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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Rollen- bzw. Walzenelement und
ein Verfahren zur Herstellung desselben, und insbesondere ein Rollenelement,
wie einen Rollennockenfolger, welcher in einer Nockenvorrichtung
zum Drehen eines Schwinghebels in einem Ventilsystem, z.B. einem
Fahrzeugmotor, verwendet wird und ein Verfahren zur Herstellung
desselben.
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Gebiet der Erfindung
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Z.B.
wird, in der Nockenvorrichtung zum Drehen des Schwinghebels in einem
Ventilsystem eines Fahrzeugmotors ein Schmieröl unzureichend auf einen Kontakt
zwischen der Nocke und dem Nockenfolger aufgebracht, so dass die
Schmierbedingungen hart sind, und da der Nockenfolger zu der Nocke
nicht einen reinen Rollkontakt sondern einen durch ein Gleiten übertragenen
Rollkontakt durchführt,
neigt der Nockenfolger dazu ein Abblättern in einem äußeren Umfang,
wie einer Rollenfläche,
in einem kurzen Zeitraum zu bewirken, wodurch die Lebensdauer verkürzt wird.
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Ein
Bevollmächtigter
dieser Erfindung hat, mit dem Ziel die Lebensdauer zu verlängern, einen
Nockenfolger vorgeschlagen (offengelegtes Patent Nr. 7-54616) umfassend
einen Blisterstahl (einsatzgehärteter Stahl)
ausgeführt
mit einer Aufkohlungsbehandlung, mit einer Oberflächenhärte von
63 bis 68 bzgl. der Rockwell C Härte
(im Folgenden als „HRC" bezeichnet) und
enthaltend einen Restaustenit in der Oberfläche von 13 bis 30 Vol.%. Ein
Grund, warum die Oberflächenhärte auf
HRC 63 bis 68 bestimmt wird, ist um Beschädigungen zu vermeiden, welche
zu einem Ausgangspunkt für
das Abblättern
werden, wenn fremde Materialien einschneiden bzw. -beißen, oder
sich die Schmiermittelbedingungen verschlechtern, wie auch um die
Zähigkeit
zu sichern. Des weiteren ist ein Grund, den Restaustenit in der
Oberfläche
auf 13 bis 30 Vol.% festzulegen, um zu verhindern, dass sich die
Zähigkeit
verringert, um ein Fortschreiten von Rissen zu vermeiden und die Abmessungsänderungen
aufgrund der martensitischen Deformation beim Erwärmen zu überprüfen.
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Der
o.g. existierende Nockenfolger weist jedoch kaum Karbide auf der
Oberfläche
auf, und die Verschleißbeständigkeit
ist nicht ausreichend. Als ein Ausgangsmaterial wird der einsatzgehärtete Stahl
eingesetzt. Da der einsatzgehärtete
Stahl kein Massenprodukt ist, sind die Materialkosten hoch, und
da als ein Ergebnis der Wärmebehandlung
die Kosten für
die Aufkohlungsbehandlung oder eine Karbonnitrierbehandlung des
einsatzgehärteten
Stahls teuer sind, sind die erhöhten
Gesamtherstellungskosten des Nockenfolgers ein Problem.
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Man überlegt
daher die Aufkohlungsbehandlung oder Karbonnitrierbehandlung an
einem bearbeiteten Rohling des Rollenelements durchzuführen, welcher
in einer vorbestimmten Form aus dem Lagerstahl (Chromlagerstähle mit
viel Kohlenstoff ) wie JIS SUJ2 geformt wurde, um den Nockenfolger
zu bilden, in diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, gleichzeitig die Oberflächenhärte zu erhöhen und
die Karbide zu verfeinern, und wenn z.B. die Aufkohlungsbehandlung
an JIS SUJ2 durchgeführt
wird, welches schon an sich viel Kohlenstoff und Karbide enthält, um die
Oberflächenhärte zu erhöhen, wachsen
die bereits existierenden Karbide weiter und werden sehr groß, wodurch
insgesamt die Lebensdauer verkürzt
wird.
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JP-2000-345299 offenbart
ein Gleitelement mit verbesserter Verschleißbeständigkeit.
EP 1 099 865 A2 offenbart
ein Wälzlager
hergestellt aus einem Stahlmaterial umfassend höchstens 0,3% Kohlenstoff.
EP 1 138 735 A1 offenbart
ein Ausgangsmaterial für
Lageranschlüsse.
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Demzufolge
ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Rollenelement
bereitzustellen, mit einer längeren
Lebensdauer als die Lebensdauer des herkömmlichen und ein Verfahren
zur Herstellung desselben.
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Dieser
Gegenstand wurde durch das Rollenelement gelöst, wie in Anspruch 1 definiert,
und durch das Verfahren der Ansprüche 2 und 3.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das
Rollenelement gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen Lagerstahl umfasst, mit
einer durchgeführten
Aufkohlungsbehandlung, enthaltend Kohlenstoff in einer Gesamtmenge
von 1,0 bis 1,6 Gew.% in einem Oberflächenbereich eines Bereichs
von einer Oberfläche
einer Rollenfläche
bis zu einer Tiefe, in welcher eine maximale Scherspannung wirkt,
wobei die Menge des gelösten
Kohlenstoffs 0,6 bis 1,0 Gew.% in einer Matrix des Oberflächenbereichs
beträgt
und wobei auf dem Oberflächenbereich
5 bis 20% Kar bide in einem Flächenbereich
ausgefallen sind und die Teilchengröße 3 μm oder weniger beträgt, wie
in Anspruch 1 definiert.
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In
der Erfindung sind die Gründe
die jeweiligen Zahlenwerte zu begrenzen wie folgt.
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Gesamtmenge des Kohlenstoffs
in dem Oberflächenbereich
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Die
Gesamtmenge des Kohlenstoffs ist auf 1,0 bis 1,6 Gew.% beschränkt, denn
wenn die obere Grenze überschritten
wird, sind die Karbide sehr groß und
können
nicht verfeinert werden. Die untere Grenze wird notwendigerweise
auf der Basis des Lagerstahls (Chromlagerstahl mit viel Kohlenstoff),
wie JIS SUJ2, bestimmt.
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Die Menge des gelösten Kohlenstoffs
in der Matrix des Oberflächenbereichs
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Die
Menge des gelösten
Kohlenstoffs wird auf 0,6 bis 1,0 Gew.% begrenzt, denn wenn die
Menge geringer als die untere Grenze ist, kann eine gewünschte Oberflächenhärte nicht
bereitgestellt werden, und wenn fremde Materialien das Rollenelement
angreifen, z. B. auf der Rollenfläche des Nockenfolgers, oder
wenn Beschädigungen
entstehen, die zu einem Ausgangspunkt für das Abblättern werden, wenn sich die
Schmierbedingungen verschlechtern, tritt ein Abblättern innerhalb
eines kurzen Zeitraums auf, und wenn die obere Grenze überschritten
wird, beträgt
die Menge der feinen Karbide in dem Oberflächenbereich weniger als 5%
in dem Flächenanteil,
so dass sich die Verschleißbeständigkeit
verringert.
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Menge des Karbids in dem Oberflächenbereich
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Die
Menge des Karbids ist auf 5 bis 20% in dem Flächenanteil begrenzt, denn wenn
sie geringer als die untere Grenze ist, wird die Verschleißbeständigkeit
reduziert, wohingegen, wenn sie die obere Grenze überschreitet,
grobe Karbide auftreten und zu Müdigkeitsrissen
führen,
was zu einer Verkürzung
der Lebensdauer des Rollenelements führt.
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Teilchengröße des Karbids in dem Oberflächenbereich
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Der
Grund, die Teilchengröße auf 3 μm oder weniger
zu beschränken,
ist dass wenn sie 3 μm überschreitet,
Ermüdungsrisse ähnlich zu
nichtmetallischen Einschlüssen
entstehen, und die Zähigkeit
kann nicht sichergestellt werden.
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Wenn
die Menge des Karbids in dem Oberflächenbereich und die Teilchengröße wie oben
sind, wird das Karbid gleichförmig
in dem Oberflächenbereich
dispergiert, und die Stabilität des
Restaustenits erhöht sich,
so dass das Walzenelement vor Abmessungsänderungen geschützt ist..
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Gemäß der Erfindung
ist es möglich,
da die Oberflächenhärte erhöht wird,
Beschädigungen
zu verhindern, welche zu einem Ausgangspunkt für das Abblättern werden, wenn fremdes
Material angreift oder sich die Schmierbedingungen verschlechtem,
und zu vermeiden, dass Abblättern
innerhalb eines kurzen Zeitraums auftritt, und zusätzlich wird
verhindert, dass sich die Verschleißbeständigkeit verringert und die
Zähigkeit
wird sichergestellt, und daher kann eine lange Lebensdauer des Rollenelementes
erzielt werden. Des weiteren besteht das Rollenelement aus Lagerstahl,
welcher als Lager in Massen produziert wird, so dass die Materialkosten
gering sind, und als ein Ergebnis sind die Herstellungskosten insgesamt
niedrig. Da von den Lagerstählen insbesondere
JIS SUJ2 in Massen hergestellt wird, werden die Materialkosten wünschenswerterweise
deutlich reduziert.
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In
der Erfindung liegt die Temperatur der Aufkohlungsbehandlung vorzugsweise
bei 840 bis 870°C.
In diesem Fall ist die Temperatur niedriger als die Erwärmungstemperatur
für die
Aufkohlungsbehandlung oder Karbonnitrierbehandlung, so dass die
Wärmebehandlungskosten
gering sind. Demzufolge sind die Herstellungskosten insgesamt niedrig.
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Ein
Rollenelement gemäß der Erfindung
wird des weiteren vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass es ein
Lagerstahl umfasst, ausgeführt
mit einer Aufkohlungsbehandlung enthaltend Kohlenstoff in einer Gesamtmenge
von 1,0 bis 1,6 Gew.% in einem Oberflächenbereich eines Bereichs
von einer Oberfläche
einer Rollenfläche
bis in eine Tiefe, in welcher eine maximale Scherspannung wirkt,
einer Menge des Restaustenits von 20 bis 35 Vol.%, Restspannung
durch Komprimierung von 150 bis 1000 MPa, Oberflächenhärte von 64 oder mehr bzgl.
der Rockwell C Härte,
und wobei auf dem Oberflächenbereich
Karbide mit 5 bis 20% in einem Flächenanteil ausfallen und die
Teilchengröße 3 μm oder weniger
beträgt.
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In
der Erfindung sind die Gründe
für die
Begrenzung der jeweiligen Zahlenwerte wie folgt.
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Gesamtmenge des Kohlenstoffs
in dem Oberflächenbereich
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Die
Gesamtmenge des Kohlenstoffs ist auf 1,0 bis 1,6 Gew.% begrenzt,
wenn die obere Grenze Oberschritten wird, sind die Karbide sehr
groß und
können
nicht verfeinert werden. Die untere Grenze wird notwendigerweise
auf Basis des Lagerstahls, wie JIS SUJ2 bestimmt.
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Menge des Restaustenits in
dem Oberflächenbereich
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Der
Grund warum der Restaustenit auf 20 bis 35 Vol.% begrenzt wird,
ist das innerhalb dieses Bereichs, die Druckspannung, welche in
dem Oberflächenbereich
der Rollenfläche
auftritt, moderat ist, so dass vermieden werden kann, dass der Riss
weiter fortschreitet, die Zähigkeit
erhöht
wird, und die Lebensdauer des Rollenelements verlängert werden
kann. Wenn die Menge des Restaustenits geringer als 20 Vol.% ist,
können diese
Wirkungen nicht bereitgestellt werden, und wenn sie 35 Vol.% überschreitet, überschreitet
die Oberflächenhärte in dem
Oberflächenbereich
64 HRC nicht.
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Restspannung durch Komprimierung
in dem Oberflächenbereich
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Der
Grund für
die Begrenzung der Restspannung bei Komprimierung auf 150 bis 1000
MPa liegt daran, dass innerhalb dieses Bereichs vermieden werden
kann, dass Risse fortschreiten und als ein Ergebnis kann die Lebensdauer
des Rollenelementes verlängert
werden. Wenn die Menge der Restspannung durch Komprimierung jedoch
weniger als 150 MPa beträgt,
können
diese Wirkungen nicht bereitgestellt werden, und wenn sie 1000 MPa überschreitet,
sind Änderungen
während
des Verlaufs der Zeit aufgrund der übermäßigen Restspannung durch Komprimierung
Probleme.
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Oberflächenhärte in dem Oberflächenbereich
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Der
Grund für
die Beschränkung
der Oberflächenhärte in dem
Oberflächenbereich
auf HRC 64 oder mehr liegt daran, dass das Auftreten von Abblättern in
der Rollenfläche
in dem kurzen Zeitraum vermieden wird. Die obere Grenze der Oberflächenhärte liegt
wünschenswerterweise
bei ungefähr
69 um die Zähigkeit des
Materials sicherzustellen.
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Menge der Karbide in dem Oberflächenbereich
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Der
Grund warum die untere Grenze der Karbide auf 10% in dem Flächenanteil
begrenzt wird, liegt darin, dass wenn die Menge der Karbide weniger
als 10% in dem Flächenanteil
beträgt,
die Menge der Karbide in Mikrometergröße und Submikrometergröße klein
ist, so dass die Wirkung der Verlängerung der Lebensdauer unzureichend
sein kann. Hierbei besitzen Karbide in der Mikrometergröße eine
Wirkung bezüglich
einer Verhinderung der Bildung einer Gleitzone, welche Ermüdung bewirkt,
wohingegen die Karbide in der Submikro metergrößenordnung keine Wirkung bezüglich der
Verhinderung der Gleitzone aufweisen, jedoch die Wirkung besitzen,
diese zu dispergieren.
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Des
weiteren ist der Grund des Begrenzen der oberen Grenze der Karbide
auf 25% in dem Flächenanteil
der, dass wenn 25% überschritten
werden, die Teilchengröße der Karbide
unvermeidlicherweise groß ist und
die Räume
zwischen den jeweiligen Karbiden klein sind, und sich die Karbide
nicht gleichförmig
dispergieren.
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Die Teilchengröße der Karbide
in dem Oberflächenbereich
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Der
Grund für
die Begrenzung der Teilchengröße auf 3 μm oder weniger
ist der gleiche wie zuvor erwähnt.
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In
dem Fall, dass die Menge und die Teilchengröße der Karbide in dem Oberflächenbereich
wie oben erwähnt
sind, dispergieren sich die Karbide gleichförmig in dem Oberflächenbereich,
die Stabilität
des Restaustenits erhöht
sich und es kann verhindert werden, dass sich die Abmessungen des
Rollenelements verändern.
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Da
sich die Oberflächenhärte erhöht, ist
es gemäß der Erfindung
möglich
die Beschädigung
zu vermeiden, welche das Abblättern
beginnt, wenn fremde Materialien angreifen oder sich die Schmierbedingungen verschlechtem,
so dass das Auftreten des Abblätterns
innerhalb eines kurzen Zeitraums verhindert wird, und die Verschleißbeständigkeit
wird daran gehindert, sich zu verringern und die Zähigkeit
wird sichergestellt. Als ein Ergebnis kann die Lebensdauer des Rollenelements
verlängert
werden. Des weiteren besteht das Rollenelement aus dem Lagerstahl,
welcher als Lager in Massen hergestellt wird, so dass die Materialkosten
gering sind, und als ein Ergebnis sind die Herstellungskosten insgesamt
gering. Da von den Lagerstählen
JIS SUJ2 insbesondere in Massen hergestellt wird, werden die Materialkosten
wünschenswerterweise
deutlich reduziert.
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In
der Erfindung liegt die Aufkohlungsbehandlungstemperatur vorzugsweise
bei 840 bis 870°C.
Die Temperatur ist geringer als die Erwärmungstemperaturen der Aufkohlungsbehandlung
oder der Karbonnitrierbehandlung, so dass die Wärmebehandlungskosten niedrig
sind. Demzufolge sind die Herstellungskosten insgesamt gering.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Rollenelementes gemäß eines
weiteren Gegenstandes der Erfindung ist gekennzeichnet durch das
Erwärmen
eines bereits bearbeiteten Rohlings eines Rollenelementes, welches
bereits in einer vorbestimmten Form aus einem Lagerstahl gebildet
ist, in einer Aufkohlungsatmosphäre, deren
Kohlenstoffpotential 1,2% oder mehr bei 840 bis 870°C beträgt, für drei Stunden
oder länger,
um so eine Aufkohlungsbehandlung durchzuführen, gefolgt von einem Abschrecken,
wodurch die gesamte Menge an Kohlenstoff auf 1,0 bis 1,6 Gew.% in
einem Oberflächenbereich
eines Bereichs einer Oberfläche
einer Rollenfläche
bis zu einer Tiefe, in welcher eine maximale Scherspannung wirkt,
gehalten wird, eine Menge an gelostem Kohlenstoff wird auf 0,6 bis
1,0 Gew.% in einer Matrix dieses Oberflächenbereichs gehalten, und
wobei auf den Oberflächenbereich
5 bis 15% Karbide in einem Flächenanteil
ausfallen, mit einer Teilchengröße von 3 μm oder weniger.
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In
diesem Gegenstand der Erfindung ist der Grund für das Begrenzen der Zahlenwerte
der Aufkohlungsbehandlung wie folgt. In Bezug auf die unteren Grenzen
der Menge der gesamten Kohlenstoffe in dem Oberflächenbereich,
der Menge des gelösten
Kohlenstoffs in der Matrix des Oberflächenbereichs und der Menge
und der Teilchengröße der Karbide
in dem Oberflächenbereich
sind die Gründe
der Begrenzung die gleichen wie oben erläutert.
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Die obere Grenze der Menge
der Karbide im Oberflächenbereich
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Um
die Menge der Karbide von 15% in dem Oberflächenbereich zu überschreiten,
sollte die Aufkohlungsbehandlung lang sein, als ein Ergebnis sind
die Wärmebehandlungskosten
im Vergleich mit dem Fall, in dem der Flächenbereich 15% oder weniger
enthält,
hoch.
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Das Kohlenstoffpotential in
der Aufkohlungsbehandlungsatmosphäre
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Der
Grund für
die Begrenzung des Kohlenstoffpotentials auf 1,2% oder mehr, ist
der, dass bei weniger als 1,2 Gew.% die Aufkohlung kaum Wirkung
auf den Lagerstahl, welcher ungefähr 1 Gew.% Kohlenstoff enthält, hat,
und eine gewünschte
Härte des
Oberflächenbereichs
und ein gewünschter
Flächenanteil
kann nicht erhalten werden und des weiteren können Karbide nicht verfeinert
werden.
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Die Temperatur der Aufkohlungsbehandlung
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Der
Grund für
die Begrenzung der Temperatur auf 840 bis 870°C ist, dass die gewünschte Aufkohlung bei
einer niedrigeren Temperatur als die untere Grenze nicht durchgeführt werden
kann, wie auch in Bezug auf das Kohlenstoffpotential ausgeführt, während wenn
die obere Grenze überschritten
wird, eine Kristallkorngröße des Oberflächenbereichs
zu groß ist,
und gigantische Karbide werden ausgefällt und verringern die Festigkeit.
Dass heißt,
da die Zugfestigkeit im Verhältnis
zu –1/2fachen
der Kristallkorngröße steht,
verringert sich die Festigkeit, wenn die Kristallkorngröße zu groß ist.
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Aufkohlungsbehandlungsdauer
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Der
Grund, warum die Dauer auf drei Stunden oder länger begrenzt wird, ist, dass
wenn sie kürzer
als drei Stunden ist, die Aufkohlungstiefe unzureichend ist.
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Gemäß dieses
Gegenstandes der Erfindung sind die Materialkosten gering, da der
Rohling eingesetzt wird, bestehend aus dem Lagerstahl, welcher häufig als
Lager verwendet wird. Daneben beträgt die Aufkohlungsbehandlungstemperatur
840 bis 870°C
und die Behandlungsdauer ist ausreichend mit einem Abschrecken nach
der einen Aufkohlungsbehandlung, so dass die Erwärmungsbehandlungskosten billig
sind, und demzufolge sind die Herstellungskosten des Rollenelementes
insgesamt gering. Da JIS SUJ2 von den Lagerstählen besonders häufig in
Massen hergestellt wird, werden die Materialkosten wünschenswerterweise
deutlich reduziert.
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In
diesem Gegenstand der Erfindung beträgt das Kohlenstoffpotential
vorzugsweise 1,2 bis 1,4%. Werden 1,4% überschritten, tritt ein Problem
auf, dass zuviel Russ erzeugt wird.
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Des
weiteren beträgt
gemäß dieses
Gegenstandes der Erfindung die Erwärmungsdauer vorzugsweise 3,5
bis 5 Stunden. Werden fünf
Stunden überschritten,
sind die Wärmebearbeitungskosten
hoch und es tritt ein Problem auf, dass die Karbide gigantisch werden.
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Das
Verfahren zu Herstellung des Rollenelementes gemäß eines weiteren Gegenstandes
der Erfindung ist gekennzeichnet durch das Erwärmen eines bereits bearbeiteten
Rohlings des Rollenelementes gebildet in einer vorbestimmten Form
aus einem Lagerstahl in einer Aufkohlungsatmosphäre, deren Kohlenstoffpotential
0,9 bis 1,1% beträgt,
bei 930 bis 970°C
für eine
Stunde oder länger,
wodurch eine Behandlung durchgeführt
wird, um die bereits existierenden Karbide in die Matrix zu schmelzen,
gefolgt von einem Abschrecken und nachfolgendem Erwärmen in
der Atmosphäre
mit einem Kohlenstoffpotential von 1,2% oder mehr, bei 840 bis 870°C für drei Stunden
oder länger,
um so die Aufkohlungsbehandlung durchzuführen, gefolgt von einem Abschrecken,
wodurch die Gesamtmenge an Kohlenstoff auf 1,0 bis 1,6 Gew.% in
einem Oberflächenbereich eines
Bereichs von einer Oberfläche
einer Rollenfläche
bis zu einer Tiefe, in welcher die maximale Scherspannung wirkt,
gehal ten wird, eine Menge von gelöstem Kohlenstoff auf 0,6 bis
1,0 Gew.% in einer Matrix des Oberflächenbereichs gehalten wird
und wobei auf den Oberflächenbereich
1 bis 20% Karbide in einem Flächenanteil
ausgefällt
werden, mit einer Teilchengröße von vorzugsweise
2 μm oder
weniger.
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In
diesem Gegenstand der Erfindung ist der Grund für das Begrenzen der Zahlenwerte
der Heizbehandlung wie folgt. In Bezug auf die oberen Grenzen der
Menge des gesamten Kohlenstoffs in dem Oberflächenbereich, der Menge des
gelösten
Kohlenstoffs in der Matrix des Oberflächenbereichs und der Menge
der Karbide in dem Oberflächenbereich
sind die begrenzenden Gründe
die gleichen, wie oben erläutert.
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Die untere Grenze der Menge
der Karbide im Oberflächenbereich
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Der
Grund für
das Begrenzen der unteren Grenze der Karbide auf 10% in dem Flächenanteil
liegt daran, dass wenn sie weniger als 10% beträgt, die Menge der Karbide in
Mikrometergrößenordnung
und Submikrometergrößenordung
gering ist, und die Wirkung der Verlängerung der Gleitlebensdauer
vermutlich nicht bereitgestellt wird. Hierbei weisen die Karbide
in der Mikrometergröße eine
Wirkung zur Verhinderung der Bildung der Gleitzone, welche Ermüdung bewirkt,
auf, während
die Karbide in der Submikrometergröße keine Wirkung bezüglich der
Verhinderung der Bildung der Gleitzone ausüben, jedoch eine Wirkung auf
das Dispergieren derselben besitzen.
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Teilchengröße der Karbide in dem Oberflächenbereich
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Der
Grund für
das Begrenzen der Teilchengröße der Karbide
auf vorzugsweise 2 μm
oder weniger ist, dass beim Überschreiten
von 2 μm
Ermüdungsrisse
beginnen, ähnlich
zu nichtmetallischen Einschlüssen,
und die Zähigkeit
kann unzureichend sein.
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Verfahren des Verschmelzen
bereits existierender Karbide in die Matrix
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Der
Grund warum das Kohlenstoffpotential auf 0,9 bis 1,1% in der Atmosphäre bei diesem
Verfahren beschränkt
wird, ist um keine Aufkohlung oder Abkohlung in dem Rollenelement
zu bewirken. Überschreitet
es 1,1% wird die Aufkohlung in dem Lagerstahl, welcher ungefähr 1 Gew.%
enthält,
bewirkt, während,
wenn er weniger als 0,9% enthält,
eine Abkohlung bewirkt wird.
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Der
Grund für
das Begrenzen der Erwärmungstemperatur
auf 930 bis 970°C
bei diesem Verfahren liegt darin, dass wenn die Temperatur geringer
als 930°C
ist, die Karbide unzureichend fest in der Matrix sind, als eine
zweite Phase die nach dem Sintern der kugelförmigen Karbide existieren,
wohingegen beim Überschreiten
von 970°C
möglicherweise
Abschreckrisse auftreten.
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Des
weiteren ist der Grund für
das Begrenzen der Erwärmungsdauer
auf eine Stunde oder länger
bei diesem Verfahren, dass bei weniger als einer Stunde die Karbide
unzureichend fest in der Matrix sind, als die zweite Phase, welche
nach dem Sintern der kugelförmigen
Karbide existiert.
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Aufkohlungsverfahren
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Der
Grund, das Kohlenstoffpotential in der Atmosphäre auf 1,2% oder mehr bei diesem
Verfahren zu begrenzen ist, dass wenn es weniger als 1,2 Gew.% beträgt, die
Aufkohlung kaum Wirkung auf den Lagerstahl, welcher Kohlenstoff
mit ungefähr
1 Gew.% enthält,
zeigt, und eine gewünschte
Härte des
Oberflächenbereichs und
eine gewünschte
Flächenrate
kann nicht erzielt werden und Karbide können nicht verfeinert werden.
Die obere Grenze des Kohlenstoffpotentials liegt vorzugsweise bei
1,4% um das Auftreten von Russ zu vermeiden.
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Der
Grund für
die Begrenzung der Erwärmungstemperatur
auf 840 bis 870°C
bei diesem Verfahren ist, dass bei weniger als der unteren Grenze
die gewünschte
Aufkohlung nicht durchgeführt
werden kann, wie in Bezug auf das Kohlenstoffpotential erwähnt, wohingegen
beim Überschreiten
der oberen Grenze die Kristallkorngröße des Oberflächenbereichs
zu groß ist,
und gigantische Karbide ausgefällt
werden und die Festigkeit verringern. Das heißt, da die Zugfestigkeit im
Verhältnis
das –1/2fache
der Kristallkorngröße beträgt, sich
die Festigkeit verringert, wenn die Kristallkorngröße zu groß ist.
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Der
Grund für
die Begrenzung der Erwärmungsdauer
auf drei Stunden oder länger
bei diesem Verfahren liegt daran, dass wenn die Dauer kürzer als
drei Stunden ist, die notwendige Abkohlungstiefe nicht erzielt werden
kann.
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Gemäß eines
weiteren Gegenstandes der Erfindung wird die Behandlung durchgeführt, um
die bereits existierenden Karbide in die Matrix zu schmelzen, und
anschließend
wird die Aufkohlungsbehandlung durchgeführt, so dass es möglich ist,
wieder feine Karbide aus Kernen der in der Matrix gelösten Karbide
auszufällen.
Demzufolge ist es möglich,
das Auftre ten von Ermüdungsrissen
zu vermeiden, die Zähigkeit
zu sichern und die Lebensdauer des Rollenelementes zu verlängern. Des
weiteren besteht das Rollenelement aus Lagerstahl, welcher als Lager
in Massen hergestellt wird, so dass die Materialkosten niedrig sind,
und als ein Ergebnis sind die Herstellungskosten insgesamt gering.
Da von den Lagerstählen
insbesondere JIS SUJ2 in Massen hergestellt wird, können die
Materialkosten deutlich reduziert werden.
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In
diesem weiteren Gegenstand der Erfindung liegt die Menge der kugelförmigen Karbide
in dem Oberflächenbereich
nach dem Durchführen
der Aufkohlungsbehandlung wünschenswerterweise
bei 13 bis 16% in dem Flächenanteil.
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Wenn
die Menge der kugelförmigen
Karbide mehr als 13% in dem Flächenbereich
beträgt,
wird die Wirkung des Verhinderns der Gleitzone durch die Mikrometergröße wie auch
die Wirkung des Dispergierens der Bildung der Gleitzone durch die
Submikrometergröße noch
deutlicher, und die Gleitlebensdauer wird erhöht. Des weiteren beträgt bei einer
Gasaufkohlung, unter Berücksichtigung
der Kosten, die Menge der kugelförmigen
Karbide 16% oder weniger in dem Flächenbereich.
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In
der Erfindung verändert
sich der Bereich von der Oberfläche
bis zur Tiefe, in welcher die maximale Scherspannung wirkt, abhängig von
der Last beim Rollen oder den Schmiermittelbedingungen, soll jedoch
einen Bereich von der Oberfläche
bis ungefähr
0,5 mm bezeichnen. Ein Grund für
das Bestimmen dieses Bereichs als eine o.g. Bedingung ist wie folgt.
Das heißt
innerhalb des Bereichs, in dem der maximale Lagerstahl wirkt um
einen inneren Startpunkt des Abblätterns zu bewirken, werden
die Menge des gesamten Kohlenstoffs, die Menge des gelösten Kohlenstoffs
in der Matrix und die Menge des kugelförmigen Karbids wie e.g. behandelt,
wodurch die Festigkeit erhöht
wird und als ein Ergebnis ein vorbestimmter Gegenstand erzielt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Diagramm, welches die Wärmebehandlungsbedingung
1 darstellt;
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2 zeigt
ein Diagramm, welches die Wärmebehandlungsbedingung
2 darstellt; und
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3 zeigt
ein Diagramm, welches die Wärmebehandlungsbedingung
3 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
folgende Erläuterung
erfolgt anhand spezifischer Beispiele dieser Erfindung zusammen
mit Vergleichsbeispielen.
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Beispiel 1 bis 4 und Vergleichsbeispiel
1
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Zwei
Stahlarten, welche in Tabelle 1 dargestellt sind, wurden hergestellt
und fünf
Arten von Rohlingen der Rollenelemente wurden hergestellt, wobei
Rollen der Nockenfolger in dem Ventilsystem eines Fahrzeugmotors
modelliert wurden. Tabelle 1
| Stahlarten | Zusammensetzung
(Gew.%) |
| Fe | C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo |
| A
(SUJ2) | Rest | 1,01 | 0,24 | 0,36 | 0,04 | 1,46 | 0,01 |
| B
(Einsatzgehärteter
Stahl) | Rest | 0,20 | 0,20 | 0,80 | 0,05 | 0,85 | 0,01 |
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Nachfolgend
wurden diese Rohlinge der Rollenelemente gemäß der Erwärmungsbedingungen, welche in
den 1 bis 3 dargestellt sind, behandelt,
um Rollen zur Überprüfung des
Abblätterns
zu erzeugen (Beispiele 1 bis 4 und Vergleichsbeispiel 1).
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Die
Wärmebehandlungsbedingung
1, welche in 1 dargestellt ist, umfasst das
Erwärmen
in der Atmosphäre
mit einem Kohlenstoffpotential von 1,3% bei 850°C für drei Stunden, und anschließend Ölabschrecken
auf 80°C.
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Die
Wärmebehandlungsbedingung
2, welche in 2 dargestellt ist, umfasst das
Erwärmen
in der Atmosphäre
mit einem Kohlenstoffpotential von 1,1 % bei 950°C für zwei Stunden und Ölabschrecken
auf 80°C und
nachfolgend Erwärmen
in der Atmosphäre
mit einem Kohlenstoffpotential von 1,3% bei 850°C für 3,5 Stunden und anschließend Ölabschrecken
auf 80°C.
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Die
Wärmebehandlungsbedingung
3, welche in 3 dargestellt ist, zeigt das
Erwärmen
in der Atmosphäre
mit einem Kohlenstoffpotential von 0,8% bei 930°C für fünf Stunden und nachfolgend
Erwärmen
in einer Atmosphäre
mit dem Kohlenstoffpotential von 0,8% bei 850°C für 0,7 Stunden und anschließend Ölabschrecken
auf 80°C.
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Obwohl
nicht in den Zeichnungen der obigen drei Wärmebehandlungen dargestellt,
wurde in jedem Fall ein Tempern am Ende bei 160°C für zwei Stunden durchgeführt.
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Tabelle
2 zeigt Stahlarten, die Wärmebehandlungsbedingungen
und die Wärmebehandlungskosten der
Beispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 1 der so hergestellten
Rollen.
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Die
Wärmebehandlungsbedingung
1A der Tabelle 2 änderte
die einzige Erwärmungsdauer
der Wärmebehandlungsbedingung
1 auf fünf
Stunden und die Wärmebehandlungsbedingung
1B änderte
die einzige Erwärmungsdauer
der Wärmebehandlungsbedingung
1 auf 3,5 Stunden. Die Wärmebehandlungskosten
sind als 1 bis 3 in der Reihenfolge der billigsten dargestellt. Tabelle 2
| | Stahlarten | Wärmebehandlungsbedingungen | Wärmebehandlungskosten |
| Beispiel
1 | A | 1 | 1 |
| Beispiel
2 | A | 1A | 1 |
| Beispiel
3 | A | 1B | 1 |
| Beispiel
4 | A | 2 | 2 |
| Vergleichsbeispiel
1 | B | 3 | 3 |
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Tabelle
3 zeigt die Oberflächenhärte (HRC)
der Rollenflächen
der Rollen, um das Abblättern
der Beispiele 1 bis 4 und Vergleichsbeispiel 1 zu testen, die Menge
des gesamten Kohlenstoffs in der äußersten Oberfläche der
Rollenflächen,
die Mengen des gelösten
Kohlenstoffs in der Matrix in der äußersten Oberfläche der Rollenflächen, die
Mengen (Flächenanteil)
der kugelförmigen
Karbide, welche in der äußersten
Oberfläche
der Rollenflächen
ausgefällt
sind, die maximalen Teilchengrößen der
kugelförmigen
Karbide, die in der äußersten Oberfläche der
Rollenflächen
ausgefällt
sind, die Mengen an Austenit (γR
Menge) an der Position der Tiefe von 50 μm von der Oberfläche der
Rollenflächen,
der Restspannung bei Komprimierung in der Position der Tiefe von
50 μm von
der Oberfläche
der Rollenflächen. Tabelle 3
| | Oberflächenhärte (HRC) | Menge
des gesamten Kohlenstoffes (Gew.%) | Menge
des gelösten
Kohlenstoffes (Gew.%) | Flächenanteil
der Karbide (%) |
| Beispiel
1 | 65,2 | 1,32 | 0,80 | 9,6 |
| Beispiel
2 | 65,0 | 1,58 | 0,83 | 14,0 |
| Beispiel
3 | 64,8 | 1,40 | 0,81 | 11,0 |
| Beispiel
4 | 65,0 | 1,45 | 0,81 | 15,5 |
| Vergleichsbeispiel 1 | 62,1 | 0,85 | 0,72 | 2,3 |
| | Maximaler
Durchmesser (μm) | γR (Vol.%) | Restspannung
bei Komprimierung (MPa) | Lebensdauer |
| Beispiel
1 | 1,3 | 23 | 150 | 2,2 |
| Beispiel
2 | 2,8 | 32 | 178 | 3 |
| Beispiel
3 | 2,1 | 28 | 134 | 2,5 |
| Beispiel
4 | 1,55 | 25 | 175 | 4 |
| Vergleichsbeispiel 1 | 0,3 | 25 | 200 | 1 |
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Überprüfung
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Die
Rollen zur Überprüfung des
Abblätterns
der Beispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 1 wurden als Zylinder
verwendet, um angetrieben zu werden und die Rollen bestanden aus
JIS FCD700 (gegossenes Eisen) und wurden ausgeführt mit einer Induktionsabschreckbehandlung
als Antriebszylinder verwendet, und beide wurden kombiniert, um
eine Testvorrichtung mit zwei Zylindern bereitzustellen. Der Antriebszylinder
der Testvorrichtung aus zwei Zylindern wurde mittels eines Motors
angetrieben, um den anzutreibenden Zylinder zu rotieren, welcher
den äußeren Umfang
berührte,
um die Lebensdauer zu überprüfen. Während der Überprüfung wurde
Schmieröl
auf den Berührungsbereich
der beiden Zylinder aufgebracht. Die Lebensdauer wurde als eine
Dauer bestimmt, bis die Rollenfläche
der Testrolle Beschädigungen
durch Abplatzung zeigte und die Vibration groß wurde. Die Ergebnisse der Überprüfung der
Lebensdauern sind auch in Tabelle drei dargestellt. Bezüglich der
Ergebnisse der Lebensdauer sind diese in einer solchen Weise dargestellt,
dass das Vergleichsbeispiel 1 als 1 bewertet wurde, und auf dieser
Basis die Testergebnisse der Lebensdauer dargestellt sind.
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Aus
den obigen Ergebnissen wird deutlich, dass die Beispiele 1 bis 4
der erfinderischen Teile deutlich die Lebensdauer im Vergleich mit
dem Vergleichsbeispiel 1 verbesserte. Da die Beispiele 1 bis 4 des
weiteren JIS SUJ2 als das unter den Lagerstählen am häufigsten in Massen hergestellte
Stahl einsetzten, im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, welches
einsatzgehärteten
Stahl einsetzt, waren die Materialkosten besonders gering. Zusätzlich sind
die Wärmebehandlungskosten
auch niedrig.