DE4419035A1

DE4419035A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE4419035A1
Application number: DE4419035A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Okita; Yasuo Utsumi; Akihiro Kiuchi
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1994-12-01
Anticipated expiration: 2014-06-01
Also published as: JPH06341441A; GB9410857D0; US6325867B1; GB2278613A; JP3326874B2; GB2278613B; DE4419035C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager, sie bezieht sich insbesondere auf ein langlebiges Wälzlager mit einem verbesserten Schleifwirkungsgrad, das für die Verwendung in Getrieben und Motoren von Automobilen, landwirtschaftlichen Maschinen, Baumaschinen, Maschinen für die eisenschaffende Industrie und dgl. geeignet ist, und auf ein Wärmebehand lungsverfahren zum Härten einer Oberfläche, um ein langlebi ges Wälzlager herzustellen.

Wälzlager werden üblicherweise hergestellt nach einem Ver fahren, bei dem man in der Regel ein Material aus Einsatz stahl auswalzt, dieses dann unter heißen, warmen oder kalten Bedingungen schmiedet und durch Drehen schneidet. Zur Ver besserung der Lebensdauer (Gebrauchsdauer) von Wälzlagern werden verschiedene Oberflächenhärtungsbehandlungen durchge führt, beispielsweise eine Carbonitrierung in dem Tempera turbereich von 650 bis 900°C, woran sich eine Ölabschreckung anschließt, oder eine Carburierung in dem Temperaturbereich von 900 bis 950°C, an die sich eine Carbonitrierung in dem Temperaturbereich von 800 bis 860°C anschließt, auf die ihrerseits eine Ölabschreckung folgt. Diese Oberflächenhär tungsbehandlungen tragen zu einer ausgeprägten Verbesserung der Anlaßbeständigkeit (Temperaturbeständigkeit) des Wälz lagers bei, wodurch seine Beständigkeit gegen Verschleiß (Abrieb) und Korrosion ausreichend erhöht wird, um seine Lebensdauer (Gebrauchsdauer) zu verlängern.

Wälzlager werden in einer immer unwirtlicheren Umgebung ver wendet und die Forderung nach Verlängerung ihrer Lebensdauer (Gebrauchsdauer) wird daher immer stärker.

Unter diesen Umständen wird in der geprüften japanischen Patentpublikation Nr. Sho 62-24,499 und in der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. Hei 2-34,766 vorgeschla gen, eine Wärmebehandlung, beispielsweise eine eine Carbu rierung (Aufkohlung) in der Weise durchzuführen, daß spheroi dale (rundliche Schneidcarbide auf der Oberfläche eines niedriglegierten Stahls mit niedrigem bis mittlerem Kohlen stoffgehalt ausgefällt werden, um dadurch die Härte der Stahloberfläche (die Oberfläche der äußeren und inneren Laufringe sowie der Wälzkörper) zu verbessern unter gleich zeitiger Verlängerung der Lebensdauer des Wälzlagers.

Wälzlager werden häufig unter schmutzigen Schmierbedingungen in Gegenwart von Fremdmaterial verwendet. In der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. Sho 64-55,423 wird vorge schlagen, daß der Kohlenstoffgehalt, die Rest-Austenitmenge (γ_R Vol.-%) und der Gehalt an Carbonitriden in der Wälzkörperoberflächenschicht eines Lagers auf geeignete Werte eingestellt werden, wodurch die Spannungskonzentration an den Kanten von Zähnen, die durch das Fremdmaterial gebil det werden, ausreichend herabgesetzt wird, um das Auftreten einer Rißbildung zu unterdrücken, während gleichzeitig die Wälzlebensdauer des Lagers verlängert wird.

Das herkömmliche Verfahren, wie es in der geprüften japani schen Patentpublikation Nr. Sho 62-24,499 und in der unge prüften japanischen Patentpublikation Nr. Hei 2-34,766 be schrieben ist, bezieht sich auf die Verbesserung der Ober flächenhärte der Laufringe und Wälzkörper, wodurch die Stärke der Zahnbildung durch das Fremdmaterial verringert wird. Andererseits nimmt die Beständigkeit (Zähigkeit) der Laufringe und Wälzkörper ab und Risse breiten sich aus, aus gehend von den beschädigten Bereichen, die durch das Fremd material in dem Schmieröl hervorgerufen werden; diese Risse dienen als Ausgangspunkt für ein frühzeitiges Ausbrechen (Reißen), wodurch es unmöglich wird, eine zufriedenstellende Verlängerung der Lebensdauer des Lagers zu erzielen.

Nach dem in der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. Sho 64-55,423 beschriebenen herkömmlichen Verfahren ist es möglich, die Lebensdauer eines Wälzlagers un ter schmutzigen Schmierbedingungen zu verlängern aufgrund der Anwesenheit einer geeigneten Menge von Rest-Austenit. Andererseits setzt der Rest-Austenit die Oberflächenhärte des Lagers herab und beeinträchtigt seine Ermüdungsbeständigkeit. Man ist daher immer noch bemüht, eine geeignetere Beziehung zwischen der Menge an Rest-Au stenit (γ_R Vol.-%) und der Oberflächenhärte (Hv) zu ermit teln.

Unter den genannten Umständen hat die Anmelderin der vor liegenden Anmeldung bereits früher eine optimale Beziehung zwischen der Menge an Rest-Austenit (γ_R Vol.-%) in der Wälzoberflächenschicht eines Wälzlagers und seiner Ober flächenhärte (Hv) gefunden. Außerdem wurde von der Anmelde rin der vorliegenden Anmeldung ein langlebiges Wälzlager vorgeschlagen, in dem die durchschnittliche Teilchengröße der Carbide und Carbonistide in der Wälzoberflächenschicht auf optimale Werte eingestellt wurden, um dadurch das Problem der verminderten Oberflächenhärte als Folge der An wesenheit von Rest-Austenit zu lösen.

In der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. Hei 3-24, 258 wird ein Verfahren zum Nitrieren eines Einsatz stahl-Elements in dem Temperaturbereich von 750 bis 800°C und das anschließende Carburieren desselben bei einer Tem peratur von nicht unter 900°C oder das Carbonitrieren des selben bei einer Temperatur von nicht unter 800°C vorge schlagen. Durch die Nitrierungsbehandlung wird der Stick stoff in die Oberflächenschicht getrieben, wodurch die Stickstoffkonzentration in der Oberfläche erhöht wird und die nachfolgende Carburierungsbehandlung (Aufkohlungsbehandlung) ermöglicht die Diffusion des Stickstoffs, so daß er zusammen mit dem Kohlenstoff tief in die Oberflächenschicht eindringt, wodurch ein langlebi ges Wälzlager erhalten wird.

Das vorstehend beschriebene Wälzlager wurde bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 650 bis etwa 900°C carbonitriert, bei Temperaturen also, die üblicher weise als "übliche Behandlungstemperaturen" bezeichnet werden. Bei einem solchen Wälzlager, das ei ner Carbonitrierung bei den üblichen Behandlungstemperatu ren unterworfen worden ist, ist jedoch eine mehr als er forderlich große Menge an Stickstoff in der wärmebehandel ten Oberflächenschicht enthalten, so daß die Neigung be steht, daß Carbonistide in großen Mengen ausgeschieden werden und daß, was noch wichtiger ist, dieser überschüs sige Stickstoff zu einer übermäßig verbesserten Beständig keit gegen Temperung (Anlassen) und Verschleiß beiträgt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Rest-Austenit, der in einer mehr als erforderlich großen Menge vorliegt, die Bearbeitbarkeit der Lager mit einer Schleifmaschine beeinträchtigt (verschlechtert). Dem in der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. Hei 3-24, 258 vorgeschla genen Verfahren wurde daher keine Beachtung geschenkt we gen des Problems in bezug auf die Schleif-Bearbeitbarkeit.

Ein weiteres Problem, das bei den hier diskutierten Carbo nitrierungs- und Nitrierungsbehandlungen auftritt, besteht darin, daß, da sie bei niedrigeren Temperaturen als die üblichen Carburierungsbehandlungen (Aufkohlungsbehand lungen) durchgeführt werden, eine übermäßig lange Zeit er forderlich ist zur Herstellung einer gehärteten Schicht der gleichen Art wie diejenige, die durch Carburierung (Aufkohlung) erzielt wird; als Folge davon nimmt die Pro duktivität ab, die Gestehungskosten steigen an.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die bei der obenge nannten Temperatur durchgeführte Carbonitrierungsbehand lung so viel Zeit in Anspruch nimmt, daß die Carbonitride dazu neigen, in der Laufrichtung (Fließrichtung) des Mate rials eine grobe Struktur anzunehmen und als Ausgangspunkt für die Ausbreitung von Rissen dienen, wodurch die Ermüdungslebensdauer des Endprodukts herabgesetzt wird.

Angesichts dieser Umstände besteht daher ein Ziel der vor liegenden Erfindung darin, ein Wälzlager bereitzustellen, das einen verbesserten Schleifwirkungsgrad besitzt und den noch eine signifikant längere Wälzlebensdauer hat.

Dieses Ziel der Erfindung kann erreicht werden durch ein Wälzlager aus einer Stahllegierung, die 0,1 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff enthält und einer Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebehandlung unterworfen wird, wonach ein Ein schleifen eines Schleifzugabe- bzw. Schleiftoleranz-Ab schnitts durchgeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens einer der geschliffenen fertig bearbeiteten Teile in einer Oberflächenschicht eine Kohlenstoffkonzentra tion in dem Bereich von 0,9 Gew.-% bis 1,6 Gew.-% und Stick stoff in dem Bereich von 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% beinhal tet und daß ein Stickstoffgradient in der Oberflächenschicht 0,5 Gew.-%/mm nicht übersteigt.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Oberflächenschicht" ist die ab der Oberfläche eines durch Schleifen fertig be arbeiteten (nachbehandelten) Teils gemessene Tiefe bis zu dem Punkt, der 2% des Durchmessers Da eines Wälzkörpers entspricht, an dem sich eine maximale Scherspannung entwickelt (die Tiefe dieses Punktes wird nachstehend als "2% Da-Tiefe" bezeichnet).

Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Stickstoff-Gradient" ist die Änderungsrate der Stickstoffkonzentration (Gew.-%) in der Oberflächenschicht zu verstehen, gemessen in Rich tung der Tiefe; der Stickstoffgradient, ausgedrückt in Gew.-%/mm, ist definiert durch die folgende Gleichung:
{(Stickstoffkonzentration in der Oberfläche eines fertig bearbeiteten Teils) - (Stickstoffkonzentration in der 2% Da-Tiefe)}/2% Da-Tiefe.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wälzla gers wird die Carbonitrierungsbehandlung zweckmäßig nach einem der folgenden Schemata durchgeführt: sie wird bei einer Temperatur von über 900°C durchgeführt; oder sie wird zuerst durchgeführt bei einer Temperatur von nicht über 900°C und dann durch eine Diffusionsbehandlung er setzt; oder sie wird zuerst durchgeführt bei einer Tem peratur, die 900°C nicht übersteigt, und dann bei einer Temperatur von über 900°C.

Das erfindungsgemäße Wälzlager soll nicht mehr als 0,3 Gew.-% Stickstoff in dem Schleiftoleranz- bzw. Schleifzugabe-Abschnitt enthalten, der den Carboni trierungs- und Härtungsbehandlungen unterworfen worden ist, und daher wird Stickstoff nicht in einer mehr als er forderlich großen Menge in dem Schleiftoleranz- bzw. Schleifzugabe-Abschnitt enthalten sein. Die Beständigkeit des Lagers gegen Temperung (Anlassen) und Verschleiß wird daher nicht übemäßig stark verbessert durch überschüssigen Stickstoff und statt dessen wird die Bearbeitbarkeit durch Schleifen in vernünftiger Weise verbessert.

Das Lager enthält als Fertigteil 0,05 Gew.-% (einschließ lich) bis zu 0,3 Gew.-% (einschließlich) Stickstoff in der Oberflächenschicht und dies stellt sicher, daß durch die Carbonitrierungsbehandlung feinkörnige Carbide gebildet werden können, ohne daß grobe Teilchen ausgeschieden wer den. Infolgedessen ist die Wälz-Ermüdungslebensdauer des Lagers beträchtlich verbessert.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das den Ablauf einer Wärmebehand lung erläutert, wie sie in den erfindungsgemäßen Beispielen durchgeführt wird;

Fig. 2 ein Diagramm, das den Ablauf einer anderen Wär mebehandlung erläutert, wie sie in den erfin dungsgemäßen Beispielen durchgeführt wird;

Fig. 3 ein Diagramm, das den Ablauf einer noch weiteren Wärmebehandlung erläutert, wie sie in den erfin dungsgemäßen Beispielen durchgeführt wird;

Fig. 4 ein Diagramm, das den Ablauf noch einer anderen Wärmebehandlung erläutert, wie sie in den erfin dungsgemäßen Beispielen durchgeführt wird;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in einem Schleiftole ranz- bzw. Schleifzugabe-Abschnitt von Proben, wie sie in den erfindungsgemäßen Beispielen her gestellt werden, und der Anzahl der Stücke, die geschliffen werden können, bis eine Nachbearbei tung (Schärfung) der Schleifscheibe erforderlich wird, erläutert;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in der Oberflächen schicht von fertigbearbeiteten Teilen der in den erfindungsgemäßen Beispielen hergestellten Proben und der Wälzlebensdauer (L₁₀) dieser Pro ben erläutert;

Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffgradienten (Gew.-%/mm) in der Oberflä chenschicht von fertigbearbeiteten Teilen der in den erfindungsgemäßen Beispielen hergestell ten Proben und dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in dem Schleiftoleranz- bzw. Schleifzugabe-Ab schnitt erläutert;

Fig. 8(A) und 8(B) Mikrophotographien, welche die metall urgische Struktur in der Nähe der Oberflächen schicht von konventionellen Wälzlagern (Rollen lagern) zeigen;

Fig. 8(C) eine Mikrophotographie, welche die metallurgi sche Struktur in der Nähe der Oberflächenschicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers zeigt;

Fig. 9 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in dem Schleiftole ranz- bzw. Schleifzugabe-Abschnitts des Wälzla gers und der Anzahl der Stücke, die geschliffen werden können, bevor eine Nachbearbeitung (Schärfung) der Schleifscheibe erforderlich wird, zeigt,

Fig. 10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in der Oberflächen schicht eines Wälzlagers (als Fertigteil) und seiner Wälzlebensdauer (L₁₀) zeigt;

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in einer Position ent sprechend einer Tiefe von 2% des durchschnitt lichen Durchmessers der Wälzkörper in einem Wälzla ger (als Fertigteil) und seiner Wälzlebensdauer (L₁₀) unter sauberen Schmierbedingungen zeigt; und

Fig. 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stick stoffgehalt (Gew.-%) in einer Position in einer Tiefe entsprechend 2% des durchschnittlichen Durch messers der Wälzkörper in einem Wälzlager (als Fer tigteil) und seiner Wälzlebensdauer (L₁₀) unter quasi heißen, sauberen Schmierbedingungen zeigt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Spezifizie rung von Gehalten verschiedener Elemente, aus denen das Wälzlager zusammengesetzt ist.

Die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte in dem erfindungs gemäßen Wälzlager und sein Stickstoffgradient, der der Konzentrationsgradient von Stickstoff in der Tiefenrichtung ist, werden nachstehend in bezug auf ihren kritischen Charakter und in bezug auf andere Aspekte beschrieben.

Kohlenstoffgehalt in dem Kernmaterial Mindestens 0,1 Gew.-%, jedoch nicht mehr als 1,2 Gew.-%

Damit ein Wälzlager die erforderliche Härte (HRC 60) er reicht, muß seine Oberflächenschicht mindestens 0,6 Gew.-% Kohlenstoff enthalten. Wenn das Kernmaterial (das Lagerma terial), das durch Carbonitrierung oberflächengehärtet werden soll, weniger als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff enthält, wird die Dauer der Carbonitrierungsbehandlung verlängert, selbst wenn sie erfindungsgemäß wie nachstehend beschrie ben durchgeführt wird, so daß die Herstellungskosten stei gen bei gleichzeitiger Abnahme der Produktivität. Außerdem hat das Kernmaterial eine derart geringe Härte, daß es ei ner plastischen Verformung unterliegt, wodurch die Lebens dauer des Wälzlagers verkürzt wird.

Wenn der Kohlenstoffgehalt des Kernmaterials 1,2 Gew.-% übersteigt, ist vor Durchführung der vorstehend beschrie benen Carbonitrierungsbehandlung eine spezielle Vorbehand lung erforderlich; da sonst Makrocarbide wie Fe₃C₇ und Cr₃C in dem Stahlherstellungsverfahren ausgeschieden wer den. Es sei auch darauf hingewiesen, daß diese Makrocar bide auch nach der Carbonitrierungsbehandlung dazu neigen, ausgeschieden zu werden, und daß sie als Ausgangspunkt für die Ausbreitung von Rissen dienen, die gegebenenfalls zu einer sehr kurzen Lebensdauer des Wälzlagers führt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß weniger Kohlenstoff und Stickstoff während der Carbonitrierung in das Material gelangen und die Mengenanteile dieser Elemente, die sich in der Matrix lösen, abnehmen unter Bildung einer un gleichförmigen festen Lösung, die zu einer Quelle für eine Spannungskonzentration wird, wodurch die Wälzlebensdauer des Lagers verkürzt wird.

Daher ist der Kohlenstoffgehalt des Kernmaterials darauf beschränkt, daß er innerhalb des Bereiches von 0,1 Gew.-% (einschließlich) bis zu 1,2 Gew.-% (einschließlich) liegt.

Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach Durchführung der Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebe handlungen Nicht mehr als 0,3 Gew.-%

Bekanntlich ist dann, wenn die Carbonitrierung bei Tempe raturen in dem Bereich von etwa 650 bis etwa 900°C durch geführt wird, die allgemein als "übliche Behandlungstempe raturen" bezeichnet werden, der Stickstoff in einer mehr als erforderlich großen Menge in dem Schleifzugabe-Ab schnitt nach den Carbonitrierungs- und Härtungswärme-Be handlungen enthalten. Als Folge davon neigen die Carboni tride dazu, in dem Schleifzugabe-Abschnitt ausgeschieden zu werden, und der in dem Schleifzugabe-Abschnitt enthal tene Stickstoff erhöht die Beständigkeit gegen Temperung und Verschleiß so stark, daß die Schleif-Bearbeitbarkeit des Materials beeinträchtigt (schlechter) wird.

Man kann daher sagen, daß durch Begrenzung der Menge des Stickstoffs, der in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach den Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme-Behandlungen enthal ten ist, die Beeinträchtigung (Verschlechterung) der Schleif-Bearbeitbarkeit als Folge der Anwesenheit von übermäßig viel Stickstoff unterdrückt werden kann.

Auf der Grundlage dieser Beobachtung haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung untersucht, wie die Schleif- Bearbeitbarkeit des Materials beeinträchtigt (schlechter) wird aufgrund des in dem Schleifzugabe-Abschnitt enthalte nen Stickstoffs. Die Untersuchung wurde nach dem folgenden Verfahren durchgeführt.

Proben, die der inneren Laufring-Oberfläche des Wälzlagers entsprachen, das Stickstoffgehalte von 0,1 bis 1,0 in dem Schleifzusatz-Abschnitt aufwies, das Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme-Behandlungen unterworfen worden war, wurden mit einer Schleifscheibe (Schleifrad) geschliffen und es wurde untersucht, wie die Schleifscheibe ihre Form verlor und mit unterschiedlichen Stickstoffgehalten beladen wurde. Gleichzeitig wurde die Anzahl der Probenstücke, die geschliffen werden konnten, bevor eine Nachbearbeitung (Schärfung) der Schleifscheibe erforderlich wurde, ge prüft. Die Untersuchung wurde unter den folgenden Bedin gungen durchgeführt:

Schleifscheibe
WA100
Schleifflüssigkeit	löslicher Typ
Schleif-Umfangsgeschwindigkeit	2800 bis 3000 m/min

Die Ergebnisse sind in der Fig. 9 dargestellt.

Die Fig. 9 zeigt, daß dann, wenn der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt 0,3 Gew.-% und weniger be trägt, die Anzahl der Probestücke, die geschliffen werden können, bevor eine Nachbehandlung (Schärfung) der Schleif scheibe erforderlich wird, deutlich zunimmt, was eine si gnifikante Verbesserung der Schleif-Bearbeitbarkeit des Materials darstellt. Daher ist die Menge des in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach den Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme-Behandlungen enthaltenen Stickstoffs erfin dungsgemäß begrenzt auf einen Wert von nicht mehr als 0,3 Gew.-%.

Fig. 9 zeigt auch, daß die Bearbeitbarkeit des Materials durch Schleifen dadurch weiter verbessert werden kann, daß man sicherstellt, daß die in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach den Carbonitrierungs- und Härtungsbehandlungen ent haltene Stickstoffmenge auf einen Wert von nicht mehr als 0,25 Gew.-% eingestellt wird. Die Menge des in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach den Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme-Behandlungen enthaltenen Stickstoffs wird vorzugsweise eingestellt auf 0,25 Gew.-% und weniger.

Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht von Fertigtei len nach der Carbonitrierungs- und Wärmehärtungsbehandlung Mindestens 0,9 Gew.-%, jedoch nicht mehr als 1,6 Gew.-%

Um die Lebensdauer der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) eines Wälzlagers zu verlängern, ist es er forderlich, daß die Oberflächenhärte der Fertigteile einer optimalen Beziehung in bezug auf die Menge an Rest-Auste nit genügt.

Wenn der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Lagers, das Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme-Behandlungen unterworfen worden ist, weniger als 0,9 Gew.-% beträgt, weisen sie keine zufriedenstellende Oberflächenhärte (Hv) mehr auf und es ist schwierig, ihre Lebensdauer zu verlän gern.

Wenn andererseits der Kohlenstoffgehalt in der Oberflä chenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Lagers nach den Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme- Behandlungen 1,6 Gew.-% übersteigt, werden Makrocarbide wie Fe₃C₇ und Cr₃C in den Fertigteilen des Lagers ausgeschieden und sie werden zum Ausgangspunkt für die Ausbreitung von Rissen, die gegebenenfalls zu einer sehr kurzen Lebensdauer der Fertigteile führen.

Der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Wälzlagers nach den Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärme-Behandlungen ist da her erfindungsgemäß dahingehend eingeschränkt, daß er innerhalb des Bereiches von 0,9 Gew.-% (einschließlich) bis 1,6 Gew.-% (einschließlich) liegt.

Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht eines Fertig teils Mindestens 0,05 Gew.-%, jedoch nicht mehr als 0,3 Gew.-%

Die Oberfläche der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) eines Wälzlagers, das nach den Carbonitrierungs- und Här tungs-Wärme-Behandlungen einer Oberflächenschleifung unterworfen worden ist, muß die für die Verlängerung der Wälzlebensdauer des Lagers erforderliche Stickstoffmenge enthalten.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Bezie hung zwischen dem Stickstoffgehalt in der Oberflächen schicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Lagers und ihrer Wälzlebensdauer nach dem folgenden Ver fahren untersucht.

Es wurden Proben in der Weise hergestellt, daß der Stick stoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbei teten Teile eines Wälzlagers innerhalb des Bereiches von 0 bis 0,6 Gew.-% variiert wurde. Für jeden Wert des Stickstoffgehaltes wurden 10 Proben hergestellt und jede von ihnen wurde einem Wälzlebensdauertest unter schmutzi gen Schmierbedingungen unterworfen unter Verwendung einer Druck-Lagerstahl-Lebensdauertestvorrichtung des Typs, wie er auf den Seiten 10 bis 21 in "Tokushuko Binran (Handbook of Specialty Steels)", erste Auflage, gesammelt von Denki Seiko Kenkyusho und publiziert von Rikogakusha, 25. Mai 1969, beschrieben ist. Es wurden Weibull-Diagramme aufge stellt durch Untersuchung der kumulativen Spannungscyclen (Lebensdauer) bis zum Auftreten eines Ausbrechens (Spannungsrißbildung) in den jeweiligen Proben und es wurde die L₁₀-Lebensdauer jeder Probe aus den Profilen der jeweiligen Weibull-Verteilungen bestimmt. Die Testbedin gungen waren folgende:

Wälzkörper-Durchmesser Da
9,5 mm (2% Da ≃ 0,18 mm)
P_max (Flächendruck)	4900 MPa
Anzahl der Umdrehungen	3000 UpM
Schmieröl	Turbinenöl #68
Verunreinigungen @	Art	Fe₃ C-Basenpulver
Härte	HRC 52
Korngröße	74-147 µm
Gehalt	300 ppm in dem Schmieröl

Die Ergebnisse sind in der Fig. 10 dargestellt.

Die Fig. 10 zeigt, daß dann, wenn der Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbeiteten Teile eines Wälzlagers weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, die Auflösung von Stickstoff unzureichend ist, um feinkörnige Carboni tride zu bilden, wodurch die Wälzlebensdauer des Lagers (L₁₀-Lebensdauer) drastisch verkürzt wird.

Bei groß dimensionierten Lagern ist der Wert für eine 2% Da-Tiefe, wo sich eine maximale Scherspannung entwickelt, groß (d. h. die Oberflächenschicht ist tief). Ebenso wie kleine Lager erfordern auch groß dimensionierte Lager, daß eine geeignete Stickstoffmenge in der Oberflächenschicht enthalten ist, um die Wälzlebensdauer zu verlängern. Es ist daher erforderlich, daß großdimensionierte Lager eine tiefere Stickstoffpenetration aufweisen als kleine Lager.

Unter schmutzigen Schmierbedingungen haben die Menge an Rest-Austenit in der Wälz-Oberfläche und ihre Härte (Stickstoffgehalt) überragende Effekte auf die Wälz-Ermü dungslebensdauer des Lagers; unter sauberen oder quasi- heißen sauberen Schmierbedingungen sind die Härte und der Stickstoffgehalt in der Position der maximalen Scherspan nung ebenfalls einflußreich.

Unter diesen Umständen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein zylindrisches Wälzlager NU220 (Außen-Durch messer 180; Innen-Durchmesser 100; Breite 34) als groß di mensioniertes Lager ausgewählt und die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Lagers (in einer 2% Da-Tiefe) und ihrer Wälzlebensdauer unter sauberen und quasi-heißen sauberen Schmierbedingungen untersucht. Die Untersuchung wurde un ter Anwendung des folgenden Verfahrens durchgeführt.

Es wurde das vorstehend beschriebene Verfahren zur Bestim mung der L₁₀-Lebensdauer angewendet, jedoch mit der Aus nahme, daß die folgenden Testbedingungen auf eine radiale Lager-Haltbarkeits-Testvorrichtung der Firma NSK Ltd. an gewendet wurden. Die L₁₀-Lebensdauer wurde in h ausge drückt.
Für eine saubere Schmierung

Wälzkörper-Durchmesser Da
20 mm (2% Da = 0,4 mm)
P_max (Flächendruck)	2500 MPa
Anzahl der Umdrehungen	1500 UpM
Schmieröl	Turbinenöl #68
Öltemperatur	70 bis 80°C

Für eine quasi-heiße saubere Schmierung

Wälzkörper-Durchmesser Da
20 mm (2% Da = 0,4 mm)
P_max (Flächendruck)	2500 MPa
Anzahl der Umdrehungen	1500 UpM
Schmieröl	Turbinenöl #150
Öltemperatur	130 bis 140°C

Die Ergebnisse sind in den Fig. 11 und 12 jeweils dargestellt.

Die Fig. 11 zeigt, daß dann, wenn der Stickstoffgehalt in der 2% Da-Tiefe weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, die Wälz-Ermüdungslebensdauer des Lagers abfällt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Auflösung von Stickstoff unzureichend ist, um eine zufriedenstellende Temperbestän digkeit zu erzielen und feinkörnige Carbonitride in ausreichenden Mengen zu bilden.

Die Fig. 12 zeigt, daß in einer quasi-heißen Atmosphäre, die etwas heißer ist als die Temperaturen, bei denen die Lager in der Regel eingesetzt werden, die Wälz-Ermüdungs lebensdauer des Lagers weiter abnimmt (schlechter wird) wenn der Stickstoffgehalt in der 2% Da-Tiefe weniger als 0,05 Gew.-% beträgt.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß bei Proben, deren Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der Fertigteile 0,3 Gew.-% übersteigt, die Menge des in dem Schleifzugabe- Abschnitt enthaltenen Stickstoffs nach den Carbonitrie rungs- und Härtungs-Wärmebehandlungen gemäß der vorliegen den Erfindung 0,3 Gew.-% übersteigt, es schwierig ist, eine Verbesserung der Schleifbearbeitbarkeit des Materials zu erzielen.

Deshalb ist der Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Wälzlagers dahingehend begrenzt, daß er innerhalb des Bereiches von 0,05 Gew.-% (einschließlich) bis zu 0,3 Gew.-% (ein schließlich) liegt.

Stickstoffgradient in der Oberflächenschicht von Fertig teilen Nicht mehr als 0,5 Gew.-%/mm

Um den Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt bei 0,3 Gew.-% und darunter zu halten, wird eine spezielle Carbonitrierungs-Wärmebehandlung unter Anwendung der nach stehend beschriebenen Schemata durchgeführt. Als Ergebnis haben die Konzentrationsgradienten von Kohlenstoff und Stickstoff, insbesondere der Konzentrationsgradient von Stickstoff in Richtung der Tiefe, die Neigung, nicht nur in dem Schleifzugabe-Abschnitt, sondern auch in der Oberflächenschicht der Fertigteile abzunehmen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die spezielle Carbonitrierungsbehandlung eine Diffusion des Stickstoffs aus der Oberfläche tief in das Innere des Materials hinein erlaubt.

Die Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffgra dienten in der Oberflächenschicht von fertig bearbeiteten Teilen (Fertigteilen) eines Lagers und dem Stickstoffge halt in dem Schleifzugabe-Abschnitt (in Gew.-% für einen Maximalwert). Die Fig. 7 zeigt, daß dann, wenn der Stick stoffgradient in der Oberflächenschicht der Fertigteile 0,5 Gew.-%/mm übersteigt, der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt 0,3 Gew.-% übersteigt.

Deshalb ist der Stickstoffgradient in der Oberflächen schicht der Fertigteile in der Weise eingeschränkt, daß er 0,5 Gew.-%/mm nicht übersteigt. Bei Berücksichtigung der Schleifbearbeitbarkeit des Materials wird der Stickstoff gradient in der Oberflächenschicht der Fertigteile vor zugsweise bei 0,4 Gew.-%/mm und darunter gehalten.

Bei einigen Proben eines großdimensionierten Lagers über stieg der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt 0,3 Gew.-% und die Lebensdauer war kurz und dennoch betrug der Stickstoffgradient in der Oberflächenschicht der Fer tigteile nicht mehr als 0,5 Gew.-%/mm (vgl. die folgende Tabelle II). Diese Proben genügten jedoch nicht der Bedin gung in bezug auf den Stickstoffgehalt in der Oberflächen schicht der Fertigteile, wonach dieser innerhalb des Be reiches von 0,05 bis 0,3 Gew.-% liegen soll (entsprechend einem Wert von weniger als 0,05 Gew.-% in der 2% Da- Tiefe).

In entsprechender Weise überstieg bei einigen Proben ei nes kleindimensionierten Lagers der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt 0,3 Gew.-% und dennoch genügte der Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) der Bedingung, daß dieser innerhalb des Bereiches von 0,05 bis 0,3 Gew.-% liegen soll (vgl. die weiter unten folgende Tabelle I). Diese Proben genügten jedoch nicht der Bedingung in bezug auf den Stickstoffgradienten, der 0,5 Gew.-%/mm und weniger betragen soll.

Daraus kann man schließen, daß Lager in dem Bereich von kleinen Größen bis zu verhältnismäßig großen Größen sowohl eine gute Schleifbearbeitbarkeit als auch eine hohe Wälz- Haltbarkeit aufweisen, wenn die oben angebenen beiden Be dingungen gleichzeitig erfüllt sind.

Nachstehend werden die Wärmebehandlungen beschrieben, die erfindungsgemäß durchgeführt werden sollen.

Carbonitrierung

Um die Lebensdauer eines Wälzlagers zu verlängern, wird die Menge an Rest-Austenit (γ_R Vol.-%) in der Carburie rungsbehandlung auf einen optimalen Wert (von beispiels weise 25 bis 45 Vol.-%) eingestellt. Außerdem wird das carburierte Material dann einer Direktabschreckung und an schließend einer zweiten Abschreckung (sekundären Ab schreckung) unterworfen, um den Abfall der Oberflächen härte als Folge der Anwesenheit von Rest-Austenit zu kom pensieren.

Bei diesem Verfahren wird jedoch mehr Kohlenstoff in der Matrix gelöst und für die Bildung von Carbiden steht weni ger Kohlenstoff zur Verfügung; deshalb ist die Bildung von Carbiden vermindert, so daß es schwierig ist, die erfor derliche Oberflächenhärte zu erzielen. Wenn die Carburie rung bei einer erhöhten Kohlenstoffkonzentration durchge führt wird, werden Makrocarbide gebildet, die den Aus gangspunkt für eine Ausbreitung von Rissen darstellen.

Bei der Carbonitrierungsbehandlung werden sowohl Kohlen stoff als auch Stickstoff in der Matrix gelöst und deshalb ist selbst dann, wenn die Menge an Kohlenstoffauflösung in der Matrix vermindert wird durch die Menge an Stickstoff auflösung die Oberflächenhärte, die erzielt werden kann, vergleichbar mit derjenigen, die durch die Carburierungs behandlung erzielt wird. Daher kann die Kohlenstoffkonzen tration kleiner gehalten werden als dann, wenn die Carbu rierung durchgeführt wird, und dadurch wird die Bildung von Makrocarbiden wirksam unterdrückt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Carbonitride, die durch die Carbonitrierung gebildet werden, feinkörni ger sind als die Carbide, die durch Carburierung gebildet werden, und dadurch wird daher die Lebensdauer der Wälzla ger wirksam verlängert.

Erfindungsgemäß wird deshalb eher eine Carbonitrierungsbe handlung als eine Carburierung angewendet.

Die Carbonitrierungsbehandlung kann nach einem der folgen den Schemata durchgeführt werden: sie wird durchgeführt bei einer Temperatur von über 900°C; oder sie wird zuerst bei einer Temperatur, die 900°C nicht übersteigt, durchge führt und dann durch eine Diffusionsbehandlung ersetzt; oder sie wird zuerst bei einer Temperatur, die 900°C nicht übersteigt, und dann bei einer Temperatur von über 900°C durchgeführt. In jedem Falle kann der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt und derjenige in der Oberflä chenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Lagers leicht auf die optimalen Werte eingestellt wer den. Detaillierte Gründe für diesen Effekt werden nachste hend angegeben.

Temperatur für die Carbonitrierungsbehandlung Mehr als 900°C

Das bei der Carbonitrierungsbehandlung verwendete Ammoniak wird in einem ziemlich hohen Prozentsatz selbst bei den üblichen Carbonitrierungstemperaturen zersetzt und, wie von "Netsushori (Heat Treatment)", Band 8, Nr. 6 (Japan Association of Heat Treatment Technology, Dezember 1968) S. 404, oder von "Nihon Kinzoku Gakkaushi 26" (gesammelt vom The Japan Institute of Metals, 1962), S. 91, beschrie ben, ist der Stickstoff bei Temperaturen von mehr als 900°C manchmal kaum nachweisbar.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch ge funden, daß dann, wenn die Carbonitrierung bei Temperatu ren von mehr als 900°C erfindungsgemäß durchgeführt wurde, der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt so eingestellt werden konnte, daß er innerhalb des Bereiches von 0,1 Gew.-% (einschließlich) bis zu 0,3 Gew.-% (einschließlich) liegt.

Bei der konventionellen Carbonitrierungsbehandlung wird der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt so hoch, daß dadurch die Schleifbearbeitbarkeit des Materials beeinträchtigt (verschlechtert) wird. Wenn jedoch die Car bonitrierung bei Temperaturen von mehr als 900°C erfin dungsgemäß durchgeführt wurde, konnte ein Stickstoffkon zentrationsprofil erhalten werden, das im wesentlichen einheitlich war von der Oberfläche des Schleifzugabe-Ab schnitts bis zu der der Oberfläche der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) entsprechenden Tiefe.

Die erfindungsgemäß durchgeführte Carbonitrierungsbehand lung bietet noch einen weiteren Vorteil insofern, als es dadurch möglich ist, eine tiefer gehärtete Schicht zu er zeugen als bei Anwendung der Carbonitrierungsbehandlung′ die bei den üblichen Temperaturen durchgeführt wird. Au ßerdem werden keine groben Carbonitride in der Fließrich tung des Materials gebildet und dies trägt viel zum Ziel (Zweck) der Verlängerung der Wälzlebensdauer des Lagers bei.

Erfindungsgemäß wird die Carbonitrierung besonders bevor zugt bei Temperaturen von mehr als 900°C, jedoch weniger als 980°C, durchgeführt.

Wenn die Carbonitrierungstemperatur 900°C und weniger be trägt, kann der optimale Stickstoffgehalt in dem Schleif zugabe-Abschnitt nicht erzielt werden, wenn nicht eine Diffusionsbehandlung nach der Carbonitrierungsbehandlung durchgeführt wird, dann wird jedoch die Gesamtbehandlungs dauer übermäßig verlängert.

Wenn die Carbonitrierungsbehandlung 980°C und mehr be trägt, wird es schwierig, den erforderlichen Stickstoffge halt für die Erzielung einer hohen Beständigkeit gegen Temperung und Verschleiß zu erzielen. Noch bedeutsamer ist, daß eine sehr große Ofenvorrichtung erforderlich ist.

Daher wird die Carbonitrierungsbehandlung erfindungsgemäß vorzugsweise bei Temperaturen von mehr als 900°C, insbe sondere bei Temperaturen von mehr als 900°C, jedoch weni ger als 980°C, durchgeführt.

Dieses Verfahren ist höchst vorteilhaft, da es nicht nur auf die Herstellung von kleinen Lagern, sondern auch auf die Herstellung von vergleichsweise großen Lagern angewen det werden kann.

Die Carbonitrierungsbehandlung wird zuerst bei Temperatu ren, die 900°C nicht übersteigen, durchgeführt und dann wird sie durch eine Diffusionsbehandlung ersetzt

Wenn die Carbonitrierung bei den üblichen Temperaturen (900°C) durchgeführt wird, steigt der Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt unter Beeinträchtigung (Verschlechterung) der Schleifbearbeitbarkeit des Materi als. Um dieses Problem zu vermeiden, kann die Zufuhr von Ammoniakgas im Verlaufe der Carbonitrierungsbehandlung ge stoppt werden (die Zufuhr eines angereicherten Gases wird jedoch nicht gestoppt) und es wird dafür gesorgt, daß der in dem Schleifzugabe-Abschnitt enthaltene Stickstoff bei den üblichen Carbonitrierungsbehandlungen diffundiert, wo durch der Stickstoffgehalt in diesem Bereich ausreichend vermindert wird, um ein Stickstoffkonzentrationsprofil zu ergeben, das im wesentlichen einheitlich ist von der Ober fläche dieses Bereiches bis zu einer Tiefe, die der Ober fläche der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) ent spricht.

In dem vorstehend beschriebenen Schema wird die Carboni trierung besonders vorteilhaft bei Temperaturen innerhalb des Bereiches von 850°C (einschließlich) bis zu 900°C (einschließlich) durchgeführt. Wenn die Carbonitrierungs behandlung weniger als 850°C beträgt, gelangt kein Kohlen stoff wirksam in die Matrix und die Penetration von Stick stoff nimmt zu unter Verlängerung der Diffusionszeit.

Es ist daher zweckmäßig, die Carbonitrierung zuerst bei Temperaturen von nicht höher als 900°C, vorzugsweise in dem Bereich von 850 bis 900°C, durchzuführen, die dann durch eine Diffusionsbehandlung ersetzt wird.

Dieses Schema der Carbonitrierungsbehandlung ist wirksam bei der Herstellung von vergleichsweise kleinen Wälzla gern, die den Anforderungen sowohl in bezug auf eine lange Wälzlebensdauer als auch in bezug auf eine gute Schleifbe arbeitbarkeit genügen.

Die Carbonitrierungsbehandlung wird zuerst bei Temperatu ren von nicht höher als 900°C und dann bei Temperaturen von über 900°C durchgeführt

Nach ihrem dritten Schema wird die Carbonitrierung bis zu einem gewiesen Grade bei den üblichen Temperaturen für die Carbonitrierungsbehandlung (900 °C) durchgeführt, dann wird die Temperatur auf über 900°C erhöht. Dies ist wirk sam in bezug auf die Herabsetzung des Stickstoffpotentials um einen ausreichenden Grad, um die Diffusion des Stick stoffs zu ermöglichen, der in den Schleifzugabe-Teil ge langt ist. Als Folge davon kann man ein Stickstoffkonzen trationsprofil erzeugen, das im wesentlichen einheitlich ist von der Oberflächenschicht des Schleifzugabe-Ab schnitts bis zu der Tiefe, die der Oberfläche der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) entspricht. Auch in die sem Fall wird die erste Stufe der Carbonitrierungsbehand lung zweckmäßig bei Temperaturen in dem Bereich von 850 bis 900°C durchgeführt aus den oben in Verbindung mit dem zweiten Schema angegebenen Gründen.

Das dritte Schema der Carbonitrierungsbehandlung ermög licht die Erzielung praktisch der gleichen Ergebnisse wie das erste Schema.

Abschreckungsbehandlung

Erfindungsgemäß erfolgt die Abschreckung (Härtungs-Wärme behandlung) den vorstehend beschriebenen verschiedenen Schemata der Carbonitrierungsbehandlung und diese Ab schreckungsbehandlung wird vorteilhaft wie folgt durchge führt.

Üblicherweise wird die Carbonitrierungsbehandlung in er ster Linie zur Verbesserung der Abschreckbarkeit oder zur Erzielung einer Härtung der festen Lösung durch Kohlen stoff und Stickstoff durchgeführt; Kohlenstoff und Stick stoff brauchen daher nur in ausreichenden Gehalten vorzu liegen, um diese beiden Ziele zu erreichen. Deshalb folgt auf die Carbonitrierungsbehandlung die direkte Abschrec kung.

Wenn jedoch die direkte Abschreckung auf eine Carbonitrie rungsbehandlung folgt, die nach den Schemata der Erfindung bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird, werden die Kristallkörner grob wegen der längeren Erhitzung und die mechanische Festigkeit des Materials nimmt ab.

Außerdem wird Kohlenstoff in einer mehr als erforderlich großen Menge in dem Kernmaterial gelöst, wodurch die Menge an Rest-Austenit ansteigt, so daß sie möglicherweise die Dimensionsbeständigkeit des Endprodukts beeinträchtigt.

Unter diesen Umständen wird erfindungsgemäß die Abschrec kung und Temperung (das Anlassen) nach der Carbonitrie rungsbehandlung durchgeführt, indem man zuerst die Tempe ratur von der Carbonitrierungstemperatur herabsetzt auf einen Wert unterhalb des A₁-Umwandlungspunktes (723°C), dann auf einen Wert oberhalb des A₁-Umwandlungspunktes er hitzt (Abschreckungstemperatur) und die gleiche Temperatur hält. Auf diese Weise wird eine zweite Abschreckung (sekundäre Abschreckung) durchgeführt, nicht nur um die Kristallkörner zu raffinieren (zu verfeinern) , sondern auch um den Gehalt an Rest-Austenit in dem Kernmaterial bei einem niedrigen Wert zu halten. Die Menge an Rest-Au stenit kann auf einen geeigneten Wert eingestellt werden durch geeignete Auswahl der sekundären Abschreckungstempe ratur.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn der Kohlenstoff gehalt des Materials nicht mehr als 0,5 Gew.-% beträgt, die direkte Abschreckung nach der Carbonitrierungsbehand lung durchgeführt werden kann, weil das Kernmaterial mit einer geringen Härte in der Lage ist, nicht nur den Abfall der mechanischen Festigkeit zu verhindern, sondern auch die Menge an Rest-Austenit in dem Kernmaterial bei einem niedrigen Wert zu halten. Wie bereits erwähnt, kann die Carbonitrierung erfindungsgemäß durchgeführt werden zur Erzeugung einer geeigneten Menge an Rest-Austenit in der Oberflächenschicht bei niedrigem Stickstoffgehalt; deshalb ist es vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet be vorzugt, ein Material mit einem Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 0,5 Gew.-% zu verwenden und entweder eine direkte Abschreckung durchzuführen oder eine stufenförmige Abschreckung durchzuführen, bei der die Temperatur gering fügig herabgesetzt wird von der Carbonitrierungstemperatur bis auf eine Temperatur oberhalb des A₁-Umwandlungspunk tes, bei der das Material gehalten wird, und danach eine direkte Abschreckung durchgeführt wird.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck "Oberflächenschicht" ist der Bereich zu verstehen, der sich von der Oberfläche der geschliffenen Fertigteile erstreckt bis herunter in eine gewünschte Tiefe, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung die 2% Da-Tiefe ist, die 2% des durchschnitt lichen Durchmessers der Wälzkörper entspricht, in der sich eine maximale Scherspannung entwickelt.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher er läutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiele

Als Materialien (Lagermaterialien) wurden übliche einsatz gehärtete Stähle (SCR 440 und 420) und ein Lagerstahl (SUJ 2) verwendet und den nachstehend beschriebenen verschie denen Wärmebehandlungen unterworfen. Bezüglich der ver schiedenen Arten der Wärmebehandlung, die bei den einzel nen Materialproben angewendet wurden, vgl. die Tabelle I.

Wärmebehandlung A

Wie in Fig. 1 dargestellt, wurde die Carboni trierung in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang bei Tempera turen von 940 bis 960°C durchgeführt, wobei die Konzentra tionen an angereichertem Gas und an Ammoniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wur den. Danach wurden die Proben auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abge schreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterworfen) und anschließend 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung B

Wie in Fig. 1 dargestellt, wurde die Carbonitrierung in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang bei 920 bis 940°C durchge führt, wobei die Konzentrationen an angereichertem Gas und an Ammoniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Danach wurden die Proben auf Raum temperatur abkühlen gelassen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung BX

Wie in Fig. 4 dargestellt, wurde die Carbonitrierung in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang bei 920 bis 940°C durch geführt, wobei die Konzentrationen an angereichertem Gas und an Ammoniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Danach wurden die Proben 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung C

Wie in Fig. 2 dargestellt, wurde die Carbonitrierung in einer Rx-Gas-Atmosphäre 4 h lang bei Temperaturen von 870 bis 890°C durchgeführt, wobei die Konzentrationen an ange reichertem Gas und an Ammoniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Dann wurde nur die Zufuhr von Ammoniakgas gestoppt, die übrigen Ver fahrensbedingungen blieben jedoch die gleichen, und es wurde 1 h lang eine Diffusionsbehandlung durchgeführt. Da nach wurden die Proben auf Raumtemperatur abkühlen gelas sen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehal ten, abgeschreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterwor fen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung D

Wie in Fig. 3 dargestellt, wurde die Carbonitrierung in einer Rx-Gas-Atmosphäre 3 h lang bei Temperaturen von 870 bis 890°C durchgeführt, wobei die Konzentrationen an ange reichertem Gas und an Ammoniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Dann wurde nur die Temperatur auf 940 bis 960°C erhöht und die Carbo nitrierung wurde 2 lang fortgesetzt. Anschließend wurden die Proben auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, wieder er wärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abge schreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung E

Die Carbonitrierung wurde in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang bei 840 bis 860°C durchgeführt, wobei die Konzentra tionen an angereichertem Gas und an Ammoniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wur den. Danach wurden die Proben auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärmebehandlung un terworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung F

Die Carbonitrierung wurde in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang bei Temperaturen von 860 bis 880°C durchgeführt, wo bei die Konzentrationen an angereichertem Gas und an Ammo niakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Danach wurden die Proben auf Raumtempe ratur abkühlen gelassen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärme behandlung unterworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung G

Die Carbonitrierung wurde in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang bei Temperaturen von 870 bis 890°C durchgeführt, wo bei die Konzentrationen an angereichertem Gas und an Ammo niakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Danach wurden die Proben auf Raumtempe ratur abkühlen gelassen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärme behandlung unterworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Wärmebehandlung H

Es wurde eine konventionelle Carburierung bei Temperaturen von 920 bis 940°C 5 h lang durchgeführt. Danach wurden die Proben auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterworfen) und 2 h lang bei 160 bis 200 °C getempert.

Wärmebehandlung AX

Es wurde eine Carbonitrierung bei Temperaturen von 980 bis 990°C in einer Rx-Gas-Atmosphäre 5 h lang durchgeführt, wobei die Konzentrationen an angereichertem Gas und an Am moniakgas über die Bereiche von 0,3 bis 0,7% bzw. 3 bis 10% variiert wurden. Danach wurden die Proben auf Raum temperatur abkühlen gelassen, wieder erwärmt und 30 min lang bei 840 bis 860°C gehalten, abgeschreckt (einer härtenden Wärmebehandlung unterworfen) und danach 2 h lang bei 160 bis 200°C getempert.

Die Proben (Proben Nr. 1 bis 22), die den vorstehend be schriebenen Wärmebehandlungen unterworfen worden waren, wurden untersucht in bezug auf den Stickstoffgehalt (Gew.- %) in dem Schleifzugabe-Abschnitt, den Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht der Fertigteile, den Stickstoff gehalt (Gew.-%) in der Oberflächenschicht der Fertigteile (sowohl in der Oberfläche als auch in einer 2% Da-Tiefe), den Stickstoffgradienten in der Oberflächenschicht (Gew.- %/mm) sowie die Wälzlebensdauer (L₁₀) und die Anzahl der Probestücke, die geschliffen werden konnten, bevor eine Nachbehandlung (Schleifen) der Schleifscheibe erforderlich wurde. Die letzten beiden Parameter wurden nach dem be reits oben unter "Effekte" beschriebenen Verfahren unter sucht.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der Tabelle I angegeben. Die Fig. 5 zeigt in graphischer Form die Bezie hung zwischen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in dem Schleifzugabe-Abschnitt jeder Probe und der Anzahl der Stücke, die geschliffen werden konnten, bevor die Nachbe handlung (Schärfung) des Schleifrades erforderlich wurde; die Fig. 6 zeigt in graphischer Form die Beziehung zwi schen dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in der Oberflächen schicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) des Lagers und seiner Wälzlebensdauer (L₁₀); die Fig. 7 zeigt in graphischer Form die Beziehung zwischen dem Stickstoff gehalt (Gew.-%) in der Oberflächenschicht der Fertigteile und dem Stickstoffgehalt (Gew.-%) in dem Schleifzugabe-Ab schnitt.

Die mit dem zylindrischen Wälzlager, das oben unter "Effekte" beschrieben worden ist, erhaltenen Daten sind in der Tabelle II angegeben.

Wie aus der Tabelle I und der Fig. 5 ersichtlich, wiesen die Proben, deren Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe- Abschnitt nicht mehr als 0,3 Gew.-% betrug, gute Schleif bearbeitungseigenschaften auf, was sich aus der Tatsache ergab, daß mindestens 26 Stücke geschliffen werden konn ten, bevor eine Nachbehandlung (Schärfung) der Schleif scheibe erforderlich wurde; andererseits war bei den Pro ben, deren Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe-Abschnitt 0,3 Gew.-% überstieg, die Schleifbearbeitbarkeit deutlich verschlechtert (beeinträchtigt), da die Anzahl der Stücke, die geschliffen werden konnten, bevor eine Nachbehandlung (Schärfung) erforderlich war, sehr klein war. Diese Ergeb nisse zeigen, daß die Schleifbearbeitbarkeit des Wälzla gers verbessert werden konnte durch Einstellung des Stick stoffgehaltes in dem Schleifzugabe-Abschnitt auf 0,3 Gew.-% und weniger.

Aus den Tabellen I und 11 sowie aus den Fig. 6, 11 und 12 ist außerdem zu ersehen, daß mit Ausnahme der Proben Nr. 21 und 22 diejenigen Proben, deren Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertig bearbeiteten Teile (Fertigteile) mindestens 0,05 Gew.-% betrug, weit längere Wälzlebensdauern (L₁₀) hatten als die Proben, deren Stick stoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertigen Teile weniger als 0,05 Gew.-% betrug. Andererseits waren die Proben, deren Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertigen Teile 0,3 Gew.-% überstieg, nicht akzeptabel, da die Stickstoffmenge, die in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach erfindungsgemäßer Durchführung der Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebehandlungen enthalten war, 0,3 Gew.-% überstieg, wodurch das Ziel der Verbesserung der Schleif bearbeitbarkeit des Wälzlagers beeinträchtigt wurde.

Die Probe Nr. 21 enthielt mindestens 0,05 Gew.-% Stick stoff in der Oberflächenschicht der fertigen Teile und ihre Wälzlebensdauer war dennoch kurz; dies ist darauf zu rückzuführen, daß der Kohlenstoffgehalt in der Oberflä chenschicht der fertigen Teile 1,6 Gew.-% überstieg, so daß eine Ausscheidung von Makrocarbiden auftrat, die für die Wälzlebensdauer des Lagers nachteilig waren.

Die Probe Nr. 22 wies ebenfalls eine kurze Wälzlebensdauer auf und dies war darauf zurückzuführen, daß der Kohlen stoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertigen Teile weniger als 0,9 Gew.-% betrug und unzureichend war, um eine ausreichende Oberflächenhärte für das Lager zu ge währleisten.

Die Tabellen I und II sowie die Fig. 7 zeigen ferner, daß die Proben, deren Stickstoffgehalt in dem Schleifzugabe- Abschnitt nicht mehr als 0,3 Gew.-% betrug, Stickstoffgra dienten von 0,5 Gew.-%/mm und weniger in der Oberflächen schicht der fertigen Teile aufwiesen.

Es zeigte sich, daß die Proben Nr. 1 bis 10 und 23 bis 25 Wärmebehandlungen nach einem der angegebenen erfindungsge mäßen Schemata (A, B, BX, C oder D) unterworfen worden wa ren.

Die Probe Nr. 11 genügte der Bedingung in bezug auf den Stickstoffgradienten und wies ein langes Nachbehandlungs- Intervall auf; ihr Stickstoffgehalt war jedoch so niedrig, daß die Wälzlebensdauer kurz war. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die bei der Wärmebehandlung AX, der die Probe unterworfen wurde, angewendete Carbonitrierungs temperatur 980 bis 990°C betrug.

Umgekehrt wiesen mehrere Proben (Nr. 14, 17 bis 19, 21 und 22) Kohlenstoffgehalte von mehr als 0,3 Gew.-% in dem Schleifzugabe-Abschnitt auf, obgleich ihr Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertigen Teile innerhalb des Bereiches von 0,05 bis 0,3 Gew.-% lag; diese Proben wiesen Stickstoffgradienten von mehr als 0,5 Gew.-%/mm in der Oberflächenschicht der fertigen Teile auf. Selbst wenn der Stickstoffgradient in der Oberflächenschicht der fertigen Teile nicht mehr als 0,5 Gew.-%/mm betrug, wiesen die Pro ben Nr. 27 und 28 Stickstoffgehalte von mehr als 0,4 Gew.- % in dem Schleifzugabe-Abschnitt auf und ihre Wälzlebens dauer war kurz; der Stickstoffgehalt in der 2% Da-Tiefe betrug bei diesen Proben weniger als 0,05 Gew.-%. Man kann daher mit guten Gründen daraus schließen, daß die Bedin gungen in bezug auf den Stickstoffgehalt und den Stick stoffgradienten in der Oberflächenschicht der fertigen Teile gleichzeitig erfüllt sein müssen, um die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen.

Die obengenannten Daten zeigen somit, daß die Proben Nr. 1 bis 10 und 23 bis 25, die den folgenden Bedingungen genüg ten, deutlich verbessert waren in bezug auf die Schleifbe arbeitbarkeit und die Wälzlebensdauer: die Menge des in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach den Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebehandlungen enthaltenen Stickstoff sollte nicht mehr als 0,3 Gew.-% betragen; der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertigen Teile sollte inner halb des Bereiches von 0,9 Gew.-% (einschließlich) bis zu 1,6 Gew.-% (einschließlich) liegen; der Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht der fertigen Teile sollte inner halb des Bereiches von 0,05 Gew.-% (einschließlich) bis zu 0,3 Gew.-% (einschließlich) liegen; und der Stickstoffgra dient in der Oberflächenschicht der fertigen Teile sollte nicht mehr als 0,5 Gew.-%/mm betragen.

Nachstehend werden typische Beispiele für die metallurgische Struktur in der Nähe der Oberflächenschicht eines erfin dungsgemäßen Wälzlagers (eine der Proben wurde der Wärmebe handlung A unterworfen) und konventioneller Wälzlager, von denen jedes wärmebehandelt wurde (jedoch nicht durch Schlei fen bearbeitet wurde), erläutert.

Die Fig. 8(A) und 8(B) sind Mikrophotographien, welche die metallurgische Struktur in der Nähe der Oberflächenschicht der Proben Nr. 13 bzw. 18 zeigen, die in der Tabelle I als konventionelle Wälzlager aufgezählt sind; die Fig. 8(C) ist eine Mikrophotographie, welche die metallurgische Struktur in der Nähe der Oberflächenschicht der Probe Nr. 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Aus den Fig. 8(A) bis 8(B) ist folgendes zu ersehen: je nach Bedingungen der Carbonitrierungsbehandlung sind die konventionellen Wälzlager charakterisiert durch eine aus geprägte Vergröberung der Carbonitridkörner in der Nähe der Oberflächenschicht; andererseits ist das erfindungsge mäße Wälzlager im wesentlichen frei von irgendeiner nach weisbaren Vergröberung der Carbonitridkörner und es tritt keine Lokalisierung des Stickstoffs in der Nähe der Ober flächenschicht auf. Daher ergibt die vorliegende Erfindung nicht nur feinkörnige Carbonitride, die zur Verlängerung der Lebensdauer des Lagers beitragen, sondern sie gewähr leistet auch die Herstellung von Wälzlagern, die eine gute schleifbearbeitbarkeit aufweisen.

In den vorstehend beschriebenen Beispielen wurden SCR 440, SCR 420 und SUJ 2 als Materialien verwendet; es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dies nicht die einzigen Beispiele für Lagermaterialien sind, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sondern daß auch andere Stahl-Sorten, wie z. B. SUJ 3 und SUJ 4, verwendet werden können, so lange sie 0,1 Gew.-% (einschließlich) bis zu 1,2 Gew.-% (ein schließlich) Kohlenstoff im Kern enthalten und die Herstel lung von Wälzlagern erlauben.

Da Chrom und Silicium die Neigung haben, die Auflösung von Stickstoff zu fördern, beeinträchtigen (verschlechtern) sie die Schleifbarkeit des Materials nach dem Carbonitrie ren, wenn sie in großen Mengen enthalten sind. Deshalb wird der Chromgehalt vorzugsweise bei 3 Gew.-% oder weni ger gehalten und der Siliciumgehalt wird vorzugsweise bei 1,0 Gew.-% oder weniger gehalten.

Die Beschreibung der Beispiele bezieht sich auf ein Wälz lager, in dem das Konzept der vorliegenden Erfindung auf mindestens eines seiner Bestandteile angewendet wird, d. h. auf den äußeren Laufring, den inneren Laufring und die Wälz körper. Erfindungsgemäß ist jedoch das Element, das sich relativ zu den Wälzkörpern dreht, überhaupt nicht beschränkt auf den äußeren oder inneren Laufring des Lagers. Die vor liegende Erfindung kann auch auf andere Elemente der Be standteile angewendet werden, die sich relativ zu den Wälz körpern drehen, wie z. B. das Gehäuse, eine Welle, Muttern und Schrauben.

Wie vorstehend beschrieben, enthält das erfindungsgemäße Wälzlager nicht mehr als 0,3 Gew.-% Stick stoff in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach den Carbonitrie rungs- und Härtungs-Wärmebehandlungen, es enthält 0,9 Gew.-% (einschließlich) bis zu 1,6 Gew.-% (einschließlich) Kohlenstoff und 0,05 Gew.-% (einschließlich) bis zu 0,3 Gew.-% (einschließlich) Stickstoff in der Oberflächen schicht der fertigen Teile und es weist einen Stickstoff gradienten von nicht mehr als 0,5 Gew.-%/mm in der genann ten Oberflächenschicht auf. Da Stickstoff in dem Schleif zugabe-Abschnitt nicht in einer mehr als erforderlich großen Menge enthalten ist, besteht keine Möglichkeit, daß überschüssiger Stickstoff eine mehr als erforderliche Ver besserung der Beständigkeit gegen Temperung und Verschleiß oder eine übermäßige Bildung von Rest-Austenit hervorruft. Als weiterer Vorteil trägt die Carbonitrierungsbehandlung, wenn sie erfindungsgemäß durchgeführt wird, zur Bildung von feinkörnigen Carbiden und einer geeigneten Menge an Rest-Austenit bei, ohne eine Ausscheidung von Makrocarbo nitriden zu verursachen. Infolgedessen werden durch die vorliegende Erfindung ausgeprägte Verbesserungen in bezug auf die Schleifbearbeitbarkeit und die Wälzlebensdauer der Lager erzielt.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden kön nen, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfin dung verlassen wird.

Claims

1. Wälzlager, hergestellt aus einer Stahllegierung, die 0,1 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff enthält und einer Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebehandlung unterworfen wird, wonach ein Einschleifen eines Schleifzugabe-Abschnitts des Wälzlagers durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der geschliffenen, fertig bearbeiteten Teile des Wälzlagers in einer Oberflächenschicht des fertig bearbeiteten Teils Kohlenstoff in dem Bereich von 0,9 Gew.-% bis 1,6 Gew.-% und Stickstoff in dem Bereich von 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% umfaßt, und daß ein Stickstoffgradient mit einer Änderungsrate der Stickstoffkonzentration in der Tiefenrichtung der Oberflächenschicht nicht 0,5 Gew.-%/mm übersteigt.

2. Wälzlager, hergestellt aus einer Stahllegierung, die 0,1 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff enthält und einer Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebehandlung unterworfen wird, wonach ein Einschleifen eines Schleifzugabe-Abschnitts des Wälzlagers durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffmenge, die in dem Schleifzugabe-Abschnitt nach der Carbonitrierungs- und Härtungs-Wärmebehandlung ent halten ist, auf nicht mehr als 0,3 Gew.-% begrenzt ist.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Carbonitrierungsbehandlung ausgewählt ist aus:

- einer Behandlung, die bei einer Temperatur von über 900°C und nicht mehr als 980°C durchgeführt wird;
- einer Behandlung, die zuerst bei einer Temperatur von nicht mehr als 900°C durchgeführt wird und dann durch eine Diffusionsbehandlung ersetzt wird; und
- eine Behandlung, die zuerst bei einer Temperatur von nicht mehr als 900°C und dann bei einer Temperatur von mehr als 900°C durchgeführt wird.

4. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbonitrierungsbehandlung bei einer ersten Temperatur durchgeführt wird und die Härtungs-Wärmebehandlung eine Abschreck- und Temperbehandlung, durchgeführt bei einer zweiten Temperatur, auf die nach Erniedrigung der ersten Temperatur auf Raumtemperatur von Raumtemperatur zurück erwärmt wird, umfaßt.