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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Anwendungsgebiet
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Wälzlager
und insbesondere ein Wälzlager
mit großen
Abmessungen, z. B. ein Lager, welches einen durchschnittlichen Durchmesser
eines Wälzelementes
von mindestens 20 mm aufweist, zum Einsatz in einem Walzwerk der
Stahlindustrie.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Im allgemeinen umfaßt das Material
für ein
Lager mit großen
Abmessungen, welches in der Stahlindustrie oder dergleichen eingesetzt
wird, einsatzgehärtetes
Material, z. B. SNCM 815 mit einem großen Anteil eines Legierungselementes,
um die erforderliche Einsatzhärtetiefe
und Zähigkeit
zu gewährleisten.
Weil SNCM 815 einen hohen Gehalt an Ni aufweist und hohe Materialkosten
erfordert, wobei jedoch die Oberflächenhärte beim Einsatzhärten kaum
zu erreichen ist, und eine lange Zeit für das Einsatzhärten erforderlich
ist, was unvorteilhafterweise zu hohen Kosten für das Wälzlager und zum Nachlassen
der Dauerfestigkeit des Wälzkontaktes
führt.
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Wenn der Anteil des Legierungselementes
gering ist, wird andererseits die Härtbarkeit so verringert, daß die erforderliche
Härteverteilung
(Einsatzhärtetiefe)
oder Kernhärte
nicht erreicht werden kann, wenngleich die Materialkosten verringert
werden.
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JP 09053150 A offenbart einen Einsatzstahl,
der für
Wälzlager
mit einem Wälzlagerring
und Wälzlagerelementen
geeignet ist. Die Werte für
einen Gew.%-Anteil von C liegen zwischen 0,10–0,25%. Diese geringen Werte
können
allerdings zu einer eingeschränkten
Kernhärte
führen.
Ein Cu-Anteil ist unbestimmt. Cu ist jedoch ein schädliches
Element, welches die Zähigkeit
verringert und Ermüdungsausfälle verursachen
kann, wenn es als Material für
ein Wälzlagerelement
verwendet wird. Sein Anteil sollte daher klein gehalten werden, wobei
jedoch eine übermässige Reduzierung
der Cu-Anteile bei der Herstellung von Wälzlagern zu erhöhten Kosten
führt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
Wälzlager
zu schaffen, bei welchem die Materialkosten vermindert und die Lebensdauer
erhöht
oder die Zeit für
die Einsatzhärtung
vermindert wird, indem die Oberflächenhärte gesichert und die Einsatzhärtetiefe
optimiert wird.
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Die Erfinder haben gründliche
Studien betrieben, um herauszufinden, daß die Materialkosten durch Verringerung
des Gehaltes an Ni (Nickel) und durch Erhöhung des Anteiles an C (Kohlenstoff)
bei der Schaffung von SNCM 815 sowie eines Materiales für ein Wälzlager,
welches eine lange Lebensdauer und eine Bruchfestigkeit aufweist,
die mit denen des Standes der Technik vergleichbar ist, geschaffen
werden kann, indem die Oberflächenhärte und
die Kernhärte
durch eine geeignete Aufkohlung auf geeignete Werte eingestellt werden
können.
Es hat sich auch erwiesen, daß die
Verminderung der Zähigkeit,
welche aus dem Ansteigen des C-Gehaltes resultiert, hauptsächlich dadurch
unterdrückt
werden kann, daß für einen
niedrigen Gehalt an speziellen unvermeidlichen Verunreinigungen
gesorgt wird.
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1) Dementsprechend besitzt das erfindungsgemäße Wälzlager
einen Wälzlagerring
und ein Wälzelement,
und der Durchmesser des Wälzelementes
beträgt
mindestens 20 mm, wobei zumindest eines, der Wälzlagerring und/oder das Wälzelement,
aus aufgekohltem oder karbonitriertem Stahl gebildet ist.
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In dem oben erwähnten Wälzlager enthält der Stahl
vorzugsweise mindestens 0,25 Gew.-% und nicht mehr als 0,30 Gew.-%
C, mindestens 2,2 Gew.-% und nicht mehr als 2,9 Gew.-% Ni, mindestens
0,7 Gew.-% und nicht mehr als 0,9 Gew.-% Cr, mindestens 0,2 Gew.-%
und nichtmehr als 0,25 Gew.-% Mo, mindestens 0,15 Gew.-% und nicht
mehr als 0,4 Gew.-% Si (Silizium), mindestens 0,3 Gew.-% und nicht
mehr als 2,0 Gew.-% Mn (Mangan), min destens 0,001 Gew.-% und nicht
mehr als 0,01 Gew.-% Ti (Titan), mindestens 0,001 Gew.-% und nicht mehr
als 0,005 Gew.-% N (Stickstoff), nicht mehr als 0,015 Gew.-% P,
nicht mehr als 0,05 Gew.-% Cu (Kupfer), nicht mehr als 0,01 Gew.-%
Nb (Hiob) und nicht mehr als 0,01 Gew.-% V (Vanadium).
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In dem erfindungsgemäßen Wälzlager
ist der Ni-Gehalt im Vergleich zum SNCM 815 verringert, während der
C-Gehalt erhöht
ist, wodurch die Materialkosten vermindert und die Einsatzhärtetiefe
verglichen mit SNCM 815 durch die Aufkohlung erhöht werden kann. Wenn das erfindungsgemäße Wälzlager
dieselbe Einsatzhärtetiefe
wie das SNCM 815 aufweisen soll, kann die Aufkohlungszeit im Vergleich
zum SNCM 815 reduziert werden.
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Der Gehalt von Cr, welches eine teure
chemische Komponente darstellt, wird vorzugsweise erhöht, um ein
Karbid zu bilden und Wärmebeständigkeit
zu erreichen. Die Effekte zur Bildung eines Karbides und zur Erreichung
der Wärmebeständigkeit
werden verringert, wenn der Cr-Anteil gering ist, und deshalb beträgt die Untergrenze
des Cr-Gehaltes 0,7 Gew.-%. Wenn der Cr-Gehalt jedoch groß ist, erhöhen sich
die Kosten für das
Wälzlager.
Deshalb beträgt
die Obergrenze für
den Cr-Gehalt 0,9 Gew.-%.
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Mo ist bei gleichzeitiger Anwesenheit
von Cr ein karbidbildendes Element, welches den Verformungswiderstand
verbessert und die Lebensdauer des Wälzlagers erhöht. Die
Lebensdauer des Wälzlagers
wird vermindert, wenn der Mo-Gehalt zu gering ist, und deshalb beträgt die Untergrenze
für den
Mo-Gehalt 0,2 Gew.-%. Die Kosten für das Wälzlager steigen außerordentlich
an, wenn der Mo-Gehalt zu groß wird,
und deshalb beträgt
die Obergrenze für
den Mo-Gehalt 0,25 Gew.-%.
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Um ein Ansteigen der Kernhärte oder
eine Verminderung der Kernzähigkeit,
welche aus dem Ansteigen des C-Gehaltes und der Verminderung des
Ni-Gehaltes resultiert, zu unterdrücken, wird der Gehalt an P, welches
einen ungünstigen
Einfluß auf
die Zähigkeit
ausübt,
auf nicht mehr als 0,015 Gew.-% eingestellt.
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Wenn eine hohe Kernzähigkeit
und eine hohe Wälzkontakt-Dauerfestigkeit
erforderlich sind, muß die chemische
Zusammensetzung insbesondere hauptsächlich auf die Begrenzung eines
geringen Anteiles von speziellen Verunreinigungselementen eingestellt
werden. Mit anderen Worten, die Verminderung des Anteiles von unvermeidlichen
Verunreinigungselementen gleicht die Verminderung der Zähigkeit,
welche aus dem Anstieg des C-Gehaltes resultiert, aus. Weiterhin
wird die Dauerfestigkeit des Wälzkontaktes
durch die Verminde rung der Anteile von Elementen, welche zu Ermüdungsausfällen führen, erhöht. Die
Gründe
zur Begrenzung der chemischen Zusammensetzung sind folgende:
Si:
0,15 bis 0,4 Gew.-%
Si ist als Deoxidationselement beim Blockgießen des
Stahles notwendig. Deshalb muß Si
mit mindestens 0,15 Gew.-% zugefügt
werden, während,
wenn Si im Übermaß zugefügt wird,
es die Zähigkeit
vermindert oder eine Grenzoxidation bewirkt, die den Ausgangspunkt
eines Bruches bilden kann, und deshalb wird die Obergrenze für den Si-Anteil
mit 0,4 Gew.-% festgesetzt.
Mn: 0,3 bis 2,0 Gew.-%
Mn
ist als Deoxidations- und als Entschwefelungselement beim Blockgießen des
Stahles erforderlich. Weiterhin ist Mn zur Gewährleistung der vorbeschriebenen
Kernhärte
bei einem einsatzgehärteten/gehärteten Teil und
zur Erhöhung
einer effektiven Einsatzhärtetiefe
als Element zur Erhöhung
der Härtbarkeit
und zur Erhöhung
der Festigkeit des Kernbereiches erforderlich. Deshalb muß Mn mit
mindestens 0,3 Gew.-% zugefügt werden.
Wenn Mn im Übermaß zugefügt wird,
erhöht
sich die Härtbarkeit
so sehr, daß die
Zähigkeit
verringert und die Zerspanbarkeit und Kaltverformbarkeit verschlechtert
wird, und deshalb wird die Obergrenze für den Mn-Gehalt mit 2,0 Gew.-%
festgesetzt.
P: nicht mehr als 0,015 Gew.-%, Cu: nicht mehr
als 0,05 Gew.-%, Nb: nicht mehr als 0,01 Gew.-%, V: nicht mehr als
0,01 Gew.-%
P, Cu, Nb und V sind schädliche Elemente, welche die
Zähigkeit
verringern und Ermüdungsausfälle verursachen,
wenn sie als Materialien für
das Wälzelement
verwendet werden. Mit Bezug auf die vorliegende Erfindung hat es
sich insbesondere als nützlich
erwiesen, diese Elemente auf einen geringen Anteil einzustellen. Ausgezeichnete
Zähigkeit
und Dauerfestigkeit des Wälzkontaktes
können
durch Einstellung der oberen Grenzen für den Gehalt an P, Cu, Nb und
V auf jeweils 0,015 Gew.-%, 0,05 Gew.-%, 0,01 Gew.-% und 0,01 Gew.-% erzielt
werden.
Ti: 0,001 bis 0,01 Gew.-%
Ti ist ein Element,
welches das Kornwachstum des Austenites bei der Aufkohlung unterdrückt. Ti
muß mit
mindestens 0,001 Gew.-% hinzugefügt
werden, um diesen Effekt zu erzielen, während die Zähigkeit und die Dauerfestigkeit
des Wälzkontaktes
vermindert werden, wenn Ti im Übermaß hinzugefügt wird.
Deshalb wird die Obergrenze für
den Ti-Gehalt mit
0,01 Gew.-% festgesetzt.
N: 0,001 bis 0,005 Gew.-%
N verbindet
sich mit dem zuvor erwähnten
Ti zu TiN, um die Korngrößen zu verfeinern.
Das erfindungsgemäße Wälzlager
muß N
mit mindestens 0,001 Gew.-% enthalten, um diesen Effekt zu erzielen.
Wenn der N-Gehalt 0,005 Gew.-% überschreitet,
werden jedoch durch den Ti-Zusatz die Zähigkeit und die Dauerfestigkeit
des Wälzkontaktes
verringert. Deshalb wird die Obergrenze für den N-Gehalt auf 0,005 Gew.-%
festgesetzt.
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2) Vorzugsweise beträgt die Kernhärte des
oben erwähnten
Wälzlagers
mindestens HV 450 und nicht mehr als HV 550.
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Die Druckspannung in der Oberflächenschicht,
welche für
die Lebensdauer des Wälzkontaktes
wirksam ist, wird vermindert, oder die Zähigkeit wird derart vermindert,
daß das
Wälzlager
gegenüber
Bruch empfindlich ist, wenn die Kernhärte zu groß wird, während das Wälzlager im Inneren plastisch
verformt wird, wenn die Kernhärte
unzureichend ist. Als ein geeignetes Maß für die Kernhärte hat sich im Ergebnis der
Lebensdauerversuche bezüglich
des Wälzkontaktes,
die durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden
(und die auf der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-132031 (1987)
basieren), erwiesen, daß der bevorzugte
Bereich mit Rücksicht
auf die Lebensdauer des Wälzkontaktes
zwischen HRC 48 und HRC 58 (HV 480 bis HV 650) liegt. Unter Berücksichtigung
der Stoß-
oder großen
Belastung, die durch ein Walzwerk auf die Kernhärte ausgeübt wird, beträgt die Kernhärte vorzugsweise
mindestens HV 450 und nicht mehr als HV 550, um die Zähigkeit
durch Verminderung der Härte
in einem solchen Maße
zu sichern, daß das
Wälzlager im
Inneren nicht plastisch verformt wird.
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HVα bedeutet,
daß die
Vickers-Härte
bei einem Testgewicht von 300 g α beträgt.
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Die vorstehenden sowie weitere Aufgaben,
Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen
durch die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen besser verständlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeig
die Härteverteilung
im Querschnitt der Stähle
A bis F, welche 16 Stunden aufgekohlt wurden;
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2 zeigt
die Härteverteilung
im Querschnitt von Stählen
G bis K, welche 16 Stunden aufgekohlt wurden;
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3 zeigt
die Veränderungen
der Härtetiefen
(Einsatzhärtetiefen)
mit HV 550 der Stähle
A bis F nach verschiedenen Aufkohlungszeiten; und
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4 zeigt
die Veränderungen
der Härtetiefen
(Einsatzhärtetiefen)
mit HV 550 der Stähle
G bis K nach verschiedenen Aufkohlungszeiten.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Beispiele der vorliegenden Erfindung
sollen nunmehr beschrieben werden.
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Die Tabelle 1 zeigt die chemischen
Zusammensetzungen von 11 entwickelten Stählen A bis K und zwei Vergleichsstählen (SNCM
815 und SNCM 420 nach JIS), welche im Vergleich zur vorliegenden
Erfindung getestet wurden. Die entwickelten Stähle wurden hauptsächlich durch
Veränderung
des Gehaltes an Ni und C bei den chemischen Bestandteilen der beiden
Vergleichsstähle
vorbereitet, während
der Ausgleich für
die Verminderung der Härtbarkeit,
welche aus der Verminderung des Ni-Gehaltes resultiert, durch Erhöhung des C-Gehaltes
erfolgte. Die Verminderung der Kernzähigkeit, welche aus der Erhöhung des
C-Gehaltes resultiert, wurde hauptsächlich durch die Herbeiführung eines
geringen Anteiles der Verunreinigungselemente erreicht.
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Indem Tabelle 1 die kritischen Härtungs-Durchmesser
DI zeigt, die infolge der chemischen Zusammensetzungen zu erwarten
sind, wird verständlich,
daß die
entwickelten Stähle
in ihrer Härtbarkeit
dem Stahl SNCM 815 gleich oder überlegen
sind und als Materialien betrachtet werden können, welche dem SNCM 815 bezüglich der
inneren Eigenschaften (Struktur und Härte) nahestehen.
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Die in Tabelle 1 dargestellten entwickelten
und Vergleichsstähle
wurden einer Auswertung der Aufkohlungszeit sowie Tests hinsichtlich
der Wälzkontakt-Dauerfestigkeit und
der Bruchfestigkeit unterzogen. Die Aufkohlungszeit wurde anhand
eines Wälzelement-Prüflings mit
25 mm Durchmesser nach verschiedenen Aufkohlungszeiten ermittelt.
Die Wälzkontakt-Dauerfestigkeit
wurde anhand von zylindrischen Prüflingen mit ∅ 60 × L 90 ermittelt,
welche für
große
Lager maßgeblich
sind, sowie von zylindrischen Normprüflingen ∅ 12 unter Lebensdauer-Prüfbedingungen
(Tabellen 2 und 3). Die Bruchfestigkeit wurde anhand von Ringen
mit 60 mm Außendurchmesser,
45 mm Innendurchmesser und 15 mm Breite ermittelt.
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Tabelle
2 Prüfbedingungen
für Prüfling mit
60 mm ∅
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Tabelle
3 Prüfbedingungen
für Prüfling mit
12 mm ∅
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Die Prüflinge wurden aus den in Tabelle
1 dargestellten Stählen
bei 960°C
unter verschiedenen Haltezeiten und unter Durchführung einer zweiten Vergütung zwischen
770 und 820 °C
zur Einstellung der Oberflächenhärte und
der Kernhärte
auf die vorgeschriebenen Werte hergestellt. Das Kohlenstoffpotential
bei der Aufkohlung/Ausbreitung wurde zwischen 1,5 und 1,2 eingestellt.
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Indem die Oberflächenhärte und Einsatztiefe bis zu
HRC 58 (HV 650) allgemein die Wälzkontakt-Dauerfestigkeit
eines Lagers in der Weise beeinflußt, daß das Lager eine längere Lebendauer
besitzt, weil die Oberflächenhärte und
die Einsatztiefe erhöht
wurden, hat sich gezeigt, daß alle
entwickelten Stähle
eine höhere
Oberflächenhärte (in
den aufgekohlten Abschnitten) aufweisen als SNCM 815 sowie größere Tiefen
bis zu HRC 58 (HV 650) als vergleichbare Stähle, wie dies in den 1 und 2 erkennbar ist. Es hat sich ebenfalls gezeigt,
daß die
entwickelten Stähle
in der Kernfestigkeit gleich oder etwas besser sind als SNCM 815
und in der Härte
besser als SNCM 420.
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Indem die entwickelten Stähle eine
größere Einsatztiefe
als SNCM 815 und SNCM 420 bei gleichen Aufkohlungszeiten aufweisen,
hat sich gezeigt, daß sich
die neun entwickelten Stähle
C, D, E, F, G, H, I, J und K von den entwickelten Stählen A bis
K durch eine besonders schnelle Aufkohlungsfähigkeit auszeichnen, wie dies
in den 3 und 4 erkennbar ist.
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Indem die Tabelle 4 das Verhältnis der
Einsatztiefe im Vergleich zu SNCM 815 zeigt, wird klar, daß die Einsatztiefe
dieser neun entwickelten Stähle
C, D, E, F, G, H, I, J und K das 1,3 bis 1,9-fache der Einsatztiefe von
SNCM 815 besitzen. Daraus folgt, daß eine gleiche Einsatztiefe
in einer Zeit erreicht werden kann, die etwa 60 bis 30 % der vergleichbaren
Aufkohlungszeit beträgt.
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Tabelle
4 Härtetiefe
(Tiefe HV 550) und Tiefenverhältnis
jedes Stahles bei gleicher Aufkohlungszeit
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Aus den vorstehenden Ergebnissen
wird verständlich,
daß jeder
entwickelte Stahl eine Härteverteilung,
die der jedes Vergleichstahles gleich ist, in einer kürzeren Aufkohlungszeit
erreichen kann, und daß die Härtetiefe
des entwickelten Stahles während
derselben Aufkohlungszeit gegenüber
dem Vergleichsstahl erhöht
werden kann.
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Tabelle 5 zeigt die Wälzkontakt-Dauerfestigkeiten
der Prüflinge
der jeweiligen Stähle,
und Tabelle 6 zeigt die Bruchfestigkeit (im Dauerversuch und statisch).
Die Aufkohlungszeit wurde so verändert,
das die Prüflinge
im wesentlichen dieselbe Härteverteilung
in den Oberflächenschichten
aufwiesen. Die Verhältnisse
der hohen Härtetiefen,
welche HV 650 übersteigen,
zu den Dicken wurden in den jeweiligen Prüflingen auf 0,1 bis 0,15 festgesetzt,
und die Kernhärte
wurde auf HV 650 bis HV 540 festgesetzt. Aus der Tabelle 5 ist erkennbar, daß besonders
die Stähle
C bis K den Vergleichstählen
in der Lebensdauer gleich oder überlegen
sind und stabile Wälzkontakt-Dauerfestigkeiten
zeigen. Diese Stähle
C bis K haben eine Kernhärte
von mindestens HV 490, und diese Tendenz zeigt, daß die Wälzkontakt-Dauerfestigkeit
und die Bruchfestigkeit erhöht
sind, wenn die Kernhärte
erhöht
ist.
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Jeder entwickelte Stahl besitzt eine
höhere
Aufkohlungsrate als jeder Vergleichsstahl. Wenn die entwickelten
und die Vergleichsstähle
so aufgekohlt werden, daß sie
dieselbe Oberflächen-Härteverteilung
aufweisen, besitzt der entwickelte Stahl eine höhere Kernhärte als der Vergleichsstahl,
und dadurch erhöht
sich seine Lebensdauer.
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Tabelle 5 zeigt auch Werte, welche
durch Karbonitrierung der Prüflinge
der entsprechenden Stähle
erzielt werden. Indem die Lebensdauer durch die Karbonitrierung
weiter erhöht
wird, hat sich erwiesen, daß die entwickelten
Stähle
eine größere Erhöhung der
Dauerfestigkeit erreichen als die Vergleichsstäle, welche ebenfalls zur Karbonitrierung
geeignet sind. Es hat sich außerdem
erwiesen, daß die
Stähle
C bis K eine hohe Ring-Rotations-Dauerbruchfestigkeit besitzen,
wie dies in Tabelle 6 erkennbar ist. In bezug auf die statische Bruchfestigkeit
des Ringes konnte im wesentlichen kein Unterschied zwischen den
entwickelten Stählen
und SNCM 815 festgestellt werden.
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Tabelle
5 Ergebnisse
der Wälzkontakt-Dauerfestigkeitsuntersuchung
(Aufkohlung und Karbonitrierung)
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Tabelle
6 Erlebnisse
der Bruchfestigkeitsuntersuchung (Aufkohlung und Karbonitrierung)
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Tabelle 7 zeigt die Werte der Kernzähigkeit
nach der Aufkohlung (bei 960°C
während
34 Stunden). Es ist erkennbar, daß insbesondere die Stähle G bis
K, welche unter Einstellung der speziellen Verunreinigungselemente
auf einen kleinen Anteil Zähigkeitswerte
besitzen, welche denen der Vergleichsstähle gleich oder überlegen
sind.
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Tabelle
7 Erlebnisse
des Kerbschlagversuches
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung
klar erkennbar ist, kann das erfindungsgemäße Wälzlager die Materialkosten
vermindern, indem der Ni-Gehalt vermindert und der C-Gehalt erhöht wird,
wobei die Oberflächenhärte gesichert
und die Dauerfestigkeit verbessert bzw. die Aufkohlungszeit durch
Gewährleistung
der Oberflächenhärte und
Optimierung der Härtetiefe
vermindert wird. Weiterhin kann die Produktivität durch Reduzierung der Aufkohlungszeit
erhöht,
die Dauerfestigkeit durch Stabilisierung der Oberflächenhärte und
Erhöhung
der Härte
verbessert, die Bruchfestigkeit durch Optimierung der Kernhärte erhöht werden,
und die Dauerfestigkeit sowie die Festigkeit können durch Kombination mit
einer Karbonitrierung verbessert werden.
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Obgleich die vorliegende Erfindung
detailliert beschrieben und dargestellt wurde, ist es selbstverständlich,
daß dies
beispielhaft und zur Erläuterung
erfolgte und nicht als Einschränkung
aufgefaßt
werden darf, und daß der
Erfindungsgedanke und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
nur durch die Begriffe der anliegenden Patentansprüche umrissen
wird.
