DE19955565A1 - Wälzkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Wälzkörper und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Mindestens ein Wälzkörper eines Wälzlagers oder einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung wird hergestellt aus einer Stahllegierung, die 0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.-% oder weniger Ni und als Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen enthält und einer Carbonitrierung bei einer Temperatur von 920 DEG C oder höher unterworfen, so daß eine Kohlenstoffdichte in der Oberfläche des fertigen Produkts in dem Bereich von 0,7 bis 1,3 Gew.-% und eine Stickstoffdichte in dem Bereich von 0,15 bis 0,3 Gew.-% erzielt werden, wodurch Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen mit einem Korndurchmesser von 0,1 mum oder weniger in der fertigen Oberfläche in einer Menge von mindestens 400 Teilchen/100 mum·2· oder mehr ausgeschieden werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wälzkörper eines Wälzlagers oder eines
Kugelumlaufspindellagers für die Verwendung in Eisen- und Stahlapparaturen,
in landwirtschaftlichen Maschinen, Fahrzeugen, Baumaschinen und anderen
industriellen Maschinen und sie bezieht sich insbesondere auf einen Wälzkör
per mit einer ausgezeichneten Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit, der für An
wendungszwecke geeignet ist, bei denen insbesondere eine hohe Abriebs-
bzw. Verschleißfestigkeit erforderlich ist. Die Erfindung bezieht sich außerdem
auf ein Verfahren zur Herstellung des Wälzkörpers.
Ein Wälzlager ist bei seiner praktischen Verwendung strengen Bedingungen
ausgesetzt, z. B. wiederholten Scherbeanspruchungen unter einem hohen La
gerdruck, und es ist daher erforderlich, daß das Wälzlager eine hohe Wälz-
Dauerfestigkeit aufweist (nachstehend kurz als "Lebensdauer" bezeichnet), so
daß es gegen Scherbeanspruchung beständig ist. Zu diesem Zweck wird in
dem verwandten Stand der Technik ein hochlegierter Chromstahl (SUJ2) für
Lager-Laufringe (innere und äußere Laufringe), bei denen es sich um die
Wälzkörper des Wälzlagers handelt, oder für Rohlinge zur Herstellung von
Wälzkörpern verwendet und dieser wird einer Härtung und Vergütung unter
worfen zur Erzielung einer Rockwell-Härte von HRC 58 bis 64, um die ge
wünschte Lebensdauer zu erreichen.
Ein Beispiel für die Verbesserung der Lebensdauer ist die Verwendung eines
Einsatz-Stahls als Ersatz für SUJ2. In diesem Fall ist es erforderlich, eine
Härtekurve festzulegen, die der Verteilung der durch den Kontaktdruck verur
sachten inneren Scherbeanspruchung folgt. Daher werden die niedriglegierten
(kohlenstoffarmen) Einsatzstähle SCR420H, SCM420H, SAE8620H oder
SAE4320, die gute Härtungs-Eigenschaften aufweisen, verwendet und einer
Carburierungs- oder Carbonitrierungs-Behandlung, einer Härtung und Vergü
tung unterworfen, so daß die Oberflächenhärte des Lagerelements eine Härte
von HRC30 bis 48 aufweist, um die erforderliche Lebensdauer (Dauerfestig
keit) zu gewährleisten.
Die Entwicklung von hochbelasteten Maschinen mit hoher Laufgeschwindig
keit, in denen Wälzlager verwendet werden, schreitet jedoch fort und die An
wendungs-Bedingungen für die Wälzlager sind wesentlich härter geworden.
Gleichzeitig treten dabei die folgenden Probleme auf.
Die Probleme bestehen darin, daß durch die hohe Belastung und die hohe
Laufgeschwindigkeit die Temperatur ansteigt und die Härte des Wälzkörpers
des Lagers dadurch beeinträchtigt wird, was zu einer Beeinträchtigung der
Dauerfestigkeit (Lebensdauer) des Wälzlagers und seiner Verschleißfestigkeit
führt. Insbesondere nimmt die Verschleißfestigkeit deutlich ab und die Dauer
festigkeit (Lebensdauer) wird verkürzt durch Anstieg des Schlupfes
(Rutschens) aufgrund der hohen Geschwindigkeit und durch Verschlechterung
der Schmierfähigkeit als Folge einer niedrigeren Viskosität des Schmiermittels,
die durch die Steigerung der Temperatur verursacht wird.
Andererseits treten bei einem Lager, das bei einer sehr niedrigen Geschwin
digkeit verwendet wird, z. B. in einer kontinuierlichen Gießvorrichtung, Abriebs-
bzw. Verschleißprobleme auf, weil in unzureichender Weise Ölfilme gebildet
werden.
Als Gegenmaßnahme ist in JP-A-8-049057 angegeben, daß ein Stahl, der 0,8
bis 2,0 Gew.-% V enthält, einer Carburierung oder Carbonitrierung unterworfen
wird, um den Bedingungen zu genügen, wonach die Kohlenstoffdichte in der
Oberfläche des Wälzkörpers des Wälzlagers 0,8 bis 1,5 Gew.-% und das V/C-
Dichteverhältnis in der Oberfläche 1 bis 2,5 betragen muß, wodurch VC-
Carbide in der Oberfläche des Produkts ausgeschieden werden. Es werden
darin jedoch keine Überlegungen bezüglich der Stickstoff-Dichte angestellt,
welche die Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit beeinflußt.
In JP-A-8-311603 ist angegeben, daß die Verschleißfestigkeit stark verbessert
wird, wenn die Stickstoffdichte in der fertigen Oberfläche des Wälzkörpers 0,3
Gew.-% oder mehr beträgt, es bleibt jedoch das Problem ungelöst, daß die
Wärmebehandlung von großtechnischen Produkten die nach den Wärmebe
handlungen große Schleifbereiche erfordern, sehr lange dauert, da der Diffu
sions-Koeffizient des Stickstoffs niedrig ist, und daß das Schleifen mehr Zeit
als üblich erfordert.
Die Verschleißprobleme, die bei den strengen Anwendungs-Bedingungen auf
treten, können auftreten bei Kugelumlaufspindelwellen, Kugelmuttern oder Ku
geln als Wälzkörper einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung. Insbesondere eine
Kugelumlaufspindel-Vorrichtung wird neuerdings unter Hochlast-Bedingungen
anstelle von hydraulischen Zylindern in einer Spritzgieß-Vorrichtung oder in
Preß-Vorrichtungen verwendet und in diesen Fällen wird die Kugelumlaufspin
del-Vorrichtung einmal gestoppt, wenn eine maximale Belastung darauf ein
wirken gelassen wird und umgedreht. Aber vor und nach dem Abstoppen ist es
schwierig, ein Schmiermittel zwischen eine Umlaufspindelrille und eine Kugel
einzuführen und es wird kaum ein Ölfilm gebildet, so daß ein Metall-Metall-
Kontakt auftritt, der leicht zu einem hohen Verschleiß führt.
Ziel der Erfindung ist es daher, die ungelösten Probleme des Standes der
Technik in bezug auf die Wälzkörper, welche die Wälzlager oder Kugelum
laufspindel-Apparaturen aufbauen, zu lösen, indem man darauf achtet, daß
dann, wenn 0,6 Gew.-% oder mehr V zugegeben werden und eine Carbonitrie
rung bei 920°C oder höher durchgeführt wird, feine Carbide oder Carbonitride
mit einer Teilchengröße von 0,1 µm oder weniger in der Produkt-Oberfläche
ausgeschieden werden, und Ziel der Erfindung ist es daher, einen Wälzkörper
zur Verfügung zu stellen, der eine ausgezeichnete Abriebs- bzw. Verschleiß
festigkeit aufweist, indem man die Ausscheidungsmenge pro Einheitsfläche
der feinen Carbide und Carbonitride festlegt.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens ein
Wälzkörper eines Wälzlagers und/oder einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung
hergestellt wird aus einem Legierungsstahl, der 0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis
1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0
Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.-% oder weniger Ni und als
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, und bei einer Tempera
tur von 920°C oder höher einer Carbonitrierung unterworfen wird, so daß die
Kohlenstoffdichte in der Oberfläche des fertigen Produkts auf 0,7 bis 1,3 Gew.-
% eingestellt wird und die Stickstoffdichte desselben auf 0,15 bis 0,3 Gew.-%
eingestellt wird, wodurch Carbid, Nitrid und Carbonitrid mit einem Korndurch
messer von 0,1 µm oder weniger in einer Menge von mindestens 400 Teil
chen/l 00 µm2 oder mehr in der fertigen Oberfläche ausgeschieden werden.
Die Fig. 1A und 1B zeigen schematische Ansichten der Verschleißtest-
Vorrichtung vom 2-Zylinder-Typ, wobei die Fig. 1A eine Frontansicht derselben
und die Fig. 1B eine Seitensichtsicht derselben darstellen.
Die Fig. 2 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zeigt zwischen der V-
Dichte (in Gew.-%) und der Tiefe, in der die N-Dichte 0,25 Gew.-% beträgt
(Abstand von der Oberfläche in mm), die durch die Wärmebehandlungen er
halten werden.
Die Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, das die Verteilungen des Korndurchmes
sers des Carbids, Nitrids und Carbonitrids in der Oberfläche der fertigen Pro
dukte des Wälzlagers gemäß der Erfindung zeigt.
Die Fig. 4 stellt ein Diagramm dar, das die Verteilungen des Korndurchmes
sers des Carbids, des Nitrids und des Carbonitrids in der Oberfläche der ferti
gen Produkte des Wälzlagers des Vergleichsbeispiels zeigt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben wiederholt Untersuchungen über die
Beziehung zwischen der Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit der Wälzkörper,
die das Wälzlager und die Kugelumlaufspindel-Vorrichtung aufbauen, und der
Stickstoffdichte der Produkt-Oberfläche und der weiteren chemischen Zusam
mensetzung der Materialien durchgeführt und dabei gefunden, daß dann,
wenn ein Stahlmaterial, das mit 0,6 Gew.-% oder mehr V versetzt worden ist,
bei hohen Temperaturen von 920°C oder höher carbonitriert wird, der Stick
stoff-Diffusionskoeffizient hoch wird und gleichzeitig sehr feine Carbide, Nitride
und Carbonitride mit einer Teilchengröße von 0,1 µm oder weniger ausge
schieden werden.
Dieses Phänomen kann wie folgt erklärt werden: das Carbid, Nitrid und Car
bonitrid von V haben alle eine Struktur vom NaCl-Typ. Wenn eine Carbonitrie
rungs-Behandlung bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, so daß ein
Carbid, Nitrid und Carbonitrid von V gebildet wird, das keine anderen Legie
rungs-Elemente als V (z. B. Cr oder Fe) enthält, nähert sich der Diffusionskoef
fizient von Stickstoff dem Diffusionskoeffizienten von Kohlenstoff und das
Carbid, Nitrid und Carbonitrid von V weisen eine sehr niedrige Wachstums-
Geschwindigkeit auf.
Die Erfinder haben ferner gefunden, daß dann, wenn dieses feine Carbid, Ni
trid und Carbonitrid in großer Menge ausgeschieden werden, eine ausge
zeichnete Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit erhalten werden kann, ohne daß
die Stickstoffdichte mehr als in dem erforderlichen Umfang erhöht wird, und
daß insbesondere ein Carbid, Nitrid und Carbonitrid mit einem Korndurchmes
ser von 0,1 µm oder weniger hervorragend geeignet sind zur Verbesserung
der Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit des Wälzkörpers, und darauf beruht die
vorliegende Erfindung.
Insbesondere wird bei einem Wälzlager beispielsweise mindestens ein innerer
Laufring, ein äußerer Laufring und/oder ein Wälzkörper, welche die Wälzlager-
Elemente darstellen, oder
bei einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung beispielsweise mindestens eine Ku gelumlaufspindelwelle, eine Kugelmutter und/oder eine Kugel, welche die Wälzlager-Elemente derselben darstellen,
hergestellt aus einem Legierungsstahl, der 0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.-% oder weniger Ni und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält,
wobei der Legierungsstahl einer Carbonitrierung bei 920°C oder höher unter worfen wird, so daß die Kohlenstoffdichte in der Oberfläche des fertigen Pro dukts auf 0,7 bis 1,3 Gew.-% und die Stickstoffdichte derselben auf 0,15 bis 0,3 Gew.-% eingestellt werden, wodurch ein Carbid, Nitrid und Carbonitrid mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger in einer Menge von minde stens 400 Teilchen/100 µm2 oder mehr in der Oberfläche des fertigen Produkts ausgeschieden werden.
bei einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung beispielsweise mindestens eine Ku gelumlaufspindelwelle, eine Kugelmutter und/oder eine Kugel, welche die Wälzlager-Elemente derselben darstellen,
hergestellt aus einem Legierungsstahl, der 0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.-% oder weniger Ni und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält,
wobei der Legierungsstahl einer Carbonitrierung bei 920°C oder höher unter worfen wird, so daß die Kohlenstoffdichte in der Oberfläche des fertigen Pro dukts auf 0,7 bis 1,3 Gew.-% und die Stickstoffdichte derselben auf 0,15 bis 0,3 Gew.-% eingestellt werden, wodurch ein Carbid, Nitrid und Carbonitrid mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger in einer Menge von minde stens 400 Teilchen/100 µm2 oder mehr in der Oberfläche des fertigen Produkts ausgeschieden werden.
Auf diese Weise ist als Folge der durch V verursachten Beschleunigung der
Stickstoff-Diffusion eine ausgezeichnete Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit
erhältlich ohne Erhöhung der Stickstoffdichte über den notwendigen Wert hin
aus und beispielsweise kann die Wärmebehandlungsdauer bei großtechni
schen Produkten, die einen breiten Schleifrand nach der Wärmebehandlung
aufweisen, verkürzt werden und es ist möglich, Wälzelemente mit einer ausge
zeichneten Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit billig anzubieten.
Nachstehend wird die kritische Bedeutung der chemischen Zusammensetzung
des Legierungsstahls zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wälzkörpers,
der eine ausgezeichnete Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit aufweist, näher
erläutert.
C ist ein Element, das erforderlich ist für die Verbesserung der Härte nach der
Aushärtung und Vergütung durch Herstellung einer Martensit-Matrix.
Der Grund für die Festlegung des C-Gehaltes auf 0,1 Gew.-% oder mehr, ist
der, daß dadurch die erforderliche Festigkeit des Wälzkörpers sichergestellt
wird. Der Grund für die Festlegung der Obergrenze auf 0,7 Gew.-% ist der,
daß bei Überschreiten dieses Bereiches ein Carbid bereits ausgefällt wird,
während es sich noch im Zustand eines Rohmaterials befindet, wodurch die
Verarbeitbarkeit beim plastischen Verformen oder maschinellen Bearbeiten zur
Herstellung von Produkten vor der Wärmebehandlung beeinträchtigt (ver
schlechtert) wird.
Si ist ein Element, das erforderlich ist als Desoxidationsmittel bei der Herstel
lung von Stahl und es ist wirksam zur Erhöhung der Beständigkeit gegen
Weichwerden beim Anlassen und zur Verbesserung der Dauerfestigkeit
(Lebensdauer). Es ist daher in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr enthal
ten, die Obergrenze wird jedoch auf 1,5 Gew.-% festgelegt, da es das Eindrin
gen von Kohlenstoff oder Stickstoff von der Oberfläche her beim Carbonitrie
ren verhindert und die Wärmebehandlungs-Produktivität herabsetzt.
Mn ist ein Element, das erforderlich ist als Desoxidationsmittel und als Desul
furierungsmittel und es ist wirksam zur Verbesserung der Härtbarkeit. Deshalb
ist es in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr enthalten. Die Obergrenze
wird jedoch auf 1,5 Gew.-% festgelegt, da eine größere Zugabemenge die ma
schinelle Bearbeitbarkeit verschlechtert.
V erhöht die Beständigkeit gegen Weichwerden beim Anlassen und bildet ein
sehr feines Carbid, Nitrid und Carbonitrid mit einer hohen Härte, das wirksam
ist in bezug auf die Verbesserung der Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit. Um
die Stickstoffdichte in dem tiefen Abschnitt ansteigen zu lassen, wenn die Car
bonitrierung bei hoher Temperatur durchgeführt wird, ist es bevorzugt, 0,6
Gew.-% oder mehr V zuzugeben, und daher wird die Untergrenze auf 0,6
Gew.-% festgelegt. Andererseits kann, wenn zu viel V zugegeben wird, die
Zugabemenge nicht absorbiert werden, so daß die Verarbeitbarkeit schlechter
wird. Außerdem ist dieses Element teuer und daher nachteilig für die Kosten,
weshalb die Obergrenze auf 2,0 Gew.-% festgelegt wird.
Zusätzlich zur Verbesserung der Härtbarkeit und der Verfestigung der festen
Lösung der Matrix ist Cr nützlich zur Ausscheidung von Carbiden, Nitriden und
Carbonitriden in den Oberflächenschichten der Wälzkörper durch Anwendung
einer Carbonitrierung, wodurch die Wälz-Dauerfestigkeit (-Lebensdauer) und
die Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit verbessert werden. Eine bevorzugte
untere Grenze für den Cr-Gehalt wird auf 0,5 Gew.-% festgelegt, weil bei tiefe
ren Gehalten der Zugabeeffekt gering ist. Im Gegensatz dazu entstehen bei
einer größeren Zugabemenge Cr-Oxide in der Produkt-Oberfläche, wodurch
das Eindringen von Kohlenstoff oder Stickstoff von der Oberfläche her beim
Carbonitrieren verhindert wird, was zu einer Verschlechterung der Wärmebe
handlungs-Produktivität führt. Deshalb wird die Obergrenze auf 3,0 Gew.-%
festgelegt.
Mo ist wirksam zur Erhöhung der Beständigkeit gegen Weichwerden beim
Anlassen und der Ausscheidung von (ebenso wie Cr) Carbiden, Nitriden und
Carbonitriden in den Oberflächenschichten der Wälzkörper bei der Carboni
trierung und zur Verbesserung der Wälz-Dauerfestigkeit (-Lebensdauer) und
der Abriebs- und Verschleißfestigkeit. Die Obergrenze wird festgelegt auf 3,0
Gew.-%, weil eine größere Zugabemenge die plastische Verarbeitbarkeit be
einträchtigt und weil Mo teuer ist.
Ni ist ein wirksames Element zur Verbesserung der Zähigkeit, da es einen
Feststoff in der Matrix darstellt. Eine zu große Zugabemenge erhöht jedoch
übermäßig stark die Menge an Rest-Austenit in der Oberflächenschicht, was
zu einer Herabsetzung der Härte führt, und deshalb wird die Obergrenze auf
2,0 Gew.-% festgelegt.
Außer den obengenannten Legierungelementen können P in einer Menge von
≦ 0,02 Gew.-%, S in einer Menge von ≦ 0,05 Gew.-%, Cu in einer Menge von
0,10 Gew.-% und O in einer Menge von ≦ 15 ppm als unvermeidbare Verun
reinigungen darin enthalten sein und eine Beschränkung auf O ≦ 10 ppm ist
wünschenswert, um nicht-metallische Einschlüsse, die für die Wälzlager-
Dauerfestigkeit schädlich sind, so gering wie möglich zu halten.
Außerdem sei noch auf die kritische Bedeutung der Kohlenstoffdichte, der
Stickstoffdichte, des feinen Carbids, Nitrids und Carbonitrids in der Oberfläche
des fertigen Produkts, bei dem es sich um einen Wälzkörper mit ausgezeich
neter Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit handelt, hingewiesen.
Zur Erzielung der für einen Wälzkörper erforderlichen Oberflächenhärte sind in
der Regel 0,8 Gew.-% oder mehr C erforderlich, da jedoch erfindungsgemäß
der Stickstoff durch Carbonitrierung eingeführt wird, wird die untere Grenze
auf 0,7 Gew.-% festgelegt. Wenn der Kohlenstoffgehalt zusammen mit dem
Stickstoff übermäßig hoch ist, nimmt die Rest-Austenit-Menge in der Oberflä
che übermäßig stark zu, wodurch die Härte herabgesetzt wird oder Pro-Eutek
toid-Zementit ausgefällt wird, so daß die Wälzlager-Dauerfestigkeit wahrschei
nlich abnimmt und deshalb wird die Obergrenze auf 1,3 Gew.-% festgelegt.
Der Stickstoff ist ein sehr wirksames Element zur Verbesserung der Abriebs-
bzw. Verschleißfestigkeit und er wird der Oberflächenschicht durch die Car
bonitrierungsbehandlung zugeführt, wobei ein Stickstoff-Gehalt von weniger
als 0,15 Gew.-% keinen ausreichenden Effekt ergibt. Ein zu hoher Stickstoff-
Gehalt verschlechtert jedoch die Schleifbarkeit. Bei der Herstellung von groß
technischen Produkten ist ein hoher Stickstoff-Gehalt in dem tiefen Abschnitt
erforderlich. Dann dauert die Wärmebehandlung lange, die Kosten steigen
und deshalb wird die Obergrenze auf 0,3 Gew.-% festgelegt.
Feines Carbid, Nitrid und Carbonitrid weisen starke Effekte auf in bezug auf
die Verbesserung der Abriebs- bzw. Verschleißfestigkeit, insbesondere dieje
nigen mit einer Teilchengröße von 0,1 µm oder weniger sind hoch wirksam und
ihre Effekte werden ausgeprägt durch Ausscheidung derselben in einer Dichte
von 400 Teilchen/100 µm2 oder mehr.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Vergleichstests zwischen erfin
dungsgemäßen Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.
Zuerst werden die Tests beschrieben, denen die Wälzkörper des Wälzlagers
ausgesetzt werden.
Die Tabelle 1 zeigt die hauptsächlichen chemischen Zusammensetzungen
verschiedener Arten von legierten Stahlmaterialien, die in den Tests verwen
det werden.
Verschleißtests vom Zwei-Zylinder-Typ, wie in Fig. 1 dargestellt, wurden
durchgeführt, um den Einfluß der Legierungselemente und der Wärmebehand
lungen auf die Verschleißfestigkeit zu untersuchen. Die Tests wurden in der
Weise durchgeführt, daß Teststücke S jeweils an einem Paar von vertikal ein
ander gegenüberliegenden Achsen 10 befestigt wurden und die Achsen mit
einer niedrigen Geschwindigkeit in zueinander entgegengesetzten Richtungen
gedreht wurden, während eine Belastung P unter der Bedingung, daß die Ach
sen miteinander in Kontakt kamen, darauf einwirken gelassen wurde, um so
einen Durchschnittswert der Verschleißraten (g/m) beider Teststücke S zu er
halten. Insbesondere wurde ein Schmiermittel mit einer niedrigen Viskosität,
bei dem ein Ölfilm leicht abläuft, während der Rotation aufgegossen zum Te
sten der Verschleiß-Eigenschaft bei schlechten Schmier-Bedingungen. Die
Verschleiß-Testbedingungen waren folgende:
Belastung: 200 kgf (2,0 kN)
Drehzahl: 10 UpM
% Schlupf: 20%
Schmiermittel: Spindelöl
Öl-Temperatur: 80°C
Belastung: 200 kgf (2,0 kN)
Drehzahl: 10 UpM
% Schlupf: 20%
Schmiermittel: Spindelöl
Öl-Temperatur: 80°C
Die Teststücke wurden wie nachstehend angegeben wärmebehandelt, um den
Einfluß der Wärmebehandlung auf die Verschleißfestigkeit zu bestimmen.
Die Carbonitrierung wurde 6 bis 8 h lang bei 920 bis 950°C durchgeführt, wäh
rend ein angereichertes Gas und Ammoniakgas einer endothermen Gasatmo
sphäre zugesetzt wurden, und dann wurden die Teststücke an der Luft abge
kühlt oder bis auf Raumtemperatur langsam abkühlen gelassen. Danach wur
den die Teststücke einer sekundären Härtung bei 820 bis 880°C unterworfen
und 2 bis 3 h lang bei 160 bis 180°C angelassen (vergütet).
Die Carbonitrierung wurde 6 bis 8 h lang bei 870 bis 900°C durchgeführt, wäh
rend angereichertes Gas und Ammoniakgas der endothermen Gasatmosphäre
zugesetzt wurden, und dann wurden die Teststücke an der Luft abgekühlt oder
langsam auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Anschließend wurden die
Teststücke einer sekundären Härtung bei 820 bis 880°C unterzogen und 2 bis
3 h lang bei 160 bis 180°C angelassen (vergütet).
Eine übliche Carburierungs-Behandlung wurde 6 bis 8 h lang bei 920 bis
950°C durchgeführt und dann wurden die Teststücke an der Luft liegen gelas
sen, bis sie sich auf Raumtemperatur abgekühlt hatten. Danach wurden die
Teststücke einer sekundären Härtung bei 820 bis 880°C unterzogen und 2 bis
3 h lang bei 160 bis 180°C angelassen (vergütet).
Die Beziehung zwischen den Wärmebehandlungs-Bedingungen und der V-
Dichte werden nachstehend erläutert.
Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der V-Dichte (in Gew.-%) und der
Tiefe, in der die Stickstoffdichte 0,25 Gew.-% beträgt (Abstand von der Ober
fläche in mm), wenn die Wärmebehandlungen A und B durchgeführt werden.
Wie aus dieser Figur ersichtlich, wird dann, wenn die Carbonitrierung bei einer
hohen Temperatur wie die Wärmebehandlung A durchgeführt wird, eine hohe
Stickstoffdichte bis in den tiefen Abschnitt nicht erzielt wird, wenn die V-Zuga
bemenge geringer als erwünscht ist, da das Stickstoffportential in der Oberflä
che abnimmt. Wenn jedoch die V-Dichte hoch ist, wird eine hohe Stickstoff
dichte bis in den tiefen Abschnitt erzielt. Dieser Effekt ist bemerkenswert bei
einer V-Zugabemenge von 0,6 Gew.-% oder mehr.
Bei einer niedrigen Behandlungs-Temperatur unter 900°C wie bei der Wärme
behandlung B ist der Effekt der V-Zugabe jedoch gering. Um eine hohe
Stickstoffdichte bis in den tiefen Abschnitt zu erhalten, ist eine lange Wärme
behandlungszeit erforderlich.
Nachstehend werden die Ergebnisse des Verschleißtests näher beschrieben.
Die verwendeten Teststücke wurden nach der Wärmebehandlung an den Test-
Oberflächen einer Finish-Schleifbehandlung unterzogen.
In der Tabelle 2 sind die Verschleißtests, die mit Kombinationen der Stahlarten
und der Wärmebehandlungen durchgeführt wurden, angegeben.
Die Tabelle 2 zeigt die Kohlenstoffdichte, die Stickstoffdichte, und die Ge
samtanzahl der Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen N mit einem Korn
durchmesser von 0,1 µm oder weniger in den Oberflächenschichten der Test
stücke.
Die Versuche Nr. 1 bis 18 sind erfindungsgemäße Beispiele, bei denen eine
ausgezeichnete Verschleißfestigkeit erzielt wurde. Die Versuche Nr. 19 und 20
sind Vergleichsbeispiele mit einer niedrigeren V-Zugabemenge und aufgrund
der unzureichenden V-Zugabe wird die erforderliche Stickstoffdichte nicht er
reicht, so daß eine ausreichende Verschleißfestigkeit nicht erzielt wird.
Das Vergleichsbeispiel Nr. 21 wurde durchgeführt mit der Carbonitrierungs-
Behandlung bei der niedrigen Temperatur und es entstand daher eine geringe
Anzahl von Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen mit einem Korndurchmes
ser von 0,1 µm oder weniger und die erforderliche Verschleißfestigkeit wurde
nicht erzielt.
In dem Vergleichsbeispiel Nr. 22 wurde eine Carburierungs-Behandlung
durchgeführt und wegen des Fehlens von Stickstoff wurde die erforderliche
Verschleißfestigkeit nicht erzielt.
In dem Vergleichsbeispiel Nr. 23 wurde ein konventioneller Stahl verwendet
ohne V-Zugabe und ohne Carburierung und es wurde der größte Verschleiß
erhalten.
Schließlich wird nachstehend der Einfluß der Verteilung der Korndurchmesser
der Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen in den Oberflächen der Teststüc
ke (in den Oberflächen der fertigen Produkte) angegeben, wobei eine Abnah
me der Verschleißrate erhalten wurde.
Die Fig. 3 zeigt in bezug auf das Beispiel Nr. 3 ebenso wie die Fig. 4 in bezug
auf das Vergleichsbeispiel Nr. 21 die gemessenen Ergebnisse der Verteilun
gen der Korndurchmesser in den Oberflächen der jeweiligen Teststücke.
Wenn man beide miteinander vergleicht, so ergibt sich daraus, daß die Vertei
lungen der Korndurchmesser mit einer Größe von über 0,1 µm nicht sehr un
terschiedlich sind und daß diejenigen der Teilchen mit einer Korngröße von
0,1 µm oder weniger ausgesprochen unterschiedlich sind. Die Verschleißraten
sowohl in Tabelle 2 als auch in Beispiel Nr. 3 betragen 1,02 × 10-6 g/m, wäh
rend diejenige des Vergleichsbeispiels Nr. 21 viermal so hoch ist und 4,58 ×
10-6 g/m beträgt. Daraus ist zu ersehen, daß die Anzahl der Körnchen mit ei
nem Durchmesser von 0,1 µm oder weniger von großer Bedeutung ist für die
Abnahme der Verschleißrate. Die ausgezählten Ergebnisse in bezug auf die
Anzahl N der Körnchen mit einem Durchmesser von 0,1 µm oder weniger, die
in einer Fläche von 100 µm2 oder weniger vorhanden sind, zeigt, wie in der
Tabelle 2 dargestellt, daß bei den Beispielen Nr. 1 bis 18 jeweils mehr als 400
Teilchen erhalten wurden. Erfindungsgemäß wurde daher festgelegt, daß die
Anzahl der Teilchen N 400 Teilchen/100 µm2 oder mehr betragen soll.
Aus den ausgezählten Ergebnissen der Anzahl N der Körnchen mit einem
Durchmesser von 0,1 µm oder weniger in der Tabelle 2 ist zu ersehen, daß in
dem Beispiel Nr. 8 die meisten Teilchen mit 734 Teilchen/100 µm2 erhalten
wurden, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Wenn jedoch zu
viele Körnchen miteinander kombiniert werden und diese wachsen und als
Folge davon der Korndurchmesser groß wird, wird die Verschleißfestigkeit da
durch möglicherweise beeinträchtigt. Deshalb kann die Anzahl der Teilchen N
mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger gemäß der Erfindung bis
zu einem solchen Grad erhöht werden, daß die Körnchen nicht durch Kombi
nation miteinander wachsen.
Für den Fall, daß Körnchen mit einem Durchmesser von 0,1 µm oder weniger
in einer Fläche von 100 µm2 vorliegen, wird unter der Annahme, daß 100 µm2
= 10 µm × 10 µm die maximale Anzahl N der Körnchen wie folgt errechnet:
(10 µm/0,1 µm) × (10 µm/0,1 µm) = 10000 Teilchen /100 µm2
Wie jedoch vorstehend angegeben, ist es bevorzugt, daß die Anzahl N der
Teilchen mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger nur bis zu ei
nem solchen Grad erhöht wird, daß die Körnchen nicht durch Kombination
miteinander (durch Aggregation) wachsen. Deshalb wird die Obergrenze für
die Anzahl N der Körnchen mit einem Durchmesser von 0,1 µm oder weniger
vorzugsweise auf den Wert von 2500 Körnchen/µm2 festgelegt.
Nachstehend werden Tests beschrieben, die durch Herstellung von Pendel-
Wälzlagern durchgeführt wurden.
Ein Pendel-Wälzlager weist eine verhältnismäßig große Kontaktellipse zwi
schen dem Lager-Laufring und dem Wälzkörper auf und dementsprechend
sind der differentielle Schlupf und der Spin-Schlupf groß. Insbesondere dann,
wenn das Pendel-Wälzlager in einer kontinuierlichen Gießvorrichtung verwen
det wird, stellt der Verschleiß eines äußeren Laufringes, der als fixierter
Laufring verwendet wird, ein Problem dar.
Dann wurde ein Pendel-Wälzlager vom Typ Nr. 22210CD (Außendurchmes
ser: 90 mm, Innendurchmesser: 50 mm, Breite 23 mm) wie nachstehend ange
geben hergestellt zur Durchführung eines Dauerfestigkeitstests (Lebensdauer
tests). Die Stahlarten A bis T in Tabelle 1 wurden als Rohmaterialien für die
äußeren Laufringe der zu testenden Wälzkörper verwendet und der Stahl
SUJ2 der JIS-Stahlarten wurde für die inneren Laufringe und die Wälzkörper
verwendet. Die Wärmebehandlungs-Bedingungen für den äußeren Laufring
waren die gleichen wie in der Tabelle 2. Außerdem waren die Kohlenstoffdich
te in der Oberfläche des äußeren Laufringes, die Stickstoffdichte in der Ober
fläche, die Anzahl der Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen mit einem
Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger alle die gleichen wie in der Tabelle
2.
Die so hergestellten Pendel-Wälzlager wurden als Teststücke unter den fol
genden Bedingungen getestet:
Belastung: 25 N
Drehzahl: 10 UpM
Test-Temperatur: 80°C
Schmiermittel: Fett auf Mineralölbasis
Testdauer: 300 h.
Belastung: 25 N
Drehzahl: 10 UpM
Test-Temperatur: 80°C
Schmiermittel: Fett auf Mineralölbasis
Testdauer: 300 h.
Die Tests wurden durchgeführt, während ein Ionentauschwasser in einer Men
ge von 0,1 ml/h zugeführt wurde, um einen Ölfilm leicht auslaufen zu lassen.
Nach den Tests wurden gebildete Bus-Spuren der Lageroberflächen des äu
ßeren Laufringes in einer Position der maximalen Belastung gemessen zum
Ablesen der Tiefe eines maximalen Abriebs (Verschleißes). Die Werte bezüg
lich der Tiefe des maximalen Abriebs sind in der Tabelle 3 zusammen mit den
Stahlarten, den Wärmebehandlungen, den Kohlenstoff- und Stickstoffdichten
in den Oberflächen, der Anzahl N der Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen
mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger, der Verschleißrate und
dgl. angegeben.
Wie aus der Tabelle 3 hervorgeht, kann auch im Falle der Pendel-Wälzlager
gesagt werden, daß die erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 1 bis 18 eine aus
gezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen im Vergleich zu den Vergleichs
beispielen und den konventionellen Beispielen Nr. 19 bis 23.
Nachstehend werden Dauerhaltsbarkeitstests beschrieben, die durch Herstel
lung einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung durchgeführt wurden.
Es wurde eine Kugelumlaufspindel-Vorrichtung mit einem axialen Durchmes
ser von 80 mm und einer Höhe von 20 mm hergestellt zur Durchführung des
Tests. Als eingesetzte Materialien wurde die Stahlart D, wie in der Tabelle 1
angegeben, oder der Stahl SCM420H der JIS-Stahlart für die Kugelumlauf
spindelachsen und die Kugelmuttern verwendet und es wurde die Stahlart D
oder der Stahl SUJ2 der JIS-Stahlart für die Kugeln verwendet.
Diese Stahlarten wurden in variierender Weise kombiniert zur Herstellung der
Kugelumlaufspindelachsen, der Kugelmuttern und der Kugeln als Wälzkörper
und es wurde die Kugelumlaufspindel-Vorrichtung aufgebaut zur Herstellung
von Teststücken, wie in den Zeilen I bis IV der Tabelle 4 angegeben.
Die Wärmebehandlungs-Bedingungen wurden je nach Stahlart des Rohmate
rials wie nachstehend angegeben eingestellt.
Bei den Wälzkörpern aus der Stahlart D wurde die Carbonitrierung 1 bis 24 h
lang bei 920 bis 950°C durchgeführt, während angereichertes Gas und Am
moniakgas einer endothermen Gasatmosphäre zugesetzt wurden, und dann
wurden die Wälzkörper an der Luft abgekühlt oder langsam auf Raumtempera
tur abkühlen gelassen. Danach wurden die Wälzkörper einer sekundären
Härtung bei 820 bis 880°C unterzogen und 2 bis 3 h lang bei 160 bis 180°C
angelassen (vergütet).
Bei den Wälzkörpern aus der Stahlart SCM420H eines JIS-Stahls wurde die
übliche Carburierungs-Behandlung 6 bis 24 h lang bei 920 bis 950°C durchge
führt, an der Luft bis auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, sie wurden einer
Sekundärhärtung bei 820 bis 880°C unterzogen und 2 bis 3 h lang bei 160 bis
180°C angelassen (vergütet).
Kugeln aus der Stahlart SUJ2 eines JIS-Stahls wurden bei 820 bis 860°C ge
härtet und bei 180 bis 220°C angelassen (vergütet).
Die zu testenden Kugelumlaufspindelachsen, Kugelmuttern und Kugeln wur
den nach Durchführung der Wärmebehandlung einer Schleifbehandlung un
terzogen und außerdem wurden die Kugeln einem Schlußläppen unterworfen.
Mit der so hergestellten zu testenden Kugelumlaufspindel-Vorrichtung wurden
die Dauerhaltbarkeitstests (Lebensdauertests) unter den folgenden Bedingun
gen durchgeführt:
Belastung: maximal 280 N
Drehzahl: maximal 150 UpM (Hin- und Herbewegung)
Schmiermittel: Fett auf Mineralölbasis
Anzahl der Durchgänge (Häufigkeit der Hin und Herbewegung) bei Dauerhalt barkeitstest: 1 Million Durchgänge
Belastung: maximal 280 N
Drehzahl: maximal 150 UpM (Hin- und Herbewegung)
Schmiermittel: Fett auf Mineralölbasis
Anzahl der Durchgänge (Häufigkeit der Hin und Herbewegung) bei Dauerhalt barkeitstest: 1 Million Durchgänge
Die Formen der Lagerrillen in den Kugelumlaufspindelachsen vor und nach
den Tests wurden bestimmt, um die maximalen Tiefen des Abriebs für die Be
wertung zu erhalten. Die bewerteten Ergebnisse sind in der Tabelle 4 angege
ben. Wie daraus hervorgeht, ist es erfindungsgemäß möglich, den Abrieb
(Verschleiß) der Kugelumlaufspindelachse, die unter Hochlast-Bedingungen
betrieben werden soll, auf 1/3 bis 1/6 des Abriebs (des Verschleißes) gemäß
dem Stand der Technik zu verringern.
Wie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert, wird der legierte Stahl,
der mit V = 0,6 Gew.-% oder mehr versetzt worden ist, einer Carbonitrierung
bei 920°C oder mehr unterworfen, wobei Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-
Teilchen mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger in einer Anzahl
von mindestens 400 Teilchen/100 µm2 in der Oberfläche des inneren Laufrin
ges, des äußeren Laufringes und/oder des Wälzkörpers eines Wälzlagers als
Endprodukt ausgeschieden werden. Mit der Erfindung ist es somit möglich,
einen Wälzkörper anzubieten, der eine ausgezeichnete Abriebs- bzw. Ver
schleißfestigkeit aufweist.
Obgleich nur bestimmte Ausführungsformen der Erfindung hier näher be
schrieben worden sind, ist es für den Fachmann klar, daß auch zahlreiche
Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne daß
dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auch auf den Gegenstand der ja
panischen Patentanmeldung Nr. Hei.10-329733, eingereicht am 19. November
1999, auf deren Gesamtheit hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Claims (6)
1. Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wälz
körper eines Wälzlagers oder einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung aus ei
nem Legierungsstahl besteht, der enthält:
0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.- % oder weniger Ni und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
der eine Kohlenstoffdichte in der Oberfläche des fertigen Produkts in dem Be reich von 0,7 bis 1,3 Gew.-% und eine Stickstoffdichte in dem Bereich von 0,15 bis 0,3 Gew.-% aufweist und
bei dem die Anzahl mindestens einer Art von Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid- Teilchen mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger, die in der fer tigen Oberfläche ausgeschieden worden sind, mindestens 400 Teilchen/100 µm2 oder mehr beträgt.
0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.- % oder weniger Ni und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,
der eine Kohlenstoffdichte in der Oberfläche des fertigen Produkts in dem Be reich von 0,7 bis 1,3 Gew.-% und eine Stickstoffdichte in dem Bereich von 0,15 bis 0,3 Gew.-% aufweist und
bei dem die Anzahl mindestens einer Art von Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid- Teilchen mit einem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger, die in der fer tigen Oberfläche ausgeschieden worden sind, mindestens 400 Teilchen/100 µm2 oder mehr beträgt.
2. Wälzkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälz
lager ein Pendel-Wälzlager ist.
3. Wälzkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl
der mindestens einen Art von Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen mit ei
nem Korndurchmesser von 0,1 µm oder weniger, die in der fertigen Oberfläche
ausgeschieden worden sind, 400 bis 2500 Teilchen/100 µm2 beträgt.
4. Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörpers, insbesondere eines sol
chen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es die Stu
fen umfaßt:
Herstellung mindestens eines Wälzkörpers eines Wälzlagers oder mindestens eines Wälzkörpers einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung aus einem Legie rungsstahl, der enthält 0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.-% oder weniger Ni und als Rest Eisen und unvermeid bare Verunreinigungen, und der bei einer Temperatur von 920°C oder höher carbonitriert wird, so daß mindestens eine Art von feinen Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen in der fertigen Oberfläche des Wälzkörpers ausgeschie den wird.
Herstellung mindestens eines Wälzkörpers eines Wälzlagers oder mindestens eines Wälzkörpers einer Kugelumlaufspindel-Vorrichtung aus einem Legie rungsstahl, der enthält 0,1 bis 0,7 Gew.-% C, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3,0 Gew.-% Cr, 0,6 bis 2,0 Gew.-% V, 3,0 Gew.-% oder weniger Mo, 2,0 Gew.-% oder weniger Ni und als Rest Eisen und unvermeid bare Verunreinigungen, und der bei einer Temperatur von 920°C oder höher carbonitriert wird, so daß mindestens eine Art von feinen Carbid-, Nitrid- und Carbonitrid-Teilchen in der fertigen Oberfläche des Wälzkörpers ausgeschie den wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es außer
dem die Stufe umfaßt:
Abkühlen des Wälzkörpers auf Raumtemperatur nach Durchführung der Car bonitrierung und
Wiedererwärmen des Wälzkörpers auf eine Temperatur von 820 bis 880°C, um dadurch eine Härtung des Wälzkörpers zu erzielen.
Abkühlen des Wälzkörpers auf Raumtemperatur nach Durchführung der Car bonitrierung und
Wiedererwärmen des Wälzkörpers auf eine Temperatur von 820 bis 880°C, um dadurch eine Härtung des Wälzkörpers zu erzielen.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Carboni
trierung bei einer Temperatur von 920 bis 950°C durchgeführt wird.
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