DE69835281T2

DE69835281T2 - Wälzlager

Info

Publication number: DE69835281T2
Application number: DE69835281T
Authority: DE
Inventors: Koyo Seiko Co. Hideki Osaka-shi FUJIWARA; Koyo Seiko Co. Haruo Osaka-shi KIMURA
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: EP0971141B1; US6290398B1; WO1998044270A1; EP1624085A2; EP0971141A4; EP1624085B1; EP1624085A3; EP0971141A1; DE69835281D1; DE69841718D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Kugel- oder Wälzlager. Sie betrifft ganz besonders ein Lager, das zur Verwendung in solchen Teilen geeignet ist, von denen ein hohes Maß an Schmierung verlangt wird, einschließend die Kurbelwellenzapfenlager eines Zweitakt- oder eines Dieselmotors, eines Schiffs, des Zylinderkopfs eines Viertaktmotors, eines Kompressormotors wie eines Turbomotors, und des Stellmotors für den hydraulischen Regler einer hydraulischen Aufhängung. Es kann natürlich auch dazu verwendet werden verschiedene andere rotierende Teil zu lagern.
Hintergrund des verwandten Fachgebiets
Ein übliches Kugel- oder Wälzlager weist z. B. auf den Gleitflächen seiner inneren und äußeren Laufbahnen und seinen Kugeln durch Wärmebehandlung gehärtete Oberflächen auf. Die inneren und äußeren Laufbahnen und Kugeln sind üblicherweise aus Lagerstahl gemäß SUJ nach JIS gefertigt, indem ihre Temperatur von einem Bereich von 900–930°C auf ein geeignetes Niveau abgesenkt wird, und sie bei einer Temperatur von 160–180°C getempert werden, je nachdem welche Temperatur in der Umgebung herrscht, in der das Lager verwendet wird.
Die Wärmebehandlung eines, wie vorstehend spezifizierten Kugel- und Wälzlagers, bringt jedoch aufgrund des Übergangs seiner Struktur von Martensit zu Austenit einen beträchtlichen Spannungsaufbau und damit Dimensionsänderungen und eine große Temperaturänderung mit sich. Die Dimensionsänderung verlangt nach einer Schleif- oder Ultrafeinbehandlung der wärmebehandelten Teile, wobei diese Schritte zur Kostenerhöhung bei der Lagerfertigung beitragen. Man kann bei der Temperung keine sehr hohe Temperatur anwenden, weil die Menge des Restaustenits auf einem geeigneten Niveau gehalten werden muss, um allfällige Dimensionsänderungen zu verhindern oder um die Härte bei einer Temperatur zu reduzieren, welche in der Umgebung herrscht, in der das Lager verwendet wird, weswegen Kugel- und Wälzlager üblicherweise nur bis zu einer Temperatur bis zu etwa 170°C verwendet werden.
Ein hoch temperaturbeständiger Lagerstahl wie M50 nach AISI oder SKH4 nach JIS liefert ein höherwertiges Kugel- und Wälzlager, welches Einsatztemperaturen bis hinauf zu 400°C widerstehen kann. Nachdem es jedoch teuerer als SUJ nach JIS ist, ist das Lager so teuer, dass seine Verwendung auf spezielle Fälle beschränkt ist.
Es ist ferner ein Lager bekannt, dessen Oberflächen mit einer Beschichtung aus Hartchrom bedeckt sind. Seine Beschichtung neigt jedoch dazu, von den Gleitflächen der Laufbahnen leicht abgeschält zu werden.
EP-A 0 511 409 betrifft ein Kugellager wovon mindestens einer seiner Teile gewählt ist aus einer inneren Laufbahn und einer äußeren Laufbahn und Kugeln aus einem metallischen Material, welches ein Legierungselement mit einer hohen Affinität für Stickstoff enthält, wobei dieses mindestens eine Teil auf seiner oxidfreien Oberfläche eine nitrierte Schicht enthält. Dieses Kugel- oder Wälzlager ist weniger kostspielig als andere bekannte Produkte und kann bei der Verwendung trotzdem einer Temperatur widerstehen, bei der bisher nur ein aus einem höherwertigen Material hergestelltes Produkt verwendet werden konnte.
Offenbarung der Erfindung
[Strukturmerkmale]

(1) Ein Kugel- oder Wälzlager besteht unter einem ersten Aspekt dieser Erfindung, wie in Anspruch 1 spezifiziert, in mindestens einem seiner Elemente aus einem metallischen Material, das ein Legierungselement mit einer hohen Affinität für Stickstoff und eine nitrierte Schicht enthält, deren Oberfläche frei von irgendwelchen Oxiden ist, wobei die Dicke der nitrierten Schicht mindestens 0,08 mm beträgt und wobei auf der nitrierten Schicht ein Oxidfilm ausgebildet ist.
2) Das wie vorstehend unter (1) aufgeführte metallische Material kann unter einem zweiten Aspekt dieser Erfindung ein einsatzgehärteter oder nitrierter Stahl sein.
3) Das wie vorstehend unter (1) aufgeführte metallische Material kann unter einem dritten Aspekt dieser Erfindung ein nichtrostender Stahl sein.
4) Der wie vorstehend unter (1) aufgeführte nitrierte Stahl kann unter einem vierten Aspekt dieser Erfindung eine Verbundschicht einschließen, die als Film auf der Oberfläche und einer Diffusionsschicht gebildet ist, die aus Stickstoff zusammengesetzt ist, der unter die Verbundschicht diffundiert ist.

[Funktionen]
Gemäß einem Hauptmerkmal dieser Erfindung wird eine nitrierte Schicht auf der Oberfläche eines metallischen Materials gebildet, welches im Algemeinen vorzugsweise als geringwertig angesehen wird, nachdem Oxide von seiner Oberfläche entfernt worden sind, so dass selbst so ein Material eine gehärtete Oberfläche aufweisen und als Ersatz für ein herkömmliches Material für bekannte Kugel- oder Wälzlager (gehärteter Lagerstahl der SUJ-Reihe gemäß JIS) oder ein höherwertiges Material (Hochtemperaturlagerstahl wie M50 gemäß AISI oder SKH4 gemäß JIS) verwendbar sein kann. Beispiele für das metallische Material auf dem die nitrierte Schicht gebildet wird oder für das metallische Material, welches ein Legierungselement mit einer hohen Affinität für Stickstoff enthält, sind einsatzgehärteter Stahl (z. B. der SCM-Reihe gemäß JIS), nitrierter Stahl (z. B. die SACM-Reihe gemäß JIS) und nichtrostender Stahl (z. B. die SUS-Reihe gemäß JIS).
Die nach der Entfernung des Oxids auf der Oberfläche des einsatzgehärteten oder nitrierten Stahls gebildete nitrierte Schicht verleiht der Oberfläche eine Härte, welche mit der eines normalen Materials (Lagerstahl der SUJ-Reihe gemäß JIS nach Härtung durch Wärmebehandlung) vergleichbar ist, wobei die auf der Oberfläche von nichtrostendem Stahl nach der Entfernung des Oxids davon gebildete nitrierte Schicht eine Oberflächenhärte liefert, welche mit der eines ultrahochwertigen Materials (z. B. Sinterkeramikmaterial, welches hauptsächlich aus Siliciumnitrid besteht) vergleichbar ist.
Darüber hinaus diffundiert der Stickstoff, nachdem die nitrierte Schicht auf der Oberfläche des metallischen Materials nicht direkt sondern nach der Entfernung des Oxids davon, gebildet wird, mit einer höhere Geschwindigkeit und die nitrierte Schicht wird bei niedriger Temperatur in kürzerer Zeit gebildet, so dass thermische Spannung im Materials weniger wahrscheinlich erfolgen. Als Folge davon kann jede Nachbehandlung wie Schleifen, welche beim bekannten Produkt aus einem normalen Material erforderlich gewesen wäre, entfallen, wodurch es möglich ist eine Verringerung der Herstellungskosten zu erreichen. Die nitrierte Schicht kann bei einer noch niedrigeren Temperatur in einer noch kürzeren Zeit auf dem metallischen Material, welches ein Legierungselement mit einer hohen Affinität für Stickstoff besitzt, gebildet werden.
Diese Erfindung ermöglicht es demzufolge einem preiswerten geringwertigen metallischen Material eine Härte zu verleihen, die mit derjenigen eines beliebigen normalen oder hochwertigen bekannten Materials vergleichbar ist und seine Härtungsbehandlung durch ein einfacheres Verfahren, und damit mit niedrigeren Kosten, zu erzielen.
Das nach dem ersten Aspekt dieser Erfindung auf der nitrierten Schicht auf einem Lager gebildete Oxid verleiht seiner Oberfläche einen noch höheren Grad an Korrosionsbeständigkeit.
[Vorteile]
Jedes Element eines Kugel- oder Wälzlagers wird gemäß dieser Erfindung anstelle eines bekannten normalen oder hochwertigen Materials aus einem preiswerten und geringwertigen metallischen Material hergestellt und auf seiner Oberfläche nach Entfernung des Oxids darauf eine nitrierte Schicht gebildet, welche ihm ein höheres Eigenschaftsniveau verleiht, welches mit dem irgendeines bekannten normalen oder höherwertigen Materials vergleichbar ist. Als Folge davon ist das Lager preiswert und weist dennoch ausgezeichnete Eigenschaften auf, einschließend Verschleiß-, Wärme- und Korrosionsbeständigkeit, was es für den Einsatz unter rauen Bedingungen geeignet macht.
Die Oxidentfernung von der Oberfläche des metallischen Materials befähigt den Stickstoff zu einer hohen Diffusionsgeschwindigkeit bei der Bildung der nitrierten Schicht. Die nitrierte Schicht kann daher bei niedriger Temperatur in kurzer Zeit bis zu einer vergleichsweise großen Tiefe gebildet werden, verglichen mit dem, was auf irgendeinem bekannten normalen Material gebildet werden kann, und nachdem Wärmespannungen im Material weniger wahrscheinlich auftreten, weist die nitrierte Schicht eine hohe Dichte und Glätte auf und erfordert keinerlei Schleifprozess oder eine andere Nachbehandlung, wie sie bisher notwendig gewesen ist, sondern ermöglicht die Herstellung des Lagers mit geringeren Kosten.
Das auf der nitrierten Schicht eines Lagers gemäß dem ersten Aspekt dieser Erfindung gebildete Oxid verleiht ihm einen noch höheren Grad an Korrosions festigkeit und macht es für die Verwendung in einer korrosiven Umgebung geeignet.
Kurze Beschreibung der Erfindung
1 ist eine Ansicht der oberen Hälfte eines Kugellagers im Querschnitt gemäß dieser Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Ansicht seiner nitrierten Schicht im Querschnitt.
3 ist ein Diagramm, welches die Härte der metallischen Materials mit darauf gebildeten nitrierten Schichten in Abhängigkeit von der Tiefe unter der Oberfläche zeigt.
4 ist ein der 3 ähnliches Diagramm, welches jedoch die Härte von nichtrostendem Stahl als metallisches Material zeigt.
5 ist eine ausschnittsweise Ansicht im Querschnitt, welche als Beispiel die Anwendung des erfindungsgemäßen Lagers zeigt.
Optimale Durchführung der Erfindung
Diese Erfindung wird nunmehr auf der Basis seiner optimalen Ausführungsform beschrieben, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt.
Die 1 bis 3 zeigen ein Verfahren zur Durchführung dieser Erfindung. Unter 1 ist ein ganzes Kugellager dargestellt. Das Lager 1 hat eine innere Laufbahn 2, eine äußere Laufbahn 3, eine Vielzahl sphärischer Rollkörper oder Kugeln 4 und einen Käfig 5.
Die äußere Oberfläche der inneren Laufbahn 2 und die innere Oberfläche der äußeren Laufbahn 3 weisen Führungsrillen (zahlenmäßig nicht dargestellt) auf, welche als Führungen für die Kugeln 4 ausgebildet sind. Der Käfig 5 ist geriffelt, zusammengesetzt aus zwei geriffelten ringförmigen Platten, die koaxial miteinander verbunden sind.
Auf der Oberfläche der inneren und äußeren Laufbahnen 2 und 3 und der Kugeln 4 ist jeweils eine nitrierte Schicht 6 ausgebildet. Die inneren und äußeren Laufbahnen 2 und 3 und die Kugeln 4, auf denen sich die nitrierte Schicht 6 befindet, sind aus einem metallischen Material gefertigt, welches ein Legierungselement mit einer hohen Affinität für Stickstoff besitzt wie einsatzgehärteter Stahl (z. B. der SCM-Reihe gemäß JIS), nitrierter Stahl (z. B. die SACM-Reihe gemäß JIS) und Edelstahl (z. B. die SUS-Serie gemäß JIS).
Nunmehr wird ein Verfahren zur Bildung der nitrierten Schicht auf bestimmten Elementen des Lagers 1 (d. h. den inneren und äußeren Laufbahnen 2 und 3 und den Kugeln 4) beschrieben.
Zuerst werden die Teile hergestellt, auf denen die nitrierte Schicht 6 gebildet werden soll. Die Teile werden, wie vorstehend ausgeführt, aus einsatzgehärtetem, nitriertem oder rostfreiem Stahl hergestellt. Die aus der inneren und äußeren Laufbahn 2 und 3 bestehenden Teile besitzen selbstverständlich eine sorgfältig fein bearbeitete äußere Form, welche durch Schmieden, Drehen, Grobschleifen, Walzen etc. erhalten wurde. Bestehen die Teile aus den Kugeln 4, besitzt jede von ihnen selbstverständlich eine sorgfältig fein bearbeitete äußere Gestalt.
Die Oberflächen der hergestellten Teile werden vor die Bildung der nitrierten Schicht 6 darauf gereinigt. Ihre Reinigung erfolgt, indem die Teile bei einer geeigneten Temperatur T₁ (z. B. von 300°C bis 400°C) während einer geeigneten Zeitspanne (z. B. von 10 bis 120 Minuten) in einem Gasgemisch konditioniert werden, welches Stickstofftrifluorid (NF₃), Stickstoff etc. enthält. Als Folge davon werden die Oberflächen der Teile durch Entfernung darauf befindlicher Oxide etc. gereinigt und ein Metallfluoridfilm darauf gebildet. Der inaktive Metallfluoridfilm verhindert die Adsorption von Sauerstoff auf den Oberflächen oder ihre Oxidation und inhibiert dadurch die Bildung irgendwelcher Oxide darauf bis zu ihrer nitrierenden Behandlung. Ein bevorzugtes fluorierendes Gas ist ein inertes Gas wie N₂, welches NF₃, BF₃, CF₄, HF, SF₆ oder F₂ oder eine Mischung davon als Quelle für die Fluorlieferung enthält. Von diesen ist NF₃ vom Standpunkt der Sicherheit, Reaktionsfähigkeit, Regelbarkeit, der leichten Handhabung etc. für die praktische Verwendung bevorzugt. Ein wirksames fluorhaltiges Gas enthält 0,05 bis 20% und vorzugsweise 3 bis 5% des Gewichts NF₃ oder eine andere Quelle für die Fluorlieferung.
Anschließend erfolgt die nitrierende Behandlung. Die der Fluorbehandlung unterworfenen Teile werden bei einer geeigneten Temperatur T₂ (z. B. von 480°C bis 700°C) während einer geeigneten Zeitspanne (z. B. von 0,5 bis 5 Stunden) in einem geeigneten Gas, wie einem NH₃-Gas oder einer Mischung aus NH₃ und einer Kohlenstoff liefernden Quelle (z. B. einem RX-Gas) konditioniert. Als Folge davon wird eine nitrierte Schicht 6 gebildet. Während der nitrierenden Behandlung kann der Stickstoff leicht penetrieren und rasch und tief in das metallische Material des zu behandelnden Teils eindringen, weil der Metallfluoridfilm auf seiner Oberfläche als Ergebnis der die fluorierende Behandlung begleitenden Temperaturerhöhung von T₁ auf T₂ für die nitrierende Behandlung aktiviert wird, und weil das metallische Material ein Legierungselement enthält wie einsatzgehärteten, nitrierten oder rostfreien Stahl oder dergleichen mit einer hohen Affinität für Stickstoff. Die Teile werden dann mit einer geeigneten Geschwindigkeit abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt unter Stickstoffgas, so dass sich auf ihren Oberflächen kein Oxid bilden kann.
Die gebildete nitrierte Schicht 6 umfasst eine ultraharte Verbundschicht 7, welche Nitride wie CrN, Fe₂N, Fe₃N und Fe₄N von der Stahloberfläche nach Innen zu enthält und eine daran angrenzende, Stickstoffatome enthaltende, Diffusionsschicht 8.
Obwohl die nitrierte Schicht 6 eine Tiefe von, sagen wir einmal, 1mm haben kann, wenn die nitrierende Behandlung während längerer Zeit fortgesetzt wird, kommt es oft vor, dass die höchste, auf die Gleitbahnen des Lagers einwirkende Scherbeanspruchung, nur eine Tiefe von 0,01 bis 0,08 mm erreicht, und es ist daher erforderlich, dass die nitrierte Schicht 6 mindestens die 8-fache Tiefe (das bedeutet 0,08 mm) aufweist, um die Lebensdauer des Lagers sicherzustellen, wobei seine Tiefe durch geeignete Wahl der Nitrierungstemperatur T₂ und der Dauer verändert werden kann. Die Temperatur T₂ kann niedriger sein als diejenige, welche üblicherweise verwendet wird, weil der nitrierenden Behandlung eine fluorierende Behandlung vorausgeht. Die niedrigere Temperatur stellt sicher, dass der thermische Spannungsaufbau des metallischen Materials verringert wird. Die nitrierte Schicht 6 besitzt eine Oberflächenrauigkeit, die im Wesentlichen mit derjenigen des zu behandelnden Teils identisch ist. Die Untersuchung eines Ausschnitts aus der nitrierten Schicht 6 mittels eines Elektronenmikroskops (Olympus PMG3 bei 400-facher Vergrößerung) bestätigte seine hohe Dichte und Glätte mit einem ein Mikrometer nicht überschreitenden Teilchendurchmesser.
Nachdem die Teile keinen Dimensionsänderungen unterliegen, welche durch den während der Bildung der Schicht 6 auftretenden thermischen Spannungsaufbau verursacht würde, besteht keine Notwendigkeit mehr ihre Oberfläche anschließend zu schleifen. Die Herstellung der inneren und äußeren Laufbahnen 2 und 3 des Lagers 1 verlangt daher zum Beispiel nur den Schritt des Formens ihrer äußern Gestalt (Schmieden, Drehen, Grobschleifen, Walzen), den Schritt des Bildens der nitrierten Schicht 6 (fluorierende und nitrierende Behandlung) und den Schritt der Ultrafeinbearbeitung der Produkte. Während es bisher erforderlich gewesen ist, den Schritt des Formens ihrer äußern Gestalt (Schmieden, Drehen, Grobschleifen, Walzen), den Schritt der Wärmebehandlung (Härten und Tempern), den Schritt des Schleifens und den Schritt der Ultrafeinbearbeitung durchzuführen, erfordert diese Erfindung keinen Schritt des Schleifens, und ermöglicht dadurch eine entsprechende Verringerung der Fertigungskosten.
Es wird nunmehr auf 3 Bezug genommen, welche die Oberflächenhärte veranschaulicht, welche durch die nitrierte Schicht 6 erzielt wird, welche, wie vorstehend beschrieben, auf einsatzgehärtetem oder nitriertem Stahl gebildet wurde.
Gemäß diesem Diagramm wurde ein erfindungsgemäßes Teil 1 unter Verwendung von SCM415, einem einsatzgehärteten Stahl gemäß JIS, als metallisches Material hergestellt und nach dem Fluorieren bei 570°C während 12 Stunden einer nitrierenden Behandlung unterworfen; ein erfindungsgemäßes Teil 2 unter Verwendung von SCM435, einem einsatzgehärteten Stahl gemäß JIS, als metallisches Material hergestellt und nach dem Fluorieren bei 570°C während 48 Stunden einer nitrierenden Behandlung unterworfen und ein erfindungsgemäßes Teil 3 unter Verwendung von SACM645, einem nitrierten Stahl gemäß JIS, als metallisches Material hergestellt und nach dem Fluorieren bei 570°C während 48 Stunden einer nitrierenden Behandlung unterworfen, während ein bekanntes Teil 1 unter Verwendung von SUJ-2, einem Lagerstahl gemäß JIS, als metallisches Material verwendet wurde und dieses gehärtet und getempert wurde, und ein bekanntes Teil 2 unter Verwendung von SCr415, einem Lagerstahl gemäß JIS, als metallisches Material verwendet wurde und dieses einsatzgehärtet wurde. Als Folge davon wies das erfindungsgemäße Teil 1 eine Vickers Härte Hv von 731 (gemessen unter einer Last von 50 gf) auf seiner Oberfläche auf; das erfindungsgemäße Teil 2 wies eine Vickers Härte Hv von 763 (gemessen unter ein Last von 50 gf) auf seiner Oberfläche auf, und das erfindungsgemäße Teil 3 wies ein Vickers Härte Hv von 1036 (gemessen unter einer Last von 50 gf) auf seiner Oberfläche auf, wobei die erfindungsgemäßen Teile 1 und 2 eine mit den bekannten Teilen 1 und 2 vergleichbare Härte besaßen, während die des erfindungsgemäßen Teils 3 bei weitem größer war. Die an den erfindungsgemäßen Teilen 1 bis 3 bestimmten Härtegrade bestätigen, dass sie als Ersatz für alle bekannten Produkte aus normalen Materialien (durch Wärmebehandlung gehärteter Lagerstahl der SUJ-Reihe gemäß JIS) oder jedem bekannten Produkt aus hochwertigem Material (Hochtemperaturlagerstrahl wie M50 gemäß AISI oder SKH4 gemäß JIS) zufrieden stellend sind.
Die nitrierte Schicht 6 kann alternativ ohne vorhergehende Fluorierung durch Schmelzcarbonitrierung (tufftriding) oder schonende Gasnitrierungsbehandlung gebildet werden, wenn als metallisches Material einsatzgehärteter oder nitrierter Stahl verwendet wird. Diese alternative Behandlung liefert jedoch eine Schicht, die bezüglich der Oberflächenglätte gegenüber derjenigen unterlegen ist, welche nach der Fluorierung gebildet wird. Genauer gesagt, zeigte die erfindungsgemäße nitrierte Schicht 6 einen Reibungskoefizienten von 0,24, welcher weniger als die Hälfte des Reibungskoeffizienten von 0,54 betrug, den eine durch Schmelzcarbonitrierung gebildete nitrierte Schicht ohne vorhergehende Fluorierung zeigt, wenn ihre Reibungskoeffizienten beide ohne Schmierung gemessen wurden. Die Prüfungen erfolgten unter Verwendung eines HRIDON Verschleißprüfgeräts, indem eine Kugel (hergestellt aus SUJ2) unter einer Last von 200 gf auf jedem Prüfteil (hergestellt aus SCM415 mit einer auf seiner Oberfläche gebildeten nitrierten Schicht 6) mit einer Geschwindigkeit von 100 mm pro Sekunde entlang einer Strecke von 20 mm nacheinander 10-mal hin-und-her bewegt wurde, um den dynamischen Reibungskoeffizienten des Prüfteils zu messen, worauf aus den Messwerten der mittlere Maximalwert berechnet wurde. Was die Härte betrifft, waren die erfindungsgemäße nitrierte Schicht 6 und die ohne vorhergehende Fluorierung durch Schmelzcarbonitrierung gebildete nitrierte Schicht 6 beide mit jedem bekannten Produkt aus normalem Material vergleichbar, nachdem sie eine Vickers Härte Hv von 450 bis 1000 (unter einer Last von 50 gf) aufwiesen.
Es wird nunmehr der Fall beschrieben, in dem nichtrostender Stahl (z. B. der SUS-Reihe gemäß JIS) als metallisches Material verwendet wird. Um auf nichtrostendem Stahl eine nitrierte Schicht 6 zu bilden, muss seine Fluorierungsbehandlung vor dem Nitrieren erfolgen, weil das auf seiner Oberfläche vorliegende Oxid die Bildung einer nitrierten Schicht 6 durch Schmelzcarbonitrierung oder einer schonenden Gasnitrierungsbehandlung allein verhindert. Eine nitrierte Schicht 6 auf einer inneren oder äußeren Laufbahn 2 oder 3 aus SUS440C gemäß JIS zeigte nach der wie vorstehend beschriebenen Fluorierung nach einer Nitrierungsbehandlung von 12 Stunden bei 570°C eine Vickers Härte Hv von 1031 (unter einer Last von 50 gf), wie unter (a) in 4 dargestellt. Dieser Härtegrad macht jedes derartige Teil als einen bei weitem kostengünstigeren Ersatz für jedes Produkt aus einem ultrahochwertigen Material (einem hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehenden Sinterkeramikmaterial) geeignet.
Die Härtungsbehandlung von nichtrostendem Stahl als metallisches Material vor seiner Nitrierung ermöglicht es eine nitrierte Schicht 6 mit einem noch höheren Härtegrad auf seiner Oberfläche und in seinem Innern zu bilden. Die Oberfläche des Materials muss jedoch vor Bildung der nitrierten Schicht 6 geschliffen werden, weil seine Oberfläche durch eine solche Härtungsbehandlung unvermeidlich gestresst wird. Eine auf einer inneren oder äußeren Laufbahn 2 oder 3 aus SUS440C gemäß JIS durch eine nitrierende Behandlung während drei Stunden bei 500°C gebildete nitrierte Schicht 6 wies nach dem Abschrecken und Tempern auf seiner Oberfläche eine Vickers Härte Hv von 1156 und in seinem Innern eine Vickers Härte HV von 600 oder größer auf (beide unter eine Last von 50 gf), wie unter (b) in 5 dargestellt. Obwohl die unter (b) dargestellte nitrierte Schicht 6 eine geringe Tiefe aufwies, weil seine Nitrierungsdauer nur drei Stunden betrug, kann die Tiefe und insbesondere die Tiefe ihrer Diffusionsschicht 8 durch eine längere Nitrierungsdauer erhöht werden. Obwohl die Härtung und das Schleifen des Materials vor der Bildung der nitrierten Schicht 6 unvermeidlich zu höheren Fertigungskosten führen mag, stellt das Produkt einen weitaus kostengünstigeren Ersatz für irgendein Produkt aus einem ultrahochwertigen Material (einem hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehenden Sinterkeramikmaterial) dar.
Die vorstehend beschriebenen Elemente des erfindungsgemäßen Lagers weisen dank der hoher Dichte und Glätte der nitrierten Schicht 6, die dem metallischen Material eine verbesserte Oberflächenhärte verleihen, verbesserte Eigenschaften auf, einschließend Verschleiß-, Wärme- und Korrosionsbeständigkeit. Diese Elemente können ohne Abfall der Härte oder Dimensionsänderungen hohen Temperaturen widerstehen und sind mit jedem Produkt aus einem hochwertigen Material (einem Hochtemperaturlagerstahl wie M50 gemäß AISI oder SKH4 gemäß JIS) vergleichbar und machen ein Lager 1 zur Verwendung in einer Umgebung mit hoher Temperatur geeignet. Darüber hinaus kann das Lager mit geringen Kosten aus einem geringwertigen metallischen Material gefertigt werden. Nachdem selbst dann, wenn die nitrierte Schicht 6 in einer Tiefe gebildet wird, in der die größte Scherbeanspruchung auf das Lager 1 einwirkt, keine thermischen Spannung auftreten, ist eine weitere Reduzierung der Fertigungskosten möglich, weil nach Bildung der nitrierten Schicht kein Schleifvorgang erforderlich ist Folglich ist das erfindungsgemäße Lager, verglichen mit jedem bekannten Produkt aus normalem Material (einem durch Wärmebehandlung gehärteten Lagerstahl der SUJ-Reihe gemäß JIS), preiswert und ist dennoch so verwendbar wie irgendein bekanntes Produkt aus einem hochwertigen Material (einem Hoch temperaturlagerstahl wie M50 gemäß AISI oder SKH4 gemäß JIS) oder irgendeinem Produkt aus einem ultrahochwertigen Material (einem hauptsächlich aus Siliciumnitrid bestehenden Sinterkeramikmaterial).
Obwohl diese Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, sind Modifikationen oder Änderungen möglich, einschließend die folgenden:

(1) Das erfindungsgemäße Kugel- oder Wälzlager ist zur Verwendung bei verschiedenen Teilen geeignete, bei denen eine hohe Schmierwirkung erforderlich ist, einschließend die Kurbelwellenzapfenlager eines Zweitakt- oder eines Dieselmotors, eines Teils eines Schiffs, des Zylinderkopf eines Viertaktmotors, eines Kompressormotors wie eines Turbomotor und des Stellmotors für den hydraulischen Regler einer hydraulischen Aufhängung. Es kann natürlich auch dazu verwendet werden verschiedene andere rotierende Teil zu lagern. Speziell Bezug nehmend auf einen Zweitaktmotor, kann das Lager 1 als jedes der Lager D verwendet werden, welche an den Enden der Verbindungsstäbe B eine Kurbelwelle A auf dem Gehäuse C tragen, wie in 5 gezeigt. Wird auf jedem der Elemente des Lagers 1, außer den Lagerschalen 5, eine nitrierte Schicht 6 gebildet, können die Lagerschalen 5 aus einer Lage Kohlenstoffstahl, wie SPCC oder nichtrostendem Stahl wie SUS304 gemäß JIS gefertigt sein.
(2) Obwohl die Erfindung anhand eines gekammerten Kugellagers beschrieben worden ist, ist sie auch auf verschiedene andere Arten von Lagern wie zylindrische, konische, sphärische und Nadelkugellager anwendbar.
(3) Obwohl die nitrierte Schicht so beschrieben worden ist, als wie wenn sie auf beiden, der inneren und äußeren Laufbahn 2 und 3 und den Kugeln 4 gebildet worden wäre, deckt die vorliegende Erfindung jedes unter den Anspruch 1 fallende Lager mit einer nitrierten Schicht 6 ab, welches auf mindestens einem seiner Elemente (innere und äußere Laufbahn 2 oder 3, Kugeln 4 oder Lagerschalen 5) gebildet worden ist. Wird auf der inneren oder äußeren Laufbahn 2 oder 3 eine nitrierte Schicht 6 gebildet, muss sie nicht auf der ganzen Oberfläche gebildet werden. Sie muss jedoch mindestens auf der Laufbahnoberfläche davon gebildet werden. Das Element oder die Elemente irgendeines Lagers auf dem keine nitrierte Schicht 6 gebildet wird, kann aus irgendeinem von verschiedenen Arten von Materialien, einschließend Keramik und Lagerstähle, hergestellt werden, je nachdem für welche Verwendung das Lager vorgesehen ist, so dass es aus einer Verbundkonstruktion bestehen kann, welche durch eine Kombination unterschiedlicher Materialien gebildet wurde.
(4) Eine Oxidschicht wird über der nitrierten Schicht 6 gebildet, wenn auch nicht dargestellt. Sie verleiht dem Lager einen noch höheren Grad an Korrosionsschutz und befähigt es der Verwendung in einem Vakuum oder in korrosiver Umgebung zu widerstehen.

Claims

Kugel- oder Wälzlager (1), bei dem mindestens eines seiner Elemente, gewählt aus einer inneren Laufbahn (2), einer äußeren Laufbahn (3) und Walzen oder Kugeln (4), aus einem metallischen Material, das ein Legierungselement mit einer hohen Affinität für Stickstoff enthält, hergestellt ist, wobei das mindestens eine Element eine nitrierte Schicht (6) auf seiner Oberfläche aufweist, welche Oberfläche oxidfrei ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der nitrierten Schicht (6) mindestens 0,08 mm beträgt und dass auf der nitrierten Schicht (6) ein Oxidfilm ausgebildet ist.
Kugel- oder Wälzlager (1) nach Anspruch 1, wobei das Material einsatzgehärteter oder nitrierter Stahl ist.
Kugel- oder Wälzlager (1) nach Anspruch 1, wobei das Material nichtrostender Stahl ist.
Kugel- oder Wälzlager (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die nitrierte Schicht (6) eine Verbundschicht (7), welche als Film auf der Oberfläche gebildet ist, und eine Diffusionsschicht (8), zusammengesetzt aus Stickstoff, der unter die Verbundschicht diffundiert ist, umfasst.