DE19654546A1 - Rostfreier Stahl für ein reibungsfreies Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen rostfreien Stahl für reibungsfreie Lager, und insbesondere einen rostfreien Stahl, der als Lagerwerkstoff geeignet ist, die für sich drehende Teile von Präzisionsvorrichtungen verwendet werden.

Früher wurde martensitischer rostfreier Stahl nach der Güte "SUS440C" (JIS-Norm) als Werkstoff für reibungsfreie Lager verwendet, die Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen müssen.

Dieser rostfreie Stahl enthält solche Teilchen mit großem Durchmesser, wie eutektische Karbide, die durch eutektische Reaktionen erzeugt werden, die während des Erstarrens der Stahlschmelze stattfinden, und Aluminiumoxid und andere nichtmetallische Substanzen, die als Ergebnis der chemischen Reaktionen von Verunreinigungen erzeugt werden, die in dem Rohmaterial der Stahlschmelze enthalten sind. Derartige eutektische Karbide und nichtmetallische Substanzen führen vom Stahl-Gefügeaufbau her zu unterschiedlichen Stahleigenschaften hinsichtlich spanender Bearbeitbarkeit und ermöglichen kein hochgenaues spanendes Bearbeiten des Stahls. Insbesondere machen sie eine hochgenaue Endbearbeitung der Laufrillen an dem Außen- und Innenring der reibungsfreien Lager unmöglich. Folglich ist es nicht möglich, die Rundlaufgenauigkeit zu verbessern, wobei laute Geräusche durch Schwingungen erzeugt werden, die aufgrund der Rotation auftreten. Daher ist es unmöglich, diesen rostfreien Stahl für sich drehende Teile von Präzisionsvorrichtungen, wie Präzisionsmeßinstrumenten oder Computer-Peripherievorrichtungen, zu verwenden.

Um die Fertigungsgenauigkeit des rostfreien Stahls bei der Verwendung für reibungsfreie Lager nach dem Stand der Technik zu verbessern, wird der Durchmesser der eutektischen Karbidteilchen durch eine Wärmebehandlung beim Stahlherstellungsvorgang verringert, zum Beispiel auf etwa 10 µm. Es ist jedoch kein rostfreier Stahl erhältlich, wobei die Erzeugung von nichtmetallischen Substanzen weitgehend unterdrückt ist. Jedenfalls ist es nicht möglich, hochgenaue reibungsfreie Lager herzustellen.

Ein Ziel der Erfindung ist es, rostfreien Stahl für reibungsfreie Lager zu schaffen, der eine homogene und dichte Struktur aufweist und eine genaue maschinelle Fertigung ermöglicht.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird bei dem rostfreien Stahl für reibungsfreie Lager gemäß der Erfindung der Durchmesser der eutektischen Karbidteilchen reduziert sowie die Erzeugung der nichtmetallischen Substanzen auf ein extrem niedriges Niveau herabgesenkt.

Speziell besteht der rostfreie Stahl für reibungsfreie Lager im wesentlichen in Gewichtsprozent aus 0,60 bis 0,75% Kohlenstoff, 10,5 bis 13,5% Chrom, 1,0% oder weniger Silizium und 0,3 bis 0,8% Magnesium, wobei der Rest der Zusammensetzung Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei der rostfreie Stahl eine Härte von HRC 85 oder mehr aufweist, aus eutektischen Karbidteilchen mit einem Durchmesser von 10 µm und weniger besteht, und einen Sauerstoff- und Titangehalt von jeweils 10 ppm oder weniger aufweist.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur ist ein Schnitt, aus dem ein Beispiel eines reibungsfreien Lagers unter Verwendung von rostfreiem Stahl ersichtlich ist.

Der rostfreie Stahl für reibungsfreie Lagerungen wird nachfolgend im Hinblick auf die Verwendung bei einem Innen- und einem Außenring eines Kugellagers ausführlich beschrieben.

In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Außenring, der eine Laufrille 1a aufweist, die in der inneren Umfangsfläche geformt ist, und das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Innenring, der eine Laufrille 2a aufweist, die in der äußeren Umfangsfläche geformt ist. Eine Mehrzahl von Kugeln 3 sind als Wälzkörper zwischen den Laufrillen des Innen- und Außenrings angeordnet.

Bei diesem Beispiel sind der Außenring 1 und der Innenring 2 des Kugellagers aus dem rostfreien Stahl hergestellt, wobei die Kugeln 3 aus einem hochlegierten Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl hergestellt sind.

Die Kugeln 3 sind aufgrund der Tatsache aus dem hochlegierten Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl hergestellt, daß sie zwischen dem Außenring 1 und dem Innenring 2 eingeschlossen sind und eine nicht so hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen, und daß der hochlegierte Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl im Vergleich zu rostfreiem Stahl maschinell leicht hochgenau bearbeitet werden kann und eine zu erreichende Fertigungsgenauigkeit ausreichend ermöglicht, wobei er sowohl preiswerter als rostfreier Stahl ist als auch eine Reduzierung der Fertigungskosten ermöglicht.

Gemäß der Erfindung weist der rostfreie Stahl, aus dem der Außenring 1 und der Innenring 2 hergestellt sind, in Gewichtsprozent auf: 0,60 bis 0,75% Kohlenstoff, 10,5 bis 13,5% Chrom, 1,0% oder weniger Silizium und 0,3 bis 0,8% Mangan, wobei der Rest der Zusammensetzung Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind. Der rostfreie Stahl weist eine Härte von HRC 58 oder mehr auf, enthält eutektische Karbidteilchen mit einem Durchmesser von 10 µm und weniger, wie sie durch den Wärmebehandlungsvorgang gebildet werden, und weist einen Sauerstoff- und Titangehalt von jeweils 10 ppm oder weniger auf.

Der Titangehalt des rostfreien Stahls wird auf 10 ppm oder weniger unter Verwendung eines Rohmaterials mit einem extrem niedrigen Gehalt an Titan als Beimengung gebracht, und daher wird die Erzeugung von nichtmetallischen Substanzen, die aus Titan bestehen, wie Titannitrid, das durch Verbindung von Titan und Stickstoff in der Stahlschmelze erzeugt wird, auf ein extrem niedriges Niveau herabgesenkt.

Bei dem Vorgang der Herstellung des rostfreien Stahls gemäß der Erfindung wird der Sauerstoffgehalt des rostfreien Stahls auf 10 ppm oder weniger durch Verlängerung der Zeitdauer für das Entweichen der Gase aus der Stahlschmelze reduziert. Auf diese Weise wird auch die Erzeugung von nichtmetallischen Substanzen, wie Aluminiumoxid, das durch Verbindung einer geringen Menge an Aluminium, das in dem Rohmaterial des rostfreien Stahls enthalten ist, und Sauerstoff entsteht, verhindert. Ebenso wird die Erzeugung von Siliziumnitrid, das durch Verbindung von Silizium aus dem Rohmaterial und Stickstoff erzeugt wird, auf ein extrem niedriges Niveau herabgesenkt.

Da der rostfreie Stahl, aus dem der Außen- und Innenring des Kugellagers bestehen, wie oben beschrieben ist, eutektische Karbidteilchen mit kleinem Durchmesser aufweist und ein extrem niedriges Niveau von erzeugten nichtmetallischen Substanzen enthält, weist der rostfreie Stahl eine homogene und dichte metallische Struktur auf und ermöglicht eine hochgenaue maschinelle Fertigung, wodurch eine Verbesserung der Laufruhe und der Rotationsgenauigkeit des Kugellagers ermöglicht wird.

Aus der untenstehenden Tabelle 1 sind die Ergebnisse von Versuchen ersichtlich, die an einem Kugellager mit einem Außen- und Innenring aus rostfreiem Stahl gemäß der Erfindung durchgeführt wurden, um Schwingungen und Geräusche (oder die Laufruhe) zu bestimmen. Die Versuche wurden in Übereinstimmung mit den AFBMA-Normen (Anti-Friction Bearing Manufacturing Association, Inc.) durchgeführt. Die Tabelle zeigt auch zum Vergleich die Ergebnisse der Versuche, die an einem Kugellager aus herkömmlichem rostfreien Stahl nach der Güte "SUS440C" (JIS-Normen) durchgeführt wurden. Die Versuchsergebnisse sind als Andelon-Werte gezeigt.

Wie bei dem Kugellager aus rostfreiem Stahl gemäß der Erfindung wurde bei dem Kugellager aus rostfreiem Stahl nach dem Stand der Technik der hochlegierte Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl für die Kugeln verwendet.

Tabelle 1

In Tabelle 1 sind die Spalten der Andelon-Werte M und H jeweils Meßfrequenzbereichen zugeordnet, wobei die Spalte M einem mittleren Frequenzbereich (300 bis 1,800 Hz) und die Spalte H einem hohen Frequenzbereich (1,800 bis 10,000 Hz) zugeordnet ist. Wie ersichtlich ist, sind bei dem kleineren Andelon-Wert die Schwingungen und die Geräusche geringer und die Laufruhe höher.

Bei dem oben genannten Beispiel wurden sowohl der Außenring 1 als auch der Innenring 2 aus dem rostfreien Stahl hergestellt. In Abhängigkeit von der Verwendung können jedoch nur einer der beiden Ringe, bei dem eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Tragfähigkeit erforderlich ist, aus dem rostfreien Stahl hergestellt sein, während der andere Ring aus hochlegiertem Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl ist.

Der rostfreie Stahl für reibungsfreie Lager gemäß der Erfindung mit der oben genannten Zusammensetzung weist folgende Funktionen und Wirkungen auf. Da der Titan- und Sauerstoffgehalt des rostfreien Stahls auf jeweils 10 ppm oder weniger gebracht wird, während die Erzeugung von nichtmetallischen Substanzen auf ein extrem niedriges Niveau herabgesenkt wird, weist der rostfreie Stahl eine homogene und dichte Struktur auf und ermöglicht eine hochgenaue Endbearbeitung der Laufrillen, wenn der rostfreie Stahl als Werkstoff für das reibungsfreie Lager verwendet wird, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Laufruhe und der Rundlaufgenauigkeit des reibungsfreien Lagers ermöglicht wird.

Die nichtmetallischen Substanzen, die in dem herkömmlichen rostfreien Stahl enthalten sind, sind hart im Vergleich zu dem Stahl, in welchem sie eingebettet sind, wodurch bei herkömmlichem rostfreiem Stahl die nichtmetallischen Substanzen, die an der Oberfläche der Laufrillen des reibungsfreien Lagers vorliegen, eine Abnutzung der Oberfläche der Wälzkörper bewirken. Bei dem rostfreien Stahl als Werkstoff für reibungsfreie Lager werden im Gegensatz dazu extrem wenig nichtmetallische Substanzen erzeugt, wodurch die Wälzkörper weniger abgenutzt werden und die Lebensdauer der reibungsfreien Lager verlängert werden kann.

Claims (1)

1. Rostfreier Stahl für ein reibungsfreies Lager, wobei der rostfreie Stahl im wesentlichen in Gewichtsprozent besteht aus 0,60 bis 0,75% Kohlenstoff, 10,5 bis 13,5% Chrom, 1,0% oder weniger Silizium und 0,3 bis 0,8% Magnesium, wobei der Rest der Zusammensetzung Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei der rostfreie Stahl eine Härte von HRC 85 oder mehr aufweist, aus eutektischen Karbidteilchen mit einem Durchmesser von 10 µm und weniger besteht, und einen Sauerstoff- und Titangehalt von jeweils 10 ppm oder weniger aufweist.