DE102005029404B4

DE102005029404B4 - Vorgespanntes Wälzlager

Info

Publication number: DE102005029404B4
Application number: DE102005029404.9A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Krauß Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2025-06-25
Also published as: DE102005029404A1

Abstract

Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren Lagerelement die Laufbahnen aufweisen, wobei zwischen den Laufbahnen der Lagerelemente Wälzkörper abwälzbar unter Vorspannung aufgenommen sind, wobei wenigstens ein Lagerelement aus gehärtetem Stahl mit örtlich unterschiedlichem Restaustenitgehalt besteht dadurch gekennzeichnet, dass der örtlich unterschiedliche Restaustenitgehalt so eingestellt ist, dass die Vorspannung über die Gebrauchsdauer des Wälzlagers im Wesentlichen konstant bleibt, wobei der Restaustenit nicht gegen spannungsinduzierte Umwandlung stabilisiert ist und dass durch Überrollbeanspruchung im Bereich der Laufbahnen die Umwandlung von Austenit in ein stabiles Gefüge angeregt wird, wobei eine langsame und geringe Volumenzunahme stattfindet, wobei bei gleichzeitigem Materialabtrag an den Laufbahnen und den Wälzkörpern sich beide Effekte aufheben.

Description

Die Erfindung betrifft ein vorgespanntes Wälzlager gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Wälzlager im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Radialwälzlager, wie Rillenkugellager und Zylinderrollenlager, und Linearwälzlager, wie Kugelschienenführungen, Rollenschienenführungen, Kugelbüchsen, Ballsplines und Wälzkörpergewindetriebe.
Derartige Wälzlager sind aus dem Katalog Kugelschienenführungen der Anmelderin bekannt. Diese Linearwälzlager sind in mehreren Vorspannklassen lieferbar, d. h. die Wälzkörper sind zwischen den Laufbahnen des Führungswagens und der Führungsschiene so unter Vorspannung eingebaut, dass sie bis zu einer vorgegebenen äußeren Belastung des Wälzlagers nicht lose werden. Die Vorspannung eines gegebenen Wälzlagers kann beispielsweise anhand seines Verschiebewiderstandes bestimmt werden. Der Zusammenhang zwischen Verschiebekraft und Vorspannung muss zuvor für jeden Wälzlagertyp experimentell ermittelt werden, wobei grundsätzlich gilt, dass eine höhere Vorspannung eine höhere Verschiebekraft zur Folge hat. Hierbei sind andere Reibungseinflüsse wie z. B. Dichtungsreibung möglichst vollständig auszuschließen. Darüber hinaus kann eine Veränderung der Vorspannung anhand der Verformung des Wälzlagers, beispielsweise anhand der Verbiegung der ebenen Montagefläche eines Führungswagens, nachgewiesen werden.
Die Führungsschiene eines Linearwälzlagers wird üblicherweise induktiv randschichtgehärtet und besteht beispielsweise aus einem übereudektoiden Wälzlagerstahl wie 100 Cr 6, 100 CrMo 7 3 oder ähnliche. Es können aber auch untereudektoide Stähle wie C56E2, 43 CrMo4, 70 Mn 4 oder ähnliche zum Einsatz kommen. Die induktive Randschichthärtung, die im Wesentlichen im Bereich der Laufbahnen vorgenommen wird, führt dazu, dass in der Nähe der Laufbahnen ein erhöhter Restaustenitgehalt vorliegt. Um späteren Maßveränderungen durch spannungsinduzierte Umwandlung vorzubeugen, wird dieser Restaustenit regelmäßig mittels einer Anlassbehandlung in stabile Gefüge umgewandelt. Üblicherweise wird dabei ein Restaustenitgehalt von kleiner als 3% Volumenanteil angestrebt, wobei dieser Austenit stabil gegen eine zukünftige Gefügeumwandlung ist.
In den Druckschriften US 6 174 085 B1 , JP 2003-097569 A und DE 100 24 538 A1 sind Wälzlager gezeigt, die einen erhöhten Restaustenitgehalt von 5 bis 26% aufweisen.
Aus der US 6562151 B2 ist auch ein Wälzlager bekannt, dessen Laufbahnoberfläche aus gehärtetem Stahl mit einem Restaustenitgehalt von 15 bis 40% Volumenanteil besteht. Dieser Austenit wird mittels Stickstoff gegen Gefügeumwandlung stabilisiert, um Maßänderungen vorzubeugen, die bei einer spannungsinduzierten Gefügeumwandlung im Betrieb entstehen würden. Mit den hohen Austenitgehalten soll eine erhöhte Dauerfestigkeit des Wälzlagers erreicht werden.
Bei vorgespannten Wälzlagern tritt das Problem auf, dass sowohl die Laufbahnen als auch die Wälzkörper mit der Zeit verschleißen, wodurch die Vorspannung abnimmt. Dieses Problem ist bei Rollenschienenführungen besonders gravierend, weil es dort zu sogenannten Kantenläufern kommen kann. Dabei werden einzelne Rollen aufgrund von Fertigungstoleranzen nur am Rollenrand belastet, wodurch ein erhöhter Verschleiß an den Wälzkörpern und der Laufbahn entsteht. In der Folge nimmt die Vorspannung des Wälzlagers übermäßig ab.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein vorgespanntes Wälzlager gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 anzugeben, bei dem die Vorspannung während des Gebrauchs im Wesentlichen konstant bleibt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der örtlich unterschiedliche Restaustenitgehalt so eingestellt ist, dass die Vorspannung über die Gebrauchsdauer des Wälzlagers im Wesentlichen konstant bleibt, wobei der Restaustenit nicht gegen spannungsinduzierte Gefügeumwandlung stabilisiert ist. Die Überrollbeanspruchung im Bereich der Laufbahnen regt die Umwandlung von Austenit in ein stabiles Gefüge an. Hierbei findet eine geringe Volumenzunahme statt, die abhängig von der Zusammensetzung des Stahls ist und relativ langsam abläuft. Gleichzeitig führt die Überrollbeanspruchung zu Materialabtrag an den Laufbahnen und den Wälzkörpern. Diese beiden Effekte heben sich bei geeigneter Wahl des Restaustenitgehalts auf, wodurch die Vorspannung im Wesentlichen konstant bleibt. Bei lokalen Überbelastungen durch Kantenläufer kann sogar erreicht werden, dass der lokale Verschleiß derart ausgeglichen wird, dass sich ein bezüglich der Lastverteilung optimales Laufbahnprofil selbstständig einstellt.
Versuche der Anmelderin haben ergeben, dass bei einem Linearwälzlager, das im Neuzustand einen Restaustenitgehalt von 26% Volumenanteil aufgewiesen hat, bis zum Lebensdauerende eine Absenkung auf 13% Volumenanteil stattgefunden hat. Bei einem vergleichbaren Linearwälzlager mit einem Restaustenitgehalt im Neuzustand von 13% Volumenanteil fand jedoch nur eine Absenkung auf 11 % Volumenanteil statt. Es wird daher vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Lagerelement randschichtgehärtet ist, wobei der örtlich unterschiedliche Restaustenitgehalt im Bereich der Laufbahnen im Neuzustand des Wälzlagers zwischen 15 und 40% Volumenanteil beträgt. Durch den hohen Restaustenitgehalt wird sichergestellt, dass im Betrieb eine genügend große Menge Austenit spannungsinduziert umgewandelt wird. Durch die Beschränkung auf den Bereich der Laufbahnen wird erreicht, dass nur die Materialspannungen aufgrund der Überrollbeanspruchung eine Umwandlung bewirken. Eine natürliche Umwandlung von Restaustenit in den übrigen Bereichen, die zu unerwünschtem Verzug führen kann, wird hingegen vermieden.
Wie aus der US 6562151 B2 bekannt, ist die Einstellung derart hoher Restaustenitgehalte nur sehr schwer möglich, wenn der Restaustenit nicht durch Zugabe von Stickstoff stabilisiert wird. Der Anmelderin ist es aber gelungen ein derartiges Gefüge durch induktives Härten eines konventionellen Wälzlagerstahls wie z. B. 100Cr6 einzustellen, wobei die Anwärmrate zwischen 300 und 2400 °C/s und die Austenitisierungstemperatur zwischen 1000 und 1200 °C betrug. Anschließend wurde mit Wasser schroff abgeschreckt. Durch die schnellen Temperaturänderungen fand eine Kurzzeitaustenitisierung statt, wodurch die übliche Gleichgewichts-Gefügeumwandlung nicht vollständig ablaufen konnte. In der Folge entstand besonders viel Restaustenit. Der Restaustenitgehalt ist hierbei an der Oberfläche und insbesondere im Bereich der Laufbahn besonders hoch. Dies ist vorteilhaft, weil dann die Volumenzunahme dort besonders groß ist, wo der Verschleiß stattfindet. In jedem Fall muss aber gewährleistet sein, dass die Laufbahnhärte wenigstens 58HRC beträgt, damit das Wälzlager nicht zu schnell verschleißt, wodurch die Lebensdauer sinkt. Die Randschichthärtetiefe muss wenigstens 10% des Wälzkörperdurchmessers betragen, damit der gesamte Bereich, in dem beim Wälzkontakt erhöhte Spannungen auftreten, hart ist. Die Grenze der gehärteten Randschicht ist dabei als der Ort definiert, an dem die Härte 550 HV1 beträgt.
Bei dem beschriebenen Härteverfahren entstehen aber auch verschiedene unerwünschte Gefügebestandteile mit martensitischer Struktur wie z. B. Bainit oder mit Ferrit-Zementit-Struktur wie z. B. Sorbit, Troostit, Hardenit. Diese Gefügebestandteile haben unter anderem eine Versprödung des Werkstoffes zur Folge, die sich lebensdauervermindernd auf das Wälzlager auswirken. Sie müssen deshalb durch eine geeignete Anlassbehandlung stabilisiert werden und zwar ohne dass die hohen Restaustenitgehalte herabgesetzt werden. Es wird daher vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Lagerelement bei einer Temperatur zwischen 200 und 300 °C über 5 bis 20 Stunden angelassen wird. Durch die relativ niedrigen Temperaturen und die lange Anlassdauer werden bevorzugt die unerwünschten Gefügebestandteile umgewandelt. Alternativ zum Anlassen kann auch eine Tiefkühlbehandlung oder eine längere Lagerung des Wälzlagers bei Umgebungstemperatur stattfinden. Die optimale Nachbehandlung ist je nach Werkstoff, Härteparameter und Wälzlagerbauart unterschiedlich und kann nur durch Versuch ermittelt werden. Optimal ist die Nachbehandlung dann, wenn das Wälzlager eine besonders hohe Lebensdauer aufweist.
Bei Versuchen der Anmelderin hat sich gezeigt, dass es nicht sinnvoll ist, den Gefügeanteil an ferritisch-zementitischen Strukturen unter 0,5% Volumenanteil abzusenken, weil sonst die Verminderung des Restaustenitgehalts zu groß wird. Darüber hinaus hat sich ergeben, dass die Lebensdauer eines Wälzlagers, welches mit verschmutztem Schmierstoff betrieben wird, durch ferritisch-zementitische Gefügeanteile erhöht wird.

Claims

Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren Lagerelement die Laufbahnen aufweisen, wobei zwischen den Laufbahnen der Lagerelemente Wälzkörper abwälzbar unter Vorspannung aufgenommen sind, wobei wenigstens ein Lagerelement aus gehärtetem Stahl mit örtlich unterschiedlichem Restaustenitgehalt besteht dadurch gekennzeichnet, dass der örtlich unterschiedliche Restaustenitgehalt so eingestellt ist, dass die Vorspannung über die Gebrauchsdauer des Wälzlagers im Wesentlichen konstant bleibt, wobei der Restaustenit nicht gegen spannungsinduzierte Umwandlung stabilisiert ist und dass durch Überrollbeanspruchung im Bereich der Laufbahnen die Umwandlung von Austenit in ein stabiles Gefüge angeregt wird, wobei eine langsame und geringe Volumenzunahme stattfindet, wobei bei gleichzeitigem Materialabtrag an den Laufbahnen und den Wälzkörpern sich beide Effekte aufheben.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Lagerelement randschichtgehärtet ist, wobei der örtlich unterschiedliche Restaustenitgehalt im Bereich der Laufbahnen im Neuzustand des Wälzlagers zwischen 15 und 40% Volumenanteil beträgt.
Wälzlager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Linearwälzlager ist, wobei das wenigstens eine Lagerelement die Führungsschiene des Linearwälzlagers ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen des wenigstens einen Lagerelements induktiv mit einer Anwärmrate zwischen 300 und 2400 °C/s auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1200 °C erwärmt und anschließend mit Wasser oder einem vergleichbaren Abschreckmittel abgeschreckt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Lagerelement bei einer Temperatur zwischen 200 und 300 °C über 5 bis 20 Stunden angelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Lagerteil im Bereich der Laufbahn eine Oberflächenhärte von mehr als 58 HRC aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Randschichthärtetiefe wenigstens 10% des Wälzkörperdurchmessers beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Lagerteil in der wärmebehandelten Zone Gefügeanteile mit ferritischzementitischer Struktur von mehr als 0,5% Volumenanteil aufweist.