Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lagerkomponenten, und
insbesondere von Lagerkomponenten, welche für die Verwendung in Lagern geeignet sind, die
in mit Fremdsubstanz kontaminierten Ölen verwendet werden, mit einer Rockwell-Härte C (im
Folgenden als "HRC" bezeichnet) von etwa 58 bis etwa 63.
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Wenn Lager in mit Fremdsubstanz verschmutzten Ölen verwendet werden, welche eine HRC
von etwa 58 bis etwa 63 besitzen, wie Metallteilchen oder Formsand, verringert sich die
Lebensdauer des Lagers allgemein auf 1/5 bis 1/10 der berechneten Lebensdauer davon oder kürzer. Um
die Lebensdauer von Lagern für den Fall zu verbessern, wo sie in Fremdsubstanz enthaltenden
komtaminierten Ölen verwendet werden, schlug der Anmelder der vorliegenden Erfindung
bereits einen Lagerstahl vor, welcher aus einem Aufkohlungsstahl hergestellt wird und welcher
dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Oberflächenhärte von 63 bis 66 gemäß HRC aufweist,
einen in der Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt von 25 bis 50% und eine aufgekohlte
Oberflächenzone (case), welche frei von sekundären Carbid-Präzipitaten ist (siehe die ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung Nr. 115344/1990). Die JP-A-2 115 344 beschreibt ein
Verfahren zur Herstellung von Lagerteilen mit einer Oberflächenhärte von 63 bis 66 HRC und einem in
der Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt von 25 bis 50% durch eine Aufkohlungs- und
Abschreckungs-, eine Vor-Anlaß- (150ºC/30 min), eine Tiefkühlbehandlung (-60ºC) und
letztendlich eine Anlaßbehandlung (160ºC).
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Allerdings weisen für den Fall, wo Komponenten, die aus dem beschriebenen herkömmlichen
Lagerstahl hergestellt wurden, für Lager verwendet werden, die Lager eine unterschiedliche
Lebensdauer auf und sind nicht immer tatsächlich zufriedenstellend beim Gebrauch.
Zusammenfassung der Erfindung
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Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bewältigung des vorgenannten Problems und
die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Lagerkomponenten, welche verminderte
Schwankungen bezüglich der Lebensdauer aufweisen und welche für einen längeren Zeitraum
einsatzbereit sind, wenn sie in kontaminierten Ölen verwendet werden.
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Die Lagerkomponente wird aus einem Aufkohlungsstahl hergestellt und weist eine
Oberflächenhärte von 63 bis 67 gemäß Rockwell-Härte C und einen in der Oberfläche zurückerhaltenen
Austenitgehalt von mindestens 20% bis nicht mehr als 24,5% auf.
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Somit ist die Oberflächenhärte auf 63 bis 67 gemäß HRC beschränkt, weil für den Fall, wo die
Härte 67 gemäß HRC übersteigt, eine verschlechterte Zähigkeit resultiert und weiterhin für den
Fall, wo die HRC weniger als 63 beträgt, die Oberflächenhärte unzureichend ist, mit der Folge,
dass, wenn das die Komponente einschließende Lager in einem mit Fremdsubstanz
verschmutzten Öl verwendet wird, die Lagerkomponente für Kratzer anfällig ist, wie Vertiefungen in Folge
von Fremdsubstanz und sich daraus ergebendem Absplittern, eine geringere Abriebbeständigkeit
zeigt und die Lebensdauer des Lagers verkürzt wird. Vorzugsweise beträgt die Oberflächenhärte
mindestens 64 gemäß HRC.
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Weiterhin wird der in der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt auf einen Bereich von
mindestens 20% bis nicht mehr als 24,5% beschränkt, weil Gehalte von weniger als 20% eine
geringere Zähigkeit und eine höhere Rissfortpflanzungsrate mit sich bringen und so die
Lebensdauer von Lagern verkürzen, und weil für den Fall, wo der Gehalt mehr als 24,5% beträgt, Lager
eine stärker schwankende Lebensdauer aufweisen und eine Beeinträchtigung der
Oberflächenhärte resultiert.
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Mit der beschriebenen Lagerkomponente weist die Matrixphase der Oberflächenzone
vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,8 Gew.-% auf, weil Gehalte von weniger als 0,8
Gew.-% leicht zu einer geringeren Festigkeit und einer kürzeren Lagerlebensdauer führen. Die
Bezeichnung "Oberflächenzone" bezieht sich auf den Bereich mit einer Tiefe von etwa 50 um
von der Oberfläche gemessen.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Lagerkomponenten bereit,
welches den Schritt des Aufkohlens und Abschreckens eines Lagerkomponenten-Werkstücks,
das aus einem Aufkohlungsstahl hergestellt und zu einer vorbestimmten Form verarbeitet
worden ist, den Schritt des Unterziehens des resultierenden Werkstücks einer Vor-Anlaßbehandlung,
den Schritt des Unterziehens des angelassenen Werkstücks einer Tiefkühlbehandlung und den
Schritt des Unterziehens des behandelten Werkstücks einer Haupt-Anlaßbehandlung ein.
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In dem genannten Herstellungsverfahren wird die Vor-Anlaßbehandlung durch Halten des
Werkstücks auf 110 bis 130ºC während mindestens 1 Stunde durchgeführt. Die Menge des in
dem Werkstück enthaltenen instabilen zurückerhaltenen Austenits nimmt bei einer Temperatur
von unter 110ºC zu. Bei derselben Temperatur wird der in dem Werkstück enthaltene
zurückerhaltene Austenit während des anschließenden Schritts der Tiefkühlbehandlung translatiert und
der in der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt kann schließlich nicht in einem Bereich
von mindestens 20% gehalten werden. Der zurückerhaltene Austenit wird bei einer Temperatur
von über 130ºC stabilisiert. Bei derselben Temperatur läßt sich der zurückerhaltene Austenit
während des nachfolgenden Schritts der Tiefkühlbehandlung nicht leicht umwandeln und der in
der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt kann schließlich nicht in einem Bereich von nicht
mehr als 24,5% gehalten werden. Weiterhin wird bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren
die Tiefkülhlbehandlung unter Halten des Werkstückes auf -50 bis -80ºC während mindestens 1
Stunde durchgeführt. Der in der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt läßt sich durch die
Umwandlung des zurückerhaltenen Austenits nicht leicht verringern und kann nicht den
letztendlichen Bereich von nicht mehr als 24,5% bei einer Temperatur von über -50ºC erreichen.
Der in der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt läßt sich leicht durch die Umwandlung
verringern und kann nicht den letztendlichen Bereich von mindestens 20% bei einer Temperatur
von unter -80ºC erreichen. Weiterhin wird die Haupt-Anlaßbehandlung durch Halten des
Werkstückes bei 140-175ºC während mindestens 2 Stunden durchgeführt werden. Die letztendliche
Oberflächenhärte übersteigt 67 gemäß HRC und verschlechtert die Zähigkeit bei einer
Temperatur von unter 140ºC. Die letztendliche Oberflächenhärte beträgt dann weniger als 63 gemäß
HRC, und das Werkstück ist für Kratzer anfällig und zeigt eine geringere Abriebbeständigkeit
bei einer Temperatur von über 175ºC.
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Wenn die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltene Lagerkomponente
eingebracht wird, besitzen Lager eine verlängerte Lebensdauer, selbst wenn sie in kontaminierten
Ölen verwendet werden. Die Schwankungen der Lebensdauer bei den Lagern können weiter
vermindert werden.
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Das Verfahren der Erfindung stellt eine erleichterte Herstellung von Lagerkomponenten sicher.
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Die vorliegende Erfindung wird ausführlicher unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Fig. 1 ist eine fragmentarische Ansicht im Vertikalschnitt, welche eine Ausführungsform
der Erfindung zeigt, nämlich ein spitz zulaufendes Walzenlager, bei welchem die inneren und
äußeren Ringe Lagerkomponenten der Erfindung sind;
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die Fig. 2 ist eine vergrößerte fragmentarische Ansicht, welche eine in einer
Laufbahnoberfläche durch einen Vickers-Eindringkörper gebildete Vertiefung Zeit;
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die Fig. 3 ist eine Kurve, welche die Beziehung zwischen der Höhes des Wulstes um die
Vertiefungen und der Oberflächenhärte von Laufbahnoberflächen zeigt;
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die Fig. 4 ist eine Kurve, welche die Beziehung zwischen der Höhe einer Wulst um die
Vertiefungen und der Lebensdauer von Lagern zeigt;
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die Fig. 5 ist eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen der Oberflächenhärte von inneren
und äußeren Ringen und der Oberflächenrauhigkeit hiervon nach dem Testen zeigt, wie durch
Unterwerfen von Lagern einem Lebensdauertest in einem kontaminierten Öl ermittelt;
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die Fig. 6 ist eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen der Neigung von Regressionslinien
von Weibull-Verteilungen, wie auf Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier aufgetragen, und dem in
der Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt zeigt;
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die Fig. 7 ist eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen der Höhe einer Wulst um den
Einschnitt und der Anzahl der Wiederholungen der Belastung zeigt;
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die Fig. 8 ist eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen der Neigung von Regressionslinien
von Weibull-Verteilungen, wie auf Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier aufgetragen, und dem in
der Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalts, wie durch einen Lebensdauertest von Lagern
gezeigt, zeigt, in welcher die als inneren und äußeren Ringe Nr. 1, 5 und 6 verwendet wurden;
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die Fig. 9 ist eine Kurve, welche das Verhältnis zwischen der Neigung von Regressionslinien
von Weibull-Verteilungen, wie auf Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier aufgetragen, und dem in
der Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt, wie durch einen Lebensdauertest von Lagern
bestimmt, zeigt, in welcher die inneren und äußeren Ringe Nr. 8-47 verwendet wurden, zeigt;
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die Fig. 10 ist eine Kurve, welche die Beziehung zwischen dem Einschnittflächenverhältnis und
der Laufzeit, wie für Lager ermittelt, zeigt, in welcher die als inneren und äußeren Ringe Nr. 8-
17 und 28-37 verwendet wurden;
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die Fig. 11 ist eine Kurve, welche die Beziehung zwischen dem Dimensionsvariationsverhältnis
von inneren Ringen und der Alterungszeit, wie für Lager ermittelt, zeigt, in welcher die inneren
und äußeren Ringe Nr. 48-51 verwendet wurden;
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die Fig. 12 ist eine Kurve, welche die Zeit für das Auftreten von Festfressung zeigt, wie für
Lager ermittelt, bei welchen die inneren und äußeren Ringe Nr. 63-72 verwendet wurden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Fig. 1 zeigt ein spitz zulaufendes Walzenlager, welches einen inneren Ring 1 mit einem
großen Flansch 1a und einem kleinen Flansch 1b, einen äußeren Ring 2, ein in der Form eines
Kegels ausgestanztes Aufnahmeteil 3 und eine Vielzahl von spitz zulaufenden Walzen 4, die
durch das Halteteil 3 gehalten werden, umfaßt.
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Die inneren und äußeren Ringe 1 und 2 werden aus Aufkohlungsstahl hergestellt, welcher
z.B. 0,1-1,0 Gew.-% an C enthält, wie JIS SCr420-Material oder SAE5120-Material, und sind
so ausgelegt, dass sie eine Oberflächenhärte gemäß HRC von 63 bis 67 besitzen und einen an der
Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt von mindestens 20% bis nicht mehr als 24,5%
aufweisen. Die spitz zulaufenden Walzen 4 bestehen aus Lagerstahl, wie JIS SUJ2 oder
SAE52100.
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Der Wert für die Untergrenze der Oberflächenhärte der inneren und äußeren Ringe 1, 2 ist HRC
63, weil die Oberflächenhärte, wenn sie weniger als 63 HRC beträgt, unzureichend ist und die
folgenden Nachteile für den Fall mit sich bringt, wo das diese Komponenten einschließende
Lager in einem mit Fremdsubstanz kontaminierten Öl verwendet wird. Die Laufbahnoberflächen
der inneren und äußeren Ringe 1, 2 sind für Kratzer anfällig, wie Vertiefungen aufgrund von
Fremdsubstanz und daraus entstehendem Absplittern, die Ringe zeigen eine geringere
Abriebbeständigkeit und um die Vertiefungen gebildete Erhebungen führen zu einem Abblättern bei den
Walzen 4 und verkürzen so deren Lebensdauer.
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Die Resultate der folgenden von uns durchgeführten Experimente bestätigten den Grund, warum
die Untergrenze der Oberflächenhärte der inneren und äußeren Ringe 1, 2 HRC 63 betragen
sollte.
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Wenn Vertiefungen 10 in Laufbahnoberflächen unter einer speziellen Belastung unter Einsatz
eines Vickers-Eindringkörpers, wie in Fig. 2 gezeigt, gebildet werden, bildet sich eine Wulst 11
um den Einschnitt 10. Die Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Höhe h eines solchen
Wulstes 11 und der Oberflächenhärte (HRC) der Laufbahnen. Man kann erkennen, dass, je geringer
die Oberflächenhärte, desto größer ist die Höhe h des Wulstes 11. Die Fig. 4 zeigt die
Beziehung zwischen der Höhe h des Wulstes 11 und der Lebensdauer von Lagern. Je größer die Höhe
h des Wulstes 11, desto kürzer ist die Lebensdauer. Das Resultat von Fig. 4 wurde erhalten
durch Herstellung von 2 Scheiben, Erzeugen einer Vielzahl von Vertiefungen durch einen
Vickers-Eindringkörper auf einem Kreis auf einer Oberfläche von einer der Scheiben, konzentrisch
mit der Scheibe, Dazwischenlegen einer Vielzahl von Kugeln zwischen die zwei Scheiben und
Rotierenlassen der Scheiben unter gleichzeitigem Unterwerfen der zwei Scheiben einem
Längsdruck, um die Kugeln auf dem konzentrischen Kreis, auf welchem die Vertiefungen gebildet
wurden, zu rollen. In Fig. 4 steht die leere kreisförmige ZeichenZeichenmarkierung für das
Auftreten von Absplittern in einem anderen Bereich als den Vertiefungen. Ein in
eingeschnittenen Bereichen auftretendes Absplittern ist durch eine ausgefüllte kreisförmige
ZeichenZeichenmarkierung angegeben und ein Absplittern bei der Kugel durch eine leere quadratische
Zeichenmarkierung. Die Fig. 3 und 4 zeigen, dass in dem Fall, wo die Oberflächenhärte weniger
als HRC 63 beträgt, die Wulst 11 um den Einschnitt 10 eine große Höhe h besitzt, was folglich
zu einer Verkürzung der Lebensdauer von Lagern führt. Die Fig. 3 zeigt weiterhin, dass für den
Fall, wo die Oberflächenhärte weniger als HRC 63 beträgt, die Höhe h vorwiegend im Bereich
von 2-3 um liegt, was leicht zu einem von den Vertiefungen ausgehenden Absplittern, wie in
Fig. 4 offensichtlich wird, führt.
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Die Fig. 5 zeigt das Resultat, das durch Unterwerfen von Lagern einem Lebensdauertest in
einem kontaminierten Öl erhalten wird, d. h. die Beziehung der Oberflächenhärte (HRC) der
inneren und äußeren Ringe 1, 2 mit der Rauhigkeit der Laufbahnoberflächen (durchschnittliche
Rauhigkeit Ra auf der Mittellinie) nach dem Test. Die Rauhigkeit der Laufbahnoberflächen vor dem
Testen betrug 0,1 um bezüglich der durchschnittlichen Rauhigkeit Ra auf der Mittellinie. Die
Fig. 5 zeigt, dass, wenn die Oberflächenhärte weniger als HRC 63 beträgt, die
Oberflächenrauhigkeit nach dem Testen hoch ist. Dies weist auf eine verminderte Abriebbeständigkeit hin.
Vorzugsweise beträgt die Oberflächenhärte mindestens HRC 64.
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Der Grund, warum die Untergrenze für die Härte der inneren und äußeren Laufbahnoberflächen
HRC 63 betragen sollte, wird aus den Fig. 3-5 verständlich.
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Der in der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt der inneren und äußeren Ringe 1, 2 sollte
nicht mehr als 24,5% betragen, weil Gehalte von mehr als 24,5% zu größeren Schwankungen
bei der Lebensdauer von Lagern und einer niedrigeren Oberflächenhärte führen.
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Der oben stehende Grund, warum der in der Oberfläche zurückerhaltene Austenitgehalt der
inneren und äußeren Ringe 1, 2 nicht mehr als 24,5% betragen sollte, wurde durch das Resultat des
von uns durchgeführten nachstehenden Experiments offensichtlich.
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Insbesondere führten wir einen Lebensdauertest durch, um die Beziehung zwischen dem in der
Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt (γR) und der Neigung der Regressionslinien von
Weibull-Verteilungen, wie auf ein Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier aufgetragen, zu ermitteln.
Das Ergebnis ist in Fig. 6 gezeigt, welche erkennen läßt, dass, wenn der in der Oberfläche
zurückerhaltene Austenitgehalt nicht mehr als 24,5% beträgt, die Neigung abnimmt, was zu
größeren Schwankungen bei der Lebensdauer von Lagern führt, welche sich daher nicht für den
Gebrauch
in der Praxis eignen. Die Tabelle 1 zeigt die zurückerhaltenen Austenitgehalte (γR: %)
der Proben A bis E, wie in Fig. 6 gezeigt, und die entsprechenden Neigungen.
Tabelle 1
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Die Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Höhe h des Wulstes 11 und der Zahl n der
Wiederholungen von Beanspruchungen, wie bestimmt durch Testen in der gleichen Weise wie zum
Erhalt der Ergebnisse von Fig. 4. In der Fig. 7 stehen die leeren kreisförmigen
Zeichenmarkierungen für die Ergebnisse, welche durch Scheiben mit einer Oberflächenhärte von HRC 62,2 und
einem in der Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt von 16,9% erhalten wurden, und die
leeren quadratischen Zeichenmarkierungen stehen für das Ergebnis, welches durch Scheiben mit
einer Oberflächenhärte von HRC 62,9 und einem in der Oberfläche zurückerhaltenen
Austenitgehalt von 31,5% erhalten wurde. Die Fig. 7 enthüllt, dass die Höhe h des Wulstes 11, welcher
um die Vertiefung 10 ausgebildet ist, variiert und allmählich im Zeitraum der Anwendung
abnimmt, jedoch nicht unterhalb eines bestimmten Wertes sinkt, trotz einer Zunahme in der Anzahl
von Wiederholungen von Beanspruchungen, wenn der zurückerhaltene Austenitgehalt groß ist.
Die Tatsache, dass die Höhe h des Wulstes 11 nicht zunimmt, wenn der zurückerhaltene
Austenitgehalt hoch ist, ist der Verfestigung des Wulstes 11 zuzuschreiben.
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Der Grund, warum der zurückerhaltene Austenitgehalt der Laufbahnoberflächen der inneren und
äußeren Ringe 1, 2 nicht mehr als 24,5% betragen sollte, wird anhand der Fig. 6 und 7
verständlich.
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Die Matrixphase der Oberflächenzone der inneren und äußeren Ringe 1, 2 weist vorzugsweise
einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,8 Gew.-% auf Kohlenstoffgehalte von weniger als 0,8
Gew-% führen zu einer geringeren Festigkeit und verkürzen möglicherweise die Lebensdauer
des Lagers. Die Bezeichnung "Oberflächenzone", die eine Oberflächenschicht bedeutet, bezieht
sich auf den Bereich mit einer Tiefe von etwa 50 Mikrometer von der Oberfläche. Wenn die
Matrixphase dieses Bereichs einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,8 Gew.-% aufweist, kann
eine Verschlechterung der Festigkeit ausgeschlossen werden. Genauer gesagt, ein zu einer kürzeren
Lebensdauer führendes Absplittern tritt in einer Tiefe von etwa 10 Mikrometer von der
Oberfläche auf, wohingegen für den Fall, wo der Kohlenstoffgehalt der Matrixphase der
Oberflächenzone mit einer Tiefe von etwa 50 Mikrometer von der Oberfläche mindestens 0,8 Gew.-%
beträgt, eine hohe Festigkeit zur Verhinderung des Absplitterns verfügbar ist.
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Die inneren und äußeren Ringe 1, 2 werden aus dem Lagerkomponenten-Werkstück, das aus
einem Aufkohlungsstahl hergestellt wurde und mechanisch zu einer vorbestimmten Gestalt
verarbeitet wurde, zum Beispiel durch Aufkohlen und Abschrecken des Werkstücks, anschließendes
Unterziehen des Werkstücks eine Vor-Anlaßbehandlung, danach Unterwerfen des Werkstücks
eine Tiefkühlbehandlung und weiteres Unterziehen des Werkstücks einer
Haupt-Anlaßbehandlung gebildet.
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Die Aufkohlungs- und Abschreckungsbehandlung wird durch Halten des Werkstücks während
eines vorbestimmten Zeitraums auf 900 bis 950ºC durchgeführt. Die Aufkohlungs- und
Abschreckungsbehandlung führt zu einer Oberflächenhärte von 55 bis 65 gemäß HRC und einem
zurückerhaltenen Austenitgehalt von etwa 30 bis etwa 65%. Die Vor-Anlaßbehandlung wird
unter Halten des resultierenden Werkstücks auf 110 bis 130ºC während mindestens 1 Stunde
durchgeführt. Die Tiefkühlbehandlung wird unter Halten des angelassenen Werkstücks auf -50
bis -80ºC während mindestens einer 1 Stunde durchgeführt. Die Tiefkühlbehandlung führt zu
einer Oberflächenhärte von etwa 63 bis etwa 68 gemäß HRC und einem zurückerhaltenen
Austenitgehalt von etwa 20 bis etwa 25%.
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Alternativ werden die inneren und äußeren Ringe 1, 2 durch Unterwerfen des mechanisch
bearbeiteten Werkstücks derselben Aufkohlungs- und Anlassbehandlung wie obenstehend, ein
anschließendes Unterwerfen des Werkstücks einer sekundären Härtungsbehandlung, ein weiteres
Unterwerfen des Werkstücks derselben Vor-Anlaßbehandlung und einer Tiefkühlbehandlung
wie oben angegeben und im Anschluss ein Unterziehen des resultierenden Werkstücks einer
Haupt-Anlaßbehandlung hergestellt. Die sekundäre Härtungsbehandlung wird durch Erwärmen
des Werkstücks auf 800 bis 850ºC während mindestens 0,5 Stunden und anschließendes Härten
des Werkstücks zum Beispiel durch Abschrecken in Öl durchgeführt.
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Die Haupt-Anlaßbehandlung wird durch Halten des Werkstücks auf 140 bis 175ºC während
mindestens 2 Stunden durchgeführt.
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Diese Verfahren sorgen für den gewünschten zurückerhaltenen Austenitgehalt. Insbesondere
wenn die Tiefkühlbehandlung ohne die Vor-Anlaßbehandlung durchgeführt wird, wird Austenit
leicht zu Martensit umgewandelt, was zu einem verminderten zurückerhaltenen Austenitgehalt
führt, wohingegen die Vor-Anlaßbehandlung, wenn sie durchgeführt wird, instabilen
zurückerhaltenen Austenit stabilisiert, welcher aus der Aufkohlungs- und Abschreckungsbehandlung
resultiert, wodurch es schwierig wird für den Austenit, zu Martensit zu werden, selbst wenn die
Tiefkühlbehandlung durchgeführt wird.
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Die Walzen 4 werden durch Bilden von Stücken mit einer vorbestimmten Gestalt, zum Beispiel
aus JIS SUJ2 oder SAE52100, Unterziehen der Stücke einer gewöhnlichen Härtungsbehandlung,
in welcher die Stücke während mindestens 0,5 Stunden auf 800 bis 850ºC gehalten werden,
anschließendes Unterziehen der Stücke einer Tiefkühlbehandlung, in welcher die Stücke für
mindestens 1 Stunde auf -50 bis -80ºC gehalten werden, gefolgt von einem Stehenlassen in Luft,
und anschließendes Unterwerfen der Stücke einer Anlassbehandlung, in welcher die Stücke
während mindestens 2 Stunden auf 140 bis 180ºC gehalten werden und danach in Luft gekühlt
werden, hergestellt. Vorzugsweise weisen die Walzen 4 dieselbe Oberflächenhärte wie die inneren
und äußeren Ringe 1, 2 auf, nämlich HRC 63 bis 67.
Beispiele (Bedingungen A, B und F gemäß der Erfindung; die Bedingungen C, D, E und G
sind Vergleichsbeispiele)
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Werkstücke von inneren und äußeren Ringen für spitz zulaufende Walzenlager wurden aus
SAE5120-Material mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 Gew.-% hergestellt und verschiedenen
Wärmebehandlungen unterzogen unter Erhalt von sieben Arten von inneren und äußeren Ringen
Nr. 1 bis Nr. 7, welche eine unterschiedliche Oberflächenhärte (HRC) und einen an der
Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt wie in Tabelle 2 aufgeführt aufwiesen.
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Mit Bezug auf die Tabelle 2 beinhaltet die Wärmebehandlungsbedingung A eine gewöhnliche
Aufkohlungs- und Abschreckungsbehandlung, in welcher das Werkstück 5 Stunden lang zur
Aufkohlung auf 930ºC gehalten wurde und anschließend 0,5 Stunden lang zum Abschrecken auf
einer herabgesetzten Temperatur von 850ºC gehalten wurde, eine Vor-Anlaßbehandlung, in
welcher das Werkstück 1 Stunde lang auf 120ºC gehalten wurde und anschließend in Luft gekühlt
wurde, eine Tiefkühlbehandlung, in welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf -70ºC gehalten
wurde und im Anschluss in Luft stehen gelassen wurde, und eine Haupt-Anlaßbehandlung, in
welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf 160ºC gehalten wurde und anschließend in Luft
gekühlt wurde, wobei diese Behandlungen in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden.
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Die Wärmebehandlungsbedingung B ist dieselbe wie die Wärmebehandlungsbedingung A mit
der Ausnahme einer sekundären Härtungsbehandlung, die nach der Aufkohlungs- und
Abschreckbehandlung und vor der Vor-Anlaßbehandlung durchgeführt wurde und bei welcher das
Werkstück 30 Minuten lang auf 830ºC gehalten wurde.
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Die Wärmebehandlungsbedingung C ist dieselbe wie die Wärmebehandlungsbedingung A, mit
der Ausnahme, dass die Vor-Anlaßbehandlung nicht durchgeführt wurde.
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Die Wärmebehandlungsbedingung D ist dieselbe wie die Wärmebehandlungsbedingung A mit
der Ausnahme, dass die Vor-Anlaßbehandlung und die Tiefkühlbehandlung nicht durchgeführt
wurden und das Werkstück für die Haupt-Anlaßbehandlung auf 180ºC gehalten wurde.
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Die Wärmebehandlungsbedingung E ist dieselbe wie die Wärmebehandlungsbedingung B mit
der Ausnahme, dass die Vor-Anlaßbehandlung und die Tiefkühlbehandlung nicht durchgeführt
wurden und das Werkstück für die Haupt-Anlaßbehandlung auf 180ºC gehalten wurde.
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Andererseits wurden spitz zulaufende Werkstücke aus JIS SUJ2-Material hergestellt und
wärmebehandelt durch Unterziehen des Werkstücks zunächst einer üblichen Härtungsbehandlung, in
welcher das Werkstück 30 Minuten lang auf 830ºC gehalten wurde, danach einer
Tiefkühlbehandlung, in welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf -70ºC gehalten wurde und im Anschluß
in Luft stehen gelassen wurde, und danach einer Haupt-Anlaßbehandlung unterzogen wurde, in
welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf 170ºC gehalten wurde und anschließend in Luft
gekühlt wurde.
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Die inneren und äußeren Ringe Nr. 1 bis 7 und die auf diese Weise wärmebehandelten
Walzenlagern mit einer äquivalenten Oberflächenhärte wie diese Ringe wurden zu spitz zulaufenden
Walzenlagern zusammengesetzt, welche im Anschluss auf die B&sub1;&sub0;-Lebensdauer hin in einem
Schmiermittel, das 1,06 g Schnellarbeitsstahlpulver pro Liter davon enthielt, untersucht wurden.
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Die Tabelle 2 zeigt das Resultat zusammen mit der Oberflächenhärte (HRC), dem
zurückerhaltenen Austenitgehalt und dem Oberflächenzonen-Matrix-Kohlenstoffgehalt.
Tabelle 2
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Das Resultat von Tabelle 2 zeigt, dass die die inneren und äußeren Ringe Nr. 1, 2, 3, oder 4
beinhaltenden Lager eine längere Lebensdauer besitzen als die die inneren und äußeren Ringe Nr.
5, 6 oder 7 beinhaltenden.
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Die Fig. 8 zeigt Weibull-Verteilungen, die durch Auftragen der Testdaten bezüglich der die
inneren und äußeren Ringe Nr. 1, 5 oder 6 beinhaltenden Lager auf ein
Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier erhalten werden. In Fig. 8 gibt der numerische Wert neben jeder einzelnen Linie die
Neigung der Linie an.
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Das gezeigte Resultat gibt an, dass das die inneren und äußeren Ringe Nr. 1 einschließende
Lager eine längere Lebensdauer besitzt als die die inneren und äußeren Ringe Nr. 5 oder 6
einschließenden Lager. Es ist ebenfalls zu sehen, dass die Neigung der Weibull-Verteilungslinie der
Testdaten bezüglich des die Nr. -1-Ringe einschließenden Lagers größer ist als die Neigung der
entsprechenden Linie für das die Nr. -6-Ringe einschließende Lager, was ein Hinweis auf
geringere Schwankungen bezüglich der Lebensdauer ist.
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Als Nächstes wurden Werkstücke von inneren und äußeren Ringen für spitz zulaufende
Walzenlager aus SAE5120-Material mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 Gew.-% hergestellt und
verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen unter Erhalt von 65 Arten von inneren und
äußeren Ringen Nr. 8 bis Nr. 72, welche eine unterschiedliche Oberflächenhärte (HRC) und an der
Oberfläche zurückerhaltenen Austenitgehalt (γR: %) wie in Tabelle 3 aufgeführt aufwiesen.
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Die inneren Ringe wurden unter der Wärmebehandlungsbedingung F oder G, wie in Tabelle 3
gezeigt, gebildet und die äußeren Ringe unter der Wärmebehandlungsbedingung H oder G, wie
in Tabelle 3 gezeigt.
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Die Wärmebehandlungsbedingung F ist dieselbe wie die Wärmebehandlungsbedingung A mit
der Ausnahme, dass die Temperatur für die Tiefkühlbehandlung -60ºC war.
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Die Wärmebehandlungsbedingung G ist dieselbe wie die Wärmebehandlungsbedingung A mit
der Ausnahme, dass die Vor-Anlaßbehandlung und die Tiefkühlbehandlung nicht durchgeführt
wurden und das Werkstück für die Haupt-Anlaßbehandlung auf 180ºC gehalten wurde.
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Die Wärmebehandlungsbedingung H beinhaltet eine gewöhnliche Aufkohlungs- und
Abschreckbehandlung, in welcher das Werkstück 5 Stunden lang für die Aufkohlung aus 930ºC gehalten
wurde und im Anschluss 0,5 Stunden lang zum Abschrecken auf einer herabgesetzten
Temperatur von 850ºC gehalten wurde, eine sekundäre Härtungsbehandlung, in welcher das in einer
Presse gehaltene Werkstück auf 900 bis 950ºC erhitzt wurde und unmittelbar nach dem Erhitzen
zur Pressabschreckung abgeschreckt wurde, und eine Haupt-Anlaßbehandlung, in welcher das
Werkstück auf 160ºC gehalten wurde und danach in Luft gekühlt wurde, wobei diese
Behandlungen in der genannten Reihenfolge durchgeführt wurden.
Tabelle 3
Tabelle 3 (Fortsetzung)
Tabelle 3 (Fortsetzung)
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Andererseits wurden spitz zulaufende Walzen-Werkstücke aus JIS SUJ2-Material hergestellt und
wärmebehandelt durch Unterziehen des Werstücks zunächst eine üblichen Härtungsbehandlung,
in welcher das Werkstück 30 Minuten lang auf 830ºC gehalten und gehärtet wurde, danach einer
Tiefkühlbehandlung, in welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf -60ºC gehalten wurde und
im Anschluß in Luft abkühlen gelassen wurde, und danach einer Haupt-Anlaßbehandlung, in
welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf 170ºC gehalten wurde und anschließend in Luft
gekühlt wurde (Wärmebehandlungsbedingung X), wodurch spitz zulaufende Walzen gebildet
wurden. Weitere Werkstücke, welche dieselben waren wie die oben genannten, wurden wärmebehandelt
durch Unterwerfen des Werkstücks zunächst einer üblichen Härtungsbehandlung, in
welcher das Werkstück 30 Minuten lang auf 830ºC gehalten wurde und gehärtet wurde, und
danach einer Haupt-Anlaßbehandlung, in welcher das Werkstück 2 Stunden lang auf 180ºC
gehalten wurde und im Anschluss in Luft gekühlt wurde (Wärmebehandlungsbedingung Y), wodurch
spitz zulaufende Walzen gebildet wurden.
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Die inneren und äußeren Ringe Nr. 8 bis Nr. 27 und die unter der Wärmebehandlungsbedingung
X hergestellten spitz zulaufenden Walzen mit einer äquivalenten Oberflächenhärte wie die Ringe
wurden zu spitz zulaufenden Walzenlagern zusammengesetzt. Weiterhin wurden die inneren und
äußeren Ringe Nr. 28 bis 47 und die unter der Wärmebehandlungsbedingung Y hergestellten
Walzen mit einer äquivalenten Oberflächenhärte wie die Ringe zu spitz zulaufenden
Walzenlagern zusammengesetzt. Diese Lager wurden einem Lebensdauertest unter einer axialen
Belastung von 13,7 kN und einer radialen Belastung von 20,6 kN in einem Schmiermittel, das pro
Liter davon 0,55 g Fremdsubstanz, das einen mittleren Teilchendurchmesser von 27 Mikrometer,
eine maximale Teilchengröße von 50 Mikrometer und eine Härte von HRC 65 aufwies, und 0,55
g Fremdsubstanz, das eine mittlere Teilchengröße von 125 Mikrometer, eine maximale
Teilchengröße von 150 Mikrometer und eine Härte von HRC 60 aufwies, enthielt. Die Fig. 9 zeigt
die Weibull-Verteilungen, die durch Auftragen der Testdaten auf
Weibull-Wahrscheinlichkeitspapier erhalten wurden. In Fig. 9 stehen die kreisförmigen Zeichenmarkierungen für das
unter Verwendung der Lagerringe Nr. 8 bis Nr. 27 erzielte Resultat und die
Zeichenmarkierungen X stehen für das unter Verwendung der Lager Nr. 28 bis Nr. 47 erzielte Resultat.
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Ebenfalls durch den Lebensdauertest ermittelt wurde die Beziehung zwischen der Testzeit und
dem Verhältnis der Fläche der durch den Test erzeugten Vertiefungen in den
Laufbahnoberflächen jedes Paars von inneren und äußeren Ringen zu der gesamten Laufbahnoberfläche. Die
Resultate sind in Fig. 10 gezeigt, in welcher die kreisförmigen Zeichenmarkierungen für das mit
den inneren und äußeren Ringen Nr. 8 bis Nr. 17 erzielte Resultat stehen und die
Zeichenmarkierungen X für das mit den Ringen Nr. 28 bis Nr. 37 erzielte Resultat stehen.
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Als Nächstes wurden die in Tabelle 3 aufgeführten inneren Ringe Nr. 48 bis 51 in einen Schaft
mit variierender Umfangsbelastung eingepasst, während einer vorbestimmten Zeit auf einer
Temperatur von 120ºC gehalten und dann auf ihr Dimensionsschwankungsverhältnis, Δd/d, untersucht,
wobei Δd der Innendurchmesser nach dem Test minus der Innendurchmesser vor dem
Test ist und d der Innendurchmesser vor dem Test ist. Die Fig. 11 zeigt das Resultat.
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Als Nächstes wurden die inneren Ringe Nr. 52 bis Nr. 62 von Tabelle 3 bzgl. der Druckbelastung
auf der große Laufschiene bzw. Steg untersucht. Die Belastung wurde axial zu dem Ring mit
einer Rate von 1 kN/s angewandt. Die Tabelle 4 zeigt das Resultat.
Tabelle 4
Innerer Ring Nr. Druckbelastung (kN)
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52 64,5
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53 53,3
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54 50,1
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55 59,0
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56 63,2
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57 60,3
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58 41,0
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59 52,0
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60 47,3
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61 54,7
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62 42,3
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Als Nächstes wurden die inneren und äußeren Ringe Nr. 63 bis Nr. 67 von Tabelle 3 und die
spitz zulaufenden Walzen, die aus JIS SUJ2-Material gebildet wurden und die durch eine
Wärmebehandlung unter der vorgenannten Wärmebehandlungsbedingung X hergestellt wurden, zu
spitz zulaufenden Walzenlagern zusammengesetzt. Andererseits wurden die inneren und äußeren
Ringe Nr. 68 bis Nr. 72 und die spitz zulaufenden Walzen, die aus JIS SUJ2-Material gebildet
wurden und durch Wärmebehandlung unter der vorgenannten Bedingung Y hergestellt wurden,
zu spitz zulaufenden Walzenlagern zusammengesetzt.
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Diese Lager wurden 30 Minuten lang einlaufen gelassen, wobei Öl unter Zirkulation zugeführt
wurde, wurden anschließend 5 Minuten lang im Ruhezustand belassen, wobei die Zufuhr von Öl
unterbrochen wurde, und anschließend wieder ohne Ölzufuhr in Betrieb genommen, um die für
das Auftreten von Festfressen erforderliche Zeit zu messen. Die Lager wurden auf diese Weise
unter einer axialen Belastung von 3,9 kN bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 5885 U/min
und einer Öltemperatur von 135ºC getestet. Die Fig. 12 zeigt das Ergebnis.
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Die in den Fig. 11 und 12 und in Tabelle 4 angegebenen Resultate machen deutlich, dass,
selbst wenn die inneren und äußeren Ringe eine erhöhte Oberflächenhärte und einen
verminderten zurückerhaltenen Austenitgehalt aufweisen, die Lagerringe zufriedenstellende Eigenschaften
beibehalten ohne eine Verschlechterung hinsichtlich des Dimensionsschwankungsverhältnisses,
der Zähigkeit, der Zeit für das Festfressen etc.