DE102006024614A1

DE102006024614A1 - Verfahren zum Behandeln einer Wälzlagerkomponente und Wälzlagerkomponente

Info

Publication number: DE102006024614A1
Application number: DE200610024614
Authority: DE
Inventors: Edgar Streit; Oskar Dr. Beer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-11-29
Also published as: WO2007137559A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Wälzlagerkomponenten. Um Wälzkörper und Lagerringe (nachfolgend zusammenfassend als Wälzlagerkomponenten bezeichnet) mit einem verbesserten Einlaufverhalten bereitzustellen, ohne deren Laufverhalten bzw. Lagereigenschaften im mittelfristigen und langfristigen Lebensdauerbereich negativ zu beeinflussen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Bereich der Laufbahn (2) eine Eisenphosphatschicht (7) von bis zu 2 µm, vorzugsweise von weniger als 1 µm, Dicke (d) zu erzeugen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik für besonders kritische und hochbeanspruchte Einsatzfälle, wie z.B. bei Luft- und Raumfahrtanwendungen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für Standardanwendungen geeignet und betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Wälzlagerkomponente und eine Wälzlagerkomponente.
Wälzlager sind im Betrieb je nach Anwendungs- und Einsatzort außerordentlich hohen Beanspruchungen, insbesondere hohen Umgebungs- und Betriebstemperaturen ausgesetzt. Dabei wird von ihnen eine zuverlässige Lagerung bei möglichst geringem Verschleiß unter hoher Wälz- und Gleitbeanspruchung zwischen den Wälzkörpern und den zugeordneten Laufbahnen erwartet.
Eine besonders kritische Phase während der Lebensdauer eines Wälzlagers ist der Einsatzbeginn, d.h. die erstmalige Inbetriebnahme unter betriebsgemäßer Belastung, was nachfolgend auch als Einlaufen bezeichnet wird.
Die US-Patentschrift 6,179,933 beschreibt wälzkörpertragende Wälzlagerkomponenten, nämlich Lagerringe, aus hochlegierten Einsatzstählen (beispielsweise aus dem unter der Handelsbezeichnung Pyrowear 675 von der Firma Carpenter Technology Corporation (USA) vertriebenen Stahl), die nach einem Wärmebehandlungs- und Abschreckungsprozess einer anschließenden kurzzeitigen Nitrierbehandlung unterzogen werden. Dies eignet sich nur für zuvor durch Wärmebehandlung gehärtete hochlegierte Einsatzstähle.
Dabei bildet sich eine zusätzlich gehärtete Schicht von bis zu 150 μm Schichtdicke. Diese Schicht kann dazu beitragen, während des Einlaufens übermäßigen Lagerverschleiß zu vermeiden. Zudem ist die beschriebene Nitrierbehandlung ist vergleichsweise aufwändig, da sie für relativ lange Zeit bei hohen Temperaturen erfolgen muss; sie bewirkt im Wesentlichen eine physikalische Verbesserung der Einlaufeigenschaften.
Bei niedriglegierten Stählen ist es grundsätzlich bekannt, eine Phosphatierbehandlung in wässriger Lösung aus Mangan- oder Zinkphosphat und Phosphorsäure durchzuführen. Dabei bildet sich auf der Werkstückoberfläche eine Metallphosphatschicht. Diese Behandlung wird in der Literatur auch als "schichtbildende Phosphatierung" bezeichnet, wobei unter dem Begriff „schichtbildend" die Ausbildung einer merklichen (d.h. 5-15 μm dicken) Mangan- oder Zinkphosphatschicht verstanden wird.
Dieses bekannte Verfahren greift jedoch in signifikantem Ausmaß die Werkstückoberfläche an und führt zur Bildung so genannter Ätzgrübchen. Darunter ist ein aufgrund der hohen Säurekonzentration auftretender Materialabtrag zu verstehen, wodurch die Überrollfestigkeit Laufbahn der der Wälzla gerkomponente im Betrieb deutlich verringert wird.
Der positive Effekt der Phosphatierung besteht in einer erleichterten bzw. verbesserten Bindung des Schmierstoffs an der Laufbahn- bzw. Lageroberfläche. Allerdings wird dies erkauft mit dem Nachteil der vorbeschriebenen Ätzgrübchen, die sich über die Lebensdauer des Wälzlagers per Saldo insgesamt negativ bemerkbar machen.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Wälzkörper und Lagerringe (nachfolgend zusammenfassend als Wälzlagerkomponenten bezeichnet) mit einem verbesserte Einlaufverhalten bereit zu stellen, ohne deren Laufverhalten bzw. Lagereigenschaften im mittelfristigen und langfristigen Lebensdauerbereich negativ zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Behandeln einer Wälzlagerkomponente, insbesondere eines äußeren Lagerrings, bei dem im Bereich der Laufbahn eine Eisenphosphatschicht von bis zu 2 μm Dicke, besonders bevorzugt von weniger als 1 μm Dicke, erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Behandlung kann auch als "nicht-schichtbildende Phosphatierung" bezeichnet werden. Zwar wird tatsächlich auch hier eine Phosphatschicht – von vorzugsweise weniger als 1 μm – erzeugt, die eine wesentlich verbesserte Anbindung der Schierstoffe an die Laufbahnoberfläche gewährleistet. Diese Schicht ist aber im Vergleich zu der bei der eingangs geschilderten bekannten Phosphatierung entstehenden Schicht um eine Größenordnung dünner und weist deshalb auch nicht die typische dunkle bis schwarze Farbe von dickeren Phosphatschichten auf, sondern schimmert nur leicht bläulich). Damit wird zwar kein Korrosionsschutz erzielt, aber auch die mit der vorbeschriebenen schichtbildenden Phosphatierung einhergehenden Nachteile vermieden. Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Bildung der Eisenphosphatschicht unter wesentlich geringerer Säurekonzentra tion. Schon dadurch ist die Neigung zur Ätzgrübchenbildung ganz erheblich verringert. Da zudem auch keine Mangan- bzw. Zinkphosphatsalze entstehen können, ist die Neigung zur Ätzgrübchenbildung nahezu vollständig ausgeschlossen.
Bevorzugt wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wälzlagerkomponente bei einer Temperatur von 60°C bis 90°C, besonders bevorzugt zwischen 70°C und 80°C, einer Phosphorsäure ausgesetzt, deren pH-Wert bevorzugt zwischen 3 und 4, besonders bevorzugt bei ca. 3,5, liegt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wälzlagerkomponente nur vergleichsweise kurzzeitig, d.h. wenige Minuten, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 Minuten, der Einwirkung der Phosphorsäure ausgesetzt. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt damit darin, dass nahezu alle niedrig legierten, nicht hochkorrosionsbeständigen Stähle als Ausgangswerkstoff für die Walzlagerkomponenten verwendbar sind. Besonders bevorzugt können vorzugsweise folgende Stähle verwendet werden: 100Cr6, 100MnCr6 und 100CrMo 7-3 verwendet werden. Allerdings können auch andere Stähle, wie M50 und M50 NiL, etc., verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Wälzlagerkomponente, die sich durch ein besonders gutes und verschleißfreies Einlaufverhalten auszeichnet, wobei dadurch deren mittel- und langfristige Lagereigenschaften nicht negativ beeinflusst sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wälzlagerkomponente, insbesondere einen äußeren Lagerring, mit einer Laufbahn, deren Lauffläche von einer Eisenphosphatschicht von weniger als 2 μm, besonders bevorzugt von weniger als 1 μm Dicke, gebildet ist.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen:
1 schematisch beispielhaft den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 zum Vergleich einen Schliff einer Wälzlagerkomponente, die nach einem herkömmlichen Phosphatierungsverfahren behandelt ist und
3 einen Schliff einer Werkstückoberfläche nach Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt einen Lagerring 1 mit einer innenseitigen Laufbahn 2, deren Lauffläche 3 einem so genannten nicht schichtbildenden Phosphatierungsprozess unterzogen werden soll. Es sei hier angenommen, dass der Lagerring 1 hier aus einem niedrig-legierten Stahl, z.B. aus 1000r6, besteht.
Dazu wird der Lagerring (vgl. mittlerer Teil der 1) in ein nur schematisch angedeutetes Phosphorsäurebad 5 vollständig eingetaucht und dabei einer Temperatur T zwischen 60° und 90°C, beispielsweise 75°C ausgesetzt. Diese Behandlung erfolgt während einer Zeitdauer t von 0,5 bis 1 Minute. Die Phosphorsäure 5 weist einen pH-Wert zwischen 3 und 4, im Beispiel von 3,5 auf.
Nach der Behandlung ist die Laufbahn 2 des Lagerrings 1 mit einer Eisenphosphatschicht 7 versehen, deren Schichtdicke d weniger als 1 μm beträgt.
2 zeigt zum Vergleich einen beispielsweise entlang des Schnittes II-II in 1 präparierten Schliff, in dem die Laufbahn 2' eines Lagerrings 1' und die beispielsweise bei Verwendung von Mangan- oder Zinkphosphatsäure gebildete Mangan- oder Zinkphosphatschicht 7' erkennbar ist. Erkennbar sind so genannte Ätzgrübchen 10, die zwar zunächst durch Mangan- bzw. Zinkphosphatsalzkristalle aufgefüllt sein können. Im Laufe des Betriebs be steht jedoch die Gefahr, dass diese Salzkristalle quasi auswaschen werden und somit eine durch die Grübchen 10 strukturierte Rollfläche entsteht, wodurch sich im Betrieb die Überrollfestigkeit deutlich verringert.
Demgegenüber zeigt 3 einen entsprechend präparierten Schliff II-II (vergleiche 1) bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Lagerring 1, bei dem die Phosphatschicht 7 außerordentlich gleichmäßig gebildet ist. Hier besteht also keine Gefahr, dass nach dem Einlaufen im weiteren Betrieb die Laufbahn 2 durch Ätzgrübchen geschwächt und dadurch die Überrollfestigkeit verringert ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Wälzlagerkomponente keine Ätzgrübchen auftreten, da auf die Laufbahn eine Phosphorsäure in geringerer Säurekonzentration und für geringere Dauer einwirkt. Da auch keine Mangan- oder Zinkphosphatsalze vorhanden sind, die zur Verstärkung der Säurewirkung beitragen können, ergibt sich insgesamt eine sehr homogene und äußeren Belastungseinflüssen gegenüber sehr widerstandsfähige Laufbahn.

1: Lagerring
1': Lagerring
2: Laufbahn
2': Laufbahn
3: Lauffläche
5: Phosphorsäure
7: Eisenphosphatschicht
7': Mangan- oder Zinkphosphatschicht
10: Ätzgrübchen
T: Temperatur
t: Zeitdauer
d: Schichtdicke

Claims

Verfahren zum Behandeln von Wälzlagerkomponenten (1), insbesondere eines äußeren Lagerrings, bei denen im Bereich der Laufbahn (2) eine Eisenphosphatschicht (7) von bis zu 2 μm, vorzugsweise von weniger als 1 μm, Dicke (d) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wälzlagerkomponente (1) bei einer Temperatur (T) zwischen 60°C und 90°C für eine Zeitdauer (t) von 0,5 bis 3 Minuten der Einwirkung einer Phosphorsäure (5) ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der pH-Wert der Phosphorsäure (5) zwischen 3 und 4 liegt.
Wälzlagerkomponente (1), insbesondere äußerer Lagerring, mit einer Laufbahn, deren Lauffläche (3) auf einer Eisenphosphatschicht (7) von weniger als 2 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm, Schichtdicke (d) ausgebildet ist.