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Wälzlagerbestandteile,
insbesondere Wälzlagerkäfige oder Wälzlagerringe,
können im Betrieb Bedingungen ausgesetzt sein, die sowohl
eine hohe Korrosionsbeständigkeit als auch eine ausreichende mechanische,
insbesondere abrasive und adhäsive, Festigkeit, bei Wälzlagerringen
speziell eine hohe Überrollfestigkeit im Bereich der Laufbahnen
der Wälzkörper, erfordern. Derartige Wälzlagerbestandteile
sollen sowohl für Trocken- als auch Medienschmierung geeignet
sein. Als Medien kommen insbesondere Wasser, speziell Meerwasser
oder andere Chloridionen enthaltende Flüssigkeiten wie
auch aggressive chemische Substanzen in Frage.
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Das
NICO-BF-Verfahren beschreibt anhand der Behandlung von Rohren aus
einem weichen, ferritischen Stahl die Beschichtung der Rohre unter
Einfluss von Gasen wie N2, NH3,
CO2, Luft, C3H8 und O2. Dabei bildet
sich auf dem ferritischen Stahl als Grundkörper eine Sauerstoff-
und Stickstoff-Atome enthaltende Beschichtung aus. Für
eine dauerhafte Korrosionsbeständigkeit ist weiter vorgesehen,
eine zusätzliche Beschichtung, beispielsweise ein Wachs, auf
die Beschichtung aufzubringen. Das beschriebene Verfahren ist für
Wälzlagerbestandteile nicht ohne weiteres anwendbar, zumal
der ferritische Stahl zumindest für Wälzlagerringe
eine nicht ausreichende Festigkeit aufweist und die Sauerstoff-
und Stickstoff-Atome enthaltende Beschichtung die Korrosion zwar
reduziert, aber nicht in einem ausreichenden Maß, so dass
eine weitere Maßnahme wie die zusätzliche Beschichtung
aus Wachs erforderlich bleibt. Eine derartige zusätzliche
Beschichtung ist für Wälzlagerbestandteile aufgrund
der mechanischen Belastung aber nicht geeignet.
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KR 1995-0010239 B1 beschreibt
ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von
Stahl, speziell für Anwendungen in Meerwasser, wobei das
Verfahren die Schritte Erzeugen einer Randschicht auf dem Grundmaterial
durch Nitrieren bzw. Nitrocarburieren, anschließend Polieren
mit abschließenden Oxidieren umfasst. Hierbei entsteht
ein Werkstück mit Stahl als Grundmaterial und einer Randschicht,
die Eisen-, Stickstoff- und Sauerstoff-Atomen enthält.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlagerbestandteil
anzugeben, das eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit
bei hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein
für die mechanischen Anforderungen an Wälzlagerbestandteile
grund sätzlich geeigneter ferritischer, perlitischer oder
martensitischer Stahl als Grundmaterial des Korpus des Wälzlagerbestandteils
ermöglicht eine ausreichende mechanische Festigkeit des
Wälzlagerbestandteils insgesamt. Speziell für
Wälzlagerrringe kann als martensitischer Stahl ein niedriglegierter,
ggf. warmfester Einsatz- Vergütungs- oder durchhärtender
Stahl oder speziell ein Nitrierstahl vorgesehen sein wie z. B. 100Cr6, 100CrMnSi6-4,
SAE4320, 17NiCrMo4, 31CrMoV9, 31CrMo12 oder 42CrMo4. Speziell für
Wälzlagerkäfige können unlegierte Stähle
wie E355 (ST52) oder S235 (ST37) vorgesehen sein, allerdings auch
Legierungselemente enthaltende Stähle wie Nitrierstähle, oder
Stähle aus der Gruppe der Einsatz- und Vergütungsstähle.
Weiterhin wurde festgestellt, dass Zirconium-Atome auch in Gegenwart
von weiteren Elementen, speziell Legierungsbestandteilen des Stahls wie
Chrom oder Mangan, in der Randschicht die Korrosionsbeständigkeit
des Wälzlagerbestandteils so weit erhöhen, dass
eine Beschichtungder Wälzlagerbestandteile nicht mehr erforderlich
ist. Es hat sich weiter erwiesen, dass die Zirconium-Atome auch
für ferritischen Stahl, in Abwesenheit weiterer Legierungsbestandteile
bis auf unvermeidliche Verunreinigungen, die Korrosionsbeständigkeit
des Wälzlagerbestandteils verbessern.
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Ein
Oxinitr(ocarbur)ieren eines Stahls als Grundmaterial, in dessen
oberflächennaher Schicht zuvor Zirconium-Atome eindiffundiert
wurden, erzeugt eine Sauerstoff- und Stickstoff-Atome enthaltende
Randschicht mit einer Dicke von 15 μm bis ca. 25 μm,
so dass die behandelte Wälzlagerringe eine Oberflächenhärte
von ca. 600 bis 800 HV aufweisen; eine durch die Behandlungsdauer
einstellbare EHT[550 HV] liegt bei bis zu 0,5 mm. Diese mechanische
Festigkeit wird durch die Zirconium-Atome in der Randschicht nicht
wesentlich verschlechtert. Wälzlagerringe aus Einsatzstählen
werden üblicherweise in einem dem Oxinitrocarburieren vorgeschalteten
Prozessschritt aufgekohlt oder carbonitriert.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die durch das Nitr(ocarbur)ieren erzeugte Randschicht eine
Schichtdicke von ca. 15 μm bis ca. 25 μm aufweist,
wo bei dünnere Schichten eine nur unvollständigen
Korrosionsschutz und dickere Schichten zwar einen vollständigen
Korrosionsschutz bieten, allerdings aufwendiger aufzubringen sind.
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Der
Wälzlagerbestandteil, insbesondere der Wälzlagerkäfig,
kann derart hergestellt werden, dass das Grundmaterial als beispielsweise
perlitischer, ferritischer oder martensitischer Stahl bereitgestellt wird,
wobei das Grundmaterial bereits die Form des Wälzlagerbestandteils
aufweist.
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In
einem folgenden Schritt wird Zirconium auf das Grundmaterial aufgetragen,
beispielsweise naßchemisch, speziell elektrochemisch, durch
CVD-, PVD- oder andere Verfahren, insbesondere kann die Zirconiumschicht
auch durch Ionenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht sein.
Eine nachfolgende Wärmebehandlung bei Temperaturen über
900°C lässt das Zirconium in das Grundmaterial
eindiffundieren. In einer alternativen Durchführung des
Verfahrens können das Aufbringen der Zirconium-Schichtung das
Eindiffundierenlassen des Zirconium in das Grundmaterial auch in
einem einzigen Prozess-Schritt zusammengefasst werden.
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Ein
anschließendes Nitr(ocarbur)ieren erzeugt dann die Randschicht
als umgewandelten Bereich des Grundmaterials, wobei die Randschicht mehr
als ca. 15 μm Dicke aufweisen sollte, und wobei die Randschicht
neben Eisen-, Stickstoff- und Zirconium-Atomen ggf. noch Kohlenstoff-Atome
bzw. Atome von Legierungselementen des Grundmaterials aufweist.
Ein abschließendes Oxidieren schließt den Prozess
ab.
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Es
versteht sich, dass die Zirconium-Atome in der Randschicht auch
in der Weise eingebracht werden können, dass auf das Grundmaterial
durch einen CVD- oder einen plasma-unterstützten (Pa)CVD
Abscheideprozess bei Temperaturen ≥ 900°C gleichzeitig
auch Sauerstoff-, und Stickstoff-Atome, ggf. auch Kohlenstoff-Atome,
z. B. durch Zersetzung von zirconiumhaltigen gasförmigen
Precursorverbindung als Bestandteile der Randschicht einge bracht
werden können. In dem Fall einer CVD- oder PaCVD-Abscheidung
zur Bildung der Randschicht entfällt eine anschließende
Nachbehandlung im Niedertemperaturbereich (ca. 400–600°C).
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Alternativ
zu der Abscheidung der Randschicht in einem CVD- oder PaCVD-Prozessschritt kann
die Randschicht auch mittels eines PVD-Schrittes oder anderer physikalischer
Abscheideverfahren erzeugt werden; allerdings kann in diesem Fall
eine nachfolgende Temperaturbehandlung zur Diffusion erforderlich
bleiben.
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Die
Kohlenstoff- und Stickstoff-Atome sorgen für eine ausreichende
Nitrierhärtetiefe bzw. Einhärtetiefe, die in geringerer
Tiefe eindiffundierenden Atome von Sauerstoff, Stickstoff und Zirconium
bewirken die Korrosionsbeständigkeit im Bereich der Beschichtung.
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In
dem oberflächen-nahen Bereich eines erfindungsgemäß hergestellten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Wälzlagerkäfigs bildet sich ein eindiffundierte
Zirconium-Atome aufweisendes zum Beispiel martensitisches Stahlgefüge,
das mit einer ca. 10 bis ca. 25 μm dicken Randschicht aus der
die Sauerstoff- und Stickstoff-Atome enthaltenden Randschicht bedeckt
ist. Die Zirconium-Atome sind insbesondere in der die Sauerstoff-
und Stickstoff-Atome enthaltenden Randschicht nahe deren Oberfläche
konzentriert, die neben Zirconium-Atomen insbesondere auch Eisen-Atome
und Stickstoff-Atome, aber ggf. auch Kohlenstoff-Atome oder Atome
weiterer Legierungsbestandteile des Grundmaterials enthält.
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An
der Oberfläche der die Sauerstoff- und Stickstoff-Atome
enthaltenden Randschicht ist eine Oxidschicht mit einer Dicke von
bis zu 2 μm angeordnet, die durch den letzten Verfahrensschritt
des Oxinitr(ocarbur)ierens erzeugt wird. Zusätzlich geht
die Sauerstoff- und Stickstoff-Atome enthaltenden Randschicht zu
dem Stahlgefüge des Grundmaterials relativ abrupt über.
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Die
Erfindung wurde vorstehend beispielhaft für Wälzlagerkäfige
bzw. Wälzlagerringe als Wälzlagerbestandteile
beschrieben; es versteht sich aber, dass sie auch auf andere Wälzlagerbestandteile
wie Bordscheiben, Spannhülsen oder Führungsringe
gilt, die im Betrieb des Wälzlagers einer Flächenpressung
in korrosiver Umgebung unterliegen können. Als Führungsring
wird dabei ein solcher Bestandteil eines zweireihigen Lagers, insbesondere
eines zweireihigen Pendelrollenlagers, bezeichnet, der die Wälzkörper
der beiden Lagerreihen trennt und damit eine ähnliche Funktion
erfüllt wie Wälzlagerkäfige bei einreihigen
Lagern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - KR 1995-0010239
B1 [0003]