DE60132814T2

DE60132814T2 - Wälzlager mit einer pulvermetallurgischen komponente

Info

Publication number: DE60132814T2
Application number: DE60132814T
Authority: DE
Inventors: John Michael Beswick; Xiao Bo Zhou
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2001-12-06
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: DE60132814D1; KR20030074648A; CN1283932C; WO2002048565A2; KR100881935B1; NL1016811C2; AU2002243098A1; CN1486401A; EP1348080A2; US20040071378A1; WO2002048565A3; JP2004523698A; US7018107B2; EP1348080B1

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Wälzlager, das einen Innenring, Wälzkörper und einen Außenring aufweist, wobei der Außenring aus einem Wälzlagerstahl besteht, der durch Gießen, Schmieden und mechanisches Bearbeiten hergestellt ist. Ein solches Wälzlager ist allgemein bekannt. Ein Wälzlager, das in Hochtemperaturanwendungen (z. B. einem Röntgenapparat) eingesetzt wird, wo kein Schmierstoff vorhanden ist, ist ebenfalls bekannt. Um der hohen Temperatur zu widerstehen, sind alle Bauelemente eines solchen Wälzlagers mittels Hochlegierung-Pulvermetallurgietechnik hergestellt.
Für höhere Belastung und bei niedriger Temperatur werden Wälzlager in einem aktiv geschmierten Zustand verwendet. Beispielsweise wird in Getriebegehäusen Öl entweder durch eine Pumpe oder durch die Bewegung der Zahnräder zirkuliert. Ein Schmiermittel kann die Fläche zwischen den Wälzkörpern und dem Innen- und Außenring nur erreichen, wenn solche Wälzlager nicht abgedichtet sind.
Viele Anwendungen sind lebensdauergedichtet, d. h. es besteht keine Vorkehrung zum Wechseln von Öl, das möglicherweise verschmutzt werden könnte.
Es ist jedoch beobachtet worden, dass insbesondere beim Einlaufen aber auch während einer späteren Phase das Schmiermittel verschmutzt wird. Verschmutzung kann auch durch ungünstige Betriebsbedingungen gefördert werden. Ein Beispiel findet sich in Kraftübertragungen von Papiermühlen.
Wegen des Vorhandenseins von Verschmutzung in dem Schmiermittel wird die Lebensdauer der zugehörigen Wälzlager dramatisch reduziert. Normalerweise erfolgt ein Versagen in Folge eines Ermüdungsmechanismus des Wälzkontaktes, was durch abrasiven Verschleiß und damit zusammenhängende Ermüdungsbeschädigung der Oberfläche beschleunigt wird. Harte Partikel, wie eine Verschmutzung in dem Schmiermittel, beschädigen die Bauteile des Lagers und solche harten Partikel werden in die Wälzlagerflächen eingebettet. Die resultierende hohe Rauhigkeit der Ringe und Wälzkörper führt zu schlechten Schmierbedingungen infolge von Kontakt von Metall zu Metall an den Berührungsspitzen. Die geschlossenen Oberflächenunebenheiten schneiden während der Wälzbewegung ein, was Oberflächenausbrüche verursacht und die Rissausbreitung fördert, wobei die Lagerlebensdauer im Vergleich zu nicht verschmutzten Schmierbedingungen verkürzt wird.
In der japanischen Patentanmeldung JP 09 025 938 A wird ein Lager beschrieben, bei welchem entweder der Innenring oder der Außenring aus zwei Ringteilen gebildet ist, die zusammengesintert sind und aus einer Sinterlegierung hergestellt sind, die nachfolgend mit Schmieröl imprägniert wird, d. h. die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 2 werden beschrieben.
Es wird angestrebt, ein Wälzlager zu schaffen, das in der Lage ist, den nachteiligen Wirkungen einer (harten) Verschmutzung im Schmiermittel zu widerstehen, d. h. welches so ausgestaltet ist, dass ein frühes Versagen in Folge von Wälzkontaktermüdung verhindert wird.
Dies bedeutet, dass ein solches Wälzlager wenigstens die folgenden Anforderungen erfüllen sollte:
Hoher abrasiver Verschleißwiderstand, um die Entwicklung einer hohen Oberflächenrauhigkeit und damit Scherbrüchen wegen geschlossener Berührungsflächen von Metall auf Metall zu verhindern;
hohe lokale Zähigkeit und Widerstand gegen Rissausbreitung.
Aus der EP 0 875 588 A2 und der EP 0076027 A2 ist die Verwendung eines eine große Volumenfraktion an harten Feinkarbiden enthaltenden Materials für Werkzeuge allgemein bekannt, die einen guten Verschleißwiderstand, Zähigkeit, Stärke und Widerstand gegen thermische Ermüdung und Erschütterung erfordern.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass eine solche Mikrostruktur mit einer großen Volumenfraktion an harten Feinkarbiden besser unter verschmutzten Schmierbedingungen arbeitet. Dies bedeutet, dass dann, wenn das Bauelement eines Wälzlagers aus einem solchen Material besteht, die Gefahr eines Ausfalls wegen einer Wälzkontaktermüdung beträchtlich reduziert wird.
Es wurde festgestellt, dass insbesondere der Innenring eines Wälzlagers einem Ausfall durch Wälzkontaktermüdung ausgesetzt ist. Jedoch könnten auch andere Bauelemente eines Lagers von dem Einsatz der Pulver-Metallurgietechnik zu deren Herstellung profitieren.
Die US 5,108,491 A beschreibt die Verwendung eines Schmieröls, die Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsstahls und sehr kleiner, kristallisierter Carbide einer Pulver-Metallurgiekomponente.
Erfindungsgemäß wird die oben genannte Zielsetzung dadurch erreicht, dass ein Innenring, wie er in Anspruch 1 definiert ist, aus einem Kugellagerstahl besteht, der durch Hochlegierung-Pulvermetallurgietechniken hergestellt worden ist.
Wie in Anspruch 2 definiert, befasst sich die Erfindung auch mit der Verwendung von Wälzlagern, bei denen wenigstens ein Bauelement, wie z. B. ein Ring, durch Hochlegierung-Pulvermetallurgietechnnik hergestellt worden ist, zum Lagern einer Welle, wobei das Wälzlager sich in einem aktiv geschmierten Zustand befindet.
Erfindungsgemäß umfasst die Pulvermetallurgiekomponente, wie in den Ansprüchen 1 und 2 ausgeführt, einen M62-Stahl. Dies ist ein Stahl mit 1,3 bis 1,4 Gewichtsprozent C, maximal 0,035 Gewichtsprozent S, 3,5–4,25 Gewichtsprozent Cr, 1,75–2,20 Gewichtsprozent V, 5,75–6,50 Gewichtsprozent W und 10,00–11,00 Gewichtsprozent Mo. Ein solcher Pulverstahl kann durch Vakuuminduktion, Stickstoffgasatomisierung, Mischen, Sieben, Einfüllen oder Verpacken und Ausgasung präpariert werden. Das Formen kann durch rotierendes Warmschmieden des Stranges gefolgt von Weichglühen realisiert werden.
Ein sehr kosteneffizientes Wälzlager kann man erhalten, wenn entweder die Wälzkörper oder der Außenring keinen Pulvermetallurgischen Stahl enthalten. Dies bedeutet, dass nur der Teil, der am stärksten der Belastung zur Kontaktermüdung ausgesetzt ist, aus dem Material hergestellt wird, dass den höchsten Widerstand dagegen besitzt.
Ein Beispiel einer Mikrostruktur, die zu einer erheblich verbesserten Ermüdungslebensdauer des Wälzkontaktes führt, besitzt erfindungsgemäß 12 bis 15 Volumenprozent aus 0,5–3 Mikrometer M₆C-Carbiden und ungefähr 8 Volumenprozent an M₂₃C₆-Carbiden von ungefähr 1 Nanometer. Diese Carbide sind in eine Matrix eingebettet, die durch Temperieren bei einer Temperatur hergestellt wird, die hoch genug ist, um eine feine M23C6-Abscheidung zu erzeugen. Ein Temperieren bei hoher Tem peratur führt zu einer erhöhten Zähigkeit und damit einer langsameren Rissausbreitungsgeschwindigkeit und zu einem erhöhten Widerstand gegen Ausbruchermüdung Oberflächen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Abbildungen erläutert, in welchen:
1 ein Transmissions-Elektronenschliffbild eines Teils eines Wälzlagers, das erfindungsgemäß hergestellt worden ist;
2 die Härtedaten eines PM M62-Stahls;
3 Warmhärtedaten im Vergleich zu anderen Stählen;
4 Zähigkeitsdaten;
5 die Stärke gegen Wälzkontaktermüdung im Vergleich zu anderen Materialien;
6 Lagerlebensdauer/Einlaufverschmutzungsbedingungen;
7 eine Zusammenfassung der Wälzlagerstahleigenschaften.
In 1 ist ein Transmissions-Elektronenschliffbild eines Teils eines metallurgischen Materials gezeigt, das M₆C-Carbide und M₂₃C₆-Carbide enthält. Dies ist ein PM M62Stahl, von welchem die Zusammensetzung oben angegeben worden ist.
In 2 werden die Härtedaten des PM M62-Stahls bei verschiedenen Temperaturen gezeigt. Es wird deutlich, dass ein Anstieg der Härtetemperatur von 1150°C auf 1205°C zu einem wesentlichen Anstieg der Härte führt.
3 zeigt die Warmhärte von verschiedenen Materialien. Die überlegenen Eigenschaften von PM M62 werden sofort deutlich.
4 zeigt die Zähigkeit von PM M62 im Vergleich zu Martensitmaterial der Klasse 3 (52100).
5 zeigt den Anstieg von L50 eines PM M62-Materials im Vergleich zu einem VIM (vakuuminduktionsgeschmolzenem) – VAR (vakuumlichtbogenwiederaufgeschmolzenem) 52100 Stahl, wie er bei Rillenkugellagern mit durch Einlaufen verschmutzten Bedingungen eingesetzt wird. Es wird deutlich, dass das PM-Material überlegene Eigenschaften besitzt.
Dies wird auch durch 6 bestätigt, die einen Stahl der Anmelderin, einen carbonitrierten Stahl und das PM M62-Material zeigt. Schließlich zeigt 7 eine Zusammenfassung der Eigenschaften von mehreren Stählen zur Verwendung in Wälzlagern. Gemäß der vorliegenden Anwendung wird Pulvermetallorgietechnik und insbesondere PM M62-Stahl-Technologie bei Wälzlagern eingesetzt und insbesondere bei deren Innenring, wo die Kontaktbelastungen, die Temperatur und das Niveau der Schmiermittelverschmutzung oberhalb der Fähigkeiten von Wälzlagern liegen, die aus Standard-Wälzlagerstahl hergestellt worden sind. Wenn die Lebensdauer ein Problem bei Standardstahl ist oder eine Verkleinerung der Lager gefordert wird, können die oben genannten Pulvermetallurgiematerialien verwendet werden. Anwendungen sind Pulverwälzkörper für stufenlos variable Kraftübertragungen. Jedoch liegen auch andere Anwendungen, bei welchen Verschmutzung ein Problem darstellt, im Bereich der vorliegenden Anmeldung. Wie zuvor angedeutet, ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Innenringen beschränkt, sondern dient auch für Außenringe und Wälzkörperelemente.
Die beigefügten Ansprüche umfassen auch Ausführungsformen, die oben nicht beschreiben worden sind, die aber für den Fachmann nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung sofort ersichtlich sind.

Claims

Wälzlager mit einem Innenring, Wälzkörpern und einem Außenring, bei welchem eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Wälzkörpern und der Umgebung vorgesehen ist, wobei der Außenring aus einem Wälzlagerstahl besteht, der durch Gießen, Schmieden und mechanisches Bearbeiten hergestellt worden ist, und der Innenring aus einem Wälzlagerstahl besteht, der mittels Pulvermetallurgietechnik hergestellt worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermetallurgiekomponente einen M62-Stahl umfasst.
Verwendung eines Wälzlagers, das einen Außenring, einen Innenring und zwischen diesen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei wenigstens der Innenring aus einem Material besteht, das mittels Pulvermetallurgietechnik hergestellt worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager sich in einem aktiv geschmierten Zustand befindet und die Pulvermetallurgiekomponente einen M62-Stahl umfasst.
Wälzlager oder dessen Verwendung nach einem vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wälzkörper aus einem nicht-pulvermetallurgischen Stahl bestehen.
Wälzkörper oder dessen Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenstruktur der pulvermetallurgischen Komponente 10 bis 17 Volumenprozent M₆C-Carbide und ungefähr 8 Volumenprozent M₂₃C₆-Carbide aufweist.
Wälzlager oder dessen Verwendung nach Anspruch 4, wobei die M₆C-Carbide eine Partikelgröße von 0,5 bis 3 μm haben.
Wälzlager nach Anspruch 4 oder 5, wobei die M₂₃C₆-Carbide eine Partikelgröße von zirka 1 nm haben.