DE102016123598A1

DE102016123598A1 - Lagerbauteil, verfahren zur herstellung eines lagerbauteils, sowie wälzlager

Info

Publication number: DE102016123598A1
Application number: DE102016123598.9A
Authority: DE
Inventors: Takashi Sada; Kohei KANETANI; Takahiro SHIMANO; Tetsuya HIRONAKA; Yutaka Neishi; Tomohiro Yamashita
Original assignee: JTEKT Corp; Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; JTEKT Corp
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2017-06-14
Also published as: US10047797B2; CN107013567B; JP2017106074A; JP6535276B2; US20170167538A1; CN107013567A

Abstract

Ein Lagerbauteil enthält ein Basismaterial enthaltend Stahl und eine karbonitrierte Schicht, welche eine Oberflächenschicht auf dem Stahl ist, wobei der Stahl 0.3 bis 0.45 Massenprozent Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan, 0.3 bis Massenprozent Chrom, 0.1 bis 0.35 Massenprozent Molybdän 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Die Vickers-Oberflächenhärte an einer Position in einer Tiefe von 50 μm ausgehend von einer Oberfläche einer Wälzgleitoberfläche beträgt 700 bis 800, die Innenhärte gemessen in Vickershärte beträgt 550 bis 690 und der Betrag an Restaustenit in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm beträgt wenigstens 30 Voll-%.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagerbauteil, ein Verfahren zur Herstellung des Lagerbauteils, sowie ein Wälzlager mit dem Lagerbauteil.
2. Stand der Technik
Um ein Wälzlager zu schmieren, wird ein Schmiermittel verwendet. In dem Schmiermittel können sich Fremdkörper befinden, beispielsweise Abrieb. Wenn ein Wälzlager verwendet wird, wenn sich Fremdkörper im Schmiermittel befinden, werden die Fremdkörper gegen Außen- und Innenringe oder ein Wälzelement gedrückt und die Oberflächen von Außen- und Innenring oder eine Oberflächen des Wälzelements kann beschädigt werden. Ein Abschnitt in der Oberfläche, der durch Fremdkörper beschädigt wird, kann auf Grund von Belastungskonzentrationen Materialabplatzer erfahren, was zu einer Verringerung der Lebensdauer des Wälzlagers führt. Es wurde daher eine Technik vorgeschlagen (siehe beispielsweise japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 4-26752 ( JP 4-26752 A )), um die Lebensdauer eines Wälzlagers unter Bedingungen zu verbessern, bei denen Fremdkörper im Schmiermittel sind, in dem als Ausgangsmaterial für ein Lagerbauteil Stähle verwendet werden, bei denen der Nickelanteil, der Chromanteil und der Molybdänanteil jeweils hoch ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Stahl gemäß der JP 4-26752 A sind jedoch der Nickelanteil, der Chromanteil und der Molybdänanteil hoch, was zu einem Anstieg der Herstellungskosten des Lagerbauteils führt.
Bei einem Wälzlager mittlerer Größe, wie es in Fertigungsmaschinen oder dergleichen verwendet wird, wird, um die Härtbarkeit des Stahls während der Herstellung sicher zu stellen, Chrom-Molybdän-Stahl (SCM-Stahl) oder Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl (SNCM-Stahl) verwendet. Bei einem Wälzlager mittlerer Größe wird jedoch Stahl relativ großer Abmessungen verwendet und daher ist es, um ausreichend Innenhärte des Wälzlagers sicher zu stellen, notwendig, eine Einsatzhärtung oder Karbonitrierung über eine sehr lange Zeitdauer von über 930 Minuten durchzuführen, wie in 20 gezeigt. Zusätzlich vergröbert sich bei SCM-Stahl und SMCM-Stahl die Kristallkörnung aufgrund der langen Zeitdauer bei der Einsatzhärtung oder der Karbonitrierung und die Zähigkeit nimmt ab. Wenn daher als Stahl SCM-Stahl oder SMCM-Stahl verwendet wird, ist es notwendig, eine Sekundärabschreckung zur Verringerung der Korngröße der vergrößerten Kristallkörner zusätzlich zu der Abschreckung beim Einsatzhärten oder der Abschreckung bei der Karbonitrierung durchzuführen, wie in 20 gezeigt. Wenn daher SCM-Stahl oder SMCM-Stahl verwendet wird, nimmt die Anzahl von Prozessschritten während der Herstellung zu und damit nehmen die Herstellungskosten zu.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Lagerbauteil, das preiswert herstellbar ist und bei dem eine lange Lebensdauer auch dann sichergestellt werden kann, wenn sich Fremdkörper im Schmiermittel befinden, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Lagerbauteils und ein Wälzlager.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Lagerbauteil mit einer Wälzgleitoberfläche, die in entsprechendem Kontakt mit einem Gegenbauteil ist, wobei der Kontakt wenigstens entweder Wälzkontakt oder Gleitkontakt umfasst. Das Lagerbauteil enthält ein Basismaterial enthaltend Stahl und eine karbonitrierte Schicht, welche eine Oberflächenschicht auf dem Stahl ist, wobei der Stahl 0.3 bis 0.45 Massenprozent Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan, 0.3 bis 2 Massenprozent Chrom, 0.1 bis 0.35 Massenprozent Molybdän, 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Die Vickers-Oberflächenhärte an einer Position in einer Tiefe von 50 μm ausgehend von der Oberfläche der Wälzgleitoberfläche beträgt 700 bis 800, die Innenhärte beträgt 550 bis 690 Vickers-Härte und der Betrag an Restaustenit in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm beträgt wenigstens 30 Vol-%.
Bei dem Lagerbauteil gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt die Vickers-Oberflächenhärte an der Position in einer Tiefe von 50 μm ausgehend von der Oberfläche der Wälzgleitoberfläche 700 bis 800, die Innenerhärte beträgt 550 bis 690 im Vickers-Härte gemessen und der Betrag an Restaustenit in dem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm beträgt wenigstens 30 Vol-%. Damit kann bei dem Lagerbauteil gemäß dem oben beschriebenen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine lange Lebensdauer auch unter Bedingungen sichergestellt werden, bei denen sich Fremdkörper im Schmiermittel befinden. Weiterhin sind die Kosten für einen Stahl mit der obigen Zusammensetzung niedrig und der Stahl mit der oben beschriebenen Zusammensetzung hat eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit. Damit kann das Lagerbauteil gemäß dem oben beschriebenen Aspekt der vorliegenden Erfindung preiswert hergestellt werden.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem Außenring, der an seinem Innenumfang eine Laufbahnoberfläche hat; einem Innenring, der an seinen Außenumfang eine Laufbahnoberfläche hat; und einer Mehrzahl von Wälzelementen, welche zwischen der Laufbahnoberfläche des Außenrings und der Laufbahnoberfläche des Innenrings angeordnet sind. Wenigstens entweder der Außenring oder der Innenring oder die Mehrzahl von Wälzelementen ist durch das oben beschriebene Lagerbauteil gebildet. Da das Wälzlager gemäß dem oben beschriebenen Aspekt der vorliegenden Erfindung das oben beschriebene Lagerbauteil enthält, lassen sich die oben beschriebenen hervorragende Effekte erhalten. Das Wälzlager kann ein Kegelwälzlager mittlerer Größe sein. In diesem Fall kann im Vergleich zu einem Kegelwälzlager mittlerer Größe nach dem Stand der Technik, das erhalten wird aus Stahl mit hohen Mengen an Nickel, Chrom und Molybdän, das Wälzlager gemäß dem oben beschriebenen Aspekt der vorliegenden Erfindung innerhalb kurzer Zeit preiswert hergestellt werden. Auch unter Bedingungen, bei denen sich Fremdkörper im Schmiermittel befinden, ist es möglich, eine Lebensdauer sicher zu stellen, welche gleich oder länger als bei einem Kegelwälzlager mittlerer Größe nach dem Stand der Technik ist, welches aus Stahl mit großen Mengen an Nickel, Chrom und Molybdän erhalten wird.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Lagerbauteils. Das Verfahren enthält einen Karbonitrierungs-Abschreckschritt der Durchführung einer Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung aus Erhitzen und Halten eines Formkörpers bei 830°C bis 930°C in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1 bis 1.3 und einer Ammoniakkonzentration von 1 bis 6 Vol-%, gefolgt von Abschrecken des Basismaterials, wobei der Formköper aus Stahl geformt ist, der 0.3 bis 0.45 Massenprozent Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan, 0.3 bis 2 Massenprozent Chrome, 0.1 bis 3.5 Massenprozent Molybdän, 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigung enthält; und einen Temperschritt des Temperns des Formkörpers, der dem Karbonitrierungs-Abschreckschritt unterzogen wurde, bei 150°C bis 250°C.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Lagerbauteils gemäß dem obigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung durchgeführt, bei der der Formkörper, der aus Stahl mit oben beschriebener Zusammensetzung geformt ist, in der Karbonitrierungsatmosphäre bei 830°C bis 930°C erhitzt und gehalten wird, welche den Kohlenstoffanteil von 1 bis 1.3 und die Ammoniakkonzentration von 1 bis 6 Vol-% hat, wonach eine Abschreckung des Formkörpers und eine Temperbehandlung des Temperns des Formkörpers bei 150°C bis 250°C durchgeführt wird. Damit kann ein Lagerbauteil mit dem oben beschriebenen ausgezeichneten Effekten erhalten werden.
Bei dem Lagerbauteil, dem Verfahren zur Herstellung des Lagerbauteils und dem Wälzlager mit dem Lagerbauteil gemäß den Aspekten der Erfindung kann das Lagerbauteil preiswert hergestellt werden und eine lange Lebensdauer kann auch unter Bedingungen sichergestellt werden, bei denen sich Fremdkörper im Schmiermittel befinden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Weitere Einzelheiten, Vorteile, sowie technische und industrielle Signifikanz von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
Es zeigt:
1 in einer Schnittansicht einen wesentlichen Teil eines Kegelwälzlagers, welches ein Beispiel eines Wälzlagers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung des Kegelwälzlagers von 1;
3 ein Flussdiagramm, welches jeden Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines Außenrings erläutert, welcher ein Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 1;
5 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 2;
6 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 3;
7. eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 4;
8 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Beispiel 5;
9 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Vergleichsbeispiel 1;
10 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Vergleichsbeispiel 2;
11 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Vergleichsbeispiel 3;
12 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Vergleichsbeispiel 4;
13 eine Darstellung von Wärmebehandlungsbedingungen in Vergleichsbeispiel 5;
14 eine grafische Darstellung, welche die Untersuchungsergebnisse bezüglich einer Beziehung zwischen der Menge an Oberflächenrestaustenit und einer Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer) betreffend Testbeispiel 1 zeigt;
15 eine grafische Darstellung, welche Untersuchungsergebnisse betreffend eine Beziehung zwischen der Vickers-Oberflächenhärte und der Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer) betreffend Testbeispiel 1 zeigt;
16 eine Tabelle, welche Stahl zeigt, der in jedem der Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5 verwendet wird;
17 eine Tabelle, welche die Wärmebehandlungsbedingungen der Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5 zeigt;
18 eine Tabelle, welche Bedingungen eines Rollermüdungstests zeigt;
19 eine Tabelle, welche die Ergebnisse von Testbeispiel 1 zeigt; und
20 eine Darstellung, welche Wärmebehandlungsbedingungen für den Fall zeigt, dass SNCM-Stahl als Ausgangsmaterial bei der Herstellung eines Lagerbauteils nach dem Stand der Technik verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Nachfolgend werden ein Wälzlager und ein Lagerbauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung der beigefügten Zeichnung beschrieben. Nachfolgend wird ein Fall als Beispiel beschrieben, bei dem sowohl ein Außenring als auch ein Innenring das Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform der Erfindung sind. 1 ist eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines Kegelwälzlagers, welches ein Beispiel für ein Wälzlager gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
Ein Kegelwälzlager 1 gemäß 1 weist auf: einen Außenring 10; einen Innenring 20, der relativ zum Außenring 10 an einer inneren Umfangsseite angeordnet ist, um konzentrisch mit dem Außenring 10 zu sein; eine Mehrzahl von kegelförmigen Rollen 30, welche zwischen Außenring 10 und Innenring 20 liegen; und einen Käfig 40, der die Mehrzahl von Kegelrollen 30 hält.
Außenring und Innenring 10, 20 sind Bauteile, welche unter Verwendung von Stahl für ein Lager in Ringform gebildet werden, beispielsweise aus Lagerstahl oder gehärteten Stahl. An einem Innenumfang des Außenrings 10 ist eine Laufbahnoberfläche 10a, auf der die Kegelrollen 30 abwälzen, sich entlang der Umfangsrichtung erstreckend ausgebildet. In einem Außenumfang des Innenrings 20 ist eine Laufbahnoberfläche 20a ausgebildet, die sich entlang der Umfangsrichtung erstreckt und auf der die Kegelrollen 30 abwälzen. Der Außenring 10 liegt konzentrisch so zum Innenring 20, dass die Laufbahnoberfläche 10a zur Laufbahnoberfläche 20a des Innenrings 20 weist.
Die Kegelrollen 30 liegen zwischen Außenring 10 und Innenring 20. Jede der Kegelrollen 30 kann auf den Laufbahnoberflächen 10a, 20a von Außenring und Innenring 10, 20 abwälzen. Im Ergebnis können Außenring und Innenring 10, 20 relativ zueinander drehen. Eine Oberfläche (Abwälzoberfläche 30a) der Kegelrolle 30 ist eine Wälzgleitoberfläche, welche in entsprechendem Kontakt mit Außenring 10 und Innenring 20 ist, welche als Gegenbauteile dienen, wobei der Kontakt wenigstens entweder Wälzkontakt oder Gleitkontakt beinhaltet.
Der Käfig 40 ist ein ringförmiges Bauteil, welches konzentrisch zu den Außen- und Innenringen 10 und 20 angeordnet ist. Der Käfig 40 wird beispielsweise aus Metall oder Kunstharz gefertigt. Der Käfig 40 hält die Kegelrollen 30 zwischen Außenring 10 und Innenring 20.
Das Kegelwälzlager 1 gemäß der Ausführungsform unterliegt keinen besonderen Einschränkung, solange wenigstens entweder der Außenring 10 oder der Innenring 20 oder die Kegelrollen 30 ein Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform der Erfindung gemäß nachfolgender Beschreibung ist/sind. Das Wälzlager gemäß der Ausführungsform ist ein Wälzlager mittlerer Größe und bevorzugt ein Kegelwälzlager mittlerer Größe, welches beispielsweise in Industriemaschinen oder Fertigungsmaschinen eingesetzt wird. In dieser Beschreibung bezieht sich „Wälzlager mittlerer Größe” auf ein Lager, bei dem der Außendurchmesser des Lagers z. B. zwischen 90 und 520 mm liegt, die Dicke der Lagerringe (Außenring und Innenring) z. B. zwischen 9 und 35 mm liegt und der Außendurchmesser eines jeden Wälzelementes z. B. zwischen 10 und 52 mm liegt. In einem Fall, bei dem das Wälzlager ein Kegelwälzlager ist, ist die Dicke des Außenrings in 1 mit T1 bezeichnet, die Dicke des Innenrings in 1 mit T2 bezeichnet und der Außendurchmesser des Wälzelements in 1 mit D bezeichnet.
Im Innenumfang des Außenrings 10 als Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform ist eine Laufbahnoberfläche 10a ausgebildet, auf welcher die Kegelrollen 30 abwälzen. Die Laufbahnoberfläche 10a ist eine Wälzgleitoberfläche, welche in entsprechendem Kontakt mit den Kegelrollen 30 als Gegenstück ist, wobei der Kontakt wenigstens entweder einen Wälzkontakt oder einen Gleitkontakt beinhaltet.
In dem Außenumfang des Innenrings 20 als Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform ist die Laufbahnoberfläche 20a ausgebildet, welche zur Laufbahnoberfläche 10a zeigt und auf der die Kegelrollen 30 abwälzen. Die Laufbahnoberfläche 20a ist eine Wälzgleitoberfläche, welche in entsprechendem Kontakt mit den Kegelrollen 30 ist, welche Gegenstücke sind, wobei der Kontakt wenigstens entweder einen Wälzkontakt oder einen Gleitkontakt beinhaltet.
In der Ausführungsform ist der Außenring 10 aus einem Basismaterial 11 gefertigt, welches Stahl 11a und eine karbonitrierte Schicht 11b beinhaltet, welche eine Oberflächenschicht des Stahls 11a ist. Zusätzlich ist der Innenring 20 aus einem Basismaterial 21 gebildet, welches Stahl 21a und eine karbonitrierte Schicht 21b enthält, welche eine Oberflächenschicht des Stahls 21a ist.
Sowohl der Stahl 11a als auch der Stahl 21a enthält 0.3 bis 0.45 Massenprozent an Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan, 0.3 bis 2 Massenprozent Chrom, 0.1 bis 0.35 Massenprozent Molybdän, 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. Die unvermeidbaren Verunreinigungen sind Materialien, welche durch die Ausgangsmaterialien während der Fertigung des Stahls eingebracht werden und sind innerhalb eines Bereichs erlaubt, der das Erzielen des Erfindungsgegenstandes nicht behindert. Beispiele der unvermeidbaren Verunreinigungen umfassen Phosphor, Schwefel, Kupfer und Nickel. Als Ausgangsmaterial für sowohl den Außenring 10 als auch den Innenring 20 wird Stahl mit der oben beschriebenen Zusammensetzung verwendet, so dass während der Herstellung eine einfache Bearbeitbarkeit vorliegt. Folglich kann jeder von Außenring und Innenring 10 und 20 preiswert hergestellt werden.
Kohlenstoff ist ein Element, welches zur Sicherstellung der Härtbarkeit von Stahl während der Herstellung des Lagerbauteils verwendet wird und zur Verbesserung der Härte des Stahls während der Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung im nächsten Schritt, um die Innenhärte zur Sicherstellung der Festigkeit zu erhalten. Mit Blick auf das obige beträgt der Kohlenstoffanteil im Stahl 0.3 Massenprozent oder mehr, bevorzugt 0.35 Massenprozent oder mehr und bevorzugter 0.38 Massenprozent oder mehr und mit Blick auf Erhalt ausreichender Bearbeitbarkeit vor der Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung beträgt der Kohlenstoffanteil im Stahl 0.45 Massenprozent oder weniger und bevorzugt 0.42 Massenprozent oder weniger.
Silizium ist ein Element, welches zur Desoxidation während der Raffination von Stahl notwendig ist. Der Silizium Anteil im Stahl beträgt 0.5 Massenprozent oder weniger und bevorzugt 0.35 Massenprozent oder weniger mit Blick auf die Sicherstellung ausreichender Bearbeitbarkeit vor der Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung und die Verringerung der Materialkosten und der Herstellungskosten. Typischerweise beträgt der untere Grenzwert des Siliziumanteils im Stahl bevorzugt 0.01 Massenprozent und bevorzugter 0.02 Massenprozent.
Mangan ist ein Element, das zur Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls während der Herstellung des Lagerbauteils verwendet wird, sowie zur Verbesserung der Härte des Stahls nach der Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung. Der Mangananteil im Stahl beträgt 0.4 Massenprozent oder mehr, bevorzugt 0.45 Massenprozent oder mehr mit Blick auf die Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls, um die Härte des Stahls nach der Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung zu erhöhen. Der Mangananteil im Stahl beträgt 1.5 Massenprozent oder weniger, bevorzugt 1.3 Massenprozent oder weniger, bevorzugter 1 Massenprozent oder weniger und noch bevorzugter 0.75 Massenprozent oder weniger mit Blick auf eine Verhinderung eines zu hohen Anstiegs der Härte des Ausgangsmaterial, um eine Abnahme der Werkzeuglebensdauer während der Schneidbearbeitung bei der Herstellung des Lagerbauteils zu verhindern.
Chrom ist ein Element, das verwendet wird, die Härtbarkeit des Stahls während der Herstellung des Lagerbauteils zu verbessern und um zusammen mit Vanadium und Molybdän, welche in Kombination hinzugefügt werden, eine feine Ausfällung während der Karbonitrierungsbehandlung zu bilden, um die Härte zu verbessern. Der Chromanteil im Stahl beträgt 0.3 Massenprozent oder mehr und bevorzugt 0.5 Massenprozent oder mehr mit Blick auf eine Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls während der Herstellung des Lagerbauteils und zur Ausbildung einer feinen Ausfällung während der Karbonitrierungsbehandlung, um die Härte zu verbessern. Der Chromanteil im Stahl beträgt 2 Massenprozent oder weniger und bevorzugt 1.8 Massenprozent oder weniger mit Blick auf eine Verhinderung der Ausbildung einer groben Ausfällung, welche Ermüdungsbruch verursacht und um die Materialkosten und Herstellungskosten zu verringern.
Wie im Fall von Chrom ist Molybdän ein Element, das verwendet wird, um die Härtbarkeit des Stahls zu verbessern und um zusammen mit Vanadium und Chrom, welche in Kombination hinzugefügt werden, eine feine Ausfällung während der Karbonitrierungsbehandlung auszubilden, um die Härte zu verbessern. Molybdän hat eine starke Affinität zu Kohlenstoff. Vor der Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung fällt eine große Menge an Molybdän in dem Stahl als ungelöstes Karbid aus. Das ungelöste Karbid dient während der Karbonitrierung als Ausfällungskeim. Daher hat Molybdän den Effekt, den Betrag der Ausfällung nach der Karbonitrierung zu erhöhen. Der Molybdänanteil im Stahl beträgt 0.1 Massenprozent oder mehr und bevorzugt 0.2 Massenprozent oder mehr mit Blick auf Verbesserung der Härte. Der Molybdängehalt im Stahl beträgt 0.35 Massenprozent oder weniger und bevorzugt 0.3 Massenprozent oder weniger mit Blick auf Verhinderung der Ausbildung einer groben Ausfällung, welche Ermüdungsbruch bewirkt und zur Verringerung der Materialkosten und Herstellungskosten.
Wie im Fall von Chrom und Molybdän ist Vanadium eine Element, das verwendet wird, die Härtbarkeit des Stahl zu verbessern und um eine feine Ausfällung zusammen mit Chrom und Molybdän, die in Kombination hinzugefügt werden, während der Karbonitrierungsbehandlung zu bilden, damit die Härte verbessert wird. Vanadium hat eine hohe Affinität zu Kohlenstoff. Der Vanadiumgehalt im Stahl beträgt 0.2 Massenprozent oder mehr, bevorzugt 0.21 Massenprozent oder mehr und bevorzugter 0.22 Massenprozent oder mehr mit Blick auf Verbesserung der Härte. Der Vanadiumanteil im Stahl beträgt 0.4 Massenprozent oder weniger, bevorzugt 0.38 Massenprozent oder weniger und bevorzugter 0.36 Massenprozent oder weniger mit Blick auf Verhinderung der Ausbildung einer groben Ausfällung, welche die feste Lösung einer ausreichenden Menge an Kohlenstoff behindert und um die Materialkosten und Herstellungskosten zu verringern.
Phosphor ist eine unvermeidbare Verunreinigung. Daher ist es bevorzugt, wenn der Phosphoranteil im Stahl so niedrig wie möglich ist. Der Phosphoranteil im Stahl beträgt bevorzugt 0.015 Massenprozent oder weniger und bevorzugter 0.013 Massenprozent oder weniger. Schwefel ist eine unvermeidbare Verunreinigung. Daher ist es bevorzugt, wenn der Schwefelanteil im Stahl so niedrig wie möglich ist. Der Schwefelanteil im Stahl beträgt bevorzugt 0.005 Massenprozent oder weniger und bevorzugter 0.004 Massenprozent oder weniger.
Kupfer ist eine unvermeidbare Verunreinigung. Daher ist es bevorzugt, wenn der Kupferanteil im Stahl so niedrig wie möglich ist. Der Kupferanteil im Stahl beträgt bevorzugt 0.2 Massenprozent oder weniger und bevorzugter 0.1 Massenprozent oder weniger.
Nickel ist eine unvermeidbare Verunreinigung. Da Nickel teuer ist, ist es bevorzugt, wenn der Nickelanteil im Stahl so niedrig wie möglich ist. Der Nickelanteil im Stahl beträgt bevorzugt 0.2 Massenprozent oder weniger und bevorzugter 0.1 Massenprozent oder weniger.
In jeder der karbonitrierten Schichten 11b, 21b beträgt der Kohlenstoffanteil 0.7 bis 1.2 Massenprozent und der Stickstoffanteil 0.15 bis 0.6 Massenprozent. Jede der karbonitrierten Schichten 11b, 21b kann durch Durchführung der nachfolgend beschriebenen Karbonitrierungsbehandlung an Stahl gebildet werden, der die oben beschriebene Zusammensetzung hat.
Der Kohlenstoffgehalt in jeder der karbonitrierten Schichten 11b, 21b beträgt 0.7 Massenprozent oder mehr, bevorzug 0.75 Massenprozent oder mehr und bevorzugter 0.8 Massenprozent oder mehr mit Blick auf Sicherstellung ausreichender Oberflächenhärte. Der Kohlenstoffgehalt in jeder der karbonitrierten Schichten 11b, 21b beträgt 1.2 Massenprozent oder weniger, bevorzugt 1.1 Massenprozent oder weniger, bevorzugter 1.05 Massenprozent oder weniger und noch bevorzugter 1.00 Massenprozent oder weniger mit Blick auf Verhinderung einer bleibenden groben Karbonitrierung.
Der Stickstoffgehalt in jeder der karbonitrierten Schichten 11b, 21b beträgt 0.15 Massenprozent oder mehr, bevorzugt 0.18 Massenprozent oder mehr und bevorzugter 0.2 Massenprozent oder mehr mit Blick auf die Ausbildung von Restaustenit und feinem Karbonitrid. Der Stickstoffgehalt in jeder der karbonitrierten Schichten 11b und 21b beträgt 0.6 Massenprozent oder weniger, bevorzugt 0.58 Massenprozent oder weniger, bevorzugter 0.56 Massenprozent oder weniger und noch bevorzugter 0.54 Massenprozent oder weniger mit Blick auf Verhinderung der Ausbildung eines zu hohen Betrags an Restaustenit.
Die Vickers-Oberflächenhärte an einer Position bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche einer jeden Laufbahnoberfläche 10a bzw. 20a des Außenrings 10 bzw. Innenrings 20 beträgt 700 oder mehr und bevorzugt 720 oder mehr mit Blick auf Sicherstellung ausreichender Härte zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager. Die Vickers-Oberflächenhärte beträgt 800 oder weniger und bevorzugt 780 oder weniger mit Blick auf Verhinderung einer Lebensdauerverkürzung, die verursacht wird durch Abnahme der Menge an Restaustenit unter Bedingungen, bei denen Fremdkörper im Schmiermittel sind. Jeder der Außen- und Innenringe 10 und 20 hat eine Vickers-Oberflächenhärte in dem oben beschriebenen Bereich. Daher kann ausreichend Härte zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager sichergestellt werden. Im Rahmen dieser Beschreibung ist die Vickers-Oberflächenhärte ein Wert, der gemessen wird durch Schneiden des Lagerbauteils ausgehend von einer Oberfläche der Wälzgleitoberfläche hiervon in Tiefenrichtung und durch Aufsetzen eines Vickers-Prüfstempels an einer Position bei einer Tiefe von 50 μm von der Oberfläche der Wälzgleitoberfläche aus.
Die Innenhärte von Außenring 10 und Innenring 20 beträgt in Vickers-Härte gemessen 550 oder mehr, bevorzugt 570 oder mehr und bevorzugter 600 oder mehr mit Blick auf Sicherstellung einer ausreichenden Quetschfestigkeit zur Verwendung als Lagerbauteil. Die Innenhärte des Außenrings 10 und des Innenrings 20 gemessen in Vickershärte beträgt 690 oder weniger, bevorzugt 670 oder weniger und bevorzugter 630 oder weniger mit Blick auf Sicherstellung ausreichender Zähigkeit zur Verwendung als Lagerbauteil. Jeder von Außenring und Innenring 10, 20 hat eine Innenhärte in dem oben beschriebenen Bereich. Damit kann eine ausreichende Festigkeit zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager sichergestellt werden. Für den Fall, dass das Lagerbauteil ein Bauteil ist, welches das Kegelwälzlager 1 bildet, ist die „Innenhärte” des Außenrings 10 eine Härte gemessen an einer Position 12 (siehe 2) in einem Schnitt mit einer Achse bei einer Tiefe, welche 1/2 der Dicke entlang einer imaginären Linie L entspricht, wobei die imaginäre Linie L durch die Mitte einer Erzeugungslinie der Wälzgleitoberfläche 10a in Breitenrichtung verläuft und senkrecht zur Erzeugungslinie ist. Die „Innenhärte” des Innenrings 20 ist eine Härte, gemessen an einer Position 22 (siehe 2) in dem Schnitt, der die Achse enthält und bei einer Tiefe, welche 1/2 der Dicke entlang einer imaginären Linie M entspricht, wobei die imaginäre Linie M durch die Mitte einer Erzeugungslinie der Wälzgleitoberfläche 20a in Breitenrichtung verläuft und senkrecht zur Erzeugungslinie ist. Die „Innenhärte” der Kegelrolle 30 ist eine Härte, die an einem Schnittpunkt 32 (siehe 2) in dem Schnitt mit der Achse gemessen ist, wobei der Schnittpunkt 32 zwischen einer ersten imaginären Linie M1 und einer zweiten imaginären Linie M2 erfolgt, wobei die erste imaginäre Linie M1 durch die Mitte einer ersten Erzeugungslinie der Wälzgleitoberfläche 30a auf Seiten des Außenrings 10 in Breitenrichtung und senkrecht zur ersten imaginären Linie verläuft und die zweite imaginäre Linie M2 durch die Mitte einer zweiten Erzeugungslinie der Wälzgleitoberfläche 30a auf Seiten des Innenrings 20 in Axialerrichtung und senkrecht zur zweiten imaginären Linie verläuft.
Die Menge an Restaustenit in einem Bereich von der Oberfläche einer jeden der Laufbahnoberflächen 10a und 20a von Außenring 10 und Innenring 20 bis zu einer Tiefe von 10 μm beträgt zumindest 30 Vol-%. Die Menge an Restaustenit in dem Bereich von der Oberfläche einer jeden der Laufbahnoberflächen 10a und 20a von Außenring 10 und Innenring 20 bis zu einer Tiefe von 10 μm beträgt bevorzugt 35 Vol-% oder mehr, bevorzugter 37 Vol-% oder mehr mit Blick auf Sicherstellung einer ausreichenden Lebensdauer unter Bedingungen bei denen sich Fremdkörper im Schmiermittel befinden. Die Menge an Restaustenit beträgt bevorzugt 50 Vol-% oder weniger und bevorzugter 48 Vol-% oder weniger mit Blick auf Sicherstellung ausreichender Härte zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager.
Das Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform wird hergestellt unter Verwendung eines Verfahrens, welches beinhaltet: einen Karbonitrierungs-Abschreckschritt der Durchführung einer Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung des Erhitzens und Haltens eines Formkörpers, der aus dem oben beschriebenen Stahl geformt ist, bei 830°C bis 930°C in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1 bis 1.3 und einer Ammoniakkonzentration von 1 bis 6 Vol-%, gefolgt von Abschrecken des Formkörpers, eines Temperschritts eines Temperns des Formkörpers, der dem Karbonitrierungs-Abschreckschritt unterworfen wurde, bei einer Temperatur von 150°C bis 250°C. Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Außenrings als ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung des Lagerbauteils beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, welches jeden Schritt des Verfahrens zur Herstellung eines Außenrings zeigt, der das Lagerbauteil gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist.
Zunächst wird unter Verwendung des oben beschriebenen Stahls ein Formkörper W1 eines Außenrings, der einen Polierrand in jedem der Abschnitte zur Ausbildung einer Laufbahnoberfläche 10a, einer äußeren Umfangsoberfläche 10b und Endflächen 10c, 10d hat, erhalten („Vorbearbeitungsschritt”; siehe (a) in 3). In dem Stahl, der zum Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform verwendet wird, beträgt der Anteil an teurem Nickel 0.2 Massenprozent oder weniger. Daher lässt sich das Lagerbauteil mit geringen Materialkosten herstellen. Der Stahl kann aus geschmolzenem Stahl mit oben beschriebener Zusammensetzung unter Verwendung eines bekannten Verfahrens hergestellt werden.
Nachfolgend wird der erhaltene Formkörper W1 in einen Karbonitrierungsofen verbracht. Nachfolgend wird die Karbonitrierungsbehandlung an dem Formkörper W1 durchgeführt („Karbonitrierungsschritt”; siehe (b) in 3) und dann wird der Formkörper W1, der der Karbonitrierungsbehandlung unterworfen wurde, rasch abgekühlt (abgeschreckt) („Abschreckschritt”; siehe (c) in 3). Der „Karbonitrierungsschritt” und der „Abschreckschritt” können auch als „Karbonitrierungs-Abschreckschritt” bezeichnet werden.
Die Karbonitrierungsbehandlung kann durchgeführt werden durch Erhitzen des Formkörpers W1 auf eine Karbonitrierungstemperatur von 830°C bis 930°C in einer Atmosphäre (Karbonitrierungsatmosphäre) mit einem Kohlenstoffanteil von 1 bis 1.3 und einer Ammoniakkonzentration von 1 bis 6 Vol-%.
Der Kohlenstoffanteil in der Karbonitrierungsatmosphäre beträgt 1 oder mehr mit Blick auf die Verteilung einer ausreichenden Menge an Karbonnitrid in einem Oberflächenabschnitt des Stahls, sodass die Härte des Oberflächenabschnitts ausreichend zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager ist. Der Kohlenstoffanteil der Karbonitrierungsatmosphäre ist 1.3 oder weniger mit Blick auf Verhinderung der Ausbildung von grobem Karbonnitrid, um die Lebensdauer des Lagerbauteils unter Bedingungen zu verbessern, bei denen Fremdkörper im Schmiermittel sind.
Die Ammoniakkonzentration in der Karbonitrierungsatmosphäre beträgt bevorzugt 1 Vol-% oder mehr und bevorzugter 2 Vol-% oder mehr mit Blick auf Verteilung einer ausreichenden Menge von Karbonnitrid in einem Oberflächenabschnitt des Stahls so, dass die Härte am Oberflächenabschnitt ausreichend zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager ist. Die Ammoniakkonzentration der Karbonitrierungsatmosphäre beträgt bevorzugt 6 Vol-% oder weniger, bevorzugter 5 Vol-% oder weniger und noch bevorzugter 3 Vol-% oder weniger mit Blick auf Verhinderung der Ausbildung von grobem Karbonnitrid, um die Lebensdauer des Lagerbauteils unter Bedingungen zu verbessern, bei denen Fremdkörper im Schmiermittel sind. Somit kann die Ammoniakkonzentration der Karbonitrierungsatmosphäre auf 2 Vol-% gesetzt werden.
Mit Blick auf Sicherstellung einer ausreichenden Diffusionsrate von Kohlenstoff und Stickstoff, um einen Anstieg der Karbonitrierungszeit zu verhindern und um die Herstellungskosten zu verringern, beträgt die Karbonitrierungstemperatur 830°C oder mehr. Die Karbonitrierungstemperatur beträgt 930°C oder weniger mit Blick auf Unterdrückung einer Zersetzung von Ammoniak in der Karbonitrierungsatmosphäre, um einen ausreichenden Mischkristallbetrag von Kohlenstoff und Stickstoff im Stahl sicher zu stellen und um eine ausreichende Menge an Karbonnitrid in der Oberfläche des Stahls zu verteilen.
Typischerweise beträgt die Karbonitrierungszeit bevorzugt 180 Minuten oder mehr und bevorzugter 240 Minuten oder mehr mit Blick auf Verteilung einer ausreichenden Menge von Karbonnitrid in ein Oberflächenabschnitt des Stahls derart, dass die Härte an dem Oberflächenabschnitt ausreichend zur Verwendung als Bauteil in einem Wälzlager ist. Wenn die Karbonitrierungszeit zunimmt, schreitet die Verteilung von Kohlenstoff und Stickstoff im Stahl fort. Von daher kann die Karbonitrierungszeit erhöht werden.
Das rasche Abkühlen (Abschrecken) erfolgt beispielsweise durch Ölkühlung in einem Ölbad, welches Kühlöl enthält.
Nachfolgend wird eine Temperbehandlung an dem Formkörper durchgeführt, der der Karbonitrierungs-Abschreckungsbehandlung unterworfen wurde (Temperschritt; siehe (d) in 3). Die Temperbehandlung kann durchgeführt werden, in dem der Formkörper auf eine Tempertemperatur von 150°C bis 250°C erhitzt und dann der Formkörper luftgekühlt wird.
Die Tempertemperatur ist mit Blick auf die Sicherstellung ausreichender Zähigkeit zur Verwendung als Bauteil in einem Wälzlager 150°C oder mehr. Die Tempertemperatur beträgt 250°C oder weniger mit Blick auf Sicherstellung ausreichender Härte zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager.
Typischerweise beträgt die Anlasszeit bevorzugt 30 Minuten oder länger und bevorzugter 40 Minuten oder länger mit Blick auf Sicherstellung einer ausreichenden Zähigkeit zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager. Typischerweise beträgt die Anlasszeit bevorzugt 240 Minuten oder weniger und bevorzugter 210 Minuten oder weniger mit Blick auf Sicherstellung einer ausreichenden Härte zur Verwendung als Bauteil im Wälzlager.
Nachfolgend wird das Zwischenmaterial, welches dem Anlassschritt unterworfen worden ist, endbearbeitet, um den Außenring 10 zu erhalten, der das Lagerbauteil ist (Endbearbeitung; siehe (e) in 3). Die Endbearbeitung kann beispielsweise durchgeführt werden, in dem jeder der Abschnitte zur Bildung der Laufbahnoberfläche 10a, der äußeren Umfangsfläche 10b und der Endflächen 10c und 10d in dem Zwischenmaterial, welches dem Anlassschritt unterworfen worden ist, poliert wird und durch Feinstbearbeitung der Laufbahnoberfläche 10a, sodass das Zwischenmaterial mit einer bestimmten Genauigkeit endbearbeitet ist. Im Außenring 10 sind die Laufbahnoberfläche 10a, die äußere Umfangsfläche 10b und die Endflächen 10c und 10d die polierten Abschnitte.
Nachfolgend werden die Effekte des Lagerbauteils und des Verfahrens zur Herstellung hiervon gemäß der Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von Beispielen oder dergleichen verifiziert.
Beispiele 1 bis 5 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5 werden beschrieben. Jeder Stahl in der Tabelle von 16 wurde in eine bestimmte Form bearbeitet, um einen Formkörper für sowohl einen Außenring als auch einen Innenring und eine kegelförmige Rolle für ein Kegelwälzlager (Modellnummer TRA0607R) herzustellen.
Nachfolgend wurden die hergestellten Formkörper erhitzt und dann poliert, um Kegelwälzlager gemäß den Beispielen 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 herzustellen. Die Wärmebehandlungsbedingungen in den Beispielen 1 bis 5 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 sind in der Tabelle von 17 und in den 4 bis 13 gezeigt.
Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 4 waren wie folgt (Beispiel 1). Der Formkörper wurde für 360 Minuten in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.3 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 5 waren wie folgt (Beispiel 2). Der Formkörper wurde in 360 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.25 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 6 waren wie folgt (Beispiel 3) der Formkörper wurde 360 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.2 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 7 waren wie folgt (Beispiel 4). Der Formkörper wurde 360 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.15 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 8 waren wie folgt (Beispiel 5). Der Formkörper wurde 360 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 9 waren wie folgt (Vergleichsbeispiel 1). Der Formkörper wurde 63 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 0.9 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 10 waren wie folgt (Vergleichsbeispiel 2). Der Formkörper wurde 360 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 0.8 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% in einem Karbonitrierungsofen auf 860°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Karbonitrierungs-Abschreckung); der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen von 11 waren wie folgt (Vergleichsbeispiel 3). Der Formkörper wurde 900 Minuten lang in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.25 und einer Ammoniakkonzentration von 2 Vol-% auf 900°C in einem Karbonitrierungsofen erhitzt (Karbonitrierung); der erhaltene Formkörper wurde 15 Minuten lang auf 860°C (aufrechterhalten vor dem Abschrecken) in einer Zementieratmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 0.85 in dem Zementierofen erhitzt und auf 80°C ölgekühlt; der erhaltene Formkörper wurde 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und auf 80°C luftgekühlt (anlassen); der erhaltene Formkörper wurde 40 Minuten lang auf 830°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Sekundärabschreckung); und der erhaltene Formkörper wurde für 120 Minuten lang auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (anlassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen von 12 waren wie folgt (Vergleichsbeispiel 4). Der Formkörper wurde für 615 Minuten in einer Zementieratmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.5 in Zementierofen auf 950°C erhitzt (Zementierung); der erhaltene Formkörper wurde 15 Minuten lang auf 850°C in einer Zementieratmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 0.9 in dem Zementierofen (Aufrechthalten vor dem Abschrecken) und dann auf 80°C ölgekühlt; der erhaltene Formkörper wurde für 120 Minuten auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen); der erhaltene Formkörper wurde 40 Minuten lang auf 810°C erhitzt und auf 80°C ölgekühlt (Sekundärabschreckung); und der erhaltene Formkörper wurde für 120 Minuten auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen). Die Wärmebehandlungsbedingungen gemäß 13 waren wie folgt (Vergleichsbeispiel 5). Der Formkörper wurde für 285 Minuten in einer Zementieratmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1.3 in einem Zementierofen auf 930°C erhitzt (Zementierung); der erhaltene Formkörper wurde für 15 Minuten in einer Zementieratmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil 1.05 in dem Zementierofen auf 850°C erhitzt (aufrechterhalten vor dem Abschrecken) und auf 80°C ölgekühlt; und der erhaltene Formkörper wurde für 120 Minuten auf 160°C erhitzt und dann luftgekühlt (angelassen).
Testbeispiel 1 wird beschrieben. Betreffend einen Innenring zur Verwendung in dem Kegelwälzlager, erhalten in jedem der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5, wurden die Vickers-Oberflächenhärte an einer Position in einer Tiefe von 50 μm ausgehend von einer Oberfläche der Laufbahnoberfläche, die Innenhärte (interne Vickers-Härte), die Menge an Oberflächenrestaustenit in einem Bereich von der Oberfläche der Laufbahnoberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm und die Lebensdauer unter Bedingungen, bei denen sich Fremdkörper im Schmiermittel befanden (Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer) untersucht.
Die Vickers-Oberflächenhärte wurde mit einem Vickers-Härtetester gemessen, nachdem der Innenring, der in jedem der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 erhalten worden war, von der Oberfläche hiervon in Tiefenrichtung zerteilt worden war und ein Vickers-Prüfstempel wurde an einer Position entsprechend einer Tiefe von 50 μ m ausgehend von der Oberfläche der Laufbahnoberfläche aufgesetzt.
Die Innenhärte (interne Vickershärte) wurde gemessen unter Verwendung eines Vickers-Härtetests, nachdem der Innenring, der in jedem der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 erhalten wurde, von der Oberfläche hiervon in Tiefenrichtung zerteilt worden war und der Vickers-Prüfstempel wurde an der Position 22 in 2 aufgesetzt.
Die Menge an Oberflächenrestaustenit wurde untersucht, in dem ein Verhältnis zwischen integrierten Intensitäten einer α-Phase (Martensit) und einer γ-Phase (Austenit) unter Verwendung von Röntgen-Diffraktion in einem Bereich von der Oberfläche der Laufbahnoberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm berechnet wurde.
Die Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer wurde ermittelt, indem ein Wälzermüdungstest unter den Bedingungen gemäß der Tabelle von der 18 durchgeführt wurde und die L₁₀-Lebensdauer untersucht wurde, welche ein 10%-ige Ausfallwahrscheinlichkeit angibt, die auf der Grundlager der Ergebnisse des Wälzermüdungstestes erhalten wurde. Die 10%-ige Ausfallwahrscheinlichkeit wurde erhalten, in dem die Ergebnisse des Wälzermüdungstestes auf Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier aufgetragen wurden.
Was Testbeispiel 1 betrifft, so zeigt die Tabelle von 19 die Ergebnisse der Untersuchungen an einem Innenring, der in jedem der Beispiele 1 bis 5 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 erhalten wurde, betreffend die Vickers-Oberflächenhärte an einer Position bei einer Tiefe von 50 μm ausgehend von der Oberfläche der Laufbahnoberfläche, die Innenhärte (interne-Vickershärte), die Menge an Oberflächenrestaustenit in einem Bereich der Oberfläche der Laufbahnoberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm und die Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer). Zusätzlich zeigt betreffend Testbeispiel 1 die 14 die Ergebnisse der Untersuchungen einer Beziehung zwischen der Menge an Oberflächenrestaustenit und der Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer) und 15 zeigt die Ergebnisse von Untersuchungen einer Beziehung zwischen der Vickers-Oberflächenhärte und der Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer). In den 14 und 15 zeigen schwarze Kreise die in den jeweiligen Beispielen erhaltenen Ergebnisse und schwarze Rechtecke zeigen die in den jeweiligen Vergleichsbeispielen erhaltenen Ergebnisse.
Wie sich aus der Tabelle von 19 und den Ergebnisse der 14 und 15 zeigt, war bei den in den Beispielen 1 bis 5 erhaltenen Innenringen die Vickers-Oberflächenhärte 700 bis 800 und die Menge an Oberflächenrestaustenit war 30% oder mehr (34 bis 54%). Es zeigt sich, das die Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer) von Kegelwälzlagern der Beispiele 1 bis 5 2.00 × 10⁶ rev oder mehr beträgt. Im Gegensatz hierzu zeigt sich, dass bei den Innenringen gemäß der Vergleichsbeispiele 1, 2, 4 und 5 die Vickers-Oberflächenhärte 700 bis 800 betrug und die Menge an Oberflächenrestaustenit 20% bis 31% betrug. Es zeigt sich weiterhin, dass die Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer) von den Kegelwälzlagern der Vergleichsbeispiele 1, 2, 4 und 5 kürzer als 1.5 × 10⁶ rev waren. Was das Kegelwälzlager aus Vergleichsbeispiel 3 betrifft, so war die Fremdkörper-in-Öl-Lebensdauer (L₁₀-Lebensdauer) ausreichend. Während der Herstellung war jedoch eine lange Zementierungszeit von über 9 Stunden notwendig und eine Sekundärabschreckung war notwendig, um die Größe der groben Kristallkörner zu verringern. Daher waren die Herstellungskosten für das Kegelwälzlager aus Vergleichsbeispiel 3 höher als bei den Kegelwälzlagern der Beispiele 1 bis 5.
Es ergibt sich aus dem Ergebnissen gemäß der Tabelle von 19, das die Innenhärte (interne-Vickershärte) eines jeden der Außenringe der Beispiele 1 bis 5 600 oder mehr betrug. Daher ergibt sich, dass jeder der Außenringe gemäß der Beispiele 1 bis 5 ausreichend Festigkeit als Lagerbauteil hat.
Auf der Grundlage der obigen Ergebnisse ist offensichtlich, das ein Lagerbauteil preiswert herstellbar ist und eine lange Lebensdauer des Lagerbauteils auch unter Bedingungen sichergestellt werden kann, bei denen sich Fremdkörper in einem Schmiermittel befinden, wobei das Lagerbauteil ein Basismaterial enthält, welches Stahl und eine Karbonitrierungsschicht beinhaltet, welche eine Oberflächenschicht des Stahls ist, wobei der Stahl 0.3 bis 0.45 Massenprozent Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan 0.3 bis 2 Massenprozent Chrom, 0.1 bis 0.35 Massenprozent Molybdän, 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei die Vickers-Oberflächenhärte bei einer Tiefe von 50 μm ausgehend von einer Oberfläche der Wälzgleitoberfläche 700 bis 800 beträgt, die Innenhärte (interne Vickershärte) 550 bis 690 beträgt und die Menge an Restaustenit in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm wenigstens 30 Vol-% beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4-26752 A [0002, 0003]

Claims

Lagerbauteil mit einer Wälzgleitoberfläche, welche entsprechend Kontakt mit einem Gegenteil macht, wobei der Kontakt wenigstens entweder einen Wälzkontakt oder einen Gleitkontakt beinhaltet, wobei das Lagerbauteil dadurch gekennzeichnet ist, das es aufweist: ein Basismaterial enthaltend Stahl und eine karbonitrierte Schicht, welche eine Oberflächenschicht auf den Stahl ist, wobei der Stahl 0.35 bis 0.45 Massenprozent Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan, 0.3 bis 2 Massenprozent Chrom, 0.1 bis 0.35 Massenprozent Molybdän, 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wobei die Vickers-Oberflächenhärte an einer Position in einer Tiefe von 50 μm ausgehend von einer Oberfläche der Wälzgleitoberfläche 700 bis 800 beträgt, die Innenhärte, in Vickershärte gemessen, 550 bis 690 beträgt, und der Betrag an Restaustenit in einem Bereich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 10 μm bei mindestens 30 Vol-% liegt.
Wälzlager, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: einen Außenring (10), der eine Laufbahnoberfläche an einem Innenumfang hiervon hat; enen Innenring (20), der eine Laufbahnoberfläche an einem Außenumfang hiervon hat; und eine Mehrzahl an Wälzelementen (30), welche zwischen der Laufbahnoberfläche des Außenrings (10) und der Laufbahnoberfläche des Innenrings (20) angeordnet sind, wobei wenigstens entweder der Außenring (10) oder der Innenring (20) oder die Mehrzahl von Wälzelementen (30) durch das Lagerbauteil nach Anspruch 1 gebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 2, wobei das Wälzlager ein Kegelrollenlager mittlerer Größe ist.
Verfahren zur Herstellung des Lagerbauteils nach Anspruch 1, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es aufweist: einen Karbonitrierungs-Abschreckschritt des Durchführens einer Karbonitrierungs-Abschreckbehandlung des Erhitzens und Haltens eines Formkörpers bei 830°C bis 930°C in einer Karbonitrierungsatmosphäre mit einem Kohlenstoffanteil von 1 bis 1.3 und einer Ammoniakkonzentration von 1.6 voll-%, gefolgt von Abschrecken des Ausgangsmaterials, wobei der Formkörper gebildet ist aus Stahl, der 0.3 bis 0.45 Massenprozent Kohlenstoff, 0.5 Massenprozent oder weniger Silizium, 0.4 bis 1.5 Massenprozent Mangan, 0.3 bis 2 Massenprozent Chrom, 0.1 bis 0.35 Massenprozent Molybdän, 0.2 bis 0.4 Massenprozent Vanadium und als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigung enthält; und einen Anlassschritt des Anlassens des Formkörpers, welcher dem Karbonitrierungs-Abschreckschritt unterworfen wurde, bei 150°C bis 250°C.