DE69509733T2

DE69509733T2 - Wälzlager und Verfahren zum Herstellen dieses Lagers

Info

Publication number: DE69509733T2
Application number: DE69509733T
Authority: DE
Inventors: David E. Beauregard; Michael M. Dezzani
Original assignee: Torrington Co
Current assignee: Timken US LLC
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2015-11-25
Also published as: US5531836A; ZA954896B; CA2152989A1; DE69509733D1; EP0718416B1; EP0718416A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Wälzlager und insbesondere auf Wälzlager, die gegen Korrosion widerstandsfähig und gegenüber Bruch zäh sind, sowie auf Verfahren zum Herstellen der Lager.[0001]
Reibungsarme Laufrollenlager werden üblicherweise in einer Vielzahl von Maschinen verwendet und insbesondere in Luftfahrzeugen, wo die Lager hohen Belastungen unterworfen und korrodierend wirkenden Umgebungen ausgesetzt sind. Die hohen Belastungen erhöhen den auf die Lagerelemente ausgeübten Oberflächendruck und verursachen eine Metallermüdung, die zu einem Ausfall des Lagers führt. Ein einzigartiges Merkmal von Wälzlagern besteht darin, daß ihre nutzbare Lebensdauer nicht durch Verschleiß bestimmt ist, sondern durch Metallermüdung eines der Elemente, z. B. der inneren Laufbahn, der äußeren Laufbahn oder der Wälzkörper, unter den wiederholten Beanspruchungen im normalen Gebrauch. Ein Ermüdungsausfall, der als progressives Abblättern oder Grübchenbildung (Pitting) der Oberflächen der Laufbahnen und der Wälzelemente auftritt, wird als Hauptgrund für das Ende der nutzbaren Lebensdauer eines solchen Lagers akzeptiert. Insbesondere unterliegt die äußere Laufbahn einem zyklischen Walken bzw. einer Dauerbiegung, die Zugbeanspruchungen hervorrufen, die zum Bruch führen. Die Lagerelemente benötigen eine Zähigkeit gegenüber Bruch, insbesondere gegenüber inneren Druckbeanspruchungen, um der aufgebrachten Zugbeanspruchung entgegenzuwirken.[0002]
Da die Last an einem Lager die Ernsthaftigkeit der Beanspruchung in den Oberflächen der Laufbahnen und der Wälzelemente bestimmt, wird die Lebensdauer des Lagers vermindert, wenn die Belastung erhöht wird. Dies wird normalerweise ausgedrückt durch die Beziehung, daß die Lebensdauer des Lagers umgekehrt proportional zu der dritten Potenz der Belastung ist. Somit vermindert eine Verdoppelung der Belastung die Lebensdauer des Lagers um einen Faktor 8. Die Lebensdauer eines Lagers unter einer gegebenen Belastung beträgt daher eine gewisse Anzahl von Umdrehungen. Wenn ein Lager zur Verwendung unter sehr starken Lasten vorgesehen ist, wie beispielsweise in einem Luftfahrzeug, ist es erwünscht, daß das Lager gehärtete Oberflächen hat, um die zusätzlichen Beanspruchungen aufzunehmen.[0003]
Um die Stärke der Lagerelemente zu erhöhen, ist es üblich, die Stahllegierung zu erhitzen, um die Legierungsoberfläche zu karburieren/karbonisieren. Das Karburieren erhöht die Härte der Lageroberflächen, um die Lebensdauer des Lagers zu verlängern, jedoch erhöht das Karburieren den Kohlenstoffgehalt des Stahls, was die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion vermindert. AISI 52100-Stahl wird in diesen Lagern wegen seiner ausgezeichneten Ermüdungseigenschaften weitgehend verwendet, aber er hat nicht eine Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion. Das Material, das traditionell zum Verbessern der Korrosionswiderstandsfähigkeit verwendet wurde, AISI 440C-rostfreier Stahl, hat nicht die Ermüdungseigenschaften, die mit AISI 52100-Stahl für die Zähigkeit gegen Bruch vergleichbar sind. Somit ist es erwünscht, Wälzlager zu schaffen, die eine erhöhte Ermüdungslebensdauer und Korrosionswiderstandsfähigkeit haben.[0004]
US-A-S 292 200 offenbart, daß wenigstens eines der Teile innere Laufbahn, äußere Laufbahn und Wälzelemente eines Lagers karburiert werden. Dieses Dokument offenbart in dem Beispiel 3 eine Stahlzusammensetzung Nr. S. die (in Gewichtsprozenten) 0,21% C, 0,25% Si, 0,74% Mn und 10,03% Cr enthält, die entweder durch Gaskarburierung oder durch plasmaunterstützte Karburierung karburiert wurde und eine C-Konzentration in der Oberfläche von etwa 1,0% C hat und eine Härte von 62,5 und 62,8 hat. Die Karburierung wurde bei 930ºC durchgeführt, wobei das verwendete C-Potential so eingestellt wurde, daß die C-Konzentration bei etwa 1,0 bis 1,6% variieren würde.[0005]
US-A-3 885 995 offenbart ein Verfahren zum Karburieren von hochlegierten Stahlteilen (z. B. Getrieben), die einen C-Gehalt von 0,05 bis 0,3% und 2 bis 25% Cr oder mehr haben, wobei ein C-Potential von etwa 0,6 bis 1,5% bei 843 bis 1149ºC verwendet wurde. Beispiele wurden auch durchgeführt mit einem rostfreien AISI 416-Stahl, der bis zu 0,15% C, 1,15 bis 1,25% Mn, 0,80 bis 1,00% Si und 12 bis 14% Cr enthielt. Die Verwendung für Lageranwendungen hat eine längere Lebensdauer der Teile zur Folge, und die karburierten Teile haben eine Härte von z. B. 63,0 HRC.[0006]
Die in diesen Dokumenten beschriebenen Stahllegierungen ergeben nicht die erwünschte erhöhte Ermüdungslebensdauer und Korrosionswiderstandsfähigkeit.[0007]
Das vorstehende veranschaulicht Beschränkungen, die bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren bestehen. Es ist somit ersichtlich, daß es vorteilhaft wäre, eine Alternative zu schaffen, die darauf gerichtet ist, eine oder mehrere der oben beschriebenen Beschränkungen zu überwinden. Demgemäß wird eine geeignete Alternative mit Merkmalen geschaffen, die nachstehend vollständiger offenbart werden.[0008]

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird dies erreicht durch Schaffung eines Wälzlagers aus einer Stahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, das eine innere Laufbahn, eine äußere Laufbahn und Wälzelemente hat, die eine erhöhte Ermüdungslebensdauer und Korrosionswiderstandsfähigkeit haben. Dieses Lager ist in Anspruch 1 offenbart.[0009]
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Erhöhen der Ermüdungslebensdauer und der Korrosionswiderstandsfähigkeit eines Stahllegierungs-Wälzlagers, das eine innere Laufbahn, eine äußere Laufbahn und Wälzelemente hat, durch Behandlung der Oberfläche der Lagerelemente. Dieses Verfahren ist in Anspruch 6 offenbart.[0010]
Als Ergebnis der vorliegenden Erfindung liegt der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht zwischen 0,35 und 1,2 Gewichtsprozent, wodurch ein Wälzlager geschaffen wird, das bezüglich der Wälzermüdung und der Korrosionswiderstandsfähigkeit verbessert ist.[0011]
Die vorstehenden und andere Aspekte werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Figuren betrachtet wird.[0012]

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUR

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehungen zwischen den Gehalten von Kohlenstoff in der Oberflächenschicht eines Legierungsstahls, der karburiert wurde, und den Tiefen der Kohlenstoffkonzentration von der Oberfläche angibt.[0013]

DETAILBESCHREIBUNG

Es wurde gefunden, daß ein Wälzlager mit einer inneren Laufbahn, einer äußeren Laufbahn und mit Wälzelementen mit erhöhter Ermüdungslebensdauer und Korrosionswiderstandsfähigkeit geschaffen wird, wenn wenigstens eines der Lagerelemente aus einer Stahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt wird, die 10,0 bis 18.0 Gewichtsprozent Chrom und von 0,05 bis 0,30 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält, vorzugsweise etwa 0,25% Kohlenstoff, wobei der Rest Eisen ist, und um die Oberflächenhärte zu erreichen, wird das Lagerelement in einer Atmosphäre karburiert, die von 0,25 bis 0,40 Gewichtsprozent Kohlenstoffpotential enthält, um einen Unterschied zwischen dem Kohlenstoff in dem Oberflächenbereich und dem Kernbereich der Stahllegierung zu schaffen.[0014]
Der Chromgehalt in der Legierung sollte von 10,0 bis 18,0 Gewichtsprozent sein. Das Chrom schafft in der karburierten Legierung Korrosionswiderstandsfähigkeit und trägt dazu bei, das Karbid in der Oberflächenschicht auszufällen.[0015]
Der Kohlenstoffgehalt liegt in dem Bereich von 0.05 bis 0,30 Gewichtsprozent, welches der Bereich ist, der bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gewöhnlich verwendet wird, um Lagerstahl herzustellen.[0016]
Es wurde als bevorzugt gefunden, andere Legierungsbestandteile hinzuzufügen, wie beispielsweise Wolfram, Mangan, Molybdän, Silizium, Vanadium und Nickel in Mengen von 0,10 bis 2,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0,15 bis 1,0 Gewichtsprozent Silizium, 0,20 bis 1,5 Gewichtsprozent Mangan, 0,2 bis 1,0 Gewichtsprozent Nickel, 1 Gewichtsprozent Wolfram und 0,20 bis 0,30 Gewichtsprozent Vanadium.[0017]
Molybdän und Mangan tragen zu der Härtefähigkeit und der Materialzähigkeit bei. Nickel dient zum Verbessern der Schlagwiderstandsfähigkeit.[0018]
Eine besonders bevorzugte Legierung ist ein rostfreier Stahl AISI 422, dessen Zusammensetzung wie folgt ist:[0019]
Element Gewichtsprozent
Chrom 12,0
Kohlenstoff 0,25
Molybdän 0,80
Wolfram 1,0
Mangan 0,7
Nickel 0,65
Vanadium 0,25
Eisen Rest
[0020] Bei der Durchführung des Verfahrens zum Erhöhen der Ermüdungslebensdauer und der Korrosionswiderstandsfähigkeit eines Wälzlagers aus einer Stahllegierung, das eine innere Laufbahn, eine äußere Laufbahn und Wälzelemente hat, wird die Legierung auf eine Temperatur zwischen 760ºC (1400º F) und 982ºC (1800º F) für etwa 2 bis 70 Stunden in einer Kohlenstoffatmosphäre erhitzt, die von 0,25 bis etwa 0,40% Kohlenstoffpotential enthält, vorzugsweise 0,30%, um einen Unterschied zwischen dem Kohlenstoff in dem Oberflächenbereich und dem Kernbereich des Elements zu schaffen. Die Legierung wird dann abgeschreckt, um den Kohlenstoffunterschied aufrechtzuerhalten.
[0021] Der Begriff "Oberflächenschicht", wie er hier verwendet wird, soll eine Oberflächenschicht bedeuten, deren Tiefe bis zu 2,54 mm (0,1 Zoll) ist. Die zuvor genannte Stahllegierung kann, zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten, Verunreinigungen enthalten, wie beispielsweise Sauerstoff und Schwefel mit Prozentgehalten, die für den Lagerstahl zulässig sind. Die Rockwell-Härte (HRC) der Oberflächenschicht liegt vorzugsweise zwischen 60 und 64.
[0022] Das folgende Beispiel ist vorgesehen, um die vorliegende Erfindung weiter zu veranschaulichen, und es ist nicht als die Erfindung in irgendeiner Weise einschränkend auszulegen. Alle Anteile sind Gewichtsanteile, sofern nicht anders genannt.

Beispiel

[0023] Muster einer Stahllegierung, die eine Zusammensetzung hat, wie sie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist, wurden in Lagerelemente und Testzylinder geformt und wurden der unten beschriebenen Wärmebehandlung unterworfen. Tabelle 1*
* alles in Gewichtsprozent
[0024] Der Legierungsstahl wurde bei 954ºC (1750º F) für 63 Stunden in einer Kohlenstoffatmosphäre karburiert, die ein Kohlenstoffpotential von 0,3% enthielt. Das Karburierungsgas war eine Mischung aus Methanol, Stickstoff und Luft in einem Verhältnis, das so eingestellt war, um den gewünschten Betrag von Kohlenstoff zu liefern. Die Stahllegierung wurde dann mit Öl abgeschreckt. Der Schritt des Abschreckens in Öl wurde mit Öl von Raumtemperatur durchgeführt, und die Elemente wurden in nur ein paar Minuten abgekühlt.
Die Stahllegierung hatte nach der Wärmebehandlung eine Oberflächenhärte Rockwell C von HRC 62.
[0025] Zylinder der Stahllegierung von Tabelle 1 wurden auf aufeinanderfolgende Tiefen von 0,254 mm (0,010 Zoll) abgedreht und der Kohlenstoffgehalt bei jeder Tiefe bestimmt. Die Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, daß die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche stark erhöht war und durch die Oberflächenschicht hindurch allmählich abnahm. Die Tiefe der Oberflächenschicht hängt von der Länge der Karburierungszeit ab.
[0026] Die Rollermüdungs-Lebensdauer der Teststücke aller Partien wurde bei Raumtemperatur (25ºC) in einem Testgerät für die Lagerlebensdauer untersucht. Für jede Partie wurden zehn Teststücke untersucht, und ein Weibull-Plot wurde gebildet, indem die Anzahl der Male der Aufbringung von Beanspruchung (Arbeitslebensdauer) bestimmt wurde, bis jedes Test stück ein Abblättern erlitt, und die Weibull-Verteilung wurde verwendet, um jeweils die L&sub1;&sub0;- Lebensdauer zu erhalten. Eine Zusammenfassung der Testergebnisse ist unten in der Tabelle 2 gezeigt:

Tabelle 2

Dynamische Testergebnisse

Äußeres Ringmaterial L&sub1;&sub0;-Lebensdauer (10&supmin;&sup6;)
52100 Stahl 0,0936
440 SS 0,0358
422 SS 0,1254
[0027] Die Untersuchungen zeigen, daß der äußere Ring (Laufbahn), der aus der Stahllegierung dieser Erfindung besteht, aufgrund des Kohlenstoffs in der Oberflächenschicht eine längere Ermüdungslebensdauer hatte als jedes der beiden gewöhnlicherweise verwendeten Materialien, die im Stand der Technik zu finden sind. Eine geringere Korrosion in den äußeren Ringen aus AISI 422 SS als in den Ringen aus AISI 440 SS und AISI 52100-Stahl wurde visuell beobachtet.
[0028] Äußere Ringe aus einer rostfreien Stahllegierung nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung wurden in einer hydraulischen Presse auf statisches Zerquetschen untersucht. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse erscheint unten in Tabelle 3:

Tabelle 3

Statische Testergebnisse

Äußeres Ringmaterial Durchschnittliche Bruchlast (lb)
52100 Stahl 9,337
440C SS 10,003
422 SS 12,375
422 SS 12,292
[0029] Diese Ergebnisse zeigen, daß äußere Ringe, die aus AISI 422 SS hergestellt und gemäß der vorliegenden Erfindung behandelt wurden, überragende statische Quetscheigenschaften hatten.
[0030] Während diese Erfindung in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben wurde, ist zu erkennen, daß andere Variationen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie in den Ansprüchen niedergelegt ist.

Claims

1. Stahllegierungs-Lager mit einer inneren Laufbahn, einer äußeren Laufbahn und Wälzkörpern, wobei wenigstens eines dieser Elemente aus Legierungsstahl hergestellt ist, der wenigstens Chrom (Cr) und Kohlenstoff (C) enthält, und wobei der Rest der Stahllegierung Eisen (Fe) ist;

wobei das wenigstens eine Element in einer Kohlenstoffatmosphäre karburiert wurde, die ein Kohlenstoffpotential zum Schaffen einer höheren C-Konzentration in dem Oberflächenbereich enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Legierungsstahl besteht aus von 10,0 bis 18,0 Gewichtsprozent Chrom (Cr), 0,05 bis 0,30 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C), 0,10 bis 2,0 Gewichtsprozent Molybdän (Mo), 0,15 bis 1,0 Gewichtsprozent Silizium (Si), 0,20 bis 1,5 Gewichtsprozent Mangan (Mn), 0,8 bis 1, 2 Gewichtsprozent Wolfram (W), 0,20 bis 0,30 Gewichtsprozent Vanadium (V) und 0,2 bis 1,0 Gewichtsprozent Nickel (Ni), und wobei der Rest des Stahls Eisen (Fe) ist;

- und wobei die Kohlenstoffatmosphäre von 0,25 bis etwa 0,40 Prozent Kohlenstoffpotential aufweist.

2. Lager nach Anspruch 1, in dem die Legierung 10,0 Gewichtsprozent Chrom (Cr) und 0,25 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C) enthält.

3. Lager nach Anspruch 1, in dem nach dem Karburieren der Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht von 0,35 bis 1,2 Gewichtsprozent ist.

4. Lager nach Anspruch 1, in dem die Oberflächenhärte HRC der Oberflächenschicht 60 bis 64 ist.

5. Lager nach Anspruch 1, in dem die Legierung ein rostfreier Stahl AISI 422 ist.

6. Verfahren zum Erhöhen der Ermüdungslebensdauer und der Korrosionswiderstandsfähigkeit eines Stahllegierungs-Wälzlagers, das eine innere Laufbahn, eine äußere Laufbahn und Wälzkörper hat,

- wobei die Stahllegierung wenigstens eines der Elemente wenigstens Chrom (Cr) und Kohlenstoff (C) enthält und der Rest der Legierung Eisen (Fe) ist,

- und wobei das wenigstens eine Element in einer Kohlenstoffatmosphäre karburiert wird, die ein Kohlenstoffpotential zum Schaffen einer höheren C-Konzentration in dem Oberflächenbereich aufweist,

gekennzeichnet durch

- (a) Ausbilden wenigstens eines der Elemente so, daß es enthält 10,0 bis 18,0 Gewichtsprozent Chrom (Cr), 0,02 bis 0,30 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C), 0,10 Prozent bis 2,0 Gewichtsprozent Molybdän (Mo), 0,15 bis 1,0 Gewichtsprozent Silizium (Si), 0,20 bis 1,5 Gewichtsprozent Mangan (Mn), 0,8 bis 1,2 Gewichtsprozent Wolfram (W), 0,20 bis 0,30 Gewichtsprozent Vanadium (V) und 0,2 bis 1,0 Gewichtsprozent Nickel (Ni), und wobei der Rest des Stahls Eisen ist;

- (b) Erhitzen des wenigstens einen Elements bei einer Temperatur zwischen 760 ºC (1400ºF) und 982ºC (1800ºF) für etwa 2 bis 70 Stunden in einer Atmosphäre, die ein Kohlenstoffpotential von 0,25 bis etwa 0,40 Prozent enthält, um ein Differential zwischen dem Kohlenstoff in dem Oberflächenbereich und dem Kernbereich des Elements zu schaffen; und

- (c) Abschrecken des Elements, um das Kohlenstoffdifferential aufrecht zu erhalten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Legierung 10,0 Gewichtsprozent Chrom (Cr) und 0,25 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C) enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Kohlenstoff in der Oberflächenschicht von 0,35 bis 1,20 Gewichtsprozent ist.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Oberflächenhärte HRC der Oberflächenschicht 60 bis 64 ist.