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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wälzlager, insbesondere auf Wälzlager,
die dazu geeignet sind, in einem durch Fremdstoffe kontaminierten Öl verwendet
zu werden.
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Wälzlager
zur Verwendung in durch Fremdstoffe kontaminiertem Öl umfassen
bekannte Wälzlager
mit Lagerringen und Wälzkörpern aus
einem Stahlmaterial mit einem Gehalt von 0,5 bis 1,2 Gewichts-%
Kohlenstoff und 0,7 bis 3,0 Gewichts-% Chrom, welche einer Karburierungsbehandlung
ausgesetzt werden. Der Oberflächenschichtbereich
der Lauffläche
von jedem der Lagerringe und der Oberflächenschichtbereich der Rollfläche eines
jeden Wälzkörpers haben
einen Kohlenstoffgehalt von 1,5 bis 3,0 Gewichts-% und eine Rockwell-Härte C von zumindest 63 und
umfassen eine karburierte Schicht, die Karbide enthält, die
sich als feine kugelförmige
Partikel niederschlagen und einen Durchmesser von bis zu 10 μm aufweisen,
in einer Menge von 15 bis 18 % als Bereichsverhältnis. Die Matrix der karburierten
Schicht hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 0,7 Gewichts-% (siehe
JP-A Nr. 41934/1995).
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Es
hat sich jedoch herausgestellt, dass die zuvor beschriebenen Wälzlager
eine unzufriedenstellende Lebensdauer aufweisen, da Wälzlager
in den letzten Jahren unter Bedingungen mit zunehmender Belastung eingesetzt
werden.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das vorstehend genannte
Problem zu überwinden
und ein Wälzlager
zu schaffen, das eine längere
Lebensdauer aufweist als die nach dem Stand der Technik bekannten Wälzlager.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Wälzlager mit Lagerringen und
Wälzkörpern, die
aus einem Stahlmaterial bestehen, das 0,15 bis 0,3 Gewichts-% Kohlenstoff
enthält
und Wärmebehandlungen
einschließlich
einer Karburierung ausgesetzt ist, wobei eine Oberflächenschicht
der Lauffläche
jedes der Lagerringe und eine Oberflächenschicht der Lauffläche eines
jeden Wälzkörpers einen
Kohlenstoffgehalt von 1,0 bis 1,5 Gewichts-% aufweist, eine Rockwell-Härte C von
64 bis 66, eine Kompressions-Restspannung von 150 bis 2000 MPa,
eine maximale Karbid-Teilchengröße von bis
zu 3 μm
und ein Kar bid-Bereichsverhältnis
von 10 bis 25 % in einer Tiefe von 0 bis 50 μm, gemessen von der äußersten
Oberfläche
der Oberflächenschicht,
wobei die Oberflächenschichten
einen Kohlenstoffgehalt von 0,75 bis 1,3 Gewichts-%, 150 bis 1000
MPa Kompressions-Restspannung, 25 bis 45 % Rest-Austenit-Gehalt,
bis zu 1 μm
maximale Karbidpartikelgröße und ein
Karbidbereichsverhältnis
bis zu 15 % in einer Tiefe von 50 bis a/5 μm aufweisen (wobei a die tatsächliche
Tiefe in μm
ist), bei vergleichbarer Messungsweise.
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Das
verwendete Stahlmaterial enthält
beispielsweise 0,15 bis 0,3 Gewichts-% Kohlenstoff, 1,2 bis 1,6 Gewichts-%
Chrom, 0,35 bis 0,55 Gewichts-% Silicium und 0,35 bis 0,65 Gewichts-%
Mangan, Resteisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
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Das
erfindungsgemäße Wälzlager
hat eine verlängerte
Lebensdauer in sauberen Ölen
und ferner in Ölen,
die durch Fremdstoffe verunreinigt sind.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Das
Stahlmaterial, das als Rohmaterial für das erfindungsgemäße Wälzlager
dient, sollte auf einen Kohlenstoffgehalt von 0,15 bis 0,3 Gewichts-%
aus dem folgenden Grund begrenzt werden. Der Vorgang der Karburierung,
auf den ein Abschrecken folgt, dient dazu, eine Differenz des Kohlenstoffgehalts
zwischen der karburierten Oberflächenschicht
und dem Rohmaterial zu schaffen, um sicherzustellen, dass das Wälzlager aufgrund
der Umwandlung während
des Abschreckens die erforderliche Kompressions-Restspannung aufweist.
Falls der Kohlenstoffgehalt des Stahl-Rohmaterials kleiner ist 0,5
Gewichts-% ist die für
das Wälzlager erforderliche
innere Härte
nicht erreichbar, während
bei einem Gehalt von mehr als 0,3 Gewichts-% die zuvor erwähnte Kompressions-Restspannung sich
aufgrund der Umwandlung während
der Karburierung und des Abschreckens vermindern wird. Dementsprechend
sollte der Kohlenstoffgehalt des Stahl-Rohmaterials zwischen einem
Bereich von 0,15 bis 0,3 Gewichts-% liegen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wälzlager
sollte die Oberflächenschicht
der Lauffläche
des Lagerrings und die Oberflächenschicht
des Wälzkörpers einen
Kohlenstoffgehalt von 1,0 bis 1,5 Gewichts-% aufweisen, eine Rockwell-Härte C von
44 bis 66, eine Kompressions-Restspannung von 150 bis 2000 MPa,
eine maximale Karbid-Partikelgröße von bis
zu 3 μm
und ein Karbid-Bereichsverhältnis
von 10 bis 15 % in einer Tiefe von 0 bis 50 μm, gemessen von der äußersten
Oberfläche
der Oberflächenschicht,
damit dem Wälzlager
die erforderliche Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Rollabnutzung verliehen wird, sowie die nötige Abnutzungsbeständigkeit
und der Widerstand gegenüber
Druck. Genauer gesagt, falls der Kohlenstoffgehalt kleiner ist als
1,0 Gewichts-%, der Kompressions-Restwiderstand unterhalb 150 MPa
liegt oder die maximale Karbid-Partikelgröße 3 μm überschreitet, kann die erforderliche
Rollabnutzungsbeständigkeit
nicht erreicht werden, während sich
dann, wenn der Kohlenstoffgehalt 1,5 Gewichts-% überschreitet oder die Kompressions-Restspannung 2000
MPa überschreitet,
der Effekt der Verbesserung des Widerstands gegenüber Rollabnutzung
nivellieren wird, so dass ein erhöhter Widerstand nicht erzeugt
wird. Wenn ferner die Rockwell-Härte
C kleiner ist als 64, wird der erforderliche Widerstand gegenüber Druck
nicht erreicht, während
sich dann, wenn die Härte
66 überschreitet,
die Wirkung der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Druck
nivellieren wird, ohne weiter anzuwachsen. Wenn ferner das Karbid-Bereichsverhältnis kleiner
ist 10 %, ist die erforderliche Abnutzungsbeständigkeit nicht erreichbar,
während
sich dann, wenn das Verhältnis
25 % überschreitet,
die Wirkung der Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit nivellieren wird,
und es wird keine höhere
Widerstandsfähigkeit erreicht.
Der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht in einer Tiefe
von 0 bis 50 μm,
gemessen von der obersten Oberfläche
an, ist der kombinierte Gehalt des Kohlenstoffs in den Karbid-Ablagerungen
und des in der Matrix enthaltenen Kohlenstoffs.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wälzlager
sollte die Oberflächenschicht
der Lauffläche
des Lagerrings und die Oberflächenschicht
der Rollfläche
der Wälzkörper einen
Kohlenstoffgehalt von 0,75 bis 1,3 Gewichts-% aufweisen, eine Kompressions-Restspannung
von 150 bis 1000 MPa, einen Rest-Austenit-Gehalt von 25 bis 45 %,
eine maximale Karbid-Partikelgröße von bis
zu 1 μm
und ein Karbid-Bereichsverhältnis
von bis zu 15 % in einer Tiefe von 50 bis a/5 μm (wobei a die tatsächliche
Tiefe in μm
ist), gemessen von der äußersten
Oberfläche
der Oberflächenschicht,
damit dem Wälzlager
eine vergrößerte Lebensdauer
in Bezug auf Rollabnutzung verliehen wird. Genauer gesagt, falls
der Kohlenstoffgehalt, die Kompressions-Restspannung und der Rest-Austenit-Gehalt kleiner
sind als die jeweiligen unteren Grenzwerte, ist die erforderliche
Lebensdauer in Bezug auf Rollabnutzung nicht erreichbar, wäh rend dann,
wenn diese Werte die jeweiligen Obergrenzen überschreiten, die Wirkung der
Verbesserung der Lebensdauer in Bezug auf Rollabnutzung sich nivellieren
wird, so dass eine weiter verlängerte
Lebensdauer nicht erreicht wird. Insbesondere beeinflusst der Rest-Austenit-Gehalt
die Widerstandsfähigkeit,
wenn er zwischen 25 und 45 % liegt, so dass ein vorteilhafter Einfluss
auf die Rollabnutzungs-Lebensdauer ausgeübt wird.
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Weiter
vorzugsweise beträgt
der Rest-Austenit-Gehalt 25 bis 35 %. Während nicht metallische Einschlüsse häufig Ausgangspunkte
für Absplitterungen
aufgrund der Rollabnutzung darstellen, können grobe Karbid-Partikel
ebenfalls Ausgangspunkte für
Absplitterungen bilden, so dass die Karbid-Partikel in Bezug auf ihre
Größe und ihren
Gehalt begrenzt sind. Insbesondere beträgt das Karbid-Bereichsverhältnis vorzugsweise bis
zu 7 %. Falls die Oberflächenschicht
der Lauffläche
des Lagerrings des Wälzlagers
und die Oberflächenschicht
der Rollfläche
der Wälzkörper solche
Karbid-Partikel der oben erwähnten
Art in einer Tiefe von 0 bis 50 μm,
gemessen von der äußersten
Oberfläche
der Oberflächenschicht
enthalten, ist es unmöglich,
den Karbid-Gehalt
auf 0 in einer Tiefe von 50 bis a/5 μm zu reduzieren (wobei a die
tatsächliche
Tiefe in μm
ist), bei ähnlicher
Messweise. Ferner ist es erwünscht,
dass der Karbid-Gehalt nach Möglichkeit
0 beträgt.
Der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht in der Tiefe von
50 bis a/5 μm
(wobei a die tatsächliche
Tiefe in μm ist),
gemessen von der äußersten
Oberfläche,
ist der kombinierte Gehalt des in den Karbidablagerungen enthaltenen
Kohlenstoffs und des in der Matrix enthaltenen Kohlenstoffs.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Rohlinge
für die
Ringe von Kegelrollenlagern und Rohlinge für die Walzen der Lager werden
aus einem Stahlmaterial mit einem Gehalt von 0,2 Gewichts-% Kohlenstoff,
0,4 Gewichts-% Silicium, 0,5 Gewichts-% Mangan und 1,4 Gewichts-%
Chrom hergestellt, sowie Resteisen und unvermeidlichen Verunreinigungen.
Diese Rohlinge werden einer ersten Karburierungs-Abschreckbehandlung
ausgesetzt, indem sie für
fünf Stunden auf
930° C erhitzt
und anschließend
in Öl auf
80° C abgeschreckt
werden, einer zweiten Karburierungs-Abschreckbehandlung durch Erhitzen
auf 840° C
für fünf Stunden
und anschließendes
Abschrecken auf 80° C
in Öl,
und einer Vergütungsbehandlung
durch Erhitzen auf 160° C
für zwei
Stunden und anschließendes
Abkühlen
in Luft. Die zwei Karburierungs-Abschreckbehandlungen hatten ein
Kohlenstoffpotential von 1,25. Die Oberfläche jedes Rohlings wurde anschließend geschliffen,
so dass die tatsächliche
Tiefe 1000 μm
betrug. Auf diese Weise wurden Ringe und Walzen von Kegelrollenlagern
hergestellt und anschließend
zu Kegelrollenlagern zusammengesetzt.
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Beispiel 2
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Kegelrollenlager
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, abgesehen
davon, dass die Aufheizzeit bei der zweiten Karburierungs-Abschreckbehandlung
drei Stunden betrug.
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Vergleichsbeispiel 1
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Kegelrollenlager
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, abgesehen
davon, dass nur eine Karburierungs-Abschreckbehandlung durch Erhitzen
auf 930° C
für fünf Stunden
und anschließendes Abschrecken
auf 80° C
in Öl durchgeführt wurde,
bei anschließender
Durchführung
einer Vergütungsbehandlung
durch Erhitzen auf 160° C
für zwei
Stunden und abschließendes
Abkühlen
in Luft.
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Vergleichsbeispiel 2
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Kegelrollenlager
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, abgesehen
davon, dass ein Stahlmaterial mit einem Gehalt von 0,4 Gewichts-%
Kohlenstoff, 0,4 Gewichts-% Silizium, 0,5 Gewichts-% Mangan und
1,4 Gewichts-% Chrom sowie Resteisen und unvermeidlichen Verunreinigungen
verwendet wurde.
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Vergleichsbeispiel 3
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Kegelrollenlager
wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, abgesehen
davon, dass die Karburierungs-Abschreckbehandlungen mit einem Kohlenstoff-Potential
von 1,0 durchgeführt
wurden.
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Tabelle
1 zeigt die Oberflächenhärte und
die innere Härte
der Kegelrollenlager-Ringe und -walzen der Beispiele 1 und 2 und
der Vergleichsbeispiele 1 bis 3, den Kohlenstoffgehalt, die Kompressions-Restspannung,
die maximale Karbidpartikelgröße und das
Karbid-Bereichsverhältnis
dieser Lagerbauteile in einer Tiefe von 0 bis 50 μm, gemessen
von der äußersten
Oberfläche
des Bauteils, sowie den Kohlenstoffgehalt, die Kompressions-Restspannung,
den Rest-Austenit-Gehalt
und die maximale Karbidpartikelgröße der Lagerkomponenten in
einer Tiefe von 50 bis 200 (a/5) μm,
gemessen von der äußersten
Oberfläche
des Bauteils. Das Karbid-Bereichsverhältnis ist im übrigen der
Wert eines optionalen Bereichs mit einer Fläche von 0,1 mm2.
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Die
Oberflächenhärte und
die innere Härte
in Tabelle 1 sind als Rockwell Härte
C angegeben. Die Oberflächenhärte ist
diejenige des Bauteils in einer Tiefe von bis zu 50 μm, gemessen
von der äußersten
Oberfläche.
Die innere Härte
ist die Härte
des Bereichs außerhalb
der karburierten Schicht.
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Bewertungsversuch
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Die
Kegelrollenlager der Beispiele 1 und 2 und der Versuchsbeispiele
1 bis 3 wurden hinsichtlich ihrer Lebensdauer in sauberem Öl und verunreinigtem Öl untersucht.
Der Lebensdauerversuch in sauberem Öl wurde in einem Bad von Getriebeöl durchgeführt. Der
Lebensdauerversuch in verunreinigtem Öl wurde bei einer radialen
Ersatzlast von 0.45 C (wobei C die Tragzahl ist) und einer Rotationsgeschwindigkeit
von 2.000 U/min durchgeführt,
bei Verwendung eines Schmiermittels, das hergestellt wird durch
Mischen von 1 Liter Getriebeöl, 1.1
g Fremdstoffen mit einer Hauptpartikelgröße von 27 μm, einer maximalen Partikelgröße von 50 μm, sowie einer
Oberflächenhärte von
65 Rockwell Härte
C. Tabelle 1 zeigt ebenfalls die Testergebnisse. Das Lebensdauerverhältnis in
Tabelle 1 ist ein Wert relativ zur Lebensdauer des Lagers aus Vergleichsbeispiel
1, welche als 1 festgelegt worden ist.
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Tabelle
1 zeigt, dass die Kegelrollenlager der Beispiele 1 und 2 sowohl
in sauberem Öl
als auch in verunreinigtem Öl
eine längere
Lebensdauer aufweisen als das Lager (aus Vergleichsbeispiel 1) mit
einer niedrigeren Oberflächenhärte, das
frei von Karbidablagerungen ist und einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt
in einer Tiefe von 0 bis 50 μm
aufweist, als das Lager (aus Vergleichsbeispiel 2), das einen niedrigeren
Kohlenstoffgehalt des Stahl-Rohmaterials aufweist, eine kleinere
Kompressions-Restspannung in der Tiefe von 0 bis 50 μm aufweist,
grobere Karbidpartikel in der gleichen Tiefe aufweist, eine kleinere
Kompressions-Restspannung und einen kleineren Rest-Austenitgehalt
in der Tiefe von 50 bis 200 (a/5) μm aufweist und ein höheres Karbid-Bereichsverhältnis aufweist,
und als das Lager (aus Vergleichsbeispiel 3), das eine kleinere
Oberflächenhärte aufweist.
