DE60025866T2

DE60025866T2 - Lagerkäfig

Info

Publication number: DE60025866T2
Application number: DE60025866T
Authority: DE
Inventors: Kouji łc/o NSK Ltd. Fujisawa-shi Ueda; Manabu łc/o NSK Ltd. Fujisawa-shi Ohori; Keijiro łc/o NSK Ltd. Fujisawa-shi Yamaguchi; Takashi łc/o NSK Ltd. Fujisawa-shi Murai
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: DE60025866D1; EP1083350B1; EP1083350A3; US6790297B1; JP2001146922A; EP1083350A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft maschinell bearbeitete Käfige für Wälzlager.
Maschinell bearbeitete Wälzlagerkäfige sind Käfige, hergestellt durch Bearbeiten/Schleifen von geschmiedeten Erzeugnissen, Strang- oder Gussmaterialien und sie werden üblicherweise aus Cu-Legierungen geformt. Insbesondere hochfeste Messingmaterialien, wobei dem Messing Al, Mn, Ni oder Fe zugesetzt ist, sind selbstschmierend und geeignet als Werkstoffe für Lagerkäfige, für die Abriebfestigkeit, Blockierfestigkeit und mechanische Festigkeit gefordert werden. Als hochfestes Messingmaterial, das üblicherweise für maschinell bearbeitete Lagerkäfige verwendet wird, kann das hochfeste Gussmessing der Kategorie 1 (HBsC1) nach JIS oder das hochfeste Gussmessing der Kategorie 2 (HBsC2) eingesetzt werden.
Da andererseits die Einsatzbedingungen für Wälzlager in letzter Zeit härter geworden sind, wird auch für Käfige eine hohe Verarbeitungspräzision verlangt. Insbesondere, wenn der Steg verbogen wird, wirken Steg und Wälzkörper störend auf einander ein und geben ein Knarren von sich, so dass die Geräuschentwicklung verschlechtert wird. Deshalb wird neuerdings als Cu-Legierung ein mit Automaten bearbeitbares "Automaten"-Messing eingesetzt, das für die maschinell bearbeiteten Käfige besser maschinell verarbeitbar ist als das hochfeste Messing.
Automaten-Messing (z.B. Gussmessing der Kategorie 3: YBsC3) ist ein Material, in dem Pb dem Messing zugesetzt ist. Dem Automaten-Messing kann eine hohe Schneidbarkeit dadurch verliehen werden, dass in einer Matrix verteilte Pb-Körner als Spanbrecher dienen und dadurch den Schneidedruck verringern.
Da jedoch im Automaten-Messing die Bindefestigkeit zwischen der Matrix und den Pb-Körnern schwach ist, können die Pb-Körner während der Bearbeitung leicht herausfallen und Spuren dieser herausgefallenen Pb-Körner bleiben nach dem Schleifen oft an der Oberfläche des Käfigs. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Rauhigkeit an der Käfigoberfläche zunimmt und die Geräuschentwicklung verschlechtert wird.
Wenn die Rauheit der Käfigoberfläche groß ist, kann die Menge des anfänglichen Abriebs an der Taschenfläche und der Führungsfläche groß sein. In einem solchen Fall ändern sich die Abmessungen des Käfigs während der Bearbeitung, außerdem mischt sich das Abriebpulver als Fremdkörper in das Schmiermittel und es beginnt ein Schichtenabbau des Laufrings oder der Wälzkörper.
Zudem sind die Pb-Körner sehr weich, die Festigkeit des Automaten-Messings ist gering und es tritt leicht plastische Verformung auf, wenn übermäßiger Druck während des Schneidevorgangs ausgeübt wird. Wenn daher der maschinell bearbeitete Käfig aus Automaten-Messing hergestellt wird, wird der Steg des Käfigs plastisch verformt und die Geräuschentwicklung kann verschlechtert werden.
Außerdem ist Pb eine schädliche Substanz für den menschlichen Organismus und für die Umwelt und ein hoher Pb-Zusatz zum Messing zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit ist auch im Hinblick auf den Umweltschutz nicht erwünscht.
Abgesehen davon hat ein Käfig aus einer Cu-Legierung, die viel Pb enthält, Spielraum zur Verbesserung in Bezug auf die Abriebfestigkeit.
Weiterhin ist aus der Druckschrift JP 63 246 507 A ein Käfig für Wälzlager bekannt, der aus gesintertem Material hergestellt ist mit den Hauptbestandteilen: 10–80 Gew.-% WS₂, von dem weniger als 30 Gew.-% durch MoS₂ ersetzt sind, und 20–90 Gew.-% Cu, von dem weniger als 30 Gew.-% durch mindestens eines der Metalle oder Legierungen von Sn, Pb, Ag, W, Mo, Ta, Fe, Ni, Be, Al und P ersetzt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung beruht auf Beachtung der Probleme, die der Stand der Technik mit sich bringt, und es ist Aufgabe der Erfindung, einen maschinell bearbeiteten Käfig herzustellen aus einem solchen Material, das erstklassige Verarbeitbarkeit, mechanische Festigkeit, (geringe) Geräuschentwicklung und Abriebfestigkeit aufweist, und keine Probleme in Bezug auf Sicherheit und Umweltschutz macht.
Um die geschilderten Aufgaben zu lösen, ist es ein Gegenstand der Erfindung, einen maschinell bearbeiteten Käfig für Wälzlager bereitzustellen, der aus einem Material gemacht wird, in dem Kristalle einer intermetallischen Verbindung fein dispergiert sind in einem Grundmaterial (Matrix), die eine Cu-Legierung umfasst, und wobei der Käfig eine Vickers Oberflächenhärte (HV) von 110 oder höher besitzt.
Für den Käfig gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Cu-Legierung 0,4 Gew.-% oder weniger Pb enthält. Außerdem wird bevorzugt, dass der Käfig gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Cu-Legierung hergestellt wird, die 0,1 Gew.-% oder weniger Pb enthält.
Weiterhin ist es beim erfindungsgemäßen Käfig bevorzugt, dass der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung 5–30% im Flächenverhältnis beträgt. Und vorzugsweise beträgt der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung 8–30 im Flächenverhältnis.
Des weiteren ist es gemäß einer zweiten Ausführungsform ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen maschinell bearbeiteten Wälzlagerkäfig bereitzustellen, der aus einem Material hergestellt wird, in dem Kristalle einer intermetallischen Verbindung fein dispergiert sind in einer Matrix, die eine Cu-Legierung umfasst, wobei mindestens eines der die intermetallische Verbindung bildenden Elemente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Si, Co, Ti, Nb, V, Zr, Al und Ni.
Darüber hinaus ist es gemäß einer dritten Ausführungsform ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen maschinell bearbeiteten Wälzlagerkäfig bereitzustellen, der aus einem Material hergestellt wird, in dem Kristalle einer intermetallischen Verbindung in einem eine Cu-Legierung umfassenden Grundmaterial fein dispergiert sind, wobei die intermetallische Verbindung wenigstens eine von Mn₅Si₃, Cu₈Zn₂Si und Cu₄ZnSi umfasst.
Zu beachten ist, dass der Käfig gemäß der vorliegenden Erfindung im Schleuderguss- Verfahren hergestellt werden kann. Außerdem ist es für den Käfig gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass die Cu-Legierung ausgewählt ist aus mindestens einer von Messing, Bronze, Phosphorbronze und Aluminiumbronze.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Fotografie, die eine Zeichnung ersetzt und die die metallische Struktur der Legierung zeigt, die in der Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
2 ist eine Abbildung zur Erklärung der Messmethode für den Verbiegungsbetrag des Stegs;
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Prozentgehalt (Flächenverhältnis) der intermetallischen Verbindung und dem Verbiegungsbetrag des Käfigstegs zeigt;
4 ist eine Abbildung, die das Schleudergieß-Gerät zeigt, das in der Ausführungsform der Erfindung benutzt wird;
5 ist eine Ansicht, die ein Abriebprüfgerät vom Saban-Typ zeigt, das in der Ausführungsform der Erfindung benutzt wird;
6 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Härte und der Abriebfestigkeit (als Abriebvolumen) der Cu-Legierung darstellt; und
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Prozentgehalt an Pb und der Oberflächenrauhigkeit der Cu-Legierung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird Bezug genommen auf die praktische Ausführung der Erfindung.
Maschinell bearbeitete Wälzlagerkäfige gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus einer kein Pb enthaltenden Legierung hergestellt, in der Kristalle einer intermetallischen Verbindung in einem Matrixmaterial, das Messing umfasst, fein dispergiert sind.
Die vorliegende Legierung unter Ausschluss von Blei (Pb) kann beispielsweise aus YBsC3 hergestellt werden und das Material aus einer Zusammensetzung, in der zwei oder mehrere von Si, Mn, Fe, Nb, Ti oder Co zugefügt sind, gegossen werden. Das heißt, beim Gießen des genannten Materials unter festgelegten Bedingungen kristallisiert die intermetallische Verbindung mit den zugesetzten Komponenten während des Abkühlens nach dem Gießen und ist als alpha-Phase und beta-Phase im Matrixmaterial verteilt.
Diese Legierung hat hohe maschinelle Bearbeitbarkeit, da die im Matrixmaterial verteilten Kristalle der intermetallischen Verbindung als Spanbrecher, die den Schneidedruck verringern, dienen. Da die Kristalle fein verteilt sind, wird der Schneidstaub beim Fräsen weniger und gleichzeitig wird die Bindefestigkeit zwischen den Kristallkörnern und dem Matrixmaterial groß. Im Ergebnis fallen Pb-Körner kaum heraus und die ausfallenden Spuren bleiben nach dem Schleifen weniger leicht in der Oberfläche des Käfigs zurück. Somit ist die Rauhigkeit der Käfigoberfläche zufriedenstellend.
Da die intermetallische Verbindung (besonders Mn₅Si₃) viel härter ist (um HV 700) als die alpha-Phase und die beta-Phase des Matrixmaterials, und da die härteren Kristalle im Matrixmaterial fein verteilt sind, wirken sie als Verstärkungskörner des Matrixmaterials. Die Streckgrenze ist dabei hoch im Vergleich zu jener von Automatenmessing oder hochfestem Messing, und wenn während der Bearbeitung übermäßiger Druck ausgeübt wird, tritt eine geringere plastische Verformung auf. Bedingt durch diese Legierung ist es möglich, bei geringerer Dicke als jener der bisherigen maschinell bearbeiteten Käfige die erforderliche Festigkeit zu erreichen.
Da das Gewicht der maschinell bearbeiteten Käfige dadurch leichter als dasjenige der bisherigen gemacht werden kann, ist der aus dieser Legierung hergestellte maschinell bearbeitete Käfig für Anwendungen mit hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten einsetzbar, für die sie üblicherweise nicht geeignet waren.
Ebenfalls bedingt durch diese Legierung ist die mechanische Festigkeit hoch, so dass die Breite des Stegs schmäler als jene der bisherigen maschinell bearbeiteten Käfige sein kann. Daher ist es möglich, die Belastbarkeit zu erhöhen durch Vergrößern des Durchmessers der Wälzkörper oder durch Erhöhung der Zahl der Wälzkörper.
In dieser Legierung "nadelt" die fein verteilte intermetallische Verbindung, die Korngrenzen der alpha- und der beta-Phase des Matrixmaterials während der Erstarrung zusammen und das Kornwachstum der alpha- und beta-Phase wird begrenzt und verfeinert, so dass die Ermüdungsfestigkeit dieser Legierung erhöht wird. Deshalb eignet sich die Legierung als Material zum Aufbau eines Käfigs, der wiederholter Spannung ausgesetzt ist.
Der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung in der Legierung beträgt vorzugsweise 5% oder mehr als Flächenverhältnis in einem beliebigen Querschnitt der metallischen Zusammensetzung. Ist er geringer als 5%, könnte die oben geschilderte Bearbeitbarkeit und Wirkung durch die intermetallische Verbindung im wesentlichen ausbleiben. Bevorzugter sind 8% oder mehr. Je höher der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung in der Legierung ist, desto besser ist die oben beschriebene Bearbeitbarkeit und Wirkung durch die intermetallische Verbindung; da die Legierung jedoch spröde wird, werden 30% oder weniger bevorzugt.
Als Ausführungsform des maschinell bearbeiteten Käfigs gemäß der Erfindung wird ein solcher maschinell bearbeiteter Käfig benutzt, und zwar in der Weise, dass Messing als Matrixmaterial und ein Mn und Si enthaltendes Material gegossen wird, ein Teil (z.B. ein Ring) mit einer metallischen Struktur unter Bedingungen bereitgestellt wird, bei denen die intermetallische Verbindung Mn₅Si₃ gleichmäßig und fein im Matrixmaterial (Messing, zusammengesetzt aus alpha- und beta-Phasen) verteilt ist, und dieses Teil wird maschinell bearbeitet, um einen maschinell bearbeiteten Käfig herzustellen.
Die maschinell bearbeiteten Käfige der Erfindung werden vorzugsweise im Schleuderguss- Verfahren hergestellt. Wenn bei diesem Verfahren das geschmolzene Metall einer Zentrifugalkraft unterworfen wird, werden Gas, Schlacke und Verunreinigungen geringerer Dichte als der des geschmolzenen Metalls zur Innenseite (die Seite der Rotationsachse) des Käfigs bewegt und geschmolzenes Metall hoher Reinheit sammelt sich an der Außenseite (auf der Seite des Produkts). Im Ergebnis werden Erzeugnisse mit wenigen Gussfehlern oder Unreinheiten erhalten.
Da das Schleudergussverfahren weiterhin eine schnelle Abkühlungsrate im Vergleich zu einem Stranggießverfahren hat, verfeinert sich die erstarrte Struktur auf einfache Weise. Folglich sind die im Schleudergussverfahren hergestellten Produkte von höherer mechanischer Festigkeit als derjenigen von im Stranggießverfahren hergestellten. Wenn die maschinell bearbeiteten Käfige im Schleudergussverfahren hergestellt werden, wird außerdem wenig Material vergeudet und die Produktivität wird gesteigert.
Wenn insbesondere der Schleuderguss unter Verwendung einer Gießform ausgeführt wird, die die Ausformung der Taschen des Käfigs entsprechend der Gestalt des Käfigs ermöglicht, ist das Gießen der annähernden Form möglich und Produkte mit rohen Käfigtaschenöffnungen werden vor der Endbearbeitung erhalten. Wenn das so hergestellte Gusserzeugnis eingesetzt wird, wobei der Käfig nur noch durch die Endbearbeitung fertiggestellt wird, kann sehr viel Arbeitszeit eingespart werden im Vergleich zu dem Fall des Herausfräsens der Käfigtaschen aus dem Ring durch das Bearbeitungsverfahren, was die Senkung der Herstellungskosten des Käfigs ermöglicht.
Das Schleudergussverfahren ist geeignet zum Gießen von Legierungen von hochfestem Messing, Bronze, Phosphorbronze oder Aluminiumbronze, außer der Legierung, die in dieser Erfindung benutzt wird (Legierung, in der Kristalle der intermetallischen Verbindung fein verteilt sind in einem Matrixmaterial, das Messing umfasst).
Die Erfindung soll maschinell bearbeitete Käfige für Wälzlager anbieten, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Käfige aus einer Cu-Legierung hergestellt sind, die 0,4 Gew.-% oder weniger Pb enthält, und deren Oberflächenhärte nach Vickers (HV) 110 oder höher ist.
Gemäß diesem Käfig ist die Sicherheit für das menschliche Leben und die Umwelt hoch im Vergleich zu herkömmlichen Käfigen, die aus Cu-Legierungen hergestellt sind, die Oberflächenrauheit ist verbessert und die Abriebfestigkeit ist hoch.
Insbesondere im Hinblick auf den Schutz des menschlichen Lebens und der Umwelt ist es bevorzugt, die Käfige aus einer Cu-Legierung herzustellen, in der 0,1 Gew.-% oder weniger Pb enthalten ist, und noch bevorzugter ist es, die Käfige aus einer Cu-Legierung ohne Pb herzustellen.
Ein erstes Verfahren zur Steigerung der Härte der Cu-haltigen Käfige besteht im Gießen eines Rohmaterials für den Käfig (das Material vor der Endbearbeitung des Käfigs), in dem Elemente wie Mn, Fe, Al, oder Ni dem Cu zugesetzt werden, um diese Elemente im Cu als Grundmaterial lösen zu lassen. Zweitens gibt es ein Verfahren, bei dem als Rohmaterial für den Käfig ein Gussmaterial verwendet wird, für das gefälltes oder kristallisiertes Material harter Konsistenz in Cu als Grundmaterial dispergiert wird. Das zweite Verfahren hat einen großen Einfluss auf die Steigerung der Härte.
Beim zweiten Verfahren wird das Gießen des Rohmaterials für den Käfig mit einem Material ausgeführt, bei dem die Elemente (Fe, Si, Co, Ti, Nb, V und Zr) dem Messing oder dem hochfesten Messing zugesetzt werden zur Bildung der intermetallischen Verbindung durch Reaktion mit Cu, Zn oder Mn. Die intermetallischen Verbindungen sind Mn₅Si₃, Cu₈Zn₂Si oder Cu₄ZnSi. Außer diesen gibt es viele Verbindungen, deren Zusammensetzung oder Kristallstruktur nicht klar ist. Diese intermetallischen Verbindungen sind sehr hart und die Härte des Käfigs kann erhöht werden durch Einsetzen eines Rohmaterials für das Gussprodukt, bei dem die intermetallische Verbindung in der Cu-Legierung als Grundmaterial dispergiert ist.
Andererseits hat eine Cu-Legierung mit niedrigem Pb-Gehalt eine schlechte maschinelle Bearbeitbarkeit, da wenige Pb-Körner als Spanbrecher dienen. Deshalb sollte bei Verwendung einer Cu-Legierung mit einem Pb-Gehalt von 0,4 Gew.-% oder weniger als Material für den Käfig die maschinelle Bearbeitbarkeit erhöht werden durch Zusatz anderer Körner als Pb, die als Spanbrecher in der Cu-Legierung wirken.
Wenn ein Rohmaterial für den Käfig gegossen wird, bei dem eines oder mehrere der Elemente Fe, Si, Co, Ti, Nb, V und Zr dem Messing oder dem hochfesten Messing zugesetzt wird, hat das Rohmaterial eine metallische Struktur, wobei die intermetallische Verbindung korn- oder nadelförmig ist und in dem Grundmaterial, das Messing umfasst, verteilt ist. Diese intermetallische Verbindung (insbesondere Mn₅Si₃) ist, wie erwähnt, sehr hart und wirkt als Spanbrecher.
Da die intermetallische Verbindung außerdem thermisch stabil ist, schmilzt sie nicht durch die Erwärmung während der maschinellen Bearbeitung. Bei Verwendung des Gusserzeugnisses, bei dem die intermetallische Verbindung korn- oder nadelförmig im Matrixmaterial, das Messing umfasst, verteilt ist, wird die Oberflächenrauhigkeit annehmbar gemacht und die Menge des anfänglichen Abriebs an den Taschenflächen und den Führungsflächen kann wirksam reduziert werden.
Wenn daher das Rohmaterial für den Käfig mit einem Material gegossen wird, in dem Pb aus dem Messing oder dem hochfesten Messing weggelassen ist und eines oder mehrere der Elemente Fe, Si, Co, Ti, Nb, V und Zr zugesetzt ist, ist es möglich, die hohe maschinelle Verarbeitbarkeit für den Käfig zu erhalten und die Härte des Käfigs zu erhöhen.
[1. Beispiel]
Mit den Legierungen (das Grundmaterial ist Messing) der in Tabelle 1 gezeigten jeweiligen Zusammensetzung wurden maschinell bearbeitete Käfige für Zylinderrollenlager des Lagertyps NU218 (zweireihiger Typ) hergestellt.
Tabelle 1
Zunächst wurden Ringmaterialien aus Legierungen der jeweiligen Zusammensetzungen in Tabelle 1 mit 140 mm äußerem Durchmesser, 115 mm innerem Durchmesser und 32 mm Breite durch Stranggießen erhalten. Die Gießbedingung war 1100°C Temperatur des geschmolzenen Metalls.
Dann wurden die jeweiligen Ringmaterialien in einen Ring A von 4 mm Breite und einen Ring B von 28 mm Breite geteilt. Der Ring B wurde auf einer Drehbank an Innen- und Außenumfang und den Kanten auf eine vorbestimmte Form geschliffen und die Umfangsflächen wurden für die Taschen bei der Endbearbeitung geöffnet. Dann wurden die Taschen mit Hilfe eines Fräskopfs ausgekehlt und durch Trommelpolieren versäubert, um Grate zu entfernen.
Auch der Ring A wurde auf einer Drehbank am Innen- und Außenumfang auf die vorbestimmte Form geschliffen. Dann wurden die Ringe A und B zusammengefügt, um vernietete Löcher zu bilden, und dem Endpolieren mit Leder unterworfen und schließlich über den Nieten abgedichtet, um den Käfig fertigzustellen.
Auf diese Weise wurden zylindrische Käfige hergestellt von 135 mm äußerem Durchmesser, 120 mm innerem Durchmesser, 25 mm Breite, 18 mm Größe der Taschen in axialer Richtung, 7,5 mm Größe derselben in radialer Richtung und 8 mm Breite des Steges.
Jedes der Ringmaterialien wurde in einer optischen Ebene aufgeschnitten und die metallische Struktur der Schnittebene durch ein metallurgisches Mikroskop betrachtet, um die Fläche der intermetallischen Verbindung auszumessen und damit den Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung in der Legierung zu berechnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Hier ist 1 eine Fotografie, die die metallische Struktur der Schnittebene des Ringmaterials Nr. 5 zeigt. Die sich quer erstreckenden nadelförmigen Kristalle in dieser Fotografie sind die intermetallische Verbindung Mn₅Si₃. In den Ringmaterialien Nr. 1 bis 7 war die intermetallische Verbindung, die Mn₅Si₃ oder Si enthielt, gleichmäßig und fein verteilt und war in dem Grundmaterial (Messing, zusammengesetzt aus alpha- und beta-Phase) ausgefällt worden. Die Ringmaterialien Nr. 8 und 9 enthielten nur das Grundmaterial, die intermetallische Verbindung lag nicht vor. Die Legierung Nr. 8 ist HBsC1 und die Legierung Nr. 9 ist YBsC3.
Der Verbiegungsbetrag der Stege des erhaltenen Käfigs wurde mit einem Skalenmessgerät bestimmt. Die Messung wird, wie 2 zeigt, ausgeführt durch Anlegen des Messfühlers 2 des Skalenmessgeräts an die Fläche 11 des Stegs 1, die der Wälzkörper berührt, und Bewegen des Messfühlers 2 in Längsrichtung des Stegs 1. Ein maximaler Abweichungsbetrag der Fläche 11 von der ursprünglichen Fläche 12 in Längsrichtung des Stegs wird als "Biegebetrag des Stegs" bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 und 3 gezeigt.
Die Zylinderrollenlager des Lagers Nr. NU218 wurden hergestellt durch Einbau der jeweiligen Käfige in das Lager. Diese Lager wurden Pendelschlagprüfungen unterworfen. Das heißt, Steckachsen wurden in die jeweiligen Käfige eingeführt, um die Gehäuse auszurüsten, und die Steckachsen wurden nach oben aufgehängt und dem ganzen Gehäuse wurden Schläge einer Beschleunigung von 180 G und einer Frequenz von 2 Hz verabreicht. Die ausgeübte Schlaghäufigkeit, bis die Käfige gesprungen oder gebrochen waren, wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Jeder der Käfige wurde an das Rotationsprüfgerät angeschlossen, um den Rotationstest unter den Bedingungen einer Radiallast von 1470 N und einer Umdrehungszahl von 1200 U/min mit dem Schmierfett ("Multi Knock DX Nr. 1", hergestellt von der Nippon Oil Co. Ltd.) durchzuführen; der Pegel des Schalldrucks wurde 3 Stunden nach Beginn der Rotation mit einem Schalldruckmessgerät gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Wie aus dieser Tabelle zu ersehen, ist in den Proben Nr. 1 bis 7 der Biegebetrag des Käfigs klein und der Geräuscheffekt des Lagers vorteilhaft – da diese maschinell bearbeiteten Käfige aus Messinglegierungen hergestellt sind, in denen die intermetallische Verbindung Mn₅Si₃ gleichmäßig, fein verteilt und gefällt ist – im Vergleich zu den Nr. 8 und 9, deren maschinell bearbeitete Käfige aus Messinglegierungen ohne Dispergierung der intermetallischen Verbindung hergestellt sind.
Nr. 7, deren Prozentgehalt (Flächenverhältnis) der intermetallischen Verbindung jedoch 3% in der Messinglegierung, aus der der maschinell bearbeitete Käfig hergestellt wurde, beträgt, hat eine geringe Schlagfestigkeit im Vergleich zu den Nr. 1 bis 6 mit 6 bis 18% intermetallischer Verbindung und den Nr. 8 und 9 mit 0%. Wenn der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung 5% oder höher ist im Flächenverhältnis, wie weiterhin aus dem Diagramm der 3 offensichtlich, ist der Biegebetrag des Stegs beträchtlich geringer als im Fall von 5% oder weniger. Aus dem Diagramm der 3 ist zu ersehen, dass bei einem Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung von 8% oder mehr im Flächenverhältnis, der Biegebetrag des Stegs im wesentlichen konstant bei etwa 10 μm liegt und dass der Effekt der Verminderung der Stegneigung einen Sättigungswert erreicht hat.
Aus dieser Tatsache ist zu erkennen, dass die maschinell bearbeiteten Käfige, die aus einer Messinglegierung mit einem Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung Mn₅Si₃ von 5% oder mehr (vorzugsweise 8% oder mehr) im Ganzen hervorragend sind im Bezug auf die Genauigkeit der Abmessungen, den Geräuscheffekt und die Schlagfestigkeit.
[2. Beispiel]
Ein maschinell bearbeiteter Käfig (einreihiger Typ) für ein Zylinderrollenlager des Lagertyps NU218 wurde aus der Legierung Nr. 1 der Tabelle 1 hergestellt im Schleudergussverfahren unter Verwendung einer Gießform, die der Gestalt des Käfigs entsprach (mit einem Teilstück das der Tasche entspricht) Der Schleuderguss wurde mit der in 4 dargestellten Apparatur ausgeführt. Die Apparatur war mit einem rotierenden Behälter 4 ausgerüstet, der die Gießform 3 enthielt, und einer Ummantelung 5, die den Rotationsbehälter 4 umgab.
Der Guss wurde ausgeführt beim Rotierenlassen der Gießform 3 durch Rotation des Rotationsbehälters 4 und Einführen der Gießdüse 6, die sich synchron mit der Gießform 3 drehte, für den Einlauf des geschmolzenen Metalls in die Gießform 3. Die Gießbedingungen waren eine Rotationsgeschwindigkeit von 850 U/min und eine Temperatur von 1100°C des geschmolzenen Metalls.
Nach dem Gießen wurde das Gusserzeugnis aus der Gießform 3 entnommen und das Eingussteil 7 des erstarrten Metalls wurde vom Käfig 8 entfernt. Dabei wurde der rohe Käfig vor der Endbearbeitung unter der Bedingung, dass die Taschen ausgefräst wurden, erhalten. Der rohe Käfig wurde endgeschliffen/poliert und abgerichtet durch Trommelpolieren, um Grate zu entfernen.
Das Ringmaterial (das die Legierung Nr. 1 der Tabelle 1 umfasst) aus dem Strangguss des 1. Beispiels wurde maschinell bearbeitet, um einen maschinell bearbeiteten Käfig (einreihiger Typ) für ein Zylinderrollenlager des Lagertyps NU218 herzustellen. D.h. das Ringmaterial wurde auf der Drehbank an den Innen- und Außenflächen sowie den Kanten auf die vorbestimmte Form gebracht und die Taschen in den Umfangsflächen wurden durch Endfräsen geöffnet. Dann wurden die Taschen mit einem Fräskopf ausgekehlt und durch Trommelpolieren abgerichtet, um Grate zu entfernen.
Die so erhaltenen Zylinderkäfige wurden eingebaut, um jeweils Zylinderrollenlager des Typs NU218 herzustellen. Hier wird der im Schleudergießverfahren hergestellte Zylinderkäfig als Nr. 21 bezeichnet und der durch Stranggießen hergestellte Zylinderkäfig als Nr. 22 bezeichnet.
In Bezug auf diese Lager wurden Pendelschlagprüfungen nach dem gleichen Verfahren wie im 1. Beispiel durchgeführt und die Häufigkeit der ausgeübten Schläge, bis die Käfige gesprungen oder gebrochen waren, wurde gemessen. Die Pendelschlagprüfungen wurden unter der Bedingung vorgenommen, dass auf die Lager eine Radiallast von 19,6 kN ausgeübt wurde. Die drei gleichen Lager wurden für die Tests vorbereitet und die Testergebnisse wurden als Mittelwert angegeben.
Die Häufigkeit der verabreichten Schläge, bis die Käfige gesprungen oder gebrochen waren, betrug 98 × 10⁴ mal bei Nr. 21 und 81 × 10⁴ mal bei Nr. 22.
Die metallischen Strukturen der Käfige von Nr. 22 und Nr. 21 wurden im metallurgischen Mikroskop betrachtet und beim Ausmessen des Korndurchmessers der beta-Phase des alpha- und beta-Phase umfassenden Grundmaterials betrug er 41 μm in Nr. 21 und 52 μm Nr. 22. Dass der Korndurchmesser der beta-Phase in Nr. 21 kleiner ist als derjenige in Nr. 22 liegt daran, dass sich die Struktur beim Erstarren verfeinerte, da das Schleudergießverfahren schneller ist als das Stranggießverfahren. Es ist anzunehmen, dass die mechanische Festigkeit durch die Verfeinerung der erstarrten Struktur erhöht wird und die Schlagfestigkeit ebenfalls erhöht wird.
[3. Beispiel]
Es wurden die in Tabelle 3 aufgeführten Cu-Legierungen zubereitet.
Tabelle 3
Die Probekörper zur Messung der Vickers Härte und des Abriebs im Prüfgerät nach Saban wurden aus den Cu-Legierungen A bis I hergestellt.
In Bezug auf die Vickers Härte wurde ein Vickers Mikro-Prüfgerät verwendet für die Messung von 5 Punkten unter der Bedingung einer Belastung von 29,4 N und die Mittelwerte berechnet.
Die Abriebtests wurden unter Verwendung des Abrieb-Prüfgeräts nach Saban, wie es in 5 gezeigt ist, durchgeführt. Zunächst wurden der stationäre Probekörper 19 und der rotierende Probekörper 29 hergestellt und am Prüfgerät befestigt.
Während der stationäre Probekörper 19 durch das Lastgewicht 39 und das Einstellgewicht 49 an den äußeren Umfang des rotierenden Probekörpers 29 gedrückt wurde, ließ man diesen in Bezug auf den stationären Probekörper 19 rotieren.
Die Andrucklast war 39,2 N und die Umlaufgeschwindigkeit (Umfangsgeschwindigkeit) war 2,6 m/s und die Rotation wurde während einer Zeit aufrechterhalten, die einer Strecke von 400 m entsprach. Der Gesamtwert der Volumina, um die beide Probekörper durch die Rotation abnahmen, wurde als Abriebvolumen (mm³) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Die Beziehung zwischen Härte und Abriebfestigkeit (Abriebvolumen) der Cu-Legierung ist graphisch in 6 dargestellt.
Tabelle 4
Wie aus diesen Ergebnissen zu sehen, kann das zufriedenstellende Abriebverhalten erreicht werden durch Einstellen der Cu-Legierung auf eine HV von 110 oder höher. Wenn die Härte der Cu-Legierung auf HV 150 oder höher eingestellt wird, kann dieser ein noch zufriedenstellenderes Abriebverhalten verliehen werden.
Unter den Cu-Legierungen der Tabelle 3 wurden jene, die mit den Bezeichnungen der Tabelle 5 versehen sind, verwendet, um Probekörper zur Untersuchung der Oberflächenrauhigkeit der maschinell bearbeiteten Flächen bereitzustellen. Jeder der Probekörper war als Zylinder einer Länge von 200 mm und eines Durchmessers von 40 mm geformt. Jeder der Probekörper wurde unter den Bedingungen einer Schneidgeschwindigkeit von 100 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit des Schneidmessers von 0.11 mm/Umdrehung maschinell bearbeitet und die Oberflächenrauhigkeit (Rz) der bearbeiteten Fläche wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Die aus diesen Ergebnissen gewonnene Beziehung zwischen dem Pb-Gehalt in Prozent und der Oberflächenrauhigkeit der Cu-Legierung ist in 7 graphisch dargestellt.
Tabelle 5
Wie aus diesen Ergebnissen zu ersehen ist, kann die zufriedenstellende Oberflächenrauhigkeit durch Einstellen des Pb-Prozentgehalts auf 0,4 Gew.-% oder niedriger erreicht werden. Die Probekörper N. 21 bis 23, 26 und 27 bestehen aus Cu-Legierungen mit 0,4 Gew.-% oder weniger Pb, aber diese Cu-Legierungen sind Messinge, die Cu und Zn enthalten und irgendeines oder mehrere der Elemente Si, Sn, Fe, Mn, Ni und Al enthalten. Wenn wenig Pb in der Cu-Legierung vorhanden ist, verschlechtert sich die maschinelle Bearbeitbarkeit, aber da jene Elemente zugesetzt sind, ist die maschinelle Bearbeitbarkeit der Nr. 21 bis 23, 26 und 27 gut. Von den Cu-Legierungen der Tabelle 3 wurden A bis I und N bis P eingesetzt, um durch Stranggießen Ringmaterial herzustellen und die Ringmaterialien wurden maschinell bearbeitet, um maschinell bearbeitete Käfige (einreihig) für Zylinderrollenlager des Lagertyps NU218 herzustellen.
Jeder der erhaltenen Käfige wurde in Zylinderrollenlager eingebaut für Lager des Typs NU218. Diese Lager betreffend wurden die Pendelschlagversuche nach dem gleichen Verfahren wie beim ersten Beispiel ausgeführt und die ausgeübte Schlaghäufigkeit, bis die Käfige gesprungen oder gebrochen waren, gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Von den Cu-Legierungen der Tabelle 3 wurden A bis I und N bis P eingesetzt, um Ringmaterial durch Stranggießen herzustellen, und die Ringmaterialien wurden maschinell bearbeitet zur Herstellung von maschinell bearbeiteten Käfigen (einreihig) für Zylinderrollenkäfige des Lagertyps 22220.
Jeder der erhaltenen Käfige wurde in selbstzentrierende Rollenlager des Lagertyps 22220 eingebaut. Diese Lager betreffend wurde ein 100 Stunden dauernder Lauftest unter den Bedingungen einer Last von 14,6 kN und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 5000 U/min durchgeführt, wobei die Schmierung durch ein Zwangskreislauf-Verfahren mit einer Ölzufuhr von 40°C bei einer Rate von 1 Liter/min vorgenommen wurde. Das Gewicht der Käfige wurde vor und nach dem Lauftest gemessen und der Gewichtsverlust (mg) wurde als Abriebmenge bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 angegeben.
Tabelle 6
Wie aus diesen Ergebnissen ersichtlich, ist bei den Nr. 35 bis 40, die den Beispielen der Erfindung entsprechen, eine hervorragende Leistung zu erreichen sowohl bei der Schlagfestigkeit wie auch bei der Abriebfestigkeit. Im Gegensatz dazu ist bei den Nr. 31 bis 34, 41 und 42, die Vergleichsversuchen entsprechen, ist die Leistung ungenügend, sowohl bei der Schlagfestigkeit wie auch bei der Verschleißfestigkeit.
Unter den Nr. 35 bis 40 und in den Nr. 38 und 39 wurden besonders herausragende Leistungen erzielt, und die Nr. 37 und 40 kommen ihnen am nächsten. Nr. 38 ist der Käfig aus der Messinglegierung, die überhaupt kein Pb enthielt, jedoch einen Si-Zusatz. Die Nr. 39 und 40 sind die Käfige aus einer Messinglegierung, die 0,4 Gew.-% oder weniger Pb enthielt mit einem Zusatz von Si und Mn.
Es ist zu beachten, dass die Käfige Nr. 38, 39 und 40 die harte Oberfläche, die hervorragende Schlagfestigkeit und Abriebfestigkeit deshalb aufweisen, weil sie Kristalle der intermetallischen Verbindung Mn5Si3, Cu8Zn2Si oder Cu4ZnSi umfassen.
Die oben dargestellten Arten zur Ausführung der Erfindung beziehen sich auf maschinell bearbeitete Käfige für Zylinderrollenlager und selbstzentrierende Rollenlager; aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern auch anwendbar auf jedes Radialrillenkugellager, Schräglager oder Nadellager.
Wie oben erwähnt, ist es gemäß der Erfindung möglich, solche maschinell bearbeitete Käfige bereitzustellen, die keine Probleme im Hinblick auf die Sicherheit der Materialien oder Schutz der Umwelt bieten, aber ausgezeichnete Genauigkeit der Abmessungen, Geräuschentwicklung, Abriebfestigkeit und Schlagfestigkeit.
Während die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offenkundig, dass verschiedene Abänderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne die Erfindung zu verlassen, und es ist daher beabsichtigt, mit dem angefügten Anspruch alle solchen Abänderungen und Abwandlungen zu umfassen, die in den Rahmen der Erfindung fallen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Maschinell bearbeiteter Wälzlager-Käfig aus einem Material, in dem Kristalle einer intermetallischen Verbindung in einem Grundmaterial fein dispergiert sind, das eine Cu-Legierung umfasst, wobei besagter Käfig eine Oberflächenhärte nach Vickers (VH) von 110 oder höher besitzt.
Käfig nach Anspruch 1, wobei die Cu-Legierung 0,4 Gew.-% oder weniger Pb enthält.
Käfig nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung 5 bis 30% im Flächenverhältnis beträgt.
Käfig nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der die intermetallische Verbindung bildenden Elemente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Si, Co, Ti, Nb, V, Zr, Al und Ni.
Käfig nach Anspruch 2, wobei besagter Käfig hergestellt ist aus einer Cu-Legierung, die 0,1 Gew.-% oder weniger Pb enthält.
Käfig nach Anspruch 3, wobei der Prozentgehalt der intermetallischen Verbindung 8 bis 30% im Flächenverhältnis beträgt.
Käfig nach Anspruch 1, wobei die Cu-Legierung ausgewählt ist aus mindestens einer der Legierungen Messing, Bronze, Phosphorbronze und Aluminiumbronze.
Maschinell bearbeiteter Wälzlager-Käfig, hergestellt aus einem Material, in dem Kristalle einer intermetallischen Verbindung fein dispergiert sind in einem Grundmaterial, das eine Cu-Legierung umfasst, wobei die intermetallische Verbindung mindestens eine der Verbindungen Mn₅Si₃, Cu₈Zn₂Si und Cu₄ZnSi umfasst.
Maschinell bearbeiteter Wälzlager-Käfig, hergestellt aus einem Material, in dem Kristalle einer intermetallischen Verbindung fein dispergiert sind in einem Grundmaterial, das eine Cu-Legierung umfasst, wobei besagter Käfig durch ein Schleuderguss-Verfahren hergestellt ist.