DE20023814U1

DE20023814U1 - Käfig für ein Wälzlager

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Publication number: DE20023814U1
Application number: DE20023814U
Authority: DE
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2010-07-22

Abstract

Stahlkäfig für ein Wälzlager mit einer durch Oxonitrierung auf einer Oberfläche desselben erzeugten Verbundschicht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verbundschicht eine dichte Schicht (2) mit einer Dicke von 3 μm bis 20 μm und eine poröse Schicht (3) mit einer Dicke von 2 μm bis 25 μm aufweist, wobei die genannte poröse Schicht (3) auf der genannten dichten Schicht (2) ausgebildet ist, und dass die Verbundschicht in ihrer Oberfläche eine durchschnittliche Sauerstoffkonzentration von 1,0 Gew.-% bis 25,0 Gew.-% aufweist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Käfig für ein Wälzlager für die Verwendung allgemein in einer industriellen Vorrichtung, einem Automobil-Motor, einer Werkzeugmaschine, einer Stahlherstellungsvorrichtung und dgl. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen in Bezug auf die Funktion eines Druckkäfigs aus Stahl.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Als Käfige für ein Wälzlager wurde bisher gelegentlich ein Druckkäfig (Preßkäfig) verwendet, der hergestellt wurde, indem man ein kaltgewalztes Stahlblech aus SPCC- oder SPCE-Material einer Reinnitrierung (NH₃-Gas-Nitrierung) oder Weichnitrierung, beispielsweise einer Gas-Weichnitrierung, einer Hartnitrierung und einer ionischen Nitrierung unterwarf.
Wenn ein Käfig einer Nitrierung unterworten wird, wird die Matrix des Käfigs gehärtet, wobei man eine Oberflächenhärte Hv von 350 bis 600 erhält, die eine ausgezeichnete Abriebsbeständigkeit ergibt. Da die auf der Oberfläche der Matrix gebildete Nitrid-Verbindung eine gewisse Beständigkeit gegen Hochtemperaturerweichen aufweist, kann kaum eine Haftung oder ein Verschweißen des Käfigs mit einem inneren oder äußeren Laufring oder den Wälzkörpern auftreten, sodass eine gute Beständigkeit gegen Festfressen erzielt wird. Da die Nitrid-Verbindung chemisch sehr stabil und inert ist, weist darüber hinaus der Käfig eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in einer korrosiven Atmosphäre auf. Da die Nitrierung ferner bei einer niedrigen Temperatur von nicht höher als dem A1-Umwandlungspunkt (723°C), d.h. bei 400 bis 600°C, durchgeführt wird, treten nur geringe Wärmebehandlungsspannungen auf und es wird somit ein ausreichender Effekt auf die Teile erzielt, die wegen ihrer geringen Dicke leicht verformt werden können, wie z.B. einen Käfig.
In den letzten Jahren werden jedoch Wälzlager strengeren Betriebs-Bedingungen unterworfen. Insbesondere tritt dann, wenn der Schmiermittelfilm ausläuft, auch bei einem nitrierten Käfig leicht ein Verschleiß auf. Wenn das Lager in Betrieb ist, führt der resultierende Abriebsstaub zur Bildung von Beschädigungen (Auszahnungen) auf dem inneren und äußeren Laufring oder den Wälzkörpern. Außerdem werden die Bildung von Abriebsstaub und die Erschöpfung des Schmiermittels beschleunigt, wodurch ein Festfressen an dem Käfig hervorgerufen werden kann.
Als Mittel zur Lösung des obengenannten Problems wurde in JP-A-10-147855 (der hier verwendete Ausdruck "JP-A" steht für eine "ungeprüfte publizierte japanische Patentanmeldung") ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem auf der Oberfläche eine Verbundschicht erzeugt wird durch Nitrierung einer porösen Schicht mit einer Dicke von 1 μm bis 20 μm auf den mechanischen Teilen auf Eisenbasis, wobei deren Dicke 10 bis 50 % derjenigen der Verbundschicht beträgt, wobei die poröse Schicht durch Vakuumimprägnierung oder Wärmeimprägnierung mit einem Schmiermittel imprägniert wird zur Verbesserung der Schmiereigenschaften derselben.
Bei dem obengenannten konventionellen Verfahren ist jedoch die Dicke der Verbundschicht nur relativ definiert. Deshalb werden die oberen und unteren Grenzwerte der Dicke der Verbundschicht durch die Dicke der porösen Schicht bestimmt. Die Dicke der Verbundschicht ist daher gelegentlich sehr groß. In diesem Fall nimmt die Oberflächenhärte der gesamten Verbundschicht ab, wodurch es schwierig wird, die gewünschte Abriebsbeständigkeit zu gewährleisten oder die Dimensionsgenauigkeit beeinträchtigt wird. Außerdem hat das obengenannte konventionelle Verfahren den Nachteil, dass durch die Imprägnierung der porösen Schicht mit einem Schmiermittel durch Vakuum-Imprägnierung oder Wärmeimprägnierung nach der Nitrierung die Herstellungskosten erhöht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahlkäfig für ein Wälzlager mit einer durch Nitrierung auf einer Oberfläche desselben erzeugten Verbundschicht bereitzustellen, der eine stabile Abriebsbeständigkeit bei verminderten Herstellungskosten und eine gute Beständigkeit gegen Festfressen aufweist.
Diese Aufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruches 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Als Folge davon wurde gefunden, dass die Abriebsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Festfressen eines Käfigs für ein Wälzlager, der (die) einer Nitrierung, beispielsweise einer Reinnitrierung und einer Weichnitrierung unterworfen worden ist, von der Dicke der dichten Schicht bzw. der porösen Schicht in der Verbundschicht abhängt. Darauf beruht die vorliegende Erfindung.
Das heißt mit anderen Worten, es kann ein Käfig zur Verfügung gestellt werden, mit dem (der) die obengenannten Probleme gelöst werden können, indem man einen Druckkäfig aus einem kaltgewalzten Stahlblech einer Nitrierung, beispielsweise einer Reinnitrierung und einer Weichnitrierung unterwirft, sodass eine dichte Schicht eine Dicke von 3 μm bis 20 μm bzw. eine poröse Schicht eine Dicke von 2 μm bis 25 μm aufweist.
Der hier verwendete Ausdruck "Verbundschicht" steht für eine Schicht aus einer Stickstoff-Verbindung, die mit einem Substrat auf Eisenbasis eine Einheit bildet. Der hier verwendete Ausdruck "dichte Schicht" steht für eine Schicht, die auf dem Substrat auf Eisenbasis in der Stickstoff-Verbindungsschicht angeordnet ist. Der hier verwendete Ausdruck "poröse Schicht" steht für eine Schicht mit einer Porosität von 10 % bis 60 % auf der Seite der dichten Schicht, die dem Substrat auf Eisenbasis gegenüberliegt, in der Stickstoff-Verbindungsschicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer nitrierten Verbundschicht erläutert;
2 eine perspektivische Ansicht, welche die Umrisse einer Reibungsverschleiß-Testvorrichtung vom Faville-Le Vally-Typ erläutert;
3 eine graphische Darstellung von experimentellen Ergebnissen, welche die Beziehung zwischen der Änderung der Dicke der porösen Schicht in der nitrierten Verbundschicht und dem Reibungskoeffizienten erläutern;
4 ein Diagramm, das den Umriß einer Reibungsverschleißtest-Vorrichtung vom Ogoshi-Typ erläutert;
5 eine graphische Darstellung, welche die Versuchsergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Änderung der Dicke einer dichten Schicht in der nitrierten Schicht und dem Abrieb erläutert;
6 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Änderung der Dicke der porösen Schicht und der Zeit, die erforderlich ist, bis ein Festfressen auftritt, in Verbindung mit den Testergebnissen der Tabelle 1 erläutert;
7 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Änderung der durchschnittlichen Oberflächen-Sauerstoffkonzentration und dem Abrieb (Verschleiß) erläutert, der erhalten wird, wenn man oxonitrierte Käfige einem Amsler-Verschleißtest unterwirft;
8 ein schematisches Diagramm, das den Aufbau einer sulfonitrierten Schicht erläutert;
9 ein Diagramm, welches das Verfahren zur Bestimmung des Rauschpegels eines Wälzlagers erläutert; und
10 ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Schleifbeständigkeitstests durch Messung des Rauschpegels eines Wälzlagers erläutert.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend näher beschrieben.
In dem erfindungsgemäßen Käfig für ein Wälzlager aus Stahl, der nitriert worden ist unter Bildung einer Verbundschicht auf seiner Oberfläche besteht die Oberflächen-Verbundschicht 1, die oberhalb der Diffusionsschicht A und der Mutterschicht B gebildet worden ist, wie in 1 dargestellt, aus einer ε-Phase (Fe₂N, Fe₃N), einer ν'-Phase (Fe₄N), Eisencarbonitrid und einer geringen Menge Eisenoxid, hauptsächlich bestehend aus Fe₃O₄. Die Oberflächen- Verbundschicht 1 weist eine Doppelschicht-Struktur auf mit einer dichten Schicht 2, die auf der Mutterschicht B angeordnet ist, bei der es sich um ein Substrat auf Eisenbasis handelt, und einer porösen Schicht 3, die eine Porosität von 10 % bis 60 % aufweist, die auf der Außenseite der dichten Schicht 2 angeordnet ist.
Die obengenannte poröse Schicht 3 weist eine gute anfängliche Drapierung (Verformbarkeit) auf, wirkt als Schmiermittel-Reservoir und übt einen guten Schutzeffekt auf den Ölfilm auf, um ein Festfressen zu verhindern.
Wenn jedoch die Dicke der porösen Schicht 3 einen bestimmten Wert übersteigt, wird die Oberfläche des Käfigs zu stark aufgerauht. Somit kann, selbst wenn sie mit einem Schmiermittel beschichtet wird, eine gleichmäßige Schmiermittelschicht nicht gebildet werden, sodass die Oberfläche des Käfigs rauh bleibt. Als Folge davon nimmt die anfängliche Abriebsbeständigkeit zu. Der resultierende Abriebsstaub führt zur Bildung von Beschädigungen (Auszahnungen) auf dem inneren und äußeren Laufring oder den Wälzkörpern in einem Lager oder zum Auftreten eines Zerkratzungs- oder Aushöhlungsabriebs. Diese Phänomene beschleunigen die Erschöpfung des Schmiermit tels, verschlechtern die Schmier-Bedingungen und führen daher gelegentlich zu einem Festfressen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Dimensionsgenauigkeit beeinträchtigt ist. Durch vorherige Entfernung der überschüssigen porösen Schicht in der Nähe der Oberfläche unter Verwendung einer mechanischen Einrichtung können diese Probleme eliminiert werden. Durch dieses Verfahren werden die Kosten jedoch erhöht.
Wenn dagegen die Dicke der porösen Schicht 3 gering ist, kann kein Einfluß auf den schützenden Schmierfilm ausgeübt werden, was zur Folge hat, dass der Käfig in direkten Kontakt kommt mit dem inneren und äußeren Laufring oder den Wälzkörpern und dadurch zur Bildung von Wärme führt, die den Abrieb (Verschleiß) beschleunigt oder zu einer Beschädigung durch Festfressen führt. Als Folge davon kann der Käfig nur während einer verminderten Lebensdauer im Betrieb eingesetzt werden.
Dann führten die Anmelder das folgende Experiment durch, um die geeignete Dicke der porösen Schicht 3 zu ermitteln.
Im einzelnen wurde ein Teststift 5 aus einem Gas-nitrierten Test-Material, der auf einer rotierenden Einrichtung 7 mit einem Sear-Stift 6 befestigt war, unter Verwendung einer Reibverschleiß-Testvorrichtung vom Faville-Le Vally-Typ, wie in 2 dargestellt, mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 300 UpM unter einer Belastung F gedreht, die durch ein Paar von Gas-nitrierten V-Blöcken 8, 8 erzeugt wurde, die einander gegenüberliegend mit dem Teststift 5 dazwischen angeordnet waren. Unter diesen Bedingungen wurden verschiedene Test-Materialien 5 untersucht und in Bezug auf die Abriebsbeständigkeit miteinander verglichen.
Für die Gasnitrierung wurde eine Reinnitrierung mit einem Gemisch aus N₂ und NH₃ als Atmosphäre bei einer Temperatur von 560°C durchgeführt. Die auf dem Teststift 5 und dem V-Block 8 gebildete Verbundschicht bildete eine dichte Schicht mit einer konstanten Dicke von 5 μm und eine poröse Schicht mit 5 unterschiedlichen Dicken (0 μm, 2 μm, 15 μm, 28 μm).
Als Schmiermittel wurde ein Turbinenöl verwendet. Die Reibung wurde bei einer Geschwindigkeit von 0,15 m/s erzeugt. Die Testergebnisse sind in der 3 dargestellt.
Wenn die Dicke der porösen Schicht unter etwa 2 μm liegt, kann die poröse Schicht ihren Effekt, den Schmierfilm zu schützen, nicht mehr ausüben. Als Folge davon steigt der Reibungskoeffizient μ schnell an und führt zu einem Festfressen. Wenn dagegen die Dicke der porösen Schicht 2 μm oder mehr beträgt, wird die Beständigkeit gegen Festfressen drastisch verbessert. Daher beträgt der untere Grenzwert für die Dicke der porösen Schicht definitionsgemäß 2 μm.
Wenn die Dicke der porösen Schicht zunimmt, wirkt die poröse Schicht mehr als Schmiermittel-Reservoir und es kann somit kaum ein Festfressen auftreten und sie weist eine gute Beständigkeit gegen Festfressen auf, es tritt jedoch ein stärkerer Anfangsverschleiß (Abrieb) auf. Daher ist, wie in den Kurven für poröse Schichten mit einer Dicke von 15 μm und 24 μm in der 3 dargestellt, die Entstehung eines geringen anfänglichen Abriebs (Anstieg des Reibungskoeffizienten μ, wie in der Nähe einer verstrichenen Zeit von 15 s angegeben) auf den anfänglichen Drapierungseffekt der porösen Schicht mit der Welle zurückzuführen. Wenn jedoch ein starker anfänglicher Abrieb auftritt wie für den Fall, dass die Dicke der porösen Schicht 25 μm übersteigt, kann kein anfänglicher Drapierungseffekt mehr ausgeübt werden. Der resultierende Abriebsstaub verschlechtert die Schmierbedingungen und ruft innerhalb einer kurzen Zeitspanne ein Festfressen hervor. Daher beträgt der obere Grenzwert für die poröse Schicht 25 μm.
Das heißt mit anderen Worten, die Beständigkeit der Verbundschicht gegen Festfressen hängt von der Dicke der porösen Schicht ab. Wenn die Dicke der porösen Schicht 2 μm bis 25 μm beträgt, ist die resultierende Beständigkeit gegen Festfressen verbessert, sodass man einen Käfig für ein Wälzlager erhält, der (die) unter strengen Betriebsbedingungen verwendet werden kann.
Die oben genannten Ergebnisse gelten nicht nur für den Käfig, wenn die Dicke der dichten Schicht auf einen vorgegebenen Wert von 5 μm begrenzt ist, sondern auch für den Käfig, wenn die Dicke der dichten Schicht wie nachstehend angegeben variiert.
Die Erfinder haben außerdem das folgende Experiment durchgeführt, um die richtige Dicke der dichten Schicht 3 zu ermitteln.
Im Detail wurde ein rohrförmiges fixiertes SPCC-Teststück 10, das einer Gasnitrierung unterworfen worden war, unter Verwendung einer Reibverschleißtest-Vorrichtung vom Ogoshi-Typ, wie sie in 4 dargestellt ist, gegen ein kreisförmiges rotierendes SUJ2-Teststück 11 unter einer Belastung F für den Rotationstest gepreßt. Unter diesen Bedingungen wurden verschiedene fixierte Teststücke 10 untersucht und in Bezug auf ihre Abriebsbeständigkeit miteinander verglichen.
Für die Gasnitrierung des fixierten Teststückes 10 wurde eine Reinnitrierung mit einem Gemisch aus 20 % N₂ und 80 % NH₃ als Atmosphäre bei einer Temperatur von 560°C durchgeführt. Die resultierende Verbundschicht umfasste eine poröse Schicht mit einer konstanten Dicke von 5 μm und eine dichte Schicht mit unterschiedlichen Dicken.
Das rotierende Teststück 11 wurde erhalten durch Härten eines SUJ2-Materials bei einer Temperatur von 840°C und anschließendes Tempern des Materials bei einer Temperatur von 170°C.
Bezüglich der Test-Bedingungen wurde der Test frei von einem Schmiermittel (unter trockenen Bedingungen) bei einem Oberflächendruck von 0,2 bis 4 kg/mm², einer Reibungsrate von 2,6 m/s und einer Reibungsstrecke (Gleitstrecke) von 400 m durchgeführt. Die Ergebnisse des Tests sind in der 5 dargestellt.
Wenn die Dicke der dichten Schicht unter 3 μm fallt, tritt ein drastisch hoher Abrieb auf. Wenn dagegen die Dicke der dichten Schicht 3 μm oder mehr beträgt, wird ein Abrieb verhindert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn die dichte Schicht eine Dicke von weniger als 3 μm hat, sie eine ungleichmäßige Dicke aufweist, die eine ungleichmäßige Nitrierung hervorruft. Dadurch kommt dann, wenn eine ungleichmäßige Nitrierung dazu führt, dass auf einigen Bereichen keine dichte Schicht gebildet wird, das SPC-Substrat in direkten Kontakt und damit in einen Gleitkontakt mit dem Lagerstahl, der den inneren und äußeren Laufring oder die Wälzkörper aufbaut, sodass der Käfig zu früh versagt. Daher kann nicht erwartet werden, dass ein nitrierter Käfig, bestehend aus einer Verbundschicht, die durch eine dichte Schicht mit einer Dicke von weniger als 3 μm gebildet wird, eine zufriedenstellende Abriebsbeständigkeit aufweist.
Dagegen ist auch dann, wenn die Dicke der dichten Schicht 20 μm übersteigt, eine Zunahme des Abriebs feststellbar. Im einzelnen weist die dichte Schicht die höchste Oberflächenhärte auf, wenn ihre Dicke 5 bis 10 μm beträgt. Wenn die Dicke der dichten Schicht diesen Bereich übersteigt, liegt die Position, an der sie die höchste Härte aufweist, im Innern der Schicht, wobei die Oberflächenhärte abnimmt. Wenn die Dicke der dichten Schicht 20 μm übersteigt, ist festzustellen, dass die Oberflächenhärte der dichten Schicht deutlich abnimmt. Das heißt mit anderen Worten, man kann nicht immer sagen, dass die Abriebsbeständigkeit um so besser ist, je dicker die dichte Schicht ist. Die Abnahme der Härte der dichten Schicht als Folge der Zunahme der Dicke der Schicht führt zu einer Beschädigung oder zu einem Bruch des Käfigs. Es wird daher als erforderlich angesehen, dass die Dicke des nitrierten Käfigs nicht mehr als 20 μm beträgt.
Die oben genannten Ergebnisse gelten nicht nur für den Fall, dass die Dicke der porösen Schicht auf 5 μm begrenzt ist, sondern auch für den Fall, dass die Dicke der porösen Schicht variiert. Das heißt mit anderen Worten, die Abriebsbeständigkeit der Verbundschicht hängt von der Dicke der dichten Schicht ab. Wenn die Dicke der dichten Schicht 3 μm bis 20 μm, vorzugsweise 5 bis 10 μm, beträgt, kann ein nitrierter Käfig mit einer ausgezeichneten Abriebsbeständigkeit erhalten werden.
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, kann erfindungsgemäß ein Stahlkäfig für ein Wälzlager, der nitriert worden ist unter Bildung einer Verbundschicht auf der Oberfläche desselben, einen Käfig mit einer guten Abriebsbeständigkeit und einer guten Beständigkeit gegen Festfressen auch dann ergeben, wenn die Nitrierung eine Weichnitrierung ist, wenn die Dicke der dichten Schicht und der porösen Schicht 3 bis 20 μm bzw. 2 bis 25 μm betragen.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Beispiel 1
Nachstehend wird ein Versuch beschrieben, der durchgeführt wurde, um den Effekt der ersten Ausführungsform der Erfindung zu bestätigen.
Als zu testender Käfig wurde ein Preßkäfig verwendet entsprechend einem sich selbst einstellenden Wälzlager 22212, hergestellt aus einem kaltgewalzten Stahlblech SPCC, der einer Reinnitrierung (Gasnitrierung) und einer Weichnitrierung (Gas-Weichnitrierung, Hartnitrierung, ionischen Nitrierung, NV-Ultranitrierung) unterworfen worden war, wie in Tabelle 1 angegeben, unter Bildung einer nitrierten Verbundschicht mit einer dichten Schicht und einer porösen Schicht auf der Oberfläche derselben. Die so erhaltenen erfindungsgemäßen Käfige A bis 1 und Vergleichs-Käfige A bis H wurden dann den folgenden verschiedenen Tests unterzogen. Der hier verwendete Ausdruck "NV-Ultranitrierung" ist eine Art der Nitrierung, die von der Firma Airwater Inc. entwickelt wurde.
Tabelle 1
Abriebsbeständigkeit
Zur Bewertung des Käfigs in Bezug auf Abriebsbeständigkeit wurde eine radiale Lebensdauer-Abriebstestvorrichtung, hergestellt von der Firma NSK Co., Ltd., verwendet. Die Gewichtsänderung der verschiedenen Käfige nach 3000-stündigem Betrieb bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 UpM mit einem Schmiermittel mit einer Viskosität VG von 10, zugeführt mit einer Geschwindigkeit von 1 l/min unter einer radialen Belastung von 5200 N, wurde bestimmt.
Beständigkeit gegen Festfressen
Zur Bewertung der Beständigkeit gegen Festfressen der verschiedenen Käfige wurde eine radiale Lebensdauer-Festfress-Testvorrichtung, hergestellt von der Firma NSK Co., Ltd., verwendet. Die Zeit, die erforderlich war, bis ein Festfressen an dem Käfig auftrat, beim Betrieb mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 UpM unter einer radialen Belastung von 5200 N wurde bestimmt. In die Löcher in den verschiedenen Käfigen wurde jeweils ein Schmiermittel mit einer Viskosität VG von 5 in einer Gesamtmenge von 0,2 ml injiziert. Dann wurde das Schmiermittel sich innerhalb des Käfigs verteilen gelassen.
Die Ergebnisse des Abriebs der verschiedenen Testkäfige und die verstrichene Zeit, bis ein Festtressen der Käfige auftrat, sind zusammen in der Tabelle 1 angegeben. Die Beziehung zwischen der Dicke der porösen Schicht und der Zeit, die erforderlich war, bis an dem Gehäuse ein Festfressen auftrat, wurde dann aus diesen Ergebnissen bestimmt und ist in Form eines Diagramms in der 6 graphisch dargestellt.
Das Vergleichsbeispiel A bezieht sich auf einen rein-nitrierten Käfig mit einer dichten Schicht mit einer Dicke von weniger als 3 μm. Das Vergleichsbeispiel A hat den Nachteil, dass eine ungleichmäßige dichte Schicht den höchsten Abrieb unter allen Beispielen ergibt.
Das Vergleichsbeispiel B bezieht sich auf einen rein-nitrierten Käfig mit einer dichten Schicht mit einer Dicke von mehr als 20 μm. Das Vergleichsbeispiel B hat den Nachteil, dass die Abnahme der Härte der dichten Schicht zu einem sehr großen Abrieb führt.
Das Vergleichsbeispiel C bezieht sich auf einen rein-nitrierten Käfig mit einer porösen Schicht mit einer Dicke von weniger als 2 μm. Das Vergleichsbeispiel C hat den Nachteil, dass die poröse Schicht den Schmierfilm nicht schützen kann, sodass innerhalb eines kurzen Zeitraums ein Festfressen des Käfigs hervorgerufen wird.
Das Vergleichsbeispiel D bezieht sich auf einen rein-nitrierte Käfig mit einer porösen Schicht mit einer Dicke von mehr als 25 μm. Das Vergleichsbeispiel D hat den Nachteil, dass die Zunahme des anfänglichen Abriebs begleitet ist von einer Verschlechterung der Schmier-Bedingungen, die bewirken, dass der Käfig innerhalb eines kurzen Zeitraums festfrißt.
Das heißt mit anderen Worten, ein Käfig, bei dem die Dicke entweder der dichten Schicht oder der porösen Schicht außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegt wie die rein-nitrierten Käfige der Vergleichsbeispiele A bis D weist keine ausreichende Abriebsbeständigkeit und keine ausreichende Beständigkeit gegen Festfressen auf und kann somit nicht als nitrierter Käfig verwendet werden.
Die Vergleichsbeispiele E bis H beziehen sich auf Käfige, die auf unterschiedliche Weise einer Weichnitrierung unterworfen wurden, wobei die Dicke entweder der dichten Schicht oder der porösen Schicht außerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung liegt. Diese Vergleichsbeispiele haben den Nachteil, dass dann, wenn die Dicke der dichten Schicht außerhalb des Bereiches von 3 bis 20 μm liegt, die Käfige zum Abrieb neigen, und dass dann, wenn die Dicke der porösen Schicht außerhalb des Bereiches von 2 μm bis 25 μm liegt, die Käfige dazu neigen, dass die Beständigkeit gegen Festfressen schlechter wird. Keiner dieser Käfige kann als nitrierter Käfig verwendet werden.
Andererseits beziehen sich die erfindungsgemäßen Beispiele A bis I auf Käfige, die einer Reinnitrierung oder einer Weichnitrierung auf unterschiedliche Weise unterzogen worden sind, wobei die Dicke der dichten Schicht und der porösen Schicht innerhalb des Bereiches von 3 μm bis 20 μm bzw. 2 μm bis 25 μm liegt. Wenn die Dicke der dichten Schicht und der porösen Schicht somit innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegt, kann ein Käfig mit einer guten Abriebsbeständigkeit und einer guten Beständigkeit gegen Festfressen erhalten werden unabhängig von der Art der Nitrierung. Der Effekt der vorliegenden Erfindung ist daher offensichtlich.
Im einzelnen weist erfindungsgemäß, wie vorstehend angegeben, dann, wenn ein Preßkäfig, der aus einem kaltgewalzten Stahlblech hergestellt worden ist, so nitriert wird, dass die Dicke der dichten Schicht und der porösen Schicht innerhalb des Berei ches von 3 μm bis 20 μm bzw. 2 μm bis 25 μm liegt, dieser eine drastisch verbesserte Abriebsbeständigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen auf, verglichen mit den konventionellen nitrierten Käfigen. Es kann somit ein Käfig für ein Wälzlager hergestellt werden, der auch unter strengen Bedingungen, wie sie neuerdings bei Wälzlagern auftreten, ausreichend gute Eigenschaften aufweist. Es kann dadurch ein großer praktischer Effekt erzielt werden.
Bei dem oben genannten Käfig für Wälzlager mit einer Nitridschicht, die besteht aus einer dichten Schicht mit einer Dicke von 3 μm bis 20 μm und einer porösen Schicht mit einer Dicke von 2 μm bis 25 μm, der eine ausgezeichnete Abriebsbeständigkeit als Basis aufweist (erste Ausführungsform), kann eine weitere Verbesserung der Beständigkeit gegen Festfressen des oben genannten Käfigs für ein Wälzlager wie nachstehend beschrieben erzielt werden (zweite Ausführungsform).
Wie bereits angegeben, werden die Betriebsbedingungen eines Wälzlagers immer strenger. Insbesondere weist unter strengen Betriebsbedingungen, beispielsweise beim Hochlast-Niedriggeschwindigkeits-Betrieb oder beim Schnellaktivierungs-Betrieb, sogar ein nitrierter Käfig den Nachteil auf, dass er einem Festfressen unterliegt als Folge eines Gleitkontakts zwischen dem Führungs-Laufring und dem Lagerring.
Um das oben genannte Problem zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, den Käfig nicht nur einer Nitrierung oder Weichnitrierung, sondern auch einer Oxonitrierung zu unterwerfen, bei der es sich um eine Nitrierung, kombiniert mit einer Oxidation, handelt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Käfig sich festfrißt als Folge eines Gleitkontakts mit dem Lagerring. Bei einigen Behandlungsbedingungen ist die resultierende Abriebsbeständigkeit jedoch schlechter als diejenige, die durch Nitrieren oder Weichnitrieren erzielt wird.
Die Erfinder haben umfangreiche Untersuchungen durchgeführt zur Lösung des oben genannten Problems. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die Abriebsbeständigkeit eines Käfigs für ein Wälzlager, der einer Oxonitrierung unterworfen worden ist, von der durchschnittlichen Oberflächen-SauerstofFkonzentration abhängt. Es wurde ferner gefunden, dass dann, wenn ein Preßkäfig, hergestellt aus einem kaltgewalzten Stahl blech, einer Oxonitrierung unterworfen wird, sodass die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration auf einen vorgegebenen Bereich eingestellt wird, ein Käfig erhalten werden kann, der nicht nur eine gute Beständigkeit gegen Festfressen, sondern auch eine gute Abriebsbeständigkeit aufweist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben daher einen Stahlkäfig für ein Wälzlager gefunden, der einer solchen Oxonitrierung unterworfen worden ist, dass die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration auf einen Bereich von 1,0 Gew.-% bis 25,0 Gew.-% eingestellt ist.
Dieser Vorschlag wird nachstehend näher beschrieben.
Als Oxonitrierungsverfahren sind bereits bekannt (1) ein Verfahren, bei dem das Material einer Reinnitrierung oder einer Weichnitrierung in einem Gas unterworfen wird, das hauptsächlich aus NH₃ besteht, und danach das Material einer Oxidation mit Sauerstoff, Luft, überhitztem Wasserdampf oder dgl. in dem gleichen oder in einem getrennten Ofen unterworfen wird (auf eine Salzbad-Weichnitrierung kann eine Salzbad-Oxidation folgen), und (2) ein Verfahren, bei dem die Behandlung in einer gemischten Atmosphäre durchgeführt wird, die NH₃ und einige Prozent eines oxidierenden Gases wie Sauerstoff, Luft und überhitzten Wasserdampf, enthält.
Bei dem zuerst genannten Verfahren (1) werden eine Oxidschicht und eine Nitrid-Schicht auf der Oberfläche des Käfigs gebildet. Andererseits werden bei dem zuletzt genannten Verfahren (2) eine Oxidschicht, eine Oxonitridschicht und eine Nitridschicht auf der Oberfläche des Käfigs gebildet. In jedem Fall werden in der Verbindungsschicht nicht nur ein Nitrid, sondern auch ein Oxonitrid und/oder ein Oxid gebildet, das nicht-metallische Eigenschaften aufweist, wodurch eine drastische Verbesserung der Beständigkeit gegen Festfressen erzielt wird.
Um den Effekt der Oxonitrierung auf die Beständigkeit gegen Festfressen zu untersuchen, haben die Erfinder einen Test mit Teststiften durchgeführt, die verschiedenen Nitrierungsverfahren, beispielsweise einer Reinnitrierung, einer Weichnitrierung und einer Oxonitrierung, unterworfen wurden, um die Oberfläche derselben zu modifizieren, unter Verwendung einer Reibungsverschleißtest-Vorrichtung vom Faville-Le Val ly-Typ, wie sie bereits weiter oben erwähnt ist (2), um die Abriebsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Festfressen zu bewerten. Die Tabelle 2 zeigt die Testergebnisse. Als Schmiermittel wurde ein Turbinenöl verwendet. Die Reibgeschwindigkeit betrug 0,15 m/s.
Tabelle 2
Wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, weist der Käfig, der einer Oxonitrierung unterworfen worden ist, eine verbesserte Beständigkeit gegen Festfressen auf, verglichen mit denjenigen, die nicht behandelt worden sind oder nitriert worden sind. Unter strengen Betriebsbedingungen, wie sie neuerdings anzutreffen sind, kann dieser Effekt in ausreichendem Maße erzielt werden. Um jedoch eine solche ausgezeichnete Beständigkeit gegen Festfressen zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass die Oxidschicht und die Oxonitridschicht eine bestimmte oder eine höhere Dicke aufweisen. Wenn dagegen diese Schichten eine zu große Dicke haben, treten Probleme auf, beispielsweise eine geringe Dimensionsgenauigkeit, eine Ablösung und ein Abrieb. Daher liegt die Dicke von Oxidschicht oder Oxidschicht plus Oxonitridschicht vorzugsweise in dem Bereich von 3,5 bis 30 μm. Die Obergrenze beträgt vorzugsweise mindestens 25 μm.
Der Grund dafür, dass die Obergenze der Oxidschicht oder von Oxidschicht plus Oxonitrid-Schicht (Tiefe ab der Oberfläche) auf 30 μm (mindestens 25 μm) festgelegt wird, ist der, dass die weiter oben bereits erwähnte poröse Schicht (maximale Dicke: 25 μm) vollständig oxidiert wird, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Wenn der obere Abschnitt der dichten Schicht geringfügig oxidiert wird, können bessere Ergebnisse erhalten werden. Der Grund dafür, dass die untere Grenze der Dicke der Oxidschicht oder von Oxidschicht plus Oxonitrid-Schicht auf 3,5 μm festgelegt wird, ist der, dass die Dicke der Oxidschicht oder von Oxidschicht plus Oxonitrikdschicht mindestens 3,5 μm betragen muß, um einen ausreichenden Oxonitrierungseffekt zu erzielen, der von der Weichnitrierung eindeutig unterscheidbar ist. Obgleich eine übliche Nitrierung zu einer Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 bis 2 μm in der Behandlungs-Atmosphäre führen kann, kann dadurch eine Verbesserung der Beständigkeit gegen Festfressen, wie sie durch die Oxonitrierung zu erwarten ist, nicht erzielt werden.
Die Eisenoxide, die in der Verbundschicht enthalten sind, die auf der Oberfläche eines Stahl-Käfigs durch Oxonitrierung gebildet wird, umfassen FeO, Fe₃O₄ und Fe₂O₃. Da FeO und Fe₃O₄ die Haftung des Käfigs an den Wälzkörpern verhindert unter Herabsetzung der Reibung, weist der Käfig, der einer Oxonitrierung unterworfen worden ist, eine bessere Abriebsbeständigkeit auf als diejenigen, die einer Nitrierung unterworfen worden sind. Da jedoch die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration zunimmt, steigt auch der Gehalt an Fe₂O₃. Fe₂O₃ ist hart und ein Schleifmaterial und weist somit hohe Reibungs-Eigenschaften auf. Daher weist ein oxonitrierter Käfig mit einem hohen Gehalt an Fe₂O₃ einen hohen Reibungskoeffizienten in dem Bereich auf, der mit den Wälzkörpern in Kontakt kommt, sodass ein erhöhter Abrieb auftritt und somit über einen längeren Zeitraum hinweg kaum eine zuverlässige Abriebsbeständigkeit aufrechterhalten werden kann.
Die Erfinder haben einen Amsler-Abriebstest vom Zwei-Zylinder-Typ auf einem Salzbad-oxonitrierten SPCC-Material mit unterschiedlichen durchschnittlichen Oberflächen-Sauerstoffkonzentrationen durchgeführt, um den Einfluß der durch die Oxonitrierung entwickelten Oberflächen-Sauerstoffkonzentration auf die Abriebsbeständigkeit zu untersuchen. Die Testergebnisse sind in der 7 in Form eines Diagramms graphisch dargestellt.
Bezüglich der Test-Bedingungen wurde der Abriebstest mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 1000 UpM und einem Rutsch-Prozentsatz von 10 % bei einer Belastung von 20 kg durchgeführt. Als Schmiermittel wurde SAE30-Motoröl verwendet.
In dem Diagramm gibt die gestrichelte Linie den Abrieb von SPCC an, das keiner Oxidation, jedoch einer Salzbad-Nitrierung unterworten worden war. Da die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration, die durch die Salzbad-Oxonitrierung sich entwickelte, ansteigt, nimmt der Gehalt an Eisenoxid in SPCC zu, wodurch die Haftung verhindert und somit der Abrieb minimiert werden. Wenn jedoch die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration 25 Gew.-% übersteigt, nimmt der Fe₂O₃-Gehalt in der Verbundschicht zu, wodurch ein schneller Anstieg des Abriebs und damit eine Verschlechterung der Abriebsbeständigkeit hervorgerufen werden, die stärker ist als in dem Fall, in dem nur eine Nitrierung durchgeführt wurde. Der erwünschte Effekt der Oxonitrierung kann somit nicht erzielt werden. Wenn dagegen die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration unter 1 Gew.-% liegt, nimmt der Abrieb stärker zu als für den Fall, dass nur eine Nitrierung durchgeführt wird. In entsprechender Weise kann der gewünschte Effekt der Oxonitrierung nicht erzielt werden.
Aus den oben genannten Ergebnissen ergibt sich, dass die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration, die durch Oxonitrierung erzielt wird, erfindungsgemäß 1,0 Gew.-% bis 25,0 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, beträgt.
Beispiel 2
Nachstehend wird ein Versuch beschrieben, der durchgeführt wurde, um den Effekt der zweiten Ausführungsform zu bestätigen.
Preßkäfige entsprechend einem sich selbst einstellenden Wälzlager 22212 wurden aus einem kaltgewalzten Stahlblech SPCC hergestellt. Diese Preßkäfig wurden dann auf unterschiedliche Weise einer solchen Oxonitrierung unterworfen, dass verschiedene durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentrationen erhalten wurden unter Bildung von Testkäfigen, die dann den nachfolgend beschriebenen Tests unterworfen wurden. In den erfindungsgemäßen Beispielen und in den Vergleichsbeispielen wurde die Oxonitrierung durchgeführt unter Anwendung einer NH₃-Gas-Nitrierung (Wassergehalt im NH₃: 3 %), einer Gas-Weichnitrierung plus einer atmosphärischen Luft-Oxidation und einer Salzbad-Weichnitrierung plus einer Salzbad-Oxidation. Ein Käfig, der nur der Salzbad-Weichnitrierung unterworfen worden war, wurde zu denjenigen der Vergleichsbeispiele hinzugefügt.
Abriebsbeständigkeit
Um die Abriebsbeständigkeit des Käfigs zu beurteilen, wurde eine radiale Lebensdauer-Abriebstestvorrichtung, hergestellt von der Firma NSK Co., Ltd., verwendet. Es wurde die Gewichtsänderung der verschiedenen Käfige nach 3000-stündigem Betrieb bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 UpM mit einem Schmiermittel mit einer Viskosität VG von 10, das mit einer Rate von 1 l/min zugeführt wurde, bei einer radialen Belastung von 5200 N bestimmt.
Beständigkeit gegen Festfressen
Zur Bewertung der Beständigkeit gegen Festfressen der verschiedenen Käfige wurde eine radiale Lebensdauer-Festfreß-Testvorrichtung, hergestellt von der Firma NSK Co., Ltd., verwendet. Es wurde die Zeit bestimmt, die erforderlich war, bis ein Festfressen an dem Gehäuse auftrat beim Betrieb mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 UpM unter einer radialen Belastung von 5200 N. In die Löcher in den verschiedenen Käfigen wurde jeweils ein Schmiermittel mit einer Viskosität von VG von 5 in einer Gesamtmenge von 0,2 ml injiziert. Das Schmiermittel wurde dann sich innerhalb des Käfigs verteilen gelassen.
Die Ergebnisse in Bezug auf die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration und den Abrieb der verschiedenen Test-Käfige und in Bezug auf die Zeit, die erforderlich war, bis ein Festtressen der Käfige auftrat, sind gemeinsam in der Tabelle 3 angegeben. Zur Bestimmung der durchschnittlichen Kreisform-Oberflächen-Sauerstoffkonzentration wurde der zu testende Käfig auf der äußersten Oberfläche mittels EPA abgetastet. Aus den Meßwerten wurde dann ein Durchschnittswert gebildet.
Tabelle 3
Die Vergleichsbeispiele A' bis C' beziehen sich auf Käfige, die auf unterschiedliche Weise einer Oxonitrierung unterworfen worden waren. Alle diese Vergleichsbeispiele weisen eine durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration von mehr als 25 Gew.-% auf, welche die Bildung von Eisenoxid verursacht, das nicht-metallische Eigenschaften aufweist, die eine gute Beständigkeit gegen Festfressen ergeben. Diese Käfige weisen jedoch einen erhöhten Fe₂O₃-Gehalt auf, der einen hohen Abrieb verursacht und sie weisen somit einen hohen Abrieb auf und können nicht als oxonitrierter Käfig verwendet werden.
Das Vergleichsbeispiel D' bezieht sich auf einen Käfig, der nur einer Salzbad-Weichnitrierung unterworfen worden ist. Der Käfig weist eine durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration von nur 0,3 Gew.-% auf und weist somit einen geringen Abrieb auf, unterliegt jedoch innerhalb eines kurzen Zeitraums einem Festfressen.
Andererseits beziehen sich die erfindungsgemäßen Beispiele A' bis I' auf Käfige, die einer Oxonitrierung Unterworfen worden sind, sodass sie eine durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration von weniger als 25 Gew.-% aufweisen. Die Oxonitrierung führt zur Bildung von Eisenoxid, das eine weit bessere Beständigkeit gegen Festfressen ergibt als die Weichnitrierung in dem Vergleichsbeispiel D'. Wenn die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration so festgelegt wird, dass sie nicht mehr als 25 Gew.-% beträgt, kann außerdem der Fe₂O₃-Gehalt minimiert werden, sodass keine Abriebsprobleme auftreten, und dadurch ist es möglich, einen oxonitrierten Käfig herzustellen, der sowohl eine ausgezeichnete Abriebsbeständigkeit als auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Festfressen aufweist.
Wie oben erwähnt, ist bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wenn ein Preßkäfig, hergestellt aus einem kaltgewalzten Stahlblech, einer Oxonitrierung unterworten wird, die resultierende Beständigkeit gegen Festfressen drastisch verbessert, verglichen mit nitrierten Käfigen. Wenn die durchschnittliche Oberflächen-Sauerstoffkonzentration auf 25 Gew.-% eingestellt wird, kann außerdem die üblicherweise mangelhafte Abriebsbeständigkeit von oxonitrierten Käfigen eliminiert werden, wodurch es möglich wird, einen oxonitrierten Käfig zur Verfügung zu stellen, der in ausreichender Weise eine gute Abriebsbeständigkeit und eine gute Beständigkeit gegen Festfressen unter strengen Betriebsbedingungen für das Wälzlager, wie sie neuerdings anzutreffen sind, aufweist.
Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
Die dritte Ausführungsform bezieht sich auf einen Käfig für ein Wälzlager, der zusätzlich zu einer guten Abriebsbeständigkeit und einer guten Beständigkeit gegen Festfressen eine ausgezeichnete Schleifbeständigkeit aufweist, die durch Bildung einer sulfurierten Schicht auf der Nitridschicht (poröse Schicht plus dichte Schicht) erhalten wird.
Wie bereits unter Bezugnahme auf die erste und zweite Ausführungsform oben beschrieben, kann ein Käfig für ein Wälzlager, der unter strengen Betriebsbedingungen verwendet werden kann, bereitgestellt werden, indem man einen Preßkäfig, hergestellt aus einem kaltgewalzten SPCC-Material oder einem SPCE-Material oder aus einem rostfreien Stahlblech einer Nitrierung, beispielsweise einer Reinnitrierung, einer Weichnitrierung und einer Oxonitrierung in der Weise unterwirft, dass die Abriebsbeständigkeit, die Beständigkeit gegen Festfressen und die Beständigkeit gegen Ermüden verbessert werden können.
Zwar kann ein Wälzlager, das einen solchen eingearbeiteten Käfig aufweist, für einen langen Zeitraum betrieben werden, der nitrierte Käfig setzt jedoch einen harten Nitridabriebsstaub frei, der als Fremdmaterial wirkt, das ein Schleifen (Beschädigung auf der Gleitoberfläche oder dgl., hervorgerufen durch eine Aggregation von partiellen feinen Verschweißungen) auf den Lagerelementen oder Wälzkörpern hervorrufen kann. Als Folge davon weisen die Wälzkörper ein instabiles Verhalten auf, sodass sie mit dem Käfig kollidieren, wodurch die mechanische Lebensdauer des Käfigs vermindert oder ein Geräusch hervorgerufen wird, beispielsweise ein Käfigrauschen und ein Quietschen.
Als Mittel zu Eliminierung dieser Probleme wird in JP-A-11-182556 ein Käfig vorgeschlagen, der einer Gassulfonitrierung unterworten worden ist unter Bildung einer sulfonitrierten Schicht, die dessen Beständigkeit gegen Festfressen verbessert. Da jedoch die Dicke der sulfonitrierten Schicht zu groß ist und 100 bis 400 μm beträgt, haften die sulfurierte Schicht und die Verbindungsschicht unzureichend aneinander und können sich somit leicht voneinander ablösen oder voneinander trennen, was dazu führt, dass die sulfonitrierte Schicht ihre Beständigkeit gegen Festfressen oder ihre Beständigkeit gegen Schleifen verliert. Als Folge davon wird der sulfonitrierte Käfig beschädigt als Folge einer plötzlichen Bewegung der Wälzelemente und kann somit nicht über einen längeren Zeitraum hinweg verwendet werden.
Die dritte Ausführungsform der Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Probleme entwickelt. Die dritte Ausführungsform stellt einen Käfig für ein Wälzlager zur Verfügung, der eine ausgezeichnete Schleifbeständigkeit neben einer ausgezeichneten Abriebsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Festfressen und Ermüdungsbeständigkeit aufweist, wie dies für nitrierte Käfige charakteristisch ist, und der somit über einen längeren Zeitraum verwendet werden kann, ohne dass ein Schleifen an der Oberfläche der Lagerelemente oder Wälzkörper auftritt, und somit ohne dass die mechanische Lebensdauer vermindert wird oder ein Käfigrauschen oder Quietschen erzeugt wird.
Die Erfinder haben viele Untersuchungen durchgeführt. Als Ergebnis wurde gefunden, dass die Schleifbeständigkeit eines Käfigs von der Dicke der sulfurierten Schicht oder der Zwischenschicht in der sulfonitrierten Schicht abhängt. Das heißt mit anderen Worten, es wurde gefunden, dass dann, wenn ein Stahl-Preßkäfig einer Sulfonitrierung unterworfen wird, sodass die Dicke der resultierenden sulfonitrierten Schicht oder der sulfurierten Schicht plus der Zwischenschicht 0,1 bis 10 μm beträgt, eine ausreichende Schleifbeständigkeit gewährleistet werden kann.
Die dritte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend näher beschrieben.
Beispiele für Sulfonitrierungsverfahren, die erfindungsgemäß angewendet werden können, sind die folgenden drei Verfahren:

(1) ein Salzbad-Sulfonitrierungsverfahren, bei dem ein nitrierendes Salzbad verwendet wird, dem ein Schwefelsalz in einem Alkalicyanat (durch Sulfonitrierung) einverleibt worden ist;
(2) ein Gas-Sulfonitrierungsverfahren, bei dem ein Gemisch aus carburierendem Gas, nitrierendem Gas und sulfurierendem Gas, beispielsweise ein Gemisch aus CO₂, (NH₃ + N₂) und H₂S, verwendet wird;
(3) ein ionisches Sulfonitrierungsverfahren, bei dem eine Gleichstrom-Glimmentladung in einem Gasgemisch erzeugt wird, das N₂-Gas und H₂-Gas bei ei nem Druck von einigen wenigen Torr enthält und das gegebenenfalls CH₄-Gas und Ar-Gas mit darin eingearbeitetem H₂S enthält, unter Bildung eines ionisierten gasförmigen Materials, das dann in der Oberfläche des zu behandelnden Produkts in einem elektrischen Feld eingeschlossen wird.

Alle diese Verfahren umfassen die gleichzeitige Durchführung einer Nitrierung und einer Sulfurierung und können somit bei verminderten Kosten durchgeführt werden.
Wenn ein Stahl-Preßkäfig unter Anwendung irgendeines dieser Verfahren einer Sulfonitrierung unterworfen wird, wird auf der Oberfläche des Käfigs in einer Stufe eine sulfonitrierte Schicht 12, wie in 8 dargestellt, gebildet. Die sulfonitrierte Schicht 12 weist je nach den angewendeten Sulfonitrierungsverfahren unterschiedliche Strukturen auf. Wenn das Salzbad-Sulfonitrierungsverfahren (1) oder das Gas-Sulfonitrierungsverfahren (2) angewendet wird, werden eine sulfurierte Schicht 12a und eine Verbundschicht (die eine poröse Schicht 3 und eine Dichteschicht 2 umfasst) gebildet. Wenn das ionische Sulfonitrierungsverfahren (3) angewendet wird, werden eine sulfurierte Schicht 12a, eine Zwischenschicht 12b und eine Verbundschicht 1 gebildet. Die sulfurierte Schicht 12a besteht aus einer schwarzen Struktur. Die Zwischenschicht besteht aus einer schwarzgrauen Struktur. Die Verbundschicht besteht aus einer weißen Struktur. Die sulfurierte Schicht 12a und die Zwischenschicht 12b bestehen hauptsächlich aus einem Sulfid (beispielsweise FeS, Fe_1–XS). Die Verbundschicht 1 besteht hauptsächlich aus einem Nitrid (beispielsweise ε-Fe₂-₃N, γ'-Fe₄N) und einem Carbid (Fe₃C).
Da die sulfurierte Schicht 12a und die Zwischenschicht 12b in der sulfonitrierten Schicht 12 selbstschmierend sind, wird der Reibungskoeffizient vermindert unter Herabsetzung des Reibungsverlustes, wodurch die Abriebsbeständigkeit verbessert wird. Da es selbst unter solchen Betriebsbedingungen, die einen mechanisch zerstörenden Abrieb ergeben, ein weicher Kontakt erzielt wird, der einen Anstieg der Temperatur als Folge der Reibungswärme, die eine Haftung verursacht, inhibiert, wird eine gute Beständigkeit gegen Festfressen während einer unzureichenden Schmierung erzielt. Da die sulfurierte Schicht 12a und die Zwischenschicht 12b darüber hinaus eine gute Schleifbeständigkeit aufweisen, tritt kein Schleifen an den Wälzkörpern und an den Lagerringen auf, wodurch die mechanische Lebensdauer des Käfigs während einer lang anhaltenden Verwendung verlängert wird und das Auftreten eines Käfigrauschens oder -quietschens verhindert wird.
Im einzelnen wird bei dem Sulfonitrierungsverfahren gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung die Verbundschicht 1 (poröse Schicht 3 und Dichteschicht 2), die als Substrat fungiert, bei einer ausgezeichneten Abriebsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Festfressen und Ermüdungsbeständigkeit gehalten. Die schmierende sulfurierte Schicht 12a und die Zwischenschicht 12b, die auf der Verbundschicht 1 gebildet worden ist, weist auch eine ausgezeichnete Schleifbeständigkeit auf. Bei dieser Anordnung kann ein Käfig für ein Wälzlager bereitgestellt werden, der über einen längeren Zeitraum hinweg verwendet werden kann, ohne dass ein Schleifen an der Oberfläche der Lagerelemente oder Wälzkörper auftritt, und somit ohne Herabsetzung der mechanischen Lebensdauer oder ohne Erzeugung eines Käfigrauschens oder -quietschens.
In einem sulfonitrierten Käfig hängen die Beständigkeit gegen Festfressen und die Abriebsbeständigkeit von der Dicke der dichten Schicht 2 und der porösen Schicht 3 in der Verbundschicht 1 ab wie im Falle eines nitrierten Käfigs. Auch in einem sulfonitrierten Käfig können dann eine ausgezeichnete Abriebsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Festfressen erzielt werden, wenn die Dicke der dichten Schicht 2 und der porösen Schicht 3 in der Verbundschicht 1 3 μm bis 20 μm bzw. 2 μm bis 25 μm betragen. Insbesondere führt die Nitrierung eines Preßkäfigs aus einem rostfreien Stahl, wie SUS304, zu einer ungleichmäßigen Hydrierung als Folge der Ungleichmäßigkeit der Dicke des Oxidfilms (Cr₂O₃) auf der Oberfläche desselben. Andererseits umfassen die Gas-Sulfonitrierung und die ionische Sulfonitrierung die Verwendung einer Gasatmosphäre, die einverleibtes H₂S enthält. Die Oberflächenaktivierung durch H₂S bewirkt somit, dass ein Käfig aus rostfreiem Stahl gleichmäßig nitriert wird, wodurch eine bessere Abriebsbeständigkeit, eine bessere Beständigkeit gegen Festfressen, eine bessere Ermüdungsbeständigkeit und eine bessere Schleifbeständigkeit als bei den konventionellen nitrierten Käfigen erzielt wird.
Beispiel 3
Nachstehend wird ein Schleifbeständigkeitstest beschrieben, der zur Bestätigung des Effekts der dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurde.
In dem erfindungsgemäßen Test wurde ein anguläres Lager entsprechend Call Nr. 7 013, das einen darin befestigten Probenkäfig aufwies, für eine vorgegebene Zeitspanne betrieben. Der Rauschpegel des gesamten Lagers wurde dann nach dem in JIS B1548 beschriebenen Verfahren gemessen, um die Schleifbeständigkeit des Testkäfigs zu bewerten.
Als Probenkäfige wurden solche verwendet, die erhalten wurden, indem man einen Preßkäfig, hergestellt aus SPCC und SUS304, einer Sulfonitrierung auf unterschiedliche Weise unterzog, sodass die Dicke der sulfurierten Schicht oder von sulfurierter Schicht plus Zwischenschicht variierte. Das Meßverfahren ist in der 9 schematisch dargestellt. Ein Mikrofon D wurde vor einem Testlager W angeordnet, das auf der Rotationsachse C in einer solchen Anordnung befestigt war, dass die zentrale Achse des Mikrofons D das frontale Zentrum des Testlagers W unter einem Winkel von 45° nach oben ab der Rotationsachse D kreuzte. Der Abstand L zwischen dem frontalen Zentrum und der oszillierenden Platte E des Mikrofons E wurde auf 100 mm festgelegt. Das Testlager W wurde dann mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 1800 UpM unter einer axialen Belastung F von 40 N 200 h lang betrieben. Der Rauschpegel des gesamten Testlagers wurde dann unter Verwendung eines Präzisions-Rauschmeters gemessen. Die Testergebnisse sind in der 10 angegeben.
Wenn die Dicke der sulfurierten Schicht oder von sulfurierter Schicht plus Zwischenschicht unter 0,1 μm liegt, steigt der resultierende Schalldruck. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein harter Nitridabriebsstaub gebildet wird durch den gleitenden Abrieb der Wälzkörper an dem Käfig während eines längeren Betriebs. Da der auf diese Weise gebildete Nitridabriebsstaub eine wiederholte Bewegung gegenüber dem Käfig und den Wälzkörpern durchführt, tritt eine feine Beschädigung oder ein feines Festfressen (Verschweißen), d.h. ein Schleifen an den Wälzkörpern und den Lagerringen auf. Die Wälzkörper führen eine unregelmäßige Bewegung durch und es tritt somit eine wiederholte Kollision mit dem Käfig auf. Als Folge davon wird die Lebensdauer des Käfigs vermindert oder es tritt ein Geräusch, beispielsweise ein Käfigrauschen und -quietschen auf.
Wenn die Sulfonitridschicht eine sulfurierte Schicht oder eine sulfurierte Schicht plus Zwischenschicht eine Dicke von 0,1 μm oder mehr aufweist, kann die resultierende Schleifbeständigkeit drastisch verbessert werden, wodurch das Auftreten des Schleifens an den Wälzkörpern oder den Lagerringen eliminiert wird. Der sulfonitrierte Käfig kann daher gut verwendet werden bei einem niedrigeren Schalldruck auch während einer längeren Gebrauchsdauer.
Wenn dagegen die Dicke von sulfurierter Schicht oder sulfurierter Schicht plus Zwischenschicht 10 μm übersteigt, haften die Zwischenschicht und die Verbundschicht unzureichend aneinander und es kann somit ein leichtes Ablösen oder Abtrennen der Schichten voneinander auftreten, sodass die Verbundschicht allein auf der Oberfläche des Käfigs zurückbleibt. In diesem Fall geht die Schleifbeständigkeit, die ursprünglich charakteristisch für den sulfonitrierten Käfig ist, verloren. Die resultierende schnelle Bewegung der Wälzkörper führt zu einem drastischen Anstieg des Schalldruckes, wodurch es unmöglich wird, den sulfonitrierten Käfig über einen längeren Zeitraum hinweg zu verwenden.
Die oben genannten Ergebnisse wurden nicht nur für SPPC-Käfige, sondern auch für Käfige aus rostfreiem Stahl erhalten.
Wie aus den obigen Ergebnissen hervorgeht, wird bei der dritten Ausführungsform der Erfindung ein Käfig, hergestellt aus einem kaltgewalzten Stahlblech oder aus rostfreiem Stahl, einer Sulfonitrierung in der Weise unterzogen, dass die Dicke der sulfonitrierten Schicht oder von sulfurierter Schicht plus Zwischenschicht 0,1 μm bis 10 μm beträgt. Der resultierende Käfig weist neben einer ausgezeichneten Abriebsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Festfressen und Ermüdungsbeständigkeit, die charakteristisch für nitrierte Käfige sind, eine ausgezeichnete Schleifbeständigkeit auf und kann somit über einen längeren Zeitraum hinweg verwendet werden, ohne dass ein Schleifen an der Oberfläche der Lagerelemente oder Wälzkörper auftritt und ohne dass die mechanische Lebensdauer des Käfigs vermindert wird oder ein Käfigrauschen oder -quietschen entsteht.
Wie oben angegeben, werden erfindungsgemäß die Dicke der dichten Schicht und der porösen Schicht, welche die Verbundschicht aufbauen, die durch Nitrierung auf einem kaltgewalzten Preßkäfig erzeugt worden ist, eingestellt auf einen Bereich von 3 μm bis 20 μm bzw. 2 μm bis 25 μm. Bei dieser Anordnung können die Abriebsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Festfressen drastisch verbessert sein, verglichen mit konventionellen nitrierten Käfigen. Als Folge davon kann ein Käfig für ein Wälzlager zur Verfügung gestellt werden, der diese Eigenschaften in ausreichendem Maße auch unter strengen Betriebsbedingungen für Wälzlager aufweist.

Claims

Stahlkäfig für ein Wälzlager mit einer durch Oxonitrierung auf einer Oberfläche desselben erzeugten Verbundschicht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verbundschicht eine dichte Schicht (2) mit einer Dicke von 3 μm bis 20 μm und eine poröse Schicht (3) mit einer Dicke von 2 μm bis 25 μm aufweist, wobei die genannte poröse Schicht (3) auf der genannten dichten Schicht (2) ausgebildet ist, und dass die Verbundschicht in ihrer Oberfläche eine durchschnittliche Sauerstoffkonzentration von 1,0 Gew.-% bis 25,0 Gew.-% aufweist.
Stahlkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der genannten dichten Schicht im Bereich von 5 μm bis 10 μm liegt.
Stahlkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht eine Oxid/Nitridschicht auf ihrer Oberfläche aufweist, die eine Oxidschicht und eine Nitridschicht mit einer Dicke von 3,5 μm bis 30 μm umfaßt.
Stahlkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe einer Oxonitrierung unter Verwendung von Sauerstoff, Luft oder überhitztem Wasserdampf unterzogen worden ist.
Stahlkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (3) eine Porosität im Bereich von 10 bis 60 % aufweist.
Stahlkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der porösen Schicht (3) im Bereich von 10 μm bis 24 μm liegt.