DE10080396B4

DE10080396B4 - Verfahren zum Herstellen von Wälzelementen und nach diesem Verfaren hergestelltes Wälzlager

Info

Publication number: DE10080396B4
Application number: DE10080396T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Takemura
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: GB2352484A; JP3666396B2; US6478893B1; GB2352484B; GB0025319D0; WO2000050781A1; DE10080396T1

Abstract

Verfahren zum Bearbeiten bzw. Herstellen von mehreren Wälzelementen aus einem Lagerstahl, die zwischen einem feststehenden Ring und einem sich drehenden Ring eines Wälzlagers angeordnet sind, wobei der Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht des Wälzelements von 0 bis 15 Vol.-% beträgt, ein abschließender Restdruckspannungswert (σ_S) auf der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements zwischen -600 und -1.200 MPa beträgt, und ein Restdruckspannungswert (σ_D) in einer Tiefe von 2% des Durchmessers (Da) des Wälzelements von der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements zwischen -400 und -1.000 MPa beträgt, mit
einem Abschreck- und Anlassschritt, bei dem nach dem Abschrecken und Anlassen der Wälzelemente ein mechanischer Bearbeitungsschritt mit einer plastischen Verformung der Oberfläche angewendet wird, um eine Restdruckspannung auf und unter der Oberfläche eines Wälzelements nach dem Abschreck- und Anlassschritt bereitzustellen;
einem zweiten darauf folgenden Anlassschritt, in dem eine plastische Spannung nach dem mechanischen Bearbeitungsschritt abgebaut wird, um einen Bearbeitungsspannungs-Abbaugrad von 10...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, und insbesondere Wälzlager, die hohen Temperaturbelastungen, großen Lasten und starken Vibrationen unterliegen, beispielsweise Wälzlager zum Einsatz in Getrieben, Nabeneinheiten und Motorzusatzgeräten (wie etwa Lichtmaschinen, zwischengeschalteten Riemenscheiben und Solenoidkupplungen) von Kraftfahrzeugen, Führungswälzlager und Reserve-Wälzlager zum Einsatz bei der Eisen- und Stahlverhüttung oder Wälzlager, die für Schienenfahrzeuge geeignet sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen bzw. Bearbeiten eines Wälzelements.
Bei der Berechnung der Lebensdauer von Wälzlagern wird so vorgegangen, dass eine dynamische Grundnennlast der Lager unter der Annahme ermittelt wird, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Abblättern/Abplatzen (von Material) in zwei in Kontakt miteinander stehenden Gegenständen (Wälzring und Wälzelement), wie etwa einem feststehenden Ring und einem Wälzelement, und einem Drehring und einem Wälzelement für beide identisch ist, wobei die Grundbelastbarkeit des Drehrings und die Grundbelastbarkeit des feststehenden Rings kombiniert werden (eine Offenbarung hierfür befindet sich in „Dynamic Load Capacity of Rolling Bearing Roller Bearing", erstellt von Junzo Okamoto, gedruckt durch Seibunsha Co., Ltd.).

Als Gegenmaßnahme zur Verbesserung der Lebensdauer von Wälzlagern ist in jüngster Zeit andererseits die Reinheit für das Material des Wälzrings verbessert worden, und nicht-metallische Einschlüsse in den Stählen sind reduziert worden, um die Wälzlebensdauer zu verbessern (NSK Technical Journal, Nr. 652 (1992), Seiten 1-8).

In derselben Weise ist die Reinheit im Ring- bzw. Spulenmaterial zur Verwendung für das Wälzlager verbessert worden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten nicht-metallischer Einschlüsse im zentralen Bereich des Spulenmaterials neigt jedoch dazu, höher zu sein als in Lagern (withoursolling bearings), die den zentralen Bereich von Stangenmaterial nicht nützen. In dem Fall, daß die Lager großen Lasten und starken Vibrationen unterliegen, kann in dem Wälzelement mitunter Abblättern bzw. Abplatzen (von Material) auftreten.

Zur Verbesserung der Eindrückbeständigkeit und der Wälzlebensdauer des Wälzelements ist im Stand der Technik eine Technik angewendet worden, die in der geprüften japanischen Patentschrift Nr. Hei 1-12812 erläutert ist, wobei das Wälzelement einem Abschreck- und Anlassvorgang ausgesetzt wird, woraufhin eine mechanische Oberflächen-Aushärtungsbehandlung durch Luftstrahlbeaufschlagung angewendet wird, um die Oberflächenschicht plastisch zu verformen, wodurch eine große Restdruckspannungsschicht erhalten wird, um die Ermüdungslebensdauer zu erhöhen und die Härte zu verbessern, wodurch das Auftreten von Oberflächenunregelmäßigkeiten während der Handhabung des Wälzelements verringert wird.

Als Technik zur Erhöhung der Lebensdauer von Stahlkugeln für fettgeschmierte Lager ist, wie in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. Hei 3-173714 offenbart, eine Technik zum Steuern der Restzugfestigkeit in Richtung der Dicke der Oberflächenschicht auf maximal 150 MPa, bevorzugt 50 bis 150 MPa für den Fall berichtet worden, dass auf die Oberfläche der Stahlkugel eine Härtebearbeitungsbehandlung mit dem Ergebnis angewendet wird, dass eine Härtedifferenz von HOURSC 1 oder höher zwischen der Innenseite und der Oberflächenschicht der Stahlkugel auftritt, wodurch das Eindringen und das Ansammeln von Wasserstoff in Zugspannungsausübungsbereichen unterbunden wird, um das Auftreten von Ermüdungsabplatzen und Abblättern/Abplatzen zu verhindern.

Hinsichtlich der Kugeln zur Verwendung in Wälzlagern und ein Verfahren zur Herstellung desselben, offenbart die japanische ungeprüfte Patentschrift Nr. Hei 6-264929 Stand der Technik, demnach eine Durchwärmungsbehandlung angewendet wird nach der Oberflächen-Aushärtungsbehandlung, um eine Beeinträchtigung der Genauigkeit der Oberfläche der Kugel durch Altern zu verhindern, wodurch eine Beeinträchtigung der akustischen Eigenschaften der Kugellager durch Altern verhindert wird.

Da im Fall des Einsatzes unter einer Arbeitsbedingung mit großer Last und starken Vibrationen eine Art von plastischer Bearbeitung entsprechend der Kontaktermüdung, wie etwa dem mechanischen Oberflächenaushärten durch Luftstrahlbeaufschlagung auf ein Wälzelement bereits angewendet wurde, wie in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. Hei 1-12812 erläutert, schreitet eine übermäßige plastische Verformung der Oberflächenschicht beschleunigt unter einer Arbeitsbedingung fort, demnach das Wälzelement ähnlich großen Lasten und starken Vibrationen unterliegt, wodurch Abblättern/Abplatzen früher auftreten kann.

Im Fall der Technik einer Unterdrückung des Eindringens von Wasserstoff in die Zugspannung ausübenden Bereiche durch Steuern des Maximalwerts der Restzugspannung in der Oberflächenschicht tritt, wie in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. Hei 3-173714 offenbart, zur Verhinderung des Auftretens von Ermüdungsrissbilden und Abplatzen der maximale Wert der Restzugspannung in der Nähe der Position der maximalen Scherspannung auf, wodurch die Ausbreitung von Rissen unter großen Lasten und starken Vibrationen in einen Zustand zusätzlich beschleunigt wird, in welchem die maximale Restzugspannung von 150 MPa als Last einwirkt, sodass der Effekt einer Verlängerung der Lebensdauer nicht erzielbar ist.

Bei der in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. Hei 6-264929 offenbarten Technik wird zum Überwinden des akustischen Problems, das veranlasst ist durch eine Beeinträchtigung der Genauigkeit auf der Oberfläche einer Kugel unter Verwendung in HDD durch Alterung beim Einsatz unter geringer Last und hoher Drehzahl, grobes Schleifen nach einer Abschreckungs- und Anlassbehandlung angewendet, und außerdem wird eine Anlassbehandlung erneut angewendet nach der Oberflächen-Aushärtungsbehandlung, gefolgt durch abschließendes Schleifen. Dabei wird die Freigabe von restlicher Bearbeitungsspannung nicht berücksichtigt, die für Abblättern unter großen Lasten und hohen Schwingungen wesentlich ist, welches Problem durch die vorliegende Erfindung überwunden werden soll, sodass in diesem Hinblick noch Raum zur Verbesserung verbleibt.

Plasticity and Working (Journal of Japanese Plastic Working Society), Band 39, Nr. 446 (1988-3) zeigt in „Several Problems for the Manufacture of Balls", dass Schleifen zum Korrigieren der Form einer Stahlkugel (Kugel) und Beaufschlagen (per Luftstrahl) zur Verbesserung der Festigkeit im Hinblick auf die Wirkung der Restspannung auf die Ermüdungslebensdauer notwendig ist, dass jedoch ein übermäßiges Bearbeiten die Ermüdungslebensdauer beeinträchtigt, und es ist ausgeführt, dass das Ziel in optimaler Luftstrahlbeaufschlagung besteht.

Schließlich offenbart die JP-A-05-195070 ein Verfahren zur Herstellung von Wälzelementen für ein Wälzlager, mit den Schritten des Abschreckens, des Anlassens, des Kugelstrahlens und des Schleifens, wobei zwischen die Verfahrensschritte des Kugelstrahlens und des Schleifens wahlweise ein weiterer Anlassschritt eingeschoben werden kann. Mit diesem Verfahren lassen sich Wälzelemente herstellen, deren Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht 10-30% beträgt, deren abschließender Restdruckspannungswert auf ihrer fertig bearbeiteten Oberfläche zwischen -800 und -1.800 MPa liegt, und deren Restdruckspannungswert in einer Tiefe von 2% ihres Durchmessers von ihrer fertig bearbeiteten Oberfläche zwischen -400 und -1.000 MPa beträgt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wälzelement mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Wälzkontaktermüdung unter Aufrechterhalten der Härte zu schaffen, indem eine Kombination einer mechanischen Oberflächenbehandlung mit einer Wärmebehandlung für das Wälzelement eines Wälzlagers durchgeführt wird, und ein Wälzlager mit langer Lebensdauer selbst unter großen Lasten und starken Schwingungen zu schaffen, indem das vorstehend genannte Wälzelement verwendet wird.

Insbesondere wird darauf abgezielt, ein Wälzelement mit verbesserter Eindrückbeständigkeit und Wälzkontakt-Ermüdungsbeständigkeit dadurch bereitzustellen, dass die Restspannung auf der Oberfläche des Wälzelements kontrolliert bzw. gesteuert wird, und indem optional eine Beziehung mit einem Restspannungswert in einer Position entsprechend 2% Durchmessertiefe unter der Oberfläche festgelegt wird, um die Restdruckspannungsverteilung zu optimieren, wodurch ein Wälzlager mit langer Wälzlebensdauer selbst unter großen Lasten und starken Schwingungen bereitgestellt wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Wälzelementen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein nach diesem Verfahren hergestelltes Wälzlager. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach betrifft die in den Ansprüchen festgelegte Erfindung ein Wälzlager zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe sowie ein Verfahren zum Bearbeiten bzw. Herstellen eines Wälzelements für dieses Lager.

Die Erfindung schafft ein Wälzlager zur Verwendung mit mehreren Wälzelementen, die zwischen einem feststehenden und einem sich drehenden Ring angeordnet sind, wobei der Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht des Wälzelements von 0 bis 15 Vol.-% beträgt, ein abschließender Restdruckspannungswert auf der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements zwischen -600 bis -1.200 MPa beträgt, und ein Restdruckspannungswert in einer Tiefe von 2% des Durchmessers des Wälzelements von der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements zwischen -400 und -1.000 MPa beträgt.

Das heißt, das Wälzelement wird aus Drahtbundmaterial bzw. Spulenmaterial (im folgenden Spulenmaterial genannt) hergestellt, und im Fall des Spulenmaterials tritt Abblättern bzw. Schuppenbildung insbesondere im Wälzelement auf, weil die Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen nicht-metallischer Einschlüsse im zentralen Bereich höher ist als im Wälzring. Im Anblick des vorstehend Angeführten ist vorgesehen, zur Verlängerung der Lebensdauer, um insbesondere Wälzkontakt-Ermüdungsabplatzen oder -abblättern zu verhindern, die Restspannung in dem Wälzelement zu steuern, wie vorstehend angeführt.

In diesem Fall sind numerische Werte durch die nachfolgend genannten Gründe festgelegt. Wenn der Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht des Wälzlagers 15 Vol.-% übersteigt, wird die Eindrückeigenschaft beeinträchtigt, was zu Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche führt. Wenn der abschließende Restdruckspannungswert auf der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements geringer als -600 MPa ist, wird die Auswirkung zum Unterdrücken der Rissausbreitung verringert, und andererseits tritt eine große Restspannungsfestigkeit in radialer Richtung auf, wenn er -1.200 MPa übersteigt. In jedem dieser Fälle wird deshalb die zum Abblättern führende Rissausbreitung gefördert.

Zusätzlich wird die Wälzkontakt-Ermüdungsfestigkeit durch Optimieren des Restdruckspannungswerts σD in einer Tiefe von 2% des Durchmesser des Wälzelements von der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements in einem Bereich von -400 bis -1.000 MPa, welcher Wert niedriger bzw. geringer ist als der Restdruckspannungswert σS auf der Oberfläche, verbessert. Wenn der Restdruckspannungswert σD für 2% Da kleiner als -400 MPa ist, kann die Rissausbreitung nicht ausreichend unterdrückt werden und, wenn andererseits der Wert -1.000 MPa übersteigt, wird die durch übermäßige Bearbeitung hervorgerufene Restspannung nicht ausreichend freigegeben, was dazu führt, dass die plastische Verformung durch Wälzkontaktermüdung unter Verkürzung der Lebensdauer weitergeht. Während der Bereich von σS und σD wie vorstehend erläutert gewählt wird, kann er auch durch Absolutwerte bezeichnet werden, weil die Beziehung: σD ≥ σS auch zusätzlich zu der Beziehung δS ≥ δD existieren kann.

Das Verfahren zum Bearbeiten eines Wälzelements eines Wälzlagers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst einen Abschreck- und Anlassschritt, bei dem nach dem Abschrecken und Anlassen der Wälzelemente ein mechanischer Bearbeitungsschritt mit einer plastischen Verformung der Oberfläche angewendet wird, um eine Restdruckspannung auf und unter der Oberfläche eines Wälzelements nach dem Abschreck- und Anlassschritt bereitzustellen; einen zweiten darauf folgenden Anlassschritt, in dem eine plastische Spannung nach dem mechanischen Bearbeitungsschritt abgebaut wird, um einen Bearbeitungsspannungs-Abbaugrad von 10 bis 60% zu erzielen; und einen darauf folgenden Fertigbearbeitungsschritt zum Fertigbearbeiten der Oberfläche des Wälzelements auf eine vorbestimmte Größe, wobei der Bearbeitungsspannungs-Abbaugrad definiert ist als {(σ₁-σ₂)/σ₁} × 100%, wobei σ₁ (in MPa) die Restdruckspannung auf der Oberfläche des Wälzelements, hervorgerufen durch plastische Bearbeitungsspannung in dem mechanischen Bearbeitungsschritt, und σ₂ (in MPa) eine Restdruckspannung auf der Oberfläche eines fertigen Produkts nach dem Fertigbearbeitungsschritt ist.

Das heißt, die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung wird auf das aus Lagerstahl hergestellte Wälzelement nach Abschrecken und Anlassen angewendet, woraufhin eine zweite Anlassbehandlung angewendet wird, um die Bearbeitungsspannung der Oberflächenschicht durch die Restdruckspannung auf der Oberfläche freizugeben, und abschließendes Schleifen wird angewendet, um die Wälzkontaktermüdung unter großen Lasten und starken Vibrationen bzw. Schwingungen zu verbessern, um die Härte der Oberflächenschicht aufrechtzuerhalten.

Hierbei ist festgelegt, dass eine Beziehung zwischen der Restdruckspannung (σ₁ in MPa) auf der Oberfläche des Wälzelements, hervorgerufen durch plastische Bearbeitungsspannung in dem mechanischen Bearbeitungsschritt, und einer Restdruckspannung (σ₂ in MPa) auf der Oberfläche eines fertiggestellten Produkts nach dem abschließenden Schritt wie folgt gilt: {(σ₁-σ₂)/σ₁} × 100% = 10 – 60%.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Lebensdauertestgeräts für ein Wälzlager,
2 ein Diagramm von Verläufen der Restspannungsverteilung in Beispielen und Vergleichsbeispielen von in dem Test verwendeten Wälzelementen,
3 eine Tabelle des Zustands von Wälzelementen von Beispielen und Vergleichsbeispielen in einem Testbeispiel 1,
4 eine Tabelle des Ergebnisses eines Tests im Testbeispiel 1,
5 eine Tabelle des Zustands von Wälzelementen von Beispielen und Vergleichsbeispielen im Testbeispiel 2, und
6 eine Tabelle eines Ergebnisses eines Tests im Testbeispiel 2.
Im folgenden bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Wälzlager, die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen äußeren Ring (einen feststehenden bzw. stationären Ring), die Bezugsziffer 3 bezeichnet einen inneren Ring (einen Drehring) und die Bezugsziffer 4 bezeichnet ein Wälzelement.
Die Erfindung wurde angesichts der Tatsache gemacht, daß selbst Wälzlager eines Wälzelements, die aus Lagerstahl hoher Reinheit hergestellt wurden, viel früher Abblättern zeigen als der Wälzring unter großen Lasten und starken Schwingungen, unter Auswirkung der Tatsache, und daß in der Materialzusammensetzung Verunreinigungen schwierig in ausreichender Weise entfernt werden können, im Vergleich zum Kernabschnitt des Wicklungsmaterials.
Zur Verbesserung der Lebensdauer eines Wälzelements ist bekannt, daß die Anwendung einer mechanischen Oberflächen-Aushärtungsbehandlung auf die Oberfläche des Wälzelements wirksam ist; wenn die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung für das Wälzelement jedoch vor dem Abschrecken/Durchwärmen angewendet wird, ist es schwierig, die Wälzelemente kugelförmig zu machen, und die Materialfestigkeit wird nach dem Abschrecken eher beeinträchtigt.
Angesichts des vorstehend Angeführten wird bei der vorliegenden Erfindung eine Oberflächen-Aushärtungsbehandlung an das Wälzelement nach dem Abschrecken/Durchwärmen angewendet, woraufhin eine Durchwärmungsbehandlung erneut angewendet wird (sekundäres Durchwärmen). Vorstehend ist bereits angeführt, daß die Technik zum Durchführen eines Durchwärmens nach Anwenden einer Oberflächen-Aushärtungsbehandlung auf ein Wälzlagerelement in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. Hei 6-264929 erläutert wurde, jedoch mit dem Zweck, eine Beeinträchtigung der Konfigurationsgenauigkeit durch Altern auf der Oberfläche einer Kugel zu verhindern, und um eine Beeinträchtigung der akustischen Eigenschaft in dem Wälzlager zur Verwendung in HDD zu verhindern, und zwar unter Durchführung strikter Kontrolle bezüglich der Beziehung zwischen der Temperatur und der Zeit bei der Durchwärmungsbehandlung. Dabei ist jedoch überhaupt nicht in Betracht gezogen worden, den Grad der Restbearbeitungsspannung durch die Oberflächenbehandlung zu steuern bzw. zu kontrollieren.
Im Gegensatz hierzu führtt die vorliegende Erfindung zu einer Verbesserung der Lebensdauer von Lagern, die unter großen Lasten und starken Schwingungen eingesetzt werden, wie etwa Lager zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, Roll- bzw. Wälzmühlen und Schienenfahrzeugen. Dabei wird die Tatsache in Betracht gezogen, daß plastische Verformungen während der Verwendung unter großen Lasten und starken Schwingungen sich ausbreiten, wenn eine übermäßige plastische Verformung, hervorgerufen durch die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung, so belassen wird, wie sie ist, was zu vorzeitigem Abblättern führt. Großer Wert wird deshalb darauf gelegt, die Spannung zu entfernen durch Verringern der Restdruckspannung in der Oberflächenschicht des Wälzelements, wenn dieses einer Oberflächen-Aushärtungsbehandlung ausgesetzt wird durch das sekundäre Durchwärmen (Freigeben der Restbearbeitungsspannung).
Bei dem Wälzelement des Wälzlagers gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Beaufschlagung durch Luftstrahlbeschuß, beispielsweise offenbart in der japanischen ungeprüften Patentschrift Nr. Hew 1-12812, bevorzugt als Mittel für die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung eingesetzt werden. Es besteht jedoch keinerlei Beschränkung bezüglich dieser Behandlung; vielmehr können übliche mechanische Oberflächen-Bearbeitungseinrichtungen verwendet werden.
Die auf das Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung anfänglich angewendete Oberflächenbehandlung kann eine übliche bzw. gewöhnliche Behandlung sein. Die auf das Wälzelement nach der Oberflächenbehandlung angewendete sekundäre Durchwärmungsbe handlung kann mit einer Temperatur höher als die Temperatur des anfänglichen Durchwärmens (primäres Durchwärmen) angewendet werden, das unmittelbar folgend auf das Abschrecken angewendet wird, oder es kann eine Behandlung bei einer Temperatur niedriger als die Temperatur für das primäre Durchwärmen durchgeführt werden. In jedem Fall ist wesentlich, die Restbearbeitungsspannung, hervorgerufen durch die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung durch die sekundäre Durchwärmungsbehandlung, freizugeben bzw. zu verringern. Der Freigabe- bzw. Verringerungsgrad der Restbearbeitungsspannung in diesem Fall ist so, wie nachfolgend festgelegt.
Es wird angenommen, daß wenn die Restdruckspannung auf der Oberfläche des Wälzelements, gemessen unmittelbar nach Anwendung der Oberflächen-Aushärtungsbehandlung auf das Wälzelement als anfängliche Restdruckspannung σ₁ (MPa) ist, und die restliche Druckspannung, gemessen auf der Oberfläche des Wälzelements, das in ein Endprodukt fertiggestellt ist durch Anwenden einer sekundären Durchwärmungsbehandlung und Anwenden eines abschließenden Schleifens als Endrest-Druckspannung σ₂ (MPa) ist, daß folgendes gilt:
Freigabegrad der Bearbeitungsspannung (%) |(σ1-σ2)/σ1| × 100% (1)
Außerdem wird angenommen, daß die Menge bzw. der Gehalt an restlichem Austenit auf bzw. in der behandelten Oberfläche nach dem anfänglichen Abschrecken und Durchwärmen des Wälzelements γ_R1 beträgt, und daß die Menge bzw. der Gehalt des Endrest-Austenits in der Oberfläche des Wälzelements, das fertiggestellt ist in ein Endprodukt durch aufeinanderfolgendes Anwenden einer Oberflächen-Aushärtungsbehandlung und einer se kundären Durchwärmungsbehandlung und außerdem durch Anwenden eines abschließenden Schleifens, γ_R2 ist.
Unter Bezugnahme auf ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Wälzelements eines Wälzlagers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein aus Lagerstahl hergestelltes Wälzelement abgeschreckt durch Erwärmen bei 830 bis 870°C unter Ölkühlung, woraufhin das Element einem primären Durchwärmen bei 130 bis 160°C beispielsweise ausgesetzt wird. Der Gehalt an restlichem Austenit (γ_R), das in dem Wälzelement vorhanden ist, beträgt von 15 bis 30 Vol.-%.
Eine Oberflächen-Aushärtungsbehandlung, wie etwa Beaufschlagen mit Luftstrahlbeschuß, wird auf das Wälzelement angewendet. Dadurch wird eine anfängliche Restdruckspannung σ₁ von -900 bis -1500 MPa auf der Oberfläche des Wälzelements gebildet. Durch die Bearbeitungsenergie durch die Schußbeaufschlagung wird das restliche Austenit (γ_R) an der Oberfläche des Wälzelements teilweise umgewandelt in eine bearbeitungsinduzierte martensitische Struktur, und der Gehalt γ_R wird auf 5 bis 20 Vol.-% verringert. Daraufhin bzw. infolge hiervon verursacht die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung Bearbeitungsspannung.
Daraufhin wird eine zweite Durchwärmungsbehandlung bei 150 bis 240°C angewendet, woraufhin ein abschließendes Schleifen angewendet wird, um ein Endprodukt mit einer Oberflächenrauhigkeit des Wälzelements von 0,003 bis 0,01 μm Ra zu erhalten. Auf der Oberfläche des Wälzelements als das Endprodukt (beispielsweise eine Stahlkugel für ein Wälzlager) wird das restliche Austenit (γ_R), das zurückbleibt, auf 0 bis 5 Vol.-% verringert. Der Wert der Endrest-Druckspannung σ₂ auf der Oberfläche des Wälzele ments beträgt -600 bis -1200 MPa, was um 10 bis 60% relativ zur anfänglichen Restdruckspannung σ₁ ist, um Spannungsfreigabe bzw. Spannungsmilderung zu erzielen.
Bei dem in einem Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung eingebauten fertiggestellten Wälzelement beträgt der Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht von 0 bis 15 Vol.-%, der Endrest-Druckspannungswert beträgt von -600 bis -1200 MPa, und der Freigabegrad der Bearbeitungsspannung beträgt von 10 bis 60%, wodurch eine Verbesserung der Abblätterungslebensdauer unter großen Lasten und bei starken Schwingungen erzielt werden kann.
Wenn in diesem Fall der Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht 15 Vol.-% übersteigt, wird die Eindrückeigenschaft beeinträchtigt mit der Folge, daß auf der Oberfläche Unregelmäßigkeiten hervorgerufen werden.
Wenn der Endrest-Druckspannungswert weniger als -600 MPa beträgt, ist die Auswirkung auf das Unterdrücken der Rißausbreitung, die zum Abblättern führt, gering, und wenn andererseits dieser Wert -1200 MPa übersteigt, wird eine große Restspannungsfestigkeit bzw. -stärke in der radialen Richtung unter Förderung der Rißausbreitung aufgrund von Scherspannung bereitgestellt.
Wenn der Freigabegrad für die Bearbeitungsspannung geringer als 10% ist, wird die plastische Spannung bzw. Belastung, hervorgerufen durch übermäßige Bearbeitung, nicht in ausreichender Weise freigegeben, und wenn er andererseits 60% übersteigt, wird die Auswirkung der angewendeten Restdruckspannung unterbunden, wodurch die Abblätterungsbeständigkeit verringert wird.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind nachfolgend mittels eines Lebensdauertests im einzelnen erläutert.
Für die Lager wurden als Testprobestücke 6206 Tiefrillen-Kugellager verwendet. In dem Wälzelement wurden neun Stahlkugeln pro Lager mit einem Durchmesser von 3/8 inch, hergestellt als Lagerstahl Nr. 2, eingesetzt.
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Stahlkugel ist nachfolgend angeführt.
Zunächst wird für eine Stahlkugel ein kugelförmiger Körper durch Kaltschmieden gebildet, woraufhin die Stahlkugel zum Entfernen von Graten durch einen Spülschritt geschliffen wird, woraufhin eine Erwärmung bei 830 bis 870°C erfolgt, woraufhin mit Öl abgeschreckt und daraufhin durchwärmt wird, bei 130 bis 160°C (primäres Durchwärmen). Daraufhin wurden während des feinen Schleifens 3/8 inch-Stahlkugeln mit einem Gewicht von 500 kg pro 1 Lot nacheinander zwischen zwei Lagen von Rillenscheiben einer Feinschleifmaschine angeordnet für einen aufeinanderfolgenden Kreisumlauf, und sie wurden unter Drehung unter Anlegung von Druck geschliffen, so daß die Abweichung von der Kreisform der Stahlkugel 5 μm oder weniger beträgt.
Daraufhin wird eine Oberflächen-Aushärtungsbehandlung auf die Stahlkugel durch ein Schußbeaufschlagungsverfahren angewendet.
Dies erfolgt durch Anordnen von 3/8 inch-Stahlkugeln, die primär getempert wurden nach einem Abschreckungsaushärten mit 5 bis 250 kgf in einen Trommelkasten eines Raumvolumens von 0,2 m³, und durch Zu-Kollision-Bringen der Stahlkugeln miteinander, während der Trommelkasten für 100 min mit 200 UpM gedreht wurde. Die Menge der Stahlkugeln, die in dem Trommelkasten angeordnet waren und die Betriebszeit für den Trommelkasten wurden jeweils derart geändert, daß die Restdruckspannung (σ₁) auf der Oberfläche des Wälzelements durch die plastische Bearbeitungsspannung von -900 bis -1500 MPa beträgt, und die Menge an restlichem Austenit (γ_R1) von 5 bis 30 Vol.-% beträgt. Das heißt, da die Anzahl der in dem Trommelkasten angeordneten Stahlkugeln kleiner ist, steigt das Raumvolumen in dem Kasten stärker, um die plastische Bearbeitungsenergie zu erhöhen, um σ₁ höher zu machen. Wenn der Trommelkasten für eine längere Zeitdauer gedreht wird, steigt die plastische Bearbeitungsspannung, um σ₁ höher zu machen. 3/8 inch-Stahlkugeln für Beispiele und Vergleichsbeispiele können dadurch hergestellt werden, während σ₁ und γ_R1 jeweils geändert werden durch Variieren der Bedingungen für die Anzahl von (im Trommelkasten) angeordneten Kugeln und die Bearbeitungszeit, wie vorstehend erläutert.
TESTBEISPIEL 1
Die Zustände von Wälzelementen in Beispielen und Vergleichsbeispielen sind so, wie in der Tabelle von 3 gezeigt.

σ₁:: anfängliche Restdruckspannung
σ₂:: Endrest-Druckspannung (Endprodukt)
γ_R1:: Gehalt an behandeltem restlichen Austenit
γ_R2:: Gehalt an endgültigem restlichen Austenit (fertiges Produkt)

Im Vergleichsbeispiel 1 wurden Stahlkugeln aus üblichen bzw. gewöhnlichen Handelserzeugnissen verwendet. Für die Beispiele 1 bis 9 und die Vergleichsbeispiele 2 bis 5 wurden Stahlkugeln jeweils hergestellt, deren Bearbeitungsspannung freigegeben bzw. gemildert waren. Für die Beispiele 10a und 10b wurden Stahlkugeln hergestellt durch Anwenden einer sekundären Durchwärmungsbehandlung nach der Oberflächen-Aushärtungsbehandlung und dem abschließenden Schleifen.
Ein Lebensdauertest wurde für die 6206 Tiefrillen-Kugellager nacheinander durchgeführt, in welche diese Wälzelemente eingebaut waren.
Für den Lebensdauertest wurden zur Verhinderung vorzeitigen Abblätterns in den inneren und äußeren Ringen der Lager SUJ2EP-Stahl als Material extra hoher Reinheit, entwickelt durch die Firma der Anmelderin (NSK Technical Journal, Nr. 652, 1992, S. 1-8) eingesetzt und verwendet nach dem Anwenden einer gewöhnlichen Wärmebehandlung (Abschreckungsbehandlung bei 840°C, Ölkühlen und daraufhin Durchwärmen bei 180°C). Die Oberflächenhärte für die inneren und äußeren Ringe betrug HOURSC 61 bis 63, und die Oberflächenhärte der inneren und äußeren Ringe betrug 0,01 bis 0,04 μm Ra. Der Inhalt des Lebensdauertests ist nachfolgend erläutert.
TESTGERÄT
Das in 1 gezeigte Testgerät wurde unter der Verwendung von Schmieröl VG68 verwendet.
In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Wälzlager als Testprobenstück, die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen äußeren Ring (einen feststehenden bzw. stationären Ring), die Bezugsziffer 3 bezeichnet einen inneren Ring (Drehring) und die Bezugsziffer 4 bezeichnet ein Wälzlager. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine Welle zum Montieren bzw. Anbringen des Wälzlagers, die Bezugsziffer 6 bezeichnet ein Lagergehäuse, die Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Lastwelle zum Anlegen einer Last aus der radialen Richtung an das Testprobenstück, die Bezugsziffer 8 bezeichnet einen Schmiermitteltank, die Bezugsziffer 9 bezeichnet einen Filter und die Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Ölzufuhrpumpe.
TESTVERFAHREN
Bei dem Wälzlager, welches das Testprobenstück darstellt, handelt es sich um ein Tiefrillen-Kugellager mit der Lagernummer 6206, eine Testlast Fr = 1600 kgf (P/C = 0,8), und die Drehzahl, mit welcher das Lager eingesetzt wurde, betrug 1000 UpM. Der Test wurde jeweils zehnmal n = 10 durchgeführt. Da neun Stahlkugeln pro Lager verwendet wurden, wurde die L10 Lebensdauer für 90 Testprobenstücke ermittelt. Der Test wurde als beendet beurteilt zu dem Zeitpunkt, zu welchem der gemessene Schwingungs- bzw. Vibrationswert das Fünffache des anfänglichen Vibrationswerts betrug, und Abblättern wurde bestätigt bzw. auf Abblättern wurde untersucht durch Unterbrechen des Tests. Wenn der gemessene Schwingungswert nicht das Fünffache des anfänglichen Schwingungswerts erreicht hatte, wurde die Testbeendigungszeit festgelegt mit 1000 Stunden.
TESTERGEBNIS
Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle in 4 gezeigt.
Da in den Beispielen 1 und 4 der Freigabegrad bzw. Minderungsgrad für die Bearbeitungsspannung auf der Oberfläche des Wälzelements durch die zweite Durchwärmungsbehandlung größer ist als in den anderen Beispielen, und da sie 60% bzw. 50% betrugen, betrug die L10-Lebensdauer 651 Stunden bzw. 852 Stunden, entsprechend etwa dem Fünffachen der Vergleichsbeispiele 1-5 im Hinblick auf die Lebensdauer oder einem noch größeren Vielfachen. Abblättern trat lediglich in vier bzw. drei von 90 Probestücken auf.
In den Beispielen 6 und 9 wurde der Freigabegrad für die Bearbeitungsspannung auf der Oberfläche des Wälzelements durch die sekundäre Durchwärmungsbehandlung kleiner gemacht als in den übrigen Beispielen, und er betrug 17% bzw. 11%. Die L10-Lebensdauer betrug 795 Stunden bzw. 670 Stunden, entsprechend einer Lebensdauer des Fünffachen der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 oder eines noch größeren Mehrfachen hiervon.
Da in den Beispielen 2, 3, 5, 7 und 8 die Bearbeitungsspannung auf der Oberfläche des Wälzelements durch die sekundäre Durchwärmungsbehandlung festgelegt war als 20 bis 40%, war die Härte des Wälzelements kaum verringert, und für eine L10-Lebendauer in jedem der Fälle trat ein Abblättern bei 90 Lagern nicht auf, wenn 1000 Stunden der Testbeendigungszeit erreicht waren.
In den Beispielen 10a und 10b wurde abschließendes Schleifen nach der Oberflächen-Aushärtungsbehandlung angewendet, und daraufhin wurde eine sekundäre Durchwärmungsbehandlung angewendet mit einer Temperatur niedriger als die erste Durchwär mungstemperatur zugunsten der Abmessungsstabilität, um den Freigabegrad der Bearbeitungsspannung auf 58% bzw. 25% festzulegen, unter welchen die Lebensdauer nicht geändert war im Vergleich zu den übrigen Beispielen, und wobei die L10-Lebensdauer 782 Stunden bzw. 1000 Stunden betrug.
Andererseits handelt es sich beim dem Vergleichsbeispiel 1 um einen Test unter Verwendung gewöhnlicher bzw. üblicher Stahlkugeln, und da keine sekundäre Durchwärmungsbehandlung angewendet wurde, betrug die L10-Lebensdauer 78 Stunden, was dem Doppelten der berechneten Lebensdauer entspricht, wobei jedoch der Lebensdauerwert extrem kürzer war als in den Beispielen 1-11. Daraus ergibt sich, daß die Ausbildung der Restdruckspannung durch die mechanische Oberflächen-Aushärtungsbehandlung dahingehend effektiv sein kann, das Verlängern der Lebensdauer zu bewirken.
Im Vergleichsbeispiel 2 wurde außerdem eine sekundäre Durchwärmungsbehandlung angewendet, um den Freigabegrad der Bearbeitungsspannung von 7% bereitzustellen; da die Spannung jedoch nicht ausreichend freigegeben bzw. gemildert war, war die L10-Lebensdauer 120 Stunden kurz. Dies ist deshalb der Fall, weil die Restspannung durch die Überbearbeitung nicht in ausreichender Weise freigegeben wurde, wodurch die plastische Verformung aufgrund der Wälzkontaktermüdung fortschritt und die Lebensdauer verkürzte.
In Vergleichsbeispiel 3 wurde außerdem eine sekundäre Durchwärmungsbehandlung angewendet, um den Freigabedruck der Bearbeitungsspannung mit 73% festzulegen; da jedoch die Lagerhärte auf HOURSC 58 verringert war und die Restdruckspannung auf die Oberfläche ebenfalls verringert war auf -400 MPa, war die Aus wirkung auf die Abblätterungsbeständigkeit nicht ausreichend, und die L10-Lebensdauer war 75 Stunden kurz.
Da in den Vergleichsbeispielen 4 und 5 die Endrest-Druckspannung nach der Oberflächen-Aushärtungsbehandlung -400 MPa bis -300 MPa gering war, war die L10-Lebensdauer am kürzesten mit 73 Stunden bzw. 60 Stunden selbst dann, wenn der Freigabegrad für die Bearbeitungsspannung mit 56% und 40% ausreichend war.
Aus dem vorstehend angeführten Ergebnis geht hervor, daß ein Wälzelement zusätzlich längerer Lebensdauer bereitgestellt werden kann, weil die Bearbeitungsspannung als Art eines Kontaktermüdungszustandes, hervorgerufen durch die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung, mit bzw. um 10 bis 60% verringert werden konnte durch Anwenden des üblichen groben Schleifens, durch Anwenden einer Oberflächen-Aushärtungsbehandlung nach der Wärmebehandlung und daraufhin durch Anwenden eines sekundären Durchwärmens bei der Herstellung des Wälzelements.
In diesem Fall wurde bei einem Freigabegrad für die Oberflächen-Bearbeitungsspannung des Wälzelements von 10 bis 60% eine weitere Wirkung beobachtet, demnach die Lebensdauer verlängert werden kann, indem die Spannung des Freigabegrads mit 20 bis 40% festgelegt wird.
TESTBEISPIEL 2
Im folgenden sind Beispiele eines anderen Tests erläutert.
Die Art und Größe der getesteten Lager und das Material und die Größe des Wälzelements sind identisch mit denjenigen im Testbeispiel 1.
Der Temperaturbereich für die Wärmebehandlungsbedingung, die mechanische Oberflächen-Aushärtungsbehandlung (Schußbeaufschlagung), der Temperaturbereich der sekundären Durchwärmungsbehandlung und der Bereich für die Oberflächenrauhigkeit des Wälzelements nach dem endgültigen Schleifen sind ebenfalls identisch zu denjenigen im Beispiel 1 mit Ausnahme des Verfahrens der mechanischen Oberflächen-Aushärtungsbehandlung.
Die in 5 gezeigte Tabelle zeigt den Zustand der getesteten Wälzelements in den Beispielen und den Vergleichsbeispielen.
In der Tabelle bezeichnen:

σ_S:: Restdruckspannung auf der Oberfläche der Stahlkugel (identisch mit der Endrest-Druckspannung δ₂).
σ_D:: Restdruckspannung in einer Position für eine Tiefe Da × 2% unter der Stahlkugeloberfläche (Da: Stahlkugeldurchmesser).

2 zeigt die Verteilungsmuster 1-4 für die Restspannung in den Beispielen und den Vergleichsbeispielen.
Im Vergleichsbeispiel 11 wurden Stahlkugeln entsprechend gewöhnlicher Handelserzeugnisse verwendet, ungeachtet deren Eindrückbeständigkeit.
In Bezug auf die Beispiele 11-15 und die Vergleichsbeispiele 12-14 wurden Stahlkugeln identisch zu denjenigen in Testbeispiel 1, die bezüglich der Arbeitsspannung entlastet waren, hergestellt.
Für die Beispiele 16-21 und die Vergleichsbeispiele 15 und 16 wurden Stahlkugeln mit unterschiedlicher Restspannungsverteilung auf die 2% Positionstiefe auf den Durchmesser Da des Wälzelements hergestellt durch Verkleinern des Raumvolumens wie beim Stand der Technik unter Erhöhung der Anzahl von Stahlkugeln, die während der Schußbeaufschlagung in einem Trommelkasten angeordnet waren, um die Energiemenge durch Kollision zwischen den jeweiligen Stahlkugeln zu verringern und um die erforderliche Zeit für die Schußbeaufschlagung unterschiedlich zu machen. Das heißt, ein Trommelkasten mit einem Raumvolumen von gerade eben mal 0,1 m³ wurde verwendet, und 250 kg 3/8-inch-Stahlkugeln wurden dort angeordnet und zur Kollision miteinander gebracht, während der Trommelkasten für 50 bis 300 Minuten mit 200 UpM in Drehung versetzt wurde, um die Restdruckspannung (σ₂=σ_S) auf der Oberfläche des Wälzelements nach der Endbearbeitung mit -600 bis -1500 MPa und den Gehalt an restlichem Austenit (γ_R2) mit 0 bis 15 Vol.-% festzulegen, und um die Restdruckspannung (σ_D) auf der Tiefe von 2% Da als das Verhältnis zum Durchmesser des Wälzelements ausgehend von der Oberfläche des Endprodukts mit -400 bis -1000 MPa festzulegen. Die Position für 2% Da entspricht der Spitzenwertposition der maximalen Scherspannung, erzeugt unter der Laufbahnoberfläche, wenn die Stahlkugeln eingebaut waren und in dem Wälzlager verwendet wurden. Für die inneren und äußeren Ringe des Lagers wurde in den Beispielen und in den Vergleichsbeispielen dasselbe hochreine Material SUJ2EP, identisch zu demjenigen in Testbeispiel 1 verwendet, und sowohl die Wärmebehandlung, wie die Oberflächenhärte und die Oberflächenrauhigkeit waren identisch zum Testbeispiel 1, um vorzeitiges Abblättern zu verhindern.
Der Test wurde durchgeführt unter Verwendung desselben Testgeräts wie in Beispiel 1, wobei folgendes gilt:

Testlast FR: 990 kgf (P/C = 0,50)

Testtemperatur: 120°C

Drehzahl: 1000 UpM

Anzahl von Testprobestücken n: n = 10 für jedes der Testprobenstücke
Da 9 Stahlkugeln pro Kugellager verwendet wurden, wurde die L10-Lebensdauer mit 90 Stücken ermittelt.
Bei einer Beurteilung am Ende des Tests wurde der Test beendet. Zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Wert das Fünffache des anfänglichen Vibrationswerts betrug, und Abblättern wurde bestätigt bzw. untersucht. Da die berechnete Lebensdauer 130 Stunden betrug, war die Testbeendigungszeit festgelegt mit 500 Stunden, entsprechend dem Vierfachen.
Das Ergebnis des Tests ist in der Tabelle von 6 gezeigt.
Da in den Beispielen 11 und 14 der Freigabe- bzw. Entlastungsgrad für die Bearbeitungsspannung auf der Oberfläche des Wälzelements erhöht war durch die erneute Durchwärmungsbehandlung, betrug die L10-Lebensdauer 351 Stunden bzw. 459 Stunden, was zwar dem Dreifachen oder mehr im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 11 bis 16 entspricht. Da der Restspannungswert auf der Oberfläche jedoch ebenfalls verringert war mit -600 MPa bzw. -800 MPa, war der Effekt des Unterdrückens der Ausbrei tung von Rissen zusammen mit der Beschleunigung der internen Ermüdung durch einen Hochtemperaturtest ebenfalls verringert, wodurch Abblättern in 4/90 und 3/90 der Stahlkugeln beobachtet wurde.
Da in den Beispielen 13 und 21 der Freigabegrad für die Bearbeitungsspannung auf der Oberfläche des Wälzelements durch die Wiederdurchwärmungsbehandlung im Vergleich zu den übrigen Beispielen verringert war, während der Restdruckspannungswert in der 2%-Da-Position -1000 bzw. -800 MPa hoch war, betrug die L10-Lebensdauer 376 Stunden bzw. 370 Stunden, was etwa dem Dreifachen oder mehr der Vergleichsbeispiele 11-16 entspricht.
In den Beispielen 12 und 15 war die Bearbeitungsspannungsfreigabe auf der Oberfläche des Wälzelements ausreichend durch die Wiederdurchwärmungsbehandlung, und die Härte des Wälzelements war kaum verringert in bezug auf die L10-Lebensdauer, und Abblättern trat bei 90 Stücken auf, auch wenn diese 500 Stunden erreichten.
Da im Beispiel 18 die Zeit für die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung um 30% im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt war, konnte die Restdruckspannung in der 2%-Da-Position verringert werden auf bzw. um -400 MPa. Da jedoch der Restdruckspannungswert auf der Oberfläche mit -800 MPa ebenfalls nicht ausreichend war, konnte die Ausbreitung von Rissen nicht ausreichend unterdrückt werden, und die L10-Lebensdauer betrug 487 Stunden, wobei Abblättern in 3/90 Stücken auftrat.
Da in den Beispielen 16 und 17 die Schußbeaufschlagungszeit um 50% im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt war und die Stahlkugeln in doppelter Anzahl als üblicherweise in dem Trom melkasten enthalten war, um die Kollisionsenergie jeder der Stahlkugeln zu verringern, trat ein Abblättern selbst bei Erreichen von 500 Stunden nicht auf.
Da in den Beispielen 19 und 20 dieselbe Bearbeitung wie in den Beispielen 16 und 17 angewendet wurde, worauf sekundäres Erwärmen erneut bei 180°C und 200°C angewendet wurde, war der Eindrückwiderstand und das Unterdrücken der Ausbreitung von Rissen verbessert im Hinblick auf die Oberflächenhärte und die Restspannungsverteilung, und Abblättern trat selbst bei Erreichen von 500 Stunden nicht auf.
Im Hinblick auf das Ergebnis der vorstehend erläuterten Beispiele ist zu bemerken, daß die Lebensdauer-Evaluationszeit 500 Stunden insbesondere in jedem der Beispiele 15-17 und in den Beispielen 19 und 20 betrug; das heißt, sie erreichten den Testendzeitpunkt. Das heißt, die Restedruckfestigkeit σ_S auf der Oberfläche des Wälzelements (= σ₂) beträgt bevorzugt von -1000 bis -1200 MPa auf der Seite der oberen Grenze innerhalb des zulässigen Bereichs gemäß der vorliegenden Erfindung zum Unterbinden der Ausbreitung von Rissen. Andererseits beträgt die Restdruckspannung σ_D in der 2%-Da-Position unter der Oberfläche bevorzugt von -400 bis -600 MPa auf der Seite der unteren Grenze innerhalb des zulässigen Bereichs gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern, und es wird deutlich, daß das beste Ergebnis durch die Kombination (der vorstehend genannten Werte) erzielt werden kann.
Andererseits handelt es sich bei dem Vergleichsbeispiel 11 um einen Test unter Verwendung gewöhnlicher Stahlkugeln, und weil die Abblätterungsfestigkeit bei dem Hochtemperaturtest nicht ausreichend war, trat ein Abblättern bei 9/90 Stücken für die L10-Lebensdauer von 44 Stunden auf.
Bei den Vergleichsbeispielen 12 und 14 wurde die Wiedererwärmungsbehandlung jeweils bei 150°C und 180°C angewendet; da jedoch die Bearbeitungsspannung nicht in ausreichender Weise gemildert bzw. freigegeben wurde, betrug die L10-Lebensdauer 93 Stunden bzw. 123 Stunden, was kürzer ist als die berechnete Lebensdauer. Dies bedeutet, daß das Freigeben der Restspannung durch die Überbearbeitung nicht in ausreichender Weise freigegeben wurde und daß die plastische Verformung aufgrund der Wälzkontaktermüdung fortschritt mit dem Ergebnis, daß die Lebensdauer verkürzt war.
Während im Vergleichsbeispiel 13 die Wiederdurchwärmungsbehandlung bei 280°C angewendet wurde und die Bearbeitungsspannung in ausreichender Weise freigegeben bzw. gemildert wurde, war die Lagerhärte verringert auf HOURSC 56, und die Restdruckspannung auf der Oberfläche war ebenfalls -600 MPa gering, und der 2%-Da-Wert war ebenfalls -300 MPa klein, so daß die Ausbreitung von Rissen nicht ausreichend unterbunden werden konnte, mit dem Ergebnis, daß die L10-Lebensdauer 57 Stunden betrug.
Da im Vergleichsbeispiel 15 die Restdruckspannung bei bzw. mit 2% Da nach der Oberflächen-Effektbehandlung -300 MPa klein war, wurde die Ausbreitung von Rissen, hervorgerufen durch die interne Ermüdungsbeschleunigung zusammen mit dem Hochtemperaturtest, nicht in ausreichender Weise unterdrückt. Dasselbe trifft für das Vergleichsbeispiel 16 zu, bei welchem die Restdruckspannung auf der Oberfläche -500 MPa klein war, so daß die Auswirkung des Unterdrückens eine Ausbreitung von Rissen an bzw. auf der Wälzfläche nicht ausreichend war, wobei außerdem die Eindrückbeständigkeit nicht ausreichend war. Die L10-Lebensdauer war deshalb auf 68 Stunden bzw. 71 Stunden verkürzt.
Aus den vorstehend angeführten Ergebnissen geht hervor, daß ein Wälzelement mit längerer Lebensdauer bereitgestellt werden kann, indem die Eindrückbeständigkeit und die Abblätterungsbeständigkeit verbessert werden durch Anwenden einer Oberflächen-Aushärtungsbehandlung (Schutzbehandlung) nach Anwenden der üblichen groben Endbearbeitung, durch Abschrecken und primäres Durchwärmen, gefolgt vom Anwenden eines Wiedererwärmens (sekundäres Erwärmen), um Bearbeitungsspannung zu entfernen bzw. abzubauen bzw. zu mildern, oder durch Verringern der Energie der Kugelschußbeaufschlagung um ein stärkeres Ausmaß als üblich, wodurch eine optimale Restspannungsverteilung bei der Herstellung des Wälzelements bereitgestellt wird.
Während die übliche Wärmebehandlung für Lagerstähle auf das Material angewendet wurde, das für die Beispiele in diesem Fall verwendet wurde, können ähnliche Wirkungen im Wälzelement erkannt werden, da es gebildet wird durch Anwenden von Carburieren und Carbonitrieren der Stähle, Gehäuse-Aushärtungsstähle oder andere ähnliche Materialien, die als Wälzelemente verwendet werden können.
Außerdem kann bemerkenswerterweise die Lebensdauer verlängert werden durch Verbessern der Materialreinheit eines Wälzelements, wodurch der Gehalt an Sauerstoff in den Stählen auf 5 ppm oder kleiner und der Gehalt an S auf 30 ppm oder weniger gedrückt werden können, wodurch Oxid-Reiheneinschlüsse von 10 μm oder mehr in einem gesamten erfaßten Oberflächenbereich von 3200 mm² (gesamte Ermittlungseinheitsfläche zum Ermitteln der Größe von nicht-metallischen Einschlüssen im Querschnitt des Spulenmaterials vor Herstellung der Stahlkugeln) entfernt werden können.
Stahlkugeln mit jeweils identischer Größe sind in einem Trommelkasten angeordnet und behandelt worden durch Oberflächen-Aushärtungsbehandlung. Es ist jedoch auch möglich, Stahlkugeln unterschiedlicher Größen für die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung anzuordnen, wodurch die anfängliche Restdruckspannung σ₁ (= -900 bis -1500 MPa) bereitgestellt wird und der Gehalt an anfänglichem Rest-Austenit γ_R1 (= 5 bis 30 Vol.-%) bereitgestellt wird, und schließlich den Gehalt an restlichem Austenit γ_R2 auf der Oberfläche des Endprodukts nach der Fertigbearbeitung mit 0 bis 15 Vol.-% festzulegen, die Restdruckspannung σ_D in der 2%-Da-Position unter der Oberfläche mit -400 bis -1000 MPa und die Restdruckspannung σ_S = σ₂ mit -600 bis -1200 MPa festzulegen.
Was das sekundäre Durchwärmen des Wälzelements betrifft, kann die entsprechende Behandlung auf das Endprodukt im Vakuum anwendet werden.
Wenn die sekundäre Durchwärmungsbehandlung auf das fertiggestellte Wälzelement angewendet wird, wird ein Oxidfilm von 1 bis 100 nm auf der Oberfläche des Wälzelements gebildet. Dieser Oxidfilm hat die Wirkung zu verhindern, daß Wasserstoffionen (H⁺) gebildet werden durch Eindringen von Wasser, das im Schmiermittel enthalten ist, von einer Adsorption auf der Oberfläche der Stahlkugeln, und das Eindringen von Wasserstoffatomen (H) in die Stahlkugel zu verhindern.
Außerdem wird die Wirkung erzielt, die Freßverhinderungseigenschaft zu verbessern, wenn die Schmierungsbedingung unter Hochtemperaturumständen beeinträchtigt ist.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Da, wie vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Wälzlagers erläutert, die Bearbeitungsspannung in der Oberflächenschicht des Wälzlagers, die dazu führt, ein vorzeitiges Ausflocken im Vergleich zum Lagerring hervorzurufen, um 10 bis 60% verringert bzw, freigegeben ist, kann die Wälzlebensdauer eines Wälzlagers, insbesondere unter Hochtemperaturbedingungen, hohen Lasten und starken Schwingungen bzw. Vibrationen im Vergleich zum Stand der Technik stark verlängert werden.
Da in Übereinstimmung mit dem Verfahren zum Bearbeiten bzw. Herstellen des Wälzelements gemäß der vorliegenden Erfindung die Oberflächen-Aushärtungsbehandlung auf das Wälzelement nach dem Abschrecken und Durchwärmen angewendet wird, wobei eine plastische Verformungsbehandlung außerdem angewendet wird, gefolgt von dem sekundären Durchwärmen, um den Restspannungswert σs auf der Oberfläche auf -600 bis -1200 MPa zu mäßigen, und da der Restspannungswert σ_D in einer Da × 2%-Tiefenposition unter der Oberfläche relativ zum Durchmesser Da des Wälzelements auf eine Restspannungsverteilung in einem Bereich von -400 bis -1000 MPa festgelegt ist, kann die Wälzlebensdauer im Vergleich zum Stand der Technik stark verlängert werden.
Das erfindungsgemäße Wälzlager eignet sich damit insbesondere zum Einsatz als Kugellager in Getrieben, Nabeneinheiten, Fahrzeugmotor-Zusatzgeräten (Lichtmaschinen, Zwischenriemenschei ben, Solenoidkupplungen, usw.) von Fahrzeugen, Führungswälzlager und Ersatzlager zur Verwendung beim Eisen- und Stahlverhütten oder Lagern zur Verwendung in Schienenfahrzeugen.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten bzw. Herstellen von mehreren Wälzelementen aus einem Lagerstahl, die zwischen einem feststehenden Ring und einem sich drehenden Ring eines Wälzlagers angeordnet sind, wobei der Gehalt an restlichem Austenit in der Oberflächenschicht des Wälzelements von 0 bis 15 Vol.-% beträgt, ein abschließender Restdruckspannungswert (σ_S) auf der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements zwischen -600 und -1.200 MPa beträgt, und ein Restdruckspannungswert (σ_D) in einer Tiefe von 2% des Durchmessers (Da) des Wälzelements von der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements zwischen -400 und -1.000 MPa beträgt, mit einem Abschreck- und Anlassschritt, bei dem nach dem Abschrecken und Anlassen der Wälzelemente ein mechanischer Bearbeitungsschritt mit einer plastischen Verformung der Oberfläche angewendet wird, um eine Restdruckspannung auf und unter der Oberfläche eines Wälzelements nach dem Abschreck- und Anlassschritt bereitzustellen; einem zweiten darauf folgenden Anlassschritt, in dem eine plastische Spannung nach dem mechanischen Bearbeitungsschritt abgebaut wird, um einen Bearbeitungsspannungs-Abbaugrad von 10 bis 60% zu erzielen; und einem darauf folgenden Fertigbearbeitungsschritt zum Fertigbearbeiten der Oberfläche des Wälzelements auf eine vorbestimmte Größe, wobei der Bearbeitungsspannungs-Abbaugrad definiert ist als {(σ1-σ2)/σ1} × 100%,wobei σ₁ (in MPa) die Restdruckspannung auf der Oberfläche des Wälzelements, hervorgerufen durch plastische Bearbeitungsspannung in dem mechanischen Bearbeitungsschritt, und σ₂ (in MPa) eine Restdruckspannung auf der Oberfläche eines fertigen Produkts nach dem Fertigbearbeitungsschritt ist.
Verfahren zum Bearbeiten von Wälzelementen nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Anlassschritt bei 150°C bis 240°C durchgeführt wird.
Verfahren zum Bearbeiten von Wälzelementen nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der mechanische Bearbeitungsschritt den Schritt, abgeschreckte / angelassene Stahlkugeln zur Verwendung in einem vorbestimmten Wälzlager in einem Raumvolumen eines sich drehenden Trommelkastens anzuordnen, und den Schritt, eine plastische Bearbeitungsspannung auf die Oberfläche der Stahlkugeln anzuwenden, umfasst.
Wälzlager, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Wälzlager, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der abschließende Restdruckspannungswert (σ_S) auf der fertig bearbeiteten Oberfläche des Wälzelements folgende Beziehung erfüllt: Absolutwert der abschließenden Restdruckspannung (|σ_S|) ≥ Absolutwert der Restdruckspannung in einer Tiefe von 2% des Durchmessers (Da) des Wälzelements von der Oberfläche eines fertigen Produkts (|σ_D|).