CN104093518A - 方法、环和轴承 - Google Patents

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Abstract

用于由钢制造部件(14、26、28)的方法，所述方法包括对所述部件(14、26、28)进行闪光对接焊的步骤。所述钢的收缩率大于5∶1。

Description

方法、环和轴承
技术领域
本发明涉及用于由钢制造例如轴承环的部件的方法。本发明还涉及环以及包括该环的轴承。
背景技术
锻造是涉及使用局部压缩力来成形金属的工艺。随着金属在锻造工艺中成形，其内部微粒(grain)变形以遵循该部件的总体形状。因此，该微粒在该部件的各个部分上是连续的，产生具有改进的强度特征的工件。钢几乎总是热锻的，这是因为热锻可防止冷锻会造成的加工硬化，加工硬化将增加在工件上执行二次机加工操作的难度。需要高温炉来加热钢锭或者钢坯，并且大型锻锤、压力机和/或金属成形模用于压缩锭或者坯。
可以由锻造的锭或者坯生产钢条(steel bar)，并且这种钢条可以用于制造环。也就是说，钢条可以形成为环，并且环的端部可以通过闪光对接焊焊接在一起。闪光对接焊是用于接合金属轨道、杆、链或者管的节段的电阻焊接技术，其中，将各节段的端与端对齐并且进行电子充电以产生电弧，电弧熔化并焊接各节段的端部，产生异常坚固和光滑的接头(joint)。
闪光对接焊电路通常包括低压高电流能量源(通常是电焊变压器)以及两个夹紧电极。待焊接的两个节段被夹紧在电极上，逐渐靠拢直到二者相接并轻微接触。变压器通电会引起高强度电流流过彼此接触的各区域。闪光开始，并且各节段以足够的力和速度锻接在一起从而保持闪光活动。当已经在待焊接的两个边缘上建立热梯度之后，迅速施加顶锻(upset force)力以完成焊接。该顶锻力将熔渣、氧化物和熔融金属从焊接区压出，将焊接淤积(welding accretion)留在受热金属的较冷区域。然后，该接头得以在夹钳被打开以释放焊接物体之前稍微冷却。根据需要，焊接淤积可以被留在适当位置或者在焊接物体仍然是热的时候通过剪切被移除或者通过研磨被移除。
发明内容
本发明的目的是提供用于由钢制造待进行闪光对接焊的部件的改进方法。
该目的通过包括对收缩率(reduction ratio)大于5：1的钢进行闪光对接焊的步骤的方法实现。
本文中“收缩率”的表述指的是在例如通过锻造而由钢坯板、钢块或钢坯生成钢或者通过切割而由锻造钢坯板、钢块或钢坯生成钢的过程中的面积压缩程度。在金属锻造中，收缩率可以通过用锻造之前的金属横截面面积除以锻造之后的横截面面积而计算得到。发明人已经发现，当制造待进行闪光对接焊的部件时，与不使用高收缩率材料的情况相比，使用了高收缩率材料(即，收缩率大于5：1的材料)的组合改进了部件的机械特性。例如，与收缩率小于5：1的轴承环相比，使用根据本发明的一个实施例的方法制造的轴承环的滚动接触疲劳得到改善。
根据本发明的一个实施例，该部件是环，并且该方法包括将至少一个钢条成形为至少一个环形段的步骤以及对该至少一个环形段的端部进行闪光对接焊以制成环的步骤，由此，该至少一个钢条的收缩率大于5：1。因此，由单个环形段构成环：一旦该环形段的端部已经被闪光对接焊在一起，则该单个环形段构成整个环。可替换地，由多个环形段构成环：每个环形段构成环的一部分，由此，一旦邻接的环形段的端部已经被闪光对接焊在一起，则整个环成形。
根据本发明的一个实施例，该方法包括生产收缩率大于5：1、大于6：1、大于7：1、大于8：1或者大于9：1的锻造钢坯板(slab)、钢块(bloom)或者钢坯(billet)的步骤。可以由重量超过4吨、超过10吨、超过15吨、超过20吨或者更重的钢锭锻造出该钢坯板、钢块或者钢坯。可以由该钢坯板、钢块或者钢坯锻造或者切割出至少一个钢条。钢坯是具有小于230cm2的圆形或者方形横截面的金属段。钢块类似于钢坯，但横截面面积大于230cm2。钢坯板是具有矩形横截面的金属段。
根据本发明的另一个实施例，该方法包括将多个钢条成形为多个环形段的步骤，其中，当各环形段已经被闪光对接焊在一起以制成环时，每个环形段构成50％、25％、15％或者少于15％的环。应该指出的是，可替换地，可将尺寸不同的多个环形段闪光对接焊在一起以制成环。
根据本发明另一个实施例，环是轴承环。根据本发明的方法特别地但并非排他地适于制造大尺寸环(即，外径等于或者大于0.5m、大于1m、大于2m或者大于3m的环)。
根据本发明的一个实施例，该方法包括在所述闪光对接焊之前、对随后的对接焊接头附近的至少部分钢表面进行渗碳的步骤，该表面邻近于待进行闪光对接焊的表面。该表面处的碳将朝着受热金属的较冷区域传送而不是保留在焊接头附近的区域中，即，朝着焊接部件的内、外表面传送，该焊接部件比如为焊接轴承环或者焊接轴承环形段，其内、外表面随后可构成滚道表面。因此，该移位的碳将进一步增加该焊接部件在其内、外表面处的表面硬度、耐磨度和/或疲劳和拉伸强度。该方法提供了具有更好的焊接头的焊接部件，其是不含碳的或者基本上不含碳的，并且没有可能另外发生结构弱化的区域。该方法因此提供了具有高度的结构一体性的改进的焊接部件。
可替换地，该部件可以在闪光对接焊步骤之后被渗碳，从而增加其表面硬度、耐磨度和/或疲劳和拉伸强度。
根据本发明的进一步的实施例，该方法包括在将至少一个钢条形成为至少一个环形段之前、成型(profiling)该至少一个钢条的步骤。在成型步骤中，可以使用诸如火焰切割、激光切割、水射流切割或者等离子切割的方法将该至少一个钢条切割至所需的尺寸。根据本发明的一个实施例，渗碳步骤可以在该成型步骤之前执行。
根据本发明的一个实施例，钢具有重量百分比为0.1-1.1％、优选为0.6-1.1％或者最优选为0.8-1.05％的碳含量。
根据本发明的一个实施例，该方法包括在闪光对接焊步骤之后移除任何焊接淤积的步骤，该焊接淤积例如包含熔渣、氧化物和/或熔融金属。
根据本发明的另一实施例，钢具有重量百分比如下的下述成分：
V和/或Nb V为0.01-1.0或Nb为0.01-1.0，或者这两种元素均为0.01-1.0
剩余物为Fe以及通常含有的杂质。
通过最小化钢中的硅含量以及减少锰和铬的含量(其是合金元素，易于被氧化)并达到上述所指示的程度，钢将会更稳定并且将不易于在闪光对接焊期间被氧化。钢的硫含量减少至绝对最小值，由此，在已经经受了闪光对接焊的钢中的非期望的非金属包含物的含量将最小化。通过在钢制作期间的特殊钢包(ladle)处理，可以获得整个厚度上的高度延展性，该特殊钢包处理确保了非常低的硫含量以及非金属包含物的受控形状。
钢的磷含量也减少至绝对最小值，从而在钢经受闪光对接焊时阻碍钢中的残余元素或夹入(tramp)元素迁移至奥氏体晶界(其会显著地弱化焊接区)。钼、镍并且可选地还有钒的添加为钢提供了足够的硬度以实现大部件(即，具有400mm或者更大外径的部件)的完全硬化。
因此，闪光对接焊产生的不期望的材料流的不利影响可以通过使用这样的钢而得到限制。也就是说，使用这样的钢提供了具有更好的接头/焊接的结合/焊接部件，因为这种结合/焊接部件不包含可能另外出现的结构上弱化的区域。因此，与不包括这样的钢的结合/焊接部件相比较，该结合/焊接部件具有高度的结构一体性。因此，这样的钢适用于闪光对接焊，并且特别适于制造旨在在疲劳特性和硬度特性上具有高需求的应用的部件，该部件也在其制造期间或之后经受闪光对接焊。
本发明还涉及使用根据本发明的实施例的方法制造的环。该环通过将至少一个钢条形成为至少一个环形段并且对该至少一个环形段的端部进行闪光对接焊而制成，由此，该至少一个钢条的收缩率大于5：1。这种高收缩率的钢条中的包含物的总数目大于对应的具有相同的钢和相同尺寸的低收缩率钢条中的包含物的总数目，并且平均包含物尺寸更小。
根据本发明的环的进一步的实施例在各权利要求中限定。
本发明还涉及包括根据本发明的实施例的至少一个环的轴承。该轴承可以是滚柱轴承、滚针轴承、锥形滚柱轴承、球形滚柱轴承、螺线管滚柱轴承、止推轴承或者用于经受诸如滚动接触或者组合的滚动和滑动的交变赫兹应力的任何应用的轴承。该轴承可以例如用于汽车、风、船、金属生产或者其它需要高耐磨度和/或需要增加疲劳和拉伸强度的机器应用。
附图说明
下文将参照附图、通过非限制性示例进一步解释本发明，在附图中：
图1-3示出了根据本发明的实施例的方法的步骤；
图4示出了在根据本发明的实施例的闪光对接焊之后的轴承环；
图5示出了根据本发明的实施例的方法的步骤；以及
图6示出了根据本发明的实施例的轴承。
应该指出的是附图没有按照比例绘制，并且为了清楚的目的，特定构件的尺寸已经被夸大。
具体实施方式
图1-3示意性示出了根据本发明的实施例的方法的各种方法步骤。图1示出了钢10，其被锻造以生产具有两个相对端部12a、12b并且收缩率大于5：1的钢条12。
应该指出的是，在所示实施例中示出的钢条12的端部12a、12b包括与钢条12的侧表面12c、12d形成90°角的端部。然而，钢条12可以包括与钢条的侧表面12c、12d形成大于或者小于90°的角的端部12a、12b，也就是说，钢条12可以包括对顶地倾斜(diagonally sloping)的端部。此外，钢条12的端部12a和12b不必具有平坦表面。
钢条的至少一个表面12a、12b、12c、12d的至少一部分可以在闪光对接焊之前被渗碳。例如，可以使用任何传统的方法使该相对端部均匀地或者非均匀地渗碳，以形成连续的或者非连续的渗碳层，在这些传统方法中，在存在另一种在分解时释放碳的材料的情况下加热该钢条，接着通过淬火快速冷却该钢条。
图2示出了单个钢条12，其已经形成为开口轴承环14。应该指出的是，可替换地，多个钢条12中的每个钢条可以形成为多个环形段，由此，两个或者更多个环形段可以被闪光对接焊在一起以形成轴承环14。
图3示出了通过闪光对接焊焊接在一起的开口轴承环14的端部12a、12b。开口轴承环14的端部12a、12b被夹紧且以受控的速率靠拢，对其施加来自于变压器16的电流。在两个端部12a、12b之间形成电弧。在闪光对接焊过程开始时，弧隙18大得足以平整(even out)并且清洁这两个表面12a、12b。减小、并且接着闭合和打开该弧隙18，这在两个表面12a、12b中产生热量。当这两个表面12a、12b处的温度已经达到锻造温度时，压力沿着图3中块箭头20的方向施加(或者抵靠固定端部锻造可动端部)。在这两个表面12a、12b之间形成闪光，该闪光引起焊接区域中的任何碳从表面12a、12b朝着轴承环的内、外表面12c、12d快速向外流动，产生干净的焊接头。
当在例如水淬火、油淬火或者基于聚合物的淬火中冷却之后，焊接轴承环的内、外表面12d和12c上积聚的任何焊接淤积22(在图4中示出)可得以移除。根据本发明的一个实施例，该焊接轴承环可经受第二次热处理和顶锻力以进一步提高其结构一体性。
图5示出了根据本发明的一个实施例由钢(也就是由钢条)制造部件(也就是环)的方法的各种步骤。该方法包括生产收缩率大于5:1的钢条的步骤，将该钢条形成为开口环的步骤，以及对开口轴承环的端部进行闪光对接焊的步骤。该钢条可以在其形成为环之前成型。
图6示出了轴承24的例子，也就是滚动元件轴承，其尺寸可在从10mm直径至数米直径的范围内，并且具有从数十克至几千吨的负荷能力。也就是说，根据本发明的轴承24可以具有任何尺寸且具有任何负荷能力。轴承24具有内环26、外环28以及一组滚动元件30，其一个环或者两个环可由根据本发明的环构成。滚动元件轴承24的内环26、外环28和/或滚动元件30、并且优选地该滚动元件轴承24的所有滚动接触部件由包括重量百分比(％)为0.20至0.40的碳的钢制成。
在权利要求范围内的本发明的进一步修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (17)

1.一种用于由钢制造部件(14、26、28)的方法，所述方法包括对所述部件(14、26、28)进行闪光对接焊的步骤，其特征在于，所述钢的收缩率大于5：1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件(14、26、28)是环，并且所述方法包括以下步骤：由具有端部(12a、12b)的至少一个钢条(12)制造所述环(14、26、28)，将所述至少一个钢条(12)形成为至少一个环形段，以及对所述至少一个环形段的端部进行闪光对接焊以制成环(14、26、28)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括生产收缩率大于5：1、大于6：1、大于7：1、大于8：1或者大于9：1的锻造钢坯板、钢块或者钢坯的步骤。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法包括将多个钢条(12)形成为多个环形段的步骤，其中，当所述环形段已经通过闪光对接焊焊接在一起以制成所述环(14、26、28)时，每个环形段构成50％、25％、15％或者少于15％的环。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在将所述至少一个钢条(12)形成为所述至少一个环形段之前、成型所述至少一个钢条(12)的步骤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述钢具有重量百分比为0.1-1.1％、优选为0.6-1.1％或者最优选为0.8-1.05％的碳含量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述闪光对接焊步骤之后、移除任何焊接淤积(22)的步骤。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述环(14、26、28)是轴承环。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述环(14、26、28)的外径等于或者大于0.5m。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述钢具有重量百分比(％)如下的下述成分：
V和/或Nb V为0.01-1.0或者Nb为0.01-1.0，或者两种元素均为0.01-1.0
剩余物为Fe以及通常含有的杂质。
11.一种环(14、26、28)，所述环通过将至少一个钢条(12)形成为至少一个环形段并且对所述至少一个环形段的端部(12a、12b)进行闪光对接焊而制成，其特征在于，所述至少一个钢条(12)的收缩率大于5：1。
12.根据权利要求11所述的环，其特征在于，所述环由多个环形段形成，其中，当所述环形段已经通过闪光对接焊焊接在一起以制成所述环(14、26、28)时，每个环形段构成50％、25％、15％或者少于15％的所述环。
13.根据权利要求11或12所述的环，其特征在于，所述至少一个钢条(12)包括钢，所述钢具有重量百分比为0.1-1.1％、优选为0.2-0.7％或者最优选为0.2-0.4％的碳含量。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的环，其特征在于，所述环(14、26、28)是轴承环，比如轴承(24)的内环(26)或者外环(28)。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的环，其特征在于，所述环(14、26、28)的外径等于或者大于0.5m。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的环，其特征在于：所述至少一个钢条(12)具有重量百分比(％)如下的下述成分：
V和/或Nb V为0.01-1.0或者Nb为0.01-1.0，或者两种元素均为0.01-1.0
剩余物为Fe以及通常含有的杂质。
17.一种轴承(24)，其特征在于，所述轴承包括至少一个根据权利要求11至16中任一项所述的环(14、26、28)。
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