DE69127580T2

DE69127580T2 - Lagerstahl

Info

Publication number: DE69127580T2
Application number: DE69127580T
Authority: DE
Inventors: Masao Goto; Teruo Hoshino; Toshihiro Kawaguchi; Masayuki Kitamura; Akihiro Mizutani; Akira Muroga; Yoshitaka Natsume; Takao Ooki; Yatsuka Takata; Hazime Tazumi; Yoshihiro Wakikado
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Aichi Steel Corp; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Denso Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2011-05-24
Also published as: US5403545A; DE69127580D1; EP0458646A1; EP0458646B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls bei Kugellagern und/oder Wälzlagern (nachfolgend kurz bezeichnet als "Wälzlager") von Motoren und Hilfsanlagen wie beispielsweise Wechselstromgeneratoren, wie sie beispielsweise von Kraftfahrzeugmotoren angetrieben werden. Die Erfindung ist insbesondere geeignet zur Anwendung bei Gelegenheiten, die eine Vibrations- und Stoß-Belastung einschließen, sowie allgemein bei Anwendung bei rollenden und gleitenden Komponenten.
Die Druckschrift GB-A 1 408 218 offenbart Gegenstände, die für einen Betrieb unter hohen Ermüdungsbelastungen geeignet sind, beispielsweise Walzen in einem Walzwerk oder Walzenlager, die aus einem Stahl bestehen, der 0,7 bis 1,2 % Kohlenstoff, 0,2 bis 1,5 % Silicium, 0,2 bis 2 % Mangan und 0,25 bis 3 % Chrom umfaßt, gegebenenfalls zusammen mit Mo, V, und W. Eine Stahl-Zubereitung, die 0,98 % Kohlenstoff und 1,45 % Chrom umfaßt, wird beispielhaft in der genannten Druckschrift angegeben. Eine ahnliche Stahl-Zusammensetzung zur Verwendung als Roll-Element in Lagern ist in der Druckschrift US-A 3 929 523 offenbart.
Als Material für Lager-Ringe und -Kugeln und/oder -Walzen (nachfolgend kurz bezeichnet als "Wälzelemente") in Wälzlagern wurden ganz allgemein in großen Mengen Kohlenstoff und Chrom umfassende Lager-Stähle (insbesondere solche nach JIS SUJ2) verwendet. Außerdem wurden auch verschiedene andere Materialien in Entsprechnung zu den unterschiedlichen Arbeitsbedingungen bei Wälzlagern verwendet. Beispielsweise werden für Lager, die starken Stoßbelastungen unterliegen, einsatzgehärtete Stähle (beispielsweise Stahle der Klassifikation SAE 5120) verwendet, die durch Aulkohlen gehärtet und getempert wurden, um ihre Festigkeit zu verbessern.
Bei Motoren und Hilfsanlagen wie beispielsweise Drehstromgeneratoren, die beispielsweise durch Kraftfahrzeugmotoren angetrieben werden, ist in den zurückliegenden Jahren die Verringerung der Größe und des Gewichtes sowie eine Verbesserung der Leistung in starkem Maße fortgeschritten. In Übereinstimmung damit wurden die Größe und die Nenndrehzahl der Wälzlager, die dafür verwendet wurden, verbessert. Dies hat die Vibrations- und Stoßbelastung, die auf die Wälzlager ausgeübt wurde, stark erhöht und die Arbeitstemperatur des Lagers angehoben, was zu einem Problem des Abschälens führt, das in kurzer Zeit bei dem Wälzlager auftritt, das aus den oben beschriebenen Stählen des Standes der Techriik hergestellt ist. Dies macht das Lager unbrauchbar. Beispielsweise werden bei von einem Kraftfahrzeugmotor betriebenen Wechselstromgeneratoren Vibrationen, die von den Treibriemen übertragen werden, die die Verbindung zwischen Motor und Generator darstellen, immer auf die Lager übertragen, und dies zusätzlich zu den Stoßbelastungen, die von einer unebenen Straßenobeffläche herrühren und die über die Räder des sich bewegenden Kraftfahrzeugs übertragen werden.
Es ist klar, daß eine Verringerung der Größe und des Gewichts und die Verbesserung der Leistung der Motoren oder der Hilfsanlagen unter Berücksichtigung des steigenden Erfordernisses einer verbesserten Treibstoff-Nutzung bei Automobilen weiter versucht wird. Dementsprechend besteht ein starker Bedarf für die Entwicklung von Lager-Stählen, die bei hoher Drehzahl sowie Vibrations- und Stoßbelastung eine hohe Haltbarkeit und lange Lebensdauer haben.
Bei den Untersuchungen, die auf die Lösung der vorgehend beschriebenen Aufgabe gerichtet waren, wurden im Rahmen der vorliegenden Erfindung zuerst Faktoren untersucht, denen die Verringerung der Haltbarkeit und Lebensdauer des Lagers zuzuschreiben ist, die durch eine hohe Drehzahl hervorgerufen wird. Als Ergebnis wurde trotz der Tatsache, daß die verkürzte Lebensdauer des Lagers durch ein Abschälen verursacht zu sein scheint, gefunden, daß Phänomene in dem Abschäl-Prozeß in Betracht zu ziehen sind, die verschieden von denjenigen sind, die bisher als relevant angesehen wurden.
Zum einen wurde beobachtet, daß dann, wenn eine Querschnitts-Mikrostruktur unter der Roll-Fläche eines Lagers angeschaut wurde, die sich während des Drehens mit hoher Drehzahl in einer kurzen Zeit abgeschält hatte, eine Metall-Struktur unter der Roll-Fläche nahe einem Punkt gebildet hatte, an dem die maximale Scherbelastung aufgetreten war, die weniger korrosiv war und weiß erschien (nachfolgend bezeichnet als "weiße Schichten"), und zwar im Unterschied zur Matrix (Matrixphase).
Figur 1 zeigt eine optische Mikrophotographie der Mikrostruktur entlang des Querschnitts, der die weißen Schichten enthält.
Wenn die Härte des aus weißen Schichten bestehenden Abschnitts und die Härte der Matrix an deren Peripherie mit einem Vickers-Härte-Tester gemessen wurde, wurde gefunden, daß die Härte der Matrix etwa HV 750 betrug, während die Härte der weißen Schicht HV 1100 bis 1300 betrug. Daran zeigt sich, daß der Abschnitt der weißen Schicht viel härter ist als der Matrix-Abschnitt.
Aus den oben beschriebenen Ergebnissen wurde abgeschätzt, daß der Grund dafür, daß die Haltbarkeitsdauer des Lagers bei hoher Drehzahl verkürzt ist, darin liegt, daß die weißen Schichten an einer Stelle nahe dem Abschnitt gebildet werden, an dem die maximale Scherbelastung auftritt und daß die weiße Schicht hart und brüchig ist. Dementsprechend bilden sich in einem frühen Stadium Risse durch wiederholte Aufbringung von Scherbelastungen. Diese Risse wandern leicht in die Matrix hinein und rufen das Abschälen hervor.
Jedoch werden derartige weiße Schichten, die die Lebensdauer des Lagers verkürzen, nicht bei den üblichen Haltbarkeitstests für Lager beobachtet, und es wird daher davon ausgegangen, daß Vibrations- und Stoßbelastungen einen starken Einfluß auf die Faktoren haben, die die Lebensdauer des Lagers aufgrund des Auftretens der weißen Schichten verkürzen. Ein Test zur Bestätigung dieser Überlegung wurde durchgeführt.
Ein Kugellager (JIS B 1512 (6303); 17 mm Innendurchinesser, 47 mm Außendurchmesser) wurde aus zwei Arten von Materialien hergestellt, wie sie in Tabelle 1 gezeigt sind, wobei der innere und der äußere Ring aus dem identischen Material hergestellt waren, und das Kugellager wurde anschließend einer Hitzebehandlung unterzogen, wie sie hinsichtlich der Bedingungen in der mittleren Spalte der Tabelle angegeben ist, um die Härte zu erzielen, die in der rechten Spalte der Tabelle gezeigt ist. An beiden Lager- Proben wurde dann ein Drehungs-Haltbarkeitstest ausgeführt, indem man Belastungen nach zwei Verfahrensweisen, wie sie in Tabelle 2 gezeigt sind, aufbrachte, und zwar statisch und dynamisch. In dem statischen Belastungstest wurde die Lager-Probe in einer Vorrichtung zum Testen der Haltbarkeit montiert und kontinuierlich unter einer statischen Belastung in Drehung versetzt. Andererseits wurde in dem dynamischen Belastungstest eine Vorrichtung zum Testen der Haltbarkeit auf einem Vibrationsbett angebracht, und die Lager-Probe wurde einem kontinuierlichen Rotationstest unterzogen, wobei man eine statische Belastung auf die Lager-Probe aufbrachte und die gesamte Test-Anordnung unter Vibration setzte. Der Rotations-Haltbarkeitstest wurde zweimal für jedes der Materialien und für jede der Test-Bedingungen durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3
Als Ergebnis der Tests wurde gefunden, daß ein Abschälen in keiner der Lager-Proben selbst nach 1000 h kontinuierlichen Rollens im statischen Belastungstest auftrat. Dies ergibt kein Problem im Hinblick auf die Haltbarkeitsdauer. Jedoch wurde im dynamischen Belastungstest, in dem Vibrationen dem statischen Belastungstest überlagert wurden, gefunden, daß ein Abschälen nach nur 43 bzw. 61 h in den aus Stahl gemäß JIS SUJ2 hergestellten Lagern und nach 189 h bzw. 202 h in dem aus dem Material SAE 5120 hergestellten Lagern und den aus einsatzgehärtetern Stahl gemaß SAE 5120 hergestellten Lagern auftrat, was die Haltbarkeitsdauer des Lagers merklich reduzierte.
Wenn die Mikrostruktur des Metalls, das unter der Rollfläche der Proben lag, die eine verringerte Haltbarkeitsdauer im dynamischen Belastungstest zeigten, angeschaut wurde, wurde festgestellt, daß weiße Schichten ähnlich denen in Figur 1 entstanden waren.
Wenn die Verteilung der Kohlenstoff- (C-) Konzentration in der Mikrostruktur, in der die weiße Schicht existierte, mittels EPMA (electron probe micro analyzer) analysiert wurde, wurde gefunden, daß die Kohlenstoff- (C-) Konzentration in dem Bereich der weißen Schicht höher war als im Matrixbereich. Figur 2 zeigt schematisch die Ergebnisse der EPMA-Untersuchungen der Kohlenstoff-Konzentrationsverteilung in der weißen Schicht und in deren Randbereich. In Figur 2 ist klar gezeigt, daß die Kohlenstoff-Konzentration in der weißen Schicht 2 höher ist als in der Matrix 1. Es wurde außerdem bestätigt, daß innerhalb der weißen Schicht 2 ein Abschnitt existiert, der eine höhere Kohlenstoff- Konzentration 3 zeigt (Abschnitt mit hoher Kohlenstoff-Konzentration) als in der weißen Schicht 2.
Es wird davon ausgegangen, daß der Grund, warum der Abschnitt der weißen Schicht eine höhere Kohlenstoff-Konzentration aufweist, darin liegt, daß die Kohlenstoffatome in den Bereich diffundieren und dort kondensieren. Da die Diffusion der Kohlenstoffatome durch Spannungen induziert wird, wird davon ausgegangen, daß wiederholte Spannungen aufgrund von Belastung der Lager-Probe infolge einer Vibration die durch Spannungen induzierte Diffusion der Kohlenstoffatome fördern und die Kondensation des Kohlenstoffs in dem Abschnitt der weißen Schicht fördern. Außerdem sammeln sich Mikrospannungen in der Mikrostruktur, die unter der Roll-Fläche angeordnet ist, aufgrund der Belastung bei wiederholten Spannungen, und die Kohlenstoffatome werden dort infolge der sich ansammelnden Spannungen gebunden. Mit anderen Worten: Die Kohlenstoffatome diffundieren in die Metallstruktur, die in einem Bereich unter der Rollfläche angeordnet ist, wo die maximale Scherbelastung infolge der wiederholten Stoßbelastungen auftritt, und werden dort gebunden. Folglich entstehen die weißen Schichten, die eine extrem hohe Härte aufweisen und die weniger korrosiv sind. Anschließend bilden sich durch die Aufbringung wiederholter Stoßbelastungen Risse an den sehr harten und brüchigen weißen Schichten. Diese pflanzen sich und entwickeln sich in die Matrix fort, was zu einem frühen Abschälen führt.
Eine vornehmliche Aufgabe der vorliegenden Erfmdung ist, die Verwendung eines Stahls für Wälzlager anzugeben, der eine hohe Haltbarkeitsdauer selbst in dem Fall hat, in dem er unter Vibrationen und Stoßbelastungen aufgrund der Drehung mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird.
Im Hinblick auf die vorstehend genannte Aufgabe und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß eine Inhibierung der Bildung der weißen Schichten für die Verbesserung der Haltbarkeitsdauer von Lagern erforderlich ist, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Unterdrückung der Diffusion des Kohlenstoffs und die Verbesserung der Matrix-Festigkeit angestrebt. Dabei wurde als Ergebnis einer Untersuchung der Beziehung zwischen dem Gehalt an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen und der Diffusionsrate des Kohlenstoffs gefunden, daß eine Erniedrigung des Kohlenstoff-Gehalts und eine Erhöhung der Chrom-Konzentration wirksame Mittel zur Verzögerung der Diffusionsrate des Kohlenstoffs sind. Außerdem wurde die Entwicklung einer Legierung auch für andere Komponenten der Legierung durchgeführt, um für eine ausreichende mechanische Festigkeit zur Verwendung als Lager zu sorgen und um weiter die Bildung von Carbiden oder nicht-metallischen Einschlüssen zu minimieren, die für die Verwendung als Wälzlager schädlich sind.
Demgemäß ist die vorliegende Erfindung gerichtet auf die Verwendung eines Stahls für Wälzlager, wobei der Stahl umfaßt (angegeben als auf das Gewicht bezogene Menge)
0,65 bis 0,90 % C;
0,15 bis 0,50 % Si;
0,15 bis 1,0 % Mn;
2,0 bis 5,0 % Cr; und
gegebenenfalls eine oder mehrere Komponenten
0,20 bis 0,5 % Ni;
0,1 bis 2,0 % Mo; und
0,05 bis 1,0 % V;
wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen sind,
zur Verlangsamung der Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff und zur Verringerung des Auftretens einer weißen Schicht und zur Verbesserung der Lebensdauer des Lagers bei Vibrations- und Stoßbelastungen.
Da der oben angegebene Lager-Stahl einen relativ hohen Cr-Gehalt aufweist, ist es erforderlich, die Abschreck-Härtungstemperatur auf einen Wert oberhalb desjenigen für die üblichen Lager-Stähle (JIS SUJ2) zu erhöhen, um verbesserte mechanische Eigenschaften zu erzielen. Außerdem wurden im Hinblick auf die Tatsache, daß Lager-Stähle bisher allgemein als Materialien für Wälzlager-Einheiten verwendet wurden, derartige Stähle auch für Kraftfahrzeug-Teile wie rollende oder gleitende Komponenten, z.B. Gleichlaufgelenke (constant velocity joints; CVJ) und Nocken-Oberflächen, verwendet, und zwar im Hinblick auf eine in den zurückliegenden Jahren erfolgende allgemeine Verbesserung der Eigenschaften von Kraftfahrzeugteilen. Derartige Kraftfahrzeug-Teile schließen solche ein, die größer sind als Wälzlager und die mitunter längere Erhitzungs- Zeiten erfordern, wie sie für die Abschreck-Härtung erforderlich sind.
Wenn jedoch die Temperatur des Abschreck-Härtungsschritts steigt oder die Zeit, die für das Abschreck-Härten erforderlich ist, länger wird, besteht die Gefahr, daß die Austenit- Kristallkömer gröber werden, was die Festigkeit nach der Hitzebehandlung reduziert. Dies kann zu einer Reduktion der Wälzschwingfestigkeit führen und die vorteilhafte Wirkung aufwiegen, die durch den Stahl gemaß der vorliegenden Erfindung erreicht wird, der als Ergebnis der oben beschriebenen Untersuchungen hergestellt wurde.
Es ist demgemaß eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung von Stahl für Wälzlager anzugeben, mit der es möglich ist, charakteristische Eigenschaften des Lager-Stahls gemaß den vorstehenden Angaben soweit wie möglich zu erhalten, ohne die Kristallkörner selbst unter erhöhter Abschreck-Härtungstemperatur gröber zu machen.
Der Stahl, der für Wälzlager im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann auch zu Lasten des den Rest ausmachenden Elements Eisen enthalten: 0,009 bis 0,2 % N; und 0,005 bis 0,5 % Nb; sowie gegebenenfalls 0,01 bis 0,05 % Al.
Eines oder mehrere der folgenden Elemente kannlkönnen darüber hinaus als wahlfreies Element oder wahlfreie Elemente zugesetzt werden: 0,2 bis 0,5 % Ni; 0,1 bis 2,0 % Mo; und 0,05 bis 1,0 % V.
Außerdem ist es im Verlauf der Herstellung eines Wälzlager-Stahls immer erforderlich, das Stahl-Material im Schritt der Verarbeitung zu einer Zwischen-Form oder End-Form (Kugel, Walze oder Drehkörper) zu schneiden. Außerdem wird der Schneideschritt auch angewendet im Verlauf der Herstellung von rollenden oder gleitenden Komponenten für Kraftfahrzeuge wie beispielsweise Gleichlaufgelenke (constant velocity joints; CVJ) und Nocken-Oberflächen. Da Kraftfahrzeug-Teile allgemein zu geringen Kosten im Rahmen einer Massenproduktion hergestellt werden müssen, ist die maschinelle Bearbeitbarkeit des Materials ein wichtiger Qualitätsfaktor.
Im Verlauf des Schneidens von Stahl-Materialien wird üblicherweise vorher ein Schritt des Glühens angewendet, um die Härte zu verringern. Da jedoch der Lager-Stahl einen hohen Kohlenstoff-Gehalt aufweist, kann eine ausgezeichnete maschinelle Bearbeitbarkeit selbst nach der Anwendung eines Schritts des ausreichenden Glühens nicht erhalten werden. Dies fuhrt zu dem Problem einer Verringerung der Produktionseffizienz von Lagern oder Teilen im Schritt des Schneidens Insbesondere ist deswegen, weil der oben angegebene Lager-Stahl, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, einen relativ hohen Cr-Gehalt aufweist, die Härte nach dem Glühen etwas höher, und es ist erwünscht, die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Stahl, wie er für Wälzlager verwendet wird, bereitzustellen, für den es möglich ist, die Effizienz im Schritt des Schneidens zu verbessern, was sonst ein Hindernis im Schritt der Herstellung des Lagers darstellen könnte, ohne dadurch die lange Haltbarkeitsdauer des Lager-Stahls zu beeinträchtigen. Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Wälzlager verwendete Stahl kann auch zu Lasten des den Rest ausmachenden Elements Eisen enthalten: 0,02 bis 0,05 % S; 0,005 bis 0,1 % eines Seltenerd-Elements; 0,02 bis 0,3 % Pb; 0,0005 bis 0,01 % Ca; 0,001 bis 0,2 % Bi; 0,005 bis 0,2 % Se; und 0,005 bis 0,1 % Te. Außerdem kann bzw. können ein Element oder Elemente als wahlfreies Element oder Elemente eingearbeitet werden, die aus der Gruppe gewahlt sind, die besteht aus 0,2 bis 0,5 % Ni; 0,1 bis 2,0 % Mo und 0,05 bis 1,0 % V.
Verschiedene andere Aufgaben, Merkmale und mit der Erfindung verbundene Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich noch vollständiger erkennen, wenn die Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser verständlich wird, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Figuren gesehen wird. Darin zeigen:
- Figur 1 eine optische Mikrophotographie, die eine Querschnitts-Mikrostruktur zeigt, die unter einer Roll-Fläche eines Lagers angeordnet ist und bei der ein Abschälen innerhalb einer kürzen Zeit aufgrund einer Rotation bei hoher Geschwindigkeit hervorgerufen wird; und
- Figur. 2 eine schematische Ansicht, die das Ergebnis einer EPMA-Analyse der Verteilung der Kohlenstoff-Konzentration in der weißen Schicht und in der Matrix zeigt.
Die vorliegende Erfmdung betrifft die Verwendung eines Stahls für Wälzlager, wobei der Stahl umfaßt (alle Angaben auf das Gewicht bezogen):
10 0,65 bis 0,90 % C;
0,15 bis 0,50 % Si;
0,15 bis 1,0 % Mn; und
2,0 bis 5,0 % Cr,
wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen sind.
Mit dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Stahl kann die Reduktion der Haltbarkeitsdauer des Lagers verbessert werden, das unter Vibrationen und Stoßbelastungen bei hoher Rotationsgeschwindigkeit verwendet wird. Der Stahl ist darüber hinaus auch in praktischer Hinsicht ausgezeichnet maschinell bearbeitbar.
Die Eigenschaften der chemischen Komponenten des Stahls, der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und der Grund für die Beschränkungen des Gehalts der Komponenten werden nachfolgend erläutert.

C: 0.65 bis 0.90 %

In einem Wälzlager ist deswegen, weil ein Wälzelement und ein Lager-Ring (Drehelement) miteinander in Linienberührung (Wälzlager) oder Punktberührung (Kugellager) stehen, der Kontaktdruck extrem hoch. Dementsprechend ist es eine höchst wichtige Eigenschaft des Wälzlager-Stahls, daß er eine hohe Härte aufweist und keine plastische Verformung hervorruft sowie eine glatte Bewegung des Lagers an den Kontaktstellen sicherstellt. Außerdem ist es auch erforderlich, daß die Härte hoch ist, und zwar im Hinblick auf die Abriebbeständigkeit. Es ist damit aus den oben beschriebenen Gründen erforderlich, daß der Kohlenstoffgehalt höher ist als 0,65 %. Wenn jedoch das Element Kohlenstoff in einer Menge von mehr als 0,90 % zugegen ist, ruft dies eine Änderung der metallischen Struktur während des Gebrauchs hervor, da die Kohlenstoff-Diffusionsrate steigt und die Menge an Carbiden riesig wird, was Spannungskonzentrationen hervorruft, die zur Verringerung der Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit fuhren, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Außerdem fuhrt der Anstieg der Menge an Carbiden zu einer Verschlechterung der maschinellen Bearbeitbarkeit. Dementsprechend wird die Obergrenze mit 0,90 % definiert.

Si: 0.15 bis 0.50 %

Silicium wird als desoxidierendes Mittel beim Stahlfrischen verwendet. Wenn die Desoxidation des Stahls unzureichend ist, erhöht sich die Zahl der Oxid-Einschlüsse in den Stählen. Diese stellen auch einen Anlaß fur die Konzentration von Spannungen dar, der die Änderung der Metallstruktur während der Verwendung fördert. Für die Desoxidation sind wenigstens 0,15 % an Silicium nötig. Wenn andererseits Silicium in einer Menge von mehr als 0,50 % eingearbeitet wird, erhöht sich die Menge an Rest-Austenit nach dem Abschreckhärten. Dies verringert die Härte nach dem Härten und die Wälzkontakt-Zeit schwingfestigkeit. Da außerdem die Erniedrigung der Härte nach dem Glühen nicht ausreichend ist, verschlechtert sich die maschinelle Bearbeitbarkeit.

Mn: 0.15 bis 1.00 %

Mangan ist ein Element, das beim Frischen als Desoxidationsmittel wie Silicium verwendet wird. Außerdem ist es in starkem Maße wirksam hinsichtlich einer Verbesserung der Härtbarkeit, und es ist ein nützliches Element bei der Anwendung einer vollständigen Härtung in relativ größeren Teilen. Um diese Wirkungen zu erzielen, müssen mindestens 0,15 % Mangan eingearbeitet werden. Wenn jedoch der Mangan-Gehalt 1 ,00 % übersteigt, erhöht sich die Menge des Rest-Austenits nach dem Härten. Dies erniedrigt die Härte, die durch den Schritt des Abschreckhärtens erreicht wird, und verringert die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit.

Cr: 2.00 bis 5.00 %

Chrom ist ein wichtiges Element zur Verbesserung der Härtbarkeit, und es beschränkt die Änderung der Mikrostruktur aufgrund der Kohlenstoff-Diffusion, wodurch es zur Verbesserung der Haltbarkeitsdauer beiträgt. Um eine solche Wirkung zu erzielen, muß Chrom wenigstens in einer Menge von 2,0 % zugegen sein. Wenn andererseits dessen Gehalt 5,0 % übersteigt, erschöpft sich die Wirkung, und es verschlechtert sich andererseits die Bearbeitbarkeit in den nachfolgenden Verfahrensschritten wie beispielsweise Walzen, Schmieden und Schneiden, und die Kosten zur Herstellung des Materials erhöhen sich ebenfalls.

Ni: 0.20 bis 0.50 %

Nickel hat die Wirkung einer Verstärkung der Matrix unter Verbesserung der Festigkeit, wodurch die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit verbessert wird. Um eine derartige Wirkung sicherzustellen, muß es in einer Menge von mehr als 0,20 % zugegen sein. Wenn Nickel jedoch in einer Menge von mehr als 0,50 % zugegen ist, erhöht sich die Menge an Rest-Austenit, wodurch die durch das Abschreckhärten erhaltene Härte verringert wird. Dies erniedrigt die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit ziemlich stark. Da außerdem Nickel ein teures Element ist, kann eine übermäßige Zugabe zu unnützen und erhöhten Materialkosten fuhren.

Mo: 0.1 bis 2.0 %

Molybdän verstärkt die Matrix und beschränkt die Kohlenstoff-Diffusion, wodurch die Verringerung der Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit aufgrund einer Änderung der Mikrostruktur verhindert wird. Um eine solche Wirkung zu erzielen, muß Molybdän in einer Menge von mehr als 0,1 % zugegen sein. Wenn Molybdän jedoch in einer Menge von mehr als 2,0 % zugegen ist, sättigt sich die Wirkung, und die Bearbeitbarkeit des Stahls verschlechtert sich; außerdem erhöhen sich die Materialkosten in unnützer Weise.

V: 0.05 bis 1,00 %

Vanadium bildet feinteilige und stabile Carbide, wodurch die Kohlenstoff-Diffusion unterdrückt wird und die Änderung der Metallstruktur während der Verwendung verhindert wird. Mit anderen Worten: Vanadium ist ein Element, das wirksam im Hinblick auf die Verbesserung der Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit ist, und eine derartige Wirkung kann dadurch erreicht werden, daß man Vanadium in einer Menge von mehr als 0,05 % einarbeitet. Wenn jedoch das Element in einer Menge von mehr als 1,0 % zugegen ist, sättigt sich die Wirkung, verschlechtern sich die Walz- und Schmiede-Eigenschaften sowie die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls und erhöhen sich die Materialkosten in unnützer Weise.

N: 0.0090 bis 0.0200 %

Wie nachfolgend beschrieben, bindet sich Stickstoff chemisch an Niob und Aluminium unter Bildung von Nitriden. Es spielt damit die Rolle, zu verhindern, daß die Austenit- Kristallkörner gröber werden. Der Mindestgehalt an Stickstoff entsprechend den Gehalten an Niob und Aluminium, die später beschrieben werden, beträgt 0,0090 %. Wenn jedoch dessen Gehalt 0,0200 % übersteigt, sättigt sich die Wirkung, und die Stahl-Herstellung wird schwierig.

Al: 0.010 bis 0.050 %

Aluminium bildet ein feinteiliges Nitrid (AlN) in dem Stahl, das in dem Stahl feinteilig dispergiert ist und verhindert, daß Austenit-Kristallkörner während des Erhitzens beim Abschreckhärten gröber werden. Für diesen Zweck ist ein Aluminium-Gehalt von wenigstens 0,010 % erforderlich. Wenn das Element andererseits in einer Menge von mehr als 0,050 % zugegen ist, erhöht sich der Gehalt an Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) in Form nichtmetallischer Einschlüsse, was die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit veringert.

Nb: 0.005 bis 0.50 %

Niob bildet wie Aluminium feinteilige Carbonitride in dem Stahl, die feinteilig in dem Stahl dispergiert sind und das Wachstum der Austenit-Kristallkörner während des Erhitzens beim Abschreck-Härten verhindern. Um diese Wirkung in ausreichender Weise zu erzielen, ist ein Gehalt an Nb von wenigstens 0,005 % nötig. Wenn das Element jedoch in einer Menge von mehr als 0,50 % zugegen ist, sättigt sich die Wirkung, was zu einer Reduktion der Bearbeitbarkeit des Stahls und zu einer unnützen Erhöhung der Materialkosten führt.

5: 0,020 bis 0.050 %

Schwefel ist in dem Stahl in Form von MnS dispergiert. Da MnS ein viel weicheres Material als Stahl ist, verringert sich die Scherbelastung an der Klingenspitze durch den inneren Kerbungseffekt beim Schneiden. Außerdem reduziert das Element die Schneidkraft auch durch den Schmiereffekt im Schneidabschnitt, wodurch die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert wird. Um die Wirkung in wirksamer Weise zur Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit zu erreichen, muß Schwefel in einer Menge von wenigstens 0,020 % zugegen sein. Wenn es jedoch in einer Menge von mehr als 0,050 % vorhanden ist, bindet sich Schwefel chemisch an Bismut und verhindert eine gute Heißbearbeitbarkeit. Außerdem wird die Menge an MnS als nicht-metallischer Einschluß übermäßig groß, was die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit des Wälzlagers verringert.

Seltenerd-Element(e): 0.005 bis 0.10 %

Das/die Seltenerd-Element(e) verbessern ebenfalls die maschinelle Bearbeitbarkeit. Zum Erzielen einer solchen Wirkimg müssen sie in einer Menge von wenigstens 0,005 % zugegen sein. Wenn sie jedoch in einer Menge von mehr als 0,10 % zugegen sind, ist die Wirkung der Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit gesättigt, und der größte Teil der Menge dieser Elemente ist überflüssigerweise ungeschmolzen in der Matrix enthalten. Dies erniedrigt auch die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit aufgrund einer Anderung der Metallstruktur, wie dies oben beschrieben wurde.

Pb: 0.02 bis 0.30 %

Blei bildet keine feste Lösung in der Stahl-Phase, ist jedoch feinteilig allein oder zusammen mit Sulfiden in dem Stahl dispergiert. Da Blei auch viel weicher ist als der Stahl, kann es die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls aufgrund derselben Wirkung wie MnS verbessern. Um eine derartige Wirkung des Bleis zur Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit in wirksamer Weise zu erzielen, muß das Element in einer Menge von wenigstens 0,02 % zugegen sein. Wenn das Element jedoch in einer Menge von mehr als 0,30 % zugegen ist, verschlechtert sich die Heißbearbeitbarkeit, und die Wälzkontakt- Zeitschwingfestigkeit des Lager-Stahls erniedrigt sich.

Ca: 0.0005 bis 0.0100 %

Calcium hat die Wirkung, den Diffusionsabrieb von Ablagerungen, sog. Belag, zu unterdrücken, der auf der Schneid-Oberfläche von Werkzeugen haftet, wodurch die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls im Sinne einer Verlängerung der Standdauer des Werkzeugs verbessert werden kann. Um eine solche Wirkung zu erzielen, muß Ca in einer Menge von wenigstens 0,0005 % zugegen sein. Wenn es jedoch in einer Menge von mehr als 0,0100 % zugegen ist, ist dieser Effekt gesättigt, steigen die Materialkosten unnützerweise an und ist auch die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit verringert.

Bi: 0.001 bis 0.200 %

Bismut ist selbst in dem Stahl dispergiert und verbessert die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls in ähnlicher Weise wie Blei. Der Mindestgehalt, der zur Erzielung dieses Effekts nötig ist, beträgt 0,001 %. Wenn das Element jedoch in einer Menge von mehr als 0,200 % zugegen ist, verschlechtern sich die Heißbearbeitbarkeit und die Wälzkontakt- Zeitschwingfestigkeit wie im Fall der Gegenwart einer zu großen Menge an Blei.

Se: 0.005 bis 0.20 %: Te: 0.005 bis 0.10 %

Selen und Tellur sind Elemente, die zur selben Gruppe wie Schwefel gehören. Sie verbessern die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls aufgrund einer Wirkung, die ähnlich derjenigen von Schwefel ist. Außerdem haben sie auch die Wirkung, daß sie die Form der MnS-Teilchen nahezu kugelförmig machen. Dadurch wird der Faktor eliminiert, der die Wälzkontalat-Zeitschwingfestigkeit reduziert, d.h. durch Verringerung der Bildung von Rissen von dem ausladenden oberen Ende des MnS-Teilchens, wenn dieses in länglicher Form ausgebildet wird. Die Elemente tragen zur Verbesserung der Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit auch aus dieser Sicht bei. Solche Wirküngen können nur erhalten werden, wenn beide Elemente Seien und Tellur jeweils in einer Menge von mehr als 0,005 % enthalten sind. Der Effekt ist jedoch gesättigt und erhöht in unnützer Weise die Materialkosten und verringert die Wälzkontakt-Zeitschwingfestigkeit, wenn Selen in einer Menge von mehr als 0,20 % enthalten ist bzw. Tellur in einer Menge von mehr als 0,10 % enthalten ist.

Beispiel 1

Tabelle 4 zeigt die chemische Zusammensetzung der Stähle, die gemaß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, der Vergleichsstähle und herkömmlicher Stähle. In Tabelle 4 sind Stähle der Nrn. A1 bis A9 Stähle, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden; unter den Nm. B1 bis B7 gezeigte Stähle sind Vergleichsstähle, in denen eines der Komponenten-Elemente außerhalb des Bereichs liegt, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung definiert ist, und Stähle der Nm. C1 und C2 sind herkömmliche Stähle, wobei der Stahl mit der Nr. C1 ein Beispiel eines Stahls gemaß der Definition in JIS SUJ2 ist, während der Stahl der Nr. C2 ein Beispiel eines Stahls ist, wie er in SAE 5120 definiert ist.
Ein dynamischer Belastungstest unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen wurde an den Stählen durchgefurt, d.h. nach Anwendung eines Schritts der üblichen Abschreckhärtung und eines Schritts des Temperns zur Steuerung der Härte des Stahls auf einen Wert von HRC 61 bis 62 für die Stähle der Nrn. Al bis A9 gemaß der vorliegenden Erfmdung, die Vergleichsstähle der Nrn. B1 bis B7 und den herkömmlichen Stahl C1, und nach Anwendung einer Aufkohlungshärtung und Temperung zur Steuerung der Oberflächenhärte des Stahls auf einen Wert von HRC 61 bis 62 für den herkömmlichen Stahl Nr. C2.
Der Test wurde durchgeführt, indem man ein Lager in eine Drehstrom-Lichtmaschine unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen einbaute, und die Lebensdauer jeder der Proben ist in Tabelle 5 gezeigt. In dieser Tabelle bedeutet der Begriff "Lebensdauer" den Zeitraum vom Beginn des Tests bis zum Auftreten des Abschälens. Tabelle 4 Tabelle 5
Wie aus Tabelle 5 offensichtlich ist, hatten im Vergleich mit den herkömmlichen Stählen Nr. C1 und C2, die eine Lebensdauer von 43 bzw. 202 h aufwiesen, die Stähle der Nrn.
A1 bis A9, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, eine längere Lebensdauer von 1019 bis 1495 h. Die Materialkosten dieser Stähle lagen innerhalb eines vernünftigen Bereichs, und die Stahle hatten eine lange Lebensdauer und zeigten einen ausgezeichneten praktischen Nutzen zur Verwendung in Wälzlagern.
Die Vergleichsstähie der Nrn. B1 und B3 bis B7 wiesen eine längere Lebensdauer im Vergleich mit den herkömmlichen Stählen Nrn. C1 und C2 auf, waren jedoch viel schlechter im Vergleich mit den Stählen der vorliegenden Erfindung. Der Vergleichsstahl Nr. B2 hatte eine Lebensdauer von 1403 h, was vergleichbar mit den Stählen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, jedoch war dessen Cr-Gehalt hoch und wies einen Wert von 5,41 % auf, was die Materialkosten erhöhte. Die maschinelle Bearbeitbarkeit dieses Stahls war ebenfalls schlecht.
Vorstehend wurden die Ergebnisse der Tests sowie die bestätigten Wirkungen der gemaß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle beschrieben, die fur Lagerringe verwendet wurden. Da jedoch das Abschälen aufgrund des Kontakts zwischen dem Lagerring und dem Rollelement auftrat, ist es offensichtlich, daß die gemaß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle auch wirksam sind, wenn sie fur die rollenden Elemente (Kugeln und/oder Walzen) verwendet werden.
Wie aus den vorstehend beschriebenen Ergebnissen offensichtlich ist, kann der Lager- Stahl, der gemaß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, das Problem der Verringerung der Haltbarkeitsdauer des Lagers lösen, wenn es unter Vibrations- und Stoßbelastungen verwendet wird, die eine Rotation bei hoher Geschwindigkeit begleiten. Außerdem weist der Lager-Stahl vernünftige Eigenschaften im Hinblick auf Materialkosten und maschinelle Bearbeitbarkeit auf. Dementsprechend ist er von ausgezeichneter praktischer Brauchbarkeit. Insbesondere kann mit diesem Stahl ein extrem wirksames Material fur solche Anwendungen bereitgestellt werden, bei denen starke Vibrationen und hohe Stoßbelastungen auftreten, wie beispielsweise bei Drehstromgeneratoren.
Dementsprechend laßt sich mit dem gemaß der vorliegenden Erfindung verwendeten Lager-Stahl eine ausgezeichnete lange Haltbarkeitsdauer bei vernünftigen Kosten erreichen, wenn dieser Stahl beispielsweise bei Motoren und Hilfsanlagen, die durch die Motoren betrieben werden, in Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen angewendet wird, bei denen eine Verringerung der Haltbarkeitsdauer bei den herkömmlichen Stählen mit dem Auftreten einer erhöhten Rotationsgeschwindigkeit in den jüngst zurückliegenden Jahren hervorgerufen wurde. So kann mit dem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Lager-Stahl weiter eine hohe Rotationsgeschwindigkeit sichergestellt werden, und der Stahl trägt in starkem Maße zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Leistungen derartiger Anlagenteile bei.

Beispiel 2

Tabelle 6 zeigt die chemische Zusammensetzung der Stähle der Nm. A10 bis A21, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, von Vergleichsstählen der Nrn. B8 bis B10 und von herkömmlichen Stählen Nrn. C3 und C2, die einem Test der Wälz- Lebensdauer unterzogen wurden, der gemäß diesem Beispiel durchgefuhrt wurde. Die Vergleichsstähle sind solche, in denen eine der Komponenten außerhalb des Bereichs liegt, der durch die vorliegende Erfindung definiert wurde. Der herkömmliche Stahl Nr. C3 ist ein Beispiel eines Stahls, wie er in JIS SUJ2 definiert wurde, und der Stahl Nr. C2 ist derselbe Stahl wie der Stahl Nr. C2, wie er in Tabelle 4 gezeigt wurde.
Zur Durchfuhrung eines Tests zur Ermittlung der Wälz-Lebensdauer wurden zuerst scheibenartige Testproben aus den Teststählen hergestellt und einer vorbestimmten Hitzebehandlung unterzogen. Tabelle 7 zeigt die Härtungstemperatur fur die Teststähle außer dem Stahl Nr. C2. Da der Stahl Nr. C2 ein einsatzgehärteter Stahl ist, ist die Temperatur fur die Sekundärhärtung nach Anwendung des Aufkohlungsverfahrens in Tabelle 7 gezeigt. Da die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisen und eine relativ große Menge an Cr enthalten, wurde die Härtung bei einer Temperatur durchgefuhrt, die um etwa 50 bis 70 ºC höher war als diejenige fur die herkömmlichen Stähle der Nrn. C3 und C2. Die Situation fur die Vergleichsstähle ist dieselbe. Die Zahl fur die Austenit-Korngröße der Teststähle, nachdem sie der Hitzebehandlung bei der Härtungstemperatur unterzogen worden waren, die in Tabelle 7 gezeigt ist (Werte fur die Korngrößen-Nummer in Übereinstimmung mit JIS GO551) ist in der mittleren Spalte von Tabelle 7 gezeigt (fur den einsatzgehärteten Stahl C2 ist die Kristall-Korngröße in dem an der Oberfläche aufgekohlten Bereich gezeigt).
Anschließend wurde ein Schritt des Temperns an jedem der Teststähle einschließiich des einsatzgehärteten Stahls Nr. C2 in der Weise durchgefuhrt, daß die Oberflächenhärte so eingestellt wurde, daß sie im wesentlichen HRC 61 bis 62 betrug. Anschließend wurde ein dynamischer Belastungstest mit rollenden Kugeln unter Belastungsbedingungen durchgefuhrt, wie sie in Tabelle 2 gezeigt sind. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt. Der Begriff "Wälz-Lebensdauer", wie er in der Tabelle gezeigt ist, bedeutet eine Zeitdauer (in h) bis zum Auftreten des Abschälens an der Lager-Oberfläche, gerechnet vom Beginn des Tests an. Tabelle 6 Tabelle 6 (Fortsetzung) Tabelle 7
Es wird nun zuerst auf die Austenit-Korngröße in Tabelle 7 Bezug genommen. Die Kristall-Korngröße in jedem der Stähle der Nrn. A10 bis A21, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, ist gleich derjenigen oder feiner als diejenige der herkömmlichen Stähle der Nrn. C3 (JIS SUJ2) und C2 (SAE 5120) (die feinste Korngröße ist 11,7; die gröbste Korngröße ist 10,0, was immer noch feiner ist als diejenige der herkömmlichen Stähle). Dies ist der Fall trotz der Tatsache, daß die Stähle einer Härtung bei einer Temperatur unterzogen wurden, die höher war als diejenige für die herkömmlichen Stähle.
Aus den in Tabelle 7 gezeigten Ergebnissen des dynamischen Belastungstests ergibt sich, daß eine verbesserte Wälz-Lebensdauer von mehr als 1100 h in jedem der Stähle der Nrn. A10 bis A21, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, erreicht werden konnte. Im Gegensatz dazu ist die Wälz-Lebensdauer der Vergleichsstähle der Nrn. B8 bis B10 nur etwa 850 h längstens, und sie ist extrem kurz bei den herkömmlichen Stählen, und zwar bei einigen 10 bis 200 h.
Wie oben beschrieben wurde, ist es in den gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stählen deswegen, weil ein Gröberwerden der Körner minimiert werden kann, möglich, einen Schritt des Abschreckhärtens bei einer solchen Temperatur anzuwenden, die die Wirkung des zusätzlichen Elements in maximalem Ausmaß zur Verbesserung der Wälz-Lebensdauer nutzen kann. Als Ergebnis dessen weisen alle Stähle der Nrn. A10 bis A21, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, eine ausreichende Wälz- Lebensdauer unter dynamischer Belastung auf, wie in Tabelle 7 gezeigt ist.
In diesem Beispiel wurde die Wälz-Lebensdauer für die Teststähie gemessen, wenn sie für Lager-Ringe verwendet wurden. Es ist jedoch im Hinblick auf den Abschäl-Mechanismus offensichtlich, daß die verbesserte Lebensdauer auch in dem Fall einer Verwendung der erfindungsgemäßen Stähle für Rollelemente (Kugeln und/oder Walzen) erhalten werden kann.
Wie aus den oben beschriebenen Ergebnissen ersichtlich ist, kann der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Stahl eine lange Haltbarkeits-Lebensdauer sicherstellen, insbesondere unter scharfen Bedingungen, in denen Vibrationen und/oder Stoßbelastungen aufgebracht werden. Dementsprechend kann der Lager-Stahl als Material verwendet werden, das höchst brauchbar für Lager ist, die unter Hochgeschwindigkeits-Drehungsbedingungen verwendet werden, oder für Lager für Motoren oder Hilfsgeräte, die von Motoren angetrieben werden, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen, wo sie unvermeidlich Vibrationen und Stoßbelastungen ausgesetzt sind. Außerdem kann dies bei der Hitzebehandlung zur Herstellung derartiger Lager deswegen, weil der Schritt der Abschreckhärtung bei einer ausreichend erhöhten Temperatur oder innerhalb einer verlängerten Zeitdauer ohne das Problem der Vergröberung der Kristallkörner angewendet werden kann, zur Vereinfachung der Herstellungsschritte und zu einer stabilen Erhaltung der Produktqualität beitragen.

Beispiel 3

Tabelle 8 zeigt die chemischen Zusammensetzungen der Stähle der Nrn. A22 bis A34, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, der Vergleichsstähle der Nrn. B11 bis B14 und herkömmliche Stahle C2 und C3, die für einen Schneidetest verwendet wurden. Bei den Vergleichsstählen liegt die Menge einer der Komponenten außerhalb des Bereichs, der durch die vorliegende Erfindung definiert ist. Die Stähle der Nrn. C2 und C3 sind herkömmliche Stahle, die dieselben Stähle wie die herkömmlichen Stähle sind, die in Tabelle 6 gezeigt sind.
Zur Untersuchung der maschinellen Bearbeitbarkeit jedes der Teststähle wurde ein Walzstrang, der von jedem der Teststähle erhalten worden war, unter Glühen zur Kugelbildung hitzebehandelt, danach wurde ein Schneidetest unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Werkzeug: SKH 4;
Schneidtiefe: 1 mm;
Zufuhrgeschwindigkeit: 0,2 mm/rev;
Schneidrate: 50 in/min;
Schneidöl: keines.
-Der Verschleiß an der Freifläche eines Werkzeugs, d.h. der Verlust der Aussparung eines Werkzeugs hinter der Schneidkante, ist als "VB" definiert.
Die Werkzeug-Lebensdauer wurde definiert als Zeit, zu der der Wert von VB = 0,3 mm war. Die Ergebnisse der Schneid-Tests sind in der linken Spalte von Tabelle 9 gezeigt. Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, zeigen alle Stähle der Nrn. A22 bis A34, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, längere Werkzeug-Standzeiten als diejenigen der herkömmlichen Stähle der Nrn. C2 und C3.
Als nächstes wurde zur Durchführung eines Wälzlebensdauer-Tests eine vorbestimmte Hitzebehandlung angewendet, um so die Oberflächenhärte der Teststähle auf einen Wert von HRC 61 bis 62 einzustellen. Dann wurde ein Roll-Teststück hergestellt, und es wurde ein dynamischer Belastungstest an dem Teststück durchgefuhrt, wobei man die rollenden Kugeln den in Tabelle 2 gezeigten Belastungsbedingungen aussetzte. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt. In der Tabelle bedeutet der Begriff "Rolldauer" die Zeitdauer (in h) bis zum Auftreten des Abschälens an der Lager-Oberfläche, gerechnet vom Beginn des Tests an. Tabelle 8 Tabelle 8 (Fortsetzung) Tabelle 9
Wie aus den in Tabelle 9 gezeigten Ergebnissen des dynamischen Belastungstests ersichtlich ist, kann eine lange Lebensdauer von mehr als 1100 h für alle Stahle der Nrn. A22 bis A34 erreicht werden, wie sie gemaß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist die Lebensdauer der Vergleichsstähle der Nrn. B11 bis B14 etwa 900 h als längste Zeit, und die Lebensdauer der herkömmlichen Stahle ist extrem kurz, und zwar von einigen 10 bis 200 h.
Wie oben beschrieben, weisen die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle eine ausgezeichnete maschinelle Bearbeitbarkeit auf und liefern extrem zufriedenstellende Werte für die Wälz-Zeitschwingfestigkeit, selbst unter Bedingungen dynamischer Belastung. Die Vergleichsbeispiele, in denen eine der Komponenten außerhalb des Bereichs lag, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung definiert ist, zeigen zwar eine ausreichende Eignung im Hinblick auf die maschinelle Bearbeitbarkeit; die Ergebnisse der Roll- Dauertests unter dynamischen Belastungen zeigen jedoch, daß solche Stähle nicht für Anwendungen bei Gebrauch in solchen Bereichen geeignet sind, die Stoßbelastungen und Vibrationen wie in Automobilen unterliegen.
In diesem Beispiel wurde die Rolldauer der Teststähle in der Weise gemessen, daß man sie als Lagerringe benutzte; es ist jedoch im Hinblick auf den Abschälmechanismus offenbar, daß in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendete Stähle auch eine lange Lebensdauer liefern können, wenn sie als Rollelemente (Kugeln und/oder Walzen) verwendet werden.
Wie aus den vorstehenden Ergebnissen offensichtlich ist, können die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Lagerstähle eine lange Lebensdauer unter verschärften Bedingungen liefern, insbesondere dann, wenn sie Vibrationen und Stoßbelastungen unterliegen. Dementsprechend können sie als Material verwendet werden, das in höchstem Maße geeignet für Lager ist, die unter Rotation mit hoher Geschwindigkeit verwendet werden, oder für Lager für Motoren und von Motoren betriebene Hilfsanlagen wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen, die unvermeidlich Vibrationen und Stoßbelastungen unterliegen. Da außerdem die maschinelle Bearbeitbarkeit in den gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stählen verbessert ist, kann die Schneidgeschwindigkeit in dem Schneidschritt im Anschluß an die Herstellung der Lager usw. erhöht werden, oder es kann in einem Fall, in dem der Fabrikationsschritt des Schneidens mit identischer Geschwindigkeit mit deijenigen herkömmlicher Fälle durchgefhhrt wird, die Werkzeug-Standzeit erhöht werden. Daher können Kostensenkungen bei den Herstellungsschritten in jedem der Fälle vorgenommen werden. Da außerdem die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Stähle auch ausgezeichnet im Hinblick auf die Entsorgbarkeit der Schneidstäube, -späne, -schnitzel usw. sind, können Störungen, die in den Arbeitsschritten aufgrund des Auftretens von Schneidstäuben hervorgerufen werden, verringert werden.

Claims

1. Verwendung eines Stahls für Wälzlager, wobei der Stahl umfaßt:

0,65 bis 0,90 % C;

0,15 bis 0,50 % Si;

0,15 bis 1,0 % Mn; und

2,0 bis 5,0 % Cr;

und gegebenenfalls eine oder mehrere der Komponenten

0,20 bis 0,5 % Ni;

0,1 bis 2,0 % Mo; und

0,05 bis 1,0 % V,

wobei der Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen sind, zur Verlangsamung der Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff und zur Verringerung des Auftretens einer weißen Schicht und zur Verbesserung der Lebensdauer des Lagers bei Vibrations- und Stoßbelastungen.

2. Verwendung nach Anspruch 1, worin der Stahl zu Lasten des den Rest ausmachenden Elements Eisen ebenfalls enthält:

0,009 bis 0,02 % N; und

0,005 bis 0,5 % Nb; und

gegebenenfalls 0,01 bis 0,05 % A1.

3. Verwendung nach Anspruch 1, worin der Stahl zu Lasten des den Rest ausmachenden Elements Eisen ebenfalls eines oder mehrere der folgenden Elemente enthält:

0,02 bis 0,05 % 5;

0,005 bis 0,1 % eines Seltenerd-Elements;

0,02 bis 0,3 % Blei;

0,0005 bis 0,01 % Ca;

0,001 bis 0,2 % Bi;

0,005 bis 0,2 % Se; und

0,005 bis 0,1 % Te.

4. Wälzlager, hergestellt aus einem Stahl, der umfaßt: