DE19733101A1

DE19733101A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE19733101A1
Application number: DE19733101A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Matsumoto; Takashi Nagato; Kazuo Sekino
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2017-08-01
Also published as: GB2315776A; GB2315776B; JP3646467B2; US5997661A; GB9716126D0; JPH10140287A; DE19733101C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wälzlager, die in einer Umgebung verwendet werden, in der die Gefahr besteht, daß Wasser mit dem Lager-Schmiermittel vermischt wird. Sie bezieht sich beispielsweise auf die Walzenzapfen-Lager der Arbeitswalzen und der Stützwalzen von Walzwerken für Stahl, auf die Füh rungsrollenlager einer kontinuierlichen Gießvorrichtung für Stahl, auf Wasser pumpen-Lager für Automobilmotoren, auf Trocknungsrollenlager für eine Pa pier-Herstellungs-Vorrichtung und auf Lager für Automobilräder. Sie bezieht sich insbesondere auf Wälzlager, die auch dann eine verbesserte Haltbar keits-Lebensdauer aufweisen, wenn Wasser in das Lager einsickert.

Im allgemeinen nimmt die Haltbarkeits-Lebensdauer von Wälzlagern ab, wenn dem Schmiermittel Feuchtigkeit zugemischt wird. Es ist bekannt, daß selbst wenn nur 100 ppm Wasser mit dem Schmiermittel vermischt werden, die Halt barkeits-Lebensdauer um 32 bis 48% abnimmt (Literaturzitat: P. Schatzberg und I. M. Felsen, "Effects of water and oxygen during rolling contact lubrication" in "Wear", 12 (1968), S. 331-342, und P. Schatzberg und I. M. Felsen, "Influence of water on fatigue failure location and surface alteration during rolling-contact lubrication" in "Journal of Lubrication Technology", ASME Trans., F. 91, 2 (1969). S. 301-307).

Daher werden bei Lagern, die in feuchter Umgebung verwendet werden, in der sie mit Wasser in Kontakt kommen, wie Walzenzapfen-Lagern für Walzwerke, Wasserpumpen-Lagern und dgl., üblicherweise Abdichtungs-Gegen maßnahmen ergriffen, um das Eindringen von Wasser in das Schmiermittel zu verhindern, um eine Abnahme der Haltbarkeits-Lebensdauer zu vermeiden.

Beispiele für solche Gegenmaßnahmen sind Kontakt- und Nichtkontakt-Ab dichtungsstrukturen, wie sie in der japanischen Patentpublikation Nr. 55-22648, in der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. 59-223103 und dgl. beschrieben sind, in denen Abdichtungs- bzw. Versiegelungs-Verfahren für die Walzenzapfenlager von Walzwerken beschrieben sind.

Hinsichtlich der Lager, bei denen die obengenannten Abdichtungs-Gegenmaß nahmen ergriffen werden, gilt, daß, obgleich die Abdichtung verbessert ist ge genüber den Lagern, bei denen diese Maßnahmen nicht angewendet werden, und obgleich diese Gegenmaßnahmen dazu beitragen, das Herauswaschen des Fettes (Schmiermittels) zu verhindern, diese als Schutzmaßnahmen zur Verbesserung der Haltbarkeits-Lebensdauer von Lagern unter feuchten Um gebungs-Bedingungen unzureichend sind.

Das heißt, bei den Lagern, die eine Kontakt-Abdichtungskonfiguration aufwei sen, wird dann, wenn die Temperatur des Lagers abnimmt, die Luft im Innern des Lagers kontrahiert, Feuchtigkeit wird von außen in das Lager hinein ab sorbiert und Wasser wird mit dem Schmiermittel vermischt. Bei den Lagern, die eine kontaktfreie Abdichtungskonfiguration aufweisen, besteht das Pro blem, daß Wasser durch die Spalten der Abdichtung eindringt und mit dem Schmiermittel vermischt wird.

Wie oben angegeben, gibt es, da die Haltbarkeits-Lebensdauer um 32 bis 48% abnimmt, wenn nur 100 ppm Feuchtigkeit mit dem Schmiermittel gemischt werden, keinen Abdichtungs-Effekt in bezug auf die Haltbarkeits-Lebensdauer, wenn nicht das Eindringen von Wasser vollständig verhindert wird.

Bisher war es unklar, warum Wasser die Lebensdauer von Wälzlagern so stark herabsetzt (vgl. z. B. die Literatur: E. Ioannides und B. Jacobson, "Dirty lubricants-reduced bearing life" in "Ball Bearing Journal, Special "89" (1989), S. 22 bis 27). Infolgedessen gab es bisher keine anderen Lebensdauerverlän gerungs-Maßnahmen als Abdichtungs-Gegenmaßnahmen und die konventio nellen Haupt-Gegenmaßnahmen waren bisher ausschließlich die, das Eindrin gen von Wasser zu verhindern durch die obengenannten Verbesserungen in bezug auf die Abdichtung, zufriedenstellende wirksame Gegenmaßnahmen waren bisher jedoch nicht möglich.

Die Erfindung wurde entwickelt unter Berücksichtigung der vorstehenden Pro bleme und ein Ziel derselben besteht darin, Wälzlager bereitzustellen, die vom elektrochemischen Standpunkt aus betrachtet eine verbesserte Haltbarkeits- Lebensdauer auch dann aufweisen, wenn Wasser in das Lager-Schmiermittel eindringt.

Um das obengenannte Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Wälzlager bereitgestellt, bei dem die Laufringe und die Wälz(Kugel/Roll)-Elemente je weils aus einem Legierungsstahl als Ausgangsmaterial hergestellt werden, der 4,5 Gew.-% oder weniger Ni und 0,50 Gew.-% oder weniger Cu enthält, wobei der Durchschnittswert des Cu-Äquivalents des Ausgangsmaterials, aus dem die Laufringe auf der rotierenden Seite und die Wälzelemente (Kugel- bzw. Rollelemente) bestehen, höher ist als das Cu-Äquivalent in dem Ausgangsma terial, aus dem die Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite bestehen, wenn das Cu-Äquivalent in dem Ausgangsmaterial nach der folgenden Formel (1) definiert wird:

Cu-Äquivalent (%) = [Cu Gew.-% in dem Ausgangsmaterial] + 0,3 × [Ni Gew.-% in dem Ausgangsmaterial] (1)

Das Cu-Äquivalent gemäß der vorliegenden Erfindung ist in % als Einheit ge mäß der obigen Formel (1) angegeben und dies wird nachstehend näher er läutert.

Vorzugsweise liegt der Durchschnittswert des Cu-Äquivalents des Ausgangs materials, aus dem die Laufringe auf der rotierenden Seite und das Wälzele ment (rotierende Element) bestehen, um 0,075 oder mehr höher als das Cu-Äquivalent des Ausgangsmaterials, aus dem die Laufringe auf der nicht rotierenden Seite bestehen. Das heißt, es ist bevorzugt, daß die Summe des Cu-Äquivalents des Ausgangsmaterials, aus dem die Laufringe auf der rotie renden Seite bestehen, und des Wälzelements (Rollelements) um 0,15 oder mehr höher ist als das Doppelte des Wertes des Cu-Äquivalents des Aus gangsmaterials, aus dem die Laufringe auf den nicht-rotierenden Seiten be stehen.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben den Einfluß von Wasser auf das Ermüdungsphänomen in Wälzlagern untersucht und dabei gefunden, daß das Ermüdungsphänomen in den erfindungsgemäßen Wälzlagern beruht auf einer Wasserstoffversprödung, welche die galvanische Korrosion begleitet als Folge des Metallkontakts zwischen den Laufringen und den Wälzelementen und daß eine Rißbildung und ein Brechen (Abblättern = flaking) auftritt als Folge der Walzbewegung, wenn dieses Phänomen auftritt. Die Erfinder haben auch gefunden, daß die Korrosion selbst keinen direkten Einfluß auf das Auf treten dieser Rißbildung hat. Sie haben ferner gefunden, daß die hauptsächli chen Bruchstellen in den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite liegen.

Durch die vorliegende Erfindung wird die Korrosions-Beständigkeit der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite, welche die Hauptbruchstellen in ei ner Umgebung darstellen, in denen Wasser vorhanden ist, nicht erhöht. Dage gen wird durch eine Einstellung der relativen chemischen Komponente zwi schen dem Ausgangsmaterial, aus dem die Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite bestehen, und mindestens einem der Ausgangsmaterialien, aus denen die Wälzelemente bestehen, bzw. dem Ausgangsmaterial, aus dem die Laufringe auf der rotierenden Seite bestehen, versucht, die Lager-Lebensdauer zu verlängern, indem man das Cu-Äquivalent der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite relativ kleiner macht als dasjenige des Wälzele ments oder der Laufringe auf der rotierenden Seite, kurz gesagt, auf elektro chemischer Basis, so daß die feststehenden Laufringe auf der nicht rotierenden Seite vollständig korrosiv gemacht werden und das Eindringen von Wasser in das Innere der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite unterdrückt wird.

Eine detaillierte Erläuterung folgt.

Wenn Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, wird es schwierig, einen guten Ölfilm zwischen den Wälzelementen (Kugel- bzw. Rollelementen) und den Laufringen zu erzeugen, so daß ein metallischer Kontakt zwischen den Wälzelementen und den Laufringen auftritt, und die Oberflächen der Wälzele mente und der Laufringe werden chemisch aktiviert. Insbesondere in dem Be reich der maximalen Spannungs-Belastung, auf den eine hohe Belastung ein wirkt, kommen die Wälzelemente und die Laufringe in einen vollständigen Di rektkontakt-Zustand und liegen in einem Zustand der ausgeprägten chemi schen Aktivierung vor.

Dann tritt eine Korrosion auf den Abschnitten auf, auf denen über das Wasser ein metallischer Kontakt entsteht, und das Eisen in den Wälzelementen und in den Laufringen der damit in Kontakt kommenden Abschnitte wird zu Ei sen(III)ionen und diese werden in dem Wasser gelöst. Hier ist es die elektro chemisch unedle Region der Kontaktabschnitte, welche die Eisen(III)ionen emittiert. Bei Stahl tritt stets eine Segregation der Elemente auf und es gibt stets eine unedle Region und eine edle Region, auch wenn die Wälzelemente und die Laufringe aus der gleichen Charge und dem gleichen Typ Stahl her gestellt sind.

Die Kathoden-Reaktion und die Anoden-Reaktion dieser galvanischen Korro sion (Kontakt-Korrosion) laufen wie folgt ab:
Bei der Anoden-Reaktion, wie sie in der folgenden Formel (2) dargestellt ist, wird das Eisen in Wasser ionisiert und dieses ionisierte Eisen reagiert mit dem Wasser und es entstehen Wasserstoffionen (Korrosions-Reaktion):

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ Fe²⁺ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + 2H⁺ (2)

Die Reaktion der Eisen(III)ionen mit dem Wasser ist jedoch komplex und das Produkt ist nicht stets Fe(OH)₂, sondern es werden immer auch Wasserstoffio nen gebildet.

Andererseits reagieren bei der Kathoden-Reaktion, wie sie in der nachstehen den Formel (III) dargestellt ist, die durch die obengenannte Ionisierungs- Reaktion des Eisens gebildeten Elektronen mit den Wasserstoffionen, sie werden von dem Stahl als Wasserstoffatome absorbiert und es entsteht eine Wasserstoffversprödung.

2H⁺ + 2e⁻ → 2H (Adsorption an der Oberfläche) 2H (Adsorption an der Oberfläche) → 2H (Absorption im Stahlinnern) (3)

Hier tritt eine Adsorption der Wasserstoffatome an der Oberfläche und ihre Absorption im Innern auf, weil (1) kein Oxidfilm auf der Oberfläche als Folge des Metallkontakts zwischen den Wälzelementen und den Laufringen vorliegt (Adsorptionsbeschleunigung) und (2) durch die wiederholte Belastung als Fol ge des Walzens der Flächenabstand des Kristallgitters breiter und enger wird und die Diffusions-Geschwindigkeit der Wasserstoffionen beschleunigt (Absorption-Beschleunigung).

Wenn eine Wasserstoffversprödung auftritt, d. h. wenn Wasserstoff in das In nere des Materials (des Stahls) in einem atomaren Zustand eindringt, und die unvermeidliche Dislokation und die nicht-metallische Interposition (insbesondere eine nicht-metallische Interposition mit einer schlechten Abdich tung gegenüber dem Substrat, z. B. eine oxidische nicht-metallische Interposi tion) den Wasserstoff einfängt (das Einfangen des Wasserstoffs erfolgt in ei ner Wasserstoff-molekularisierten, d. h. in einem gasförmigen Zustand in der nicht-metallischen Interposition), wobei er spröde wird, treten eine Rißbildung und dann ein Bruch auf, die das weitere Fortschreiten der Korrosions-Reaktion begleiten. Kurz gesagt tritt ein Bruch auf als Folge der Rißbildung nur auf der Kathoden-Reaktionsseite. Hier ist die Kathoden-Reaktionsseite die elektro chemisch edle Region.

Im Vergleich zu dem Phänomen, wenn das Lager stationär ist, wird das vor stehend beschriebene Phänomen während der Rotation vorherrschend. Dies ist darauf zurückzuführen, daß zusätzlich zu den beiden obengenannten Gründen (1) und (2) als Folge der Lagerrotation Eisenhydroxid aus dem System ausgetragen wird bei der Anoden-Reaktion, die durch eine Korrosions- Reaktion Eisenhydroxid bildet, was zur Folge hat, daß die Anoden-Reaktion beschleunigt wird.

Wenn nun das Lager rotiert, tritt somit eine bemerkenswerte Wasserstoff- Absorptionsreaktion in der Nähe des Bereiches mit der maximalen Span nungsbelastung auf, wenn die Wälzelemente und die Laufringe in Gegenwart von Wasser in einem innigen metallischen Kontakt miteinander stehen. Die Wasserstoff-Konzentration in dem Wälzlager während der Rotation wird am höchsten in der Nähe des Bereiches der maximalen Spannungsbelastung der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß im Gegensatz zu den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite, die stationär ist, keine Änderung in bezug auf den Be reich mit der maximalen Spannungsbelastung auftritt und Wasserstoff nur auf der Laufring-Oberfläche in der Nähe ihres Bereiches der maximalen Span nungsbelastung absorbiert wird, deren Position festgelegt ist, da sich die Ab schnitte der maximalen Spannungsbelastung der Wälzelemente und der Laufringe auf der rotierenden Seite wegen der Rotation bewegen, wobei dann, wenn Wasserstoff gebildet wird, dieser zugeteilt und absorbiert wird auf der gesamten Oberfläche des Wälzelements und der gesamten Oberfläche des Laufringes und die Oberflächenaufnahme der Wasserstoff-Absorption groß ist, was zur Folge hat, daß der Einfluß der Wasserstoffversprödung sich verteilt im Gegensatz zu den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite. Daher ist der Einfluß der Wasserstoffversprödung auf die Wälzelemente und die Laufringe auf der rotierenden Seite gering.

Aufgrund der obigen Angaben wurde in bezug auf konventionelle Wälzlager, die in feuchter Umgebung verwendet werden, in der Wasser mit dem Schmiermittel vermischt wird, gefunden, daß ein Bruch (Abblättern) haupt sächlich als Folge der Kathoden-Reaktion auf der Laufring-Oberfläche in der Nähe des Bereiches der maximalen Spannungsbelastung der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite auftritt.

Da Ni elektrochemisch edler ist als Eisen und sich in dem Eisen-Substrat gut verfestigt, ist ein Stahl, der Ni enthält, elektrochemisch edler als ein Stahl, der kein Ni enthält, oder ein Stahl, der nur wenig Ni enthält. In entsprechender Weise verfestigt sich auch Cu in dem Stahl-Substrat und erhöht den elektro chemischen Grad des edlen Charakters des Stahls.

Erfindungsgemäß wird nun im Gegensatz dazu der metallische Kontakt zwi schen dem Wälzelement und dem Laufring in Gegenwart von Wasser ausge nutzt. Durch Einstellung der relativen elektrochemischen Komponenten bei gleichzeitiger Änderung der Cu-Äquivalente wird das Wälzelement oder der Laufring auf der rotierenden Seite elektrochemisch edler gemacht als der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite. Auf diese Weise wird auf den Laufrin gen auf der nicht-rotierenden Seite aggressiv eine aktive Anoden-Reaktion erzeugt und auf den Wälzelementen oder auf den Laufringen auf der rotieren den Seite wird eine Kathoden-Reaktion erzeugt, d. h., eine Anoden-Reaktion wird auf den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite erzeugt, die zu einer aktiven Korrosion führt, während die Wasserstoff-Absorption als Folge der Kathoden-Reaktion sich über die breite Empfangs-Oberfläche der Wälzele mente und der Laufringe auf der rotierenden Seite verteilt, wodurch ein An stieg der lokalen Wasserstoff-Konzentrationen vermieden wird. Als Folge da von wird die Haltbarkeits-Lebensdauer des Gesamtlagers auch in einer sol chen Umgebung verbessert, in der Wasser vorhanden ist.

Nachstehend wird die Wasserstoff-Absorptionsmenge ΔHab des Laufrings auf der nicht-rotierenden Seite quantitativ angegeben in Relation zu der elektro chemischen Reihe (Ordnung) des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite, des Laufringes auf der rotierenden Seite und des Wälzelements.

Hier bezieht sich die elektrochemische Reihe (Ordnung) auf die edel-unedel- Beziehungen, die quantitativ bestimmt werden und je größer die Zahl der elektrochemischen Reihe ist, um so edler ist sie, wie dies bei dem Standard- Elektrodenpotential des Metalls der Fall ist. Die elektrochemische Reihe des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite, des Laufringes auf der rotierenden Seite und der Wälzelemente wird durch E (nicht-rotierend) E (rotierend) und E (Wälzung) ausgedrückt.

Hier wird angenommen, daß die Laufringe auf der rotierenden Seite, die Wäl zelemente und die Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite in der elektrischen Leitfähigkeitsreihe in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind und daß Wasser in der Umgebung vorhanden ist und es wird der Fall der galvanischen Korrosion (Kontakt-Korrosion), die den Kontakt in der Reihe dieser drei Metalle umfaßt, berücksichtigt.

Wenn E (nicht-rotierend) = E (rotierend), beispielsweise dann, wenn die rotie rende Seite und die nicht-rotierende Seite aus dem gleichen Stahlmaterial hergestellt sind, wird ΔHab einfach ausgedrückt durch

ΔHab = -k·{E (rotierend)-E (nicht-rotierend)}

worin k eine Proportionalitätskonstante ist und einen positiven Wert hat.

Wenn jedoch E (rotierend), E (nicht-rotierend) und E (wälzend, rollend) alle verschieden sind, ist dies nicht so einfach. Wenn beispielsweise E (rotierend) < E (nicht-rotierend) < E (wälzend) (edel → unedel) so ist es klar, daß der Laufring auf der rotierenden Seite die Kathode ist und das Wälzelement die Anode ist, es ist jedoch nicht so leicht zu wissen, ob der Laufring auf der nicht rotierenden Seite Anode oder Kathode ist.

Daher haben unter Berücksichtigung dieses Punktes die Erfinder der vorlie genden Erfindung die quantitativen Beziehungen zwischen ΔHab und E (nicht rotierend), E (rotierend), E (wälzend) untersucht.

Als Ergebnis wurde gefunden, daß ΔHab durch die folgende Gleichung gege ben ist:

ΔHab = -k·[{E (rotierend)-E (nicht-rotierend)} + {E (wälzend)-E (nicht-rotierend)}]

worin k eine Proportionalitätskonstante ist und einen positiven Wert hat.

Daraus ergibt sich, daß ΔHab < 0 gemacht werden muß, um die Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite zu der Anode zu machen, d. h. es müssen die fol genden Bedingungen erfüllt sein:

Semantisch ausgedrückt besagt dies, daß dann, wenn die elektrochemische Reihenfolge (Ordnung) des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite niedri ger ist (wenn er unedler ist) als der Durchschnittswert der elektrochemischen Reihenfolgen des Laufringes auf der rotierenden Seite und des Wälzelements, ist der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite die Anode.

Nachstehend werden die Gründe für die numerischen Grenzen und dgl. erläu tert.

Cu und Ni lösen sich in Form einer festen Lösung in dem Stahl-Substrat unter Erhöhung des elektrochemisch edlen Charakters des Stahls, wie vorstehend beschrieben. Da Cu elektrochemisch edler als Ni ist, löst sich Cu besser in dem Substrat und Cu ist deshalb wirksamer als Ni in bezug auf die Erhöhung des elektrochemisch edlen Charakters.

Nach den Forschungs-Ergebnissen der Erfinder ist Ni etwa zu 30% so wirk sam wie Cu in bezug auf die Erhöhung des edlen Charakters. Aus diesem Grunde wurde als Parameter für die elektrochemische Einordnung des Stahl das Cu-Äquivalent definiert als [Cu Gew.-%] + 0,3 × [Ni Gew.-%]. Die obenge nannte elektrochemische Ordnung E und das Cu-Äquivalent sind direkt pro portional zueinander.

Das heißt, theoretisch sollte der Stahl, wenn er in bezug auf die chemischen Komponenten homogen ist und wenn die Summe der Cu-Äquivalente der Wäl zelemente und der Laufringe auf der rotierenden Seite relativ höher sind als das Doppelte des Wertes des Cu-Äquivalents der Laufringe auf der nicht rotierenden Seite, in der Lage sein, einen Anstieg der Wasserstoff-Konzentra tion in den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite zu verhindern, in der Praxis besteht jedoch die Gefahr einer Variation als Folge der Segregation von Ni, Cu und dgl.

Wenn eine Studie durchgeführt wurde durch experimentelle Untersuchung der Beziehung der Differenz (ΔCu_eq.max) zwischen der Summe der Cu-Äquivalente der Wälzelemente und der Laufringe auf der rotierenden Seite und dem dop pelten Wert des Cu-Äquivalents der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite mit dem Anstieg des Wertes der Wasserstoff-Konzentration in dem Bereich der maximalen Spannungsbelastung der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite, wurde bestätigt, daß dann, wenn die Summe der Cu-Äquivalente der Wälzelemente und der Laufringe auf der rotierenden Seite höher wird als der doppelte Wert des Cu-Äquivalents der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite, das Auftreten einer Wasserstoff-Absorption in den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite schwieriger wird, kurz gesagt, die Arbeitsweise und der Effekt der vorliegenden Erfindung werden demonstriert, und daß dann, wenn der Unterschied der Cu-Äquivalente (ΔCu_eq.max) 0,15 oder mehr beträgt, die Wasserstoff-Absorption in den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite gestoppt wird.

Es ist daher bevorzugt, die Summe der Cu-Äquivalente des Ausgangsmateri als, aus dem die Laufringe auf der rotierenden Seite bestehen, und der Wälze lemente auf einen Wert einzustellen, der um 0,15 oder mehr höher ist als der doppelte Wert des Cu-Äquivalents des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht. Kurz gesagt, durch Einstel lung dieser Differenz der Cu-Äquivalente (ΔCu_eq.max) auf 0,15 oder mehr, selbst für den Fall, daß Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, ist es möglich, die gleiche Haltbarkeits-Lebensdauer wie bei gewöhnlichen Wälzlagern zu erzielen, wenn kein Wasser in dem Schmiermittel vorhanden ist.

Da der maximale Wert des Cu-Äquivalents aus dem Bereich der möglichen Gehalte an Cu und Ni hier 1,85 beträgt, überschreitet die obengenannte Diffe renz der Cu-Äquivalente niemals den Wert 3,70.

Der Grund dafür, warum der Ni-Gehalt auf 4,5 Gew.-% oder weniger einge stellt wird, ist der, daß dann, wenn er 4,5 Gew.-% übersteigt die Härte gerin ger wird als HRC 58, der Härte, die für Lager (bei Verwendung von Stahl) er forderlich ist.

Der Grund dafür, warum der Cu-Gehalt auf 0,50 Gew.-% oder weniger einge stellt wird, ist der, daß dann, wenn er 0,50 Gew.-% übersteigt, eine Abnahme der Warmverformbarkeit auftritt.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, daß das Ausgangsmaterial Cr, Mo und Mn enthält. In diesem Falle ist es am besten, den Cr-Gehalt auf 3,5 Gew.-% oder weniger, den Mo-Gehalt auf 1,5 Gew.-% oder weniger und den Mn-Gehalt auf 1,5 Gew.-% oder weniger einzustellen.

Das heißt, wenn der Cr-Gehalt 3,5 Gew.-% übersteigt, wird auf der Oberfläche ein Cr enthaltender feiner Eisenoxidfilm gebildet, mit dem Ergebnis, daß das Auftreten eines partiellen Eisenoxidfilm-Bruches auf der Wälzoberfläche mög lich wird. Da es möglich ist, daß dadurch die lokale Korrosion beschleunigt wird, ist es demgemäß bevorzugt, den Cr-Gehalt bei 3,5 Gew.-% oder weniger zu halten. Wenn der Mo-Gehalt 1,5 Gew.-% übersteigt, entsteht eine abnorme Struktur als Folge der Segregation, die zu einer Rißbildung während der Her stellung führt und es ist deshalb bevorzugt, den Mo-Gehalt auf 1,5 Gew.-% oder weniger einzustellen. Bezüglich des Mn-Gehaltes tritt ebenfalls eine ab norme Struktur auf, wenn er 1,5 Gew.-% übersteigt, als Folge einer Segregati on, die zu einer Rißbildung während der Herstellung führt, und es ist deshalb bevorzugt, den Mn-Gehalt auf 1,5 Gew.-% oder weniger einzustellen.

In diesem Fall erhöht Mo den edlen Charakter des Ausgangsmaterials, wäh rend Cr elektrochemisch den edlen Charakter des Ausgangsmaterials herab setzt, sowohl Mo als auch Cr erleichtern jedoch die Bildung von Carbiden und wenn sie innerhalb der obengenannten Gehalts-Bereiche verwendet werden, kann ihr Einfluß auf die Cu-Äquivalente als vernachlässigbar gering angese hen werden. Durch Erhöhung des Mn-Gehaltes wird elektrochemisch der edle Charakter des Ausgangsmaterials herabgesetzt und er bewegt die Gesamtheit des Stahls in Richtung auf die Korrosionsseite, wenn er ungleichmäßig verteilt ist. Mn neigt dazu, eine Segregation in dem Stahl und insbesondere eine Ab nahme der Konzentration in dem Substrat um die MnS-Interposition herum hervorzurufen und er ruft tatsächlich eine lokale Korrosion hervor, so daß sein Gehalt auf den obengenannten Gehalts-Bereich beschränkt ist. In diesem Ge halts-Bereich von Mn kann der Einfluß von Mn auf die Cu-Äquivalente als ver nachlässigbar gering angesehen werden.

Bezüglich der Kohlenstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials gilt dann, wenn 1,1 Gew.-% überschritten wird, daß Riesencarbide von Primär-Kristallen gebildet werden und die Wälzermüdungs-Festigkeit vermindert wird und es ist deshalb bevorzugt, die Kohlenstoff-Konzentration in dem Ausgangsmaterial bei 1,1 Gew.-% oder weniger zu halten.

In diesem Falle ist es bevorzugt, die Kohlenstoff-Konzentration des Aus gangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, auf 0,35 Gew.-% oder weniger einzustellen. Da eine Eigen-Druckbelastung in einer Höhe von 50 MPa oder mehr auf der Laufring-Oberfläche des Laufrings auf der nicht-rotierenden Seite entsteht, der carburiert oder carbonitriert wird, wird, wenn versuchsweise der Bruch durch Wasserstoff-Absorption als Was serstoffversprödungs-Abblättern bezeichnet wird, die Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödungs-Abblättern verbessert und es ist möglich, sie von 0,15 auf 0,10 des kritischen Wertes der obengenannten Differenz der Cu-Äquivalente (ΔCu_eq.max) zu vermindern, so daß die gleiche Lebensdauer wie für den Fall erhalten werden kann, bei dem Wasser nicht mit dem Schmiermittel vermischt wird.

Es ist auch bevorzugt, die Sauerstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials auf 15 ppm oder weniger einzustellen.

Wie oben angegeben, kann dann, wenn die obengenannte Differenz der Cu-Äquivalente größer als 0 und kleiner als 0,15 ist, ein gewisser Grad der Was serstoffversprödung auch auf dem Laufring auf der nicht-rotierenden Seite auftreten und es ist deshalb erforderlich, eine Beständigkeit gegen diese Ver sprödung zu erzielen. Die Wasserstoffversprödung ist ein Phänomon, das auftritt, wenn die Wasserstoffatome hauptsächlich in den Luftzwischenräumen an den Korngrenzen zwischen der oxidischen nicht-metallischen Interposition und dem Substrat in ein Gas übergehen, was leicht zu einer Rißbildung als Folge des Druckanstiegs führt, und daß ein früher Bruch auftritt. Infolgedessen ist die Verminderung der Größe und Menge der oxidischen nicht-metallischen Interposition eine wirksame Gegenmaßnahme und es ist deshalb bevorzugt, die Sauerstoff-Konzentration in dem Ausgangsmaterial, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, bei 15 ppm oder weniger zu halten. Wenn die obengenannte Differenz der Cu-Äquivalente (ΔCu_eq.max) größer als 1,5 wird, kann ein gewisser Grad der Wasserstoffversprödung auch auf dem Laufring auf der rotierenden Seite und dem Wälzelement auftreten und es ist deshalb erforderlich, eine Beständigkeit gegen diese Versprödung zu erzielen. Daher ist es aus den gleichen Gründen wie vorstehend angegeben bevorzugt, die Sauerstoff-Konzentration in dem Ausgangsmaterial, aus dem der Laufring auf der rotierenden Seite und das Wälzelement bestehen, bei 15 ppm oder weniger zu halten. Aus den oben angegebenen Gründen ist es bevorzugt, die Sauerstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem die Laufringe und das Wälzelement bestehen, bei 15 ppm oder weniger zu halten.

Darüber hinaus ist es in diesem Falle ferner bevorzugt, die Sauerstoff- Konzentration des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite bei 9 ppm oder weniger zu halten. Wenn sie bei 9 ppm oder weniger gehalten wird, ist es möglich, die Größe und Menge der Interposition, in der die Wasserstoffatome in ein Gas übergehen und bei der es sich um die Stelle des Ursprungs der Wasserstoffversprödungs-Absplitterung handelt, zu vermindern und die Be ständigkeit gegen Wasserstoffversprödungs-Abblättern wird dadurch verbes sert. Als Ergebnis ist es möglich, den kritischen Wert für die obengenannte Differenz der Cu-Äquivalente von 0,15 auf 0,10 zu verringern, wodurch es möglich ist, die gleiche Lebensdauer wie für den Fall zu erhalten, in dem kein Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird.

Wenn die Sauerstoff-Konzentration der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite bei 9 ppm oder weniger gehalten wird und die Kohlenstoff-Konzentration bei 0,35% oder weniger gehalten wird, ist es ferner als Folge des Multiplikati onseffekts dieser beiden möglich, den kritischen Wert für die obengenannte Differenz der Cu-Äquivalente von 0,15 auf 0,05 herabzusetzen, wodurch es möglich ist, die gleiche Lebensdauer wie für den Fall zu erzielen, bei dem kein Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird.

Aus der relativen Beziehung zwischen der Restaustenit-Konzentration auf der Laufring-Oberfläche der beiden Laufringe und der Restaustenit-Konzentration auf den Wälzoberflächen der Wälzelemente wird dann, wenn die Differenz der Restaustenit-Konzentrationen (Δγ_R.max), dargestellt durch die nachstehend an gegebe Formel, auf einen Wert von größer als 0, vorzugsweise auf einen Wert von 3 oder mehr eingestellt wird, die Haltbarkeits-Lebensdauer des Lagers mit größeren Sicherheit verbessert.

Δγ_R.max = (Restaustenit-Konzentration auf den Laufring-Oberflächen der Laufringe auf der rotierenden Seite)
+ (Restaustenit-Konzentration auf den Wälzoberflächen der Wälzelemente)
- 2 × (Restaustenit-Konzentration auf den Laufring-Oberflächen der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite).

Daher ist es unter Berücksichtigung der obengenannten Arbeitsweise und der Bedingungen, bei denen Wasser mit dem Schmiermittel vermischt wird, bevor zugt, daß die Differenz der Cu-Äquivalente (ΔCu_eq.max) bei 0,15 oder mehr und Δγ_R.max bei 3 oder mehr liegen.

Der Maximalwert der Differenz der Cu-Äquivalente (ΔCu_eq.max) beträgt 3,70. Wie nachstehend erläutert, beträgt der Maximalwert von Δγ_R.max 45 + 45 - 2 × 5 = 80, da es erforderlich ist, daß die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Ober flächen und der Wälzoberflächen in dem Bereich von 5 bis 45 Vol.-% liegt.

Wenn die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Oberflächen und der Wälz oberflächen weniger als 5 Vol.-% beträgt tritt eine deutliche Abnahme der Lebensdauer für den Fall auf, daß Verunreinigungen wie Eisen-Pulver und dgl. mit dem Schmiermittel gemischt werden. Wenn die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Oberflächen und der Wälzoberflächen 45 Vol.-% übersteigt, fällt die Härte unter die erforderliche Härte HRC 58. Deshalb ist es, wie oben an gegeben, erforderlich, die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Oberflä chen und der Wälzoberfläche auf 5 bis 45 Vol.-% einzustellen.

Der bevorzugte Bereich für die vorliegende Erfindung beträgt daher 0,15 bis 3,70 für die Differenz der Cu-Äquivalente und 3 bis 80 für Δγ_R.max.

Wenn man berücksichtigt, daß die Laufringe auf der Rotationsseite normaler weise während der praktischen Verwendung intermittierend rotieren, ist es fer ner bevorzugt, daß das Cu-Äquivalent der Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite 0,18 oder mehr beträgt.

Das heißt es ist bevorzugt, daß die Differenz der Cu-Äquivalente 0 15, Δγ_R.max 3 und das Cu-Äquivalent für die Laufringe auf der nicht-rotierenden Seite 0,18 betragen.

Hinsichtlich der normalen Wälzermüdung, die in Wälzlagern in einer Umge bung auftritt, in der Wasser mit dem Schmiermittel nicht gemischt wird, da dort weder eine Versprödung noch eine Rißbildung des Materials (Stahls) als Folge des Wasserstoffs in der vorstehend beschriebenen Weise auftritt, wurde die chemische Komponente der Laufringe und des Wälzelements in konventionel len Wälzlagern hauptsächlich durch die verbesserte Härtbarkeit, die Härtung (Vergütung) oder die gewöhnliche Wälzermüdung bestimmt und die Differen zen in bezug auf die relativen chemischen Komponenten der beiden Laufringe und der Wälzelemente wurden nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund erfor dern üblicherweise beispielsweise in den Walzenzapfen-Lagern, wie sie in den Arbeitswalzen und in den Stützwalzen von Stahl-Walzwerken verwendet wer den, die Laufringe, d. h. sowohl die inneren als auch die äußeren Laufringe, die gleiche oder eine höhere Härtbarkeit, verglichen mit den Wälzelementen. In folgedessen wird hinsichtlich der Konzentration von Ni, bei dem es sich um das Element handelt, das die Härtbarkeit verbessert, die Ni-Konzentration auf der Laufring-Seite so eingestellt, daß sie gleich oder höher ist als die Ni-Konzentration des Wälzelements. Andererseits wurde Kupfer behandelt als eine Verunreinigung, die in keiner Beziehung steht zu der Härtbarkeit und die soweit wie möglich herabgesetzt werden sollte und üblicherweise wurden rela tive Toleranzen zwischen den Laufringen und den Wälzelementen nicht be rücksichtigt.

Daher tritt für den Fall, bei dem die konventionellen Walzenzapfen-Lager für Stahlwalzwerke in feuchter Umgebung verwendet werden, in der Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, wenn die Gehalte an Ni in den Wälzelemen ten und in den Laufringen untereinander gleich sind, eine galvanische Korrosi on (Kontakt-Korrosion) auf als Folge der Segregation von Ni in den Metallkon takt-Abschnitten zwischen den Wälzelementen und den Laufringen und die Wasserstoffionen in der Feuchtigkeit werden anstelle der Wasserstoffionen in den elektrochemisch edlen Abschnitten der Laufring-Oberflächen der Laufrin ge und in den elektrochemisch edlen Abschnitten der Wälzoberflächen der Wälzelemente absorbiert, so daß die Wasserstoff absorbierende Oberfläche bricht (sich ablöst) als Folge einer Wasserstoffversprödung in den fixierten Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite.

Wenn die Laufringe mehr Ni enthalten als die Wälzelemente, führen die Elek tronen, die in den Kontakt-Abschnitten zwischen den Wälzelementen und den Laufringen durch die vorherrschende Korrosions-Reaktion (die Ionisierung von Eisen) in den Wälzelementen, die elektrochemisch unedler sind als die Laufringe, mit den Wasserstoffionen in dem Wasser auf der Laufring-Ober fläche der Laufringe reagieren, zu einem durch eine Wasserstoffver sprödung induzierten Bruch (Abblättern) des Laufringes auf der nicht rotierenden Seite, dessen Wasserstoff absorbierende Oberfläche stets fixiert ist. Natürlich hat letztere eine kürzere Lebensdauer.

Darüber hinaus werden bezüglich der konventionellen Lager, die in den Füh rungswalzen von kontinuierlichen Gießvorrichtungen für Stahl, Automobilräder, Wasserpumpen von Automobilen und Trocknungswalzen von Papierherstel lungs-Vorrichtungen oder dgl. verwendet werden, die Laufringe aus Stahl her gestellt mit dem gleichen Grad der Härtbarkeit wie die Wälzelemente, so daß in entsprechender Weise ein Bruch (Abblättern) auf den Laufringen auf der nicht-rotierenden Seite auftritt.

Um dieses Abblättern durch Wasserstoffversprödung, bei dem es sich um ei nen Bruch durch Wasserstoffabsorption handelt, zu verhindern oder zu verzö gern durch Verbesserung jedes der getrennten Materialien der Lagerteile, wird angenommen, daß (1) die Korrosion durch Verminderung der Menge an gebil detem Wasserstoff selbst unterdrückt wird und (2) ein Film, der für Wasserstoff schwer zu durchdringen ist, auf den Oberfläche der Laufringe auf der nicht rotierenden Seite gebildet wird, wodurch das Eindringen von Wasserstoff in das Innere unterdrückt wird.

Da jedoch, wie oben angegeben, die Gegenmaßnahmen, die eine Abdichtung der Lager zum Zwecke der Unterdrückung der Korrosion umfassen, eine ge ringe Wirksamkeit aufweisen, wird zur Erzielung der obengenannten Effekte (1) und (2) vom Standpunkt der Materialwissenschaft aus betrachtet zuerst in Erwägung gezogen, rostfreien Stahl zu verwenden. Da die Schmierung von Wälzlagern, die unter feuchten Schmier-Bedingungen verwendet werden, mangelhaft ist, unterliegt der passive Film auf der rostfreien Stahloberfläche einer lokalen Zerstörung als Folge des metallischen Kontakts zwischen den Wälzelementen und den Laufringen, wobei nur dieser Teil korrodiert und Kor rosionslöcher entstehen und ein Bruch (Abblättern) von diesem Punkt ausge hend auftritt, was zur Folge hat, daß die Wirksamkeit gering ist. Da bei rost freiem Stahl die Material kosten und die Herstellungskosten, beispielsweise die Wärmebehandlungskosten, höher sind als bei einem niedriglegierten Stahl, ist darüber hinaus dessen praktische Verwendung schwierig. Als nächstbeste Maßnahme zur Erzielung des Effekts (1) wird daher in Erwägung gezogen, einen Stahl zu verwenden, der Cu enthält, oder einen Stahl zu verwenden, der Cu und P enthält (z. B. JIS G3114, 3125), dies ist jedoch wenig wirksam, weil die Unterdrückung der Korrosion (1) unzureichend ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die Konfiguration der Lager und ihre Lebensdauer-Test vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Differenz ΔCu_eq.max der Cu-Äquivalente und dem Anstieg der Wasserstoff-Konzentration in der Nähe des Bereiches der maximalen Spannungsbelastung auf dem äußeren Laufring;

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Differenz ΔCu_eq.max der Cu-Äquivalente und dem relativen Wert für die Lebensdauer;

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Kohlenstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite be steht, und dem relativen Wert für die Lebensdauer für den Fall, daß ΔCu_eq.max = 0,10;

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Sauerstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite be steht, und dem relativen Wert für die Lebensdauer für den Fall, daß ΔCu_eq.max = 0,10;

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen den Kohlenstoff- und Sauerstoff-Konzen trationen in dem Ausgangsmaterial, aus dem der Laufring auf der nicht rotierenden Seite besteht, und dem relativen Wert Einheit für die Lebensdauer für den Fall, daß ΔCu_eq.max = 0,05; und

Fig. 7 zeigt einen Bereich, in dem der relative Wert für die Lebensdauer bei 100 gehalten werden kann für die Relation zwischen ΔCu_eq.max und Δγ_R.max.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung näher erläutert.

Beispielsweise werden Kegelrollen-Lager, bei denen es sich um Wälzlager handelt, konfiguiert durch Dazwischenlegen einer Vielzahl von Rollen 3, bei denen es sich um die Wälzelemente zwischen dem inneren Laufring 1 und dem äußeren Laufring 2 handelt, welche die Laufringe sind (vgl. Fig. 1, wie weiter unten beschrieben).

Dann wird beispielsweise die Rotationswelle 4 an dem inneren Laufring 1 be festigt, der äußere Laufring 2 wird an dem Gehäuse 5 befestigt und das Lager wird durch Rotieren der Rotationswelle 4 betrieben.

In diesem Fall wird der innere Laufring 1 zu dem Laufring auf der rotierenden Seite und der äußere Laufring 2 wird zu dem Laufring auf der nicht-rotierenden Seite.

Das Ausgangsmaterial, aus dem der innere Laufring 1, der äußere Laufring 2 und die Rolle 3 bestehen, wird aus einem Legierungsstahl hergestellt, das 4,5 Gew.-% oder weniger Ni und 0,5 Gew.-% oder weniger Cu enthält und in dem die Summe der Cu-Äquivalente der Rolle 3 und des inneren Laufrings 1 auf einen Wert eingestellt wird, der höher ist als der doppelte Wert des Cu-Äquivalents des äußeren Laufrings 2. Hier kann die Ni-Konzentration und die Cu-Konzentration des äußeren Laufrings 2 0 betragen, jedoch muß minde stens ein Vertreter aus der Gruppe innerer Laufring 1 und Rolle 3 notwendi gerweise Ni oder Cu enthalten.

Wenn beispielsweise die Ni-Konzentration des Ausgangsmaterials in jedem Fall auf den gleichen Wert eingestellt wird, kann die vorliegende Erfindung durchgeführt werden durch Einstellen des Cu-Gehaltes des Ausgangsmateri als, aus dem die Rollen 3 bestehen, auf 0,25 Gew.-% und des Cu-Gehaltes des inneren Laufringes 1 und des äußeren Laufringes 2 auf 0,08 Gew.-%.

Ziel ist es somit, das konventionelle Konzept umzukehren. Hinsichtlich des in den Cu-Gehalt umgewandelten Cu-Äquivalents gilt, daß durch Einstellen der Summe der Cu-Äquivalente der Rollen 3 und des inneren Laufrings 1 auf ei nen Wert, der höher ist als der doppelte Wert des Cu-Äquivalents des äuße ren Laufringes 2, bei dem es sich um den Laufring auf der nicht-rotierenden Seite handelt, es selbst in feuchter Umgebung, in der Wasser in das Schmiermittel eindringt, möglich ist, die gleiche Haltbarkeits-Lebensdauer wie bei Wälzlagern, die in normaler Umgebung verwendet werden, d. h. in einer Umgebung, in der kein Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, zu erzie len.

In der vorstehenden Beschreibung wird die Erfindung erläutert unter Bezug nahme auf Wälzlager (Rollenlager), es sind aber auch Kugellager geeignet.

Darüber hinaus wurde bei der vorstehenden Erläuterung Bezug genommen auf ein Lager, bei dem die Seite des inneren Laufringes 1 rotiert, es kann aber auch eine Konfiguration angewendet werden, bei der die Seite des äußeren Laufringes 2 rotiert. In diesem Fall wird der äußere Laufring 2 zu dem Laufring auf der rotierenden Seite und der innere Laufring 1 wird zu dem Laufring auf der nicht-rotierenden Seite.

Nachstehend wird eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert.

In der Praxis wurden mehrere Kegellager mit verschiedenen Änderungen in bezug auf die Cu-Konzentration, die Ni-Konzentration und dgl. des Aus gangsmaterials (Stahl), aus dem jeder Laufring (der äußere Laufring 2 und der innere Laufring 1) und die Wälzelemente (Rollen 3) bestanden, hergestellt und die Lebensdauerstests wurden durchgeführt. Die Cu-Konzentration, die Ni-Konzentration und dgl. jedes Lagers sind in den nachstehenden Tabellen 1, 2 und 3 angegeben.

Die verschiedenen Elemente des Kegellagers sind folgende:
Bezeichnung: HR32017XJ
Innendurchmesser des Lagers: 85 mm
Außendurchmesser des Lagers: 130 mm
Baubreite: 29 mm
dynamische Grund-Belastungsbewertung: 143000N.

Von den beiden Laufringen wird der innere Laufring 1 zum Laufring auf der rotierenden Seite gemacht und der äußere Laufring 2 wird zum Laufring auf der nicht-rotierenden Seite gemacht.

Die Lebensdauertests wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Lebensdauer-Testvorrichtung.

Kurz gesagt wurde der äußere Laufring 2 an dem Gehäuse 5 fixiert und die Drehwelle 4, die in den inneren Laufring 1 paßt, wird mit hoher Geschwindig keit unter den nachstehend angegeben Schmier-Bedingungen rotieren gelas sen. Die verschiedenen Elemente sind folgende:
radiale Belastung FR 35750N
axiale Belastung Fs: 15680N
Rotations-Frequenz des inneren Laufrings: 1500 UpM
Schmierung: reines Fett-Schmiermittel oder Wasser-Fett-Schmier mittelgemisch

- Fettmenge bei Verwendung von reinem Fett-Schmiermittel 60 g
- Fettmenge bei Verwendung eines Wasser-Fett-Schmiermittelgemisches 60 g
Menge der Wasser-Mischung 10 cm³/h.

Das Wasser wird in Form eines Nebels zusammen mit Luft auf das Lager auf gesprüht.

Die Ergebnisse der Lebensdauertests, die unter den oben angegebenen Be dingungen durchgeführt werden, sind in den nachstehenden Tabellen 1, 2 und 3 angegeben.

Die Tabelle 1 bezieht sich auf Lager, die zu Vergleichszwecken hergestellt worden sind; die Tabellen 2 und 3 beziehen sich auf Lager, die auf der Basis der vorliegende Erfindung hergestellt worden sind.

In den Tabellen bedeuten:
Cu_eg: das Cu-Äquivalente jedes Lagerteils
ΔCu_eq.CA: der Wert, der erhalten wird beim Subtrahieren des Cu-Äquivalents des äußeren Laufringes 2 von dem Cu-Äquivalent der Rollen 3
ΔCu_eq.max: der Wert, der resultiert beim Subtrahieren des Cu-Äquivalents des äußeren Laufringes 2 von dem Cu-Äquivalent des inneren Laufringes 1
ΔCu_eq.max: die Summe von ΔCu_eq.CA und ΔCu_eq.BA (sie kann auch definiert werden als der Wert, der resultiert beim Subtrahieren des doppel ten Wertes des Cu-Äquivalents des äußeren Laufringes 2 von der Summe aus dem Cu-Äquivalent der Rollen 3 und dem Cu-Äquivalent des inneren Laufringes 1).

Die Bewertung der Lebensdauer jedes Lagers wurde hier durchgeführt, indem man zuerst die 90%-Rest-Lebensdauer in reinem Fett (L10pg) erhielt, dann die 90%-Rest-Lebensdauer in dem obengenannten Wasser-Fett-Schmiermit telgemisch erhielt (L10wg) und dann durch den Lebensdauer-Relativwert aus der folgenden Formel erhielt:

Die Oberflächenhärte jedes Lagers beträgt HRC 58-64. Die Oberflächen- Kohlenstoff-Konzentration der Lager, die einer Carburierungs-Behandlung unterzogen worden ist sind, beträgt 0,8 bis 1,1 Gew.-%. Die Oberflächen- Kohlenstoff-Konzentration der Lager, die einer Carbonitrierungs-Behandlung unterzogen worden sind, beträgt 0,8 bis 1,1 Gew.-% und die Oberflächen- Stickstoff-Konzentration beträgt 0,05 bis 0,3 Gew.-%. Der Oberflächen- Restaustenit der Lager, die einer Härtung unterzogen worden sind, beträgt 5 bis 15 Vol.-%. Der Oberflächen-Restaustenit der Lager, die einer Carburie rungs-Behandlung unterzogen worden sind,und der Lager, die einer Carboni trierungs-Behandlung unterzogen worden sind, beträgt 5 bis 45 Vol.-%.

Vor den Lebensdauer-Tests wurde eine 10-stündige Prüfung unter den oben genannten Test-Bedingungen mit jedem der in den Tabellen 1 und 2 angege benen Lager und mit den Lagern A, H der Tabelle 3 durchgeführt. Am Ende der Prüfung wurden die Wasserstoff-Konzentration in dem Stahl an einer Po sition innerhalb ± 10° des Bereichs der maximalen Spannungsbelastung des äußeren Laufringes 2 (des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite) be stimmt und die Zunahme von ΔH (ppm) in bezug auf die Wasserstoff-Kon zentration wurde gemessen, wenn das Produkt brandneu war. Wenn die Beziehung zwischen der Zunahme ΔH (ppm) der Wasserstoff-Konzentration und ΔCu_eq.max erhalten wurde, erhielt man die in der Fig. 2 (dargestellt durch repräsentative Werte) dargestellten Ergebnisse.

Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, nimmt die Steigerung ΔH der Wasserstoff-Kon zentration ab, wenn ΔCu_eq.max größer wird. Insbesondere dann, wenn ΔCu_eq.max größer als 0 wird, nähert sie sich 0 ppm und wenn ΔCu_eq.max 0,15 oder mehr wird, wird ΔH zu 0 ppm, d. h. kurz gefaßt, der Anstieg der Wasserstoff-Kon zentration hört auf.

Aus diesen Ergebnissen ist zu ersehen, daß die Wasserstoff-Absorption im Bereich der maximalen Spannungs-Belastung des Laufringes auf der nicht rotierenden Seite nahe bei 0 gehalten werden kann durch Einstellung von ΔCu_eq.max auf einen Wert von höher als 0, vorzugsweise auf 0,15 oder mehr, und jegliche Herabsetzung der Haltbarkeits-Lebensdauer kann auch dann un terdrückt werden, wenn Wasser dem Schmiermittel zugemischt wird.

In der Praxis werden dann, wenn die Beziehung zwischen ΔCu_eq.max und dem Relativwert der Lebensdauer erläutert werden soll, die in der Fig. 3 dargestell ten Ergebnisse (dargestellt anhand von repräsentativen Werten) erhalten. Das heißt, es ist klar, daß dann, wenn ΔCu_eq.max auf einen Wert höher als 0 einge stellt wird, der Relativwert der Lebensdauer schnell ansteigt, und daß dann, wenn ΔCu_eq.max auf 0,15 oder mehr eingestellt wird, der Wert für die Lebens dauer in dem mit Wasser gemischten Fett-Schmiermittel der gleiche wird wie der Wert für die Lebensdauer in reinem Fett (relativer Lebensdauer-Wert = 100).

Somit ist es bei Wälzlagern, die in einer Umgebung verwendet werden, in der Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, klar, daß dann, wenn die Sum me der Cu-Äquivalente Cu_eq. = [Cu Gew.-%] + 0,3 × [Ni Gew.-%] des Wälzele ments und des Laufringes auf der rotierenden Seite höher ist als der doppelte Wert des Cu-Äquivalents Cu_eq. des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite, eine schnelle Verbesserung der Lebensdauer eintritt, und es ist klar, daß dann, wenn die Summe um 0,15 oder mehr höher ist, der Anstieg der Was serstoff-Konzentration in dem Bereich der maximalen Spannungs-Belastung des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite aufhört und selbst wenn Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, kann ein Wert aufrechterhalten werden, der identisch ist mit dem Lebensdauerwert in reinem Fett (Lebensdauer-Relativ wert = 100). Um die Wasserstoff-Absorption in dem Laufring auf der nicht-rotierenden Seite hinauszuzögern, wenn ΔCu_eq.max größer als 0 und we niger als 0,15 ist, und um die Wasserstoff-Absorption in dem Laufring auf der rotierenden Seite und in den Wälzelementen (Rollen) hinauszuzögern, wenn ΔCu_eq.max größer als 1,5 und nicht größer als 3,70 ist, ist es bevorzugt, die Kri stall-Korngröße der Laufringe und der Wälzelemente (Rollen) zu verfeinern. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, die Al-Konzentration des jeweiligen Aus gangsmaterials auf 0,02 Gew.-% oder mehr einzustellen und die N-Konzentration des jeweiligen Ausgangsmaterials auf 0,005 Gew.-% oder mehr einzustellen.

Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Bei Verwendung der Lager A1-A6 und H1-H6 der Lager-Nummern A und H in der Tabelle 3, die unter Änderungen in bezug auf die Kohlenstoff-Konzen tration und die Sauerstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der äußere Laufring 2 (der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite) be steht, hergestellt wurden, wurden die in der nachstehenden Tabelle 3 angege benen Ergebnisse erhalten, wenn die gleichen Lebensdauertests wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt wurden.

Hinsichtlich der Lager A, A1, A2, A3, sind bei der Messung der Eigenbelastung der Laufring-Oberfläche des äußeren Laufringes 2 (der äußersten Oberfläche) die erhaltenen Ergebnisse mit den Maximalwerten in der Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 4

Wie aus der Tabelle 4 hervorgeht, wird die Eigen-Druckbelastung größer, wenn die Kohlenstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, kleiner wird.

Unter Bezugnahme auf die Tabelle 3 gilt, daß ein Versuch gemacht wird, die Beziehung zwischen den kohlenstoff-Konzentrationen und den Relativwerten der Lebensdauer des Ausgangsmaterials der jeweiligen äußeren Laufringe 2 der Lager Nr. A, A1, A2, A3 für die ΔCu_eq.max 0,10 beträgt zu erläutern, wie in der Fig. 4 dargestellt. Wie aus der Fig. 4 hervorgeht, steigen die Relativwerte für die Lebensdauer an, wenn die Kohlenstoff-Konzentration abnimmt. Wenn die Kohlenstoff-Konzentration 0,4 oder weniger beträgt, beträgt der Relativwert für die Lebensdauer nahezu 100 und wenn die Kohlenstoff-Konzentration 0,35 Gew.-% oder weniger beträgt, beträgt der Relativwert für die Lebensdauer 100, d. h. der Lebensdauerwert in einem mit Wasser gemischten Fett-Schmier mittel wird der gleiche wie der Lebensdauerwert in reinem Fett.

Dies ist die Ursache dafür, daß die Eigenbelastung der Laufring-Oberfläche zu einer Druckbelastung von 50 MPa oder mehr wird und die Wasserstoffver sprödung-Abblätterung wird unterdrückt. In den Fällen, in denen die Kohlen stoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, 0,4 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 0,35 Gew.-% oder weniger, beträgt, wird auf der Laufring-Oberfläche eine wirksame restliche Druckspannung (Eigendruckbelastung) erzeugt, die in der Lage ist, das Wasserstoffversprödungs-Abblättern zu unterdrücken, und bei ΔCu_eq.max 0,10 oder mehr ist die Lebensdauer in mit Wasser gemischtem Fett-Schmier mittel die gleiche wie die Lebensdauer in reinem Fett.

Selbstverständlich ist die verminderte Kohlenstoff-Konzentration des Aus gangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, wirksam in bezug auf die Verlängerung der Lebensdauer in mit Wasser ge mischtem Fett-Schmiermittel, wenn ΔCu_eq.max 0,10 oder mehr und weniger als 0,15 beträgt, und es tritt kein Einfluß auf, wenn ΔCu_eq.max 0,15 oder mehr be trägt.

Hinsichtlich der Lager A, A4, A5, A6, in denen ΔCu_eq.max 0,10 beträgt, kann die Beziehung zwischen der Sauerstoff-Konzentration und dem Relativwert der Lebensdauer des Ausgangsmaterials des äußeren Laufringes 2 wie in Fig. 5 dargestellt erläutert werden.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, steigt der Relativwert für die Lebensdauer, wenn die Sauerstoff-Konzentration abnimmt. Wenn die Sauerstoff-Konzentration 10 ppm oder weniger beträgt, nähert sich der Relativwert der Lebensdauer fast dem Wert 100 und wenn die Sauerstoff-Konzentration 9 ppm oder weniger beträgt wird der Relativwert der Lebensdauer zu 100, d. h., die für Lager in einem mit Wasser gemischten Fett-Schmiermittel erforderliche Lebensdauer wird iden tisch mit der Lebensdauer von Lagern in reinem Fett.

Die ist der Grund dafür, warum die Wasserstoffatome vergast werden und eine Abnahme der Größe und Menge der Interposition an den Stellen auftritt, die zum Ursprung der Wasserstoffversördungs-Ablätterung wird. Wenn die Sau erstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, auf 10 ppm oder weniger, vorzugsweise auf 9 ppm oder weniger, eingestellt wird, werden somit die Wasserstoffatome ver gast und es tritt eine Abnahme der Größe und Menge der Interposition an den Stellen auf, die zum Ursprung der Wasserstoffversprödungs-Abblätterung wird. Aufgrund dieser Verbesserung in bezug auf die Beständigkeit gegen Wasser stoffversprödungs-Abblättern wird der Lebensdauer-Wert in dem mit Wasser gemischten Fett-Schmiermittel identisch mit dem Lebensdauer-Wert in reinem Fett, wenn ΔCu_eq.max 0,10 oder mehr beträgt.

Es ist selbstverständlich, daß die verminderte Kohlenstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite be steht, wirksam ist in bezug auf die Verlängerung der Lebensdauer in mit Was ser gemischtem Fett-Schmiermittel, wenn ΔCu_eq.max 0,10 oder mehr und weni ger als 0,15 beträgt, und es tritt kein Einfluß auf, wenn ΔCu_eq.max 0,15 oder mehr beträgt.

Hinsichtliches des Stahl-Herstellungsverfahrens sind das allgemein bekannte Elektrobrammenumschmelz-Verfahren (nachstehend als ESR-Verfahren be zeichnet) und das allgemein bekannte Dampf-Lichtbogen-Umschmelzver fahren (nachstehend als VAR-Verfahren bezeichnet) wirksamer als das RH-Entgasungs-Verfahren bei der Raffinierung der Interposition und es tritt eine deutlich verstärkte Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung selbst bei identischen Sauerstoff-Konzentration auf und mit ihrer Hilfe ist es daher mög lich, hohe Relativwerte für die Lebensdauer zu erzielen, selbst wenn ΔCu_eq.max negativ ist. Wenn beispielsweise das Stahl-Herstellungsverfahren das VAR-Verfahren ist, kann dann, wenn die Sauerstoff-Konzentration des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite 9 ppm oder weniger beträgt, ein Relativwert für die Lebensdauer von 90 oder mehr erhalten, werden, wenn ΔCu_eq.max -0,3 oder mehr beträgt. Wenn es sich dabei um das ESR-Verfahren handelt, wird ande rerseits ein Relativwert für die Lebensdauer von 90 oder mehr erzielt, wenn ΔCu_eq.max -0,2 oder mehr beträgt. Selbstverständlich haben das VAR-Verfahren und das ESR-Verfahren keinen Einfluß auf den Relativwert der Lebensdauer, wenn ΔCu_eq.max in dem Bereich von 0,15 oder mehr liegt.

Im Hinblick auf die Lager H, H1, H2, H3 und H4, in denen ΔCu_eq.max 0,05 be trägt, ist ferner die Beziehung zwischen der Kohlenstoff- Konzentration/Sauerstoff-Konzentration und dem Relativwert der Lebensdauer des Ausgangsmaterials des äußeren Laufringes 2 in der Fig. 2 erläutert. Die in der Fig. 6. angegebenen numerischen Werte geben die Relativwerte der Le bensdauer an.

Wie aus der Fig. 6 hervorgeht, steigen die Relativwerte für die Lebensdauer, wenn die Kohlenstoff-Konzentration und die Sauerstoff-Konzentration abneh men. Wenn die Kohlenstoff-Konzentration 0,4 Gew.-% oder weniger, vorzugs weise 0,35 Gew.-% oder weniger, beträgt und wenn die Sauerstoff- Konzentration 10 ppm oder weniger, vorzugsweise 9 ppm oder weniger be trägt, beträgt der Relativwerte der Lebensdauer 100, d. h. die Lebensdauer in mit Wasser gemischtem Fett-Schmiermittel wird identisch mit der Lebensdauer in reinem Fett.

Dies ist der Grund dafür, warum die Wasserstoffversprödungs-Abblätterung unterdrückt wird als Folge der Größe der restlichen Druckspannung (Eigendruckbelastung), die 50 MPa oder mehr an der Oberfläche beträgt und warum die Wasserstoffatome vergast werden und eine Abnahme der Größe und Menge der Interposition an den Stellen auftritt, die zum Ursprung der Wasserstoffversprödungs-Abblätterung wird.

Wenn die Kohlenstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite besteht, 0,4 Gew.-% oder weniger, vorzugsweise 0,35 Gew.-% oder weniger beträgt und wenn die Sauerstoff- Konzentration 10 ppm oder weniger, vorzugsweise 9 ppm oder weniger be trägt, wird die Beständigkeit gegen das Wasserstoffversprödungs-Abblättern verbessert als Folge der Anwesenheit einer restlichen Druckspannung (Eigen druckbelastung) von 50 MPa oder mehr auf der Laufring-Oberfläche und als Folge der Vergasung der Wasserstoffatome und der Abnahme der Größe und Menge der Interposition an den Stellen, die zum Ursprung der Wasserstoffver sprödungs-Abblätterung wird. Infolgedessen wird dann, wenn ΔCu_eq.max auf 0,05 oder mehr eingestellt wird, der Wert für die Lebensdauer in mit Wasser gemischtem Fett-Schmiermittel identisch mit dem Wert für die Lebensdauer in reinem Fett.

Selbstverständlich sind die gleichzeitige Anwendung einer verminderten Koh lenstoff-Konzentration und einer verminderten Sauerstoff-Konzentration in dem Ausgangsmaterial, aus dem der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite be steht, wirksam in bezug auf die Verlängerung der Lebensdauer in mit Wasser gemischtem Fett-Schmiermittel, wenn ΔCu_eq.max 0,05 oder mehr und weniger als 0,15 beträgt und es tritt überhaupt kein Einfluß auf, wenn ΔCu_eq.max 0,15 oder mehr beträgt.

Um die Wasserstoff-Absorption in dem Laufring auf der nicht-rotierenden Seite hinauszuzögern, wenn ΔCu_eq.max größer als 0 und weniger als 0,15 ist, und um die Wasserstoff-Absorption in dem Laufring auf der rotierenden Seite und in dem Wälzelement (der Rolle) hinauszuzögern, wenn ΔCu_eq.max größer als 1,5 und weniger als 3,70 ist, ist es bevorzugt, die Korngröße der Laufringe und des Wälzelements (der Rolle) zu verfeinern. Zu diesem Zweck ist es bevor zugt, die Al und N-Konzentrationen des Ausgangsmaterials auf 0,02 Gew.-% oder mehr bzw. auf 0,005 Gew.-% oder mehr einzustellen.

Da die Carburierungszeit verlängert wird, wenn die Kohlenstoff-Konzentration des Ausgangsmaterials abnimmt, ist es ferner möglich, eine Verlängerung der Carburierungszeit zu verhindern durch Durchführung einer Hochtemperatur- Carburierung bei 960°C oder mehr, falls erforderlich. Bei diesen Zeiten ist es bevorzugt, ein Ausgangsmaterial zu verwenden, dem Nb oder V in einer Men ge von 0,05 bis 0,20 Gew.-% zugesetzt worden ist.

Nachstehend wird die dritte Ausführungsform erläutert.

Hinsichtlich der Lager-Referenz Nummern Q, U und R, wie sie in der Tabelle 2 angegeben ist, wird bei dieser Ausführungsform die Lebensdauer der Lager in mit Wasser gemischtem Schmiermittel beurteilt durch Durchführung verschie dener Änderungen der Kombination aus der Restaustenit-Konzentration auf der Laufring-Oberfläche auf dem äußeren Laufring, der Restaustenit- Konzentration auf der Laufring-Oberfläche des inneren Laufringes und der Restaustenit-Konzentration auf der Wälz-Oberfläche der Rolle.

Ferner wurden äußere Laufringe, innere Laufringe und Rollen getrennt von einander hergestellt aus einem Stahl-Ausgangsmaterial, dessen Komponenten in der nachstehenden Tabelle 5 angegeben sind, und es wurden Lager Z1-Z4 mit verschiedenen Änderungen hergestellt, die durch Wärmebehandlung in duziert wurden, in bezug auf die Kombination von Restaustenit-Konzentration auf der Laufring-Oberfläche des äußeren Laufringes, der Restaustenit- Konzentration auf der Laufring-Oberfläche des inneren Laufringes und der Restaustenit-Konzentration auf der Wälzoberfläche der Rolle. Die Lebensdau er dieser Lager Z1-Z4 in mit Wasser gemischtem Schmiermittel wurde dann bewertet.

Hier waren die Test-Bedingungen und das Test-Verfahren für die dritte Aus führungsform die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.

Bezüglich der Bewertungskriterien und der Test-Ergebnisse sind in den fol genden Tabellen 6 und 7 für jedes getestete Lager die Restaustenit- Konzentration auf der Laufring-Oberfläche und der Wälzoberfläche, das Wär mebehandlungs-Verfahren, der Relativwert der Lebensdauer und dgl. angege ben. Für den Relativwert der Lebensdauer wird die gleiche Definition ange wendet wie für den Relativwert der Lebensdauer bei der ersten Ausführungs form.

In der Tabelle 6 gibt die γ_R-Konzentration die Restaustenit-Konzentration auf jeder Oberfläche an, während Δγ_R.max den Relativwert der Restaustenit- Konzentration zwischen der Laufring-Oberfläche des Laufrings auf der rotie renden Seite (innerer Laufring) und der Wälzoberfläche der Rolle und der Laufring-Oberfläche dem Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite (äußerer Laufring) an und sie ist durch die folgende Formel gegeben:

Δγ_R.max = (γ_R-Konzentration der Laufring-Oberfläche des inneren Laufrin ges)
+ (γ_R-Konzentration der Wälzoberfläche der Rolle)
- 2 × (γ_R-Konzentration der Laufring-Oberfläche des äußeren Laufrings).

Die Faktoren, welche die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Oberflächen und der Wälzoberfläche bestimmen, sind in erster Linie die nachstehend an gegebenen Faktoren (1)-(5) und es ist möglich, die Restaustenit-Konzentration auf den gewünschten Wert einzustellen in erster Linie durch Einstellung dieser Faktoren:

(1) Martensitische Umwandlungs-Ausgangs-Temperatur (Ms-Punkt)

Je niedriger dieser Ms-Punkt ist, um so höher ist die Restaustenit- Konzentration.

Die martensitische Umwandlungs-Ausgangs-Temperatur (Ms-Punkt) wird be stimmt durch die chemischen Komponenten des Stahl-Ausgangsmaterials, die Kohlenstoff- und Stickstoff-Konzentrationen, die durch Carburierung und Car bonitrierung erzielt werden, die Metallstruktur vor der Härtungs-Behandlung und die Temperatur und Haltezeit der Härtungs-Behandlung.

So steigt beispielsweise die Restaustenit-Konzentration jeweils an, wenn die Mn-Konzentration in dem Stahl-Ausgangsmaterial zunimmt, während der Koh lenstoff und dgl., eingeführt durch Carburierung und dgl., in der Menge wächst, je nach Metallstruktur vor der Härtungs-Behandlung, wobei die bereits carbu rierte Restaustenit-Konzentration höher wird oder der Carbid-Durchmesser kleiner wird, wenn die Härtungs-Temperatur ansteigt und die Härtungs- Behandlungs-Haltezeit länger wird.

(2) Abkühlungsgeschwindigkeit während der Härtung

Da diese Abkühlungsgeschwindigkeit niedrig ist, steigt die Restaustenit- Konzentration.

(3) Temperatur und Haltezeit bei der Härtungs- und Temperungs-Behandlung

Wenn die Behandlungs-Temperatur abnimmt oder die Haltezeit verkürzt wird, steigt die Restaustenit-Konzentration.

(4) Behandlung unter dem Nullpunkt

Die Restaustenit-Konzentration nimmt zu, wenn die Temperatur dieser Be handlung erhöht wird und die Haltezeit verkürzt wird und außerdem dann, wenn eine Behandlung unter dem Nullpunkt nicht durchgeführt wird.

(5) Kugelstrahlen (Strahlhämmern), das eine durch Spannung induzierte Umwandlung in Restaustenit und Martensit hervorruft

Wenn dieses Kugelstrahlen (Strahlhämmern) nicht durchgeführt wird, wird sie höher.

Wenn Studien bezüglich der Relativwerte der Lebensdauer der verschiedenen Lager, wie sie in den Tabellen 6 und 7 angegeben sind, durchgeführt werden, geht daraus hervor, daß dann, wenn der Wert für Δγ_Rmax (die Einheit ist Vol.-%) oder weniger wird, der Relativwerte der Lebensdauer nicht 100 bleiben kann, während dann, wenn er 3 oder mehr beträgt, der Relativwerte der Lebensdau er zweifellos 100 bleiben kann.

Das heißt, wenn die Lebensdauer der Lager in mit Wasser gemischtem Schmiermittel anhand des Relativwertes der Restaustenit-Konzentration be wertet (beurteilt) wird, ist es klar, daß der δγ_R.max-Wert auf einen Wert von grö ßer als 0 eingestellt werden sollte, um den Relativwerte der Lebensdauer bei 100 zu halten, und vorzugsweise wird Δγ_R.max auf 3 oder mehr eingestellt, um den Relativwerte der Lebensdauer in jedem Fall bei 100 zu halten.

Daher ist es, wenn die Ergebnisse der Studien der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform berücksichtigt werden, unter den Bedingun gen, unter denen Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird, bevorzugt, ΔCu_eq.max auf 0,15 oder mehr und Δγ_R.max auf 3 oder mehr einzustellen.

Hinsichtlich des Maximalwertes von ΔCu_eq.max gilt, daß der Maximalwert ΔCu_eq.max 3,70 wird, da die Obergrenzen der Ni-Konzentration und der Cu-Konzentration des erfindungsgemäßen Stahl-Ausgangsmaterials jeweils 4,5 Gew.-% und 0,5 Gew.-% betragen.

Darüber hinaus ist es im Hinblick auf den Maximalwert von Δγ_R.max so, daß der Maximalwert Δγ_R.max 45 + 45 - 2 × 5 = 80 wird, da es erforderlich ist, daß die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Oberflächen und der Wälzoberfläche innerhalb des Bereiches von 5 bis 45 Vol.-% liegen.

Es ist daher hinsichtlich der Beziehung zwischen ΔCu_eq.max und Δγ_R.max der Be reich, innerhalb dessen der Lebensdauer-Relativwert bei 100 gehalten werden kann, durch den diagonal gestrichelten Abschnitt in dem rechteckigen Kasten der Fig. 7 dargestellt.

Das heißt, der Bereich, in dem ΔCu_eq.max 0,15 bis 3,70 und Δγ_R.max 3 bis 80 be tragen, ist der Bereich, in dem der Relativwert der Lebensdauer 100 beträgt und dieser Bereich ist der gewünschte Bereich für die vorliegende Erfindung.

Wenn die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Oberfläche und der Wälz oberfläche weniger als 5 Vol.-% beträgt, tritt eine bemerkenswerte Abnahme der Lebensdauer für den Fall ein, daß Verunreinigungen, wie Eisen-Pulver und dgl. mit dem Schmiermittel gemischt werden. Wenn die Restaustenit- Konzentration der Laufring-Oberflächen und der Wälzoberfläche 45 Vol.-% übersteigt, fällt die Härte unter die erforderliche HRC 58. Deshalb ist es, wie oben angegeben, erforderlich, die Restaustenit-Konzentration der Laufring-Ober flächen und der Wälzoberfläche auf 5 bis 45 Vol.-% einzustellen.

Im Falle der Durchhärtung ist es zur Verhinderung des Auftretens einer Rißbil dung bevorzugt, den oberen Grenzwert der Restaustenit-Konzentration auf 15 Vol.-% einzustellen.

Darüber hinaus ist es in bezug auf die Laufring-Oberflächen und die Wälz oberfläche des äußeren Laufringes, des inneren Laufringes und der Rolle, die einer Carburierungs-Behandlung unterzogen worden sind, bevorzugt, die Kohlenstoff-Konzentration auf 0,8 bis 1,1 Gew.-% einzustellen. Dies ist des halb so, weil dann, wenn die Kohlenstoff-Konzentration weniger als 0,8 Gew.-% beträgt, eine bemerkenswerte Abnahme der Wälzermüdungs-Festigkeit (Wälz-Lebensdauer) auftritt, und dann, wenn sie 1,1 Gew.-% übersteigt, grobe Carbide in dem Kanten(Winkel)-Abschnitt der Teile gebildet werden, was zu einer deutlichen Abnahme der Schlagfestigkeit führt.

Hinsichtlich der Laufring-Oberfläche und der Wälzoberfläche des äußeren Laufringes, des inneren Laufringes und der Rolle, die einer Carbonitrierungs- Behandlung unterworfen worden sind, ist es bevorzugt, die Kohlenstoff- Konzentration auf 0,8 bis 1,1 Gew.-% und die Stickstoff-Konzentration auf 0,05 bis 0,3 Gew.-% einzustellen. Im Falle des Kohlenstoff-Konzentrations- Bereiches gelten dafür die gleichen Gründe wie sie oben für die Carburie rungs-Behandlung angegeben worden sind. Wenn die Stickstoff-Konzentration 0,3 Gew.-% übersteigt, besteht die Gefahr, daß die Restaustenit-Konzentration 45 Vol.-% übersteigt, und wenn sie weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, geht der Carbonitierungs-Effekt, d. h. der Effekt der Erhöhung der Restaustenit- Konzentration, verloren. Aus diesen Gründen wurden die Werte der oben an gegebenen Bereiche festgelegt.

Die Härte der Laufring-Oberflächen und Wälzoberflächen der jeweiligen Teile beträgt HRC 58-64. Bei dem erfindungsgemäßen niedriglegierten Stahl beträgt die Härte der Laufring-Oberflächen und der Wälzoberfläche HRC 64 oder we niger.

Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform erläutert.

Mit den Lagern, wie sie in den Tabellen 6 und 7 angegeben sind, wurden in bezug auf die Lager Q′, Q1, U′, U1, R′, R1, Z1 und Z2, bei denen der Relati vwert der Lebensdauer 100 beträgt, Tests durchgeführt unter Verwendung der gleichen Test-Vorrichtung wie bei der ersten Ausführungsform.

Die Test-Bedingungen unterscheiden sich jedoch teilweise von denjenigen der ersten Ausführungsform insofern, als die Test-Vorrichtung intermittierend alle 24 Stunden betrieben wurde.

In diesem Fall wurde weder eine Wasser-Injektion noch eine Beladung durch geführt, während die Test-Vorrichtung gestoppt war, sondern es wurde die Feuchtigkeit aus dem Wasser injiziert, die während des Betriebs am Boden der Testlager verblieben war. Dieses Rückstandswasser korrodiert die elektro chemisch unedle Seite der Kontaktabschnitte zwischen der Rolle und dem äu ßeren Laufring. Wenn der Betrieb wieder durchgeführt wird, erzeugt die Rolle bei jedem Durchgang Schwingungen entlang des korrodierten Abschnitts, wo durch verschiedenen praktische Probleme erzeugt werden. Im Falle der Wal zenzapfenlager der Arbeitswalzen des Walzwerks nimmt die Genauigkeit der Plattendicke des ausgewalzten Materials ab.

Die obengenannte Korrosion kann unterdrückt werden durch Erhöhung des Absolutwerts des Cu-Äquivalents (Cu_eq.) des äußeren Laufringes (des Laufrin ges auf der nicht-rotierenden Seite). Was in diesem Falle wichtig ist, ist, daß es erforderlich ist, das Cu_eq. des äußeren Laufringes zu erhöhen, während ΔCu_eq.max bei 0,15 oder mehr gehalten wird. Wenn dies durchgeführt wird, wie oben erläutert, absorbiert der äußere Laufring (der Laufring auf der nicht rotierenden Seite) während des Betriebs Wasserstoff, wodurch eine vorzeitige Abblätterung hervorgerufen wird.

Hier wird die obengenannte Korrosion und Abblätterung bewertet auf der Basis der Schwingungsbeschleunigung, die in der Rotationswelle 4 während des Betriebs (Fig. 1) erzeugt wird. Das heißt, die Schwingungsbewertung wurde in den Zeitraum von 240 bis 264 h nach dem Start des Tests durchgeführt und wenn ein relativer Vergleich zwischen den jeweiligen Lagern auf der Basis der Durchschnittswerte für die Schwingungsbeschleunigung in der vertikalen Richtung, die in der Rotationswelle 4 während des Betriebs erzeugt wird, durchgeführt wird, wurden die in der Tabelle 8 angegebenen Ergebnisse erhal ten. Der Durchschnittswert für die Schwingungsbeschleunigung des Lagers U′ wurde als Standard (=1) verwendet.

Tabelle 8

Aus der Tabelle 8 geht hervor, daß die Schwingungsbeschleunigung in den Lagern R′, R1, Z1 und Z2, in deren äußerem Laufring Cu_eq. 0,01 oder 0,02 be trägt und etwa 8 mal so groß ist wie die Schwingungsbeschleunigung in den Lagern Q′, Q1, U′ und U1, in deren äußerem Laufring Cu_eq. 0,18 oder mehr beträgt. Andererseits besteht kein Unterschied zwischen der Schwingungsbe schleunigung in den Lagern Q′ und Q, in deren äußerem Laufring Cu_eq. 0,18 beträgt, und die Schwingungsbeschleunigung in den Lagern U′ und U1, in de ren äußerem Laufring Cu_eq. 0,57 beträgt.

Im allgemeinen werden Lager wie bei dieser Ausführungsform intermittierend betrieben und in diesem Fall, bei dem der äußere Laufring der Laufring auf der nicht-rotierenden Seite ist, ist es vom Gesichtspunkt der Lager-Lebensdauer aus betrachtet eindeutig bevorzugt, das Cu_eq. des äußeren Laufringes auf 0,18 oder mehr einzustellen.

Außerdem ist es bei Berücksichtigung der Untersuchungen der dritten Ausfüh rungsform vom Standpunkt der jeweiligen Haltbarkeits-Lebensdauer der Lager in einem mit Wasser gemischten Schmiermittel eindeutig mehr bevorzugt, daß ΔCu_eq.max 0,15, Δγ_R.max 3 und Cu_eq. des Laufringes auf der nicht-rotierenden Seite (des äußeren Laufringes) 0,18.

Wie oben erläutert, haben die erfindungsgemäßen Wälzlager durch einfache Einstellung der Mengenanteile an Cu und Ni in dem Ausgangsmaterial, aus dem die Laufringe und die Wälzelemente bestehen, den Effekt, daß sie eine verbesserte Haltbarkeits-Lebensdauer auch dann aufweisen, wenn sie in einer Umgebung verwendet werden, in der Wasser mit dem Schmiermittel gemischt wird.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbst verständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß da durch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Wälzlager, gekennzeichnet durch einen rotierenden Laufring, einen nicht-rotierenden Laufring und Wälzelemente (Rollelemente), die jeweils her gestellt sind aus einem Ausgangsmaterial aus einer Stahl-Legierung, die 4,5 Gew.-% oder weniger Ni, 0,50 Gew.-% oder weniger Cu, 3,5 Gew.-% oder weniger Cr, 1,5 Gew.-% oder weniger Mo, 1,5 Gew.-% oder weniger Mn, 1,1 Gew.-% oder weniger C und 15 ppm oder weniger O enthält, wobei der Durchschnittswert des Cu-Äquivalents des genannten Ausgangsmaterials, aus dem der genannte rotierende Laufring und die genannten Wälzelemente (Rollelemente) bestehen, höher ist als das Cu-Äquivalent in dem genannten Ausgangsmaterial, aus dem der nicht-rotierende Laufring besteht, wenn das Cu-Äquivalent in dem Ausgangsmaterial nach der folgenden Formel definiert ist:
Cu-Äquivalent (%) = [Cu Gew.-% in dem Ausgangsmaterial] + 0,3 × [Ni Gew.-% in dem Ausgangsmaterial].

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Cu-Äquivalente des Ausgangsmaterials, aus dem der rotierende Laufring besteht, und der Wälzelemente auf einen Wert eingestellt wird, der um 0,15 oder mehr höher ist als der doppelte Wert des Cu-Äquivalents des Ausgangs materials, aus dem der nicht-rotierende Laufring besteht.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Restaustenit-Konzentrationen (Δγ_R.max), die der folgenden Formel genügen, eingestellt wird auf einen Wert von größer als 0:
Δγ_R.max = (Restaustenit-Konzentration auf den Laufring-Oberflächen des rotierenden Laufringes)
+ (Restaustenit-Konzentration auf den Wälzoberflächen der Wälze lemente)
- 2 × (Restaustenit-Konzentration auf den Laufring-Oberflächen des nicht-rotierenden Laufrings).

4. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Restaustenit-Konzentrationen (Δγ_R.max), die der folgenden Formel genügt, auf einen Wert von nicht weniger als 3 eingestellt wird:
Δγ_R.max = (Restaustenit-Konzentration auf den Laufring-Oberflächen des rotierenden Laufringes)
+ (Restaustenit-Konzentration auf den Wälzoberflächen der Wälz elemente)
- 2 × (Restaustenit-Konzentration auf den Laufring-Oberflächen des nicht-rotierenden Laufrings).

5. Wälzlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial aus Legierungsstahl nach dem VAR-Verfahren oder dem ESR-Verfahren hergestellt worden ist.

6. Wälzlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Laufring-Oberflächen des rotierenden Laufringes und des nicht-rotierenden Laufringes und die Wälzoberflächen der Wälzelemente, die einer Carburierungs-Behandlung unterzogen worden sind, eine Restau stenit-Konzentrationen in dem Bereich von 5 bis 45 Vol.-% und eine Kohlen stoff-Konzentration in dem Bereich von 0,8 bis 1,1 Gew.-% aufweisen.

7. Wälzlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Laufring-Oberflächen des rotierenden Laufringes und des nicht-rotierenden Laufringes und die Wälzoberfläche der Wälzelemente, die einer Carbonitrierungs-Behandlung unterzogen worden sind, eine Restau stenit-Konzentration in dem Bereich von 5 bis 45 Vol.-%, eine Kohlenstoff- Konzentration in dem Bereich von 0,8 bis 1,1 Gew.-% und eine Stickstoff- Konzentration in dem Bereich von 0,05 bis 0,3 Gew.-% aufweisen.