DE102008023158A1 - Wälzlagerbestandteil - Google Patents

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DE102008023158A1
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DE200810023158
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Rainer Eidloth
Christian SCHULTE-NÖLLE
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Schaeffler KG
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58Raceways; Race rings
    • F16C33/62Selection of substances

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerbestandteil, insbesondere Wälzlagerkäfig oder Wälzlagerring, umfassend ein Grundmaterial aus einem Stahl, und eine auf der Oberfläche des Grundmaterials angebrachte, korrosionsreduzierende Randschicht, die Sauerstoff- und Stickstoff-Atome enthält. Die Aufgabe, ein Wälzlagerbestandteil anzugeben, das eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit aufweist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Randschicht gezielt eingebrachte Zirconium-Atome enthält.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlagerbestandteil anzugeben, das eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit aufweist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - KR 1995-0010239 B1 [0003]

Claims (2)

  1. Wälzlagerbestandteil, insbesondere Wälzlagerkäfig oder Wälzlagerring, umfassend ein Grundmaterial aus einem Stahl, und eine auf der Oberfläche des Grundmaterials angebrachte, korrosionsreduzierende Randschicht, die Sauerstoff- und Stickstoff-Atome enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht gezielt eingebrachte Zirconium-Atome enthält.
  2. Wälzlagerbestandteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von ca. 10 bis 25 μm aufweist.
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