DE102006020075B4

DE102006020075B4 - Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Wälzlagers sowie korrosionsbeständiges Wälzlager

Info

Publication number: DE102006020075B4
Application number: DE102006020075.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Jauernig; Carsten Merklein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: DE102006020075A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Wälzlagers (1) bestehend aus mehreren Wälzkörpern (5) sowie mehreren weiteren Wälzlagerelementen umfassend einen diese aufnehmenden Käfig (6), sowie wenigstens ein Bauteil (2), auf dem die Wälzkörper (5) laufen, wobei die Wälzkörper (5) und weiteren Wälzlagerelemente zur Bildung des Wälzlager (1) zusammengebaut werden und anschließend das gesamte Wälzlager (1) thermisch gehärtet wird, wobei der Käfig (6) derart ausgewählt wird, dass dieser aus einem austenitischen Stahl enthaltend weniger als 0,35% C und mindestens 12 % Cr gebildet ist, wobei die Wälzkörper derart ausgewählt werden, dass diese aus einem ferritischen Stahl enthaltend mindestens 0,5 % C und mindestens 13 % Cr gebildet sind, wobei weiterhin das wenigstens eine Bauteil (2) derart ausgewählt wird, dass dieses aus einem ferritischen Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Wälzlagers bestehend aus mehreren Wälzkörpern sowie mehreren weiteren Wälzlagerelementen umfassend einen diese aufnehmenden Käfig sowie wenigstens ein Bauteil, auf dem die Wälzkörper laufen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein korrosionsbeständiges Wälzlager.
Um die Korrosionsbeständigkeit eines Wälzlagers sicherzustellen, werden sämtliche Wälzlagerbauteile, also Wälzkörper sowie weitere Wälzlagerelemente wie Käfig oder Laufringe etc. aus einem korrosionsbeständigem Stahl hergestellt. Üblicherweise weisen korrosionsbeständige Stähle einen Chromgehalt von mindestens 13 % auf, aus Gründen der Härtbarkeit enthalten sie mindestens 0,35 % C. Bei diesen Werkstoffen lassen sich Härten im Bereich von mindestens 56 HRC bei ausreichender Korrosionsbeständigkeit einstellen. Die Beständigkeit im Salzsprühnebeltest nach DIN 50021 liegt dabei beispielsweise für den Werkstoff X46Cr13 bei ca. 6 Stunden, für den Werkstoff X105CrMo17 bei ca. 50 Stunden im gehärteten Zustand. Da die Korrosionsbeständigkeit im Wesentlichen durch das freie, gelöste Chrom, das also nicht in Form von Karbiden ausgeschieden ist, bestimmt wird, ist bei den beschriebenen Werkstoffen bei der Wärmebehandlung sicherzustellen, dass keine ungewünschte Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit zum Beispiel durch die Belegung der Korngrenzen mit Chromkarbiden erfolgt, dass also das gelöste Chrom nicht in Karbidform gebunden wird. Dieses Phänomen wird durch hohe Cr-Gehalte begünstigt.
Aus der nachveröffentlichten deutschen Patentveröffentlichung DE 10 2004 048 172 A1 ist ein zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils verwendbarer Stahl mit niedrigem C-Gehalt von weniger als 0,35 % und moderatem Cr-Gehalt von nur mindestens 12 % bekannt, der einer Stickstoffanreicherung unterzogen wird. Dabei wird die Stickstoffanreicherung der Gestalt durchgeführt, dass vor der Eindiffusion von Stickstoff der Kohlenstoff und das Chrom bereits in Lösung gebracht werden und beim Abschrecken eine Ausscheidung von Karbiden und Nitriden unterdrückt wird, wodurch einerseits eine hohe Härte aufgrund von Gitterverspannungen sowie andererseits eine hohe Korrosionsbeständigkeit durch die vollständige Lösung von Kohlenstoff, Stickstoff und Chrom gewährleistet wird.
Wird das Bauteil nach der Durchführung einer Behandlung der beschriebenen Art jedoch über eine kritische Temperatur hinweg erwärmt, wird diese Eigenschaft vollständig zunichte gemacht, die Korrosionsbeständigkeit wird infolge der gegebenen Karbid- und Nitridausscheidung wieder beeinträchtigt beziehungsweise geht vollständig zurück. Die kritische Temperatur beginnt ab ca. 400° C. Eine solche nachträgliche Temperaturbehandlung findet stets dann statt, wenn ein vormals gehärtetes Bauteil zu verformen ist, beispielsweise um einen Bördelrand herzustellen. Zur Einstellung der Bördelfähigkeit sind beispielsweise Härten von weniger als 400HV einzustellen, was erst durch Anlassen, gegebenenfalls auch nur lokal, bei einer Temperatur > 600° C ermöglicht wird. Derartig behandelte Teile (induktiv angelassen und gebördelt) zeigen im Salzsprühnebeltest nach DIN 50021 im Bereich der wärmebeeinflussten Zone bereits nach 24 Stunden einen starke Rotrost, während die nicht induktiv angelassenen Teile auch nach 1000 Stunden ohne Befund bleiben.
Bei der Herstellung von Wälzlagern bleibt es häufig nicht aus, eben solche Temperaturschritte nach dem eigentlichen Härteschritt nochmals durchzuführen, um die Montagefähigkeit der einzelnen Bauteile zu gewährleisten beziehungsweise die Endmontage durchzuführen.
Die DE 195 28 506 A1 offenbart ein Wälzlager mit einem Käfig aus einem nichthärtbaren Werkstoff. Bei einer Komplett- oder Geamthärtung eines solchen Lagers wird dadurch eine Durchhärtung der Käfige vermieden.
Die DE 100 12 350 A1 beschreibt ein Wälzlager mit einem feststehenden Laufring aus Stahl, der 0,35 bis 0,55 Gew.-% C, 11,0 bis 17,0 Gew.-% Cr, 0,05 bis weniger als 0,2 Gew.-% N und als Rest Fe neben unvermeidlichen Komponenten aufweist.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung eines vollständig gehärteten Wälzlagers unter Vermeidung der eingangs genannten Probleme ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren zu Herstellung eines korrosionsbeständigen Wälzlagers bestehend aus mehreren Wälzkörpern sowie mehreren weiteren Wälzlagerelementen umfassend einen diese aufnehmenden Käfig, sowie wenigstens ein Bauteil, auf dem die Wälzkörper laufen, wobei die Wälzkörper und weiteren Wälzlagerelemente zur Bildung des Wälzlagers zusammengebaut und anschließend das gesamte Wälzlager thermisch gehärtet wird, wobei der Käfig derart ausgewählt wird, dass dieser aus einem austenitischen Stahl enthaltend weniger als 0,35% C und mindestens 12 % Cr gebildet ist, wobei die Wälzkörper derart ausgewählt werden, dass diese aus einem ferritischen Stahl enthaltend mindestens 0,5 % C und mindestens 13 % Cr gebildet sind, und wobei weiterhin das wenigstens eine Bauteil derart ausgewählt wird, dass dieses aus einem ferritischen Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr gebildet ist.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, das Wälzlager zunächst aus noch nicht abschließend gehärteten Bauteilen vollständig zusammenzubauen, die Teile also zu einer unverlierbaren Einheit zu verbauen und damit auch sämtliche erforderlichen Deformationen eines oder mehrerer Wälzlagerbauteile vorzunehmen, was möglich ist, nachdem sich diese Bauteile noch im ungehärteten Zustand befinden. Erst danach wird das fertig gestellte Wälzlager einer Gesamthärtung unterworfen, also durchgehärtet, worunter letztlich in bekannter Weise die Erzielung eines im Wesentlichen gleichmäßigen martensitischen Gefüges über den gesamten Querschnitt zu verstehen ist. Dies hat den Vorteil, dass auch über den gesamten Querschnitt des Bauteils die gleiche Härte vorhanden ist. Durch die Härtung des Lagers in seiner Gesamtheit erfahren somit alle Lagerbauteile die gleiche Behandlung, weshalb geometrische Verzüge weitestgehend minimiert werden können. Ein solches Verfahren ist dem Grunde nach aus DE 197 11 389 A1 bekannt.
Anders als dort beschrieben werden beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch Bauteile verwendet, die aus unterschiedlichen nichtrostenden Werkstoffen bestehen. Denn erfindungsgemäß bestehen die Wälzkörper aus einem anderen nichtrostenden Werkstoff als die weiteren Wälzlagerelemente, insbesondere Käfig und das oder die beiden die Laufflächen aufweisenden Bauteile, beispielsweise in Form von entsprechenden Lagerringen. Denn es hat sich herausgestellt, dass es aus tribologischer Sicht zweckmäßig ist, unterschiedliche Werkstoffe beziehungsweise Materialien zu verwenden, da hierdurch die Neigung zu einem adhäsiven Verschleiß, mithin also einer Kaltverschweißung der aufeinander abwälzenden Teile, vornehmlich Wälzkörper und Laufflächen vermieden wird. Die Neigung zum adhäsiven Verschleiß ist bei Verwendung des gleichen Werkstoffs für die aufeinander wälzenden Bauteile sehr hoch, so dass die Lebensdauer des Lagers durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich verlängert werden kann.
Das Wälzlager selbst wird bevorzugt bei einer Austenitisierungstemperatur zwischen 1000 - 1200° C und einem Stickstoffdruck von 0,1 - 3 bar mit anschließender Abschreckung gehärtet. Gegebenenfalls erfolgt nachfolgend noch eine Tieftemperaturbehandlung und ein Anlassschritt. Grundsätzlich können hiermit Oberflächenhärten von mindestens 58 HRC erreicht werden.
Die verwendeten Wälzkörper bestehen aus einem Stahl enthaltend mindestens 0,5 % C und mindestens 13 % Cr. Die Legierung von Chrom zu mindestens 13 % gewährleistet seine Korrosionsbeständigkeit. Die Stickstoffanreicherung in der Randzone der Wälzkörper ist zu vermeiden, um die Adhäsion zu verringern. Die Härtbarkeit ist durch den hohen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,5 % gewährleistet.
Demgegenüber bestehen die verwendeten weiteren Wälzlagerelemente aus einem nichtrostenden Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr, wobei zusätzlich Mo oder Mo und Mn als Legierungsbestandteile bis maximal 1 % enthalten sein können. Der Käfig und der oder die Lagerringe bestehen also bevorzugt aus einem Material, wie es aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 048 172 A1 bekannt ist. Das heißt, auch hier kommt ein Material zum Einsatz, welches gegenüber der einleitend beschriebenen Härtebehandlung und der nachfolgenden Anlassbehandlung weitgehend invariant ist. Es ergeben sich bei den üblich verwendeten Härteverfahren keine Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit.
Die verwendeten Wälzkörper und das oder die, die Laufflächen aufweisenden Bauteile können entweder aus ferritischem oder austenitischem Stahl bestehen, während der verwendete Käfig aus einem austenitischem Stahl besteht. Das heißt, die Wälzkörper bestehen aus einem ferritischem Stahl enthaltend mindestens 0,5 % C und mindestens 13 % Cr, das oder die, die Laufflächen aufweisenden Bauteile, also die Lagerringe, bestehen aus einem ferritischem Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr, während der Käfig aus einem austenitischem Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr besteht.
Dabei können das oder die verwendeten, die Laufflächen aufweisenden Bauteile aus einem Kaltband, insbesondere einem ferritischen Kaltband bestehen. Auch der Käfig kann aus einem Kaltband bestehen, hier jedoch insbesondere aus einem austenitischen Kaltband.
Zur Vermeidung einer gegebenenfalls unerwünschten Anreicherung von Stickstoff in der Randschicht ist der verwendete Käfig bevorzugt mit einer, eine N-Diffusion behindernden Oberflächenbeschichtung versehen. Geeignet sind hierfür eine galvanische Ni-Schicht oder eine Plattierung, wobei diese Aufzählung nur exemplarisch ist. Grundsätzlich sind alle Oberflächenschichten geeignet, die eine N-Diffusion und gegebenenfalls auch eine C-Diffusion verhindern.
Insgesamt besteht bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der Verwendung von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien die Möglichkeit, die Oberflächenhärte der im Wälzkontakt befindlichen Komponenten auf mindestens 58 HRC einzustellen. Die Korrosionsbeständigkeit eines derart hergestellten Wälzlagers im Salzsprühnebeltest gemäß DIN 50021 beträgt wenigstens 196 Stunden. An den im Wälzkontakt befindlichen Komponenten ist eine Stickstoffanreicherung in der Randzone festzustellen, was der Härte zuträglich ist, und durch die Aufstickung im Rahmen der thermischen Härtung erreicht wird, während der Käfig über die Diffusionsschicht keine Stickstoffanreicherung im Randbereich aufweist, er also nicht spröde wird.
Die Temperaturführung im Rahmen des Härtevorgangs ist primär auf eine Optimierung der Härtung der aufeinander wälzenden Bauteile, hier also der Wälzkörper und das oder der die Laufflächen aufweisenden Bauteile abgestimmt, da diese infolge der Wälzbeanspruchung verschleißbestimmend sind. Im Rahmen der Temperaturbehandlung ist jedoch auch das Käfigmaterial zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass dieses während der Härtebehandlung wie beschrieben nicht allzu spröde wird.
Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Wälzlager in Form eines Nadellagers.
In der Figur ist exemplarisch ein erfindungsgemäß hergestelltes Wälzlager, hier in Form eines Nadellagers mit beidseitig umgebördeltem Bord im Längsschnitt gezeigt. Das Wälzlager 1 weist ein zylindrisches Bauteil 2 in Form einer Hülse 3 auf, dessen zylindrische Innenwand die Lauffläche 4 für die Wälzkörper 5, hier in Nadelform, bildet. Die zylindrische Hülse 3 wird in bekannter Weise durch spanlose Formgebung bevorzugt aus einem Kaltband tiefgezogen. Die Wälzkörper 5 sind in einem Käfig 6 aufgenommen.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 wird nun zunächst der Käfig 6 samt der darin gehalterten Wälzkörper als vormontierte Einheit in die Hülse 3, an der beispielsweise zunächst nur der rechte Bördelbund 7 umgeformt wurde, eingeschoben, wonach der linke Bördelbund 8 hergestellt wird, so dass sich insgesamt eine unverlierbare Einheit ergibt. Dies erfolgt alles unter Verwendung noch nicht gehärteter Elemente. Die Wälzkörper 5 bestehen dabei aus einem ferritischen Stahl enthaltend mindestens 0,5 % C und mindestens 13 % Cr, beispielsweise X65Cr13 oder X105CrMo17, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist. Die Hülse 3 besteht aus einem ferritischen Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr, beispielsweise X20Cr13 oder X22Cr13, wobei natürlich auch diese Aufzählung nicht abschließend ist. Der Käfig 6 wiederum besteht aus einem ebenfalls weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr enthaltenden Stahl, jedoch mit austenitischem Gefüge. Sowohl der Stahl, aus dem die Hülse 3 gefertigt ist, als aus der Stahl, aus dem der Käfig 6 gefertigt ist, können Mo wie auch Mo und Mn als Legierungsbestandteile bis maximal 1 % aufweisen.
Nach vollständiger Montage des Wälzlagers 1 wird dieses in einem thermischen Härteprozess gehärtet, bevorzugt bei einer Austenitisierungstemperatur zwischen 1000° C und 1200° C bei einem Stickstoffdruck von 0,1 - 3 bar. Dem folgt eine Abschreckung und gegebenenfalls ein kurzer Anlassschritt. Hierdurch werden also sämtliche Bauelemente gleichförmig gehärtet und den gleichen Temperatur- und Atmosphärenbeanspruchungen ausgesetzt. An dieser Stelle ist noch darauf hinzuweisen, dass der Käfig 6 gegebenenfalls eine Oberflächenbeschichtung aufweisen kann, die eine Eindiffusion von Stickstoff aus der Härteatmosphäre unterbindet.
Das derart gehärtete Wälzlager 1 weist nach Beendigung des Härteschrittes eine Härte von mindestens 58 HRC, gegebenenfalls von mindestens 60 HRC auf bei einer Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühnebeltest nach DIN 50021 von wenigstens 196 Stunden.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass das dargestellte Nadellager lediglich exemplarischer Natur ist. Selbstverständlich kann jedwede Lagerform im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, seien es Lager mit anderer Wälzkörperform, nämlich Kugeln oder Tonnen etc. mit zwei separaten Laufringen, als auch anderer Tragrichtung, beispielsweise in Form von Axiallagern.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Bauteil
3: Hülse
4: Lauffläche
5: Wälzkörper
6: Käfig
7: Bördelbund
8: Bördelbund

Claims

Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Wälzlagers (1) bestehend aus mehreren Wälzkörpern (5) sowie mehreren weiteren Wälzlagerelementen umfassend einen diese aufnehmenden Käfig (6), sowie wenigstens ein Bauteil (2), auf dem die Wälzkörper (5) laufen, wobei die Wälzkörper (5) und weiteren Wälzlagerelemente zur Bildung des Wälzlager (1) zusammengebaut werden und anschließend das gesamte Wälzlager (1) thermisch gehärtet wird, wobei der Käfig (6) derart ausgewählt wird, dass dieser aus einem austenitischen Stahl enthaltend weniger als 0,35% C und mindestens 12 % Cr gebildet ist, wobei die Wälzkörper derart ausgewählt werden, dass diese aus einem ferritischen Stahl enthaltend mindestens 0,5 % C und mindestens 13 % Cr gebildet sind, wobei weiterhin das wenigstens eine Bauteil (2) derart ausgewählt wird, dass dieses aus einem ferritischen Stahl enthaltend weniger als 0,35 % C und mindestens 12 % Cr gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wälzlager (1) bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1200°C und einem Stickstoffdruck von 0,1 - 3 bar mit anschließender Abschreckung gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Bauteil (2) aus einem ferritischen Kaltband gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Käfig (6) aus einem austenitischen Kaltband gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Käfig (6) mit einer, eine N-Diffusion behindernden Oberflächenbeschichtung ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Käfig (6) mit einer galvanischen Nickel-Schicht als Oberflächenbeschichtung ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Bauteil (2) durch eine zylindrische Hülse (3) gebildet wird, die in spanloser Formgebung tiefgezogen ist.
Korrosionsbeständiges Wälzlager (1), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Korrosionsbeständiges Wälzlager (1) nach Anspruch 8, wobei es sich um ein Nadellager handelt, wobei das wenigstens eine Bauteil (2) durch eine zylindrische Hülse (3) gebildet ist, die auf ihrer zylindrischen Innenwand eine Lauffläche (4) aufweist.