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CN1950619A - 用于对分式球面轴颈的球形元件及制造方法 - Google Patents

用于对分式球面轴颈的球形元件及制造方法 Download PDF

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CN1950619A CNA2005800142590A CN200580014259A CN1950619A CN 1950619 A CN1950619 A CN 1950619A CN A2005800142590 A CNA2005800142590 A CN A2005800142590A CN 200580014259 A CN200580014259 A CN 200580014259A CN 1950619 A CN1950619 A CN 1950619A
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Abstract

本发明涉及制造球体，尤其用于球节的球体的一种方法以及涉及一种用于对分式球面轴颈的球形元件。按照发明的球体制造通过冷挤压和紧接着的磨削来实现，其中应用了微合金化的碳锰钢用于制造球体。由于应用了微合金化碳锰钢球体具有一种由于冷加工而有突出的强度的硬度。按照现有技术用于制造属于此类的球体所必需的调质处理工序因此可以取消，因而可以使用价廉的材料并因此大大降低制造成本。发明可以更简单和更经济有利地实现尤其是用于对分式球面轴颈的球体的制造，其中同时还保持或者提高了表面质量和材料质量以及强度和耐磨性，而且降低了球体的制造消耗并还排除了在调质处理时经常出现的在球体表面上的撞击点的问题。

Description

用于对分式球面轴颈的球形元件及制造方法
技术领域
发明涉及按照权利要求1所述的用于制造尤其是用于球节的球体或者球形元件的一种方法。发明还涉及按照权利要求7的前序所述的一种用于对分式球面轴颈的球形元件。
背景技术
对分式球面轴颈大多包括一个轴颈元件以及一个单独的用于接纳轴颈元件而打有孔的球体。这里已公开的是用冷挤压来制造用于对分式球面轴颈的球体，准确地说球形元件，例如象带孔的球体或者球形元件。在现有技术中通常应用调质钢来制造用于对分式球面轴颈的球体。在球体冷挤压后首先使球体调质处理。与调质过程相联系的是使球体淬火，其方法是将加热或者软化状态下的球体从调质炉倒入淬火介质里。
但在倒入淬火介质时仍还软的球体相互碰撞或才撞在淬火容器壁上，因此在球体表面上产生不希望有的撞击点。这些撞击点必须在随后的工序中很费事地再去除掉，例如通过磨削球体表面。然而基本上必须在整体球体表面上都磨去许多材料，如相当于撞击点的深度的材料量。这里就要磨去相当多的材料量，这一方面大大延长了磨削时间，另一方面导致磨具的快速磨坏。此外必须在球面加工时预先以加工余量形式考虑所要磨去的材料量，因此就造成了附加的材料费用。
已知的制造这种球体的方法的另一个缺点在于：按照现有技术为此必须使用调质钢。但这种调质钢比其它钢更贵，这还与以下有关联：调质钢必须在拉拔车间里拉拔并退火到球状渗碳体(GKZ)以便实现所希望的材料组织。
此外这由调质钢制成的球体必须在冷挤压后不言而喻地进行相应的调质处理，从而使这由调质钢制成的球体达到所希望的，规定的调质钢硬度值和强度性能。但所有这些花费大并因此导致球体制造成本过高。
发明内容
在这种背景下本发明的任务是提出一种尤其用于对分式球面轴颈的球体或者说这球体的制造方法，用这种球体或者说此方法就可以克服现有技术中的缺点。
球体应该可以特别简单和经济有利地制成。尤其应该克服球体表面上产生撞击点的问题。并因此不必接着排除这些撞击点了。但这用已知的方法所达到的球体的高材料质量和高表面质量以及所希望的球体的高强度同时也应该达到或者保持。
该任务通过具有权利要求1的特征的方法或者通过具有权利要求7的特征的球形元件来解决。优选的实施形式分别见从属权利要求。
按照发明的制造球体的方法包括以下所示的工序。
首先以本身就已知的方式在第一个工序里由毛坯制成一种杆段或者线材段。然而其中应用一种由微合金化的碳锰钢组成的毛坯。这里首先原则上说每种具有微合金化元件的碳锰钢都适合，这种钢在熔炼后被热扎并生成一种细晶粒的铁素体-球光体组织。
接着使这部段酸洗，尤其要排除氧化层并为以后的工序提供所述段的一种纯金属表面。
在下一个工序中使杆段或者线材段通过冷挤压成型，从而产生所希望的球体形状。
最后在下一个工序中将球体表面磨削到规定的尺寸和规定的形状。
按照发明的方法在许多方面是特别有利的。首先代替了由现有技术已知的调质钢而采用一种微合金化的碳-锰钢用来制造球体。微合金化碳锰钢尤其不必进行调质，但如所示那样由于冷变形而达到一种突出的强度和硬度，这种冷变形则在由杆段或者线材段冷挤压成球体的工序中进行。
由于按照现有技术用来制造球体总是必需的调质工序可以取消，因此首先与调质相连系的费用以及相应的成本同样也没有了。而由此与现有技术联系的在球体表面上产生不希望的撞击点的问题尤其也完全排除，这些撞击点是在将热的或者说软的球体从调质炉里倒入淬火介质里时产生的。
此外用另一句话说意味着：球体在冷挤压时就可以非常接近于最终尺寸，因为不再如现有技术那样必须考虑到磨削球体时很大的材料磨削量了，这种磨削量是在那里用于去除撞击点所必需的。按此方式一方面使所用的毛坯完全地充分利用，因此节省了材料成本。另一方面大大缩短了用于随后磨削所需的时间，这是因为必须磨削掉的材料大大减少了。按此方式尤其还大大减少了磨削工具的磨损以及随之产生的磨削油泥，这同样也节省了成本并且有利于制造方法的环境保护。
正如所示那样，由微合金化碳锰钢冷挤压成的球体在挤压之后，由于冷加工以及由于所述的微合金化钢的特殊性能，甚至具有比由现有技术已知的调质球体更高得多的硬度。
这种较高的硬度一方面改善了球体的可磨削性并缩短了必需的磨削时间。另一方面在整个制造过程中在操作球体时，尤其也在磨削之后，在球体，表面上产生还要少的撞击点。这是有利的，因为一种尽可能地接近于理想球体表面的没有撞击点的球体形状就形成特别轻便灵活和少磨损的球节，这种球节在工作中当球体于轴承套里运动时产生尽可能小的滞滑效应。
按照发明的一种优选的实施形式这些部段在酸洗之后在下一个工序中进行拉拢或者说在酸洗之后将部段退火并拉拢至球形渗碳体(GKZ处理)。按此方式在最终的冷挤压之前就达到材料的一种冷作硬化，因此进一步提高了接着所获得的球体的强度。
按照另外一种同样也优选的发明的实施形式，在拉拔前或者说在GKZ处理之前使线材段或者杆段进行磷化处理和/或涂上一种干润滑剂。因为在冷挤压时，在工件和工具之间产生高的压应力，因此大多数必须采取措施，通过这些措施防止在工具和工件之间发生冷焊接。这在此处通过在线材段或者杆段上涂上一个载体层或者磷化层。在这载体层上又设有一层干润滑层，这干润滑层在冷挤压时具有足够的耐压性并因此阻碍了在工作和工具之间的金属接触。作为耐压的固体润滑剂例如可以使用石墨、二硫化钼、特殊的皂粉润滑剂或蜡。
按照发明的一种优选实施形式在球体表面磨削之后在下一个工序中进行球体的氮碳共渗。
氮碳共渗可以改善耐蚀性和耐磨性，尤其是在球体和轴瓦之间有表面粘附时。此外氮碳共渗的表面具有减小的磨擦系数。其原因是在氮碳共渗时在球体表面上产生的具有特别高的稳定性的所谓连接层，此连接层只具有百分之几毫米的厚度。此外这氮碳共渗是一种比较环保的方法并形成一种有利的例如对于电镀离析层的备选方案。氮碳共渗优选在盐浴中进行。
按照发明的另一种优选的实施形式，使球体在磨削之后或者在氮碳共渗之后在另外一个工序里进行抛光或者说重新磨削并接着抛光。因此进一步提高了球体表面的耐蚀性和耐磨性，并且进一步降低了磨擦系数。
按照发明的另外一个同样也是优选的实施形式这种碳锰钢具有一种微合金化元素用于加速在渗氮或者氮碳共渗时氮的渗透。对于微合金化元素来说特别优选的是指钒。
通过应用尤其是钒作为微合金化元素使渗氮时氮的渗透加速。按此方式可以在不改变渗氮时间的情况下实现连接层较大的硬度值和较大的淬火深度，因此除此之外还进一步改善腐蚀性能。另一种可选方案用较短的工序时间或者渗氮时间可以实现连接层的如同在调质钢时那样相同的有利的性能。试验例如已经表明：盐浴过程时间按此方式可以以90分钟降低33％至60分钟。
总之通过优化的渗氮过程或者通过缩短渗氮时间相比于由现有技术所已知的使用调质钢的球体的制造方法来说，按发明的方法具有另一个成本方面的优点。
发明还涉及一种球形元件，尤其用于对分式球面轴颈。一种对分式球面轴颈以其本身已知的方式基本上由一个轴颈元件和一个打有孔的球形元件组成。然而按照发明球形元件的特征在于：它由具有微合金化元素的非调质碳锰钢组成。
微合金化碳锰钢不需要调质过程，而由于通过冷挤压的冷加工而具有突出的强度和硬度。如开头已表示的那样，因此可以取消用于按现有技术制造球体所必需的调质，因而就取消了相应的费用以及与之关联的成本。此外也解决了在球体表面上不想要的撞击点问题，因为无备用地取消了与之有关的成问题的将热的或者说软的球体从调质炉里倾倒入淬火介质里的过程。微合金化碳锰钢按照发明的优选实施形式进行了拉拔、GKZ处理或者涂层，尤其是磷化。
按照发明的一种优选实施形式球形元件进行了氮碳共渗。因此改善了球形元件的耐蚀性和耐磨性以及磨擦特性，尤其是涉及到对于球节来说由于小的角速度而产生的在球体和轴瓦之间的粘附。
按照发明的另一种优选的实施形式将球形元件磨削和/或抛光，因此得到用于质量特别高级的，长寿命和少磨擦的球节的球体。
按照另一种同样也优选的发明的实施形式微合金化元素包括有钒。
因此渗氮的或者氮碳共渗的球体有一种特别硬的或者说特别厚的连接层，因此尤其是改善了耐蚀性能。
附图说明
以下根据只是表示了一个实施例的附图对发明详细加以说明。附图示出：
图1：按现有技术的一种用于球体的调质钢的组织的显微照片图，
图2：按照本发明的用于球体的一种微合金化碳锰钢的组织的对应于图1的图；
图3：按韦泊分布的累积断裂概率P与抗拉强度σ(MPa)的对数图；
图4：按发明制造的球体与按现有技术的调质的球体的强度对比的一种直线柱图；
图5：在按照发明制造的球体的通过氮碳共渗制造的连接层与按照现有技术调质的球体对比的性能曲线图；
图6：用于对分式球面轴颈的一种按照发明制造的球体的二个不同视图。
具体实施方式
图1高倍放大表示了按照现有技术用于球体的一种调质钢的铁素体-珠光体组织的显微照片图。具体是指一种热轧的钢号为41Cr4的标准调质钢的组织。
图2表示了按照本发明的用于球体的微合金化碳锰钢的同样也是铁素体-珠光体组织的显微照片，它有与按图1的调质钢的显微照片相同的放大倍数。
在此这是指制造时同样也热轧的微合金化钢，其牌号为35V1或者C-M-V。
这种钢具有以下合金元素(所有参数为重量百分比)：
0.35％C；0.20％Si；0.75％Mn；0.02％P；0.02％S；0.20％Cr；0.15％Ni；0.20％Cu；0.10％V；0.02％Al；0.01％N。
综观图1和2可以见到在与按图1的通常调质钢相比时，按图2的微合金化钢的组织要细得多。按照图2的微合金化钢的细组织尤其造成了微合金化钢的特别良好的冷加工性，这有利地有助于通过冷挤压制造按照本发明的球体。
图3表示了不同冷挤压的球体的由硬度测量值计算出的强度。此图中纵轴是双对数表示的累积断裂概率P，以韦泊分布的形式，而横轴表示的是抗拉强度σ(MPa)。按DIN 50 150的抗拉强度由所测的硬度值计算出，其中测量了在球体不同点上的硬度值。
按图3所示为三个不同类型球体的测量值。图中用字母A表示的菱形测量点是指按照发明通过冷挤压制成的由微合金化碳-锰钢组成的球体。图3中用字母B所表示的方块形测量点涉及由调质钢制成的按照现有技术的球体。具体来说指一种牌号为38MnB5的通常的调质钢。图3中用字母C表示的三角形测量点又是指按发明的由微合金化碳锰钢制成的球体，其中三角形测量点涉及在氮碳共渗之后的按照发明的球体。
由图3可见，按发明的由微合金化碳锰钢制成的球体(菱形)的强度远远高于按现有技术的调质钢的强度(正方形)。这种较高的硬度还在通过磨削加工球体时是有利的，这是因为按此方式可以明显缩短磨削时间，因此节省了成本。
另一方面由于较高的硬度而在操作球体时在制造过程期间和之后特别少地在球体表面上产生撞击点。无撞击点的用于球节的球体是特别有利的，因为按此方式可以使球节特别轻巧灵便、长寿命和少磨损，这种球节在运行时当球体在轴瓦里显示出一种特别小的滞滑效应倾向。
按照发明的由微合金化碳锰钢制成的球体的较大硬度最终也是有利的，这是由于在球节里使用球体时，因此也改善了耐蚀性和耐磨性能。
图3还表示了用三角形测量点形式表示的按照发明的由微合金化碳锰钢制成的球体的强度，是在按照发明的球体进行了氮碳共渗之后。
根据想象的韦泊直线(这由各自一组测量点所规定的直线)与y轴线在零点时的交点可以看到：按照发明的由微合金化碳锰钢制成的球即使在氮碳共渗之后(三角形测量点)也还具有如同由调质钢制成的球体那样高(正方形测量点)的强度值。
尽管原本预料的是：由于在氮碳共渗时所用的接近600℃的温度应该使球体在挤压时在球体表面上的冷作硬化的组织得到恢复并与之相关地使得由于挤压而达到的高强度大大回复降低，但令人惊奇地已经表明：按照发明的球体的高强度即使在氮碳共渗之后以有利的方式几乎完全保持住。这原因在于：在按照发明的球体材料里所含有的微合金化元素在氮碳共渗过程的条件下没有使冷作硬化的组织完全恢复。
在图3中可见的按照发明的由微合金化碳锰钢(三角形或者正方形)制成的球体的韦泊直线在与调质钢比较中的较小斜度只是表明：由于在球体的不同点上有不同的应变，因此材料的冷作硬化程度也不同，因为所示的测量值是在整个球体断面上求出的。如试验所指出的那样，由此没有得出对于按照发明的用在球节中的球体的突出性能的负面影响。
图4又表示了由另一种钢号为10MnSi7的微合金化碳锰钢制成的不同的按发明的球体(分别为右侧)点出的竖柱条的按DIN 50150由硬度确定的抗拉强度以及用于制成各自球体的线材的抗拉强度(分别为左边阴影线的竖柱条)。此外为了比较在图4中又包含了按照现有技术的调质钢的强度值(水平柱条)。在横轴上的百分比说明了各自挤压成示体的线材在挤压之前已经拉拔多大尺寸。其中线材的拉拔在在热轧之后以及挤压之前进行。
可见，未调质的，由微合金化碳锰钢制成的球体(分别为右侧点出的柱条)比由调质钢(水平柱条)制成的球体无例外地都具有更高的强度，也就是说很大程度上与线材拉拔程度并和与之相关的线材或者初始材料的强度(分别为左侧的阴影柱条)无关。
图5表示了一种按照发明由一种不调质的微合金化碳锰钢(35V1)制成的球体在氮碳共渗之后的硬度曲线，其中硬度测量值为纵座标，球体表面之下的深度为横座标。
按照图5的说明字母C又表示碳锰钢的测量值(三角形测量点)。为了进行比较，在这图5中还标出有由通常的调质钢按照现有技术制成的球体的对应的硬度测量值，又见图5的说明中的字母B(正方形测量点)。
可见，按照发明的由微合金化碳锰钢制成的球体(三角形测量点)甚至在氮碳共渗之后还比由调质钢按照现有技术制成的对应球体(正方形测量点)具有更高的硬度。这较高的硬度，正如上面所述那样，还对于按照发明的球体的特别良好的耐磨性以及对于磨削时球体的省时、省经费的改善的可加工性是有利的。
为了进行对比，在图5中还指明了在用于球节的球体中结构方面规定的表面硬度或者0.2mm深度处硬度的名义值，见图5中的二个水平柱条。可见，按照发明的球体(三角形测量点)的连接层达到或者说甚至超出所要求的硬度名义值。
最后图6表示了一种按照发明由非调质的，微合金化碳锰钢制成的用于一种对分式球面轴颈的球体，它打有孔用于承接轴颈元件，有二个视图。可见，根据按照发明的方法可以没有问题地，尤其是无裂缝地以及具有无可指责的表面质量地制成球体。
结果因此很明显，由于发明可以比过去更简单、更经济有利地制成尤其是用于对分式球面轴颈的球体，并且同时可以保持或者甚至提高球体表面质量和材料质量以及必需的强度和耐磨性。此外还由于取消了以前必要的调质，一方面大大节省了成本，而且另一方面消除了在调质时常常在球体表面上产生的撞击点的问题。
因此发明对于特别经济地生产高质量的球体，尤其是用于球节、轮悬挂装置、稳定装置以及用于类似的使用目的的球体具有重要作用。

Claims (17)

1.制造尤其是用于球节的球体或者球形元件的方法，具有以下工序：
a)由一种热轧的由微合金化碳锰钢组成的毛坯制造一种杆段或者线材段；
b)酸洗；
c)将所述段冷挤压成球体或者球形元件；和
d)对球体表面磨削。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在工序b(酸洗)之后在下一个工序b’中至少进行拉拔过程。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在工序b(酸选)之后，在下一个工序b”中将所述段退火和拉拔至球形的渗碳体(GKZ)。
4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于，部段在工序’(拉拔)之前，或者在工序b”(GKZ)期间磷化和/或涂上一层干润滑层。
5.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在工序d(磨削)之后在接着的工序e中进行球体或者球形元件的氮碳共渗。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，工序e中的氮碳共渗在盐浴中进行。
7.按权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，球体或者球形元件在工序d(磨削)或e(氮碳共渗)之后在下一个工序f中进行磨削和/或抛光。
8.按权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，碳锰钢具有一种微合金化元素用于加速在渗氮或者氮碳共渗时氮的渗透。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，另外的微合金化元素是钒。
10.球形元件，尤其用于对分式球面轴颈，该轴颈包括有球形元件和轴颈元件，其特征在于，球形元件由具有微合金化元素的非调质碳锰钢组成。
11.按权利要求10所述的球形元件，其特征在于，球形元件由拉拔的线材制成。
12.按权利要求10或11所述的球形元件，其特征在于，球形元件由一种退火至球形渗碳体(GKZ)的线材制成。
13.按权利要求10至12中任一项所述的球形元件，其特征在于，球形元件由一种涂层的，尤其是磷化过的线材制成。
14.按权利要求10至13中任一项所述的球形元件，其特征在于，球形元件进行了氮碳共渗。
15.按权利要求10至14中任一项所述的球形元件，其特征在于，球形元件进行了磨削。
16.按权利要求10至15中任一项所述的球形元件，其特征在于，球形元件进行了抛光。
17.按权利要求10至16中任一项所述的球形元件，其特征在于，微合金化元素包括有钒。
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