DE19950813C2

DE19950813C2 - Wälzlager

Info

Publication number: DE19950813C2
Application number: DE19950813A
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Takemura; Kazuo Sekino; Shigeru Okita; Yasuo Murakami
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: JP2000282178A; US6342109B1; DE19950813A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager, das für automatische Autoge triebe geeignet ist, das verlängerte Standzeit gegen Anfressen aufweist, sogar wenn es mit einem Schmierstoff betrieben wird, der einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist mit darin eingemischten Fremdmaterialien, ein Wälzlager, welches eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen aufweist, sogar wenn es in einem Nebenaggregat eines Fahrzeuges betrieben wird, das möglicherweise durch Wasser verschmutzt ist, das es schwierig macht, einen Schmierfilm auszubilden, und ein Wälzlager, welches eine ver längerte Standzeit gegen Anfressen aufweist, sogar wenn es mit Schmierstoff von ho hem Reibungswiderstand betrieben wird, dem fremde Materialien und Wasser beige mischt sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Teile und die Lagerung von stufenlosen Torodoidgetrieben, die große Tangentialkräfte bei hohen Temperaturen unter großer Belastung erzeugen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Im allgemeinen werden der Innenring, der Außenring und die Rollelemente, die ein kon ventionelles Wälzlager bilden, durch Formen eines stark kohlenstoffhaltigen Chrom stahls (insbesondere SUJ2 Stahl) in eine vorher bestimmte Form gebildet, und dann Härten und Anlassen des Materials, so daß seine Oberflächenhärte und die Menge des beibehaltenen Austenits jeweils bei ungefähr HRC62 und ungefähr 10 Vol.-% liegen.

Auf der anderen Seite weist ein automatisches Getriebe für Kraftfahrzeuge einen Drehmomentwandler, einen Getriebemechanismus, hydraulische Mechanismen, Naß kupplung, etc. darin auf. Um es diesen Mechanismen zu erlauben, zur Kraftübertragung gleichmäßig zu arbeiten, verwenden die Wälzlager für Automatikgetriebe ein Schmier mittel, welches einen hohen Reibungskoeffizienten (Automatikgetriebeflüssigkeit: ATF) aufweisen. Entsprechend, wenn die zuvor genannten konventionellen Wälzlager verwendet werden, nehmen die Tangentialkräfte zwischen der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings und der Rolloberfläche des Rollelementes zu während des Betriebs des Automatikgetriebes, wodurch ein Zerstören des Schmierfilms und somit ein frühzeitiges Fressen der Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche erleichtert wird.

Darüber hinaus, da das Wälzlager, das in einem Automatikgetriebe angebracht ist, der Verschmutzung des Schmiermittels durch Metallspäne, Abscherungen, Grade, Abrieb pulver und dergleichen ausgesetzt. Wenn das zuvor genannte konventionelle Wälzlager mit Schmierstoff betrieben wird, dem diese fremden Materialien beigemischt sind, verur sachen diese fremden Materialien das Ausbilden von Vertiefungen auf der Laufbahn oberfläche des Lagerungsrings oder der Rolloberfläche des Rollelementes. Mit diesen Vertiefungen als Startpunkte tritt ein stückweises Aufbrechen (Fressen) auf, wodurch die Lebensdauer des Wälzlagers drastisch reduziert wird.

Als eine konventionelle Technik zum Verhindern des frühen Fressens der Laufbahn oberfläche ist in der JP 4-28845 A ein Weg offenbart, der das Ausbilden eines Lagerrings für Wälzlager aus Stahl vorsieht, der als Legierungsbe standteile 0,65 bis 0,90 Gew.-% von C, 0,15 bis 0,50 Gew.-% von Si, 0,15 bis 1,0 Gew.-% von Mn und von 2,0 bis 5,0 Gew.-% von Cr aufweist. Diese Technik ist für Wälzlager gedacht, welche unter Vibrationen oder Schlagbelastung aufgrund hoher Drehzahlen betrieben werden. Es wird beschrieben, daß die Ursache des frühen Fres sens auf der Laufbahnoberfläche unter solchen Betriebsbedingungen ein Mechanismus ist, bei dem C in dem Material an Stellen diffusioniert, wo die maximale Scherbeanspru chung auftritt, und dann dort verbleibt, um eine harte und brüchige weiße Schicht aus zubilden. Es wird behauptet, daß die Verwendung eines Stahlmaterials, das die vorge nannte Zusammensetzung mit niedriger C-Konzentration und hoher Cr-Konzentration das Ausbilden einer solchen weißen Schicht erschwert, wodurch das Auftreten des frü hen Fressens auf der Laufbahnoberfläche verhindert wird.

Als eine konventionelle Technik zum Verlängern der Lebensdauer eines Wälzlagers, das unter Schmiermittel mit darin eingemischten Fremdmaterialien betrieben wird, wird in der JP 6-11899 B ein Weg offenbart, der das Aussetzen eines Stahlmaterials, das die Legierungsbestandteile von 0,4 bis 0,8 Gew.-% C, von 0,3 bis 1,2 Gew.-% Si, nicht mehr als 1,0 Gew.-% Mn, von 4,0 bis 8,0 Gew.-% von Cr und von 0,1 bis 1,0 Gew.-% von Mo als Lagerungsstahl aufweist, einem Carbonisieren oder Carbonitrieren, um Carbide oder Carbonitride auf seiner Oberfläche in einem Flächen verhältnis von ungefähr 20 bis 35% auszubilden. Es wird behauptet, daß entsprechend dieser Technik die Definition der Zusammensetzung des zu verwendenden Stahlmate rials es möglich macht, die Härte und Widerstandsfähigkeit der Matrix durch Anlaßglü hen zu verbessern und feine Partikel von M₂₃C₆- oder M₇C₃-artigen Carbiden oder Car bonitriden, die in der Oberflächenschicht verteilt und abgelagert werden, zu veranlas sen, die Oberflächenschicht zu festigen, wodurch die Lebensdauer des Lagerungsrings verlängert wird, der mit Schmiermittel betrieben wird, dem fremde Materialien beige mischt sind.

Jedoch, solch ein Wälzlager, das das Schmiermittel mit hohem Reibungskoeffizienten, dem fremde Materialien beigemischt sind, wie das zuvor genannte Wälzlager für Auto matikgetriebe für Kraftfahrzeuge, kann nicht der Erwartung genügen, eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen aufzuweisen, wenn die zuvor genannte konventionelle Technik angewendet wird. Der Weg zum Verlängern der Lebensdauer eines Wälzla gers, das mit Schmiermittel betrieben wird, dem fremde Materialien beigemischt sind, wie es in der JP 6-11899 B beschrieben ist, ist hinsichtlich des Erfordernisses des Car bonierens oder Carbonitrierens nachteilig, wodurch die Kosten für die Werkstätte stei gen, und die Herstellungskosten erhöht werden.

Darüber hinaus ist ein Wälzlager, das mit hohem Reibungskoeffizienten und bei hohen Temperaturen betrieben wird, einer Verschmutzung des Schmiermittels durch Wasser tropfen ausgesetzt, welche durch Kondensation von Wasserdampf in dem Raum um das Lager aufgrund plötzlicher Temperaturänderungen beim Betrieb erzeugt wurden. Darüber hinaus kann Wasser, das im automatischen Getriebe nach dem Waschen mit Wasser oder dergleichen geblieben ist, das Schmiermittel verschmutzen. Solch ein Wälzlager, das mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten mit beigemischtem Wasser betrieben wird, ist nachteilig in der Weise, daß ein Schmierfilm sich kaum aus bilden kann auf der Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche. Das Schmiermittel, sofern welches vorhanden ist, kann leicht zerstört werden durch zunehmende Tangentialkräfte, wie oben erwähnt. Dadurch kann an ein solches Wälzlager nicht die Anforderung gestellt werden, eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen aufzuweisen, wenn die zuvor genannte konventionelle Technik angewendet wurde.

Auf der anderen Seite, offenbart JP 7-110988 B als ein Wälzlager, das eine verlän gerte Standzeit aufweist, die wünschenswert ist für das Getriebe oder den Motor, ein Wälzlager, welches einen Laufring und ein Rollelement aufweist, von denen zumin dest eines aus einem Legierungsstahl hergestellt ist, der zumindest von 0,3 bis 0,6 Gew.-% C und von 3 bis 14 Gew.-% Cr aufweist und eine Oberflächenschicht aufweist, die durch Carbonieren oder Carbonitrieren des Materials erzeugt wird und dann das Material einer Wärmebehandlung unterzogen wird, so daß es gehärtet wird, wobei die Oberflächenschicht feinkörnige Carbide und zurückbehaltenen Austenit in einer Menge von jeweils 20 bis 50 Vol.-% und von 10 bis 25 Vol.-% auf weist. Das derart vorgeschlagene Wälzlager weist eine längere Standzeit auf als das konventionelle Wälzlager, wenn es mit Schmiermittel betrieben wird mit, wie Turbi nenöl, das durch fremde Materialien verschmutzt ist. Jedoch läßt dieses Wälzlager noch Wünsche offen hinsichtlich der vorhandenen Lebensdauer, wenn es mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten betrieben wird, dem fremde Materi alien und Wasser beigemischt sind.

Das US-Patent Nr. 5,427,457 offenbart ein Wälzlager, welches eine hohe Lebens dauer insbesondere bei Verwendung Fremdkörper enthaltender Schmierstoffe be sitzt. Dabei besteht ein Ring bzw. ein Rollelement des Wälzlagers aus einer Stahlle gierung, welche 0,1 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff, 1 bis 3 Gew.-% Chrom und 0,33 bis 2,0 Gew.-% Molybdän aufweist. Dieses Material wird einem Aufkohlen bzw. Karbo nitrieren mit einem anschließenden Abschrecken und Tempern ausgesetzt. Somit haben die entstehenden Rolloberflächen des inneren oder des äußeren Ringes ei nen Restaustenitgehalt in einem Bereich von 20 bis 40 Vol.-% und die Karbid- bzw. Karbonitridpartikelgröße beträgt bis zu 2,3 µm.

Die DE 41 42 313 A1 beschreibt ein Wälzlager, das zumindest im Bereich seiner Laufbahnen mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen ist, die aus einer gal vanischen Zink-Legierung besteht und auf welcher eine Chromatierung vorgesehen sein kann.

Die DE 42 39 671 A1 schlägt vor, wässrige, saure Lösungen zum Chromatieren von Aluminium, Zink oder deren Legierungen zu verwenden. Bei der Gelb- Chromatierung werden 0,1 bis 1 µm dicke Chrom/Fluor/Aluminium-Oxidschichten auf der Oberfläche abgelagert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager bereitzustellen, welches eine erhöhte Widerstandsfähigkeit aufweist, auch wenn es mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten betrieben wird, dem fremde Materialien oder auch Wasser beigemischt sind.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Wälzlager einen Innenring, ei nen Außenring und ein Rollelement auf, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement erhalten wird durch Formen aus ei nem Stahlmaterial, das Kohlenstoff (C) von 0,55 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% und Chrom (Cr) von 2,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-% enthält, und das dann das so gebildete Material einem Härten, Anlassen und Polieren ausgesetzt wird. Bei dem Wälzlager ist eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, auf zumindest einem der Laufbahnoberfläche des Innenrings, einer Laufbahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei einem Wälzlager gemäß dem ersten Aspekt ist die Menge von zurückgebliebenen Austenit in zumindest einem der Laufbahnoberfläche des Innen rings, der Laufbahnoberfläche des Außenrings und der Rolloberfläche des Rollelemen tes in einem Bereich von 15 Vol.-% bis 25 Vol.-%.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung weist ein Wälzlager einen inneren Ring, ei nen äußeren Ring und ein Rollelement auf, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement erhalten wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das Kohlenstoff (C) von 0,55 Gew.-% bis 1,10 Gew.-%, Chrom (Cr) von 2,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-% und zumindest einen Bestandteil aus Molybdän (Mo) von 1,1 Gew.-% bis 4,0 Gew.-%, Vanadium (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% enthält und anschließendes Aussetzen des so geformten Materials einem Härten, Anlassen und Po lieren. Bei dem Wälzlager ist zumindest ein Bestandteil eines feinkörnigen Molybdän carbids und eines feinkörnigen Vanadiumcarbids, die einen Partikeldurchmesser von 50 nm bis 300 nm aufweisen, in einer Matrix verteilt; und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist zumindest auf einer von der Lauf bahnoberfläche des inneren Rings, einer Laufbahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Wälzlager einen in neren Ring, einen äußeren Ring und ein Rollelement auf, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement erhalten wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das Kohlenstoff (C) von 0,10 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% und Chrom (Cr) von 5,0 Gew.-% bis 14,0 Gew.-% aufweist, und dann Aussetzen des so ge formten Materials einem Carbonieren oder Carbonitrieren, Härten, Anlassen und Polie ren. Bei dem Wälzlager weist zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement nach dem Carbonieren oder Carbonitrieren eine Oberflä chenkohlenstoffkonzentration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% auf; und eine Menge des verbleibenden Austenits in einer Laufbahnoberfläche des inneren Rings, einer Lauf bahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche des Rollelementes liegt in einem Bereich von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-%; und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die ei ne Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist auf zumindest einer der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, einer Laufbahnoberfläche des inneren Rings und einer Rolloberflä che des Rollelementes vorgesehen.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Wälzlager einen in neren Ring, einen äußeren Ring und ein Rollelement auf, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement erhalten wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das Carbon (C) von 0,10 Gew.-% bis 0,55 Gew.-%, Chrom (Cr) von 5,0 Gew.-% bis 14,0 Gew.-% aufweist, und zumindest eines von Molybdän (Mo) von 0,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% und Vanadium (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% aufweist und dann Aussetzen zumindest eines von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement, die auf diese Weise gebildet wurden, einem Carbonieren oder Carbonitrieren, Härten, Anlassen und Polieren. Bei dem Wälzlager ist zumindest eines eines feinkörnigen Molybdäncarbids und eines feinkörnigen Vanadiumcarbids, die einen Partikeldurchmesser im Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweisen, in einer Matrix verteilt, zumindest eine von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement weist nach dem Carbonieren oder Carbonitrieren eine Oberflächenkohlenstoffkonzen tration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% auf; und eine Menge des verbliebenen Austenits in einer Laufbahnoberfläche des inneren Rings, einer Laufbahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche des Rollelementes liegt in einem Bereich von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-%; und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist auf der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, der Laufbahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.

Wie oben erwähnt, weist das Wälzlager gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Er findung eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen auf, sogar bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten, dem fremde Stoffe beigemischt sind.

Insbesondere weist das Wälzlager gemäß dem dritten Aspekt eine verlängerte Stand zeit gegen Anfressen auf, sogar bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungs koeffizienten mit beigemischtem Wasser auf.

Insbesondere, das Wälzlager gemäß dem vierten Aspekt weist eine verlängerte Stand zeit gegen Anfressen auf, sogar bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungs koeffizienten, dem fremde Materialien beigemischt sind.

Insbesondere, das Wälzlager gemäß dem fünften Aspekt weist eine verlängerte Stand zeit gegen Anfressen auf, sogar bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungs koeffizienten, dem fremde Materialien und Wasser beigemischt sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den beigefügten Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die die Testmaschine darstellt, die für die Standzeittests für Anfressen als Beispiel verwendet wurden; und

Fig. 2 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Dicke der Chromoxidschicht und der Bewertungszeit (L10-Lebensdauer) darstellt, die von den Testergeb nissen der Beispiele bestimmt wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wird im Detail wie folgt beschrieben.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Wälzlager bereit, das einen Innenring, einen Außen ring und ein Rollelement aufweist. Bei dem Wälzlager wird zumindest einer von dem in neren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement erhalten durch Formen aus einem Stahlmaterial, das einen Kohlenstoffgehalt (C) von 0,55 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% und einen Chromgehalt (Cr) von 2,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-% enthält, und dem anschließen den Aussetzen des so geformten Materials einem Härten, Anlassen und Polieren, und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist auf der Laufbahnoberfläche der Lagerlaufbahn und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.

Die Ursache des frühzeitigen Fressens auf der Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche während des Betriebs mit Schmieren von hohem Reibungskoeffizienten ist ein Mecha nismus, daß, wenn die Schmiermittelschicht zerstört wird aufgrund der Zunahme von Tangentialkräften, wie oben erwähnt, wird Wasser, das in dem Schmiermittel enthalten ist, getrennt, um Hydrogen zu bilden, welches dann in die Laufbahnoberfläche oder die Rolloberfläche eindringt. Das Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus ei ner Chromoxidschicht (Cr₂O₃) gemacht, die auf der Laufbahnoberfläche oder Rollober fläche vorgesehen ist, um das Eindringen von Hydrogen zu verhindern, wodurch es möglich wird, das Auftreten von frühzeitigem Fressen auf der Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche bei Schmierung mit hohem Reibungskoeffizienten zu vermeiden.

Wenn die Dicke der Chromoxidschicht (Cr₂O₃) unter 5 nm fällt, kann der gewünschte Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen nicht vollständig ausgeübt wer den. Im Gegensatz dazu, wenn die Dicke der Chromoxidschicht (Cr₂O₃) 300 nm über schreitet, wird die Textur der Chromoxidschicht grobkörnig, wodurch der Effekt des Ver hindern des Eindringens von Hydrogen herabgesetzt wird. Ein bevorzugter Bereich der Dicke der Chromoxidschicht liegt im Bereich von 20 nm bis 200 nm. Innerhalb dieses Bereichs der Dicke kann eine Chromoxidschicht erhalten werden, die eine sehr enge Textur aufweist, wodurch es möglich wird, das Eindringen von Hydrogen in die Lauf bahnoberfläche oder Rolloberfläche effizienter zu unterbinden.

Gemäß der Technik, wie sie in der JP 4-28845 A offenbart ist, ist eine Passivschicht (FeCrO₄), die eine Dicke von mehreren Nanometern aufweist, auf der Laufbahnoberflä che ausgebildet. Jedoch, solch eine Passivschicht kann Hydrogen nicht genügend dar an hindern, in die Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche einzudringen.

Das Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine verlängerte Standzeit ge gen Anfressen auf beim Betrieb unter Schmierung mit hohem Reibungskoeffizienten, verglichen mit konventionellen Wälzlagern, solange zumindest einer von dem Innenring, dem Außenring und dem Rollelement, die das Wälzlager bilden, die zuvor genannten Anforderungen erfüllt. Insbesondere wird bevorzugt, daß der Lagerungsring, der als Wellenscheibe (innerer Ring oder äußerer Ring) die vorgenannten Anforderungen er füllt.

Wenn das Wälzlager der vorliegenden Erfindung Austenit in der Laufbahnoberfläche des Lagerungsrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes in einer Menge von nicht weniger als 15 Vol.-% bis nicht mehr als 25 Vol.-% aufweist, weist es eine bemer kenswert verlängerte Lebensdauer gegen Anfressen auf in vorteilhafterweise, sogar beim Betrieb unter Schmierung nicht nur mit hohen Reibungskoeffizienten, sondern auch mit beigemischten fremden Materialien.

Beim Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, daß zumindest ei ner dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelement erhalten wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das einen Kohlenstoffgehalt (C) von 0,55 Gew.-% bis 1,10 Gew.-%, einen Chromgehalt (Cr) von 2,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-%, einen Molybdän gehalt (Mo) von 1,1 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% und/oder einen Vanadiumgehalt (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% aufweist, und daß dann so geformte Material einem Härten, Anlassen und Polieren ausgesetzt wird, und bei dem feinkörnige Molybdäncarbide und/oder Vanadiumcarbide, die einen Partikeldurchmesser von nicht weniger als 50 nm bis nicht mehr als 300 nm aufweisen, in der Matrix verteilt sind, und eine Chromoxid schicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, auf der Laufbahnoberflä che des Lagerungsrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen ist.

Gemäß der zuvor genannten Wälzlager adsorbieren die feinkörnigen Carbide, die in der Matrix verteilt sind, das Hydrogen, welches dabei ist, darin einzudringen, sogar beim Betrieb unter Bedingungen, wie z. B., daß ein Schmierfilm kaum ausgebildet werden kann, um die Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die auf der Laufbahnoberfläche und/oder der Rolloberfläche vorgesehen ist, dazu zu veranlassen, zerstört zu werden. Bei dieser An ordnung kann das zuvor genannte Eindringen des Hydrogens in die Laufbahnoberflä che oder Rolloberfläche verhindert werden, wodurch es möglich wird, frühes Fressen auf der Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche zu verhindern.

Das Verteilen solch feinkörnigen Carbids kann erhalten werden durch Erhalten des Ma terials, so wie es ist, bei einer Temperatur von 1100°C bis 1250°C, so daß es einer Be handlung als feste Lösung ausgesetzt ist, und dann wird es dem feinkörnigen Molybdän und/oder Vanadiumcarbid erlaubt, eingebracht zu werden. Das Einbringen dieser fein körnigen Carbide verursacht eine Reduktion der Menge von Kohlenstoff, das in der Ma trix des Stahlmaterials aufgelöst ist. Daher erlauben die durch das Stahlmaterial gebilde ten Elemente, die solch feinkörniges Carbid in der Matrix verteilt aufweisen, den Mangel des Auftretens der Änderung in der Textur durch Diffusion des Carbons während der Ermüdung der Matrix. Als Ergebnis weist das Wälzlager eine erhöhte Abriebsfestigkeit auf, was es möglich macht, das Versagen zu verhindern, wenn es unter Bedingungen betrieben wird, wie z. B. daß ein Schmierfilm kaum ausgebildet werden kann.

Das feinkörnige Molybdäncarbid und/oder Vanadiumcarbid ist vorzugsweise in der Mat rix in einem Abschnitt verteilt, mit nicht weniger als 10 Partikeln pro 10 µm² der Lauf bahnoberfläche und/oder Rolloberfläche.

Das Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet die folgenden Lager (1) bis (3) als bevorzugte Ausführungsformen.

1. Bei einem Wälzlager, das einen inneren Ring, einen äußeren Ring und ein Roll element aufweist, wird zumindest einer des inneren Rings, äußeren Rings und Rollelementes durch Formen von einem Stahlmaterial hergestellt, das einen Koh lenstoffgehalt (C) von 0,65 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% und Chromgehalt (Cr) von 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% aufweist, und dem anschließenden Aussetzen des so gebildeten Materials einem Härten, Anlassen und Polieren und eine Chromoxid schicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist auf der Lauf bahnoberfläche des Lagerungsrings (innerer Ring und/oder äußerer Ring) und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.
Dieses Wälzlager ist insbesondere wünschenswert als Wälzlager, das über eine verlängerte Standfestigkeit gegen Anfressen mit Schmiermittel mit einem Rei bungskoeffizienten betrieben werden.
2. In einem Wälzlager, welches eines inneren Ring, einen äußeren Ring und ein Rollelement aufweist wird zumindest eines von dem inneren Ring, äußeren Ring und Rollelement durch Formen aus einem Stahlmaterial hergestellt, das einen Kohlenstoffgehalt (C) von 0,65 Gew.-% bis 0,95 Gew.-%, einen Siliziumgehalt (Si) von 0,05 Gew.-% bis 0,60 Gew.-%, einen Mangangehalt (Mn) von 0,2 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% und einen Chromanteil (Cr) von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% aufweist, und dem anschließenden Aussetzen des derartig ausgebildeten Materials einem Härten, Anlassen und Polieren, wobei die Menge von Austenit, der in der Lauf bahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes verbleibt, nicht weniger als 15 Vol.-% bis nicht mehr als 25 Vol.-% beträgt, und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von nicht weniger als 20 nm bis nicht mehr als 200 nm aufweist, ist auf der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.
Gemäß dem vorgenannten Wälzlager macht die Anwesenheit einer Chromoxid schicht, die eine dichte Textur aufweist, es möglich, insbesondere die Anfreß standzeit des Wälzlagers beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungs koeffizienten zu verlängern. Das Vorherbestimmen der Menge von zurückgeblie benem Austenit in einem Bereich von nicht weniger als 15 Vol.-% bis nicht mehr als 25 Vol.-% macht es möglich, die Standfestigkeit gegen Anfressen des Wälzla gers beim Betrieb mit Schmiermitteln, denen fremde Materialien beigemischt sind, drastisch zu verlängern. Mit anderen Worten, ist dieses Wälzlager insbesondere wünschenswert als ein Wälzlager, welches betrieben wird unter Schmierung mit einem hohen Reibungskoeffizienten, dem fremde Materialien beigemischt sind.
3. In einem Wälzlager, das einen inneren Ring, einen äußeren Ring und ein Roll element aufweist, wird zumindest einer von dem inneren Ring, äußeren Ring und Rollelement hergestellt durch Formen aus einem Stahlmaterial, das einen Koh lenstoffgehalt (C) von 0,55 Gew.-% bis 0,90 Gew.-%, einen Chromgehalt (Cr) von 4,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-% (vorzugsweise 5,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-%), einen Molybdängehalt (Mo) von 1,1 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% (vorzugsweise 1,1 Gew.-% bis 3,0 Gew.-%) und/oder einen Vanadiumgehalt (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% aufweist, und dem anschließenden Aussetzen des derartig hergestell ten Materials einem Härten, Anlassen und Polieren, wobei ein feinkörniges Mo lybdäncarbid und/oder Vanadiumcarbid, das einen Partikeldurchmesser von 50 nm bis 300 nm aufweist, in der Matrix verteilt wird, und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist auf der Laufbahnoberflä che des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.
Dieses Wälzlager ist insbesondere wünschenswert als ein Wälzlager, welches ei ne verlängerte Standfestigkeit gegen Anfressen unter Schmierung mit hohem Rei bungskoeffizienten aufweist, dem Wasser beigemischt wurde.

Die Wirkungsweise und der Gehalt der verschiedenen Legierungskomponenten, die dem Stahlmaterial zugefügt sind, das hier verwendet wird, wird nachfolgend beschrie ben.

C: 0,55 bis 1,10 Gew.-%

Kohlenstoff (C) ist ein Element, das dem Stahlmaterial Härte verleiht. Wenn der Gehalt von C unterhalb von 0,55 Gew.-% fällt, ist es schwierig, eine Härte von HRC58 oder hö her zu erhalten, die für Wälzlager gefordert wird. Auf der anderen Seite, wenn der Ge halt von C 1,10 Gew.-% überschreitet, können große Carbide leichter erzeugt werden, wodurch gelegentlich Materialermüdung auftritt oder die Schlagbeanspruchung herab gesetzt wird. Entsprechend liegt der Gehalt von Kohlenstoff in dem Bereich von 0,55 Gew.-% bis 1,10 Gew.-%.

Das vorgenannte Wälzlager (1) der vorliegenden Erfindung weist einen Kohlenstoffge halt von nicht weniger als 0,65 Gew.-% bis nicht mehr als 1,10 Gew.-% auf. Das vorge nannte Wälzlager (2) der vorliegenden Erfindung weist einen Kohlenstoffgehalt im Be reich von 0,65 Gew.-% bis 0,95 Gew.-% auf. Wenn der Gehalt von Kohlenstoff nicht weniger als 0,65 Gew.-% beträgt, kann eine Härte von HRC 58 oder höher erreicht wer den. Darüber hinaus, wenn der Kohlenstoffgehalt nicht mehr als 0,95 Gew.-% beträgt, kann das Erzeugen großer Carbide besser unterdrückt werden.

Das vorgenannte Wälzlager (3) der vorliegenden Erfindung weist einen Kohlenstoffge halt im Bereich von 0,55 Gew.-% bis 0,90 Gew.-% auf. Das vorgenannte Wälzlager (3) der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Stahlmaterial, dem Cr, Mo und/oder V zuge fügt wurde. Daher, wenn der Kohlenstoffgehalt zunimmt, verschmälert sich der Austenit bereich, was den Kohlenstoff dazu veranlaßt, im mittigen Teil konzentriert zu werden und bei Wärmebehandlung zu segregieren. Der segregierte Bereich kann dann über hitzt werden, wodurch Risse darin entstehen. Entsprechend ist bei dem Wälzlager (3) der vorliegenden Erfindung der obere Grenzwert für den Kohlenstoffgehalt vorzugswei se 0,90 Gew.-%.

Cr: 2,0 bis 9,0 Gew.-%

Chrom (Cr) ist eine Element, das die Härtbarkeit des Stahlmaterials verbessert, die Sphäroidisation des Carbids beschleunigt und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃) erzeugt. Um die Dicke der Chromoxidschicht in einem Bereich von nicht weniger als 5 nm vor herzubestimmen, ist es notwendig, daß der Anteil von Chrom nicht weniger als 2,0 Gew.-% beträgt. Wenn der Chromgehalt 9,0 Gew.-% überschreitet, erfährt das da durch erzeugte Stahlmaterial eine drastische Verschlechterung der Schneidbarkeit und somit eine verschlechterte Verarbeitbarkeit. Entsprechend liegt der Chrombereich in ei nem Bereich von 2,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-%.

Das vorgenannte Wälzlager (1) der vorliegenden Erfindung hat einen Chromgehalt im Bereich von 2,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-%. Das vorgenannte Wälzlager (2) der vorliegen den Erfindung weist einen Chromgehalt im Bereich von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% auf. Wenn der Chromgehalt nicht mehr als 6,0 Gew.-% beträgt, weist das erzeugte Stahl material exzellente Schneideigenschaften auf. Darüber hinaus, wenn der Chromgehalt nicht weniger als 3,0 Gew.-% beträgt, wird die resultierende Chromoxidschicht dichter und fester, wodurch ein verbesserter Effekt des Abschirmens gegenüber Hydrogen entsteht.

Das vorgenannte Wälzlager (3) der vorliegenden Erfindung weist einen Chromgehalt im Bereich von 4,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-%, vorzugsweise 5,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-% auf. Wenn der Chromgehalt nicht weniger als 4,0 Gew.-% beträgt (vorzugsweise nicht weni ger als 5,0 Gew.-%), wird die resultierende Chromoxidschicht dichter und fester und kann daher kaum zerstört werden, wodurch ein verbesserter Effekt des Abschirmens gegenüber Hydrogen entsteht.

Mo: 1,1 bis 4,0 Gew.-%

Molybdän (Mo) ist eine Element, das das Stahlmaterial widerstandsfähig gegen Anlaß erweichen macht und ist mit dem Kohlenstoff verbunden, um Molybdäncarbid zu erzeu gen. Um es einem feinkörnigen Molybdäncarbid zu erlauben, das einen Partikeldurch messer in dem Bereich von 50 nm bis 300 nm aufweist, stabil deponiert und in der Matrix verteilt zu werden, ist es notwendig, daß der Gehalt von Molybdän nicht weniger als 1,1 Gew.-% beträgt. Die Anwesenheit solch eines feinkörnigen Molybdäncarbids erzeugt eine Oberflächenhärte, die die Abriebsfestigkeit erhöht und den vorgenannten Effekt des Abschirmens gegenüber Hydrogen ausführt.

Auf der anderen Seite, wenn der Molybdängehalt 4,0 Gew.-% überschreitet, wird der vorgenannte Effekt gesättigt. Darüber hinaus, die Bearbeitbarkeit des resultierenden Stahlmaterials kann verschlechtert werden. Entsprechend ist der Molybdängehalt in ei nem Bereich von 1,1 Gew.-% bis 4,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,1 Gew.-% bis 3,0 Gew.-%.

V: 0,3 bis 2,0 Gew.-%

Vanadium (V) ist ein Element, das auf der Kristallgrenze deponiert wird, um die Zunah me der Größe der kristallinen Partikel zu unterbinden, und ist mit dem Kohlenstoff ver bunden, um ein feinkörniges Vanadiumcarbid zu bilden. Um es einem feinkörnigen Va nadiumcarbid, das einen Partikeldurchmesser im Bereich von 50 nm bis 300 nm auf weist, zu ermöglichen, stabil zu deponiert und in der Matrix verteilt zu werden, ist es notwendig, daß der Gehalt von Vanadium nicht weniger als 0,3 Gew.-% beträgt. Die Anwesenheit eines solch feinkörnigen Vanadiumcarbids stellt eine Oberflächenhärte be reit, die die Abriebsfestigkeit erhöht, und den vorgenannten Effekt des Abschirmens ge genüber Hydrogen ausführt.

Auf der anderen Seite, wenn der Vanadiumgehalt 2,0 Gew.-% überschreitet, wird das Vanadiumcarbid in der Kristallgrenze deponiert, wodurch die Bearbeitbarkeit oder ver schiedene mechanische Eigenschaften des Stahlmaterials verschlechtert werden. Ent sprechend liegt der Vanadiumgehalt in einem Bereich von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%. In dem Fall, wo nur Vanadium frei von Molybdän eingebracht wird, liegt der Vanadium gehalt vorzugsweise in dem Bereich von 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%.

Si: 0,05 bis 0,60 Gew.-%

Silizium (Si) ist ein Element, das die Verzögerung der Oberflächenveränderung beschleunigt, und die Härtbarkeit des Stahlmaterials verbessert. Wenn der Siliziumgehalt unter 0,05 Gew.-% fällt, kann der vorgenannte Effekt genügend stark ausgeübt werden. Auf der anderen Seite, wenn der Siliziumgehalt 0,50 Gew.-% überschreitet, weist das resultierende Stahlmaterial drastisch verschlechterte Bearbeitungseigenschaften auf. Entsprechend liegt der Siliziumgehalt vorzugsweise in dem Bereich von 0,05 Gew.-% bis 0,60 Gew.-%.

Mn: 0,2 bis 1,5 Gew.-%

Mangan (Mn) ist ein Element, das die Härtbarkeit des Stahlmaterials verbessert. Wenn der Gehalt des Mangans unter 0,2 Gew.-% fällt, weist das resultierende Stahlmaterial ungenügend Härtbarkeitseigenschaften auf. Auf der anderen Seite, wenn der Gehalt von Mangan 1,5 Gew.-% überschreitet, weist das resultierende Stahlmaterial verschlechterte Bearbeitungseigenschaften auf. Entsprechend liegt der Mangangehalt vorzugsweise in dem Bereich von 0,2 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%.

P, S, O

Phosphor (P) ist ein Element, das die Rollebensdauer und Zähigkeit des Stahlmaterials herabsetzt. Daher beträgt der Gehalt an Phosphor vorzugsweise nicht weniger als 0,02 Gew.-%. Schwefel (S) ist ein Element, das die Schneidbarkeit des Stahlmaterials verbessert. Da Schwefel mit dem Magnesium verbunden ist, um einen Sulfurideinschluß zu erzeugen, der die Rollebensdauer des Stahlmaterials herabsetzt, beträgt sein Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 0,02 Gew.-%. Sauerstoff (O) ist ein Element, das einen Oxideinschluß in dem Stahlmaterial erzeugt, um seine Rollebensdauer zu reduzieren. Entsprechend ist der Gehalt von Sauerstoff vorzugsweise nicht mehr als 0,0010 Gew.-%.

Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Wälzlager bereit, das einen inneren Ring, einen äußeren Ring und ein Rollelement aufweist, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, äußeren Ring und Rollelement hergestellt wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das einen Kohlenstoffgehalt (C) von 0,10 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% und einen Chromgehalt (Cr) von 5,0 Gew.-% bis 14,0 Gew.-% aufweist, und dem anschlie ßenden Aussetzen des so geformten Materials einem Carbonieren oder Carbonitrieren, Härten, Anlassen und Polieren, wobei das Material, das carboniert oder carbonitriert wurde, eine Oberflächenkohlenstoffkonzentration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% auf weist, die Menge von zurückgebliebenen Austenit in der Laufbahnoberfläche des La gerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes beträgt nicht weniger als 25 Vol.-% bis nicht mehr als 50 Vol.-%, und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist auf der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen.

Wie zuvor erwähnt, wenn das Wälzlager unter Schmierstoff betrieben wird, der mit fremden Materialien vermischt ist, verursachen diese fremden Materialien das Bilden von Vertiefungen auf der Laufbahnoberfläche des Lagerrings oder der Rolloberfläche des Rollelementes. Wenn Belastung auf die Kanten dieser Vertiefungen konzentriert wird, treten Mikrorisse auf, die ein frühes Ausbrechen erzeugen. Gemäß der Anordnung des Wälzlagers der vorliegenden Erfindung, erlaubt das Vorherbestimmen der Menge von verbleibendem Austenit in der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes in einem Bereich von nicht weniger als 25 Vol.-% bis nicht mehr als 50 Vol.-%, das Ausüben der folgenden Effekte, wodurch die Konzentrati on der Belastung auf die Kanten dieser Vertiefungen verringert wird. Als ein Ergebnis kann ein frühes Fressen an der Oberfläche der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und der Rolloberfläche des Rollelementes beim Betrieb mit Schmierstoff, dem fremde Mate rialien beigemischt sind, verhindert werden.

Mit anderen Worten, hat Austenit ursprünglich eine weiche Textur (d. h. ungefähr Hv 300). Jedoch unterliegt Austenit, das in der Oberflächenschicht des Stahlmaterials ver bleibt, einer Martensittransformation und einem Härten, wenn es mit Energie beauf schlagt wird, wie z. B. während Belastung. Die Laufbahnoberfläche oder Rolloberfläche, die den zurückgebliebenen Austenit in einer Menge von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-% auf weist, unterliegt der vorgenannten Transformation aufgrund der Deformationsenergie, die auf diesen Bereich ausgeübt wird, wenn er in Rollkontakt mit der gegenüberliegen den Oberfläche (Rolloberfläche oder Laufbahnoberfläche) gebracht wird. Während diesem wird die Konzentration der Belastung auf die Kante der zuvor genannten Vertiefun gen entspannt.

Dieses Wälzlager weist auch eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃) auf, die eine Dicke im Be reich von 5 nm bis 300 nm aufweist, die auf der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung kann das Eindringen von Hydrogen, das das frühe Verschleißen der Oberfläche auf der Laufbahnoberfläche oder der Rolloberfläche beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten verursacht, verhindert werden.

Als ein Ergebnis kann das Auftreten des frühen Anfressens auf der Laufbahnoberfläche oder der Rolloberfläche beim Betrieb mit Schmiermittel mit hohem Reibungskoeffizien ten verhindert werden.

Die Gründe, warum die Kohlenstoff- und Chromgehalt und die Obrflächenkohlenstoff konzentration des zu verwendenden Stahlmaterials beim Wälzlagerkohlenstoff definiert sind, werden nachfolgend beschrieben.

Oberflächenkohlenstoffkonzentration: 0,7 bis 1,2 Gew.-%

Um eine Oberflächenhärte von HRC 58 oder mehr, die für Wälzlager erforderlich ist, zu erreichen, ist es notwendig, daß die Oberflächenkohlenstoffkonzentration nicht weniger als 0,7 Gew.-% beträgt. Wenn die Oberflächenkohlenstoffkonzentration 1,2 Gew.-% überschreitet, können große Carbide leichter erzeugt werden. Der Abschnitt, wo große Carbide erzeugt wurden, kann als Ausgangspunkt des Brechens wirken.

In dem Fall, wo Carbonitrierung durchgeführt wird, liegt die Oberflächennitrogenkonzen tration vorzugsweise im Bereich von 0,05 Gew.-% bis 0,50 Gew.-%. Wenn die Oberflä chennitrogenkonzentration nicht weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, weist das resultieren de Stahlmaterial eine verbesserte Anlaßwiderstandsfähigkeit auf, was es den feinkörni gen Carbiden erleichtert, verteilt und deponiert zu werden. Als ein Ergebnis wird die Festigkeit gegen Sprödbruch erhöht. Darüber hinaus, wenn die Nitrogenkonzentration 0,50 Gew.-% überschreitet, weist das resultierende Stahlmaterial einen erhöhten Abriebswiderstand auf, kann jedoch kaum poliert werden und weist daher eine verschlech terte Sprödbruchfestigkeit auf.

Während dem Carbonieren oder Carbonitrieren kann diffuses Hydrogen in das Innere des Materials hineindringen. Jedoch, kann das Material, das carboniert oder carboni triert wurde, erwärmt werden in einem Vakuumofen, um den Gehalt des diffundierten Hydrogens in dem Material auf nicht mehr als 0,1 ppm zu reduzieren, und dadurch seine Versprödung verbessern.

C: 0,10 bis 0,55 Gew.-%

Kohlenstoff (C) ist ein Element, das das Stahlmaterial mit Härte versieht. Dieses Wälz lager weist eine Oberflächenkohlenstoffkonzentration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% auf, die durch Carbonieren oder Carbonitrieren erzeugt wird. Wenn der Anteil von Car bon im zu verwendenden Stahlmaterial unter 0,10 Gew.-% fällt, erfordert das Carbonie ren oder Carbonitrieren zum Vorherbestimmen der Oberflächenkohlenstoffkonzentration auf den vorgenannten Bereich viel Zeit. Auf der anderen Seite, wenn der Gehalt von Kohlenstoff im Stahlmaterial 0,55 Gew.-% überschreitet, kann das resultierende Stahlmaterial verschlechterte Zähigkeit seines Kerns aufweisen und daher eine ver schlechterte Schlagfestigkeit.

Cr: 5,0 bis 14,0 Gew.-%

Chrom (Cr) ist ein Element, das die Härtbarkeit des Stahlmaterials verbessert, die Sphäroidisation des Kohlenstoffs beschleunigt und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃) bil det. Dieses Wälzlager muß einen Chromgehalt von nicht weniger als 5,0 Gew.-% auf weisen, um eine Chromoxidschicht von einer Dicke von nicht weniger als 5 nm aufzu weisen. Wenn der Chromgehalt 14,0 überschreitet, weist das resultierende Stahlmate rial drastisch verschlechterte Schneideigenschaften auf und kann der Erzeugung von großen Chromcarbiden ausgesetzt sein, die einen Partikeldurchmesser von 10 µm auf weisen. Wenn große Chromcarbide erzeugt werden, ist die resultierende Chromoxid schicht nicht einheitlich, wodurch es leicht wird, die Chromoxidschicht zu zerstören.

Entsprechend weist dieses Wälzlager verlängerte Standzeit gegen Anfressen auf beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten, dem fremde Materialien beigemischt sind.

Darüber hinaus, weist dieses Wälzlager vorzugsweise Silicon auf, das in das zu ver wendende Stahlmaterial in dem folgenden Bereich eingebracht wird, und Magnesium wird in das verwendete Stahlmaterial in dem vorangegangenen Bereich eingebracht. Darüber hinaus ist der Anteil von Sauerstoff vorzugsweise nicht mehr als 0,0010 Gew.-%, wie zuvor erwähnt. Der Gehalt von Schwefel und Phosphor beträgt vor zugsweise jeweils nicht mehr als 0,02 Gew.-%, wie zuvor erwähnt.

Si: 0,10 bis 1,40 Gew.-%

Wie zuvor erwähnt, ist Silizium (Si) ein Element, das die Verzögerung der Texturände rung beschleunigt und die Härtbarkeit des Stahlmaterials verbessert. Das Wälzlager umfaßt Kohlenstoff (C), der in das verwendete Stahlmaterial eingebracht wird, in einer Menge von 0,10 bis 0,55 Gew.-%. Daher, wenn der Gehalt an Silizium unter 0,10 Gew.- % fällt, kann der zuvor genannte Effekt nicht genügend ausgeführt werden. Da der oben definierte Kohlenstoffgehalt niedrig genug ist, weist das resultierende Stahlmaterial eine verbesserte Kaltbearbeitbarkeit auf. Daher, sogar wenn der Siliziumgehalt 0,60 Gew.-% überschreitet, weist das resultierende Stahlmaterial gute Bearbeitungseigenschaften auf. Jedoch, wenn der Siliziumgehalt 1,40 Gew.-% überschreitet, weist das resultierende Stahlmaterial eine verschlechterte Bearbeitbarkeit auf. Entsprechend ist der Siliziumge halt vorzugsweise in einem Bereich von 0,10 Gew.-% bis 1,40 Gew.-%.

Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus ein Wälzlager bereit, das einen inneren Ring, einen äußeren Ring und ein Rollelement aufweist, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, äußeren Ring und Rollelement hergestellt wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das einen Kohlenstoffgehalt (C) von 0,10 Gew.-% bis 0,55 Gew.-%, einen Chromgehalt (Cr) von 5,0 Gew.-% bis 14,0 Gew.-%, einen Molybdängehalt (Mo) von 0,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% und/oder einen Vanadiumgehalt (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% aufweist, und Aussetzen des dermaßen ausgebildeten Materials einem Carbonieren oder Carbonitrieren, Härten, Anlassen und Polieren, wobei ein feinkörniges Molybdäncarbid und/oder Vanadiumcarbid, das einen Partikeldurchmesser von 50 nm bis 300 nm aufweist, in der Matrix verteilt wird, wobei das Material, das carboniert oder carbonitriert wurde, eine Oberflächenkohlenstoffkonzentration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% aufweist, die Menge von zurückbleibendem Austenit in der Laufbahnober fläche des Lagerrings und/oder der Rolloberfläche des Rollelementes von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-% beträgt, und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, auf der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Rolloberflä che des Rollelementes vorgesehen ist.

Gemäß dem vorgenannten Wälzlager adsorbieren die feinkörnigen Molybdän- und/oder Vanadiumcarbide, die in der Matrix verteilt sind, Hydrogen, welches dabei ist, einzudrin gen, sogar wenn es unter Bedingungen verwendet wird, so daß ein Schmierfilm kaum ausgebildet werden kann, um die Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die auf der Laufbahnober fläche und/oder Rolloberfläche vorgesehen ist, zu zerstören. Bei dieser Anordnung kann das vorgenannte Eindringen des Hydrogens in die Laufbahnoberfläche oder Rollober fläche verhindert werden, sogar beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungs koeffizienten, das mit Wasser gemischt ist, das es möglich macht, frühzeitiges Anfres sen auf der Laufbahnoberfläche und der Rolloberfläche zu verhindern.

Das Verteilen eines solch feinkörnigen Carbids kann erreicht werden durch das zuvor genannte Verfahren. Wie zuvor erwähnt, ermöglichen die Elemente, die das Lager bil den, die durch das Stahlmaterial gebildet werden, die solch eine Verteilung in der Matrix aufweisen, das Verzögern des Auftretens des Veränderns in der Textur durch Diffusion des Kohlenstoffs während des Ermüdens der Matrix. Als ein Ergebnis weist das Wälzla ger einen erhöhten Abriebwiderstand auf, macht es möglich, ein Versagen zu verhin dern, wenn es unter Bedingungen betrieben wird, wie z. B. daß ein Schmierfilm kaum ausgebildet werden kann. Das feinkörnige Molybdäncarbid und/oder Vanadiumcarbid wird vorzugsweise in der Matrix in einer Menge von nicht weniger als 10 Partikeln pro 10 µm² auf der Laufbahnoberfläche und/oder Rolloberfläche wie zuvor erwähnt verteilt.

Bei diesem Wälzlager liegt der Partikeldurchmesser des feinkörnigen Molybdäncarbids und/oder Vanadiumcarbids innerhalb eines Bereichs von 50 nm bis 500 nm. Die Mo lybdäncarbidkörner und/oder Vanadiumcarbidkörner wachsen in der Matrix während des Carbonierens oder Carbonitrierens. Bei diesem Wälzlager kann der vorgenannte Effekt des Adsorbierens von Hydrogen und des Verbesserns der Abriebfestigkeit insoweit durchgeführt werden, daß der Partikeldurchmesser der vorangegangenen feinkörnigen Carbide nicht mehr als 500 nm beträgt, sogar wenn er 300 nm überschreitet.

Gemäß der Anordnung dieses Wälzlagers erlaubt das Vorherbestimmen der Menge von verbleibendem Austenit in der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und/oder der Roll oberfläche des Rollelementes im Bereich von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-% das Ausüben der vorangegangenen Effekte, das Verringern der Belastungskonzentration auf die Kanten der zuvor genannten Vertiefungen. Als ein Ergebnis kann das frühzeitige Fressen auf der Laufbahnoberfläche des Lagerrings und der Rolloberfläche des Rollelementes beim Betrieb mit Schmiermittel, dem fremde Stoffe beigefügt sind, verhindert werden. Darüber hinaus kann die Reduktion der Härte, die mit der Zunahme des Gehalts von zurückbe haltenen Austenit einhergeht, ausgeglichen werden durch die feinkörnigen Molybdän carbide und/oder Vanadiumcarbide, die in der Matrix verteilt sind.

Der Grund, weswegen der Molybdängehalt (Mo) in diesem Wälzlagerkohlenstoff defi niert ist, wird nachfolgend beschrieben. Der Grund, weil der Vanadiumgehalt (V) in die sem Wälzlagerkohlenstoff definiert ist, wurde zuvor genannt.

Mo: 0.5 bis 4,0 Gew.-%

Wie zuvor genannt, ist Molybdän (Mo) ein Element, das das Stahlmaterial widerstands fähig gegen Anlaßerweichen macht und dem Kohlenstoff anhaftet, um Molybdäncarbide zu bilden. Im Fall, wo der Gehalt des Kohlenstoffs (C) in dem verwendeten Stahlmaterial in einem Bereich von 0,25 bis 0,55 Gew.-% liegt, beträgt der Molybdängehalt vorzugs weise nicht weniger als 1,1 Gew.-%, um es den feinkörnigen Molybdäncarbiden zu er lauben, einen Partikeldurchmesser von 50 nm bis 500 nm aufzuweisen, der stabil ange ordnet und gleichmäßig verteilt in der Matrix ist.

Jedoch, wenn der Gehalt von Kohlenstoff (C) in dem verwendeten Stahlmaterial im Be reich von 0,10 bis 0,20 Gew.-% liegt, neigt die Kohlenstoffkonzentration in der Matrix dazu, niedriger zu sein, aufgrund des Ablagerns von feinkörnigen Molybdäncarbiden.

Um dieses Phänomen zu unterbinden, ist der Molybdängehalt vorzugsweise weniger als 1,1 Gew.-% (z. B. ungefähr 0,5 Gew.-%).

Im Gegensatz dazu, wenn der Molybdängehalt 4,0 Gew.-% überschreitet, ist der vorge nannte Effekt gesättigt. Darüber hinaus, kann das resultierende Stahlmaterial ver schlechterte Verarbeitungseigenschaften aufweisen. Mit Hinblick darauf, verwendet die ses Wälzlager (C: 0,10 bis 0,55 Gew.-%) Molybdän, das in das verwendete Stahlmateri al in einer Menge von 0,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% eingebracht ist.

Wie zuvor genannt weist dieses Wälzlager eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten, dem fremde Materialien und Wasser beigemischt ist, auf.

Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben.

Beispiele 1 bis 9 und Vergleichsbeispiel 1 bis 6

Ein Stahlmaterial mit Carbon (C), Silizium (Si), Mangan (Mn) und Chrom (Cr) in einer Zusammensetzung (Gew.-%), die in Tabelle 1 nachfolgend dargestellt ist, Phosphor (P) und Schwefel (S), jeweils in einem Verhältnis von nicht mehr als 0,02 Gew.-%, Sauer stoff (O) in einem Verhältnis von nicht mehr als 0,0010 Gew.-%, und der entsprechende Anteil Eisen (Fe) wurde verwendet, um einen inneren Ring und einen äußeren Ring für ein Tiefbettlaufbahnkugellager (JIS Modell Nummer: 6206; äußerer Durchmesser: 62 mm; innerer Durchmesser 30 mm; Breite: 16 mm) zu bilden.

Nachfolgend wurden der innere Ring und der äußere Ring, die auf diese Weise herge stellt wurden, einem Härten und Anlassen ausgesetzt, so daß die Oberflächenhärte (HRC) und die Menge des verbleibenden Austenits (γR) in einer Weise eingestellt wur den, die in der Tabelle 1 unten angegeben sind. Unter Verwendung einer Alumina basierenden Schleifmühle oder CBN-Schleifmühle, wurden der innere Ring und der äu ßere Ring poliert an der Laufbahnoberfläche, die darauf ausgebildet wurde, mit hoher Drehzahl, so daß die Oberflächenhärte der Laufbahnoberfläche im Bereich von 0,01 bis 0,04 µmRa lag. Der innere Ring und der äußere Ring, die auf diese Weise poliert wurden, wurden dann hinsichtlich ihrer Eigenschaften der Chromoxidschicht (Cr₂O₃) ge messen, die auf der Laufbahnoberfläche ausgebildet wurde. Die Messungen sind in Ta belle 1 nachfolgend angegeben.

Tabelle 1

Als Rollelement wurde eines verwendet, das durch den Vorgang des Ausbildens einer Kugel erhalten wurde, das einen Durchmesser von 3/8 Inch und aus der zweiten Art von hochkohlenstoffhaltigem Chromlagerstahl (SUJ2) hergestellt wurde, und dann die Kugel dem Härten und Anlassen ausgesetzt wurde, so daß die Oberflächenhärte (HRC), die Menge des zurückbehaltenen Austenits (γR) und die Oberflächenrauhigkeit der Lauf bahnoberfläche jeweils auf 62, 10 Vol.-% und von 0,003 bis 0,010 µmRa eingestellt wurde.

Wälzlager, die aus diesen Innenringen und Außenringen zusammengesetzt wurden, die auf diese Weise erhalten wurden (Beispiele 1 bis 9 und Vergleichsbeispiele 1 bis 6) und die vorangegangenen Rollelemente wurden jeweils auf die in Fig. 1 dargestellte Test maschine montiert. Unter diesen Bedingungen wurden die Wälzlager dann auf ihre Standzeit gegen Anfressen untersucht beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Rei bungskoeffizienten.

Diese Testmaschine weist ein Gehäuse 2 auf, das ein darin eingebautes Wälzlager 1 aufweist. Das gesamte Gehäuse 2 und eine Achse 3 ausgenommen für den Endab schnitt 31 sind durch ein Spülelement 4 abgedeckt. Am oberen Ende des Innenraums des Spülelementes 4 ist eine Ölzuführdüse 5 vorgesehen, durch welche das Schmier mittel in das Innere des Wälzlagers 1 geleitet wird. Die Ölzuführdüse 5 ist in solch einer Weise angeordnet, daß sie das Schmiermittel von einem Öltank 6 über ein Rohr 61 er hält. Das Schmiermittel, das auf den Boden des Spülelementes 4 tropfte, wird dem Öl tank 6 durch ein Altölrohr 62 zurückgeführt. Das Rohr 61 kann mit einem Filter 63 ver sehen sein, um Fremdstoffe aus dem Schmiermittel in Strömungsrichtung vornliegend herauszufiltern. Oberhalb des Spülelementes 4 ist ein Belastungshebel 7 angeordnet, durch welche eine Last auf das Wälzlager durch das Gehäuse 2 aufgebracht wird.

Als Schmiermittel wurde ein kommerziell erhältliches Schmieröl verwendet, das einen maximalen Reibungskoeffizienten (µ) von 0,09 bei 40°C und 0,07 bei 100°C und eine dynamische Viskosität von 30,8 cSt bei 40°C und 5,31 cSt bei 100°C aufwies, wie dies bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 4,1 m/s und Schlupf von 5%, unter Verwendung einer Zweizylinder-Testmaschine ermittelt wurde. Bezugnehmend auf die Testbedingun gen betrug die Testlast Fr 580 kgf (P/C = 0,3 gemäß JIS), die Testtemperatur betrug 100°C, die Drehzahl war 3900 Umdrehung pro Minute, und der innere Ring wurde ge dreht.

Als Detail wurden Stahlspäne, die eine Härte von Hv von 530 und eine Größe von 44 bis 74 µm aufwiesen, 1000 cc des Schmieröls im Öltank 6 zugefügt. Das Wälzlager 1 im Spülelement 4 wurde dann für 3 Minuten betrieben, während das Schmiermittel zuge führt wurde. Mit anderen Worten, das Wälzlager 1 drehte sich unter dem Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten, dem fremde Stoffe beigemischt wurden, so daß Anfangsvertiefungen erzeugt wurden auf der Laufbahnoberfläche und/oder der Rollober fläche.

Nachfolgend wurde das Wälzlager 1 von der Testmaschine entfernt und dann gereinigt. Der äußere Ring und das Rollelement wurden dann ersetzt durch neue, die frei von Vertiefungen sind. Der innere Ring, der auf diese Weise anfänglich mit Vertiefungen versehen wurde, wurde auch weiterhin verwendet. Das Wälzlager 1 wurde dann auf der Testmaschine montiert. Der Filter 63 wurde auf das Rohr 61 montiert. Unter diesen Be dingungen wurde es dem Wälzlager 1 in dem Spülelement 4 erlaubt, sich zu drehen, während es mit Schmiermittel frei von Fremdstoffen versorgt wurde. Während des Rota tionstests, wurde die Vibration gemessen, die sich in dem Lager entwickelte. Wenn die Vibration während des Drehens das Fünffache des Anfangswerts erzielte, wurde der Test unterbrochen, um zu sehen, ob ein Ausbrechen auftrat. 10 Sätze von Lagerungen wurden getestet für jedes der Beispiele und der Vergleichsbeispiele.

Wenn der Test unterbrochen wurde, wurde die bis dahin benötigte Rotationszeit ver wendet für eine Bewertung (Standzeit gegen Anfressen). Für diejenigen, die eine be rechnete Lebensdauer von 160 Stunden aufwiesen und somit für 200 Stunden getestet wurden, währenddessen die Vibrationen nicht das Fünffache des Anfangswerts erziel ten, wurde eine Prüfung durchgeführt, um zu sehen, ob ein Ausbrechen nach 200 Stunden von Rotation auftrat. Somit wurden 200 Stunden für das Bewerten ver wendet. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben. Das Verhältnis zwischen der Dicke der Chromoxidschicht und der Bewertungszeit (L10-Lebensdauer), die von den Ergebnissen erhalten wurde, ist in Fig. 2 dargestellt.

Tabelle 2

Wie von der obigen Tabelle gesehen werden kann, da die Beispiele 1 bis 6 jeweils aus einem Stahlmaterial hergestellt sind, das die Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllt, und somit eine Chromoxidschicht aufweisen, die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, sind sie aufgrund der Chromoxidschicht einem Eindringen des Hydrogens un zugänglich und weisen daher eine bemerkenswert verlängerte Bewertungszeit auf, verglichen mit den Vergleichsbeispielen 1 bis 6. Jedoch, weisen diese Stahlmaterialien jeweils einen zurückbehaltenen Austenit in einer Menge von weniger als 15 Vol.-% auf. Dadurch unterlagen 2 bis 5 von 10 Proben einem Anfressen.

Von den Beispielen 1 bis 6 weisen die Beispiele 3 bis 5 jeweils eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke aufweist, die innerhalb des gewünschten Bereichs (von 20 nm bis 200 nm) liegt, und dadurch drastisch dem Eindringen von Hydrogen durch die Chrom oxidschicht ausgesetzt sind. Dadurch weisen diese Stahlmaterialien eine verlängerte Bewertungszeit auf verglichen mit den Beispielen 1, 2, 4 und 6, welche aus dem ge wünschten Bereich bezüglich der Dicke der Chromoxidschicht herausfallen. Beispiele 1, 2, 4 und 6 wurden auf ihre Mikrostruktur in einem Abschnitt des inneren Rings unter sucht, der einem Anfressen ausgesetzt war. Als ein Ergebnis wurden Mikrorisse, sowie ein Ausbleichen der Textur bestätigt. Beispiele 3 und 5 unterliefen Anfressen auf der Laufbahnoberfläche des äußeren Rings beginnend von Anfangsvertiefungen.

Beispiele 7 bis 9 wurden jeweils aus Stahlmaterial hergestellt, das die Erfordernisse der vorliegenden Erfindung erfüllt und hatten eine Chromoxidschicht, die eine Dicke von 20 nm bis 200 nm aufwies, und einen Gehalt von zurückbehaltenem Austenit von 15 Vol.-% bis 25 Vol.-%. Dadurch wiesen diese Stahlmaterialien eine Bewertungszeit von 200 Stunden auf, während keine der 10 Proben einem Anfressen ausgesetzt war. Mit anderen Worten, diese Stahlmaterialien waren genügend gegen ein Eindringen von Hydrogen durch die Chromoxidschicht geschützt, und unzugänglich für ein Ausbreiten der Anfangsvertiefungen durch den hohen zurückbehaltenen Austenitgehalt und hatten daher eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen.

Vergleichsbeispiel 1 ist aus SUJ2-Stahl gebildet, welcher aus dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung herausfällt, und eine Chromoxidschicht aufweist, die eine Dicke von nur 1 nm aufweist, und der Gehalt von verbleibendem Austenit beträgt nur 8 Vol.-%. Dadurch erzielte das Stahlmaterial des Vergleichsbeispiels 1 eine Bewertungszeit, die nur 1/6 der berechneten Lebensdauer entspricht, und alle 10 Proben unterliefen Anfres sen.

Diese Beispiele wurden auf ihre Mikrostruktur in einem Abschnitt des inneren Rings un tersucht, der einem Anfressen ausgesetzt war. Als Ergebnis wurden sowohl Mikrorisse, wie auch ein Ausbleichen der Textur bestätigt.

Vergleichsbeispiel 2 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von 10 nm auf weist, enthält jedoch Kohlenstoff, der in das verwendete Stahlmaterial in großer Menge eingebracht wurde. Dadurch wurden große Carbide erzeugt auf der Oberfläche des Stahlmaterials, und die Chromoxidschicht war teilweise zerstört. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur bei einem Abschnitt des inneren Rings untersucht, der einem An fressen ausgesetzt war. Als ein Ergebnis konnten sowohl Mikrorisse als auch Ausblei chen der Textur bestätigt werden.

Vergleichsbeispiel 3 weist eine Chromoxid auf, die eine Dicke von 15 nm aufweist, ent hält jedoch Kohlenstoff, der in das verwendete Stahlmaterial eingebracht wurde, in ge ringen Mengen. Dadurch war die Härte der Laufbahnoberfläche ungenügend, und die resultierende plastische Verformung der Laufbahnoberfläche erzeugte eine Reduktion der Standzeit gegen Anfressen.

Vergleichsbeispiel 4 beinhaltet Silizium, das in das verwendete Stahlmaterial in geringer Menge eingebracht wurde. Dadurch wurde die resultierende Schneidfestigkeit während des Polierens reduziert, wodurch das Erzeugen von Wärme auf der polierten Oberfläche des Stahlmaterials unterbunden wurde. Als ein Ergebnis war die Dicke der Chromoxid schicht auf 4 nm reduziert, wodurch es im wesentlichen unmöglich für die Chromoxid schicht war, den Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen auszuüben.

Vergleichsbeispiel 5 beinhaltet Mangan, das in das verwendete Stahlmaterial in geringer Menge eingebracht wurde. Dadurch wurde die resultierende Schneidfestigkeit während des Polierens reduziert, wodurch das Erzeugen von Wärme auf der polierten Oberfläche des Stahlmaterials unterbunden wurde. Als ein Ergebnis war die Dicke der Chromoxid schicht auf 2 nm reduziert, wodurch es im wesentlichen unmöglich für die Chromoxid schicht war, den Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen auszuüben.

Vergleichsbeispiel 6 beinhaltet ein Stahlmaterial, das die Anforderungen der vorliegen den Erfindung erfüllt, jedoch eine Chromoxidschicht aufweist, die eine Dicke von 500 nm aufweist. Die resultierende Chromoxidschicht hatte eine grobe Textur, wodurch es im wesentlichen unmöglich für die Chromoxidschicht war, den Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen auszuüben.

Wie von den vorangegangenen Ergebnissen gesehen werden kann, kann ein Wälzlager für das Eindringen von Hydrogen durch eine Chromoxidschicht unzugänglich sein und weist dadurch eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten auf, dem fremde Materialien beigemischt sind, inso weit, als das verwendete Stahlmaterial der Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllt, und eine Chromoxidschicht, die eine Dicke von nicht weniger als 5 nm bis nicht mehr als 300 nm aufweist, auf der Laufbahnoberfläche vorgesehen ist. Es kann auch gesehen werden, daß das Vorherbestimmen des verbleibenden Austenits in einem Be reich von nicht weniger als 15 Vol.-% bis nicht mehr als 25 Vol.-% es möglich macht, das Ausbreiten von Anfangsvertiefungen zu unterbinden, und dadurch drastisch die Standzeit gegen Anfressen bei Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffi zienten, dem fremde Materialien beigemischt sind, zu verlängern.

Beispiele 11 bis 19 und Vergleichsbeispiele 11 bis 16

Ein Stahlmaterial mit Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Vanadium (V) in Anteilen (Gew.-%), die in der nachfolgenden Tabelle 3 ange geben sind, Phosphor (P) und Schwefel (S), jeweils in Anteilen von nicht mehr als 0,02 Gew.-%, Sauerstoff (O) mit einem Anteil von nicht mehr als 0,0010 Gew.-%, und die ausgleichende Menge von Eisen (Fe) wurden verwendet, um einen inneren Ring und einen äußeren Ring für ein Tiefbettlaufbahnkugellager zu verwenden (JIS Modell Num mer: 6206; Außendurchmesser: 62 mm; Innendurchmesser: 30 mm; Breite: 16 mm).

Der innere Ring und der äußere Ring wurden erzeugt durch Halten des Stahlmaterials, wie es ist bei einer Temperatur von 1100°C bis 1250°C in einer monooxidierenden At mosphäre, so daß es einer Behandlung als feste Lösung unterworfen war, wodurch feinkörnige Molybdän- und Vanadiumcarbide abgelagert und verteilt werden in der Mat rix, und dem anschließenden Schneiden des Materials, ausgenommen für das Ver gleichsbeispiel 15. Nachfolgend wurden der innere Ring und der äußere Ring einem Härten und Anlassen ausgesetzt, so daß die Oberflächenhärte (HRC) von ihnen und der zurückbehaltene Austenitgehalt (γR) eingestellt wurden auf Werte, die in Tabelle 3 nachfolgend angegeben sind. Vergleichsbeispiel 15 wurde dem Härten und Anlassen frei von der Behandlung als feste Lösung ausgesetzt.

Unter Verwendung einer Aluminiumoxid basierenden Schleifmühle oder CBN-Schleif mühle wurden diese inneren und äußeren Ringe an der Laufbahnoberfläche mit hoher Drehgeschwindigkeit poliert, so daß die Oberflächenrauhigkeit der Laufbahnoberfläche von 0,01 bis 0,04 µmRa betrug. Die derart polierten inneren und äußeren Ringe wurden jeweils auf ihre Eigenschaften der Chromoxidschicht (Cr₂O₃) gemessen, die auf der Laufbahnoberfläche ausgebildet wurden. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Ta belle 3 angegeben.

Das feinkörnige Molybdäncarbid und/oder Vanadiumcarbid, das in der Matrix verteilt wurde, wurde dann unter einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Die Kohlen stoffpartikel wurden einer Bildanalyse ausgesetzt, um den durchschnittlichen Partikel durchmesser und die Anzahl von Partikeln zu bestätigen. Der durchschnittliche Partikel durchmesser ist in der nachfolgenden Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3

Als Rollelement wurde eines verwendet, das durch den Vorgang des Formens einer Kugel, die einen Durchmesser von 3/8 Inch aufweist, aus einer zweiten Art von stark kohlenstoffhaltigem Chromlagerungsstahl (SUJ2) erfolgte, und dem anschließenden Aussetzen der Kugel dem Härten und Anlassen, so daß die Oberflächenhärte (HRC), die Menge des zurückbehaltenen Austenits (γR) und die Oberflächenrauhigkeit der Laufbahnoberfläche eingestellt wurden auf jeweils 63, 10 Vol.-% und von 0,003 bis 0,010 µmRa.

Wälzlager, die diese inneren und äußeren Ringe aufweisen, die auf diese Weise erhal ten werden (Beispiele 11 bis 19 und Vergleichsbeispiele 11 bis 16) und das vorange gangene Rollelement wurden dann auf der Testmaschine aus Fig. 1 montiert, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Dadurch wurden die Wälzlager für ihre Standzeit gegen Anfressen untersucht, beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Rei bungskoeffizienten, dem Wasser beigemischt wurde.

Als Schmiermittel wurde ein kommerziell erhältliches Schmieröl verwendet, das einen maximalen Reibungskoeffizienten (µ) von 0,09 bei 40°C und 0,07 bis 100°C und eine dynamische Viskosität von 30,8 cSt bei 40°C und 5,31 cSt bei 100°C aufwies, wie dies bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 4,1 m/s und einem prozentualen Schlupf von 5% unter Verwendung einer Zweizylinder-Testmaschine ermittelt wurde. Eine Mischung des vorangegangenen Schmiermittels mit Leitungswasser in einer Menge von 5 Vol.-% wur de dann in den Öltank 6 gegeben. Das Schmiermittel wurde dann durch das Rohr 61 zirkuliert, das mit dem Filter 63 versehen war. In dieser Anordnung wurde das Schmier mittel, das mit dem Wasser vermischt war, dem Wälzlager 1 in dem Spülelement 4, frei von Verschmutzung durch fremde Materialien, zugegeben.

Bezug nehmend auf die Testbedingungen betrug die Testlast Fr 580 kgf (P/C = 0,3 ge mäß JIS), die Testtemperatur betrug 100°C, die Drehzahl betrug 3900 U/min, und der innere Ring wurde gedreht.

Unter diesen Bedingungen wurde es dem Wälzlager 1 erlaubt, sich zu drehen, während es mit dem Schmiermittel von dem Öltank 6 versorgt wurde. Während des Rotations tests wurde die auf dem Lager erzeugte Vibration gemessen. Wenn die Vibration während der Drehung das Fünffache des Anfangswerts erreichte, wurde der Test unterbro chen, um zu sehen, ob ein Ausbrechen auftrat. 10 Sätze von Lagern wurden getestet für jedes der Beispiele und der Vergleichsbeispiele.

Wenn der Test unterbrochen wurde, wurde die bis dahin benötigte Rotationszeit für das Bewerten verwendet (Standzeit gegen Anfressen). Für diejenigen, die eine berechnete Standzeit von 160 Stunden aufwiesen, und somit für 200 Stunden getestet wurden, während derer die Vibrationen nicht das Fünffache des Anfangswerts erreichten, wurde eine Untersuchung durchgeführt, um zu sehen, ob ein Ausbrechen nach 200 Stunden von Rotation auftrat. Dadurch wurden 200 Stunden für das Bewerten verwendet. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 4

Wie von der obigen Tabelle gesehen werden kann, da jedes der Beispiele 11 bis 19 aus Stahlmaterial gebildet ist, das den Anforderungen der vorliegenden Erfindung entspricht, weist die Chromoxidschicht eine Dicke auf von nicht weniger als 5 nm bis nicht mehr als 300 nm und sind feinkörnige Magnesiumcarbide und/oder Vanadiumcarbide, die einen Partikeldurchmesser von nicht weniger als 50 nm bis nicht mehr als 300 nm aufweisen, in der Matrix verteilt, weisen sie drastisch verlängerte Standzeiten gegen Anfressen auf, verglichen mit den Vergleichsbeispielen 11 bis 16.

Insbesondere weist jedes der Beispiele 12 bis 15, 17 und 19 jeweils eine Chromoxid schicht auf, die eine Dicke von 20 nm bis 200 nm (gewünschter Bereich) aufweist, und weisen feinkörnige Magnesiumcarbide und/oder Vanadiumcarbide auf, die einen Parti keldurchmesser von 50 nm bis 250 nm (gewünschter Bereich) aufweisen. Dadurch un terlag keine der zehn Proben einem Anfressen, sogar nach 200 Stunden Testens. Mit anderen Worten, es wird angenommen, daß der gewünschte Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen, der durch die Chromoxidschicht und das feinkörnige Magnesiumcarbid und/oder Vanadiumcarbid in genügender Weise erhalten werden kann, es möglich macht, drastisch die Standzeit gegen Anfressen des Wälzlagers zu verlängern.

Im Gegensatz dazu wiesen die Beispiele 11, 16 und 18 eine Bewertungszeit (L10 Le bensdauer) auf, die länger ist als die der Vergleichsbeispiele 11 bis 16, jedoch kürzer ist als die berechnete Lebensdauer.

Beispiel 11 zeigt den Anfressen hauptsächlich auf dem inneren Ring. Drei von zehn Proben zeigten Anfressen, der vom Kern des Stahlmaterials aus begann. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur hin in Abschnitten des inneren Rings untersucht, der An fressen zeigte. Als ein Ergebnis konnten sowohl Mikrorisse als auch Ausbleichen der Textur bestätigt werden. Die Ergebnisse gingen wahrscheinlich zurück auf die Tatsache, daß Beispiel 11 eine Chromoxidschicht hat, die eine relativ geringe Dicke aufweist (die aus dem gewünschten Bereich herausfällt) und Carbide enthält, die einen relativ großen Partikeldurchmesser aufweisen (die außerhalb des gewünschten Bereichs liegen) und daher weniger unanfällig für das Eindringen von Hydrogen waren als die Beispiele 12 bis 15, 17 und 19.

Beispiel 16 zeigt das Anfressen hauptsächlich auf dem inneren Ring. Drei von zehn Beispielen zeigten Anfressen, das im Kern des Stahlmaterials begann. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur in Abschnitten des inneren Rings hin untersucht, der An fressen zeigte. Als ein Ergebnis konnte ein Ausbleichen der Textur über den gesamten belasteten Bereich festgestellt werden. Das Ergebnis geht wahrscheinlich zurück auf die Tatsache, daß Beispiel 16 eine Chromoxidschicht aufweist, die eine relativ große Dicke hat (die außerhalb des gewünschten Bereichs liegt), die nicht dicht ist und daher weni ger unanfällig für das Eindringen von Hydrogen als die Beispiele 12 bis 15, 17 und 19 ist.

Beispiel 18 zeigte ein Fressen in Anteilen von zwei von zehn Proben. Die Ergebnisse gehen wahrscheinlich zurück auf die Tatsache, da Beispiel 18 Vanadium aufweist, das in das verwendete Stahlmaterial in einer Menge von nur 0,3 Gew.-% eingebracht wurde, und frei von Molybdän ist, und Vanadium- und Molybdäncarbide in einer geringen Ge samtmenge darin abgelagert ist, wodurch es nicht genügend widerstandsfähig gegen Abrieb sein kann beim Betrieb mit Schmiermittel unter Bedingungen, daß das Schmiermittel mit Wasser verschmutzt ist, was leicht den Schmierfilm zerstören kann.

Vergleichsbeispiel 11 verwendet SUJ2-Stahl, welcher außerhalb des Bereichs der vor liegenden Erfindung liegt, weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von nur 1 nm aufweist und feinkörnige Vanadiumcarbide und Molybdäncarbide enthält, die große Par tikeldurchmesser aufweisen. Dadurch zeigte das Vergleichsbeispiel 11 eine Bewer tungszeit, die nur 1/6 der berechneten Lebensdauer entsprach. Alle zehn Proben zeig ten Anfressen. Diese Beispiele wurden dann auf ihre Mikrostruktur in dem Abschnitt des inneren Rings hin untersucht, der Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis konnten sowohl Mikrorisse, als auch ein Ausbleichen der Textur bestätigt werden.

Vergleichsbeispiel 12 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von 51 nm auf weist, enthält jedoch Kohlenstoff in dem verwendeten Stahlmaterial in einer geringen Menge und zeigte daher eine ungenügende Oberflächenhärte (HRC 55) auf der Lauf bahnoberfläche. Als ein Ergebnis zeigte die Laufbahnoberfläche plastische Deformation, wenn sie mit Scherbeanspruchung beaufschlagt wurde, wodurch ihre Standzeit gegen über Anfressen verkürzt wurde.

Vergleichsbeispiel 13 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von 25 nm hat, enthält jedoch Kohlenstoff in dem verwendeten Stahlmaterial in einer großen Menge. Dadurch wurden große Carbide erzeugt auf der Oberfläche des Stahlmaterials und die Chromoxidschicht war teilweise zerstört. Als Ergebnis wurde die Standzeit gegen An fressen verkürzt. Diese Beispiele wurden auf ihre Mikrostruktur des Abschnitts des inne ren Rings hin untersucht, der Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis konnten sowohl Mikro risse, als auch ein Ausbleichen der Textur bestätigt werden.

Vergleichsbeispiel 14 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von 105 nm hat, enthält jedoch Molybdän in dem verwendeten Stahlmaterial in einer Menge, die außer halb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, und Carbide, die einen Parti keldurchmesser von 500 nm aufweisen. Somit, wenn unter den Bedingungen betrieben, wie z. B. Verschmutzung durch Wasser, wird es schwierig, einen Schmierfilm auszubil den, wodurch beim Wälzlager des Vergleichsbeispiels 14 es den Molybdäncarbiden nur schwer möglich ist, den Effekt des Absorbierens von Hydrogen auszuüben, wodurch ih re Standzeit gegenüber Anfressen verkürzt wird.

Vergleichsbeispiel 15 verwendet ein Stahlmaterial, das frei von Molybdän und Vanadium ist, und erlaubt es nicht, daß solche Carbide abgelagert werden. Darüber hinaus weist Vergleichsbeispiel 15 eine Chromoxidschicht auf, die eine geringe Dicke hat. Dadurch zeigt die Chromoxidschicht einen ungenügenden Effekt des Verhinderns des Eindrin gens von Hydrogen. Darüber hinaus kann der gewünschte Effekt des Absorbierens von Hydrogen durch Molybdäncarbide oder Vanadiumcarbide nicht ermöglicht werden. Als ein Ergebnis wurde die Standzeit gegen Anfressen verkürzt.

Vergleichsbeispiel 16 erlaubt den Effekt des Absorbierens von Hydrogen durch Abla gern von Vanadiumcarbid, hat jedoch eine Chromoxidschicht, die eine geringe Dicke aufweist, und zeigt daher einen ungenügenden Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen durch die Chromoxidschicht. Als ein Ergebnis wurde die Standzeit gegen Anfressen verkürzt.

Wie von den vorangegangenen Ergebnissen gesehen werden kann, erlaubt ein Wälz lager einen genügend großen Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen durch eine Chromoxidschicht und des Absorbierens von Hydrogen durch feinkörnige Carbide und zeigt dadurch eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten, dem Wasser beigemischt ist, solange das verwendete Stahlmaterial die Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllt, ein feinkörniges Molybdäncarbid und/oder Vanadiumcarbid mit einem Partikeldurchmesser von 50 nm bis 300 nm in der Matrix verteilt ist und eine Chromoxidschicht mit einer Di cke von 5 nm bis 300 nm auf der Laufbahnoberfläche vorgesehen ist.

Beispiele 21 bis 29 und Vergleichsbeispiele 21 bis 26

Ein Stahlmaterial mit Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Vanadium (V) in Anteilen (Gew.-%), die in der nachfolgenden Tabel le 5 angegeben sind, Phosphor (P) und Schwefel (S), jeweils in Anteilen von nicht mehr als 0,02 Gew.-%, Sauerstoff (O) in einem Anteil von nicht mehr als 0,0010 Gew.-%, und der zugeordneten Menge von Eisen (Fe) wurde verwendet, um einen Innenring und ei nen äußeren Ring für ein Tiefbettkugellager zu erzeugen (JIS-Modell Nummer: 6206; Außendurchmesser: 62 mm; Innendurchmesser 30 mm; Breite: 16 mm). Der innere und der äußere Ring wurden erzeugt durch Halten des Stahlmaterials, wie es ist bei einer Temperatur von 1100°C bis 1250°C in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, so daß er einer Behandlung als feste Lösung ausgesetzt war, wobei feinkörnige Molybdän- und Vanadiumcarbide abgelagert und in der Matrix verteilt wurden, und dem anschließenden Schneiden des Materials, ausgenommen für das Vergleichsbeispiel 21.

Nachfolgend, ausgenommen das Vergleichsbeispiel 21, wurden diese inneren und äu ßeren Ringe Carbonitrieren ausgesetzt, d. h., einer Wärmebehandlung bei einer Tempe ratur von 880°C bis 960°C in einer Atmosphäre, die endothermisches Gas, angereicher tes Gas und Ammoniakgas enthält, für 5 bis 10 Stunden und das anschließend abge kühlt wurde. Nachfolgend wurden diese inneren und äußeren Ringe auf einer Tempera tur von 840°C bis 1050°C in einer Atmosphäre von endothermischem Gas für 0,5 bis 1 Stunde erwärmt und dann einem Ölhärten ausgesetzt. Vergleichsbeispiel 21 wurde lediglich dem Härten bei einer Temperatur von 840°C ausgesetzt und einem Anlassen bei einer Temperatur von 180°C ausgesetzt, frei von Behandlung als feste Lösung und Carbonitrieren.

Als ein Ergebnis dieser Wärmebehandlungen wurden die Oberflächenhärte (HRC), die Oberflächenkohlenstoffkonzentration (Oberfläche C) und der zurückbleibende Austenit gehalt (γR), die in Tabelle 5 angegeben sind, erhalten. Unter Verwendung einer Alumi niumoxid basierenden Schleifmühle oder CBN-Schleifmühle wurden der innere Ring und der äußere Ring poliert an der Laufbahnoberfläche, die darauf ausgebildet wurde, mit hoher Drehzahl, so daß die Oberflächenrauhigkeit der Laufbahnoberfläche von 0,01 bis 0,04 µmRa betrug. Die inneren Ringe und äußeren Ringe, die derart poliert wurden, wurden dann auch hinsichtlich der Eigenschaften der Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die auf der Laufbahnoberfläche ausgebildet war, gemessen. Die Messungen sind in Tabelle 5 nachfolgend angegeben.

Die feinkörnigen Molybdäncarbide und/oder Vanadiumcarbide, die in der Matrix verteilt waren, wurden dann unter einem Elektronenmikroskop betrachtet. Die Carbidpartikel wurden einer Bildanalyse ausgesetzt, um den durchschnittlichen Partikeldurchmesser und die Anzahl der Partikel zu bestätigen. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser ist in Tabelle 5 nachfolgend angegeben.

Tabelle 5

Als ein Wälzlager wurde eines verwendet, das durch den Vorgang des Ausbildens einer Kugel erzeugt wurde, die einen Durchmesser von 3/8 Inch hat, aus der zweiten Art von hochkohlenstoffhaltigem Chromlagerungsstahl (SUJ2), und dem anschließenden Aus setzen der Kugel dem Härten und Anlassen, so daß die Oberflächenhärte (HRC), die Menge des verbleibenden Austenits (γR) und die Oberflächenrauhigkeit der Laufbahn oberfläche eingestellt wurde auf jeweils 62, 10 Vol.-% und von 0,003 bis 0,010 µmRa.

Wälzlager, die aus den derart erhaltenen Ringen und äußeren Ringen zusammenge setzt waren (Beispiel 21 bis 29 und Vergleichsbeispiele 21 bis 26), und das vorange gangene Wälzlager, wurden jeweils auf der Testmaschine montiert, die in Fig. 1 darge stellt ist. Unter diesen Bedingungen wurden diese Wälzlager hinsichtlich der Standzeit gegen Anfressen beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten un tersucht, indem fremde Stoffe und Wasser beigemischt war.

Als Schmiermittel wurde ein kommerziell erhältliches Schmieröl verwendet, das einen maximalen Reibungskoeffizienten (µ) von 0,09 bei 40°C und 0,07 bei 100°C und eine dynamische Viskosität von 30,8 cSt bei 40°C und 5,31 cSt bei 100°C aufwies, wie dies bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 4,1 m/s und einem prozentualen Schlupf von 5% unter Verwendung einer Zweizylinder-Testmaschine bestimmt wurde. Bezug nehmend auf die Testbedingungen betrug die Testlast Fr 580 kgf (P/C = 0,3 gemäß JIS), betrug die Testtemperatur 80°C, die Drehzahl 3900 U/m und der innere Ring wurde gedreht.

Detailliert wurden rostfreie Stahlspäne, die eine Härte von Hv von 500 und eine Größe von 74 bis 147 µm aufwiesen, 1000 ccm Schmieröl im Öltank 6 zugefügt. Die Mischung wurde dann gerührt. Das Wälzlager 1 im Spülelement 4 wurde dann für 3 Minuten be trieben, während es mit dem Schmiermittel ohne den Filter 63 versorgt wurde. Mit ande ren Worten wurde es dem Wälzlager 1 erlaubt, sich unter Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten zu drehen, dem Fremdstoffe beigemischt waren, so daß An fangsvertiefungen erzeugt wurden auf die Laufbahnoberfläche und/oder der Rolloberflä che.

Nachfolgend wurde das Wälzlager 1 von der Testmaschine entfernt und dann gereinigt. Der innere Ring und das Rollelement wurden dann ersetzt durch neue, die frei von Vertiefungen waren. Der äußere Ring, der auf diese Weise mit anfänglichen Vertiefungen versehen wurde, wurde weiterhin verwendet. Das Wälzlager 1 wurde dann auf der Testmaschine montiert. Filter 63 wurde auf dem Rohr 61 montiert. Unter diesen Bedin gungen wurde es dem Wälzlager 1 ermöglicht, in dem Spülelement 4 sich zu drehen, während es mit Schmiermittel aus dem Öltank versorgt wurde, indem Leitungswasser mit einer Rate von 5 ccm pro Stunde eingetropft wurde. In dieser Anordnung wurde das Wälzlager 1 in dem Spülelement 4 mit einem Schmiermittel versorgt, das frei von Fremdstoffen war, jedoch mit Wasser verschmutzt war.

Während des Rotationstests wurde die Vibration, die in dem Lager erzeugt wurde, ge messen. Wenn die Vibration während des Drehens das Fünffache des Anfangswerts er reichte, wurde der Test unterbrochen, um zu sehen, ob Ausbrechen auftrat. Zehn Sätze von Lagern wurden getestet für jedes der Beispiele und der Vergleichsbeispiele.

Wenn der Test unterbrochen wurde, wurde die Rotationszeit, die benötigt war, bis dahin verwendet, für das Bewerten (Standzeit gegen Anfressen). Für diejenigen, die eine be rechnete Lebensdauer von 160 Stunden aufwiesen und daher für 200 Stunden getestet wurden, während dessen die Vibrationen nicht das Fünffache des Anfangswerts erreich ten, wurde die Überprüfung durchgeführt, ob ein Ausbrechen nach 200 Stunden Dre hens auftrat. Somit wurden 200 Stunden für das Bewerten verwendet. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 6 angegeben.

Tabelle 6

Wie von der nachfolgenden Tabelle gesehen werden kann, da die Beispiele 21 bis 29 jeweils aus einem Stahlmaterial ausgebildet sind, das den Anforderungen der vorliegen den Erfindung entspricht, und eine Chromoxidschicht hat, die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, und feinkörnige Molybdäncarbide und/oder Vanadiumcarbide, die ei nen Partikeldurchmesser von 50 nm bis 300 nm aufweisen, in der Matrix verteilt sind, weisen sie eine verlängerte Standzeit gegen Anfressen aus, verglichen mit den Ver gleichsbeispielen 21 bis 26.

Insbesondere bei den Beispielen 22, 24, 25, 27 und 29 zeigte keine der zehn Proben Anfressen, sogar nach 200 Stunden Testens. Dies wird dem Umstand zugeschrieben, daß die Chromoxidschicht eine Dicke von 8 nm bis 255 nm aufweist und dadurch dicht ist und kaum zerstört werden kann, und der Partikeldurchmesser der feinkörnigen Mo lybdäncarbide und/oder Vanadiumcarbide im Bereich von 60 nm bis 435 nm liegt. Mit anderen Worten, da sogar wenn die Chromoxidschicht zerstört wird, ein genügender Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen durch die feinkörnigen Mo lybdäncarbide und/oder Vanadiumcarbide vorhanden ist, wodurch die Standzeit gegen Anfressen beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffizienten, dem Was ser beigemischt ist, drastisch verlängert werden kann.

Im Gegensatz dazu zeigten die Beispiele 21, 23, 26 und 28 eine Bewertungszeit (L10 Lebensdauer), die nicht kürzer war als die berechnete Lebensdauer, jedoch unterhalb von 200 Stunden lag.

Beispiel 21 zeigte kein Anfressen, das von den Vertiefungen ausging, die auf der Lauf bahnoberfläche des äußeren Rings während des Betriebs mit Schmiermittel, dem Fremdstoffe beigemischt waren, erzeugt wurden. Statt dessen trat das Anfressen haupt sächlich auf dem inneren Ring auf. Drei von zehn Proben zeigten Anfressen, beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur in Abschnitt des inneren Rings untersucht, das Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis wurden sowohl Mikrorisse, als auch Ausbleichen der Textur bestätigt. Diese Ergebnisse sind wahr scheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß die derart ausgebildete Chromoxid schicht eine Dicke von relativ geringen 5 nm aufweist und dann einen geringeren Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen erzeugt, verglichen mit den Beispielen 22, 24, 25, 27 und 29.

Beispiel 23 zeigte Anfressen hauptsächlich auf dem inneren Ring. Zwei von zehn Pro ben zeigten Anfressen, beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur in dem Bereich des inneren Rings untersucht, der Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis wurde das Ausbleichen der Textur über den gesamten belaste ten Bereich beobachtet. Die Ergebnisse sind wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzu führen, da Beispiel 23 eine Chromoxidschicht aufweist, deren Dicke relativ große 300 nm beträgt, die nicht dicht ist, und daher an teilweiser Zerstörung der Chromoxid schicht leidet, es für Eindringen von Hydrogen weniger unzugänglich wird als die Bei spiele 22, 24, 25, 27 und 29.

Beispiel 26 zeigte Anfressen hauptsächlich auf dem inneren Ring. Zwei von zehn Pro ben zeigten Anfressen, beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Diese Proben wurden auf ihrer Mikrostruktur in dem Bereich des inneren Rings untersucht, der Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis konnten sowohl Mikrorisse, als auch ein Ausbleichen der Textur bestätigt werden. Die Ergebnisse sind wahrscheinlich zurückzuführen auf die Tatsache, daß, da das Beispiel 26 eine Chromoxidschicht aufweist, deren Dicke relativ geringe 90 nm beträgt und feinkörnige Vanadiumcarbide und Molybdäncarbide enthält, die einen Partikeldurchmesser von relativ geringen 50 nm aufweisen, es weniger unzugänglich für das Eindringen von Hydrogen ist, als die Beispiele 22, 24, 25, 27 und 29.

Beispiel 28 zeigte Anfressen hauptsächlich auf dem inneren Ring. Drei von zehn Proben zeigten Anfressen beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur hin untersucht in dem Bereich des inneren Rings, der Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis konnten sowohl Mikrorisse als auch Ausbleichen der Textur be stätigt werden. Die Ergebnisse sind wahrscheinlich zurückzuführen auf die Tatsache, da das Beispiel 28 eine Chromoxidschicht aufweist, die eine relativ geringe Dichte von 8 nm hat und feinkörnige Vanadiumcarbide und Molybdäncarbide, die einen Partikel durchmesser von relativ großen 500 nm aufweisen, enthält, es weniger unzugänglich für das Eindringen von Hydrogen ist als die Beispiele 22, 24, 25, 27 und 29.

Vergleichsbeispiel 21 verwendet SUJ2-Stahl, der vom Rahmen der Erfindung abweicht, der eine Chromoxidschicht aufweist, die eine Dicke von nur 1 nm hat und feinkörnige Vanadiumcarbide und Molybdäncarbide aufweist, die einen großen Partikeldurchmesser aufweisen. Dadurch zeigte das Stahlmaterial des Vergleichsbeispiels 21 eine Bewer tungszeit von nur 1/12 der berechneten Lebensdauer, und alle zehn Proben zeigten Anfressen. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur im Bereich des Innenrings un tersucht, der Anfressen zeigte. Als ein Ergebnis wurden sowohl Mikrorisse, als auch das Ausbleichen der Textur bestätigt. Diese Proben zeigten Anfressen, beginnend vom Kern aus des Stahlmaterials, sowie von den Vertiefungen ihrer Oberfläche aus.

Vergleichsbeispiel 22 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von 51 nm auf weist, weist jedoch Kohlenstoff im verwendetem Stahlmaterial in geringen Mengen auf und eine Oberflächenkohlenstoffkonzentration von nur 0,6% auf. Dadurch war die Ober flächenhärte der Laufbahnoberfläche ungenügend (HRC 55). Die Laufbahnoberfläche zeigte plastische Deformation, wenn sie mit Scherbelastung beaufschlagt wurde. Als ein Ergebnis zeigten alle zehn Proben Anfressen auf dem inneren Ring beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Dadurch wurde die Standzeit gegen Anfressen verkürzt.

Vergleichsbeispiel 23 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von 25 nm auf weist, jedoch Kohlenstoff in verwendetem Stahlmaterial in großer Menge enthält, und ei ne Oberflächenkohlenstoffkonzentration von 1,55% aufweist. Dadurch wurden auf der Oberfläche des Stahlmaterials große Carbide erzeugt, die eine Größe von mehr als 10 µm aufweisen, und die Chromoxidschicht war teilweise zerstört. Als ein Ergebnis zeigten alle zehn Proben Anfressen auf dem inneren Ring beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Dadurch war die Standzeit gegen Anfressen verkürzt. Diese Proben wurden auf ihre Mikrostruktur in dem Bereich des inneren Rings untersucht, der Anfres sen zeigte. Als ein Ergebnis wurden sowohl Mikrorisse als auch Ausbleichen der Textur bestätigt.

Vergleichsbeispiel 24 weist eine Chromoxidschicht auf, die eine Dicke von nur 2 nm aufweist, die nicht dicht ist. Dadurch erlaubt das Vergleichsbeispiel 24 einen verringer ten Effekt des Verhinderns des Eindringens von Hydrogen durch die Chromoxidschicht. Zusätzlich ist der Partikeldurchmesser der feinkörnigen Vanadiumcarbide und Molyb däncarbide, die in der Matrix verteilt sind, 500 nm, wodurch der Effekt des Absorbierens von Hydrogen durch Vanadiumcarbide und Molybdäncarbide nach dem Zerstören der Chromoxidschicht verringert wird. Als ein Ergebnis zeigten alle zehn Proben Anfressen auf dem inneren Ring, beginnend vom Kern des Stahlmaterials. Dadurch war die Stand zeit gegen Anfressen verkürzt.

Vergleichsbeispiel 25 beinhaltet Chrom, das in das verwendete Stahlmaterial in einer Menge von 18% eingebracht wurde. Auf diese Weise wurden große Chromcarbide auf der Oberfläche des Stahlmaterials erzeugt, die eine Größe von mehr als 10 µm aufwei sen. Als ein Ergebnis war die Chromoxidschicht unmittelbar zerstört, aufgrund ihrer schlechten Gleichmäßigkeit, obwohl sie eine genügende Dicke von 100 nm aufwies.

Vergleichsbeispiel 26 hatte keine feinkörnigen Molybdäncarbide und Vanadiumcarbide, die in der Matrix verteilt waren. Darüber hinaus betrug die Dicke der Chromoxidschicht genügende 100 nm, jedoch betrug der verbleibende Austenitgehalt nur 10%. Als ein Ergebnis zeigten alle zehn Proben Anfressen auf dem inneren Ring, beginnend von den Vertiefungen auf seiner Oberfläche. Dadurch war die Standzeit gegen Anfressen ver kürzt.

Wie von der vorangegangenen Beschreibung gesehen werden kann, zeigten ein inne rer Ring und ein äußerer Ring einen genügend großen Effekt des Verhinderns des Ein dringens von Hydrogen durch die Chromoxidschicht und Absorbieren des Hydrogens durch die feinkörnigen Carbide nach dem Zerstören der Chromoxidschicht, wodurch es möglich ist, die Standzeit gegen Anfressen beim Betrieb mit Schmiermitteln vom hohen Reibungskoeffizienten, dem Fremdstoffe beigemischt sind, und dem Wasser beige mischt wurde, zu erhöhen insoweit, als das verwendete Stahlmaterial innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegt, feinkörnige Molybdäncarbide und/oder Vanadiumcarbide aufweist, mit einem Partikeldurchmesser von nicht weniger als 50 nm, bis nicht mehr als 300 nm, die in der Matrix verteilt sind, eine Chromoxidschicht, die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, auf der Laufbahnoberfläche vorgesehen ist, der Gehalt des verbleibenden Austenits in der Oberflächen des verwendeten Stahlmaterials von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-% beträgt, und die Oberflächenkohlenstoffkonzentration von 0,7 bis 1,2 Gew.-% beträgt. Insbesondere, wenn der Gehalt des Chroms in dem ver wendeten Stahlmaterial in einem Bereich von 10 Gew.-% bis 14 Gew.-% liegt, kann er wartet werden, daß der innere Ring und der äußere Ring eine drastisch verlängerte Standzeit gegen Anfressen beim Betrieb mit Schmiermittel von hohem Reibungskoeffi zienten aufweist, dem Fremdmaterialien und Wasser beigemischt wurde.

Es wurde weiterhin bestätigt, daß sogar, wenn das Carbonisieren durchgeführt wird an stelle von Carbonitrieren, wie für die Beispiele 21 bis 29, die gleichen Ergebnisse wie oben genannt erhalten werden. Dieses Carbonieren wurde durchgeführt durch Erwär men des Materials auf eine Temperatur von 880°C bis 960°C in einer Atmosphäre, die ein endothermisches Gas und ein angereichertes Gas enthält, für 10 bis 15 Stunden. Das nachfolgende Härten und Anlassen wurde unter den gleichen Bedingungen durch geführt, wie nach dem vorgenannten Carbonitrieren.

Darüber hinaus, wenn der Gehalt an Chrom im verwendeten Stahlmaterial zu hoch ist, wird auf seiner Oberfläche Chromcarbid erzeugt, was zu der Tendenz führt, daß das Eindringen und das Verteilen von Kohlenstoff in seiner Oberfläche unterdrückt werden kann während dem Carbonieren und Carbonitrieren, was es schwierig macht, ein genü gendes Carbonieren durchzuführen. In diesem Fall kann das Stahlmaterial dann einem Vakuumcarbonieren, Plasmacarbonieren, Acetylencarbonieren etc. unterworfen werden, um bessere Carbonierungseigenschaften zu erzielen.

Bei den vorangegangenen verschiedenen Beispielen wurde ein Tiefbettkugellager für das Testen verwendet. Jedoch können die gleichen Effekte auch für zylindrische Rollen lager, Kegelrollenlager und Tonnenrollenlager erwartet werden, die an höheren Schlupf leiden, der die Schmierbedingungen zerstören kann.

Claims

1. Wälzlager mit einem inneren Ring, einem äußeren Ring und Rollelementen, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und den Rollelementen erhalten wird durch Formen aus einem Stahlmaterial, das Kohlenstoff (C) von 0,55 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% und Chrom (Cr) von 2,0 Gew.-% bis 9,0 Gew.-% enthält, und dann Aussetzen des derart ausgebildeten Materials einem Härten, Anlassen und Polieren; wobei eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, auf zumindest einer von einer Laufbahnoberfläche des inneren Rings, einer Lauf bahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche der Rollelemente vorge sehen ist.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, bei dem die Menge an verbleibendem Austenit zumin dest in einer von der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, der Laufbahn oberfläche des äußeren Rings und der Rolloberfläche der Rollelemente in einem Be reich von 15 Vol.-% bis 25 Vol.-% liegt.

3. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial zumindest eines von Molybdän (Mo) von 1,1 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% und Vanadium (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% aufweist, und wobei zumindest entweder ein feinkörniges Molybdäncarbid oder ein feinkörniges Va nadiumcarbid oder beide Materialien, mit jeweils einem Partikeldurchmesser von 50 nm bis 300 nm, in einer Matrix verteilt sind.

4. Wälzlager mit einem inneren Ring, einem äußeren Ring und Rollelementen, wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und dem Rollelementen erhalten wird durch Formen aus einem Stahlmaterial mit einem Kohlenstoffgehalt (C) von 0,10 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% und Chrom (Cr) von 5,0 Gew.-% bis 14,0 Gew.-%, und dem Aussetzen des derart ausgebildeten Materials einem Carbonieren oder Car bonitrieren, Härten, Anlassen und Polieren; wobei zumindest einer von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und den Rollele menten nach dem Carbonieren oder Carbonitrieren eine Oberflächenkohlenstoffkon zentration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% aufweist; eine Menge von verbleibendem Austenit in einer von der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, einer Laufbahnober fläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche der Rollelemente in einem Bereich von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-% liegt; und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, ist zumindest auf einer von der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, der Laufbahnoberfläche des äußeren Rings und der Rolloberflä che der Rollelemente vorgesehen.

5. Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial zu mindest eines von Molybdän (Mo) von 0,5 Gew.-% bis 4,0 Gew.-% und Vanadium (V) von 0,3 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% aufweist, und dem anschließenden Aussetzen zumindest einem von dem inneren Ring, dem äußeren Ring und der Rollelemente einem Carbonieren oder Carbonitrieren, Härten, Anlassen und Polieren; wobei zumindest entweder ein feinkörniges Molybdäncarbid, oder ein feinkörniges Vanadiumcarbid oder beide Materialien, die jeweils einen Partikeldurchmesser in ei nem Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweisen, in einer Matrix verteilt sind; das Mate rial nach dem Carbonieren oder Carbonitrieren eine Oberflächenkohlenstoffkonzent ration von 0,7 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% aufweist; eine Menge von zurückbehaltenem Austenit in einer von der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, einer Laufbahnober fläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche der Rollelemente in einem Bereich von 25 Vol.-% bis 50 Vol.-% liegt; und eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), die eine Dicke von 5 nm bis 300 nm aufweist, auf einer von der Laufbahnoberfläche des inneren Rings, der Laufbahnoberfläche des äußeren Rings und einer Rolloberfläche der Roll elemente vorgesehen ist.

6. Wälzlager nach Anspruch 3, bei dem das feinkörnige Molybdäncarbid und/oder Vana diumcarbid in der Matrix in einem Anteil von nicht weniger als 10 Partikeln pro 10 µm² auf der Laufbahnoberfläche und/oder Rolloberfläche vorgesehen ist.

7. Wälzlager nach Anspruch 5, wobei das feinkörnige Molybdäncarbid und/oder Vanadi umcarbid in der Matrix in einem Anteil von nicht weniger als 10 Partikeln pro 10 µm² auf der Laufbahnoberfläche und/oder Rolloberfläche vorgesehen ist.