DE19714948B4

DE19714948B4 - Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer

Info

Publication number: DE19714948B4
Application number: DE19714948A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Fujisawa Matsumoto; Tomonobu Fujisawa Yoshikawa; Takashi Fujisawa Nagato
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: GB9707240D0; JPH09329147A; DE19714948A1; US6165289A; GB2311998A; GB2311998B

Abstract

Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer, das einen Innenlaufring, einen Außenlaufring und mehrere Wälzkörper umfasst und in einer Umgebung verwendbar ist, die das Einsickern von Wasser in das Schmiermittel des Lagers bewirkt, wobei
– zumindest entweder der Innenlaufring, der Außenlaufring oder die Wälzkörper aus einem Legierungsstahl gebildet sind, der 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu, 0,10 bis 1,10 Gew.-% C, wenigstens ein Element aus der Gruppe Nb und V in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 0,2 Gew.-%, 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005 bis 0,015 Gew.-% N umfasst,
– der Legierungsstahl einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren oder einem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren unterzogen ist und
– zumindest entweder der Innenlaufring, der Außenlaufring oder die Wälzkörper einen hohen Reinheitsgrad sowie eine gehärtete Oberfläche von HRC 58 bis 64 aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer, sie betrifft insbesondere ein Wälzlager, das selbst dann eine lange Lebensdauer hat, wenn Wasser in das Schmiermittel des Lagers einsickert, und das für die Verwendung als Zapfen-Wälzlager eines Walzwerks, als Wasserpumpenlager für einen Automobilmotor und dgl. verwendet werden kann.

Im allgemeinen nimmt die Haltbarkeit (Lebensdauer) eines Wälzlagers ab, wenn Wasser in das Schmiermittel eindringt. So führt beispielsweise das Eindringen von nur 100 ppm Wasser in das Schmiermittel zu einer Abnahme der Lebensdauer des Lagers um 32 bis 48 % (vgl. P. Schatzberg und I.M. Felsen, "Wear", Band 12, S. 331–342, "Eftects of water and oxygen during rolling contact lubrication" (1968) und P. Schatzberg und I.M. Felsen, "Journal of Lubrication Technology, ASME Trans." F, 91, 2, S. 301–307, "Influence of water on fatigue failure location and surface alteration during rolling contact lubrication" (1969)).

Deshalb sollten bei einem Lager, das in einer Umgebung verwendet wird, bei dem es mit Wasser in Kontakt kommt, beispielsweise einem Zapfen-Wälzlager eines Walzwerks oder bei einem Wasserpumpenlager, Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um es gegen das Eindringen von Wasser abzudichten, um so eine Abnahme der Lebensdauer zu verhindern. So ist beispielsweise in JP-B-55-22648 (der hier verwendete Ausdruck "JP-B" steht für eine "geprüfte publizierte japanische Patentanmeldung") ein Zapfen-Wälzlager für ein Walzwerk beschrieben, das an seinen beiden Seiten durch eine Kontaktdichtung, beispielsweise eine Öldichtung, abgedichtet ist, und in JP-A-59-223103 (der her verwendete Ausdruck "JP-A" steht für eine "ungeprüfte publizierte japanische Patentanmeldung") ist ein Lager beschrieben, das an seinen beiden Seiten durch eine Nicht-Kontakt-Dichtung, die einen engen gekrümmten Zwischenraum aufweist.

Die beschriebenen Abdichtungsstrukturen weisen zwar verbesserte Abdichtungseigenschaften gegenüber den konventionellen Gegenmaßnahmen auf, sie sind jedoch noch unzureichend im Hinblick auf die Lebensdauer eines Lagers. Das heißt, bei dem Lager, das eine Kontaktdichtung aufweist, kann nicht vollständig das Einsickern von Wasser verhindert werden, wenn die Temperatur des Lagers fällt, weil die Luft innerhalb des Lagers Wasser von außen anzieht und ansaugt. Bei dem Lager, das eine Nicht-Kontakt-Dichtung aufweist, ist das Problem des Ansaugens von Wasser durch den Spalt der Dichtung ebenfalls noch nicht gelöst.

Angesichts der Tatsache, daß die Anwesenheit von nur 100 ppm Wasser in dem Schmiermittel die Lebensdauer eines Lagers wie vorstehend angegeben stark beeinflußt, würde jede Dichtung keinen Effekt ergeben, wenn nicht das Eindringen von Wasser vollständig verhindert wird.

Da es bisher nicht bekannt war, warum das Vorhandensein von Wasser zu einer derart signifikanten Abnahme der Lebensdauer des Lagers führt (vgl. E. Ioanniedes und B. Jacobson, "Ball Bearing Journal", Special 1989", S. 22–27, "Dirty lubricants-reduced bearing life" (1989)) war es bisher schwierig, eine radikale Maßnahme vom Standpunkt des Materials aus betrachtet zu ergreifen, um die Lebensdauer des Lagers zu verlängern. Versuche, das Einsickern von Wasser zu verhindern, waren bisher auf Oberflächen-Maßnahmen zur Verbesserung des Leistungsvermögens einer Dichtung beschränkt.

Die vorliegende Erfindung wurde gefunden aufgrund der Aufmerksamkeit, die dem vorstehend beschriebenen Problem der konventionellen Verfahren gewidmet wurde. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer bereitzustellen, das selbst in einer Umgebung, die das Einsickern von Wasser in das Schmiermittel erlaubt, eine lange Lebensdauer hat, durch Verwendung eines Materials mit ausgezeichneten Funktionen in bezug auf die Verminderung der Wasserstoff-Entwicklung hauptsächlich auf der Oberfläche von Stahl und die Bildung eines für Wasserstoff kaum durchlässigen Films, um das Eindringen von Wasserstoff in den Stahl zu vermindern und dadurch das Auftreten einer Abblätterung als Folge der Wasserstoff-induzierten Versprödung hinauszuzögern.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Einflüsse von Wasser auf die Walzermüdung eines Wälzlagers untersucht und sie haben dabei den folgenden Mechanismus gefunden.

(1) Wasserstoff, der durch eine Korrosions-Reaktion entwickelt wird, tritt in seinem atomaren Zustand durch die Korngrenzen der früheren Austenit-Kristallkörner auf dem Laufring eines Lagers ein und diffundiert durch die Korngrenzen hindurch und wird zu Wasserstoff-Molekülen, d.h. er geht in den Zwischenräumen zwischen den Nicht-Metalleinschlüssen, welche die vorhergehenden Austenit-Kristall-Korngrenzen und ein Matrix-Material kreuzen, in Wasserstoffgas über.
(2) Wenn die Menge an Wasserstoffgas zunimmt, steigt der Innendruck der Zwischenräume. Wenn Wälzelemente über die Zwischenräume hinweglaufen, steigt der Innendruck weiter. Wenn dies der Fall ist, wird eine Rißbildung initiiert fast parallel zu dem Laufring als ob die Zwischenräume sich ausdehnen würden, wodurch ihr Wasserstoff-Gasdruck abnimmt.
(3) In der Zwischenzeit steigt die Wasserstoffgas-Menge wieder an und die Risse entwickeln sich weiter, um den Druck in den Zwischenräumen zu senken. Während die Anstiege und Abnahmen des Druckes in den Zwischenräumen abwechseln, entwickeln sich die Risse immer weiter und führen schließlich zu einem Abblättern. Da sich die Entwicklung der Rißbildung auf diese Weise wiederholt, weist der Bruch als Folge des Abblätterns musterartige Umfangs-Ringe mit einem Oxideinschluß im Zentrum auf. In vielen Fällen fällt der nicht-metallische Einschluß, der als Ausgangspunt der Rißbildung gedient hat, beim Auftreten des Abblätterns herunter und ist schwierig nachzuweisen.

In der vorliegenden Erfindung wird ein solches "Abblätterungsphänomen bzw. Abplatzphänomen" eines Lagers als "Wasserstoff-induziertes Versprödungs-Abblättern" bezeichnet. Während das generelle Abblättern auftritt unter Teilnahme der nichtmetallischen Einschlüsse mit einem Minimum einer gegebenen Größe als Ausgangspunkt des anfänglichen Abblätterns, erfolgt das Wasserstoff-induizierte Versprödungs-Abblättern an allen zahllosen nicht-metallischen Einschlüssen als Ausgangspunkt. Auch wenn die zahllosen nicht-metallischen Einschlüsse auf die Hälfte ihrer Anzahl vermindert werden könnten, würde immer noch eine große Anzahl von nicht-metallischen Einschlüssen verbleiben, so daß es unmöglich ist, die Lebensdauer des Lagers durch Hochreinigung des Materialstahls zu verlängern.

Die Aufgabe der Endung ist es, ein Wälzlager anzugeben, das selbst in einer Umgebung, in der Wasser in das Schmiermittel des Lagers einsickern kann, eine verbesserte Lebensdauer aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und alternativ durch den Gegenstand des Anspruchs 3 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vergrößerte Teilansicht einer Testvorrichtung zum Testen der Lebensdauer eines Wälzlagers;
2 in schematischer Form das Abblätterungsmuster eines Vergleichslagers;
3 ein Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-Konzentration eines äußeren Laufringes aufgetragen ist;
4 ein Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-Konzentration eines äußeren Laufringes, der Cu und P enthält, aufgetragen ist; und
5 ein Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die P-Konzentration eines äußeren Laufringes, der Cu und P enthält, aufgetragen ist.
Ein Legierungsstahl, wie er erfindungsgemäß verwendet wird, enthält im wesentlichen 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu. Cu unterdrückt die Korrosion von Stahl durch Verminderung der Wasserstoff-Entwicklung an der Oberfläche von Stahl und bildet auch einen für Wasserstoff kaum durchlässigen Film, der dazu dient, die Wasserstoff-Menge, die in den Stahl eindringt, herabzusetzen. Deshalb ist Cu extrem wirksam in bezug auf die Hinauszögerung des Auftretens des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Wenn der Cu-Gehalt weniger als 0,05 % beträgt, wird kein wesentlicher Effekt erzielt. Wenn er 0,60 % übersteigt, weist der Legierungstahl eine verminderte Warmverarbeitbarkeit auf.
Der erfindungsgemäß verwendete Legierungsstahl enthält im wesentlichen 0,10 bis 1,10 Gew.-% C. Wenn der C-Gehalt weniger als 0,10 % beträgt, ist für die Carburierung (oder Carbonitrierung) zu viel Zeit erforderlich, was für die Produktivität ungünstig ist. Wenn der C-Gehalt 1,10 % übersteigt, weist das Lager eine verminderte Dimensions-Stabilität auf.
Der erfindungsgemäß verwendete Stahl enthält vorzugsweise bis zu 0,20 Gew.-% Nb oder V oder er enthält sowol Nb als auch V in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 0,20 Gew.-%. Nb oder V dient dazu, die früheren Austenit-Kristallkörner feiner zu machen, wodurch mehr Korngrenzen erhalten werden, durch die Wasserstoffatome passieren können. Daraus folgt, daß Wasserstoffgas zu vielen Einschlüssen zugeführt wird, was wirksam ist in bezug auf die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Obgleich ein ähnlicher Effekt durch andere Elemente mit der gleichen Funktion wie Al und N erzielt werden könnte, führt die Zugabe von Nb oder V zu besseren Ergebnissen in bezug auf die Wasserbeständigkeit und Lebensdauer eines Lagers. Der obere Grenzwert des Nb- oder V-Gehaltes beträgt aus wirtschaftlichen Erwägungen 0,2 %.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Legierungsstahl 0,030 bis 0,150 Gew.-% P, 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005 bis 0,015 Gew.-% N.
P wirkt ähnlich wie Cu. Das heißt, er unterdrückt die Korrosion von Stahl unter Herabsetzung der Wasserstoffentwicklung an der Oberfläche von Stahl und bildet ebenfalls einen für Wasserstoff kaum durchlässigen Film und dient so zur Verminderung der Wasserstoffmenge, die in den Stahl eindringt.
Deshalb ist P extrem wirksam in bezug auf Hinauszögerung des Auftretens des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Ein P-Gehalt von weniger als 0,030 % führt zu einem unwesentlichen Effekt. Wenn der P-Gehalt 0,150 % übersteigt, wird der Stahl zu spröde für die Verwendung als Lagerma terial. Vom Standpunkt der Kosten der Apparatur aus betrachtet beträgt die Obergrenze des P-Gehaltes vorzugsweise 0,025 Gew.-%.
Al dient dazu, die früheren Austenit-Kristallkörner feiner zu machen ähnlich wie Nb und V, wodurch mehr Korngrenzen geschaffen werden, durch die Wasserstoffatome passieren können. Daraus folgt, daß Wasserstoffgas zu vielen Einschlüssen zugeführt wird, das wirksam ist in bezug auf die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Ein Al-Gehalt von weniger als 0,020 % führt zu einem unwesentlichen Effekt. Al-Gehalte von mehr als 0,060 % bringen keine weitere Verbesserung mit sich, sie führen nur zu einer Erhöhung der Kosten.
N wirkt ebenfalls in der Weise, daß es die früheren Austenit-Kristallkörner feiner macht ähnlich wie Al, Nb und V, wodurch mehr Korngrenzen geschaffen werden, durch die Wasserstoffatome passieren können. Daraus folgt, daß Wasserstoffgas zu vielen Einschlüssen hingeführt wird, das wirksam ist in bezug auf die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns. Ein N-Gehalt von weniger als 0,005 % ergibt nur einen unwesentlichen Effekt. N-Gehalte von mehr als 0,015 % führen zu keiner weiteren Verbesserung, sie resultieren nur in einer Erhöhung. der Kosten.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Legierungsstahl 0,15 bis 1,10 Gew.-% Si, 0,35 bis 1,50 Gew.-% Mn und 0,35 bis 3,5 Gew.-% Cr.
Si wird als Desoxidationsmittel bei der Stahl-Herstellung zugegeben. Bei einem Si-Gehalt von weniger als 0,15 % wird kein Desoxidationseffekt erzielt. Ein Si-Gehalt von mehr als 1,10 % führt zu einer Ungleichmäßigkeit der Carburierung (oder Carbonitrierung), so daß keine ausreichende Härte an der Oberfläche erzielt wird. Um die Warmverformung für die Carburierung (oder Carbonitrierung) gleichmäßig durchzuführen, um eine gleichmäßige Härte in der Oberflächenschicht zu erzielen, beträgt der Si-Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 0,5 Gew.-%.
Der erfindungsgemäße Legierungsstahl darf außerdem nicht mehr als 1,10 Gew.-% Mo, nicht mehr als 4,5 Gew.-% Ni, nicht mehr als 0,008 Gew.-% S und nicht mehr als 0,0015 Gew.-% O enthalten.
Mn, Cr, Mo und Ni, wie vorstehend angegeben, können jeweils zur Sicherstellung der Härtbarkeit zugegeben werden. Wenn der Mn-Gehalt weniger als 0,35 % beträgt, ist der Effekt zur Sicherstellung der Härtbarkeit ungenügend. Wenn der Mn-Gehalt 1,5 % übersteigt, tritt eine abnorme Struktur als Folge einer Segregation auf, was zu einer Rißbildung während der Herstellung führt. Wenn der Cr-Gehalt weniger als 0,35 % beträgt, ist der Effekt zur Sicherstellung der Härtbarkeit unzureichend. Wenn der Cr-Gehalt 3,5 % übersteigt, läuft die Carburierung (oder Carbonitrierung) ungleichmäßig ab, so daß keine ausreichende Härte an der Oberfläche erzielt wird.
Mo und Ni brauchen nicht immer zugegeben zu werden. Wenn der Mo-Gehalt 1,10 Gew.-% übersteigt oder wenn der Ni-Gehalt 4,50 Gew.-% übersteigt, tritt eine abnorme Struktur als Folge einer Segregation auf, was zu einer Rißbildung während der Herstellung führt.
S und O sind in dem erfindungsgemäßen Legierungsstahl schädliche Elemente, die dem Legierungsstahl unvermeidlich einverleibt werden. Das heißt, S bildet Sulfid-Einschlüsse und O bildet Oxid-Einschlüsse, beide beschleunigen die Walz-Ermüdung. Obgleich es erwünscht ist, diese Gehalte minimal zu halten, werden die Obergrenzen des S-Gehaltes und des O-Gehaltes vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet auf 0,008 % bzw. 0,0015 % eingestellt.
Der erfindungsgemäße Legierungsstahl wird vorzugsweise hergestellt durch ein Vakuumlichtbogen-Umschmelzverfahren (nachstehend abgekürzt als VAR- Verfahren bezeichnet) oder ein Elektroschlacken-Umschmelzverfahren (nachstehend abgekürzt als ESR-Verfahren bezeichnet). Der nach diesen Verfahren erhaltene Legierungsstahl hat eine einheitliche Struktur mit einer verminderten Segregation und ist daher frei von lokalen Zellen und gegen Korrosion beständig. Daher kann die Wasserstoff-Entwicklung an der Stahl-Oberfläche vermindert werden, was wirksam ist in bezug auf die Hinauszögerung des Auftretens eines Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns.
Wie vorstehend angegeben, wird mindestens ein Vertreter der ein erfindungsgemäßes Wälzlager aufbauenden Elemente, d.h. der innere Laufring, der äußere Laufring und/oder das Wälzelement (die Kugeln) aus einem Legierungsstahl hergestellt, der eine kontrollierte Zusammensetzung hat, so daß die Wasserstoff-Entwicklung an der Oberfläche des Stahls herabgesetzt werden kann und ein für Wasserstoff kaum durchlässiger Film auf der Stahl-Oberfläche gebildet werden kann, um dadurch die Menge an in den Stahl eindringendem Wasserstoff zu vermindern. Die vorliegende Erfindung ergibt somit ein wasserbeständiges Wälzlager, das auch dann eine lange Lebensdauer hat, wenn es in einer solchen Umgebung verwendet wird, bei der Wasser in das Schmiermittel des Lagers eindringen kann.
Erfindungsgemäße Lager (konische Wälzlager) und Vergleichslager wurden aus einem Legierungsstahl mit verschiedenen Zusammensetzungen gemäß den nachstehenden Angaben hergestellt und getestet unter Anwendung eines Lager-Lebensdauer-Tests nach dem nachstehend beschriebenen Test-Verfahren.
Spezifikationen:
Lagerbezeichnung: HR32017XJ
Innerer Durchmesser: 85 mm
äußerer Durchmesser: 130 mm
Breite des zusammengebauten Lagers 29 mm
dynamische Grundbelastung: 143000 N
Eigenschaften des Lagers:
Oberflächehärte: HRC 58 bis 64
Oberflächen-Rest-Austenit: 20 bis 45 Vol.-%
carburiertes Lager: Oberflächen-Kohlenstoff-Konzentration: 0,8 bis 1,1 Gew.-%
Carbonitriertes Lager:
Oberflächen-Kohlenstoff-Konzentration: 0,8 bis 1,1 Gew.-%
Oberflächen-Stickstoff-Konzentration: 0,05 bis 0,3 Gew.-%
Testverfahren:
Der Lebensdauertest wurde durchgeführt unter Verwendung der in der 1 dargestellten Test-Vorrichtung. Ein innerer Laufring 1 aus einem konischen Wälzlager (Werk) W ist an einem Ende einer rotierenden Welle 6 in einen Lagersitz 6a eingepaßt, um das Werk W auf der Test-Vorrichtung einzustellen. Ein äußerer Laufring 2 ist in einen inneren Lagerhalter 8 eines Gehäuses 7 eingepaßt. Ein ringförmiger Decke 10 mit einem Wasserkanal 9 ist an dem Ende des inneren Lagerhalters 8 angebracht. Am Auslaß des Wasserkanals 9 ist eine Sprüheinrichtung 11 vorgesehen, die der breiteren Basis 3a der konischen Walze 3 gegenüberliegt. In den Wasserkanal 9 wird wie durch den Pfeil A angegeben Wasser eingespritzt. Eine radiale Belastung Fr wird auf die rotierende Welle 6 mittels einer Beladungs-Einrichtung (nicht dargestellt) um die radiale Belastung auf das Werk W aufzubringen, einwirken gelassen. Eine axiale Belastung Fs wird an den inneren Lagerhalter 8 angelegt mittels eines hydraulischen Zylinders (nicht dargestellt), um die axiale Belastung auf das Werk W aufzubringen.
Die Bedingungen des Lebensdauertests in den Beispielen 1 bis 3 waren folende:
Radiale Belastung: 35750 N
Axiale Belastung: 15680 N
Umdrehungs-Geschwindigkeit des inneren Laufrings: 1500 UpM
Schmierung:

a) geschmiert mit 60 g Fett
b) geschmiert mit 60 g Fett in Gegenwart von 3 ml/h Wasser (das zusammen mit Luft auf das Lager aufgesprüht wurde).

Es wurde die 10 %-Lebensdauer L₁₀ (restliche Lebensdauer 90 %) eines Lagers in Abwesenheit von Wasser und diejenige des gleichen Lagers in Gegenwart von Wasser erhalten zur Berechnung einer Bewertung der Abnahme der Lebensdauer als Folge des Eindringens von Wasser nach der Gleichung (1). Je niedriger die Rate der Abnahme der Lebensdauer ist, um so wasserbeständiger und langlebiger ist das Lager. Rate der Abnahme der Lebensdauer (%) = [(L10 in Abwesenheit von Wasser) – (L10 in Gegenwart von Wasser)]/ (L10 in Abwesenheit von Wasser) × 100 (1)
Zur Stahl-Herstellung wurden die folgenden Verfahren angewendet.
(1) Ofen
Es wurde eine Elektroofen oder ein Konverter verwendet. In einem Elektroofen wird Schrott aufgeschmolzen durch die Wärme einer Lichtbogenentladung. In einem Konverter wird die Temperatur bis auf eine vorgeschriebene Temperatur erhöht, indem man die Reaktionswärme zwischen eingeblasenem Sauerstoff und den Elementen in geschmolzenem Eisen ausnutzt zur Durchführung des Aufschmelzens. Diese Öfen haben die gleichen Funktionen der Decarburierung, Dephosphorierung, der Entfernung von Silicium, der Entfernung von Mangan und der Desulfurierung. Dem Strom von geschmolzenem Stahl wird zum Zeitpunkt der Überführung in eine Pfanne Ferro-Legierung zugegeben, um die Zusammensetzung so einzustellen, daß sie in der Nähe der Endzusammensetzung liegt.
(2) Pfannenofen (LF)
Es wurden eine Desoxidation, eine Desulfurierung und eine Feineinstellung der Legierungs-Elemente durchgeführt.
(3) RH-Entgasung
Es werden eine Desoxidation, eine Dehydrierung und eine Feineinstellung der Legierungs-Elemente durchgeführt.
Der Ersatz von (2) und (3) durch ASEA-SKF (eine Vakuum-Raffinierungs-Vorrichtung) oder durch VAD (eine Lichtbogenentgasungs-Vorrichtung) ergibt keinen Einfluß auf die erfindungsgemäßen Effekte.
(4) Block-Herstellung oder Stranggießen
Geschmolzener Stahl wird in einem Brammengehäuse oder mittels einer Stranggießvorrichtung abkühlen gelassen. Es hat keinen Einfluß auf die erfindungsgemäßen Effekte, welche der beiden angewendet werden. Der resultierende Block wird dann umgeschmolzen.
(5) VAR-Verfahren oder ESR-Verfahren
Der Block wird in einen aus Cu hergestellten Schmelztiegel in einem Nicht-Kontakt-Zustand eingebracht. Zwischen dem Block und dem Schmelztiegel wird eine Spannung angelegt, um den Block durch die Wärme einer Lichtbogen-Entladung umzuschmelzen. Das Verfahren, bei dem die obere Schicht der Schmelze in dem Schmelztiegel Schlacke (Oxide) ist, wird als ESR-Verfahren bezeichnet, während das Verfahren, bei dem die Atmosphäre oberhalb der Schmelze Vakuum ist, als VAR-Verfahren bezeichnet wird.
Beispiel 1
Der Einfluß des Cu-Gehaltes des Legierungsstahls auf die Lebensdauer eines wasserbeständigen Lagers wurde untersucht. Um eine klare Unterscheidung zwischen den Vergleichs-Lagern A bis J und den erfindungsgemäßen Lagern M bis Y zu machen, hatten erstere einen Cu-Gehalt von weniger als 0,05 Gew.-%, während letztere einen Cu-Gehalt in dem Bereich von 0,05 bis 0,60 Gew.-% hatten. Die Legierungs-Bestandteile des Stahls, das angewendete Stahl-Herstellungsverfahren, die auf das Lager angewendete Wärmebehandlung sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Die Ergebnisse des Wasserbeständigkeits-Lebensdauertests sind ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben.
Wie aus den Ergebnissen in der Tabelle 1 hervorgeht, ist die Abnahme der Lebensdauer bei den erfindungsgemäßen Lagern M bis Y signifikant niedriger als bei den Vergleichs-Lagern A bis J, was beweist, daß Cu extrem wirksam ist in bezug auf das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern. Als ein Beispiel für das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern ist das Abblätterungsmuster des Vergleichs-Lagers A in der 2 dargestellt. Es ist ein Bruch mit einem Muster wie umlaufende Ringe als Folge einer Rißbildungs-Entwicklung zu erkennen, was ein Wasserstoff-induziertes Versprödungs-Abblättern anzeigt.
Beispiel 2
Es wurden Lager hergestellt aus Legierungsstahl, der Nb oder V enthielt, um den Einfluß von Nb oder V auf die Abnahme der Lebensdauer zu untersuchen. Insbesondere wurden Lager Q₁ bis Q₅ auf die gleiche Weise wie das Lager Q des Beispiels 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß Nb oder V zu dem Grund-Legierungsstahl-Zusammensetzung des Lagers Q in einer variierenden Konzentration zugegeben wurde, und diese wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 getestet.
Die Legierung-Komponenten, das Stahl-Herstellungsverfahren, die frühere Austenit-Kristallkorngröße und die erhaltenen Testergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 angegeben. Unter dem hier verwendeten Ausdruck "frühere Austenit-Kristallkorngröße "ist die Kristallkorngröße des Austenits zum Zeitpunkt der Erhitzung zum Carburieren und Härten zu verstehen, die nach JIS G0551 bestimmt wird. Je größer die Zahl ist, um so feiner sind die Körner. Austenit wird beim Härten (Abschrecken) in Martensit umgewandelt, die Kristallkörner wachsen durch das Härten jedoch nicht. Daher sind die Martensit-Kristallkörner um so kleiner, je kleiner die früheren Austenit-Kristallkörner sind.
Bei allen erfindungsgemäßen Lagern Q bis Q₅ ist zu erkennen, daß die Zugabe von Nb oder V die Abnahme der Lebensdauer durch Eindringen von Wasser unterdrückt. Da Nb oder V die Austenit-Bildungs-Kristallkörner feiner macht, erhält man dadurch mehr Korngrenzen, durch die Wasserstoffatome wandern können. Als Ergebnisse wird Wasserstoffgas in großem Umfang in viele Einschlüsse eingeführt und das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern wird wirksam hinausgezögert.
Beispiel 3
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurden Lager hergestellt unter Verwendung eines Legierungsstahls, der Cu und Nb oder V in variierenden Konzentrationen enthält, unter Anwendung verschiedener Stahl-Herstellungsverfahren, um den Gesamteinfluß des Stahl-Herstellungsverfahrens auf die Verminderung der Lager-Lebensdauer zu untersuchen.
Insbesondere wurden Vergleichs-Lager C₁ bis C₃ auf die gleiche Weise wie das Vergleichs-Lager C (Cu-Gehalt: 0,01 Gew.-%), wie es in Beispiel 1 hergestellt worden war, hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß 0,15 Gew.-% Nb (Lager C₁), 0,15 Gew.-% V (Lager C₂) zugegeben wurden oder der Cu-Gehalt auf 0,04 Gew.-% erhöht wurde und 0,15 Gew.-% V (Lager C₃) zugegeben wurden. Auf die gleiche Weise wurden erfindungsgemäße Lager C₄ bis C₈ hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß der Cu-Gehalt bis auf einen Bereich von 0,05 bis 0,25 Gew.-% erhöht und Nb oder V in einer von 0 bis 0,15 Gew.-% variierenden Konzentration zugegeben wurde. Der Legierungsstahl für diese Lager wurde durch Umschmelzen unter Anwendung eines VAR-Verfahrens oder eines ESR-Verfahrens hergestellt.
Die Legierungs-Bestandteile, das Stahl-Herstellungsverfahren und die Ergebnisse des Lebensdauer-Tests sind in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben.
In der Tabelle 3 ist die Abnahme der Lebensdauer bei den Lagern C₄ bis C₈ signifikant niedriger als bei den Vergleichs-Lagern C bis C₃ und sogar beträchtlich niedriger als bei den Lagern M bis Y und Q bis Q₅ gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Tabellen 1 und 2 angegeben sind. Aus diesen Ergebnisse ist zu ersehen, daß ein VAR-Verfahren oder ein ESR-Verfahren als Stahl-Herstellungsverfahren sehr wirksam ist in bezug auf das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern, vorausgesetzt, daß der Legierungsstahl mindestens 0,05 Gew.-% Cu enthält. Dies ist darauf zurückzuführen, daß diese Umschmelz-Verfahren einen Stahl ergeben, der eine metallurgisch einheitliche Struktur mit einer verminderten Segregation hat und deshalb eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Bei einem Stahl tritt eine verminderte Wasserstoff-Entwicklung an der Oberfläche desselben auf und dadurch wird das Auftreten des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns hinausgezögert.
3 zeigt das Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-Konzentration in dem erfindungsgemäß verwendeten Legierungsstahl dargestellt ist. A-J, M-Y und C₄-C₈ geben die oben hergestellten Lager an. Die 3 zeigt eindeutig, daß ein dramatischer Unterschied in bezug auf die Abnahme der Lebensdauer vorliegt, je nachdem, ob die Cu-Konzentration weniger oder nicht weniger als 0,05 Gew.-% beträgt.
Wenn der Cu-Gehalt 0,04 Gew.-% oder weniger beträgt, ist kein Einfluß auf das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern zu erkennen, selbst wenn der Legierungsstahl Nb oder V enthält oder selbst wenn ein VAR-Verfahren oder ein ESR-Verfahren angewendet wird, was aus den Ergebnissen der Vergleichs-Lager C-C₃ geschlossen werden kann. Außerdem besteht dann, wenn kein Unterschied in bezug auf den Cu-Gehalt vorliegt (der Cu-Gehalt auf 0,25 Gew.-% festgelegt ist), die Neigung, daß die Abnahme der Lebensdauer geringer wird, wenn der Nb- oder V-Gehalt ansteigt, was aus den Ergebnisse der Lager C₆-C₈ zu ersehen ist.
Das Vergleichs-Lager C₁ wurde so konzipiert, daß eine Verminderung der Lebensdauer durch Reinigung des Ausgangsmaterials, d.h. durch Verminderung der Sauerstoff- und Schwefel-Konzentrationen, angestrebt wurde. In Gegenwart von Wasser wurde jedoch kein Effekt festgestellt.
In den nachstehend beschriebenen Beispielen 4 bis 7 wurden auf die gleiche Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 Lager hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß Ti als Legierungs-Bestandteil durch N ersetzt wurde, und sie wurden unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 3 getestet, jedoch mit der Ausnahme, daß die radiale Belastung auf 40 000 N erhöht würde und die axiale Belastung auf 17544 N erhöht wurde.
Wenn der Wasserbeständigkeits-Lebensdauer-Test unter den obengenannten Bedingungen durchgeführt wurde, war es der äußere Laufring, der einen Schaden erlitt, weil die Bedingung der Spannungs-Korrosion an der Spannungsbeladenen Stelle des äußeren Laufrings am stärksten ist. Deshalb wiesen alle getesteten Lager, sowohl die Vergleichs-Lager als auch die erfindungsgemäßen Lager, einen gemeinsamen inneren Laufring und gemeinsame konische Walzen auf. Insbesondere waren alle inneren Laufringe die gleichen wie in der Probe C₀, wie in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellt, und alle Walzen waren die gleichen wie in dem Beispiel C₀, wie in Tabelle 4 anhand des Materials, des Stahl-Herstellungsverfahrens und der Wärmebehandlung angegeben.
Beispiel 4
Es wurde der Einfluß der Cu- und P-Gehalte auf die Wasserbeständigkeits-Lebensdauer des Lagers untersucht. Um eine klare Unterscheidung zwischen den Vergleichs-Lagern und den erfindungsgemäßen Lagern zu treffen, wurde der Cu-Gehalt der Vergleichs-Lager (A₀ bis L₀) auf 0,05 Gew.-% eingestellt, während derjenige der erfindungsgemäßen Lager (M₁ bis Y₁) in dem Bereich von 0,05 bis 0,60 Gew.-% lag. Andererseits lag der P-Gehalt der ersteren in dem Bereich von 0,015 bis 0,030 Gew.-%, während derjenige des letzteren in dem Bereich von 0,030 bis 0,150 Gew.-% lag.
Die Legierungs-Bestandteile, das Stahl-Herstellungsverfahren und die Wärmebehandlung des äußeren Laufringes sowie die Ergebnisse der Lebensdauer-Tests sind in den nachstehenden Tabellen 4 und 5 angegeben.
Aus den Ergebnisse der Tabellen 4 und 5 ist zu ersehen, daß die Abnahme der Lebensdauer der Lager M₁ bis Y₁ gemäß der Erfindung deutlich geringer ist als die Abnahme bei den Vergleichs-Lagern A₀ bis L₀, was den signifikanten Effekt von Cu und P bei dem Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblättern zeigt.
Das Diagramm, in dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die Cu-Konzentration aufgetragen ist, ist in 4 dargestellt und das Diagramm, bei dem die Abnahme der Lebensdauer gegen die P-Konzentration aufgetragen ist, ist in 5 dargestellt. Diese Diagramme zeigen eindeutig, ob die Cu-Konzentration unterhalb oder nicht unterhalb 0,05 Gew.-% liegt und ob die P-Konzentration weniger oder nicht weniger als 0,030 Gew.-% beträgt, führt zu einem dramatischen Unterschied in bezug auf die Abnahme der Lebensdauer. Außerdem zeigen diese Zahlen, daß die Abnahme der Lebensdauer in den Fällen, in denen die Cu-Konzentration in dem Bereich von 0,10 bis 0,60 Gew.-% lag, oder in denen die P-Konzentration in dem Bereich von 0,04 bis 0,150 Gew.-% lag, nahezu unveränderbar war.
Das heißt, in den Tabellen 4 und 5 und in den 4 und 5 ist gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Lager eine signifikant verminderte Abnahme der Lebensdauer in Gegenwart von Wasser aufweisen, verglichen mit derjenigen der Vergleichs-Lager, was den großen Einfluß von Cu und P auf das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern bei einem Lager belegt.
In der Tabelle 6 sind die Wasserstoff-Konzentrationen in der Spannungsbeladenen Seite (Teil mit der höchsten Belastung) und in der nicht-beladenen Seite (Teil mit der niedrigsten Belastung) des äußeren Laufringes nach dem obengenannten Lebensdauer-Test für 70 aufeinanderfolgende Stunden angegeben.
Tabelle 6
Die Wasserstoff-Konzentration in der Spannungs-beladenen Seite des äußeren Laufrings des erfindungsgemäßen Lagers P₁ war geringer als auf der Spannungs-beladenen Seite des Vergleichs-Lagers C₀, obgleich sie höher war als auf der nicht-beladenen Seite wegen des Eintritts und der Diffusion von Wasserstoff. Daraus ist zu ersehen, daß Wasserstoff in den äußeren Laufring des erfindungsgemäßen Lagers kaum eintritt und kaum diffundiert und daß Cu und P wirksam sind in bezug auf die Verhinderung eines Wasserstoffeintritts.
Beispiel 5
Erfindungsgemäße Lager Q₁₀ bis Q₁₅ und Vergleichs-Lager Z₁ und Z₂ wurden hergestellt unter Verwendung von Legierungsstahl mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie er in dem Lager Q₁ des Beispiels 4 verwendet worden war, jedoch mit der Ausnahme, daß er Al, N, Nb oder V in variierenden Konzentration enthielt, und er wurde getestet, um die Einflüsse dieser Elemente auf die frühere Austenit-Kristall-Korngröße (JIS G0551) und die Abnahme der Lebensdauer in Gegenwart von Wasser zu untersuchen. Die Legierungs-Bestandteile, das Stahl-Herstellungsverfahren, die Wärmebehandlung und die frühere Austenit-Kristall-Korngröße sowie die Ergebnisse des Lebensdauer-Tests sind in der nachstehenden Tabelle 7 angegeben.
Die Tabelle 7 zeigt, daß alle erfindungsgemäßen Lager Q₁ und Q₁₀ bis Q₁ ₅, die nicht weniger als 0,02 Gew.-% Al und nicht weniger als 0,005 Gew.-% N enthalten, eine stark verminderte Abnahme der Lebensdauer in Gegenwart von Wasser haben, verglichen mit den Lagern Z₁ und Z₂. Daraus ist auch zu ersehen, daß beim Vergleich der erfindungsgemäßen Lager untereinander die Lager Q₁₂ bis Q₁ ₅, die Nb oder V enthalten, eine noch geringere Abnahme der Lebensdauer aufweisen in Gegenwart von Wasser als die Lager Q₁, Q₁₀ oder Q₁₁, die weder Nb noch V enthalten. Al, N, Nb und V machen jeweils die früheren Austenit-Kristallkörner feiner unter Bereitstellung von mehr Korngrenzen, durch die Wasserstoffatome passieren können. Deshalb erfolgt bei den Legierungen, die nahezu den gleichen Gehalt, ausgedrückt als Cu-Gehalt, Al-Gehalt oder der N-Gehalt aufweisen, bei steigendem Nb- oder V-Gehalt eine Zuführung von Wasserstoff zu vielen Einschlüssen. Nb oder V ist somit wirksam in bezug auf die Hinauszögerung des Wasserstoff-induzierten Versprödungs-Abblätterns.
Beispiel 6
Aus einem Legierungsstahl, der variierende Cu- und P-Gehalte aufwies und nach verschiedenen Stahl-Herstellungsverfahren hergestellt worden war, wurden Lager hergestellt, um den Einfluß dieser Faktoren auf die Abnahme der Lebensdauer zu untersuchen.
Es wurden Vergleichs-Lager aus einem Legierungsstahl hergestellt, der im Prinzip die gleiche Zusammensetzung hatte, wie sie in dem Vergleichs-Lager Co des Beispiels 4 verwendet worden war (Cu: 0,35 Gew.-%; P: 0,015 Gew.-%), mit Ausnahme einer geringfügigen Änderung der Al- und N-Gehalte (Vergleichs-Lager C₁₀) oder einer Verminderung des P-Gehaltes auf 0,010 Gew.-% und einer Zugabe von 0,15 Gew.-% Nb (Vergleichs-Lager C₁₁). Die erfindungsgemäßen Lager C₁ ₂ und C₁₃ wurden hergestellt unter Verwendung der gleichen Grund-Zusammensetzung, jedoch mit der Ausnahme, daß der Cu-Gehalt in 0,25 Gew.-% bzw. 0,24 Gew.-% geändert wurde und der P- Gehalt extrem erhöht wurde auf 0,100 Gew.-%, um sie von den Vergleichs-Lagern zu unterscheiden.
Der Legierungsstahl wurde entweder nach einem VAR-Verfahren oder nach einem ESR-Verfahren hergestellt.
Die Legierungs-Komponenten, das Stahl-Herstellungsverfahren und die Ergebnisse des Lebensdauertest sind in der nachstehenden Tabelle 8 angegeben.
Wie in der Tabelle 8 angegeben, ist die Abnahme der Lebensdauer bei den erfindungsgemäßen Lagern C₁₂ und C₁ ₃ deutlich geringer als bei den Vergleichs-Lagern C₁₀ und C₁₁und noch geringer als bei den erfindungsgemäßen Lagern M₁ bis Y₁, wie sie in der Tabelle 5 angegeben sind, und bei den erfindungsgemäßen Lagern Q₁ und Q₁₀ bis Q₁ ₅, wie sie in der Tabelle 7 angegeben sind. Diese Ergebnisse zeigen, daß das Umschmelz-Verfahren, d.h. ein VAR-Verfahren oder ein ESR-Verfahren, sehr wirksam ist in bezug auf das Wasserstoff-induzierte Versprödungs-Abblättern, sofern der Cu-Gehalt und der P-Gehalt den erfindungsgemäß angegebenen Bedingungen genügen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der nach dem Umschmelz-Verfahren hergestellte Stahl eine einheitliche Struktur mit einer unterdrückten Segregation aufweist und deshalb die Korrosion gehemmt ist. Die Menge des an der Oberfläche eines solchen Stahls entwickelten Wasserstoffs kann auf diese Weise vermindert werden, was zu einer Hinauszögerung des Wasserstoff-iduzierten Versprödungs-Abblätterns führt.
Wenn der Cu-Gehalt 0,04 Gew.-% oder weniger beträgt, ist kein Effekt auf das Wasserstoff-iduzierte Versprödung-Abblättern feststellbar, selbst wenn der Legierungsstahl Nb oder V enthält oder selbst wenn ein VAR-Verfahren oder ein ESR-Verfahren angewendet wird, was aus den Ergebnisse der Vergleichs-Lager C₁₀ und C₁₁ geschlossen werden kann.
Das Vergleichs-Lager C₁₁ wurde konzipiert, um eine Verminderung der Abnahme der Lebensdauer zu erreichen durch Reinigung des Ausgangsmaterials, d.h. durch Herabsetzung der Sauerstoff- und Schwefel-Konzentration. In Gegenwart von Wasser wurde jedoch kein Effekt festgestellt.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsbeispiele derselben näher beschrieben, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden kön nen, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer, das einen Innenlaufring, einen Außenlaufring und mehrere Wälzkörper umfasst und in einer Umgebung verwendbar ist, die das Einsickern von Wasser in das Schmiermittel des Lagers bewirkt, wobei – zumindest entweder der Innenlaufring, der Außenlaufring oder die Wälzkörper aus einem Legierungsstahl gebildet sind, der 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu, 0,10 bis 1,10 Gew.-% C, wenigstens ein Element aus der Gruppe Nb und V in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 0,2 Gew.-%, 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005 bis 0,015 Gew.-% N umfasst, – der Legierungsstahl einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren oder einem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren unterzogen ist und – zumindest entweder der Innenlaufring, der Außenlaufring oder die Wälzkörper einen hohen Reinheitsgrad sowie eine gehärtete Oberfläche von HRC 58 bis 64 aufweisen.
Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach Anspruch 1, wobei der Legierungsstahl 0,030 bis 0,150 Gew.-% P enthält.
Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer, das einen Innenlaufring, einen Außenlaufring und mehrere Wälzkörper umfasst und in einer Umgebung verwendbar ist, die das Einsickern von Wasser in das Schmiermittel des Lagers bewirkt, wobei zumindest entweder der Innenlaufring, der Außenlaufring oder die Wälzkörper aus einem Legierungsstahl gebildet sind, der 0,05 bis 0,60 Gew.-% Cu, 0,10 bis 1,10 Gew.-% C und 0,060 bis 0,150 Gew.-% P enthält, und ferner zumindest entweder der Innenlaufring, Außenlaufring oder die Wälzkörper einen hohen Reinheitsgrad sowie eine gehärtete Oberfläche von HRC 58 bis 64 aufweisen, wobei der Legie rungsstahl einem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzverfahren oder einem Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren unterzogen ist.
Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach Anspruch 3, wobei der Legierungsstahl ferner 0,020 bis 0,060 Gew.-% Al und 0,005 bis 0,015 Gew.-% N enthält.
Wasserbeständiges Wälzlager mit langer Lebensdauer nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Legierungsstahl ferner wenigstens ein Element aus der Gruppe Nb und V in einer Gesamtmenge von 0,05 bis 0,2 Gew.-% enthält.