DE10053244A1 - Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Rohlingen für die Verwendung in Wälzlagern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Rohlingen für die Verwendung in WälzlagernInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Rohlingen (4) für die Verwendung in Wälzlagern vorgeschlagen, mit dem die Werkstoffauswahl gegenüber bisherigen Verfahren deutlich vergrößert wird und gleichzeitig Rohlinge (4) hergestellt werden, die im Fertigzustand eine bessere, feinere Oberfläche, ein besseres, homogeneres Gefüge sowie keine vorgeprägte Textur besitzen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Rohlinge (4) aus einem Phasensystem mit einer flüssigen Phase (7), die zerstreut wird, und einem sich anschließenden Übergang der zerstreuten flüssigen Phase (7) gewonnen werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
kugelförmigen Rohlingen für die Verwendung in Wälzlagern nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bislang wird der Rohling für eine Lagerkugel in Wälzlagern
durch Abscheren von einem gezogenen Draht entsprechenden
Durchmessers hergestellt. Die kugelnahe Formgebung der
Rohlinge wird mittels mehrstufiger Kaltfließpress-Verformung
und nachfolgenden Schleif- und Polierarbeitsgängen,
beispielsweise in Kugelmühlen, vorgenommen.
Diese Vorgehensweise beinhaltet verschiedene Nachteile. So
können einerseits beim Kaltfließpressen Fremdstoffe wie
beispielsweise Oxide eingebettet sowie Falten gebildet
werden. Insbesondere können hierbei in den Rohlingen sowohl
Mikrorisse als auch nachteilige Texturveränderungen erzeugt
werden, so dass besonders die Haltbarkeit und die Laufruhe
der Wälzkugeln herabgesetzt wird.
Andererseits ist dieses Verfahren nicht für alle Werkstoffe
möglich, die für Kugeln interessant wären. Beispielsweise
neigt der als korrosionsbeständige Wälzlagerstahl bekannte
und bewährte Werkstoff 1.4125 zu inhomogener
Karbidverteilung, so dass sich Bereiche mit hoher Härte und
Bereiche mit niedriger Härte bilden. Hierdurch wird das
makroskopisch sichtbare Phänomen der "Orangenhaut" erzeugt,
insbesondere auf feinst bearbeiteten Oberflächen wie zum
Beispiel in der Laufrille. Das hat wiederum Nachteile für das
Kugellager wie beispielsweise stärkere Vibrationen, höhere
Geräusche oder größerer Verschleiß. Für diesen Stahl kann
beispielsweise derzeit weder eine homogene Schmelze
fertigungstechnisch zuverlässig hergestellt werden noch
können die Karbidanhäufungen aus der erstarrten Schmelze
durch nachträgliches Erhitzen mit anschließender gezielter
Abkühlung aufgelöst werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren zur
Herstellung von kugelförmigen Rohlingen für die Verwendung in
Wälzlagern vorzuschlagen, mit dem die Werkstoffauswahl
gegenüber bisherigen Verfahren deutlich vergrößert wird und
gleichzeitig Rohlinge hergestellt werden, die im
Fertigzustand eine bessere, feinere Oberfläche, ein besseres,
homogeneres Gefüge sowie keine vorgeprägte Textur besitzen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der
einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung von kugelförmigen Rohlingen für die
Verwendung in Wälzlagern dadurch aus, dass die Rohlinge aus
einem Phasensystem mit einer zerstreuten flüssigen Phase
gewonnen werden, wobei vorzugsweise ein Übergang von der
flüssigen Phase in einen viskosen, noch vergleichsweise
einfach umformbaren Zustand oder in eine feste Phase
vorgesehen wird. Dieser Übergang kann sowohl
temperaturabhängig als auch temperaturunabhängig realisiert
werden.
Mit dieser Vorgehensweise können Rohlinge gleicher chemischer
Zusammensetzung hergestellt werden, die ein sehr feinkörniges
und gleichmäßiges Gefüge ohne vorgeprägte Textur,
insbesondere an der Oberfläche der erfindungsgemäßen Rohlinge
besitzen, so dass sich dies auf die Eigenschaften der
Wälzkugeln besonders vorteilhaft auswirkt wie beispielsweise
auf die Standzeit und auf die Laufruhe der Kugeln.
Aus diesem Grund wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine erweiterte Werkstoffauswahl möglich, so dass als
zerstreute flüssige Phase ein Werkstoff aus der Gruppe der
Metalle, Keramik, Gläser, Hartmetalle, Cermets, metallische
Gläser, Kunststoffe oder entsprechender Verbundwerkstoffe
verwendet werden kann. So können beispielsweise Stähle, die
zu Gefügen mit inhomogener Karbidverteilung neigen, für die
Herstellung erfindungsgemäßer Rohlinge verwendet werden.
Hierbei bleibt das Gefüge feinkörnig und gleichmäßig,
unabhängig von der Anzahl der Werkstoffzusätze und/oder der
Werkstückgröße. Weiterhin entfällt die Herstellung sowie die
aufwendige, mehrstufige Kaltfließpress-Verformung der
Vorprodukte, so dass eine erhebliche Verringerung der
Arbeitsschritte zur Herstellung von kugelförmigen Rohlingen
erreicht wird. Auch können Werkstoffe zur Kugelherstellung
verwendet werden, die nicht zur Kaltfließpress-Verformung
geeignet sind.
Unter Verwendung eines gasförmig/flüssig und/oder
flüssig/flüssig Phasensystems können die
Werkstoffeigenschaften der Rohlinge in vorteilhafter Weise
gesteuert werden. Beispielsweise können durch Beeinflussung
der Umgebungsbedingungen, insbesondere mittels einer
Stickstoff- und/oder Kohlenstoffatmosphäre, oxidfreie
Rohlinge und/oder kohlenstoffangereicherte
Rohlingsoberflächen hergestellt werden.
Vorteilhafterweise wird für die flüssige Phase ein erhitzter
Werkstoff verwendet, der wenigstens bis zum "teigigen", noch
umformbaren Zustand bzw. bis zum Erstarren abgekühlt wird, so
dass besonders mittels Steuerung der Temperaturgradienten des
Phasensystems das Gefüge der Rohlinge in vorteilhafter Weise
gesteuert wird, beispielsweise können bei entsprechenden
Metallen härtere Gefüge und/oder sogar metallische Gläser
erzeugt werden.
Vorteilhafterweise wird der Phasenübergang in einem
Schwebezustand der Rohlinge vorgesehen, so dass eine
möglichst kugelnahe Formgebung der Rohlinge hergestellt wird.
Vorteilhafterweise ist der Schwebezustand der Rohlinge in
einer Gasphase und/oder in einer flüssigen Phase vorgesehen,
wobei besonders die Oberfläche der Rohlinge in vorteilhafter
Weise verändert werden kann. So können beispielsweise
Substanzen in die Oberfläche eingebracht oder die Rohlinge
von Verunreinigungen befreit werden, so dass sich die
Rohlingseigenschaften in vorteilhafter Weise verbessern.
Für den Einsatz der Rohlinge in Wälzlagern kann eine
Sinterbehandlung, ein heißisostatisches Pressen (Hippen) oder
ein vergleichbares Verfahren vorgesehen werden.
Vorteilhafterweise werden die Rohlinge zum Einsatz in
Wälzlagern nachbearbeitet, insbesondere so, dass die Rohlinge
nach unterschiedlichen Abmessungen getrennt werden. Hiermit
werden die Rohlinge gleicher Abmessungen für den gemeinsamen
Einsatz in einem Wälzlager vorbereitet. Vorteilhafterweise
werden die Rohlinge während des Phasenüberganges selektiert,
so dass sich der Herstellungsprozess der Wälzlagerkugeln
zusätzlich vereinfacht. In einer vorteilhaften Ausführung
werden die Rohlinge, beispielsweise mittels Verfahren, bei
denen die Rohlinge eine selektierende Flug- und/oder
Laufstrecke zurücklegen oder mittels selektierender Schwimm-
und/oder Schweb-Verfahren getrennt.
Zu einer anderen vorteilhaften Ausführungsform werden die
Rohlinge nach dem Phasenübergang selektiert, beispielsweise
mittels Sieben und/oder Zentrifugieren der Rohlinge.
Vorteilhafterweise werden die Rohlinge mittels mechanischer
Verfahren nachbearbeitet, so dass sich diese einer idealen
Kugelform noch weiter annähern. Beispielsweise kann hierbei
das Mahlen, Rollieren, Schleifen, Honen, Läppen oder Polieren
der Rohlinge vorgesehen werden.
Die Rohlinge können mittels Oberflächenbehandlung derart
bearbeitet werden, dass sich die Oberfläche der Rohlinge in
vorteilhafter Weise verändert. Beispielsweise können hierfür
chemische oder elektrochemische sowie physikalische Verfahren
vorgesehen werden, wobei insbesondere ein Härten, Belegen
oder Beschichten der Rohlinge vorgesehen wird.
Durch erfindungsgemäß gewonnene Rohlinge können Wälzkugeln,
z. B. durch die oben angeführten Maßnahmen gefertigt werden,
die verbesserte Werkstückeigenschaften aufweisen wie
beispielsweise erhöhte Standzeiten, verminderte Vibrationen
oder reduzierte Geräuschentwicklung im Betrieb.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen
Fig. 1 das Zerstreuen des flüssigen Werkstoffes in
eine Gasphase hinein in schematischer
Darstellung,
Fig. 2 das Zerstreuen des flüssigen Werkstoffes in
eine flüssige Phase hinein in schematischer
Darstellung und
Fig. 3 ein Blockdiagramm des Verfahrensablaufs vom
flüssigen Werkstoff bis zur Wälzkugel.
Fig. 1 zeigt wie ein flüssiger Werkstoff 1 aus einem
Vorratsbehälter 2 in eine Vorrichtung 3 geschüttet wird, in
der der flüssige Werkstoff beispielsweise mittels geeigneter
strömungstechnischer Geometrien sowie vorteilhafterweise
unter Zuhilfenahme von Stickstoff in kleinste oxidfreie
Tröpfchen 7 verdüst wird. Weiterhin zeigt Fig. 1, dass diese
Tröpfchen 7 unter atmosphärischen Bedingungen nach unten
fallen und während dieser Phase als kugelförmige Partikel 8
wenigstens bis zum viskosen, noch umformbaren Zustand
abkühlen bzw. vollständig erstarren. Diese werden durch einen
Behälter 5, der unten an der Vorrichtung 3 angebracht ist,
als kugelförmige Rohlinge 4 aufgefangen oder einem
nachgeschalteten Prozess zur Optimierung der Geometrie
unterzogen. Die erstarrten Rohlinge werden zur
Nachbearbeitung weiter geleitet.
Dieser Prozess kann beispielsweise als pulvermetallurgischer
Herstellungsprozess für Stähle ausgeführt werden. So kann
insbesondere der als korrosionsbeständiger Wälzlagerstahl
bekannte und bewährte Werkstoff 1.4125, der zu Gefügen mit
inhomogener Karbidverteilung neigt, für diesen
Herstellungsprozess verwendet werden, wobei hiermit ein sehr
feinkörniges und gleichmäßiges Gefüge in den einzelnen
Partikeln erzeugt wird. Das sehr feinkörnige und gleichmäßige
Gefüge ist hierbei weitestgehend unabhängig von der Anzahl
der zugesetzten Legierungsbestandteile sowie der
Partikelgröße.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hierbei wird
wiederum ein flüssiger Werkstoff 1 aus einem Vorratsbehälter
2 in eine Vorrichtung 3a geschüttet, in der der flüssige
Werkstoff 1 beispielsweise mittels geeigneter
strömungstechnischer Geometrien sowie vorteilhafterweise
unter Zuhilfenahme von Stickstoff in kleinste oxidfreie
Tröpfchen 7 verdüst wird. Weiterhin zeigt Fig. 1, dass diese
Tröpfchen 7 jedoch direkt in eine Flüssigkeit mit dem Pegel 6
hinein verdüst werden, verhältnismäßig langsam nach unten
sinken und während dieser Phase wiederum als kugelförmige
Partikel 8 erstarren. Diese werden mittels der Vorrichtung 3a
als kugelförmige Rohlinge 4 aufgefangen und zur
Nachbearbeitung weiter geleitet.
In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die
Viskosität der Flüssigkeit vorteilhafterweise so verändert
werden, dass die Sinkgeschwindigkeit an die Erstarrungsphase
der Partikel angepasst werden kann.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des gesamten
Verfahrensablaufs von einem flüssigen Werkstoff 1 bis zu
einer fertigen Wälzkugel dargestellt. In dieser Ausführung
wird der flüssige Werkstoff beispielsweise mittels geeigneter
strömungstechnischer Geometrien sowie vorteilhafterweise
unter Zuhilfenahme von Stickstoff zerstreut, so dass
oxidfreie Partikel gebildet werden.
Wird hierbei beispielsweise ein Stahl wie in Fig. 1
beschrieben verwendet, so kühlt der Stahl beim Herunterfallen
soweit ab, dass er zu Pulver beziehungsweise kugelförmigem
Granulat erstarrt. Dieses wird in einem Behälter 5
aufgefangen und anschließend nach unterschiedlichen
Abmessungen mit einem Sieb getrennt. Danach werden die
Rohlinge, die eine bestimmte Abmessungsbandbreite besitzen,
beispielsweise einer oder mehreren Mühlen zugeführt.
Alternativ kann zwischen dem Sieben und dem Mahlen der
Rohlinge ein Sintern und/oder heißisostatischer Prozess (Hip-
Prozess) vorgesehen werden.
Anschließend werden die Rohlinge mittels Mahlen, Rollieren,
Schleifen, Honen, Läppen und/oder Polieren in eine kugelnahe
Form gebracht und einer Verwendung in Wälzlagern,
insbesondere in Miniaturkugellagern, zugeführt.
1
Werkstoff
2
Vorratsbehälter
3
Vorrichtung
4
Rohlinge
5
Behälter
6
Pegel
7
zerstreute flüssige Phase
8
zerstreute feste Phase
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Rohlingen
(4) für die Verwendung in Wälzlagern, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass die Rohlinge (4) aus einem
Phasensystem mit einer zerstreuten flüssigen Phase (7)
gewonnen werden, wobei ein sich anschließender Übergang der
zerstreuten flüssigen Phase (7) vorgesehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Übergang der zerstreuten flüssigen Phase (7) in eine
feste, erstarrte Phase (8) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Übergang der zerstreuten flüssigen
Phase (7) in einen viskosen, noch umformbaren Zustand (8)
erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als zerstreute flüssige Phase (7) ein
Werkstoff aus der Gruppe der Metalle, Keramik, Gläser,
Hartmetalle, Cermets, metallische Gläser, Kunststoffe oder
entsprechender Verbundwerkstoffe verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein gasförmig/flüssig und/oder ein
flüssig/flüssig Phasensystem verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass für die flüssige Phase (1) ein erhitzter
Werkstoff (1) verwendet wird, der wenigstens bis zum
viskosen, noch umformbaren Zustand bzw. bis zum Erstarren
abgekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Übergang in einem Schwebezustand der
Rohlinge (4) oder in einem dem Schwebezustand
nachgeschalteten Prozess zur Optimierung der Geometrie des
Rohlings erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schwebezustand der Rohlinge (4) in
einer Gasphase und/oder in einer flüssigen Phase vorgesehen
wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohlinge (4) nachbearbeitet werden.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohlinge (4) nach unterschiedlichen
Abmessungen getrennt werden.
11. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohlinge (4) während des
Phasenüberganges selektiert werden.
12. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohlinge (4) nach dem Phasenübergang
selektiert werden.
13. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohlinge (4) mittels mechanischer
Verfahren bearbeitet werden.
14. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohlinge (4) mittels
Oberflächenbehandlung bearbeitet werden.
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