DE19952010B4

DE19952010B4 - Verfahren zum Testen eines Rollenlagers und Vorrichtung zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE19952010B4
Application number: DE19952010A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Fujisawa Kiuchi; Manabu Fujisawa Ohori
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: US6287010B1; US20010001172A1; DE19952010A1; US6276210B2; JP2000130447A

Abstract

Verfahren zum Testen eines Rollenlagers, insbesondere eines Zapfen-Rollenlagers, wobei das Rollenlager einen inneren Laufring (23), einen äußeren Laufring (22), jeweils aus Stahl, und eine Mehrzahl von Rollelementen (21) zwischen dem inneren und äußeren Laufring (23, 22) aufweist, wobei ein Volumen (2% x Da x Laufringfläche), bestimmt durch eine Laufringfläche des inneren und äußeren Laufrings und eine Tiefe von 2% des mittleren Durchmessers (Da) der Rollelemente (21) einer Ultraschall-Werkstoffprüfung unterworfen wird und eine verkürzte Lebensdauer verhindert wird, wenn die Ultraschall-Werkstoffprüfung keine nichtmetallischen Einschlüssen mit einer Länge von ≥ 500 μm in dem Volumen ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Rollenlagers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben. Derartige ein Rollenlager werden als Zapfenrollenlager für Walzwerke in der Eisen- und Stahlindustrie verwendet. Diese Rollenlager weisen zumindest einen Innenring und einen Außenring, jeweils aus Stahl, und eine Mehrzahl von Rollelementen auf. Bei der Herstellung von Rollenlagern aus Stahl ist es fast unvermeidlich, dass nichtmetallische Einschlüsse vorliegen. Diese nicht metallischen Einschlüsse beeinträchtigen grundsätzlich die Lebensdauer eines Rollenlagers, wie dies beispielsweise in der DE 197 14 948 A1 (D2) diskutiert wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird daher ein Rollenlager und insbesondere ein Rollenlager, wie beispielsweise ein Rollenlager für Eisen und Stahl vorgestellt, das durch ein Zapfenrollenlager gebildet wird, welches selbst unter den erschwerten Bedingungen einer hohen Belastung und eines hohen Oberflächendruckes keine unerwartet kurze Lebensdauer aufweist, sondern eine stabile Lebensdauer garantiert.

Seit kurzem werden die Bedingungen, unter denen Lager verwendet werden, immer schwieriger und bei den Lagern, die bei Stahl- und Eisenwalzwerken verwendet werden, steigen zunehmend die Last und der Oberflächendruck, die auf das Lager wirken. Bei derart erschwerten Bedingungen, wie sie bei den in Stahl- und Eisenwalzwerken verwendeten Lagern auftreten, besteht zunehmend ein starker Bedarf an einem Lager, das nicht nur eine hohe Lebensdauer bieten kann, sondern auch eine unerwartet auftretende kurze Lebensdauer ausschließen kann. Der Grund für diesen Bedarf ist wie folgt: Bei einem kontinuierlichen Produktionssystem, bei dem die Inspektion und Wartung eines Fließbandes in vorgegebenen Zeitintervallen stattfindet, muß das Fließband innerhalb der Betriebszeit angehalten werden, wenn die Lagerlebensdauer kürzer als die vorgege bene Betriebszeit wird. Diese außerplanmäßige Betriebsunterbrechung erhöht die Betriebskosten.

Als einer der Faktoren, welche die Lebensdauer des Lagers begrenzen, ist ein Defekt oder ein Schaden im Material des Lagers festgestellt worden. Für den zur Herstellung eines Lagers verwendeten Stahlwerkstoff wird seit kurzem ein Verfahren verwendet, bei dem, nachdem der Stahlwerkstoff beispielsweise während des Stahlherstellungsverfahrens zu einem Stahlstab gerollt wurde, sämtliche Stahlstäbe hinsichtlich interner Mängel unter Verwendung von Ultraschallwellen oder Ähnlichem untersucht werden (vgl. "Special Steel", Vol.46, Nr. 6, S. 31, herausgegeben von "Special Steel Club Co."). Das Hauptziel dieser, während des Verfahrens stattfindenden Methode zur Mängeluntersuchung liegt darin, ein Loch (einen Defekt) innerhalb des Stahlwerkstoffes, wie beispielsweise einen Fehler in einer Makroader ("macro-streak-flaw"), ein Blasloch oder einen im Zuge des Roll- und Schmiedevorgangs ungepressten Abschnitt oder Ähnlichem zu erfassen; dieses Verfahren verwendet eine niedrige Frequenz im Bereich von 2–5 MHz, um das Loch oder den Defekt zu erfassen. Aufgrund dieses Verfahrens wurden große Defekte in der Größenordnung von einigen Millimetern eliminiert. Bei einem Stahlwerkstoff, der zwar gerollt wurde, aber ansonsten so belassen wurde, wie er ist, ist das Kristallkorn im Inneren desselben und in der Oberflächenschicht rauh, was ein hohes Rauschen bewirkt Dies macht es wiederum unmöglich, Defekte mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Andererseits ist es bekannt, daß ein nichtmetallischer Einschluß (dazwischenliegender Werkstoff), der im Werkstoff eines Lagers vorliegt, einen großen Einfluß auf die Lebensdauer des Lagers selbst ausübt. Bei Einrichtungen zur Stahlherstellung wird beispielsweise ein Andruck-Rollenlager unter hoher Last und in einem gut geschmierten Zustand, hauptsächlich durch Ölschmierung, verwendet. Wenn das Lager in einem derartigen Schmierzustand verwendet wird, so wurde kürzlich herausgefunden, daß bei Vorliegen eines nichtmetallischen Einschlusses nahe des Oberflächenschicht-Abschnittes der Lauffläche eines inneren oder äußeren Laufringes des Lagers ein derartiger nichtmetallischer Einschluß einen Defekt wie beispielsweise einen Riß beim Lager hervorruft, wodurch die Lebensdauer des Lagers verringert wird.

Um das obige Problem zu vermeiden, werden seit kurzem viele Vorschläge gemacht, die alle die Anzahl von harten Einschlüssen (hauptsächlich von Einschlüssen, die zu Werkstoffen des Oxidsystems gehören und hauptsächlich Al₂O₃ bestehen oder Einschlüssen, die zu den Werkstoffen des Ti-Systems gehören und hauptsächlich aus TiN bestehen) bestimmen, um auf diese Weise die Reinheit des Lagers stark zu verbessern und somit die Lebensdauer des Lagers zu erhöhen. In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. Heisei 6-145883 beispielsweise wurde ein Verfahren offenbart, bei dem hochreiner Stahl, der in seinem Inneren neun Teile von Al₂O₃ von 10 μm oder mehr aufweist und neun Teile TiN von 5 μm in einem Kontrollbereich von 320 mm² aufweist, verwendet wird, um auf diese Weise eine lange Lebensdauer des Lagers sicherzustellen. Als ähnliche Beispiele, die auf die Verlängerung der Lebensdauer des Lagers durch Begrenzung der Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse abzielen, sind auch die japanischen Patentveröffentlichungen Nr. Heisei 3-56640 und Nr. Heisei 7-109541, und die japanischen Patentveröffentlichungen Nr. Heisei 5-117804 und Nr. Heisei 6-182790 bekannt.

Jede der in den oben angeführten Veröffentlichungen offenbarten Technologien betrachtet, wenn die Menge der Einschlüsse spezifiziert wird, eine sehr kleine vorgegebene Fläche von beispielsweise 320 mm² oder 165 mm² mittels eines Mikroskops oder Ähnlichen und gibt die Reinheit des Stahlwerkstoffes in Abhängigkeit von der in der dermaßen vorgegebenen Fläche entdeckten Anzahl von Einschlüssen an.

Obwohl jedoch die Reinheit des Stahlwerkstoffes durch die obenerwähnte Weise verbessert wird, werden nicht sämtliche aus dem Stahlwerkstoff hergestellten Produkte hinsichtlich ihrer Anzahl von Einschlüssen inspiziert und verifiziert. Mit anderen Worten bewertet jede der obigen Technologien einfach durch Betrachtung der sehr kleinen vorgegebenen, repräsentativen Fläche des Lagerwerkstoffes die Reinheit des gesamten Lagers und des Lagermaterials.

Wenn beispielsweise viele Oberflächenabschnitte der inneren und äußeren Laufringe des Lagers der bei einem Walzwerk verwendeten Andrückrollen mittels eines Ultraschallerfassungsverfahrens geprüft wurden, so wurde herausgefunden, daß selbst bei Lagern, deren Reinheit im Rahmen einer Vergleichsbewertung bei Betrachtung durch ein Mikroskop als zufriedenstellend bewertet wurde, in einigen seltenen Fällen Einschlüsse auf gefunden wurfen zu einige hundert μm betrug und die im Bereich von der Lagerlauffläche der inneren oder äußeren Laufringe des Lagers bis zu einer Tiefe von etwa einigen mm auftraten.

Selbst wenn durch Kontrolle des sehr kleinen Bereichs einer Kontrollfläche in der Oberfläche der Lauffläche des inneren oder äußeren Lagerlaufringes ein gutes Ergebnis erhalten wird, kann nicht immer garantiert werden, daß kein großer Einschluß beim Lager vorliegt. Im Falle eines großen Lagers, wie einem Andrückrollenlager oder Ähnlichem wirkt eine relativ große Last auf das Lager, da der Flächeninhalt der Lauffläche desselben groß ist. Dadurch erhöht sich die Tiefe des Abschnittes desselben, auf den eine Spannung einwirkt. Somit ist es schwierig, einfach nur durch genaues Inspizieren allein der Lauffläche des Lagers eine kurze Lebensdauer des Lagers zu vermeiden, die unerwartet auftreten kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, indem unsere Aufmerksamkeit auf die Tatsache gelenkt wurde, dass, wenn ein Lager aus einem Stahlwerkstoff gefertigt wird, die vorliegende Position eines nichtmetallischen Einschlusses im Lager einen wichtigen Faktor der Lebensdauer des Lagers darstellt. Entsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, ein Rollenlager vorzusehen, welches bis zu einer gegebenen Tiefe garantiert keinen internen Defekt im Bereich der Rollkontaktfläche aufweist, an der sein innerer oder äußerer Laufring und seine Rollelemente miteinander in Rollkontakt stehen, und man auf diese Weise, selbst wenn es unter erschwerten Außenbedingungen wie unter hoher Last und hohem Oberflächendruck verwendet wird, wie bei einem Lager für die Eisen- und Stahlverarbeitung, die Möglichkeit einer kurzen Lebensdauer des fertig hergestellten Lagers vermeiden kann, um so ein Lager mit hoherLebensdauer vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen eines Rollenlagers anzugeben, wobei eine erkürzte Lebensdauer des Rollenlagers verhindert wird.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Testen eines Rollenlagers mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4, ferner durch eine Vorrichtung nach Anspruch 5. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Um das obige Ziel zu erreichen, ist also ein Rollenlager vorgesehen, das zumindest einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Vielzahl von Rollelementen, die am inneren oder äußeren Laufring rollend beweglich sind, aufweist, wobei in einem Teststück ein nichtmetallischer Einschluß existiert, der eine Länge von weniger als 500 μm innerhalb 2% Da x Laufringfläche des inneren oder äußeren Laufringes aufweist.

Dabei bezeichnet der Ausdruck " 2% Da-Tiefe" eine Tiefe, die von den Oberflächen der inneren und äußeren Laufringe und der Rollelemente des Lagers bis 2% des mittleren Durchmessers der Rollelemente reicht.

Bei einem erfindungsgemäßen Rollenlager kann, zumindest als ein Werkstoff für die inneren und äußeren Laufringe, ein Stahlwerkstoff verwendet werden, der als Begleitkomponenten Sauerstoff (O) von 9 ppm oder weniger und Schwefel (S) in 0,005 Gew.-% enthält.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Ultraschallerfassungsvorrichtung, die bei der vorliegenden technischen Lehre verwendet werden kann;
2 zeigt eine Schnittansicht der Hauptabschnitte einer Lebensdauertesteinrichtung, die zum Testen der Lebensdauer eines Lagers verwendet wird.
Nun werden im folgenden die bevorzugten Ausführungsbeispiele von Rollenlagern gemäß der vorliegenden technischen Lehre unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es wurde ein großer, mangelhafter Echoabschnitt genau untersucht, der bei der obenerwähnten Ultraschallerfassungsmethode zur Erfassung eines Defekts in der Lauffläche eines Lagers, wie beispielsweise einem Andruckrollenlager, sehr selten auftritt dabei wurde herausgefunden, daß ein großer, nichtmetallischer Einschluß, dessen Größe bis zu einige hundert μm betragen kann, im mangelhaften Echoabschnitt vorhanden sein kann.
Daher wurden eine große Anzahl von Tests bezüglich der Lebensdauer der vorliegenden Lager ausgeführt, um die Korrelation zwischen der Stärke des mangelhaften Echoabschnittes, der Länge und Größe des erfaßten Einschlusses und der Lebensdauer des Lagers herauszufinden. Dadurch wurde dann herausgefunden, daß die Lebensdauer des Lagers extrem verkürzt wird, wenn ein nichtmetallischer Einschluß mit einer Länge von 500 μm oder mehr innerhalb des 2% Da-Tiefenbereichs vorliegt. Wenn insbesondere ein nichtmetallischer Einschluß mit einer Länge von 100 μm oder mehr innerhalb des obenerwähnten Tiefenbereichs nicht auftritt, dann wurde herausgefunden, daß eine stabilere Lebensdauer erreicht wird.
Der Grund, warum bei der vorliegenden technischen Lehre der auftretende Bereich des großen Einschlusses innerhalb des 2% Da-Bereichs bestimmt ist, liegt darin, daß eine Tiefe, in der eine Scherspannung, die erzeugt wird, wenn die äußeren und inneren Laufflächen und die Rollelemente des Rollenlagers miteinander in Rollkontakt stehen, den größten Wert erreicht, weniger als 2% des mittleren Durchmessers des Rollenelements von der Oberfläche der Rollkontaktfläche desselben beträgt, und daß außerdem die vorliegende Scherspannung auf den großen nichtmetallischen Einschluß wirkt, um so ein Wegbrechen des Lagers zu verursachen.
Im folgenden werden Beispiele der Volumen der Teststücke gemäß der vorliegenden technischen Lehre und gemäß dem Stand der Technik gegeben.
1) Der Fall 850RV1133 (ein vierreihiges Zylinderrollenlager)
Wenn ein Rollenlager mit den folgenden Abmessungen, Innendurchmesser des inneren Laufringes 850 mm, Außendurchmesser des äußeren Laufringes 180 mm, Weite 650 mm und Rollendurchmesser 80 mm verwendet wird und wenn die Volumen der Teststücke der äußeren und inneren Laufringe des Lagers bis zur 2% Da-Tiefe derselben berechnet werden, dann sieht der innere Laufring ein Volumen von ungefähr 3,1 × 10⁶ mm³ und der äußere Laufring ein Volumen von ungefähr 3,0 × 106 mm³ vor.
Somit wird als Summe der inneren und inneren und äußeren Laufringe des vorliegenden Rollenlagers ein Gesamtvolumen von 6,1 × 10⁶ mm³ erhalten.
2) Im Falle NU3336 (ein Zylinderrollenlager)
Wenn ein Rollenlager mit den folgenden Abmessungen verwendet wird, Innendurchmesser des inneren Laufringes 180 mm, Außendurchmesser des äußeren Laufringes 380 mm, Weite 150 mm und Rollendurchmesser 48 mm und wenn die Volumen der Teststücke der inneren und äußeren Laufringe des Lagers bis zu 2% Da-Tiefe derselben berechnet werden, dann sieht der innere Laufring ein Volumen von ungefähr 1,1 × 10⁵ mm³ und der äußere Laufring ein Volumen von ungefähr 1,5 × 10⁵ mm³ vor. Somit wird als Summe der inneren und äußeren Laufringe des vorliegenden Rollenlagers ein Gesamtvolumen von 2,6 × 10⁵ mm³ erreicht.
Wenn andererseits ein einzelnes Rollenlager gemäß dem obenerwähnten Stand der Technik in Form eines Würfels mit einer Fläche von 320 mm² und einer Tiefe von 10 μm ausgeschnitten wird und das Volumen des vorliegenden kubischen Schnittes berechnet wird, dann wird ein Volumen von ungefähr 3,2 mm³ erhalten, welches einem oder zwei Teststücken eines einzelnen Rollenlagers gemäß dem Stand der Technik entspricht. Wenn, ähnlich wie oben, dieses Volumen verdoppelt wird, um das Volumen der beiden Teststücke des einzelnen Rollenlagers gemäß dem Stand der Technik zu bekommen, dann wird ein Volumen von 6,2 mm³ erhalten.
Wie anhand der obigen Beispiele klar verstanden wird, ist das Teststückvolumen zur Kontrolle eines nichtmetallischen Einschlusses gemäß der vorliegenden technischen Lehre um vieles größer als beim Stand der Technik und daher ist die Korrelation zwischen dem Teststückvolumen und der Lagerlebensdauer in ihrer Zuverlässigkeit um ein Ähnliches größer. Außerdem kann die Inspektion oder Erfassung des nichtmetallischen Einschlusses gemäß der vorliegenden technischen Lehre auf zerstörungsfreie Weise ausgeführt werden.
Um bei der vorliegenden technischen Lehre das Vorliegen oder die Abwesenheit eines nichtmetallischen Einschlusses innerhalb des Teststückvolumens von 2% Da x Laufringfläche zu erfassen, kann bevorzugt der nichtmetallische Einschluß mittels Ultraschall unter Verwendung einer Erfassungssonde mit 2–30 MHz, entsprechend einem Oberflächenwellen-Erfassungsverfahren oder einem Erfassungsverfahren mit einem Einfall in einem bestimmten Winkel erfasst werden. Wenn die Frequenz der Erfassungssonde weniger als 2 MHz beträgt, dann besteht die Möglichkeit, daß ein nichtmetallischer Einschluß mit einer Länge 100 μm nicht erfaßt werden kann.
Wenn andererseits die Frequenz der Erfassungssonde über 30 MHz liegt, dann schwächt sich die Ultraschallwelle innerhalb des Lagers stark ab, so daß eine Erfassung bis zur 2% Da-Tiefe nicht möglich ist. Übrigens ist festzustellen, daß die Grenze in der Erfassung eines Defekts bei der Ultraschallerfassungsmethode bei der Hälfte der Wellenlänge liegt. Wenn ein nichtmetallischer Einschluß von 100 μm oder mehr mit einem Erfassungsverfahren unter Verwendung eines in einem Winkel einfallenden Strahles und einer Transversalwelle (die Schallgeschwindigkeit einer Transversalwelle durch Stahl beträgt 3230 m/s) erfasst wird, dann wird eine Frequenz von 16 MHz oder mehr verwendet.
Im folgenden wird ein Vergleichstest beschrieben, der bei Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden technischen Lehre und Vergleichsbeispielen durchgeführt wurde.
Als Teststücke wurden beim Vergleichstest Zylinderrollenlager der Bauart NU3336 vorbereitet, die jeweils aus den in der Tabelle 1 gezeigten Werkstoffen gefertigt waren. Die Laufflächen der inneren und äußeren Laufringe dieser Lager wurden nach Defekten mittels einer Ultraschallerfassungsvorrichtung untersucht. Tabelle 1
1 zeigt eine schematische Ansicht der bei dem Vergleichstest verwendeten Ultraschallerfassungsvorrichtung. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Wassertank, in dem Wasser als ein Übertragungsmedium für Ultraschallwellen gespeichert ist. Innerhalb des Wassertanks 1 sind ein Lagerring 2, der ein fertiggestelltes Teil eines äußeren Lagerrings (oder eines inneren Lagerrings) eines zu testenden Rollenlagers darstellt, und eine Ultraschallerfassungssonde 3 derart angeordnet, daß sie jeweils im Wasser eingetaucht sind. Als Ultraschallerfassungssonde 3 wird eine Sonde der fokussierenden Bauart verwendet, die eine hohe Direktivität aufweist und durch die Krümmung des Lagerrings 2 kaum beeinflußt wird.
Der Lagerring 2 wird auf zwei Rollen 4 getragen, die innerhalb des Wassertanks 1 angeordnet und voneinander in waagerechter Richtung beabstandet sind. Außerdem ist ein Riemen 7 nach Art eines gleichschenkligen Dreiecks um die beiden Rollen 4 und um eine weitere Rolle 6, die an der Motorwelle eines Drehantriebsmotors 5 befestigt ist, gewickelt.
Der Drehantriebsmotor 5 kann durch eine Steuereinheit 9 über einen Motorantriebs-Kontrollverstärker 8 gesteuert werden. Wenn der Drehantriebsmotor 5 angetrieben wird, dann kann der Lagerring 2, der auf den beiden Rollen 4 gehalten wird, mit einer vorbe- stimmten Geschwindigkeit gedreht werden. Übrigens besteht die Steuereinheit 9 aus einem Personalcomputer mit einer Displayeinrichtung, wie beispielsweise einer Katho- denstrahlröhre oder Ähnlichem.
Die Ultraschallerfassungssonde 3 ist über ein Sondenbefestigungselement 13 auf einem X-Y-Vorschub 12 befestigt, der durch eine Linearführungsvorrichtung 10 gehalten ist. Die Linearführungsvorrichtung 10 ist derart angeordnet, daß sie entlang der Axialrichtung des Lagerrings 2 bewegt werden kann, und die Ultraschallerfassungssonde 3 ist so angeordnet, daß sie der Laufringfläche des Lagerringes 2 gegenüberliegend angeordnet werden kann. Außerdem überträgt die Ultraschallerfassungssonde 3 nicht nur einen Ultraschallimpuls in Abhängigkeit von einem Spannungssignal einer Ultraschallerfassungsvorrichtung 14 auf die innere Umfangsfläche des Lagerringes 2, sondern empfängt auch ein reflektiertes Echo des Ultraschallimpulses, konvertiert das Echo in ein Spannungssignal und überträgt das Spannungssignal an die Ultraschallerfassungsvorrichtung 14.
In Abhängigkeit von einem Befehl der Steuereinheit 9 überträgt die Ultraschallerfassungsvorrichtung 14 ein Befehlssignal bestehend aus einem Spannungssignal an die Ultraschallerfassungssonde 3 und außerdem überträgt sie eine Erfassungsinformation, die basierend auf den von ihr übertragenen und empfangenen Signalen erhalten wird, an die Steuereinheit 9. Die Steuereinheit 9 stellt die Erfassungsinformation auf einem Bildschirm dar.
Die Linearführungsvorrichtung 10 ist in der Lage, die Ultraschallerfassungssonde 3 in axialer Richtung des Lagerringes 2 über einen Servomotor (nicht gezeigt) zu bewegen, der durch eine Linearführungssteuereinheit 16 gesteuert werden kann. Wenn mittels eines Drehencoders 15, der an der äußeren Umfangsfläche des Lagerringes 2 befestigt ist, festgestellt wird, daß sich der Lagerring 2 einmal (360°) gedreht hat, dann steuert die Linearführungssteuereinheit 16 den Servomotor in Übereinstimmung mit dem Befehl von der Steuereinheit 9, um auf diese Weise die Ultraschallerfassungssonde 3 um einen vorgegebenen Abstand in axialer Richtung des Lagerringes 2 zu bewegen. Dadurch kann die gesamte Lauffläche des Lagerrings 2 nach dem Vorliegen oder nach der Abwesenheit eines Defekts untersucht werden.
Die Erfassung wurde gemäß dem obigen Wassertiefen-Erfassungsverfahren unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Erfassungssonde: Sonde der fokussierenden Bauart (Vibratordurchmesser 6 mm)
Frequenz: 15 MHz
Bei diesem Erfassungsvorgang wurde außerdem der Refraktionswinkel der in den Lagerring 2 eintretenden Ultraschallwelle auf einen Winkel von 30° gesetzt, und der Refraktionswinkel einer eintretenden Ultraschallwelle wurde auf einen Winkel von 5° gesetzt. Mit anderen Worten wurde die Erfassung derart ausgeführt, daß die Teststücke unter diesen Einfallbedingungen gut nach Defekten derselben bis zur 2% Da-Tiefe abgesucht werden konnten.
Nach dem obigen Erfassungsvorgang wurde ein Lebensdauertest bei den Teststücken durchgeführt. Dabei wurden zylindrische Rollenlager, bei denen aufgrund der obigen Erfassung festgestellt wurde, daß die Außenringe keinen Defekt von 100 μm oder mehr aufwiesen, in Kombination mit Innenringen verwendet, bei denen festgestellt wurde, daß sie große nichtmetallische Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr und 100 Mikron oder mehr aufwiesen, wie in den Teststücken Nr. 1–Nr. 5 der Tabelle 1 als Ergebnis der Ultraschallerfassung gezeigt ist.
Der Lebensdauertest der Lager wurde unter den folgenden Bedingungen unter Verwendung einer Lebensdauertesteinrichtung durchgeführt.
2 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile der Lebensdauertesteinrichtung, die beim Lagertest verwendet wurde. Ein äußerer Ring 22, an dem ein Rollelement 21 eines zu testenden Lagers 20 abrollte, wurde in einem Gehäuse 24 eingebaut, ein innerer Laufring 23 wurde auf eine Drehwelle (Rolle) 25 gesetzt, eine Radiallast Fr aufgrund eines Öldruckes wirkte auf das Lager und dann wurde unter Drehung der Drehwelle 25 der Lebensdauertest ausgeführt.
Lager: zylindrisches Rollenlager NU3336
Radiallast: 800 kN (P/C = 0,5)
Drehzahl des Innenlaufringes: 1000 Upm
Schmierung: Fett
Bei den in Tabelle 1 gezeigten Ausführungsbeispielen 1 und 2 wurde in den jeweiligen Teststückvolumina, die jeweils aus der 2% Da-Tiefe x Laufringfläche bestanden, nicht nur kein nichtmetallischer Einschluß von 500 Mikron oder mehr, sondern auch kein nichtmetallischer Einschluß von 100 Mikron oder mehr gefunden, obwohl die dort verwendeten Stahlsorten jeweils SUJ2 und SCR420 und daher verschieden voneinander waren. In den Lagern trat beim Lagerlebensdauertest nach über 100 Stunden kein Wegbrechen auf.
Im Gegensatz dazu wurde beim Vergleichsbeispiel 1, einem Lager, das aus der Stahlsorte SCR420 hergestellt war, mittels Ultraschall ein Defekt gefunden und festgestellt, daß auf der Laufflächenseite des inneren Laufringes zwei nichtmetallische Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr und fünf nichtmetallische Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr enthalten waren. Wenn danach ein Lebensdauertest dieses Lagers als Teststück durchgeführt wurde, trat ein Wegbrechen im Lager bei einer Lagerlebensdauertestzeit von 12 Stunden auf.
Beim Vergleichsbeispiel 2, einem Lager, dessen Stahlsorte SUJ2 war, wurde mittels Ultraschall festgestellt, daß auf der Laufflächenseite des inneren Laufringes ein Defekt in Form eines nichtmetallischen Einschlusses von 500 Mikron oder mehr und vier nichtmetallische Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr enthalten waren. Wenn danach ein Lebensdauertest bei diesem Lager als Teststück durchgeführt wurde, trat ein Wegbrechen im Lager bei einer Lagerlebensdauertestzeit von 15 Stunden auf.
Beim Vergleichsbeispiel 3, einem Lager, dessen Stahlsorte SCR440 war, wurde mittels Ultraschall auf der Laufflächenseite des Innenringes kein nichtmetallischer Einschluß von 500 Mikron oder mehr, aber zwei nichtmetallische Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr gefunden. Als danach ein Lebensdauertest bei diesem Lager als Teststück durchgeführt wurde, zeigte sich, daß das Lager eine verbesserte Lebensdauer im Vergleich zu den obenerwähnten Vergleichsbeispielen 1 und 2 aufwies, aber daß ein Wegbrechen beim Lager nach einer Lagerlebensdauertestzeit von 60 Stunden auftrat.
Aus den obigen Testergebnissen kann geschlossen werden, daß es wirksam ist, das Auftreten eines nichtmetallischen Einschlusses von 500 Mikron oder mehr im Bereich der 2% Da-Tiefe der Lauffläche des Lagers zu vermeiden, um eine kurze Lebensdauer des fertigen Lagers zu vermeiden. Um insbesondere eine lange Lebensdauer des Lagers zu erreichen, ist es bevorzugt, das Auftreten von nichtmetallischen Einschlüssen von 100 Mikron oder mehr in diesem Bereich zu begrenzen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Es werden außerdem die verunreinigenden Bestandteile der Stahlwerkstoffe der Lager untersucht, die durch die Ultraschallerfassungsmethode gefunden wurde, und festgestellt, daß sie einen oder mehrere große nichtmetallische Einschlüsse mit jeweils einem mittleren Korndurchmesser von 100 Mikron oder mehr und des weiteren einen oder mehrere nichtmetallische Einschlüsse mit einem mittleren Korndurchmesser von 500 Mikron oder mehr aufweisen. Als Ergebnis der Untersuchung wurde festgestellt, daß, wenn der Gehalt an Sauerstoff O und Schwefel S, die die im Stahl enthaltenen Beimengungen oder Verunreinigungsbestandteile darstellen, beschränkt wird, das Auftreten der großen, nichtmetallischen Einschlüsse im Lager verringert werden kann.
Um insbesondere das Auftreten der großen, nichtmetallischen Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr und des weiteren von 100 Mikron oder mehr zu beschränken oder zu verringern und dadurch eine kurze Lebensdauer der Lager zu vermeiden, wurde es als notwendig herausgefunden, den Gehalt an verunreinigenden Bestandteilen zu verringern, also den Sauerstoffgehalt bis 9 ppm oder weniger und den Schwefelgehalt bis 0,005 Gew.-% oder weniger zu verringern.
Der Grund für die oben beschriebene, notwendige Bedingung ist wie folgt:
Im Stahl tritt Sauerstoff O als Bestandteil von Einschlüssen in der Form von Komponenten des Oxidsystems, wie beispielsweise Al₂O₃, CaO, MgO und Ähnlichem auf. Schwefel S tritt als Komponente eines Einschlusses in Form einer Komponente des Sulfit-Systems, wie beispielsweise MnS, CaS und Ähnlichem auf. Es wurde festgestellt, daß bei Stahl sich diese Einschlüsse zusammen auf mehrfache Weise ansammeln und dann als nichtmetallische Einschlüsse mit jeweils einer gegebenen Länge und einer gegebenen Weite vorliegen, wie beispielsweise Al₂O₃-MgO-CaO, Al₂O₃-MgO-CaO-MnS und Ähnlichem.
Wenn, mit anderen Worten, der Sauerstoffgehalt und der Schwefelgehalt, also die Komponenten, welche die Unreinheiten bilden, jeweils auf 9 ppm oder weniger und 0,005 Gew.-% oder weniger abgesenkt werden, dann kann das Auftreten der nichtmetallischen Einschlüsse mit jeweils einem mittleren Korndurchmesser von 500 Mikron oder mehr und 100 Mikron oder mehr kontrolliert werden, wodurch es möglich ist, bei fertiggestellten Lagern eine kurze Lebensdauer zu vermeiden.
Um Stahl zu erhalten, der 9 ppm oder weniger Sauerstoff und 0,005 Gew.-% oder weniger Schwefel als verunreinigende Komponenten enthält, kann ein Verfahren wirksam verwendet werden, bei dem, nachdem ein Stahlwerkstoff in einem Elektroofen oder einem Hochofen eingeschmolzen wird, der Stahlwerkstoff entsprechend einem VAR-Verfahren (vacuum arm re-resolution Verfahren) behandelt wird.
Im folgenden wird ein Vergleichstest beschrieben, der bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden technischen Lehre und Vergleichsbeispielen durchgeführt wurde.
Ähnlich den zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispielen werden als Teststücke die Teile eines Zylinderrollenlagers der Bauart NU3336 unter Verwendung der in Tabelle 2 gezeigten Stahlwerkstoffe vorbereitet. Tabelle 2
Weiter wurden als Teststücke, deren Verunreinigungskomponenten beschränkt waren, d.h. Teststücke Nr. 6–10, die jeweils aus Stahlwerkstoffen gefertigt waren, die Verunreinigungskomponenten (S, O) enthalten, wie in 2 gezeigt, jeweils 200 Lager vorbereitet. Die Lagerlaufflächen der inneren und äußeren Laufringe der auf diese Weise erhaltenen Lager wurden, ähnlich wie beim zuvor beschriebenen Fall, jeweils durch die Ultraschallerfassungsvorrichtung kontrolliert, um festzustellen, ob die gegebenen Defekte (nichtmetallische Einschlüsse) vorlagen oder abwesend waren. Übrigens wurden ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Teststücken Nr. 1–5 für die äußeren Ringe Stahlwerkstoffe verwendet, bei denen zuvor unter Verwendung der Ultraschallerfassungsvorrichtung bestätigt wurde, daß sie keinen Defekt von 500 Mikron oder mehr und keinen Defekt von 100 Mikron oder mehr aufweisen. Nur die inneren Laufringe wurden bezüglich der Größe und der Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse kontrolliert.
Unter Bezugnahme auf das Kontroll- und Bewertungsverfahren, das beim obigen Vergleichstest verwendet wurde, wurden alle Teststücke der jeweiligen inneren Laufringe (d.h. 200 von jedem Teststück) mittels Ultraschall unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel getestet und nach der Anzahl derjenigen Lager untersucht, bei denen festgestellt wurde, daß die nichtmetallischen Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr im Bereich des Volumens des Teststückes von 2% Da-Tiefe x Lauffläche vorlagen. Außerdem wurde die Anzahl der Lager bestätigt, bei der die nichtmetallischen Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr vorlagen.
Als nächstes wurde im Fall der Lager, bei denen die nichtmetallischen Einschlüsse vorlagen, als ein repräsentatives Lager das Lager ausgewählt, das den größten Einschluß aufwies. Im Fall der Lager, bei denen kein Einschluß gefunden wurde, wurde eines per Zufall ausgesucht. Bei den zwei ausgewählten Lagern wurde ein Lebensdauertest durchgeführt.
Bei den Ausführungsbeispielen 3, 4 und 5, die in Tabelle 2 gezeigt sind, wurde kein nichtmetallischer Einschluß von 500 Mikron oder mehr im Teststückvolumen von 2% Da-Tiefe x Lauffläche der fertigen Lager gefunden, da jeweils die Stahlsorten SUJ2, SCR420 und SCR440 verwendet wurden und außerdem Stahlsorten verwendet wurden, deren Gehalt an den verunreinigenden Komponenten S und O jeweils innerhalb des durch die vorliegende technische Lehre begrenzten Bereiches (S: 0,005% oder weniger, O: 9 ppm oder weniger) lagen. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel wurde ein Lebensdauertest an den repräsentativen Lagern der jeweiligen Ausführungsbeispiele durchgeführt. Als Ergebnis des Lebensdauertests wurde bestätigt, daß selbst bei einer Lebensdauertestzeit von 100 Stunden oder mehr kein Wegbrechen (Versagen) in den Lagern auftrat.
Im Gegensatz dazu, wurden beim Vergleichsbeispiel 4, bei dem die verunreinigenden Komponenten S und O des Stahlwerkstoffes außerhalb des obenerwähnten Grenzbereiches lagen, bei den fertig hergestellten Lagern drei Lager entdeckt, die einen oder mehr nichtmetallische Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr im Teststückvolumen von 2 Da-Tiefe x Laufringfläche aufwiesen. Acht Lager enthielten einen oder mehr nichtmetallische Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr im selben Teststückvolumen. Unter den Lagern, bei denen festgestellt wurde, daß sie einen oder mehrere nichtmetallische Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr enthielten, wurde das Lager mit dem größten nichtmetallischen Einschluß einem Lebensdauertest unterzogen. Dieser Lebensdauertest zeigte, daß das Lager nach einer Lebensdauertestzeit von 10 Stunden versagte, mit anderen Worten war die Lebensdauer des Lagers sehr kurz.
Beim Vergleichsbeispiel 5, bei dem Schwefel S als verunreinigende Komponente des Stahlwerkstoffes außerhalb des obigen Grenzbereiches lag, wurde kein Lager gefunden, das einen oder mehrere nichtmetallische Einschlüsse von 500 Mikron oder mehr im Teststückvolumen von 2% Da-Tiefe x Laufringfläche des inneren Laufringes aufwies. Es wurden aber 2 Lager gefunden, die einen oder mehrere nichtmetallische Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr im selben Teststückvolumen aufwiesen. Von den beiden Lagern, bei denen gefunden wurde, daß sie einen oder mehrere nichtmetallische Einschlüsse von 100 Mikron oder mehr aufwiesen, wurde das Lager mit dem größten nichtmetallischen Einschluß einem Lebensdauertest unterzogen. Dieser Lebensdauertest zeigte, daß das Lager nach einer Lebensdauertestzeit von 83 Stunden versagte. Das heißt, daß die Lebensdauer dieses Lagers größer als die des Vergleichsbeispiels 4 war, aber kürzer als die der Ausführungsbeispiele der vorliegenden technischen Lehre.
Aus den vorangegangenen Testergebnissen geht klar hervor, daß die Verwendung einer Stahlsorte, die als verunreinigende Komponenten S mit 0,005% oder weniger und O mit 9 ppm oder weniger enthält, in der Lage ist, das Auftreten von großen, nichtmetallischen Einschlüssen von 500 Mikron oder mehr und 100 Mikron oder mehr bei einem fertighergestellten Lager zu vermeiden. Auf diese Weise kann das Auftreten einer kurzen Lebensdauer vermieden werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden technischen Lehre als Bereich des Testvolumens ein Bereich verwendet, der durch das Produkt der 2% Da-Tiefe, bei der eine Scherspannung, die beim Rollkontakt des inneren oder äußeren Laufringes eines Lagers und eines Rollelements erzeugt wird, den größten Wert erreicht, mit dem Laufflächeninhalt des inneren oder äußeren Ringes des Lagers erhalten wird. Unter Verwendung dieses Volumenbereichs des Teststückes wird die Größe und das Auftreten von nichtmetallischen Einschlüssen über sämtliche fertiggestellte Lager eingeschränkt. Aufgrund dessen kann die vorliegende technische Lehre im Unterschied zur herkömmlichen Beschränkung der Reinheit basierend auf der Auswertung von Proben eine überragende Wirkung zeigen und selbst unter erschwerten Betriebsbedingungen, unter hoher Last und hohem Flächendruck, eine unerwartete kurze Lebensdauer vermieden und so eine stabile Lebensdauer des Lagers garantiert werden.

Claims

Verfahren zum Testen eines Rollenlagers, insbesondere eines Zapfen-Rollenlagers, wobei das Rollenlager einen inneren Laufring (23), einen äußeren Laufring (22), jeweils aus Stahl, und eine Mehrzahl von Rollelementen (21) zwischen dem inneren und äußeren Laufring (23, 22) aufweist, wobei ein Volumen (2% x Da x Laufringfläche), bestimmt durch eine Laufringfläche des inneren und äußeren Laufrings und eine Tiefe von 2% des mittleren Durchmessers (Da) der Rollelemente (21) einer Ultraschall-Werkstoffprüfung unterworfen wird und eine verkürzte Lebensdauer verhindert wird, wenn die Ultraschall-Werkstoffprüfung keine nichtmetallischen Einschlüssen mit einer Länge von ≥ 500 μm in dem Volumen ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine stabile Lebensdauer festgestellt wird, wenn die Ultraschall-Werkstoffprüfung keine nichtmetallischen Einschlüssen mit einer Länge von ≥ 100 μm in dem Volumen ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Volumen des inneren oder äußeren Laufrings Sauerstoff (O) von 9 ppm oder weniger und Schwefel (S) von 50 ppm oder weniger enthält.
Verfahren zum Testen eines Rollenlagers, insbesondere Zapfen-Rollenlagers, insbesondere nach Anspruch 1, gezeichnet durch die Verfahrens- schritte: – Anordnen einer zu testenden Laufringfläche eines inneren oder äußeren Laufrings (2) des Rollenlagers und einer Ultraschallerfassungssonde (3) in einem Ultraschallübertragungsmedium; – Übertragen einer Ultraschallwelle von der Ultraschallerfassungssonde zur Laufringfläche, – Erfassen eines Defektes des Laufrings in Übereinstimmung mit einem Echo der von der Laufringfläche reflektierten Ultraschallwelle, – Drehen des Laufringes, Bewegen der Ultraschallerfassungssonde in axialer Richtung des Laufringes und Bewegen des Laufringes und der Ultraschallerfassungssonde relativ zueinander; und – Übertragen einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz im Bereich von 2–30 MHz an die zu prüfende Oberfläche von der Ultraschallerfassungssonde, um den gesamten Tiefenabschnitt des Laufringes bis zur 2 Da-Tiefe von der Oberfläche des inneren oder äußeren Laufringes an zu prüfen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch beabstandet in einem Wassertank (1) angeordnete Tragrollen (4) zur rotierenden Abstützung eines inneren oder äußeren Laufrings (2) eines Rollenlagers, einer Drehantriebsvorrichtung mit einem Drehantriebsmotor (5) für die Tragrollen (4), einer Steuereinheit (9) für den Drehantriebsmotor (5), einer Ultraschallerfassungssonde (3), bewegbar durch eine Linearführungsvorrichtung (10) und einer inneren Laufringfläche des inneren oder äußeren Laufrings zugewandt angeordnet und mit einer Ultraschallerfassungsvorrichtung (14) in Verbindung mit der Ultraschallerfassungssonde (3) zur Abgabe eines Ultraschallimpulses auf die Laufringfläche des inneren oder äußeren Laufrings (2) und zum Empfang eines reflektierten Echos des Ultraschallimpulses, und mit einer Anzeigevorrichtung.