DE69323909T2

DE69323909T2 - Mechanisches teil mit rollelementen

Info

Publication number: DE69323909T2
Application number: DE69323909T
Authority: DE
Inventors: Nakashima Hirokazu Nakashima Hirokazu; Noriyuki Tsushima
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2013-09-09
Also published as: EP0718513A4; DE69323909D1; EP0718513A1; WO1995007417A1; KR100211423B1; EP0718513B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen, wie ein Gleichlaufgelenk oder ein Wälzkontaktlager, dessen Dauerfestigkeit durch die Verwendung von speziellen Stahltypen in Verbindung mit Hitzebehandlungsverfahren verbessert wurde.

Hintergrund der Erfindung

Der äußere Ring eines aus Stahl hergestellten Gleichlaufgelenks, der äußere Ring eines Radlagers, ein Wälzlagertyp (diese äußeren Ringe werden in den folgenden allgemeinen Beschreibungen als "äußere Teile" bezeichnet) und das äußere Teil einer Kugelkopfschraube weisen komplizierte Formen mit dickwandigen Abschnitten und dünnwandigen Abschnitten auf. Die Form dieser Teile verändert sich, wenn sie einer Karbonisierung oder einer Abschreckungshärtung unterzogen werden. Darüber hinaus verschlechtert sich die Zähigkeit des Schraubenabschnitts auf dem Schaft des äußeren Teils eines Gleichlaufgelenks und der Befestigungslochabschnitte des äußeren Teils eines Radlagers, falls diese Teile gehärtet werden. Es ist deshalb notwendig, diese ungehärtet zu belassen. Aus diesen Gründen wurden bei der Herstellung einer derartigen Einheit für tragende Verwendungen mittlere Kohlenstoffstähle eingesetzt, während das am besten für eine örtliche Härtung geeignete Induktionshärten an den Wälz- oder Gleitflächen der Wälz- oder Gleitelemente angewendet wurde, um darauf einsatzgehärtete Schichten zu bilden (vgl. Beschreibungseinleitung von US-A 4,992,111). Da die in dem vorstehend erwähnten mechanischen Lager oder der Gelenkein heit verwendeten Kugeln und Rollen (im folgenden einfach als "Wälzelemente" bezeichnet) eine einfache Form aufweisen, werden sie aus Lagerstahl hergestellt, insbesondere aus Lagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt (bestehend aus 1% Kohlenstoff, 1,5% Cr, etc.), der eine hervorragende Härtbarkeit und Dauerwälzfestigkeit aufweist und vor der Benutzung einer Abschreckungshärtung unterzogen und getempert wird.
Für die Induktionshärtung der vorstehend erwähnten Materialien wurde zusätzlich zu den für tragende Verwendungen vorgesehenen und leicht schmiedbaren Kohlenstoffstählen ein Stahl für tragende Funktionen entwickelt und verwendet, der insgesamt im wesentlichen aus 0,6-0,8% Kohlenstoff (Gew.-%, im folgenden einfach als % bezeichnet) und 0,5- 1,0% Si und Al besteht (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen JP-A-3 199 340 und JP-A-1 127 651). Da diese Stahltypen preiswert sind und leicht geschmiedet werden können, sind sie für äußere Teile mit komplizierten Formen geeignet, die während der Hitzebehandlung zum Zeitpunkt der örtlichen Induktionshärtung weniger verformt werden und zähe Kerne haben. Weiterhin weisen sie eine große Dauerwälzfestigkeit auf, da ihre nach dem Induktionshärten und Tempern erhaltenen gehärteten Schichten hinsichtlich Hitzewiderstandsfähigkeit und Abnutzungswiderstandsfähigkeit hervorragend sind, so daß sie vorzugsweise für solche äußeren Teile und inneren Ringe (im folgenden als "innere Teile" bezeichnet) verwendet wurden. In US-A 4,992,111 wird vorgeschlagen, ein Laufbahnteil eines Lagers aus einem Stahl zu fertigen, der 0,60-0,85 Gew.-% Kohlenstoff, insgesamt 0,5 -1 Gew.-% von Si und Al oder einer Kombination davon, bis zu 1 Gew.-% Cr und bis zu 0,5 Gew.-% Mn enthält und einer Abschreckungshärtung sowie einer Temperung unterzogen wird.
Weiterhin wurde ein Lagerteil aus dem vorstehend erwähnten Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt vorgeschlagen, dessen Oberflächen karbonitriert und anschließend abschreckungsgehärtet und getempert wurden (US-A- 3,216,869). Weiterhin ist ein Hitzebehandlungsverfahren bekannt (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung JP-A-62 218 542), bei dem die Menge des in dem Kern zurückbehaltenen Austenits durch Temperung bei einer relativ hohen Temperatur nach dem Härten so weit wie möglich verringert wird und eine angemessene Menge von Austenit in den aufgekohlten Oberflächenschichten verbleibt, um die Dauerwälzfestigkeit eines solchen Lagers oder einer solchen Gelenkeinheit zu verbessern.

Zu lösende Aufgabe

Bei der Verwendung eines induktionsgehärteten, aus mittlerem Kohlenstoffstahl bestehenden Materials für die Laufteile der Lager und der äußeren Teile der Gleichlaufgelenke waren die Lebensdauern dieser äußeren Teile im allgemeinen kürzer als diejenigen der aus abschreckungsgehärtetem Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil bestehenden Wälzelemente. Da jedoch äußere Teile entwickelt wurden, die wie die vorstehend beschriebenen aus induktionsgehärteten mittleren Kohlenstoffstählen bestehen und längere Lebensdauern aufweisen, und da die Lager und Gleichlaufgelenke für Kraftfahrzeuge kleiner und leichter gemacht werden müssen, ist die auf die Wälzflächen oder dergleichen wirkende Druckbelastung im Steigen begriffen. Bei diesen Betriebsbedingungen mit hohen Druckbelastungen ist die Dauerwälzfestigkeit der aus abschreckungsgehärtetem Chromlagerstahl mit hohem Kohlestoffanteil bestehenden Wälzelemente im Vergleich zu den äußeren Teilen unbefriedigend geworden.
Diese relative Verringerung der Dauerfestigkeit der Wälzelemente bei hoher Druckbelastung wird durch das Absplittern der Oberflächen der Wälzelemente verursacht, wobei das Absplittern durch Abriebpulver hervorgerufen wird, das durch den Abrieb auf den Wälzflächen oder Gleitflächen der aus induktionsgehärteten Materialien bestehenden gehärteten äußeren Teile erzeugt wird. Das Absplittern der Oberflächen der Wälzelemente tritt häufig in den Fällen auf, in denen sowohl die Gleit- als auch die Wälzbewegung der Wälzelemente auf den Gleitflächen zwischen den Wälzelementen und den äußeren Teilen der Lager oder Gelenkeinheiten, insbesondere der Gleichlaufgelenke, verursacht wird.
Bei der Verwendung der abschreckungsgehärteten oder karbonitrierten, aus dem vorstehend erwähnten Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil bestehenden Teile zur Vorbeugung und Verringerung des Abriebs der äußeren Teile ist das Schmieden in komplizierten Formen schwierig. Es muß also großes Vertrauen in die Bearbeitung bestehen. Die Bearbeitung ist somit ungeeignet für die Massenherstellung und erhöht die Produktionskosten, was sie unpraktikabel macht.
Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen mit einer verbesserten Dauerfestigkeit, Zuverlässigkeit und Eignung zur Massenproduktion zu schaffen, um die Bedürfnisse nach größeren Dauerfestigkeiten der Wälzflächen der äußeren Teile zu befriedigen, indem die Grenzen der Dauerfestigkeit ausgedehnt werden, die von dem Absplittern der Oberflächen der Wälzelemente abhängen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen mit einem äußeren Teil, dessen innere Oberfläche mit einer Wälzfläche versehen ist, einem inneren Teil, dessen äußere Oberfläche mit einer Wälzfläche versehen ist und Wälzelementen, die zwischen den Wälzflächen des äußeren und des inneren Teils drehbar angeordnet sind, wobei das äußere Teil aus einem Stahl hergestellt ist, der im wesentlichen aus mindestens 0,50-0,70% Kohlenstoff, insgesamt 0,5-1,0 Gew.-% von Si und Al oder einer Kombination von beiden, bis zu 1,5 Gew.-% Cr und bis zu 1,5 Gew.-% Mn besteht, wobei die Wälzfläche des äußeren Teils eine durch induktives Härten erhaltene gehärtete Schicht ist und die Wälzelemente aus gehärtetem und getempertem Chromlagerstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt sind und die äußeren Flächen der Wälzelemente mit karbonitrierten Oberflächenschichten versehen sind.
Diese Typen von Mechanikteilen mit Wälzelementen sind Gleichlaufgelenke, Radlager und Kugelschrauben. Zusätzlich zu Kugeln können als Wälzelemente auch zylindrische und konische Rollen verwendet werden.
Da das äußere Teil zur Induktionshärtung aus einem im wesentlichen aus 0,50-0,70% Kohlenstoff bestehenden mittleren Kohlenstoffstahl hergestellt ist und die Wälz- und Gleitflächen davon nach dem Induktionshärten getempert werden, bleibt der ungehärtete Kern davon nahezu weich und von hervorragender Schlagfestigkeit. Andererseits sind die gehärteten Schichten in dem Abnutzungswiderstand überlegen und beugen dem Fortschreiten des durch Risse in den Oberflächenschichten verursachten Oberflächenabsplitterns vor, da die durch die Umwandlung während des Induktionshärtens verursachte Druckbelastung in den gehärteten Oberflächen schichten, wie den Schichten für die Wälzflächen, verbleibt, wodurch die Dauerwälzfestigkeit eines derartigen mechanischen Lagers oder einer derartigen Gelenkeinheit ausgedehnt wird.
Falls der Kohlenstoffgehalt in diesem Stahl zum Induktionshärten geringer als 0,50% ist, weist das Material eine nicht ausreichende Eignung zum Induktionshärten auf. Falls der Gehalt andererseits größer als 0,70% ist, wird die Bearbeitungsfähigkeit des Materials im heißen Zustand unbefriedigend. Der Kohlenstoffgehalt sollte deshalb im Bereich von 0,50-0,70% und vorzugsweise im Bereich von 0,60- 0,70% liegen. Da dieser Stahl zum Induktionshärten insgesamt 0,5-1,0 Gew.-% von Si und Al oder einer Kombination davon enthält, wird die Widerstandsfähigkeit des Stahls gegenüber einer Abschreckungsenthärtung durch Al und/oder Si verbessert und die gehärteten Schichten werden selbst bei einer Erhitzung der Gleitflächen bei Betriebsbedingungen mit großen Druckspannungen weniger enthärtet. Die gehärteten Schichten können somit eine überlegene Hitzewiderstandsfähigkeit aufweisen. Vielmehr wird die. Härte der einsatzgehärteten Schichten selbst dann kaum verringert, wenn der Stahl bei Temperaturen im Bereich von 180-260ºC getempert wird, die größer sind als die normalen Temperungstemperaturen von 170ºC, und das in dem Stahl erhaltene Austenit kann auf einen angemessenen Betrag von 15 Vol.-% oder weniger eingestellt werden, wodurch eine standfeste Härte und Zähigkeit der gehärteten Schichten sichergestellt wird.
Falls der Gesamtgehalt von Si und Al weniger als 0,5% beträgt, zeigt der Stahl eine unbefriedigende Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Temperungsenthärtung und Hitze. Falls der Gehalt mehr als 1,0% beträgt, weist der Stahl eine unzureichende Hitzebearbeitungsfähigkeit auf. Der Ge samtgehalt von Si und Al sollte deshalb im Bereich von 0,5 -1,0% liegen. Üblicherweise wird für den vorstehend erwähnten Stahl ein Al-beruhigter Stahl verwendet, der 0,70- 0,90% Si und 0,03% Al enthält.
Der Gehalt der beiden anderen Bestandteile Mn und Cr sollte jeweils 1,5% oder weniger betragen. Da Mn jedoch die Zähigkeit des Kerns sicherstellt und die Härtbarkeit der durch Induktionshärtung einsatzgehärteten Schichten verbessert, sollte der Gehalt an Mn im Bereich von 1,0-1,2% festgelegt werden. Cr wird nicht hinzugefügt und somit beträgt der Gehalt an Cr gewöhnlich 0,3% oder weniger.
Andererseits ist der Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt der Wälzelemente ein Stahl, der im wesentlichen 0,90-1,10% Kohlenstoff, 0,15-0,70% Si, 1,0% oder weniger Mn und 1,0-1,6% Cr enthält. Falls dieser Stahl karbonitriert wird, so senkt sich der Ms-Punkt der Kohlenstoff/Stickstoff angereicherten Schicht in der Oberflächenschicht des Wälzelements, so daß die Martensidumbildung der karbonitrierten Schicht langsamer erfolgt als die des Kerns beim Härtungsprozeß nach der Austenitbildung. Als Ergebnis wird in der Oberflächenschicht nach der Umbildung eine zurückbleibende Druckspannung erzeugt, die Menge des zurückbehaltenen Austenits erhöht und die feinen Karbonitride werden in der Matrix der Oberflächenschicht verteilt und ausgeschieden, wodurch die Härte, der Abnutzungswiderstand sowie die Dauerfestigkeit des Wälzelements erhöht werden.
Selbst wenn infolge eines Abriebs an den Wälzflächen des äußeren oder inneren Teils erzeugter Pulverabrieb eindringt, verlangsamt das karbonitrierte Wälzelement das Absplittern von der Oberfläche des Wälzelementes und verlängert dadurch dessen Lebensdauer. Im Ergebnis hat das gesam te Wälzkontaktlager oder das gesamte Gleichlaufgelenk eine längere Lebensdauer, wodurch dessen Zuverlässigkeit verbessert wird.
Vorzugsweise wird als Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt JIS SUJ2-Stahl (bezugnehmend auf Tabelle 4; entsprechend DIN 100 Cr6-Stahl und SAE52100-Stahl) verwendet. Bei der Karbonitrierung dieses Chromlagerstahls mit einem hohen Kohlenstoffgehalt unter Verwendung eines Gaskarbonitrierungsverfahrens werden die Wälzelemente im allgemeinen in einer Atmosphäre eines endothermischen Gases aufgeheizt gehalten (bestehend aus ungefähr 20% CO, ungefähr 35% H&sub2; und ungefähr 40% N&sub2;, im folgenden als "RX-Gas" bezeichnet), und zur Erhöhung des Aufkohlungsvermögens ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan und als Nitrierungsmittel Ammoniak hinzugefügt. Anstelle des RX-Gases kann auch ein auf Stickstoff basierendes exothermisches Gas (eine nicht- oxidierendes exothermisches Gas, das aus ungefähr 2% oder weniger CO, etwa 2% oder weniger H&sub2; und ansonsten fast nur N&sub2; besteht, was im folgenden als "NX-Gas" bezeichnet wird) sowie ein Stickstoffgas verwendet werden.
Falls die Oberflächenschicht des Wälzelementes in einem gemischten Gas karbonitriert wird, d. h. in einem aus einem Stickstoffgas oder dem vorstehend erwähnten NX-Gas gemischt mit Kohlenwasserstoffgas und Ammoniakgas, so wird die Oberflächenschicht hochgradig nitriert und in einem Härtungsvorgang deutlich gehärtet, wodurch der Abnutzungswiderstand und die Dauerfestigkeit verbessert werden.
Anders als bei der Atmosphäre eines gemischten Gases, bestehend aus dem herkömmlichen RX-Gas und einem Ammoniakgas (Nitrierungsmittel), das einen großen Anteil an Wasserstoffgas enthält, kann die auf dem NX-Gas basierende Atmosphäre einen geringeren Anteil an Wasserstoffgas enthalten.
Dies ist vorteilhaft, da die Gefahr einer Wasserstoffgas- Versprödung während der Verwendung des Wälzelementes abnimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Stahl für das innere Teil, das im allgemeinen eine einfache zylindrische Form aufweist, aus drei verschiedenen Stählen ausgewählt werden: einem aufgekohlten Chromstahl mit einem geringen Kohlenstoffgehalt für tragende Verwendungen (0,13 bis 0,48% Kohlenstoff, 0,90 bis 1,20% Cr, z. B. der in Tabelle 4 aufgelistete JIS SCr415-Stahl oder dergleichen), ein mittlerer, induktionsgehärteter Kohlenstoffstahl für tragende Verwendungen (0,47 bis 0,61% Kohlenstoff, z. B. der in Tabelle 4 aufgelistete JIS S53C-Stahl), sowie ein vorstehend erwähnter abschreckungsgehärteter Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt (z. B. der in Tabelle 4 aufgelistete JIS SUJ2-Stahl oder dergleichen).
Das äußere Teil des mechanischen Lagers oder der Gelenkeinheit der vorliegenden Erfindung kann kompliziert geformt sein, da es zum Härten aus mittlerem Kohlenstoffstahl besteht und hinsichtlich der Formbarkeit überlegen ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Die innere Oberfläche ist gegenüber den Oberflächen der Wälzelemente hinsichtlich des Abnutzungswiderstandes leicht unterlegen, aber hinsichtlich des Absplitterungswiderstandes überlegen, wenn die Wälzelemente auf der inneren Oberfläche rollen und gleiten, da die innere Oberfläche (einschließlich der Wälz- und Gleitflächen) des äußeren Teils als induktionsgehärtete Schicht des mittleren Kohlenstoffstahls gebildet ist. Andererseits ist das Wälzelement einem abschreckungsgehärteten Element hinsichtlich Abnutzungwiderstand und Dauerwälzfestigkeit überlegen, da das Wälzelement aus einem Chromstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt besteht und dessen äußere Umfangsfläche eine durch Karbonitrierung gehärtete Oberflächen schicht aufweist. Als Ergebnis hat die vorstehend erwähnte Gelenkeinheit oder das Lager als Ganzes eine größere Dauerfestigkeit.
Das äußere Teil kann leicht bearbeitet, geformt und durch Induktionshärten hitzebehandelt werden, selbst wenn es eine komplizierte Form aufweist. Zusätzlich kann das Lager oder die Gelenkeinheit durch Verwendung eines für das innere Teil geeigneten ausgewählten Materials leichter hergestellt werden, da das Wälzelement, das eine einfache Form aufweist, für eine Karbonitrierung geeignet ist. Aus diesen Gründen ist das Lager oder die Gelenkeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ohne eine Erhöhung der Bearbeitungs- und Hitzebehandlungskosten für eine Massenherstellung geeignet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1(A) u. Fig. 1(B) sind senkrechte Querschnitte eines Radlagers bzw. eines eingespannten Kugelgelenks, entsprechend der vorliegenden Erfindung, die für Kraftfahrzeuge verwendet werden.
Fig. 2 zeigt Vickers-Härteverteilungen der Oberflächenschichten an den Querschnitten von karbonitrierten und getemperten Stahlkugeln.
Fig. 3(A) u. Fig. 3(B) sind mikroskopische Fotos, die an den Querschnitten nahe den Oberflächen von karbonitrierten und anschließend getemperten Stahlkugeln aufgenommen wurden (Vergrößerung: 400, Korrosionsflüssigkeit: Piktinsäure in alkoholischer Lösung).
Fig. 4 zeigt Vickers-Härteverteilungen der Oberflächenschichten an den Querschnitten von Stahlkugeln, die bei geringer Temperatur karbonitriert und getempert und anschließend bei einer hohen Temperatur von 500ºC für eine Stunde getempert wurden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Zunächst werden nachfolgend die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1(A) ist als Beispiel eine Querschnittsdarstellung eines Radlagers, welches die Räder eines Kraftfahrzeuges trägt. Der Aufbau des Lagers ist bereits bekannt. An der Außenseite eines als äußeres Teil verwendeten äußeren Ringes 7 ist ein Flansch 5 integriert. Der Flansch 5 ist mit Bolzenlöchern 51 versehen, durch die Befestigungsbolzen (nicht dargestellt) eingeführt werden, um den Flansch 5 an einem Kraftfahrzeugrad zu befestigen. An den vorderen und hinteren Stellen sind auf der Umfangsfläche der inneren Oberfläche des äußeren Rings 7 zwei Laufbahnen mit Wälzflächen 6 vorgesehen, in denen zwei Reihen von als Wälzelemente verwendeten Kugeln 8 an den hinteren und vorderen Stellen angeordnet sind.
Als inneres Teil wird ein innerer Ring 2 verwendet, der ein Paar innerer Ringe 2a, 2b umfaßt, die in axialer Richtung davon hintereinander angeordnet sind und jeweils an einem Ende davon, an einen Durchmessererweiterungsabschnitt 21 angrenzend eine Wälzfläche 21 aufweisen, auf der die vorstehend erwähnten Kugeln 8 rollen. Die inneren Ringe sind innerhalb des hohlen Abschnittes des äußeren Ringes 7 ange ordnet, wobei die anderen Endoberflächen der inneren Ringe aneinander anstoßen und die Wälzflächen 1 die Kugeln 8 gleitend berühren und drehbar in dem äußeren Ring gehalten werden.
Bei diesem Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung wird der äußere Ring 7 zusammen mit dem Flansch 5 davon durch Heißschmieden integral geformt, indem ein mittlerer Kohlenstoffstahl verwendet wird, der im wesentlichen aus 0,50 bis 0,70% Kohlenstoff unter Hinzufügung von Al und/oder Si besteht. An den Gleitflächen 6 der Rillen 60 und ihrer periphären Abschnitte ist nur durch Induktionshärten und Tempern eine gehärtete Schicht 61 gebildet.
Andererseits ist der äußere Ring 2 aus JIS SUJ2-Stahl (einem Chromlagerstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt) hergestellt, der abschreckungsgehärtet und anschließend getempert wurde, da er eine relativ zylindrische Form aufweist.
Die Kugeln 8 bestehen aus SUJ2-Stahl, der karbonitriert, abschreckungsgehärtet und dann getempert wurde. Als Ergebnis haben sich auf den Oberflächen der Kugeln 8 harte karbonitrierte Schichten gebildet (nicht dargestellt).
Fig. 1(B) zeigt ein Beispiel eines eingespannten Kugelgelenks, das ein Typ eines Gleichlaufgelenks ist und einen anderen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet. In einem als äußeres Teil verwendeten äußeren Ring 7 sind entlang der axialen Richtung des äußeren Ringes 7 mehrere Streifen von Lagerrillen 60 angeordnet, die auf der inneren Umfangsfläche eines Mauls 7a Gleitflächen 6 aufweisen. Auf der äußeren Umfangsfläche eines aus dem Ende des Mauls 7a integral hervorspringenden Schaftstils 7b ist durch Gewindewalzen eine Verzahnung gebildet. Der äußere Ring 7 ist integral durch Heißschmieden geformt, indem der vorstehend erwähnte mittlere Kohlenstoffstahl verwendet wurde, der im wesentlichen aus 0,50 bis 0,70% Kohlenstoff, versetzt mit Al und/oder Si besteht. Auf der inneren Umfangsfläche des Mauls 7a und der Gleitflächen 6 davon sind gehärtete Schichten 61 ausgebildet, die induktionsgehärtet und anschließend getempert wurden.
In dem Maul 7a des äußeren Rings 7 wird ein als inneres Teil verwendeter innerer Ring durch Kugeln 8 getragen, die als Wälzelemente dienen und in Lagerrillen 10 passen. Dieser innere Ring 2 besteht aus SCr415-Stahl, der aufgekohlt, gehärtet und anschließend getempert wurde, und mindestens die Gleitflächen 1 innerhalb der Lagerrillen sind gehärtet. Die Kugeln 8 bestehen aus SUJ2-Stahl, der gaskarbonitriert, gehärtet und dann getempert wurde.
Darüber hinaus wird ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung durch einen nicht dargestellte Kugelschraube gebildet, die ein mechanisches Lager ist, bei dem ein als inneres Teil verwendeter Schraubenschaft durch Kugeln als Wälzelemente mit einer als äußeres Teil verwendeten Mutter zusammenwirkt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Mutter aus dem vorstehend erwähnten Stahl hergestellt, der im wesentlichen aus 0,50 bis 0,70% Kohlenstoff unter Zusatz von Al und/oder Si besteht und durch Heißschmieden geformt ist, während die Kugelgleitflächen davon induktionsgehärtet sind. Die Kugeln bestehen aus SUJ2-Stahl, der gaskarbonitriert, gehärtet und anschließend getempert wurde. Der Schraubenschaft der Kugelschraube ist aus abschreckungsgehärtetem SUJ2-Stahl oder einem Niederchromstahl für tragende Verwendungen hergestellt, der aufgekohlt wurde.
Als nächstes werden im folgenden Dauerwälzfestigkeittests beschrieben, die für drei Muster von verschiedenen Stählen zum Induktionshärten durchgeführt wurden.
Als Muster wurde ein mit Si versetzter mittlerer Kohlenstoffstahl (im wesentlichen bestehend aus 0,65% Kohlenstoff, 0,80% Si, 1,10% Mn, 0,015% P, 0,010% S. 0,030% Al und 0,20% Cr (im vorliegenden als NKJ65-Stahl bezeichnet) verwendet. Dieses Muster wurde auf einer Drehbank mit der Toleranz eines Präzisionsschliffes in eine zylindrische Form gearbeitet. Die äußere Umfangsfläche davon wurde in Übereinstimmung mit herkömmlichen Verfahren induktionsgehärtet und bei 170ºC für zwei Stunden getempert. Das Muster wurde dann zu einem zylindrischen Teststück von 12 mm Durchmesser und 22 mm Länge endbearbeitet.
Als Vergleichsbeispiele wurden ein aus JIS-S53C-Stahl (mittlerer Kohlenstoffstahl für Tragezwecke) bestehendes Muster und ein aus SUJ2-Stahl (Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt) bestehendes Muster ausgewählt und von einer Drehbank in zylindrische Stücke gearbeitet. Der S53C-Stahl wurde induktionsgehärtet und anschließend bei 170ºC für zwei Stunden getempert. Der SUJ2-Stahl wurde bei 850ºC für 0,5 Stunden austenitisiert und in Öl schnell abgekühlt (abschreckungsgehärtet) und dann bei 180ºC für zwei Stunden getempert. Beide Muster wurden auch in ähnlichen zylindrischen Teststücken endbearbeitet.
Als nächstes wurden die Teststücke unter Verwendung eines Dauerfestigkeittesters für zylindrische Wälzelemente (hergestellt von NTN Co. Ltd., der Anmelderin der vorliegenden Erfindung) bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 23.120 UpM unter einer sich auf 600 kgf/mm² belaufenden maximalen Hertz'schen Druckspannung Lebensdauertests unterzogen. Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Lebensdauerermüdungstests mit zylindrischen Wälzelementen
Entsprechend den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen wurde ermittelt, daß die induktionsgehärteten Teststücke aus NKJ65-Stahl den abschreckungsgehärteten Teststücken aus SUJ2-Stahl in der Dauerfestigkeit überlegen sind. Andererseits ist das Teststück aus S53C-Stahl hinsichtlich der Lebensdauer dem Teststück aus NKJ65-Stahl und dem Teststück aus SUJ2-Stahl deutlicher unterlegen.
Als nächstes wurden unter der Annahme eines vorstehend als Beispiel der vorliegenden Erfindung erwähnten Radlagers Kugellager entsprechend dem JIS-Lager 6206 (62 mm Außenringdurchmesser und 30 mm Innenringdurchmesser) unter Verwendung induktionsgehärteter Muster aus mittleren Kohlenstoffstählen (S53C und NKJ65 mit der oben beschriebenen Zusammensetzung) als äußere Ringe gebildet, indem gehärtete und getemperte Muster aus Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil (SUJ2-Stahl) als innere Ringe und karbonitrierte Kugeln aus Chromlagerstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil (SUJ2-Stahl) als Wälzelemente verwendet wurden. Diese Lager wurden dann Dauerwälzfestigkeitstests unterworfen.
Zur Karbonitrierung der Kugeln wurden diese durch einen Abschreckungsbrennofen bei 850ºC für 1,5 h in einer Atmosphäre erhitzt, die aus 100 Vol.-Teilen RX-Gas zum Abschrecken, 1 Vol.-Teil Propangas und 10 Vol.-Teilen Ammoniakgas besteht, und anschließend in Öl abgeschreckt. Die Kugeln wurden dann bei 170ºC für zwei Stunden getempert.
Als Vergleichsbeispiel wurde ein Lager dem Lebensdauertest unterworfen, das einen äußeren Ring aus abschreckungsgehärtetem Chromstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil (SUJ2) und ebenfalls aus abschreckungsgehärtetem SUJ2-Stahl bestehende Kugeln aufweist. Nach der Austenitisierung bei 850ºC für 0,5 h wurde das Lager in Öl abgeschreckt und bei 160ºC für zwei Stunden getempert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2 Ergebnisse des Wälzlager-Lebensdauertests
1) Innerer Ring: abschreckungsgehärteter SUJ2 Lagertypnummer: JIS 6206 (Außendurchmesser: 62 mm, Innendurchmesser: 30 mm) Lastbedingungen: 7000 kgf, Umdrehungsgeschwindigkeit 2000 UpM
2) * Beispiel der vorliegenden Erfindung
Die Lebensdauertests wurden unter Verwendung der Typ 6206- Lager bei einer Lagerlast von 700 kgf, einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 2.000 UpM und einer Umlaufschmierung mit dem Turbinenöl VG 56 durchgeführt.
Entsprechend Tabelle 2 wurden bei den während der Lebensdauertests zu Bruch gegangenen Lagern ermittelt, daß ein Absplittern von Kugeln weniger häufig bei einer Kombination eines äußeren Ringes aus mittlerem Kohlenstoffstahl und karbonitrierten Kugeln aus Chromstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil, wie dem Beispiel der vorliegenden Erfindung, auftrat, als bei der herkömmlichen Kombination eines äußeren Ringes aus mittlerem Kohlenstoffstahl und abschreckungsgehärteten Kugeln aus Chromstahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil. Es wurde auch ermittelt, daß die Absplitterungshäufigkeit der früheren Anordnung ähnlich der Kombination eines äußeren Ringes und Kugeln ist, die beide abschreckungsgehärtet wurden, und daß die Lebensdauer der früheren Anordnung länger ist als die der zuletzt beschriebenen.
Die Wälzelemente davon sind Kugeln mit einem Durchmesser von 16,669 mm. Unter Verwendung eines Abschreckungsbrennofens und durch Auswahl des RX-Gases oder NX-Gases als Trägergas wurden die Kugeln bei 850ºC für zwei Stunden in einer Atmosphäre karbonitriert, die bei Raumtemperatur und Normaldruck aus 100 Vol.-Teilen des Trägergases, 1 Vol.- Teil Butangas als Aufkohlungsmittel und 10 Vol.-Teilen Ammoniakgas als Nitrierungsmittel besteht. Nach der Abschreckung in Öl wurden die Kugeln bei 170ºC für zwei Stunden getempert.
Fig. 2 zeigt die unter Verwendung des Mikro-Vickers-Härtetesters im Bereich der Oberflächen zu den Kernen gemessenen Härteverteilungskurven an den Querschnitten von zwei Kugel typen, die karbonitriert und dann getempert wurden. Obwohl die Oberflächenschicht bei einer Karbonitrierung geringfügig härter wird als der Kern, ist die in einer auf dem NX- Gas basierenden Atmosphäre (wiedergegeben durch Kurve a in der Figur) hitzebehandelte Kugel härter an der Oberflächenschicht als der in einer auf dem RX-Gas basierenden Atmosphäre (wiedergegeben durch Kurve b in der Figur) hitzebehandelte Kugel, d. h. die Härte des ersteren [um HRC 1 bis 2] ist größer als die Härte des zweiten, wenn man die Härte in Rockwell-C-Härte umrechnet.
Fig. 3(A) und Fig. 3(B) sind an den Querschnitten der beiden Typen von hitzebehandelten Stahlkugeln oberflächennah aufgenommene mikroskopische Fotos. In der Oberflächenschicht der in der auf dem NX-Gas basierenden Atmosphäre Karbonitrierten Stahlkugel werden feine Carbide beobachtet (entsprechend Fig. 3(A)). Es wird angenommen, daß diese feinen Carbide zu einer Verbesserung des Abnutzungswiderstandes beitragen. Fig. 4 zeigt die Härteverteilungen von zwei Typen von Stahlkugeln, die bei einer geringen Temperatur in einer Weise getempert wurden, die der ähnlich ist, die bei den zwei in Fig. 2 gezeigten Stahlkugeln angewendet wurde, woraufhin eine Temperung bei einer hohen Temperatur von 500ºC für eine Stunde erfolgte. Obwohl der Kern durch die Temperung bei der hohen Temperatur auf eine Härte von Hv 500 oder weniger aufweicht, behält die Oberflächenschicht eine Härte Hv 600 oder mehr. Dies zeigt, daß die Oberflächenschicht schwierig zu enthärten ist, selbst wenn die Gleitflächen während des Betriebs durch Reibung erhitzt werden. Die Härtung dieser Oberflächenschicht erfolgt durch Ausscheidung und Verteilung von Karbonitriden, wobei Stickstoff während des Karbonitrierungsprozesses durch die Oberfläche eingedrungen ist. Weiterhin ist in Fig. 4 die Härte der gehärteten Schicht auf der Oberfläche der in der auf dem NX-Gas basierenden Atmosphäre (Kurve a in der Figur) gehärteten Stahlkugel größer als diejenige der in der auf dem RX-Gas basierenden Atmosphäre karbonitrierten Stahlkugel (Kurve b der Figur). Es wird angenommen, daß dieser Unterschied hinsichtlich der Härte durch den unterschiedlichen Stickstoffgehalt in der Oberflächenschicht verursacht wird.
Als nächstes wurden festgespannte Kugelgelenke Lebensdauertests unterzogen. Die festgespannten Kugelgelenke werden wie der in Fig. 1(B) gezeigte Typ klassifiziert. Zwei Typen von äußeren Ringen werden verwendet. Ein geschmiedetes Muster aus S53C-Stahl und ein geschmiedetes Muster aus dem vorstehend erwähnten NKJ65-Stahl. Die innere Umfangsfläche an den Mäulern der zwei Typen von äußeren Ringen wurden induktionsgehärtet. Die inneren Ringe davon waren aufgekohlte Muster aus SCr415-Stahl und ähnlich zu den herkömmlichen inneren Ringen.
Die als Wälzelemente verwendeten Kugeln waren karbonitrierte Muster aus SUJ2-Stahl. Wie vorstehend bezüglich des zuvor erwähnten Beispiels beschrieben wurde in dem atmosphärischen Gas in dem zur Karbonitrierung verwendeten Brennofen entweder das RX-Gas oder das NX-Gas als Trägergas verwendet. Jedes Gas wurde durch Mischen eines Propangases und eines Ammoniakgases gebildet. Die Hitzebehandlungsbedingungen waren dieselben wie bei dem vorstehend erwähnten Beispiel. Die Vergleichsbeispiele waren Kugelgelenke, die unter Verwendung abschreckungsgehärteter Kugeln aus herkömmlichem SUJ2-Stahl hergestellt wurden.
Die Lebensdauertest der eingespannten Kugelgelenke wurden bei einem Aktivierungswinkel von 6º, einem Lastmoment von 21 kgf-m und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 1700 UpM durchgeführt.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Bei der Verwendung induktionsgehärteter Muster als äußere Ringe in derselben Weise sind die karbonitrierten Kugeln wirksamer als die herkömmlichen abschreckungsgehärteten Kugeln bei der Ausdehnung der Lebensdauer der Gelenke. Weiterhin wurden die in der auf dem NX-Gas hitzebehandelten Karbonitrierten Muster gegenüber den in der auf dem RX-Gas basierenden Atmosphäre hitzebehandelten Mustern als überlegen hinsichtlich der Dauerwälzfestigkeit ermittelt. Tabelle 3 Ergebnisse der Lebensdauertests des Gleichlaufgelenks
1) Innerer Ring: aufgekohlter SCr415 Stahl
Lastmoment: 21 kgf-m
Umdrehungsgeschwindigkeit: 1700 Upm
Aktivierungswinkel: 6º
2) * Beispiel der vorliegenden Erfindung
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein Gasgemisch auf der Basis des NX-Gases als Karbonitrie rungsgas verwendet. Anstelle dieses Gasgemisches kann jedoch auch ein Gasgemisch verwendet werden, das aus Stickstoffgas, Kohlenwasserstoffgas und Ammoniakgas besteht. Tabelle 4 Stähle, spezifiziert nach JIS und ihren chemischen Bestandteilen

Industrielle Anwendbarkeit

Das mechanische Lager oder die Gelenkeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung mit Wälzelementen ist für ein solches mechanisches Lager oder eine solche Gelenkeinheit geeignet, die ein äußeres Teil mit einer komplizierten Form aufweist, insbesondere ein Gleichlaufgelenk für ein Rotationsantriebsübertragungssystem, ein Radlager zur drehbaren Lagerung eines Kraftfahrzeugrades sowie eine Kugelschraube zur Maschinensteuerung in der Kraftfahrzeug-Industrie oder anderen mechanischen Industrien.

Claims

1. Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen mit

- einem äußeren Teil, dessen innere Oberfläche mit einer Wälzfläche versehen ist,

- einem inneren Teil, dessen äußere Oberfläche mit einer Wälzfläche versehen ist und

- Wälzelementen, die zwischen den Wälzflächen des äußeren und inneren Teils drehbar angeordnet sind,

- wobei das äußere Teil aus Stahl hergestellt ist, der im wesentlichen aus mindestens 0,50 bis 0,70 Gewichtsprozenten Kohlenstoff, insgesamt 0,5 bis 1,0 Gewichtsprozenten von Si und Al oder einer Kombination von beiden, bis zu 1,5 Gewichtsprozenten Cr und bis zu 1,5 Gewichtsprozenten Mn besteht,

- wobei die Wälzfläche des äußeren Teils eine durch induktives Härten erhaltene gehärtete Schicht ist und

- die Wälzelemente aus gehärtetem und getemperten Chromlagerstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt sind und

- die äußeren Umfangsflächen der Wälzelemente mit karbonitrierten Oberflächenschichten versehen sind.

2. Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen nach Anspruch 1, wobei das Mechanikteil eine festgelagerte Kugellagerverbindung ist.

3. Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen nach Anspruch 1, wobei das Mechanikteil ein Lager für ein Rad ist.

4. Mechanikteil mit Wälzkontaktelementen nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenschicht des Wälzelements eine Ober flächenschicht ist, die durch Karbonitrierung in einem aus Stickstoffgas oder einem exothermen Gas auf Stickstoffbasis, Kohlenwasserstoffgas und Ammoniakgas bestehender. Gasgemisch gehärtet wurde.