭圆50的外边缘 附近。因此，侧腹43b和球形表面48a形成紧靠接触椭圆50的锐角楔形间隙。

在轴承使用过程中，接触椭圆50随着轴向载荷变大而变大。假定在许用的 最大轴向载荷下接触椭圆为最大，根据本变型的锥形滚柱轴承5设计成：侧腹 43b和基面43a之间的边界位于该最大接触椭圆的外边缘附近。因此，润滑剂 可抽入其中的楔形间隙可合适地形成在全部使用载荷范围上。

接下来，将描述制造根据上述实施例的轴承零件和滚动轴承的方法。首先 参照图15，在步骤(S10)处执行钢件准备步骤。在该步骤(S10)处，钢件 由含有如下成分的钢制成：至少0.60％质量百分比且不超过1.50％质量百分比 的碳，至少0.15％质量百分比且不超过2.50％质量百分比的硅，至少0.30％质 量百分比且不超过1.50％质量百分比的锰，以及至少0.20％质量百分比且不超 过2.00％质量百分比的铬，其余部分由杂质构成；或者含有至少0.60％质量百 分比且不超过1.50％质量百分比的碳，至少0.15％质量百分比且不超过2.50％ 质量百分比的硅，至少0.30％质量百分比且不超过1.50％质量百分比的锰，以 及至少0.20％质量百分比且不超过2.00％质量百分比的铬，还含有不超过0.5％ 质量百分比的镍和不超过0.2％质量百分比的钼中的至少任何一种，其余部分 由杂质构成，例如，诸如JIS、SUJ2、SUJ3、SUJ4和SUJ5之类的高碳铬轴承 钢。具体来说，例如，准备具有上述组成成分的钢棒、钢丝或类似型材。

接下来，如步骤(S20)那样执行形成步骤。在该步骤(S20)，对步骤(S10) 处准备好的钢棒、钢丝等型材实施机加工，例如，诸如锻造或车削，从而生产 出形成为外环41、内环45和锥形滚柱46形状的成形构件。

接下来，如步骤(S30)那样执行碳氮共渗透步骤。在步骤(S30)处，对 步骤(S20)中产出的成形构件进行碳氮共渗透。例如，如下面将要描述地执 行该碳氮共渗透过程。首先，上述成形构件在至少780℃和不超过820℃的温 度范围内预热至少30分钟且不超过90分钟的时间。接下来，预热的成形构件 在如下的氛围中进行加热，在该氛围中，氨气体进一步被引入到吸热气体(诸 如RX气体)内，并通过添加丙烷气体或丁烷气体作为待要碳氮共渗透的富集 气体来调整碳势。例如，碳氮共渗透的温度可设置在至少820℃且不超过 880℃。碳氮共渗透的时间可根据成形构件内所要形成的富氮层的氮浓度来设 定，例如，可设定为至少4小时且不超过12小时，较佳地至少为4小时和不 超过7小时。因此，可形成富氮层，同时限制成形构件的脱碳。

接下来，如步骤(S40)那样执行淬火步骤。在该步骤(S40)处，带有在 步骤(S30)通过碳氮共渗透而形成在其中的富氮层的成形构件从预定的淬火 温度迅速地冷却以进行淬火。例如，该淬火温度可设置为例如至少820℃且不 超过880℃，且较佳地设置为至少850℃且不超过880℃。例如，可通过将成 形构件浸渍在保持于预定温度下的作为冷却剂的淬火油内来执行淬火处理。在 步骤(S40)处，成形构件内要成为接触表面之下的表面层部分的区域较佳地 在从淬火温度到600℃的温度范围内，以平均至少20℃/秒的冷却速率进行冷 却，以及在从淬火温度到400℃的温度范围内，以平均至少30℃/秒的冷却速 率进行冷却。因此，有待成为表面层部分的、通过步骤(S30)内碳氮共渗透 降低淬火性的区域可以可靠地得到淬火硬化。

接下来，如步骤(S50)那样执行回火步骤。在步骤(S50)处，使在步骤 (S40)内经受淬火处理的成形构件承受回火处理。具体来说，在加热到至少 180℃和不超过240℃的温度范围的氛围中，使成形构件保持至少半个小时且 不超过三个小时的时间，由此执行回火处理。此外，回火温度可为至少180℃ 且不超过210℃。

接下来，如步骤(S60)那样执行精加工步骤。在步骤(S60)处，通过对 在步骤(S50)处经受回火处理的成形构件进行机加工，可形成要与另一零件 接触的接触表面，即，外环41的外环滚道表面40、内环45的内环滚道表面 42和锥形滚柱46的锥形滚柱滚动表面46A。作为精加工工艺，例如，可执行 研磨工艺。在上述的所有步骤中，完成外环41、内环45、锥形滚柱46等，它 们各自用作为根据本实施例的轴承零件。

此外，如步骤(S70)那样执行组装步骤。在该步骤(S70)处，通过步骤 (S10)至(S60)形成的外环41、内环45和锥形滚柱46与单独准备好的轴 承罩47等进行组合，以组装根据上述实施例的锥形滚柱轴承5。因此，完成 了制造根据上述实施例的滚动轴承的方法。

这里，在上述步骤(S30)中，对成形构件进行碳氮共渗透，使得接触表面 之下的表面层部分41B、45B和46B内的氮浓度在其后步骤(S60)中进行的 精加工中变为至少0.3％质量百分比。即，考虑到步骤(S60)处的加工允差等， 形成了具有调整过的氮量的富氮层41D、45D和46D，这样，在接触表面完成 之后，表面层部分内的氮浓度可以是至少0.3％质量百分比。

此外，在上述步骤(S50)处，成形构件经受回火处理，以使成形构件内整 体的平均残余奥氏体量不超过20％体积百分比。

在完工的产品中，为了将用作接触表面之用的区域内的残余奥氏体量设定 到至少20％体积百分比，其中所述区域具有离外环滚道表面40、内环滚道表 面42和锥形滚柱滚动表面46A为50μm的深度，例如在步骤(S30)处形成 的氮浓度分布、步骤(S40)处的淬火温度、步骤(S50)处的回火温度、步 骤(S60)处的加工允差等都可以进行调整。

此外，为了将内环45的径向内表面45E内的氮浓度设定到不超过0.05％质 量百分比，例如，可在用夹具或涂层覆盖径向内表面45E之后执行步骤(S30)。

为了实现这样一种状态，即，在表面层部分41B、45B和46B内，每100μm² 存在有直径不超过0.5μm的五个或更多个碳氮化合物，例如可调整步骤(S40) 处的淬火温度、步骤(S50)处的回火温度等。

应该指出的是，上述实施例中描述的锥形滚柱轴承5是本发明锥形滚柱轴 承的实例。本发明的锥形滚柱轴承适用于各种形式的锥形滚柱轴承。

实例

(实例1)

为了研究表面层部分内氮浓度对滚动轴承滚道环耐用性的影响而进行实 验。具体来说，用滚道(内环)的滚动接触表面处形成的压痕来进行滚动疲劳 寿命试验。实验的程序将在下面描述。

用JIS6206深槽滚珠轴承(具有30mm内直径、62mm外直径、16mm宽 度、9个滚动元件，且用SUJ2制成)和JIS30206锥形滚柱轴承(用JIS SUJ2 制造的轴承零件)进行该试验。首先，通过类似于上述实施例的程序来形成内 环。此时，通过调整未分解的氨的局部压力、氢局部压力、碳活性、热处理时 间以及碳氮共渗透过程中的气氛中淬火温度，来控制进入内环表面附近的氮浓 度的分布。为比较起见，还形成不经受碳氮共渗透过程的内环。其结果是，获 得了具有如图16至19所示四种类型的氮浓度分布的内环。这里，在图16至 19中，水平轴表示离表面(滚动接触表面)的距离，而垂直轴表示氮浓度。

接下来，在各个所获得的内环处形成压痕。这里，作为模拟实际使用环境 的滚动轴承寿命的评估方法，可在混合有异物的润滑剂中实施寿命试验。该试 验方法通过气体雾化所产生的直径为100μm至180μm的颗粒(具有近似为 800HV的硬度)混合到滚动轴承润滑剂内，来运转该滚动轴承，由此评估滚 动轴承的破损寿命。将颗粒直径设定为100μm至180μm的原因是因为具有最 大近似为100μm的颗粒直径的硬异物会混合在实际使用环境中。图20示出在 混合有该异物的润滑剂下进行的寿命试验所损坏的滚道环的表面形状(压痕形 状)。在图20中，水平轴表示沿表面(滚动接触表面)离开参考点的距离， 而垂直轴表示高度。从水平轴上的参考点到0.3mm附近的区域对应于初始滚 动接触表面，从0.3mm至1.1mm附近的区域对应于压痕，超过1.1mm的区域 对应于脱开的部分。从图20中可见，由上述硬异物形成的压痕具有近似15μm 至20μm的深度。

压痕突出部的形状和微观结构是确定寿命的主要因素。压痕突出部的形状 被认为由下陷到压痕深度的材料微结构所确定。钢的微结构根据氮浓度而变 化。由此，在有硬异物侵入的环境中的寿命被认为不仅依赖于表面内的氮浓度， 而且依赖于从表面到压痕深度的氮浓度。

如上所述，压痕深度最大变为近似20μm。由此，本申请的说明书等定义从 表面到20μm深度的区域作为表面层部分的，以及定义表面层部分内的平均氮 浓度作为“表面层部分内氮浓度”。具体来说，通过在垂直于表面的横截面上用 EPMA(电子探查微分析)方法沿着深度方向进行线性分析，可检查该表面层部 分内的氮浓度，以计算从表面到20μm深度的平均值。

鉴于以上研究结果，通过以196N的载荷将锥形的金刚石Rockwell硬度测 量用硬度计压头(在顶角为120°的锥体顶部处具有曲率为0.2mm的球形表面 的硬度计压头)压靠在滚动接触表面的中心(槽底的中心)上，在内环处形成 压痕。通过用三维表面形状装置来测量所形成的压痕形状，已经确定：压痕外 围上的突出部沿轴向方向和圆周方向具有大致对称的形状，而压痕中心起对称 轴的功能。图21示出压痕的代表性形状。在每个内环处给出30个压痕，并在 圆周方向上形成规则的间距(即，每隔中心角12°)。

由此形成的内环与未经受碳氮共渗透或不具有形成在其中的任何压痕的公 共外环、滚动元件、轴承罩等组合，以组装成轴承。然后，所获得的轴承经受 寿命试验。试验结构显示在图22中。

在图22中，水平轴表示使用寿命(试验开始之后直至发生脱开之前的时 间)，而垂直轴表示累积失效几率。在图22的解释性注解中，示出了“淬火温 度-回火温度-表面层内氮浓度”。例如，所标示的850℃-180℃-N0.4％代表850℃ 的淬火温度、180℃的回火温度以及0.1％质量百分比的表面层部分内氮浓度。 参照图22，可见寿命随表面层部分内氮浓度增加而变得更长。这里，表面层 部分内氮浓度和累积失效几率达到10％(L10寿命)的时间之间的关系显示 在图23中。如图23所示，当L10寿命随表面层部分内氮浓度增加而变得更 长时，L10寿命的提高随氮浓度增加而趋于饱和。在氮浓度至少为0.3％质量 百分比处寿命改善缓慢。由此，可以理解，将表面层部分内氮浓度设置到至少 0.3％质量百分比对于延长寿命来说是有效的。

(实例2)

为了研究残余奥氏体量对稳当尺寸变化的影响进行实验。使用SUJ2作为 原材料，生产若干具有外直径、内直径和15mm宽度的环形试 验片，其淬火温度、回火温度和表面层部分内的氮浓度不同。实施热处理以将 这些试验片加热到230℃，并保持两小时。热处理之前和之后的外直径的尺寸 差值除以热处理之前的外直径，以计算出时效尺寸变化率。试验结果显示在表 1中。另一方面，上述试验片中每个的残余奥氏体量分布显示在图24中。从 图24中残余奥氏体量的该分布中计算出每个试验片内的平均值，并检查先前 计算出的与各个试验片的时效尺寸变化率的关系。全部试验片的平均残余奥氏 体量和时效尺寸变化率之间的关系显示在图25中。

表1

参照表1和图25，可以确定，通过将回火温度提升到210℃以减小试验片 整体的平均残余奥氏体量，可减小时效尺寸变化率。可以理解到，将平均残余 奥氏体量设定为不超过20％体积百分比，较佳地不超过15％体积百分比，从 减小时效尺寸变化率的观点来看是有效的，尤其是通过设定不超过11％体积 百分比，时效尺寸变化率可减小到小于100x10^-5。

(实例3)

为了研究接触表面之下表面层部分内碳氮化合物的分布状态进行实验。在 与上述实施例情形中的程序相类似的程序之下，在碳氮共渗透过程中调整碳的 活性以抑制由于溶解引起的碳化合物的消失的条件下生产SUJ2试验片。该制 造条件对应于在上述实例1中确定的长寿命的试验片的制造条件。具体来说， 淬火温度是850℃，回火温度是180℃，表面层部分内氮浓度是0.3％质量百分 比(实例A)。另一方面，为作比较起见，类似地在表面附近出现脱碳的条件 下生产试验片(比较例)。比较例和实例A的试验片中表面附近的碳浓度分 布和氮浓度分布分别显示在图26和27中。

参照图26和27，在比较例的试验片中，表面附近的碳浓度减小并确认为 脱碳，而在实例A的试验片中，表面附近的碳浓度维持在基本上等于内部水 平的水平上。比较例的表面层部分的SEM照片和实例A的表面层部分的SEM 照片分别显示在图28和29中。具有880℃的淬火温度、210℃的回火温度以 及0.3％质量百分比的表面层部分内的氮浓度的试验片(实例B)的表面层部 分的SEM照片显示在图30和31中。

这里，由于实例A和B对应于上述实例1中确定长寿命的制造条件，根据 表面层部分的SEM照片(垂直于表面的横截面的SEM照片)，计算出被认 为有利于沉淀加强的具有不超过0.5μm直径的多个碳氮化合物数量。计算结果 显示在表2中。

表2

对每个试验片检查三次(在三个位置处)100μm²内区域中存在的碳氮化合 物的数量，以计算平均值。如表2所示，已经确定，在确定为长寿命的实例A 和B中，直径不超过0.5μm的五个或更多个碳氮化合物存在于100μm²内。

(实例4)

实施一种实验以确认通过将上述的比值R/R_BASE和值δ设定到合适的范围 所达到的效应。

准备锥形滚柱轴承，在该锥形滚柱轴承中，将锥形滚柱的较大端面的曲率 半径R调整在下述范围内，其中，上述的R/R_BASE＝0.75至0.87，内环的较大 法兰表面所具有的表面粗糙度Ra为0.12μm，较小法兰表面由打磨表面形成， 该打磨表面平行于锥形滚柱的较小端面，间隙δ调整为落入δ≤0.4mm的范围 内(实例)。轴承的尺寸在任何情况下具有40mm的内直径和68mm的外直 径。另一方面，为作比较起见，还准备如下情形的锥形滚柱轴承，其中，R/R_BASE比值落在上述范围之外，内环的较小法兰表面相对于锥形滚柱的较小端面向外 倾斜，以及间隙δ超过0.4mm(比较例)。各个轴承的尺寸等于上述实例中的 尺寸。更具体地说，准备了对应于表3中所示实例的四种类型的锥形滚柱轴承， 以及对应于比较例的三种类型的锥形滚柱轴承。

表3

然后，对于上述实例和比较例中的每个锥形滚柱轴承，用旋转试验机来实 施咬死阻力试验。还对实例D和比较实例B的锥形滚柱轴承实施了磨合试验。 对于实例D来说，磨合试验中的试样数为66，而对于比较例B来说则为10。 咬死阻力试验的试验条件如下。

施加载荷：19.61kN

转速：1000至3500rpm

润滑剂：涡轮油VG56(润滑量40ml/min，润滑温度40℃±3℃)

实验结果显示在表3中。咬死阻力试验中的咬死出现在内环的较大法兰表 面和锥形滚柱的较大端面之间。

在实例的各个锥形滚柱轴承中，为在咬死阻力试验中防止出现咬死的限制 转速至少为2700rpm，这意味着内环的较大法兰表面和锥形滚柱的较大端面之 间的摩擦阻力较小。另一方面，在比较例的锥形滚柱轴承中，为防止出现咬死 的限制转速不超过2500rpm，这在差动器等的通常使用条件下可能是不利的。 在较大法兰表面的表面粗糙度Ra较高的比较例C中显现出，防止出现咬死的 限制转速小于具有同样曲率半径R的比较例B的限制转速。

根据磨合试验的结果，在比较例中，各个锥形滚柱落定到正式位置中之前 的转数平均值是六，而在实例中的平均值为2.96，约为一半。应该理解到，在 实例中转数波动的标准偏差较小，于是可稳定地缩短磨合时间

(实例5)

实施一种实验以确认通过形成富氮层所造成的回火软化阻力的改进。首先， 准备JIS SUJ2的试验片。然后，在将氨气体添加到RX气体的氛围中，将试 验片加热到850℃并保持180分钟，使得表面层部分内的氮浓度成为至少0.3％ 质量百分比。然后，形成淬火-硬化的试样(实例；高浓度氮化产品)。另一 方面，为作比较起见，准备类似的试验片。在RX气体氛围中将试验片加热到 850℃并保持80分钟。然后，形成淬火-硬化的试样(比较例；正常淬火产品)。 进行热处理，以在保持预定温度的氛围中加热由此获得的实例和比较例的试 样，测量热处理之后的表面硬度。实验结果显示在图32中。

参照图32，不管试样在哪个环境温度下加热，实例的试样的表面硬度总高 于比较例试样的表面硬度。随着环境温度的上升，两者之间的硬度差别趋于变 大。由此，可以确定，通过将表面层部分内氮浓度设定到至少0.3％质量百分 比，便可改善回火软化阻力。回火软化阻力的该种改善被认为有利于改进咬死 阻力。

尽管在上述的第一实施例和实例1至3中，已经将滚动轴承的部件描述为 本发明的示例性机器零件，但本发明的机器零件不局限于该种情形，而适用于 具有与另一零件相接触的接触表面的各种机器零件，诸如万向接头或齿轮的部 件。

应该理解到，这里所披露的实施例和实例在各种方面都是说明性的而不是 限制性的。本发明的范围由权利要求书予以限定，而不是由以上的描述来限定， 本发明的范围意欲包括落入在等价于权利要求书的权项的含义和范围内的任 何修改。

工业应用性

本发明的机器零件、滚动轴承、锥形滚柱轴承和制造机器零件的方法可特 别有利地适用于需要同时达到耐用性提高和尺寸稳定性提高的机器零件、滚动 轴承、锥形滚柱轴承和制造机器零件的方法。

附图标记说明

1 深槽滚珠轴承；2 推力滚针轴承；3、4、5 锥形滚柱轴承；11、41 外 环；11A 外环滚动接触表面；11B、12B、13B、21B、23B、41B、45B、46B 表面层部分；11C、12C、13C、21C、23C、41C、45C、46C 内部分；11D、 12D、13D、21D、23D、41D、45D、46D 富氮层；12、45 内环；12A 内 环滚动接触表面；12E、45E 径向内表面；13 滚珠；13A 滚珠滚动表面； 14、24 轴承罩；21 滚道环；21A 滚道环滚动接触表面；23A 滚动接触 表面；31 外壳；32 驱动小齿轮；33 环齿轮；34 差动齿轮箱；35 小 齿轮；36 侧齿轮；40 外环滚道表面；42 内环滚道表面；43 较大法兰 表面；43a 基面；43b 侧腹；43c 斜面；46A 滚动表面；48 较大端面；48a 球形表面；50 接触椭圆。