DE102005060113B4

DE102005060113B4 - Radlager sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005060113B4
Application number: DE102005060113.8A
Authority: DE
Inventors: Karl-Ludwig Grell; Walter Götz; Ernst Strian
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2025-12-17
Also published as: DE102005060113A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings des Radlagers eines Radlagers aufweisend folgende Verfahrensschritte: – Kaltformen (Tiefziehen) eines Lagerrings aus einem GKZ-geglühten und aus einem eutektoiden oder leicht übereutektoiden Stahlwerkstoff bestehenden Bandstahl (Stahlblech), – Härten des Lagerrings durch selektiv gesteuertes Erwärmen und Halten des Lagerrings auf einer Austenitisierungstemperatur zur Erzeugung definierter Austenitisierungsgrade und durch selektiv gesteuertes Abschrecken des Lagerrings zur definierten Martensitbildung im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen, – Anlassen des Lagerrings, und – mechanische Endbearbeitung des Lagerrings, – dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer laufbahnseitigen Randschicht induktiv gehärtet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Radlager sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Lagerringen, beispielsweise von einem Außenring eines Radlagers mit einem zylindrischen Abschnitt mit Wälzkörperlaufbahnen und einem endseitigen Flanschbereich.
Hintergrund der Erfindung
Radlager werden bekanntermaßen zur Lagerung von Fahrzeugrädern verwendet und sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Nur beispielhaft wird hier auf die US 3,757,883 hingewiesen. Solche Radlager sind als einreihige oder mehrreihige Wälzlager ausgebildet, bei denen zwischen wenigstens einem äußeren Lagerring und wenigstens einem inneren Lagerring in jeder Reihe Wälzkörper umfangsverteilt angeordnet sind. Es sind aber auch Radlager bekannt, bei denen eine oder alle Innenlaufbahnen der Wälzkörper nicht an solchen Lagerringen, sondern direkt auf einer in dem Radlager gelagerten Radnabe ausgebildet sind.
Da die Radlager über der Lebensdauer eines Fahrzeuges vergleichsweise hohen Belastungen ausgesetzt sind, kommt den Materialeigenschaften der Wälzkörper und insbesondere denen der Lagerringe eine wichtige Bedeutung zu.
Vor allem bei Fahrzeugen, die nicht nur für den Verkehr auf befestigten Straßen vorgesehen sind, also bei sogenannten Geländefahrzeugen, ist ein darüber hinaus gehender verstärkter Verschleiß nicht auszuschließen.
Während daher die Laufbahnen der Lagerringe, auf denen die Wälzkörper abrollen, nach Möglichkeit besonders verschleißfest und damit üblicherweise mit vergleichsweise großer Werkstoffhärte auszubilden sind, wird für den Flanschbereich der Lagerringe, der zur Befestigung beispielsweise an einem Radträger oder an einer Radnabe dient, und für den Übergangsbereich zwischen dem zylindrischen Abschnitt und dem Flanschbereich eher ein zähes Werkstoffverhalten gewünscht.
Während es für die Herstellung einfacher Wälzlager schon seit geraumer Zeit bekannt ist, deren Lagerringe durch Kaltverformung, wie Tiefziehen, aus einem Stahlband oder Stahlblech herzustellen, ist dies aufgrund der besonderen Bauart und der höheren Belastung von Radlagern bei der Herstellung deren Lagerringe bisher nicht möglich. Vielmehr werden die Lagerringe der Radlager bislang durch Schmieden eines Rohlings aus einem Stahlstab oder aus einem Stahlwürfel, bevorzugt aus den Stahlsorten 100Cr6, Cf53, und Ck60, warmgeschmiedet. Dies bedingt jedoch, neben dem insgesamt aufwendigen Herstellungsprozess mit den bekannten Nachteilen, wie bspw. dem Verzundern der Oberfläche, einer relativ ungenauen Kontur und einer ungünstige Faserorientierung, eine erforderliche intensive mechanische Endbearbeitung mit einem hohen Materialabtrag und dem möglichen Anschneiden sowie Durchschneiden von Werkstofffasern des Stahlrohlings. Demzufolge müssen die Lagerringe der Radlager zur Erzielung der gewünschten Dauerfestigkeit bislang mit entsprechend großer Wandstärke ausgeführt werden, was nachteilig zu großen Abmessungen und zu einem hohen Gewicht der Radlager führt.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Radlager sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzustellen, dessen wenigstens einer Innenring und/oder wenigstens einer Außenring unter Einhaltung der oben genannten Werkstoffeigenschaften und der erforderlichen Dauerfestigkeit kompakter und kostengünstiger herstellbar ist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Radlagers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Radlager gemäß den Merkmalen des Anspruchs 19.
Demnach ist das Verfahren zur Herstellung eines Radlagers, insbesondere eines Lagerrings des Radlagers, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

– Kaltformen (Tiefziehen) eines Lagerrings aus einem GKZ-geglühten und aus einem eutektoiden oder leicht übereutektoiden Stahlwerkstoff bestehenden Bandstahl (Stahlblech),
– Härten des Lagerrings durch selektiv gesteuertes Erwärmen und Halten des Lagerrings auf einer Austenitisierungstemperatur zur Erzeugung definierter Austenitisierungsgrade und durch selektiv gesteuertes Abschrecken des Lagerrings zur definierten Martensitbildung, insbesondere im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen,
– Anlassen des Lagerrings, und
– mechanische Endbearbeitung des Lagerrings
– und dass der Lagerring nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer laufbahnseitigen Randschicht induktiv gehärtet wird.

Durch die Kaltumformung aus dem aus einem dafür geeigneten Stahlwerkstoff bestehenden Bandstahl mit einer Dicke von 2,5 mm bis zu 6,0 mm entsteht ein Lagerring mit hoher Formgenauigkeit und glatter Oberfläche, die durch die Oberfläche des ursprünglichen Bandstahls gebildet wird. Die erstarrungsbedingt im Inneren des Bandstahls konzentrierten Verunreinigungen können somit nicht, wie bei der Herstellung durch Schmieden, an die Oberfläche des Lagerrings gelangen und daher bei der mechanischen Endbearbeitung nicht angeschnitten werden. Dies führt in Verbindung der Faserorientierung des Kaltbandes mit der Wärmebehandlung durch das Härten und das nachfolgende Anlassen zu einer erhöhten Dauerfestigkeit, die eine Reduzierung der Wandstärke des Lagerrings und somit geringere Abmessungen und eine deutliche Gewichtseinsparung des Radlagers ermöglicht.
Das Härten erfolgt dabei durch selektive, also innerhalb des Lagerrings lokal und in ihrem Zeitverlauf unterschiedliche Erwärmung zur Erzielung unterschiedlicher Austenitisierungsgrade, d. h. der Umwandlung von α-Eisen in γ-Eisen und der Lösung des Kohlenstoffs aus den in dem Stahlwerkstoff enthaltenen Eisenkarbiden, sowie durch selektives, also innerhalb des Lagerrings lokal und in seinem Zeitverlauf unterschiedliches Abschrecken zur Erzielung unterschiedlicher Martensitbildung, d. h. einer tetragonalen Verspannung des α-Gitters, und damit unterschiedlicher Härtegrade und Eigenspannungen innerhalb des Lagerrings. Letztendlich wird durch eine zeitlich gesteuerte Erwärmung und Abschreckung von außen nach innen, im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen bevorzugt von der Laufbahnseite her, eine hohe Härte und hohe Druckeigenspannungen in der Randschicht, insbesondere in der Oberfläche der Wälzkörperlaufbahnen, erreicht, wogegen die Kernzone relativ weich und zäh bleibt.
In der erfindungsgemäßen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der Lagerring nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer laufbahnseitigen Randschicht induktiv gehärtet wird. Hierdurch wird gezielt die erforderliche hohe Härte in den Wälzkörperlaufbahnen erreicht, und die übrigen Bereiche des Lagerrings, wie der Kernbereich des Lagerrings, die Außenwand auf der Gegenlaufbahnseite des zylindrischen Abschnittes und des Flanschabschnittes sowie des Übergangsbereichs zwischen diesen bleibt relativ weich und zäh, welches zu einer hohen Dauerfestigkeit des Radlagers führt. Nachteilig an dieser Verfahrensvariante ist unter Umständen eine zu weiche Oberfläche auf der Gegenlaufbahnseite eines Außenrings, wenn dieser mit einer hohen Presspassung in eine Radnabe eingesetzt wird, wobei der Stahlwerkstoff unter ungünstigen Bedingungen fließen kann. Bei dieser Verfahrensvariante wird im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen an der Oberfläche eine Härte von 60 bis 64 HRC und Druckeigenspannungen von über 150 MPa erzielt, wogegen auf der Gegenlaufbahnseite Zugeigenspannungen von etwa 100 MPa zu verzeichnen sind.
In einer Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der Lagerring in einem Durchlaufhärteofen auch komplett durchgehärtet werden kann, wodurch die Oberflächenhärte im gesamten Lagerring in etwa gleich hoch ist. In diesem Fall kann die insbesondere in den Wälzkörperlaufbahnen erforderliche hohe Härte dadurch gesteigert werden, dass in dem Durchlaufhärteofen zusätzlich eine Gas-Aufkoh-lung oder eine Gas-Carbonitrierung der Randschicht des Lagerringes mit einer Diffusionstiefe von 10 μm bis 300 μm, bevorzugt von 30 μm bis 100 μm, durchgeführt wird. Bei dieser Verfahrensvariante wird im gesamten Bauteil an der Oberfläche eine Härte von 60 bis 64 HRC und Druckeigenspannungen von über 100 MPa erzielt.
Besonders bevorzugt wird daher eine weitere Verfahrensvariante, bei welcher der Lagerring ebenfalls nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen induktiv gehärtet, jedoch über den Querschnitt durchgehärtet wird, und somit die Oberflächen des zylindrischen Abschnittes sowohl auf der Laufbahnseite als auch auf der Gegenlaufbahnseite eine ausreichend hohe Härte aufweisen. Bei dieser Verfahrensvariante wird im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen auf der Laufbahnseite und der Gegenlaufbahnseite jeweils eine Härte von 60 bis 64 HRC und Druckeigenspannungen von über 150 MPa an der Oberfläche erzielt.
Bei den beiden mit Induktionshärtung arbeitenden Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass die Erwärmung des Lagerrings mittels die Wälzkörperlaufbahnen überdeckender und mit einer Induktionsfrequenz von 10 kHz bis 50 kHz betriebener magnetischer Induktoren von der Laufbahnseite her erfolgt. Insbesondere bei der letztgenannten Verfahrensvariante kann die Erwärmung des Lagerrings jedoch zusätzlich auch mittels die Wälzkörperlaufbahnen überdeckender magnetischer Induktoren von der Gegenlaufbahnseite her erfolgen.
Hinsichtlich der Induktionsfrequenz der magnetischen Induktoren ist vorzugsweise vorgesehen, dass diese während des Erwärmungsintervalls variiert und somit die selektive Austenitisierung gesteuert und die gewünschten späteren Werkstoffeigenschaften erzielt werden, wobei bekanntlich die Eindringtiefe des durch die Induktoren erzeugten elektromagnetischen Feldes durch eine Absenkung der Induktionsfrequenz und die dadurch erzeugbare Temperatur durch eine Erhöhung der Induktionsfrequenz gesteigert wird.
Bei allen drei Verfahrensvarianten erfolgt die Abschreckung des Lagerrings, insbesondere im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen, bevorzugt mittels einer eine Kühlemulsion abgebenden Brause von der Laufbahnseite her, da somit an der entsprechenden Oberfläche die höchstmögliche Abkühlgeschwindigkeit und somit der höchste Härtegrad erzielt wird. Insbesondere in der dritten Verfahrensvariante kann die Abschreckung des Lagerrings, bevorzugt im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen, zusätzlich auch von der Gegenlaufbahnseite her mittels einer eine Kühlemulsion abgebenden Brause erfolgen, so dass auch in diesem Bereich die für eine Einpressung in eine Radnabe erforderliche Härte auf einfache Weise erreicht werden kann.
Für den Innenring und/oder den Außenring des Radlagers wird die Stahlsorte 75Cr1, 80Cr2 oder ein aus der Stahlsorte 80Cr2 weiterentwickelter Stahlwerkstoff verwendet. Dieser eutektoide oder leicht übereutektoide Stahlwerkstoff weist mehr als 0,7%, bevorzugt zwischen 0,74% und 0,83% Kohlenstoff, wenigstens 0,3%, bevorzugt 0,5% Chrom, 0,02% bis 0,04% Aluminium, sowie maximal 0,15% Kupfer auf. Der Kupferanteil, durch den die Sprödigkeit des Stahlwerkstoffs erhöht und somit dessen Kaltverformbarkeit verschlechtert wird, dient auch als Indikator für weitere unerwünschte, im allgemeinen nicht genannte Metallbeimischungen, wie z. B. von Blei und Antimon, und kann zusammen mit diesen durch eine Reduzierung des Schrottanteils bei der Rohstahlerzeugung verringert werden.
Der Silizium-Gehalt des Stahlwerkstoffs sollte relativ zum Mangan-Gehalt auf ein Verhältnis von 1:1 bis 1:2 eingestellt sein. Beispielsweise kann der Silizium-Anteil 0,1% bis 0,5% und der Mangan-Anteil 0,3% bis 1% betragen. Zur Erhöhung der Zähigkeit ist jedoch der Silizium-Anteil bevorzugt auf über 0,3% und der Mangan-Anteil bevorzugt auf über 0,55% eingestellt.
Zur Verbesserung der Kaltverformbarkeit des Stahlwerkstoffs ist bevorzugt der Schwefel-Anteil auf einen Wert von maximal 0,01% und der Phosphor-Anteil auf einen Wert von maximal 0,015% abgesenkt. Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass der Restaustenitanteil des Stahlwerkstoffs 5% bis 20% bei einer Austenitkorngröße von kleiner als 10 μm beträgt. Des Weiteren sollte der Stahlwerkstoff für die Lagerringe des Radlagers so eingestellt sein, dass dessen Plastifizierungsanteil mindestens 0,8% der Bruchdehnung bei einer Härte von mindestens 60 HRC beträgt.
Zur Steigerung der Dauerfestigkeit können die Lagerringe mechanisch, beispielsweise durch Kugelstrahlen, oder thermomechanisch, z. B. mit einem Laserimpulsverfahren, randverfestigt werden, wodurch eine Steigerung der Druckeigenspannungen bis in eine Tiefe von 100 μm auf 200 MPa bis zu 500 MPa möglich ist.
Eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und damit der Betriebssicherheit des Radlagers lässt sich erreichen, wenn zusätzlich eine galvanische Zn-Legierungsschicht von 1 μm bis 10 μm Dicke, bevorzugt mit Cr_VI-freier schwarzer Passivierung auf die Lagerringe aufgetragen wird.
Schließlich ist für die derart hergestellten Lagerringe eine nur glättende Finish-Bearbeitung vorgesehen, bei welcher der Materialabtrag bis maximal 30 μm, vorzugsweise 3 μm bis 15 μm beträgt. Somit werden weder Verunreinigungen bzw. Materialfasern angeschnitten noch die Oberfläche der Lagerringe mechanisch, z. B. durch die Erhöhung der Rauhtiefe, oder thermisch, beispielsweise in Form von Schleifbrand, geschädigt.
Das gemäß dem genannten Verfahren hergestellte Radlager verfügt über wenigstens einen Innenring und/oder wenigstens einen Außenring sowie über Wälzkörper, die auf Wälzkörperlaufbahnen der Innen- und/oder Außenringe abwälzen, wobei der wenigstens eine Innenring und/oder der wenigstens eine Außenring aus einem GKZ-geglühten eutektoiden oder leicht übereutektoiden Bandstahl kaltgeformt, selektiv gehärtet und angelassen ist.
Der Innenring und/oder der Außenring kann entsprechend den vorbeschriebenen Verfahrensvarianten komplett durchgehärtet sein, nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer laufbahnseitigen Randschicht gehärtet sein, oder nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen über den Querschnitt durchgehärtet sein. Im Gegensatz zu dem ersten Fall bleibt in den beiden letztgenannten Fällen ein Flanschabschnitt eines vorbezeichneten Lageraußenrings hinsichtlich seiner Werkstoffeigenschaften vorteilhaft zäh.
Als Werkstoff für die Herstellung des Innenrings und/oder des Außenrings ist bevorzugt die Stahlsorte 75Cr1, 80Cr2, oder ein aus der Stahlsorte 80Cr2 weiterentwickelter Stahlwerkstoff vorgesehen. Demzufolge besteht der Innenring und/oder der Außenring aus einem Stahlwerkstoff mit mehr als 0,7%, bevorzugt zwischen 0,74% und 0,83% Kohlenstoff, wenigstens 0,3%, bevorzugt 0,5% Chrom, 0,02% bis 0,04% Aluminium sowie maximal 0,15% Kupfer.
In der Stahllegierung des Innenrings und/oder des Außenrings stehen der Silizium-Gehalt und der Mangan-Gehalt bevorzugt im Verhältnis von 1:1 bis 1:2 zueinander. Entsprechend ist vorgesehen, dass der Innenring und/oder der Außenring einen Silizium-Anteil von 0,1% bis 0,5%, zur Erhöhung der Zähigkeit jedoch bevorzugt von über 0,3%, und einen Mangan-Anteil von 0,3% bis 1%, zur Erhöhung der Zähigkeit jedoch bevorzugt von über 0,55%, aufweist.
Zur Verbesserung der Kaltverformbarkeit kann der Innenring und/oder der Außenring zudem einen abgesenkten Schwefel-Anteil von maximal 0,01% und einen abgesenkten Phosphor-Anteil von maximal 0,015% aufweisen.
Des Weiteren wird es zur Lösung der gestellten technischen Aufgabe als vorteilhaft erachtet, wenn in dem Stahlwerkstoff zur Herstellung des Innenrings und/oder des Außenrings ein Restaustenitanteil von 5% bis 20% bei einer Austenitkorngröße von kleiner als 10 μm besteht.
Zur Steigerung der Dauerfestigkeit ist der Innenring und/oder der Außenring vorteilhaft an seiner Oberfläche mechanisch oder thermomechanisch verfestigt, was z. B. durch Kugelstrahlen erfolgt sein kann.
Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und damit der Betriebssicherheit des Radlagers ist zweckmäßig vorgesehen, dass zumindest einer der Lagerringe mit einer galvanischen Zn-Legierungsschicht von 1 μm bis 10 μm Dicke, bevorzugt mit Cr_VI-freier schwarzer Passivierung versehen ist.
Schließlich weist der wenigstens eine Lagerring vorteilhaft eine Oberfläche auf, die durch eine glättende Finish-Bearbeitung mit einem Materialabtrag von maximal 30 μm, vorzugsweise von 3 μm bis 15 μm, erzeugt worden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen komplett durchgehärteten Außenring eines Radlagers;
2 einen nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer Randschicht gehärteten Außenring eines Radlagers, und;
3 einen Lageraußenring eines Radlagers, bei dem nur ein zylindrischer Abschnitt im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen vollständig durchgehärtet ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Aufbau eines Radlagers mit seinen Lagerringen und Wälzkörpern ist an sich bekannt und eingangs kurz beschrieben worden. Zur besseren Darstellung des für die Erfindung Wesentlichen ist in den 1 bis 3 nur ein Lageraußenring dargestellt. Es versteht sich für einen Fachmann in Kenntnis der Erfindung von selbst, dass auch ein Lagerinnenring gemäß der Erfindung hergestellt sowie ausgebildet sein kann. Demzufolge wird auch die Herstellung eines Innenrings durch die Erfindung beansprucht.
Demnach zeigt 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Außenring 1 eines Radlagers, mit einem weitgehend zylindrischen Abschnitt 2, in dessen zum einen hier nicht dargestellten Lagerinnenring bzw. zu einer Radlagerachse weisenden Seite Wälzkörperlaufbahnen 5 und 6 ausgebildet sind. An einem axialen Ende des Lageraußenrings 1 ist ein Flanschbereich 3 einstückig angeformt, in dem eine Bohrung 4 für eine Befestigungsschraube zur Befestigung an einer Radnabe vorhanden ist. Wie 1 im Querschnittsbereich durch die Schraffierung verdeutlicht, ist dieser Lagerring 1 vollständig durchgehärtet.
Anders verhält es sich bei dem Lageraußenring 7 gemäß 2, bei dem lediglich der radial innere Bereich 8 des zylindrischen Abschnitts 2 derart gehärtet ausgebildet ist, dass dieser Bereich 8 die Wälzkörperlaufbahnen 5 und 6 mit umfasst. Durch diesen Aufbau des Lageraußenringes 7 ist einerseits eine hohe Verschleißfestigkeit im Bereich 8 der Wälzkörperlaufbahnen 5, 6 geschaffen, und andererseits insbesondere der Flanschbereich 3 mit vergleichsweise zähen Materialeigenschaften versehen.
Schließlich zeigt 3 einen Lageraußenring 9, bei dem gemäß der Erfindung der Bereich 10 vollständig durchgehärtet ist, welcher die Wälzkörperlaufbahnen 5 und 6 axial überdeckt, während der Flanschbereich 3 ungehärtet mit vergleichsweise zähen Materialeigenschaften ausgestattet ist.
Wie allen drei Figuren zu entnehmen ist, wurde für diese Ausführungsbeispiele der Stahlwerkstoff 80Cr2 vorgeschlagen, mit dem eine Oberflächenhärte von 60 + 4 HRC erzielt wird. Vorteilhaft bei den partiell gehärteten Lagerringen gemäß 2 und 3 ist, dass die Wälzkörperlaufbahnen 5 und 6 sehr verschleißfest ausgebildet sind, während der Flanschbereich 3 eine hohe Zähigkeit aufweist, da dieser Abschnitt lediglich GKZ-geglüht und kaltverfestigt ist (beispielsweise mit ca. 650 MPa).
Zudem weist der Lagerring gemäß 3 wegen seiner radialen Durchhärtung 10 des zylindrischen Bereiches 2 einen geringen Härteverzug bzw. eine geringe Maßänderung auf, wenn dieser in einem Presssitz mit einem anderen Radlagerbauteil, z. B. einer Radnabe, verbunden wird. Schließlich werden in dem gehärteten Gefüge 10 durch den nachfolgend beschriebenen Härtungsprozess vorteilhaft Druckeigenspannungen aufgebaut, welche die Betriebseigenschaften eines mit einem solchen Lagerring ausgestatteten Radlagers verbessern und vor allem dessen Lebensdauer verlängern.
Gemäß einer dazu ergänzenden oder alternativen Interpretation der 2 und 3 zeigt 2 den Beginn der Durchhärtung 8 im zylindrischen Abschnitt 2 des Außenringes 7 im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen 5 und 6, während in 3 der Zustand dieses Außenringes 7, 9 nach der vollständigen Durchhärtung 10 dieses zylindrischen Abschnittes 2 im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen 5, 6 vorliegt.
Wärmebehandlung, Härten auf Funktionsbedingungen
Die prozesssichere Erzeugung eines martensitischen Härtegefüges bei gleichzeitiger Durchhärtung über den gesamten Wandquerschnitt des Bauteils unterscheidet sich von der gemäß dem Stand der Technik üblichen Durchhärtung durch einen selektiven Austentisierungsgrad, und nach der Abschreckung durch definierte Zonen mit der Zielsetzung der Erzeugung von Druckeigenspannungen, insbesondere im zylindrischen Bereich des Lagerrings bzw. in demjenigen Bereich des Lagerrings, in dem Wälzkörperlaufbahnen ausgebildet sind. Erreicht wird dies in den Verfahrensvarianten gemäß 2 und 3 durch die Verwendung magnetischer Induktoren. Diese magnetischen Induktoren werden bevorzugt am Innendurchmesser des Lageraußenrings in Position gebracht und überdecken den Bereich der Wälzkörperlaufbahnen axial und umfangsseitig. Dann erfolgt stationär, also ohne eine Rotation oder eine Axialverschiebung des Lageraußenrings oder der Induktoren die Randschichthärtung bzw. die Durchhärtung des Bauteils, wobei durch die Frequenzwahl innerhalb des Erwärmungsintervalls sowie durch die Art der Abschreckung des Bauteils nach der Erwärmung die selektive Austenitisierung (mit der Lösung des Kohlenstoffs) und die selektive Martensitbildung erfolgt. In Kombination mit einem mindestens eutektoiden Stahlwerkstoff und seiner chemischen Zusammensetzung, welche im Wesentlichen geprägt ist durch den Kohlenstoff- und Chromgehalt, ist es so möglich, gezielt unterschiedliche Kohlenstoffmengen im γ-Eisen bzw. Austenit zu lösen, und dies unter Beibehaltung der Feinkörnigkeit des Gefüges.
Hierbei wirken die so genannten chromreichen Eisenkarbide als übereutektoide Gefügeanteile wie Puffer, die den Kohlenstoff dosiert, je nach Temperaturhöhe und Haltedauer auf Austenitisierungstemperatur in die Matrix abgeben. Der untereutektoide Kohlenstoff, der an Eisen gemäß Fe₃C (Zementit) gebunden ist, löst sich beim Austenitisieren dagegen relativ schnell und weitgehend vollständig. Letztlich wird aufgrund dieser unterschiedlichen Kohlenstoffgehalte im Austenit ein unterschiedlicher Martensitstartpunkt beim Abschrecken erreicht (M_S-Linie). Dies wiederum beeinflusst den Zeitpunkt der Martensitentstehung während der Abschreckung. Also wird austenitisches Gefüge mit einem höheren Kohlenstoffgehalt bei tieferen Abschreck-Starttemperaturen ein Martensit bilden als ein austenitisches Gefüge mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt.
Durch das Abschrecken mittels Wasseremulsion oder anderer Kühlmedien beginnt zunächst am wälzkörpernahen Durchmesser des Lagerringes des Radlagers die Martensitbildung bei hoher „Martensitstarttemperatur” und hoher Abkühlgeschwindigkeit. Erst zeitlich später erfolgt die Umwandlung von Austenit in Martensit im restlichen Querschnitt des Lagerrings mit niedrigerer „Martensitstarttemperatur” und niedrigerer Abkühlgeschwindigkeit.
Diese dilatometrisch unterschiedliche Volumenänderung (Atomgitterumbau) durch die Abkühlung mit gleichzeitigem Abbau von Wärmespannungen durch die Abkühlung führt bei Raumtemperatur zu Druckeigenspannungen im randnahen Bereich der Wälzkörperlaufbahn, sowie zu einem höheren Karbidanteil im Vergleich zum Außendurchmesserbereich. Umgekehrt verhält es sich mit Restaustenitanteilen.
Die Zugeigenspannungen im Außendurchmesserbereich des Außenlagerringes beeinflussen die Funktionen des Bauteils jedoch nicht negativ, da der Außenring später in eine Radnabe eingepresst wird und somit im Außendurchmesserbereich Druckeigenspannungen durch die Einpressspannungen erzeugt werden. In den Wälzkörperlaufbahnen bleiben die beschriebenen Druckeigenspannungen, welche sich bekanntermaßen in der Wälzlagerbeanspruchung positiv auswirken, auch nach dem Einpressen weitgehend unverändert erhalten.
Der eutektoide oder übereutektoide Werkstoff mit mehr als 0,7% Kohlenstoff und mehr als 0,3% Chrom, bei gleichzeitiger Feinkornbildung, ist eine günstige Voraussetzung für den beschriebenen Herstellvorgang in Kombination mit der Wärmebehandlung. Der Al-Gehalt zur Feinkornstabilisierung liegt in der Regel bei 0,02% bis 0,04%. Er ist während der Stahlerzeugung stöchiometrisch mit Stickstoff gebunden.
Zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Wälzermüdung und Gebrauchsdauer eines erfindungsgemäß hergestellten Lagerringes bzw. Radlagers, insbesondere bei Schmutzbelastung desselben, ist es von Bedeutung, den Si-Gehalt im Verhältnis zum Mangan-Gehalt anzuheben. Das Verhältnis von Silizium zu Mangan soll dabei etwa 1:1 bis 1:2 betragen, beispielsweise 0,55% bis 0,75% Mn, bei einem Silizium-Mindestgehalt von 0,3%. Die dadurch entstehenden Synergien hinsichtlich der Gefügebeständigkeit und Resistenz gegen Spannungen, wie sie durch Partikelüberrollvorgänge entstehen, ist in mehreren Vergleichsuntersuchungen bei massiv durchgehärteten Bauteilen aus 100CrMn6 erprobt und kann hier in sinnvoller Weise verwendet werden, durch die beschriebenen Wärmebehandlungs- und Werkstoffparameter.
Werkstoffauswahl von 80Cr2 und weiterentwickelter Kaltarbeitsstahl
Die drei beschriebenen Härteverfahren führen zu einem feinnadeligen Martensit und einem Restaustenitanteil von 5% bis 20% bei einer Austenitkorngröße von feiner als 10 μm. Daraus ergibt sich ein zäher Werkstoffzustand mit einem Plastifizierungsanteil von mindestens 0,8% der Bruchdehnung (gilt für einen Prüfkörper mit einer Messlänge von 80 mm) bei mindestens 60 HRC.
Durch zusätzliche Aufkohlung oder Carbonitrierung, die bei der kompletten Durchhärtung im Durchlaufhärteofen gemäß 1 mittels einer entsprechend angereicherten Schutzatmosphäre erreicht wird, kann eine Diffusionstiefe von beispielsweise 30 μm bis 100 μm erzeugt werden. Da in der mechanischen Endbearbeitung kein hoher Materialabtrag mehr erfolgt, ist also eine kostengünstige Fertigung möglich.
Das thermochemisch so erzeugte Randgefüge bildet einen zusätzlichen Leistungsvorteil in Verbindung mit der beschriebenen Faseroptimierung durch die Kaltumformung zu Beginn der Herstellung.
Beschichtungssysteme
Korrosionsschutz durch eine dünne, galvanische Zn-Legierungsschicht mit Cr_VI-freier schwarzer Passivierung von beispielsweise 1 μm bis 3 μm garantiert höchste Präzision des Presssitzes ohne Maßbeeinflussung der Lagertoleranz.
Faserverlauf
Der aus kaltgewalztem Bandstahl kaltgeformte Lagerring aus eutektoidem Stahl zeigt eine der Wälzbeanspruchung angeglichene Textur, sowohl senkrecht (senkrechte Isotropie) wie auch parallel zur Überrollrichtung (planare Isotropie). Dies wird erreicht durch den Umformprozess, also der Umformtextur, in Verbindung mit einer nur glättenden Finish-Bearbeitung im Bereich von 5 μm bis 15 μm Abtrag, ohne eine Zerstörung oder eine thermische Beeinflussung der Werkstoffstruktur, wie z. B. durch Schleifbrand, also unter Beibehaltung der optimalen randnahen Werkstoffeigenschaften.
Die richtungs- und ortsabhängigen Werkstoffeigenschaften werden bereits beim Erstarrungsvorgang im Stahlwerk geprägt. So ist bekannt, dass Seigerungen und nichtmetallische Einschlüsse bevorzugt im Kernbereich der erstarrten Stahlblöcke auftreten und damit die Festigkeitseigenschaften nachhaltig negativ beeinflusst werden. Umgekehrt entsteht in den randnahen Zonen also ein besonders homogenes und feines Gefüge, welches für höhere Belastbarkeit optimal geeignet ist. Das anschließende Warm- und Kaltwalzen führt zur Ausbildung der so genannten Werkstofffaserausrichtung und zur Texturbildung der Kristallgitter. Da auch die Kaltverformung ohne spanende Nachbearbeitung zu Ringen diese Texturen im Sinne der Wälzlagerbeanspruchung optimiert, liegt ein entscheidender Vorteil vor.
Korrosionsschutz – Radlager
Die Nutzung einer „Corrotect plus”-Schicht wird erstmals für den Anwendungsfall am Radlager nutzbar.
Stand der Technik:
Bisher ist keine Corrotect-schwarze Cr_VI-freie Ausführung möglich gewesen. Diese Ausführung bietet für Radlager neuer Generation folgende Vorteile:

– Zn-Legierung, schwarz, Cr_VI-frei, ohne Versiegelung.
– Rostschutz 240 Stunden, Salzsprühnebeltest bei guter Einpressbarkeit unter Vermeidung von Knackgeräuschen durch einen „Kaltlöteffekt”.

Bezugszeichenliste

1: Außenring
2: zylindrischer Abschnitt
3: Flanschabschnitt
4: Bohrung
5: Wälzkörperlaufbahn
6: Wälzkörperlaufbahn
7: Außenring
8: gehärteter Bereich
9: Außenring
10: Durchgehärteter Bereich

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings des Radlagers eines Radlagers aufweisend folgende Verfahrensschritte: – Kaltformen (Tiefziehen) eines Lagerrings aus einem GKZ-geglühten und aus einem eutektoiden oder leicht übereutektoiden Stahlwerkstoff bestehenden Bandstahl (Stahlblech), – Härten des Lagerrings durch selektiv gesteuertes Erwärmen und Halten des Lagerrings auf einer Austenitisierungstemperatur zur Erzeugung definierter Austenitisierungsgrade und durch selektiv gesteuertes Abschrecken des Lagerrings zur definierten Martensitbildung im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen, – Anlassen des Lagerrings, und – mechanische Endbearbeitung des Lagerrings, – dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer laufbahnseitigen Randschicht induktiv gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Gas-Aufkohlung oder eine Gas-Carbonitrierung der Randschicht des Lagerringes mit einer Diffusionstiefe von 10 μm bis 300 μm, bevorzugt von 30 μm bis 100 μm, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen über den Querschnitt induktiv durchgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Lagerrings mittels die Wälzkörperlaufbahnen überdeckender und mit einer Induktionsfrequenz von 10 kHz bis 50 kHz betriebener magnetischer Induktoren von der Laufbahnseite her erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Lagerrings mittels die Wälzkörperlaufbahnen überdeckender magnetischer Induktoren zusätzlich von der Gegenlaufbahnseite her erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsfrequenz der magnetischen Induktoren während des Erwärmungsintervalls variiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckung des Lagerrings, insbesondere im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen, mittels einer eine Kühlemulsion abgebenden Brause von der Laufbahnseite her erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckung des Lagerrings, insbesondere im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen, mittels einer eine Kühlemulsion abgebenden Brause zusätzlich von der Gegenlaufbahnseite her erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Innenring und/oder den Außenring des Radlagers die Stahlsorte 75Cr1, 80Cr2 oder ein aus der Stahlsorte 80Cr2 weiterentwickelter Stahlwerkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff mehr als 0,7%, bevorzugt zwischen 0,74% und 0,83% Kohlenstoff, wenigstens 0,3%, bevorzugt 0,5% Chrom, 0,02% bis 0,04% Aluminium, sowie maximal 0,15% Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Silizium-Gehalt des Stahlwerkstoffs relativ zum Mangan-Gehalt auf ein Verhältnis von 1:1 bis 1:2 eingestellt ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Silizium-Anteil 0,1% bis 0,5% und der Mangan-Anteil 0,3% bis 1% beträgt, und zur Erhöhung der Zähigkeit der Silizium-Anteil bevorzugt auf über 0,3% und der Mangan-Anteil bevorzugt auf über 0,55% eingestellt ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Kaltverformbarkeit der Schwefel-Anteil auf einen Wert von maximal 0,01% und der Phosphor-Anteil auf einen Wert von maximal 0,015% abgesenkt ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Restaustenitanteil des Stahlwerkstoffs 5% bis 20% bei einer Austenitkorngröße von kleiner als 10 μm beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Plastifizierungsanteil des Stahlwerkstoffs mindestens 0,8% der Bruchdehnung bei einer Härte von mindestens 60 HRC beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Lagerringe zur Steigerung der Dauerfestigkeit mechanisch oder thermomechanisch randverfestigt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine galvanische Zn-Legierungsschicht von 1 μm bis 10 μm Dicke, bevorzugt mit Cr_VI-freier schwarzer Passivierung auf die Lagerringe aufgetragen wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine nur glättende Finish-Bearbeitung durchgeführt wird, bei welcher der Materialabtrag bis maximal 30 μm, vorzugsweise 3 μm bis 15 μm beträgt.
Radlager mit wenigstens einem Innenring und/oder wenigstens einem Außenring (7, 9) sowie mit Wälzkörpern, die auf Wälzkörperlaufbahnen (5, 6) der Innen- und/oder Außenringe abwälzen, wobei der wenigstens eine Innenring und/oder der wenigstens eine Außenring (7, 9) aus einem GKZ-geglühten eutektoiden oder leicht übereutektoiden Bandstahl kaltgeformt, selektiv gehärtet, angelassen und mechanisch endbearbeitet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Innenring und/oder der wenigstens eine Außenring (9) nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen in einer laufbahnseitigen Randschicht gehärtet ist, während ein Flanschabschnitt (3) hinsichtlich seiner Werkstoffeigenschaften zäh ist.
Radlager nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Innenring und/oder der wenigstens eine Außenring (9) nur im Bereich der Wälzkörperlaufbahnen über den Querschnitt durchgehärtet ist, während ein Flanschabschnitt (3) hinsichtlich seiner Werkstoffeigenschaften zäh ist.
Radlager nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) aus der Stahlsorte 75Cr1, 80Cr2 oder aus einem aus der Stahlsorte 80Cr2 weiterentwickelten Stahlwerkstoff besteht.
Radlager nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) aus einem Stahlwerkstoff mit mehr als 0,7%, bevorzugt zwischen 0,74% und 0,83% Kohlenstoff, wenigstens 0,3%, bevorzugt 0,5% Chrom, 0,02% bis 0,04% Aluminium, sowie maximal 0,15% Kupfer besteht.
Radlager nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) einen Silizium-Gehalt und einen Mangan-Gehalt im Verhältnis von 1:1 bis 1:2 aufweist.
Radlager nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) einen Silizium-Anteil von 0,1% bis 0,5%, zur Erhöhung der Zähigkeit bevorzugt von über 0,3%, und einen Mangan-Anteil von 0,3% bis 1%, zur Erhöhung der Zähigkeit bevorzugt von über 0,55%, aufweist.
Radlager nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) zur Verbesserung der Kaltverformbarkeit einen abgesenkten Schwefel-Anteil von maximal 0,01% und einen abgesenkten Phosphor-Anteil von maximal 0,015% aufweist.
Radlager nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) einen Restaustenitanteil von 5% bis 20% bei einer Austenitkorngröße von kleiner als 10 μm aufweist.
Radlager nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) zur Steigerung der Dauerfestigkeit an seiner Oberfläche mechanisch oder thermomechanisch verfestigt ist.
Radlager nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) eine galvanische Zn-Legierungsschicht von 1 μm bis 10 μm Dicke, bevorzugt mit Cr_VI-freier schwarzer Passivierung aufweist.
Radlager nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring und/oder der Außenring (7, 9) eine durch glättende Finish-Bearbeitung erzeugte Oberfläche aufweist, bei welcher der Materialabtrag bis maximal 30 μm, vorzugsweise 3 μm bis 15 μm beträgt.