DE19909709C5

DE19909709C5 - Wälzlager

Info

Publication number: DE19909709C5
Application number: DE19909709A
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Fujisawa Takemura; Yasuo Fujisawa Murakami
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2019-03-06
Also published as: US6267511B1; DE19909709A1; GB2334967A; GB2334967B; GB9905185D0; DE19909709C2

Abstract

Wälzlager umfassend:
– einen stationären Laufring,
– einen sich drehenden Laufring und
– eine Vielzahl von Wälzkörpern, die zwischen dem stationären und dem sich drehenden Laufring angeordnet sind und die mit einem Schmiermittel geschmiert sind,
wobei der sich drehende und der stationäre Laufring aus einem Stahlwerkstoff gefertigt sind, enthaltend in Gew.-%
C: 0,65 bis 1,20 Gew.-%
Si: 0,10 bis 0,70 Gew.-%
Mn: 0,20 bis 1,20 Gew.-%, und
CR: 0,20 bis 1,80 Gew.-%,
wobei ein Restaustenitgehalt des sich drehenden Laufringes nach einer Wärmebehandlung zwischen 0 bis 4 Vol.-% beträgt und eine Oberflächenhärte HRC einer Lagerfläche des sich drehenden Laufringes nach der Wärmebehandlung nicht weniger als 57 und nicht mehr als 65 beträgt, und
wobei ein Restaustenitgehalt im stationären Laufring nicht weniger als 7 Vol.-% nach der Wärmebehandlung beträgt und eine Oberflächenhärte HRC einer Lagerfläche des stationären Laufringes nach der Wärmebehandlung nicht...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein mit einem Schmiermittel geschmiertes Lager für Zusatzmaschinen eines Motors (beispielsweise einen Alternator, eine Solenoid-Kupplung, eine zwischenliegende Scheibe, einen Kompressor für die Klimaanlage eines Autos und eine Wasserpumpe).
In den letzten Jahren wurde bezüglich der Zusatzmaschinen für einen Motor eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht wie auch eine höhere Leistungsabgabe verlangt, während die Größe und das Gewicht der Automobile abnahm. Beispielsweise wirken auf das Lager eines Alternators starke Vibrationen und eine hohe Last (Trägheitsbeschleunigung: ungefähr 4 G bis 20 G), bei gleichzeitiger Drehung mit hoher Drehzahl Betätigung des Motors über einen Riemen. Entsprechend kann ein mit Schmiermittel geschmiertes Lager, wenn es für einen Alternator verwendet wird, festfressen, wodurch eine Blockierung verursacht wird. Ein derartiges mit Schmiermittel geschmiertes Lager für einen Alternator ist auch deswegen von Nachteil, da die Lagerfläche (auch als Abroll-Kontaktfläche bezeichnet, die in Kontakt mit Rollkörpern gebracht wird) des äußeren Ringes als eine stationäre Lauffläche frühzeitig schälen kann. Dadurch weist ein derartiges mit Schmiermittel geschmiertes Lager für einen Alternator keine ausreichend verlängerte Lebensdauer auf.
Als eine Methode zur Verlängerung der Lebensdauer von Lagern, die unter starken Vibrationen und hoher Last betrieben werden, ist ein Verfahren offenbart, welches umfaßt:
Unterwerfen eines stationären Laufrings aus einem Lagerstahl mit hohem Kohle- und Chromanteil (SUJ2) einem normalen Härten, Unterwerfen des dermaßen gehärteten stationären Lagerlaufrings einer Unter-Null-Behandlung, und dann Unterwerten des stationären Lagerrings einem Tempern bei hoher Temperatur, um den Gehalt an Rest-Austenit im stationären Laufring auf nicht mehr als 10 Vol.-% zu verringern. Dies ist in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Hei. 7-72565 (im folgenden als JP-B-7-72565 bezeichnet) offenbart. Mit anderen Worten soll dieses Verfahren den Gehalt an Rest-Austenit im stationären Laufring verringern, so daß die Härte des stationären Laufrings hoch beibehalten wird und die plastische Verformung der Lageroberfläche des stationären Laufringes unter starken Vibrationen und hoher Last minimiert wird. Dadurch wird ein frühzeitiges Schälen verhindert.
Als eine Gegenmaßnahme gegen ein frühzeitiges Schälen bei einem stationären Laufring offenbaren die Absätze 1–14 des "SAE Technical Paper: SAE950944" (gehalten vom 27. Februar bis 2. März 1995) ein erläuternden Ermüdungsmechanismus eines Lagers für einen Alternator, auf dessen Grundlage das eingeschlossene Schmiermittel sich von einem E Schmiermittel zu einem M Schmiermittel ändert. Aufgrund seiner großen Dämpfungswirkung kann M Schmiermittel Vibrationen und Last ausreichend absorbieren und dadurch ein vorzeitiges Schälen der stationären Lauffläche verhindern, wenn es bei Lagern verwendet wird, die unter starken Vibrationen und hoher Last betrieben werden.
Andererseits offenbart die geprüfte japanische Patentveröffentlichung Hei. 6-33441 (im folgenden als JP-B-6-33441 bezeichnet) eine Technik, die das Ausbilden eines Lagerringes aus einem Stahl mit C in Mengen von 0,95 bis 1,10 Gew.-%, Se oder Al in Mengen von 1 bis 2 Gew.-%, Mn in einer Menge, die nicht mehr als 0,50 Gew-% beträgt, und Cr in einer Menge von 0,90 bis 1,60 Gew.-% und mit einem Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 13 ppm, das Härten des Lagerrings und dann Tempern des Lagerrings bei einer Temperatur zwischen 230°C bis 300°C umfaßt, um den Gehalt von Rest-Austenit und um die Oberflächenhärte HRC desselben auf jeweils nicht mehr als 8 Vol.-% und nicht weniger als 60 einzustellen. Ein Ziel dieser Technik ist es, ein Lager mit hoher Maßhaltigkeit und einer verlängerten Wälzlebensdauer im Betrieb bei hohen Temperaturen zu erhalten.
Des weiteren offenbart die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei. 7-103241 (im folgenden als JP-A-7-103241 bezeichnet) eine Technik, die das Einstellen des Gehalts an Rest-Austenit im Lagerring eines Lagers aus Lagerstahl oder Edelstahl auf nicht mehr als 6 Vol.-% beinhaltet. Diese Technik wird bei Wälzlagern für HDD oder Audiogeräte verwendet und zielt darauf ab, das Auftreten eines Eindrucks auf der Lagerfläche zu verhindern, der während des Betriebs Vibrationen verursacht. Dadurch ist es möglich, die akustischen Eigenschaften des Gerätes zu verbessern.
Zwar können die in der JP-B-7-72565 und im SAE Technical Paper offenbarter Techniken bewirken, daß ein frühzeitiges Schälen des stationären Laufrings eines Lagers verhindert wird, das unter starken Vibrationen und hoher Last betrieben wird, aber sie lassen Wünsche bezüglich des Widerstandes von Lagern von Zusatzgeräten eines Motors gegen Festfressen bei Verwendung unter hohen Temperaturen offen.
Wenn, mit anderen Worten, ein derartiges Lager bei einer Umgebungstemperatur von nicht unter 100°C während einer gewissen Zeit verwendet wird, weist der innere Ring als sich drehende Lauffläche tendenziell eine um 10°C oder mehr höhere Temperatur als der äußere Ring als stationäre Lauffläche auf. Dies kann der Tatsache zugeschrieben werden, daß die Reibungswärme, die während der Drehung im Lager entsteht, besser durch das Gehäuse, an dem der äußere Ring befestigt ist, abgeleited werden kann, als durch die Welle, auf der der innere Ring sitzt. Daher ist die zersetzte Menge von Restaustenit im inneren Ring, der eine höhere Temperatur aufweist als der äußere Ring, größer als im äußeren Ring. Dies verursacht einen Anstieg im Lagerdurchmesser des inneren Ringes, was eine Erhöhung des Lagerspaltes verursacht. Aus diesem Grund kann ein Festfressen leicht auftreten.
Des weiteren ist bei der in der JP-B-6-33441 beschriebenen Technik der Sauerstoffgehalt zu nicht mehr als 13 ppm definiert, da der Gehalt an Si oder Al im Stahl, der den stationären Laufring bildet, in der Größenordnung von 1 bis 2 Gew.-% liegt. Diese Technik kann jedoch zur Entstehung von großen, auf Silicium oder auf Aluminium basierenden Einschlüssen führen, die eine beträchtliche Verschlechterung der Wälzlebensdauer bewirken.
Des weiteren kann die in der JP-A-7-103241 beschriebene Technik tatsächlich bei einem Kugellager mit einem Wälzkreis mit einem Durchmesser von nicht mehr als 11 mm verwendet werden, auf dem eine Vielzahl von Kugeln mit einem Durchmesser von nicht mehr als 3 mm angeordnet sind, wie beispielsweise einem Kleinkugellager oder einem Miniatur-Kugellager mit einem inneren Durchmesser von weniger als 10 mm. Dies läßt Wünsche bezüglich dem Schälwiderstand und dem Widerstand gegen Festfressen offen, wenn diese Technik auf ein Lager für die Zusatzmaschinen eines Motors mit einem inneren Durchmesser von nicht weniger als 10 mm verwendet wird, und welches unter höheren Temperaturen und unter stärkeren Vibrationen als bei HD oder Audiogeräten betrieben wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wälzlager zu schaffen, das unter hohen Temperaturen, bei starken Vibrationen und unter hoher Last eine hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch kann auf vorteilhafte Weise ein Wälzlager geschaffen werden, bei der sowohl das vorzeitige Schälen als auch ein Festfressen verhindert werden kann.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Nachfolgende wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher beschrieben und erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Schnittansicht, in der ein Wälzlager entsprechend einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist die Zusammensetzung des Stahlwerkstoffes, aus dem der sich drehende Laufring besteht, derart, daß der Gehalt von C, Si, Mn, Cr und O innerhalb der oben bestimmten Bereiche fallen. Die kritische Bedeutung der Definitionen dieser Werte wird im folgenden beschrieben.
C: 0,65 bis 1,20 Gew.-%
Kohlenstoff ist ein Element, welches dem Stahl Härte verleiht. Wenn der Kohlenstoffgehalt unter 0,65 sinkt, kann für den daraus resultierenden Stahlwerkstoff gelegentlich keine Härte (nicht weniger als 57 auf der Rockwell-Härteskala C (HRC), wie sie für Wälzlager erforderlich ist, sichergestellt werden. Kohlenstoff untersteht einer Feststofflösung in der Matrix und verbindet sich mit anderen Legierungselementen (insbesondere Cr), um ein Karbid zu erzeugen. Wenn der Kohlenstoffgehalt 1,20 Gew.-% überschreitet, entstehen während der Stahlherstellung leicht große Karbide, was möglicherweise die Ermüdungslebensdauer oder die Stoßfestigkeit verringert.
Si: 0,10 bis 0,70 Gew.-%
Silicium ist ein Element, welches während der Stahlherstellung als ein Desoxidationsmittel wirkt, um sowohl die Härtbarkeit des Stahlwerkstoffes als auch eine Verzögerung in den Gefügeveränderungen des Stahlwerkstoffes zu verstärken. Wenn der Silicium-Gehalt unter 0,1 Gew.-% fällt, ist die daraus resultierende deoxidierende Wirkung nicht ausreichend. Wenn im Gegensatz dazu der Siliciumgehalt 0,7 Gew.-% überschreitet, wird eine bemerkenswerte Verschlechterung der Bearbeitbarkeit bewirkt. Gleichzeitig werden Einschlüsse auf Silikatbasis erzeugt, von denen man annimmt, daß sie die Härte und Festigkeit beträchtlich verschlechtern.
Mn: 0,20 bis 1,20 Gew.-%
Mangan ist ein Element, welches die Härtbarkeit des Stahls verstärkt. Wenn der Mangangehalt unter 0,20 Gew.-% fällt, ist die daraus resultierende Wirkung unzureichend. Wenn im Gegensatz dazu der Mangangehalt 1,20 Gew.-% überschreitet, zeigt der daraus resultierende Stahl eine verschlechterte Bearbeitbarkeit. Des weiteren bildet Silicium MnS mit Silicium, wenn überhaupt, dann als einen Einschluß, der eine Verringerung der Lebensdauer bewirkt. Daher ist es bevorzugt, daß der Siliciumgehalt nicht mehr als 0,02 Gew.-% beträgt, um die erzeugte Menge an MnS zu minimieren.
Cr: 0,20 bis 1,80 Gew.-%
Chrom ist ein Element, welches die Härtbarkeit von Stahl verbessert und die Kugelbildung von Karbid beschleunigt. Wenn der Chromgehalt unter 0,20 Gew.-% fällt, treten diese Wirkungen im wesentlichen nicht auf. Des weiteren kann Chrom sich mit Kohlenstoff verbinden und große Karbide bilden. Daher kann Chrom, wenn es in hohen Mengen enthalten ist, die Bearbeitbarkeit von Stahl verschlechtern. Um diese Probleme zu vermeiden, ist die Obergrenze des Chromgehalts auf 1,80 Gew.-% bestimmt.
O ≤ 16 ppm
Sauerstoff ist ein Element, welches einen auf Oxid basierenden Einschluß (beispielsweise Al₂O₃, CaO) im Stahl bildet und die Wälzlebensdauer des Lagers verringert. Wenn der Sauerstoffgehalt 16 ppm überschreitet, wird die Wälzlebensdauer des Lagers beträchtlich verringert. Daher ist die Obergrenze des Sauerstoffgehalts auf 16 ppm bestimmt.
Gehalt des Rest Austenits: 0 bis 6 Vol.-%
Eine große Anzahl von sich drehenden Laufflächen (innere Ringe) wurden aus einem Stahlwerkstoff mit der vorgenannten Zusammensetzung hergestellt. Diese sich drehenden Laufringe wurden dann einer Wärmebehandlung unter unterschiedlichen Bedingungen unterworfen, um sich drehende Laufflächen mit unterschiedlichen Gehalten an Rest-Austenit zu bilden, von denen dann Wälzlager hergestellt wurden. Diese Wälzlager wurden dann einem Test der Wälzlebensdauer bei hoher Temperatur unter starken Vibrationen und hoher Last unterworfen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß, wenn der Gehalt von Rest-Austenit 6 Vol.-% überschreitet, die Lebensdauer extrem verringert ist. Je geringer der Gehalt an Rest-Austenit ist, desto höher ist die Wirkung bezüglich der Verhinderung von Festfressen während des Betriebs bei hohen Temperaturen. Insbesondere beträgt der Gehalt an Rest-Austenit bevorzugt nicht mehr als 4 Vol.-%.
Härte HRC der Lagerfläche: von nicht weniger als 57 bis nicht mehr als 65
Wenn HRC unter 57 fällt, kann eine für das Lager benötigte, ausreichende Steifigkeit nicht erhalten werden. Wenn HRC 65 überschreitet, zeigt die resultierende Lagerfläche eine verschlechterte Härte, welche die Bruchfestigkeit beträchtlich verschlechtert.
Die vorangegangene Definition der Zusammensetzung des Stahlwerkstoffes und der Gehalt an Rest-Austenit verhindert eine Änderung der Abmessungen (Aufweiten des Durchmessers des inneren Ringes) des sich drehenden Laufring, der nur unter Schwierigkeiten die Wärme (verglichen mit dem stationären Laufring) während des Betriebs bei hohen Temperaturen abführen kann. Dadurch ist es möglich, eine Verkleinerung des Lagerspaltes zu verhindern. Dadurch kann ein Festfressen während des Betriebs bei hohen Temperaturen verhindert werden, wodurch es möglich ist, die Wälzlebensdauer des Lagers zu verlängern. Des weiteren verhindert die Bestimmung des Sauerstoffgehalts bei der Zusammensetzung des Stahlwerkstoffes die Erzeugung von nichtmetallischen Einschlüssen. Die Verhinderung der Erzeugung von nichtmetallischen Einschlüssen und die Bestimmung der Härte der Lagerfläche bewirkten eine weitere Verlängerung der Wälzlebensdauer des Lagers.
Des weiteren verhindert die Bestimmung des Gehalts an Rest-Austenit im Wälzkörper auf einen Bereich von 0 bis 6 Vol.-% die Aufweitung des Wälzkörpers während des Betriebs bei hohen Temperaturen, wodurch es möglich ist, den Effekt der Verhinderung des Festfressens weiter zu verbessern.
Des weiteren zeigt das Wälzlager umfassend eine Vielzahl von Wälzkörpern, die zwischen einer stationären Lauffläche und einer sich drehenden Lauffläche angeordnet sind, die mit einem Schmiermittel geschmiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der sich drehende Laufring aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist, enthaltend als Legierungsbestandteil C, Si, Mn und Cr in Mengen von 0,65 bis 1,20 Gew.-%, von 0,10 bis 0,70 Gew.-%, von 0,20 bis 1,20 Gew.-% und von 0,20 bis 1,80 Gew.-% jeweils und mit einem Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 16 ppm, wobei ferner der Gehalt an Austenit, der nach der Wärmebehandlung übrigbleibt, zwischen 0 bis 6 Vol.-% beträgt, und die Härte HRC der Lagerfläche nicht weniger als 57 und nicht mehr als 65 ist, und daß der stationäre Laufring aus einem Stahlwerkstoff mit derselben Zusammensetzung wie oben erwähnt gefertigt ist, wobei der Gehalt an Austenit, der nach der Wärmebehandlung übrigbleibt, nicht weniger als 7 Vol.-% beträgt und die Härte HRC der Lagerfläche zwischen nicht weniger als 60 und nicht mehr 65 beträgt, eine verlängerte Wälzlebensdauer verglichen mit einem Wälzlager mit einem Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% sowohl in dem sich drehenden Laufring als auch in dem stationären Laufring.
Tabelle 1 zeigt den Unterschied in der Wälzlebensdauer von verschiedenen Kombinationen eines inneren Ringes (drehender Laufring) und äußeren Ringes (stationärer Laufring) mit unterschiedlichen Rest Austenitgehalten (γ_R).
TABELLE 1
An der Tabelle 1 ist zu erkennen, daß bei einem Rest-Austenitgehalt im inneren Ring von 0 bis 6 Vol.-% die Aufweitung des Durchmessers des inneren Rings während des Betriebs bei hohen Temperaturen verhindert werden kann, was die Maßhaltigkeit verbessert. Wenn im Gegensatz dazu der Rest-Austenitgehalt im inneren Ring nicht weniger als 7 Vol.-% ist, weist der daraus resultierende innere Ring eine verschlechterte Maßhaltigkeit auf. Wenn des weiteren der Rest-Austenitgehalt im äußeren Ring nicht weniger als 7 Vol.-% ist, weist der daraus resultierende äußere Ring eine verstärkte Widerstandsfähigkeit gegen Eindrücken auf, was die Wälzlebensdauer des Lagers verlängert. Wenn im Gegensatz dazu der Rest-Austenitgehalt im äußeren Ring zwischen 0 bis 6 Vol.-% beträgt, zeigt der daraus resultierende äußere Ring eine nicht ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Eindrücken, was die Wälzlebensdauer des Lagers verkürzt.
Entsprechend lassen die Kombinationen der Typen B, C und D Wünsche bezüglich der Maßhaltigkeit des inneren Ringes oder der Wälzlebensdauer des Lagers offen. Andererseits ist die Kombination des Typs A sowohl hinsichtlich der Maßhaltigkeit des inneren Ringes als auch bezüglich der Wälzlebensdauer des Lagers hervorragend. Mit anderen Worten ist das Wälzlager umfassend einen inneren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% und einem äußeren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von nicht weniger als 7 Vol.-% in dieser Kombination sowohl hinsichtlich der Maßhaltigkeit des inneren Ringes als auch der Wälzlebensdauer des Lagers hervorragend.
Besonders in dem Fall, in dem es notwendig ist, einen inneren Ring mit einer verbesserten Maßhaltigkeit und mit einer hervorragenden Wirkung bezüglich der Verhinderung von Festfressen während der Verwendung bei hohen Temperaturen bereitzustellen, sollte der innere Ring vorzugsweise einen Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% aufweisen. Damit ist es gleichzeitig möglich, ein Kriechen (zwischen dem inneren Umfang des inneren Ringes und der Welle) zu verhindern und das Aufheizen des inneren Ringes auf einen kleinen Betrag zu begrenzen (vgl. Typen A und B in Tabelle 1).
Andererseits sollte der äußere Ring in dem Fall, in dem es notwendig ist, beim äußeren Ring das Schälen zu verhindern und die Festigkeit gegen Eindrücken zu verbessern, während gleichzeitig die Oberflächenhärte der Lagerfläche beibehalten wird, vorzugsweise einen Rest-Austenitgehalt von nicht mehr als 7 Vol.-% aufweisen (vgl. Typ A und C).
Es ist anzumerken, daß ein Wälzlager mit einem inneren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% und mit einem äußeren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von nicht weniger als 7 Vol.-% in der oben erwähnten Kombination (vgl. Typ A) eine hervorragende Wälzlebensdauer aufweist, die verglichen mit den anderen Typen am längsten ist und gleichzeitig das Entstehen eines Kriechens verhindert. Dadurch ist es möglich, dasselbe unter einen hohen Last und starken Vibrationen zu betreiben, die von einer Drehung mit hohen Drehzahlen resultieren.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen beschrieben. 1 zeigt einen Querschnitt, in dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wälzlagers gezeigt ist.
Das Wälzlager 1 ist ein Kugellager mit tiefer Laufrille mit der JIS Bestimmungs-Nummer 6303, welches einen äußeren Ring 2, der mit einem Gehäuse 8 verbunden ist, als einen stationären Laufring und einen inneren Ring 3, der auf eine Welle 7 gesetzt ist, als einen sich drehenden Laufring aufweist. Zwischen dem äußeren Ring 3 und dem inneren Ring 2 sind eine große Anzahl von Wälzkörpern 4 angeordnet, die durch einen Käfig 5 gehalten sind. Zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 sind an beiden Seiten des Käfigs 5 Dichtelemente 6, 6 eingepaßt. In dem durch die Dichtelemente 6, 6 umschlossenen Raum ist das zuvor erwähnte Schmiermittel M als Schmiermittel 10 eingeschlossen.
Beim Betrieb des Wälzlagers 1 dreht sich der innere Ring 3 mit der Welle 7. Die daraus resultierenden Vibrationen und die daraus resultierende Last von der Welle 7 wirkt auf die belastete Zone des äußeren Rings 2 durch den inneren Ring 3 und den Wälzkörper 4.
Der innere Ring 3 wurde aus einem Stahlwerkstoff mit der in Tabelle 2 unten beschriebenen Zusammensetzung gefertigt und dann einem Härte- und Temperprozeß unter einer der folgenden Bedingungen unterworfen, um eine Härte (HRC) und einen Rest-Austenitgehalt (γ_R), wie in Tabelle 2 unten beschrieben, aufzuweisen.
Härte- und Temperbedingungen
Bedingung I

Gehärtet bei einer Temperatur von 840°C,
getempert bei einer Temperatur von 160°C,

Bedingung II

Gehärtet bei einer Temperatur von 840°C,
getempert bei einer Temperatur von 200°C,

Bedingung III

Gehärtet bei einer Temperatur von 840°C,
getempert bei einer Temperatur von 250°C,

Bedingung IV

Gehärtet bei einer Temperatur von 840°C,
getempert bei einer Temperatur von 300°C,

Bedingung V

Gehärtet bei einer Temperatur von 840°C
getempert bei einer Temperatur von 400°C,

Bedingung VI

Gehärtet bei einer Temperatur von 840°C,
unter-Null-Behandlung bei einer Temperatur von –80°C, getempert bei einer Temperatur von 160°C.

TABELLE 2
Sowohl bei den Beispielen als auch bei den Vergleichsbeispielen wurden der äußere Ring 2 und der Wälzkörper 4 aus demselben Lagerstahl des zweiten Typs (SUJ2) mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt gefertigt und dann einer Wärmebehandlung gemäß Bedingung I unterworfen, um einen Rest-Austenitgehalt zwischen 3 bis 5 Vol.-% und eine Oberflächenhärte HRC von 62 aufzuweisen. Bei dieser Anordnung betrug die Oberflächenrauhigkeit Ra des inneren Ringes 3 und des äußeren Ringes 2 zwischen 0,01 bis 0,04 μm und die Oberflächenrauhigkeit Ra des Wälzkörpers 4 betrug zwischen 0,003 bis 0,010 μm.
Die Wälzlager 1 mit unterschiedlichen inneren Ringen 3 (Beispiele 1 bis 10, Vergleichsbeispiele 1 bis 10) und dem gleichen äußeren Ring 2 und Wälzkörper 4, die auf diese Weise hergestellt wurden, wurden dann auf die gleiche Weise einem Test der Lebensdauer unterworfen.
Als Prüfstand wurde eine Prüfmaschine für die Lagerlebensdauer verwendet, wie sie in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei. 9-89724 (im folgenden als JP-A-9-89724 bezeichnet) offenbart ist. Die Drehgeschwindigkeit wurde von 9000 U/min auf 18000 U/min oder umgekehrt in vorbestimmten Zeitintervallen (beispielsweise 9 s) umgeschaltet, um einen Test bei einer schnellen Beschleunigung und Verzögerung zu erhalten. Der Lebensdauertest wurde bei einer Temperatur von 130°C unter Lastbedingungen von 0,10 ausgedrückt als P (Last)/C (dynamische Nominallast) durchgeführt, wobei die Lücke des Wälzlagers 1 zwischen 10 bis 15 μm betrug.
Da die berechnete Lebensdauer (theoretische maximale Lebensdauer) des Wälzlagers 1 unter diesen Bedingungen 1350 Stunden beträgt, wurde die maximale Prüfdauer vorab auf 1500 Stunden festgesetzt. Für diesen Lebensdauertest wurden 10 Proben eines jeden Beispiels 1 bis 10 und eines jeden Vergleichsbeispiels 1 bis 10 vorbereitet. Dann wurde die Zeit gemessen, die benötigt wurde, bis diese Proben Probleme wie beispielsweise Fressen oder Schälen aufwiesen. Die kürzeste Zeit, die benötigt wurde, bis bei einer der 10 Proben Probleme auftraten, wurde zur Bewertung der Lebensdauer (der zu testenden Lebensdauer) verwendet. Diese Resultate sind in der Tabelle 3 unten widergegeben.
Wenn alle der zehn Proben kein Fressen, Schälen oder andere Probleme aufwiesen, bis die maximale Prüfzeit vorüber war, wurde die Lebensdauer mit 1500 Stunden bewertet.
TABELLE 3
Wie anhand der Ergebnisse des Lebensdauertests zu sehen ist, kann eine Lebensdauer, die größer ist als die berechnete Lebensdauer von 1350 Stunden beim Lebensdauertest bei hoher Temperatur unter starken Vibrationen und ho her Last nur dann erreicht werden, wenn die Zusammensetzung des Stahlwerkstoffes, der den inneren Ring 3 bildet, die folgenden Bedingungen erfüllt:
C: 0,65 bis 1,20 Gew.-%;
Si: 0,10 bis 0,70 Gew.-%;
Mn: 0,20 bis 1,20 Gew.-%;
Cr: 0,20 bis 1,80 Gew.-%; und
O: 0 ≤ 16 ppm,
der Austenitgehalt, der nach der Wärmebehandlung übrigbleibt, zwischen 0 und 6 Vol.-% beträgt, und die Härte HRC der Lagerfläche nicht weniger als 57 und nicht mehr als 56 (Beispiele 1 bis 10) beträgt.
Die Wälzlager der Beispiele 1 und 2 weisen einen relativ großen Rest-Austenitgehalt von jeweils 6 Vol.-% und 5 Vol.-% auf und unterlagen daher Freßerscheinungen in einem Verhältnis von jeweils 3 von 10 Proben und 2 von 10 Proben. Die Wälzlager der Beispiele 1 und 2 wiesen jedoch eine Wälzlebensdauer auf, die länger ist als die berechnete Lebensdauer von 1350 Stunden und die ungefähr das doppelte oder mehrfache der Vergleichsbeispiele 1 bis 10 beträgt. Diejenigen Lagerproben unter den Proben der Beispiele 1 und 2, die keinerlei Freßerscheinungen aufwiesen, wurden dann nach dem Test bezüglich der Aufweitung des Lagerdurchmessers des inneren Rings vermessen. Die Ergebnisse lagen zwischen 5 bis 10 μm. Die Lagerproben, die Freßerscheinungen aufwiesen, zeigten eine größere Aufweitung.
Die Wälzlager der Beispiele 3 bis 10 wiesen einen Rest-Austenitgehalt von nicht mehr als 4 Vol.-% auf. Daher zeigte keine dieser Proben Probleme wie beispielsweise Fressen und Schälen, bis die maximale Testzeit vorüber war. Die Wälzlager der Beispiele 3 bis 10 nach dem Test wurden bezüglich der Aufweitung des Lagerdurchmessers des inneren Rings vermessen. Die Ergebnisse betrugen nicht mehr als 5 μm. Anschließend wurde der Zustand der Lagerfläche untersucht. Im Ergebnis zeigte die Lagerfläche einen guten Zustand. Daher wurde herausgefunden, daß ein derartig kleiner Abfall des Lagerspaltes nicht groß genug ist, um ein Fressen zu verursachen.
Die Wälzlager der Vergleichsbeispiele 1 und 7 wiesen eine Härte der Lagerfläche HRC von 55 auf und hatten daher eine gemessene Lebensdauer von ungefähr 1/3 der berechneten Lebensdauer. Nach dem Lebensdauertest wurde die Mikrostruktur des inneren Ringes untersucht. Im Ergebnis wurde gefunden, daß die plastische Verformung des inneren Ringes extrem weit fortgeschritten war. Der innere Ring wurde dann mittels Röntgenstrahlen bezüglich Ermüdung untersucht (vgl. "Combination of decrease of half-width and decomposed amount of residual austenite, NSK Bearing Journal No. 643, Seiten 1–10, 1982). Im Ergebnis wurde gefunden, daß der innere Ring innere Ermüdungserscheinungen aufwies, was beweist, daß sämtliches Schälen bei der Matrix beginnt.
Die Wälzlager der Vergleichsbeispiele 2 und 5 wurden aus einem Stahlwerkstoff mit hohen Kohlenstoff- und Chromgehalt gefertigt und wiesen große Karbide (Chromiumkarbide) mit einer Größe von nicht weniger als 10 μm auf der Lagerfläche nach der Wärmebehandlung auf. Als Ergebnis eines Schälens der Lagerfläche, das bei diesen Karbiden begann, betrug die gemessene Lebensdauer nur jeweils 525 Stunden und 504 Stunden.
Das Wälzlager des Vergleichsbeispiels 3 war aus einem Stahlwerkstoff mit einem Siliciumgehalt gefertigt, der den darin bestimmten Bereich überschritt, und schälte daher nach etwa der Hälfte der berechneten Lebensdauer an den Einschlüssen auf Silicium-Basis. Das Wälzlager des Vergleichsbeispiels 4 wurde aus einem Stahlwerkstoff mit einem Mangangehalt gefertigt, der den darin bestimmten Bereich überschritt, und schälte daher beginnend an Einschlüssen auf MnS-Basis bei etwa der Hälfte der berechneten Lebensdauer. Das Wälzlager des Vergleichsbeispiels 6 war aus einem Stahlwerkstoff mit einem Sauerstoffgehalt gefertigt, der den darin bestimmten Bereich überschritt und schälte daher beginnend bei Einschlüssen auf Aluminiumbasis bei etwa der Hälfte der berechneten Lebensdauer.
Die Wälzlager der Vergleichsbeispiele 8 bis 10 wurden aus einem Stahlwerkstoff mit einer Zusammensetzung und einer Härte der Lagerfläche gefertigt, die innerhalb des darin bestimmten Bereichs fielen. Allerdings war der Rest Austenitgehalt größer als 6 Vol.-%, so daß die Wälzlager einen Abfall im Lagerspalt aufwiesen. Als Ergebnis fraßen diese Wälzlager bei etwa 1/7 bis 1/10 der berechneten Lebensdauer fest.
Der innere Ring 3, äußere Ring 2 und die Wälzlagerkörper 4, die in 1 dargestellt sind, wurden dann aus einem Lagerstahl von der zweiten Art (SUJ2) mit hohem Kohlenstoff-Chrom-Gehalt gefertigt. Der dermaßen hergestellte innere Ring 3 und äußere Ring 2 wurden dann einer Wärmebehandlung gemäß einer der oben beschriebenen Bedingungen I-VI unterworfen, um den Rest-Austenitgehalt und die Härte der Lagerflächen einzustellen. Die dermaßen geformten Wälzkörper wurden dann allesamt der gleichen Wärmebehandlung (normale Wärmebehandlung) unterzogen. Auf diese Weise zeigten der innere Ring 4 und der äußere Ring 2 eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,01 bis 0,04 μm und der Wälzkörper 4 wies eine Oberflächenrauhigkeit von 0,003 bis 0,0010 μm auf.
Diese unterschiedlichen inneren und äußeren Ringe, die auf diese Weise hergestellt wurden, wurden dann zu Wälzlagern 1 der 4 Typen zusammengebaut, wie sie in Tabelle 1 oben beschrieben sind. Wie in Tabelle 4 unten gezeigt ist, wurden zwei Arten von Proben für einen jeden der Typen A bis D vorbereitet. Diese Proben wurden dann einem Lebensdauertest bei einer Schmierung mit einem Schmiermittel M bei einer Temperatur bis zu 130°C und einer Drehgeschwinigkeit von 10000 U/min unter einer hohen Last (P/C = 0,4) unterworfen, wobei derselbe Prüfstand wie oben verwendet wurde. Während dieses Prüfverfahrens wurde die Drehgeschwindigkeit nicht verändert. Mit anderen Worten wurden keine Vibrationen erzeugt.
Da die berechnete Lebensdauer des Wälzlagers 1 bei diesen Bedingungen 26 Stunden beträgt, wurde die Prüfzeit auf maximal 50 Stunden voreingestellt. Für diesen Lebensdauertest wurden 10 Proben für eine jede unterschiedliche Art von Proben vorbereitet. Dann wurde die Zeit gemessen, die benötigt wurde, bis bei diesen Proben Probleme wie beispielsweise Festfressen oder Schälen auftraten. Die kürzeste Zeit, die benötigt wurde, bis bei einer der 10 Proben Probleme auftraten, wurde zur Bewertung der Lebensdauer verwertet. Diese Ergebnisse sind in der Tabelle 4 unten dargestellt. Wenn alle 10 Proben kein Festfressen, Schälen oder andere Probleme bis zum Ablauf der maximalen Testzeit aufwiesen, wurde die Lebensdauer auf 50 Stunden festgesetzt.
Wie anhand der Resultate des Lebensdauertests erkannt wird, trat bei den Wälzlagern mit einem inneren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% und einem äußeren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von nicht we niger als 7 Vol.-% in dieser Kombination (Typ A) weder ein Schälen noch ein Fressen bei dem vorliegenden Lebensdauertest unter hoher Last und hoher Temperatur auf. Diese Wälzlager wiesen demzufolge eine Lebensdauer auf, die länger war als die berechnete Lebensdauer. Die Wälzlager, die einen inneren Ring und einen äußeren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% in dieser Kombination (Typ B) aufwiesen, wiesen am äußeren Ring eine Härte der Lagerfläche von HRC von 57 oder 58 auf und zeigten daher eine verschlechterte Widerstandsfähigkeit gegen Eindrücken unter hoher Last, wohingegen kein bemerkenswerter Schaden am inneren Ring auftrat. Als Ergebnis trat bei etwa der Hälfte der Proben von diesem Typ Wälzlager ein Schälen am äußeren Ring auf. Daher entsprach bei diesen Wälzlagern die Lebensdauer etwa der berechneten Lebensdauer.
Die Wälzlager, die einen inneren Ring und einen äußeren Ring aufweisen, die beide in Kombination (Typ C) einen Rest-Austenitgehalt von weniger als 7 Vol.-% aufweisen, wiesen eine Aufweitung in den Abmessungen der Lagerfläche des inneren Rindes auf. Wenn der innere Ring einen Rest-Austenitgehalt von 10 Vol.-% aufwies, was einen relativ hohen Wert darstellt, trat bei sieben von zehn Proben beim inneren Ring Festfressen auf. Als Ergebnis betrug die gemessene Lebensdauer bei diesen Proben des Typs C 21 Stunden. Wenn des weiteren der innere Ring einen Rest-Austenitgehalt von 15 Vol.-% aufwies, was einen relativ hohen Wert darstellt, wiesen acht von zehn Proben Festfressen am inneren Ring auf. Als Ergebnis betrug die gemessene Lebensdauer dieser Proben vom Typ C 24 Stunden. Zu diesem Zeitpunkt trat beim äußeren Ring kein Schälen auf.
Die Wälzlager mit einem inneren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von nicht weniger als 7 Vol.-% und einem äußeren Ring mit einem Rest-Austenitgehalt von 0 bis 6 Vol.-% zeigten in dieser Kombination (Typ D) eine Aufweitung der Abmessung der Lagerfläche des inneren Ringes und eine Verschlechterung der Widerstandsfähigkeit gegen Eindrücken beim äußeren Ring. Als Ergebnis trat bei diesen Proben ein Festfressen an der Mehrzahl der inneren Ringe und ein Schälen an einigen der äußeren Ringe auf. Daher war die Lebensdauer kürzer als die berechnete Lebensdauer.
Ein Wälzlager, das aus der gleichen Kombination von einem inneren Ring und einem äußeren Ring wie Typ A zusammengebaut ist, bis auf die Tatsache, daß der Lagerstahl mit dem hohen Kohlenstoff-Chromgehalt durch einen induktionsgehärteten Stahl ersetzt wurde, der dann der Wärmebehandlung unterzogen wurde, um einen Rest-Austenitgehalt aufzuweisen, der dem vorbestimmten Bereich entsprach, erzeugte die gleiche Wirkung wie sie mit dem Lagerstahl mit hohem Kohlenstoff-Chrom-Gehalt erzielt wurde.
Wie oben erwähnt wurde beinhaltet das Herstellverfahren die Bestimmung der Zusammensetzung des Stahlwerkstoffes, der den sich drehenden Laufring bildet, des Rest-Austenitgehalts im Stahlwerkstoff und der Härte der Lauffläche, wodurch es möglich ist, die Lebensdauer eines Wälzlagers zu verlängern, das bei hohen Temperaturen unter starken Schwingungen und einer hohen Last betrieben wird.

Claims

Wälzlager umfassend: – einen stationären Laufring, – einen sich drehenden Laufring und – eine Vielzahl von Wälzkörpern, die zwischen dem stationären und dem sich drehenden Laufring angeordnet sind und die mit einem Schmiermittel geschmiert sind, wobei der sich drehende und der stationäre Laufring aus einem Stahlwerkstoff gefertigt sind, enthaltend in Gew.-% C: 0,65 bis 1,20 Gew.-% Si: 0,10 bis 0,70 Gew.-% Mn: 0,20 bis 1,20 Gew.-%, und CR: 0,20 bis 1,80 Gew.-%, wobei ein Restaustenitgehalt des sich drehenden Laufringes nach einer Wärmebehandlung zwischen 0 bis 4 Vol.-% beträgt und eine Oberflächenhärte HRC einer Lagerfläche des sich drehenden Laufringes nach der Wärmebehandlung nicht weniger als 57 und nicht mehr als 65 beträgt, und wobei ein Restaustenitgehalt im stationären Laufring nicht weniger als 7 Vol.-% nach der Wärmebehandlung beträgt und eine Oberflächenhärte HRC einer Lagerfläche des stationären Laufringes nach der Wärmebehandlung nicht weniger als 60 und nicht mehr als 65 beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlwerkstoff ferner einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 16 ppm aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Restaustenitgehalt jedes Wälzkörpers nach einer Wärmebehandlung 0 bis 6 Vol.-% beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager als ein Lager für Zusatzgeräte eines Motors ausgestattet ist.