DE102006052834A1

DE102006052834A1 - Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes und Wälzlagerring

Info

Publication number: DE102006052834A1
Application number: DE200610052834
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Trojahn
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2008055477A2; WO2008055477A3

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes und einen Wälzlagerring anzugeben, der auch bei Querschnittskantenlängen von weniger als 20 mm im Kernbereich eine ausreichend hohe Zähigkeit und im Randbereich Druckeigenspannungen aufweist. Dazu wird der Lagerring (1) aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew.-% und einem Gehalt an Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% erzeugt. Anschließend wird der Lagerring (1) einer Härtungsbehandlung (12) unterzogen, bei der er auf eine Außentemperatur (T<SUB>E</SUB>) zwischen 800°C und 880°C erwärmt und anschließend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur (T<SUB>A</SUB>) von unter 150°C erreicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Herstellung von Wälzlagerkomponenten, und zwar Laufflächen für Wälzlager aufweisender Lagerringe aus gehärtetem Stahl, insbesondere für den Einsatz in wasserhaltigen, aggressiven Umgebungsbedingungen bei äußerst hohen Laufleistungsanforderungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes, der in der Randschicht Druckeigenspannungen aufweist.
Einsatzgebiete für solche Wälzlagerringe sind beispielsweise Radsatzlager, z. B. in Schienenfahrzeugen wie Güterwaggons, oder Lagerungen in Walzwerken.
Bei bisher üblichen durchhärtbaren, für die Wälzlagerherstellung geeigneten Stählen findet man Zusammensetzungen, die einen härtbaren Querschnitt von mindestens 15 mm erfordern. Dies gilt auch für niedrig legierte Stähle mit vergleichsweise geringer Härtbarkeit wie z.B. 100 Cr6. Unter der Eigenschaft „durchhärtbar" ist zu verstehen, dass nach dem Härten über den ge samten Lagerringquerschnitt eine annähernd gleiche Härte vorliegt. In diesen Fällen ist allerdings zu beobachten, dass sich am Rand der Querschnitte unerwünschte Zugeigenspannungen ausbilden. Diese wirken sich nachteilig auf die Festigkeit und Verschleißfestigkeit und damit auf die Laufleistung aus diesem Stahl hergestellter Wälzlagerkomponenten aus.
Erst bei Querschnitten von deutlich mehr als 20 mm Kantenlänge gelingt es mit martensitischer Härtung eine Struktur zu schaffen, die einen vergleichsweise weichen Kern bei ausreichend gehärteten Randbereichen aufweist, in denen sich Druckeigenspannungen ausbilden.
Es ist auch denkbar, ein bainitisch gehärtetes Gefüge zu verwenden. Nach einer bainitischen Umwandlung weist der Querschnitt an seinem Rand ebenfalls Druckeigenspannungen auf. Dieses Ergebnis ist jedoch nur durch lange Behandlungsdauern im Salzbad erzielbar; bei der bainitischen Umwandlung bildet zudem auch der Querschnittskern eine annähernd gleiche Härte aus, so dass derart gestaltete Wälzlagerkomponenten eine geringe Zähigkeit aufweisen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes und einen Wälzlagerring anzugeben, der auch bei Querschnittskantenlängen von weniger als 20 mm im Kernbereich eine ausreichend hohe Zähigkeit und im Randbereich Druckeigenspannungen aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, also ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes, bei dem ein Lagerring aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew% und mit einem Gehalt an Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew% bis 3,0 Gew% erzeugt wird. Anschließend wird der Lagerring einer Härtungsbehandlung unterzogen, wobei er auf eine Außentempe ratur von 800 °C bis 880 °C erwärmt und anschließend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur von unter 150 °C erreicht.
Die oben aufgeführten prozentualen Angaben beziehen sich dabei auf die Gewichtsprozente des jeweiligen Elements.
Mit diesem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren stellt sich überraschenderweise eine Härte deutlich über den bisher erzielbaren Härten, die in der Größenordnung von 45 HRC im Randbereich des Wälzlagerringes lagen, ein, während sich im Randbereich Druckeigenspannungen von bis zu –400 MPa ausbilden.
Nach der Härtungsbehandlung weist der Wälzlagerring eine Oberflächenhärte von mehr als 60 HRC (Rockwell Cone) auf. Dennoch weist der Wälzlagerringquerschnitt in seinem Kern Härten von weniger als 50 HRC auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können dadurch – in Abkehr von den bisherigen Ansätzen wie z.B. Einsatzhärtung oder induktive Randschichthärtung – auch Wälzlagerringe mit einem Ringquerschnitt von bis zu 30 mm, insbesondere sogar bis zu 20 mm, verfahrenstechnisch einfach und auf der Basis kostengünstiger, niedriglegierter Stähle hergestellt werden, die die oben bezeichneten lebensdauerfördernden Eigenschaften aufweisen.
Die Wahl der Außentemperatur bei der Härtungsbehandlung richtet sich auch nach der Masse des Wälzlagerringes, wobei Temperaturen um 800 °C in der Regel für Wälzlagerringe mit einer Querschnittskante (Ringdicke) von 20 mm bereits ausreichend sind, während bei Wälzlagerringen mit beispielsweise 20 mm Ringdicke eher Temperaturen im Bereich um 880 °C empfehlenswert sind.
Als Ausgangswerkstoffe kommen als niedriglegierte, durchhärtbare Stähle beispielsweise 100 Cr6, 100 Cr1, 100 Cr2, C75 und C80 infrage. Der angegebene Mindestkohlenstoffgehalt von 0,5 Gew% stellt – je nach materialbedingten geringen Abweichungen – die theoretische Untergrenze für geeignete Stähle dar. Besonders günstige Ergebnisse lassen sich mit Kohlenstoffgehalten von mehr als 0,7 Gew% erzielen.
Hinsichtlich der Härtungseigenschaften ist es günstig, für die Lagerringherstellung einen Stahl zu verwenden, dessen Gehalt an Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän in Summe von maximal 2,2 Gew% beträgt.
Besonders gute Festigkeitswerte lassen sich erzielen, indem der Lagerring vor der eigentlichen Erwärmung (auf über 800 °C) zunächst einer Vorwärmung auf bis zu 250 °C, vorzugsweise auf 200 °C, unterzogen wird.
Das anschließende Abschrecken geschieht fertigungstechnisch bevorzugt in einem Wasserbad, vorzugsweise mit einem Wärmeübergangskoeffizienten von 1500 bis 400 W/m2K, für 3 bis 30 Sekunden, wobei die Abschreckdauer auch durch die Masse des Lagerringes bestimmt ist. Die Abschreckdauer von 3 Sekunden ist daher eher für Lagerringe mit geringer Masse bzw. geringer Ringdicke von ungefähr 10 mm anzuwenden, während 30 Sekunden Abschreckdauer für Lagerringe mit größerer Ringdicke von z.B. ca. 20 mm anzuwenden sind. Zusätzlich oder alternativ kann das anschließende Abschrecken fertigungstechnisch auch in einem Bad mit wässriger Lösung, Öl oder einem Salz, vorzugsweise mit einem Wärmeübergangskoeffizienten von 1500 bis 400 W/m2K, für eine Dauer von z. B. 3 bis 30 sec abgeschreckt werden, wobei die Abschreckdauer auch hier typischerweise wiederum durch die Masse des Lagerringes bestimmt ist.
Ein erfindungsgemäßer Wälzlagerring aus einem niedrig legierten, durchhärtbaren Stahl weist einen Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew% und einen Gehalt an Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew% bis 3,0 Gew% auf und hat eine durch Wärmebehandlung erzeugte Härte von mehr als 60 HRC im Randbereich und weniger als 50 HRC im Kernbereich seines Querschnitts.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher erläutert.
Ein in der Figur nur perspektivisch als Sektor dargestellter Wälzlagerring 1 hat in seinem Querschnitt 2 einen umlaufenden Randbereich 3 mit einer Randdicke e und einen Kernbereich 4. Die Ringdicke d – also der radiale Abstand zwischen der Innenfläche 5 und der Außenfläche 6 des Wälzlagerrings 1 – betrage im Ausführungsbeispiel 10 mm, ohne dass die Erfindung auf Wälzlagerringe mit derartigen Abmaßen beschränkt ist.
Der Wälzlagerring besteht aus 100 Cr6, also einem niedriglegierten, durchhärtbaren und kostengünstigen Stahl. Der Kohlenstoffgehalt beträgt in diesem Beispiel ca. 1 Gew%. In dem Stahl gelöst sind außerdem Legierungselemente in Form von Chrom, Nickel und Molybdän, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Chromgehalt 1,5 Gew% betrage. Üblicherweise beträgt der Nickelgehalt und der Mangangehalt bei derartigen Stählen bis zu je 0,3 Gew% und der Molybdängehalt bis zu 0,15 Gew%. In Summe betrage der Gehalt an Chrom, Nickel, Mangan und Molybdän hier vorteilhafterweise weniger als 1,8 Gew%, beispielsweise 1,7 Gew%.
Wie im unteren Teil der Zeichnung dargestellt, wird der aus 100 Cr6 gefertigte Wälzlagerring 1 zunächst in einem Vorwärmofen 10 auf eine Temperatur TV von 200 °C vorgewärmt.
Anschließend wird der Lagerring 1 in einem weiteren Ofen 11 soweit erwärmt, dass seine Oberflächentemperatur TE 800 °C beträgt. Statt der Messung der Oberflächentemperatur ist es durch Messreihen möglich, die Funktion der Masse bzw. Zeit bei der Erwärmung derart zu bestimmen, dass aus der Ofentemperatur auf die Oberflächentemperatur des Werkstücks geschlossen werden kann. Bei kleineren Lagerringen wird eine Temperatur TE von ungefähr 800 °C gewählt, während bei größeren Lagerringen Temperaturen im Bereich von 880 °C günstig sind.
Anschließend wird der Lagerring 1 zur Komplettierung der Härtungsbehandlung 12 in einem Wasserbad 14 für einige Sekunden schroff so lange abgeschreckt, bis der Lagerring auf eine Abschrecktemperatur TA von ca. 100 °C abgekühlt ist.
Nach der Härtung ergeben sich damit Eindring- bzw. Durchhärtungstiefen im Randbereich e von ca. 3 mm, so dass in radialer Richtung bei einer Ringdicke d von 10 mm ein deutlich weicherer Kernbereich 4 von 4 mm radialer Dicke verbleibt. Dabei bilden sich vorteilhafterweise im Randbereich 3 Druckeigenspannungen von bis zu –400 MPa und eine Härte von mehr als 60 HRC aus. Im Kernbereich 4 des Querschnitts 2 ist eine Härte weniger als 50 HRC festzustellen. Bei einer Ringdicke d von 20 mm werden vorzugsweise die Parameter der Härtebehandlung derart eingestellt, dass die Randdicke e ca. 8 mm beträgt, so dass eine radiale Kernerstreckung mit deutlich geringerer Härte und damit höherer Zähigkeit von ca. 4 mm verbleibt.

1: Wälzlagerring
2: Querschnitt
3: Randbereich
4: Kernbereich
5: Innenfläche
6: Außenfläche
10: Vorwärmofen
11: Ofen
12: Härtungsbehandlung
14: Wasserbad
e: Randdicke
d: Ringdicke
T_A: Abschrecktemperatur
T_E: Oberflächentemperatur
T_V: Temperatur

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes, – bei dem ein Lagerring (1) aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew% und mit einem Gehalt an Chrom, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew% bis 3,0 Gew% erzeugt wird, und – bei dem der Lagerring (1) einer Härtungsbehandlung (12) unterzogen wird, bei der der Lagerring (1) auf eine Außentemperatur (T_E) zwischen 800° C und 880° C erwärmt wird und bei der der Lagerring (1) anschließend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur (T_A) von unter 150° C erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Lagerring (1) aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,7 Gew% erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Lagerring (1) aus einem Stahl erzeugt wird, dessen Gehalt an Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän in Summe maximal 2,2 Gew% beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagerring (1) vor der Erwärmung zunächst auf bis zu 250° C, vorzugsweise auf 200° C, vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagerring (1) in Wasser für 3 sec bis 30 sec, vorzugsweise mit einem Wärmeübergangsquotienten von 1500–400 W/m²K, abgeschreckt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagerring (1) in wässriger Lösung, Öl und/oder Salz, vorzugsweise mit einem Wärmeübergangsquotienten von 1500–400 W/m2K, für 3 sec bis 30 sec abgeschreckt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagering (1) nach dem Abschrecken einer Anlassbehandlung bei einer Temperatur im Bereich bis 350 °C, vorzugsweise im Bereich zwischen 200 °C und 300 °C unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem nach der Härtungsbehandlung (12) und vor der Anlassbehandlung eine Behandlung des Lageringes (1) bei einer tiefen Temperatur im Bereich von –50 °C bis –190 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagering (1) nach der Härtungsbehandlung (12) im Bereich des Querschnitts bis in einer Tiefe von mindestens 1 mm eine Druckeigenspannung von bis zu –400 MPa und eine Härte von wenigstens 60 HRC aufweist.
Wälzlagerring (1) aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl – mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew% und – mit einem Gehalt an Chrom, Mangan, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew% bis 3,0 Gew% und – mit einer Härte von mehr als 60 HRC im Randbereich und weniger als 50 HRC im Kernbereich (4) seines Querschnitts (2).