DE102010031439A1

DE102010031439A1 - Antifriction bearing has multiple components, such as bearing ring and rolling body, where rolling body rolls on bearing ring

Info

Publication number: DE102010031439A1
Application number: DE102010031439A
Authority: DE
Inventors: Thilo von Schleinitz
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-01-19

Abstract

The antifriction bearing has multiple components, such as a bearing ring and rolling body. The rolling body rolls on the bearing ring. One of the components is provided at the surface with a coating. The coating consists of nickel-phosphorus-alloy, which is produced by a chemical separation procedure such that it shows the micro-fragile behavior. An independent claim is also included for a method for manufacturing a component for an antifriction bearing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, aufweisend mehrere Bauteile, darunter wenigstens einen Lagerring und Wälzkörper, die auf dem wenigstens einen Lagerring abwälzen.The invention relates to a rolling bearing, comprising a plurality of components, including at least one bearing ring and rolling elements, which roll on the at least one bearing ring.

Bei der Optimierung der Standzeit von Wälzlagern bei gleichzeitiger Reduzierung der Ausfallquote ist es bekannt, die Oberflächen von Bauteilen der Wälzlager zu behandeln. Solche Behandlungen können Beschichtungen oder chemische Reaktionen an der Oberfläche sein, durch die sich beispielsweise das tribologische Verhalten verbessert, die Anhaftung von Additiven verändert, der Angriff schädigender Substanzen auf den Stahl verringert wird, oder mit deren Hilfe unerwünschte Oberflächenunregelmäßigkeiten vergleichmäßigt oder einebnungsfähig gemacht werden. Manche Varianten sollen auch unter extremen Lastbedingungen spezielle Schäden wie das Kaltverschweißen bzw. Fressen unterbinden. Eine bekannte Methode zur Veredelung der Oberfläche von Bauteilen von Wälzlagern ist beispielsweise das Brünieren. Dabei wird durch Eintauchen des Bauteils in Brünierbäder eine Schutzschicht auf der eisenhaltigen Oberfläche des jeweiligen Bauteils gebildet. Es entsteht eine dünne Schicht an der Oberfläche, die Mischoxide aufweist. Die Schichtdicke liegt im Bereich weniger Mikrometer und nutzt einen Volumenanteil des Grundwerkstoffes, so dass die Bauteile weitestgehend maßhaltig bleiben. Eine Brünierschicht dient vornehmlich der Standzeitverlängerung des Wälzlagers unter ungünstigen Betriebsbedingungen. Gegen chemische Angriffe und andauernde hohe mechanische Belastungen bieten bekannte Brünierschichten nur begrenzten Schutz. Insbesondere bei der Kombination mehrerer ungünstiger Bedingungen im Einsatz der Wälzlager lässt sich durch eine Brünierung der Bauteile je nach Betriebsparameter lediglich eine geringfügige Erhöhung der Standzeit im Vergleich zu Wälzlagern mit unbrünierten Bauteilen beobachten. Ein Grund hierfür ist, dass die Brünierung nur einen Teil der Eigenschaften aufweist, die für eine universell taugliche Oberflächenbehandlung wünschenswert sind.When optimizing the life of rolling bearings while reducing the failure rate, it is known to treat the surfaces of components of the bearings. Such treatments can be coatings or chemical reactions on the surface which, for example, improve the tribological behavior, alter the adhesion of additives, reduce the attack of damaging substances on the steel, or smooth out undesirable surface irregularities or render them useable. Some variants are intended to prevent special damage such as cold welding or seizing even under extreme load conditions. A known method for finishing the surface of components of rolling bearings is, for example, the burnishing. In this case, a protective layer is formed on the iron-containing surface of the respective component by immersing the component in burnishing baths. The result is a thin layer on the surface, which has mixed oxides. The layer thickness is in the range of a few microns and uses a volume fraction of the base material, so that the components remain largely dimensionally stable. A burnishing layer primarily serves to extend the service life of the rolling bearing under unfavorable operating conditions. Known black layers offer only limited protection against chemical attack and ongoing high mechanical loads. Especially with the combination of several unfavorable conditions in the use of rolling bearings can be observed by a burnishing of the components depending on the operating parameters, only a slight increase in the service life compared to rolling bearings with unbrünierten components. One reason for this is that the browning has only a part of the properties that are desirable for a universal surface treatment.

Bei der Auswahl geeigneter Oberflächenbehandlungen müssen verschiedene wünschenswerte Schutzeigenschaften idealerweise in einer Schicht kombiniert werden. So sollte die Schicht beispielsweise gegen Kaltverschweißen der Bauteile schützen, was aufgrund ungünstiger Last- und Schmierzustände zwischen den einzelnen Bauteilen der Wälzlager auftreten kann. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Schutzschicht einen hohen chemischen Widerstand und eine geringe Durchlässigkeit bietet, um störende Umwelteinflüsse zu eliminieren. Dies sind nicht nur korrosive Umgebungseinflüsse oder Eindiffusion schädigender Elemente wie beispielsweise Wasserstoff, sondern auch Angriffe von Bestandteilen der Schmieröle wie EP-Additive, Phosphor- und Schwefelverbindungen, sowie Säuren. Weiterhin würde sich eine Schutzschicht mit geringer Reibung und guter Öladhäsion positiv auf die Laufeigenschaften des Wälzlagers auswirken. Eine Verbesserung der Oberflächenstruktur, besonders in Verbindung mit den Vorgängen des initialen Einlaufens des Lagers, soll ebenfalls erreicht werden.When selecting suitable surface treatments, various desirable protective properties must ideally be combined in one layer. For example, the layer should protect against cold welding of the components, which may occur due to unfavorable load and lubrication conditions between the individual components of the rolling bearing. In addition, it is advantageous if the protective layer offers high chemical resistance and low permeability in order to eliminate disturbing environmental influences. These are not only corrosive environmental influences or indiffusion of damaging elements such as hydrogen, but also attacks of components of lubricating oils such as EP additives, phosphorus and sulfur compounds, as well as acids. Furthermore, a protective layer with low friction and good oil adhesion would have a positive effect on the running properties of the rolling bearing. An improvement of the surface structure, especially in connection with the operations of the initial running-in of the bearing, should also be achieved.

Damit die Schutzschicht dauerhaft ihre Schutzfunktion ausübt, muss sie außerdem abriebfest in Rutsch- und Kratzbelastungen und wälzfest sein, d. h. beim Betrieb des Wälzlagers nicht abblättern, was insbesondere bei dicken Schutzschichten auftritt. Dicke Schichten haben neben dem Problem der Maßhaltigkeit auch den Nachteil, dass im Falle eines Abblätterns aufgrund der Größen der freiwerdenden Partikel Folgeschäden auftreten. Weiterhin ist es erforderlich, aus prozesstechnischen Gründen eine Beschichtungsmethode zu wählen, die sich durch Kosten- und Zeiteffizienz auszeichnet. Bei bekannten Brünierungsmethoden sind große Anlagen und lange Prozesszeiten erforderlich, was zu hohen Produktionskosten führt. Typischerweise sind Zeiten im eigentlichen Brünierbad zwischen 15 und 40 Minuten sowie temperaturbedingt sehr hohe Energiekosten zur Erzeugung der Brünierschichten erforderlich.In order for the protective layer to perform its protective function permanently, it must also be abrasion-resistant in sliding and scratching loads and resistant to rolling, d. H. do not flake during operation of the bearing, which occurs especially with thick protective layers. In addition to the problem of dimensional stability, thick layers also have the disadvantage that, in the event of delamination, consequential damage occurs as a result of the sizes of the released particles. Furthermore, it is necessary for process engineering reasons to choose a coating method which is characterized by cost and time efficiency. Known blackening methods require large plants and long process times, resulting in high production costs. Typically, times in the actual burnishing bath between 15 and 40 minutes and temperature-related very high energy costs to produce the burnishing layers are required.

Eine im Vergleich zum Eintauchen in rein chemisch wirkende Bäder aufwändige aber häufig eingesetzte Beschichtungsmethode ist die elektrolytische Beschichtung (galvanische Beschichtung) mit von außen initiiertem Stromfluss. Diese ist prozesstechnisch aufgrund der erforderlichen elektrischen Kontaktierung bei Massenteilen und hohem Qualitätsanspruch nicht kostengünstig durchführbar. Des Weiteren entsteht bei der Elektrolyse im Vergleich zu chemischen Beschichtungsverfahren besonders viel Wasserstoff, der sich bei längerer Prozessdauer nachteilig auf die Materialeigenschaften der Wälzlagerbauteile auswirken würde. Die Wasserstoffproblematik ist bei der rein chemischen Abscheidung auch vorhanden, jedoch deutlich geringer ausgeprägt. Bei der elektrolytischen Beschichtung wird außerdem keine Formtreue erreicht, da die Schichtdicke insbesondere aufgrund von unterschiedlichem Aufbau an Kanten, Rundungen und Absätzen unerwünschten Schwankungen unterliegt. Insofern sollte idealerweise eine Schutzschicht gewählt werden, die sich mit einer alternativen Beschichtungsmethode aufbringen lässt.An expensive but frequently used coating method compared to immersion in purely chemical baths is the electrolytic coating (galvanic coating) with externally initiated current flow. This is not technically feasible due to the required electrical contact with mass parts and high quality requirements. In addition, in electrolysis, in comparison with chemical coating processes, a particularly large amount of hydrogen is produced, which would adversely affect the material properties of the rolling bearing components over a longer process time. The hydrogen problem is also present in purely chemical deposition, but much less pronounced. With the electrolytic coating, in addition, no dimensional accuracy is achieved since the layer thickness is subject to undesired fluctuations, in particular due to the different structure of edges, curves and shoulders. In this respect, ideally a protective layer should be chosen, which can be applied using an alternative coating method.

Hinzu kommt die Anforderung, dass die Schicht rissfrei abzuscheiden und das Bauteil möglichst vollständig zu umhüllen ist. Ansonsten bildet die entsprechende Schicht keine perfekte chemische Schutzbarriere gegen die Umwelteinflüsse, was die Lagerstandzeit wiederum verringern würde. Zudem wäre es wünschenswert, wenn die Schicht gut formbare und nicht spröde Eigenschaften aufweist, so dass sich durch die Aufbringung der Schicht eine zusätzliche Glättung der Oberfläche des Bauteils einstellt. Diese Glättung kann schon bei Auftragen der Schicht auftreten, oder erst im Betrieb unter Last durch eine einebnende Wirkung in der Einlaufphase. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Schicht bereits beim Auftrag einen leichten Einebnungseffekt im sub-μm-Bereich erreicht und sich dann unter Last plan walzen lässt. Wünschenswert ist ebenfalls, dass die Schicht kein reaktionsfähiges Eisen enthält, da sich ansonsten keine vollständige Trennung der Stahloberflächen der Bauteile gegeneinander erreichen ließe. Hoch eisenhaltige, ausgenommen eisenoxidhaltige, Beschichtungen würden keinen zuverlässigen Schutz gegen Kaltverschweißen der Bauteile bieten. Zudem sollte die Schicht eine hohe Standzeit unter Wälzlagerbedingungen aufweisen und dabei eingesetzte Schmiermittel nicht abweisen.Added to this is the requirement that the layer is deposited without cracking and that the component is to be completely enveloped. Otherwise, the corresponding layer does not form a perfect chemical protective barrier against the environmental influences, which in turn would reduce the shelf life. In addition, it would be desirable if the layer has good moldable and non-brittle properties, so that the application of the layer adjusts an additional smoothing of the surface of the component. This smoothing can already occur when applying the layer, or only during operation under load by a leveling effect in the run-in phase. This is especially the case when the layer reaches a slight leveling effect in the sub-micron range already during the application and can then be rolled flat under load. It is also desirable that the layer does not contain any reactive iron, otherwise there would be no complete separation of the steel surfaces of the components from each other. High ferrous, excluding iron oxide, coatings would not provide reliable protection against cold welding of the components. In addition, the layer should have a long service life under rolling bearing conditions and do not reject the lubricant used.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Walzlager mit wenigstens einem beschichteten Bauteil und ein Verfahren zur Beschichtung des Bauteils anzugeben, womit sich möglichst viele der genannten Eigenschaften realisieren lassen.It is therefore an object of the invention to provide a rolling bearing with at least one coated component and a method for coating the component, which can be as many of the above properties realized.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die verfahrensbezogene Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des Walzlagers und des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils abhängigen Unteransprüche.The device-related object is achieved by a rolling bearing with the features of the main claim. The procedural task is solved by a method having the features of the independent claim. Further advantages and embodiments of the rolling bearing and of the method are the subject of the respective dependent subclaims.

Gemäß Hauptanspruch wird ein Wälzlager, aufweisend mehrere Bauteile, darunter wenigstens ein Lagerring und Wälzkörper, die auf dem wenigstens einen Lagerring abwälzen, angegeben. Wenigstens eines der Bauteile ist mit einer Beschichtung einer Dicke im Bereich von 2 um oder weniger versehen, wobei die Beschichtung eine Nickel-Phosphor-Legierung enthält. Dies bedeutet, dass die Schichtdicken auch geringfügig, also im sub-μm-Bereich, dicker als 2 μm sein können. Allerdings sollten die Schichtdicken vorzugsweise 1 bis 2 um und idealerweise 1,5 μm betragen. Angegeben ist hier jeweils eine mittlere Schichtdicke, da zusätzliche Schwankungen im sub-μm-Bereich zur Ebnung der Oberfläche des Bauteils beitragen können. Insofern könnte eine Schicht mit einer Schichtdicke von 2 μm durchaus in einigen Bereichen beispielsweise 2,2 μm dick sein, in anderen Bereichen wiederum nur 1,8 um. Allerdings weisen auch Schichten ab einer Dicke von 0,5 um oder insbesondere ab 0,8 μm bereits vorteilhafte Eigenschaften auf. Schichten zwischen 2 μm und 3 μm, bei geringerer Last sogar bis 5 μm besitzen ebenfalls noch vergleichbare vorteilhafte Eigenschaften, jedoch wird dort die Toleranzklasse der Wälzlagerbestandteile durch die Beschichtung bereits beeinträchtigt und die Beschichtungsdauer und Herstellkosten steigen ohne wesentlichen Zugewinn. Außerdem ist es anzustreben, die gegenüber dem Grundwerkstoff weichere Schicht in einer so begrenzten Dicke einzusetzen, dass sie unter Wälzbelastung zwar die Oberfläche glättet, es aber nicht zu Eindrückungen oder Walkeffekten in der Größenordnung von Mikrometern kommt. Bevorzugt besteht die Beschichtung vollständig aus einer Nickel-Phosphor-Legierung.According to the main claim is a rolling bearing, comprising a plurality of components, including at least one bearing ring and rolling elements, which roll on the at least one bearing ring specified. At least one of the components is provided with a coating having a thickness in the range of 2 μm or less, the coating containing a nickel-phosphorus alloy. This means that the layer thicknesses can also be slightly thicker, ie in the sub-micron range, thicker than 2 microns. However, the layer thicknesses should preferably be 1 to 2 μm, and ideally 1.5 μm. Indicated here is in each case an average layer thickness, since additional fluctuations in the sub-micron range can contribute to the planarization of the surface of the component. In this respect, a layer with a layer thickness of 2 μm could in some areas be for example 2.2 μm thick, in other areas again only 1.8 μm. However, even layers with a thickness of 0.5 μm or, in particular, from 0.8 μm already have advantageous properties. Layers between 2 .mu.m and 3 .mu.m, even less than 5 .mu.m at lower load also have comparable advantageous properties, but there the tolerance class of the rolling bearing components is already affected by the coating and the coating time and production costs increase without significant gain. In addition, it is desirable to use the soft compared to the base material layer in a so limited thickness that it smooths the surface under rolling load, but it does not come to indentations or Walktffekten in the order of microns. The coating preferably consists entirely of a nickel-phosphorus alloy.

Die Schicht wurde erfindungsgemäß durch ein chemisches Abscheideverfahren erzeugt derart erzeugt, dass sie mikrobrüchiges Verhalten zeigt. „Mikrobrüchig” bedeutet hier, dass die Beschichtung im Fall eines teilweisen und vollständigen Ablösens vom Bauteil (Versagen der Beschichtung) sich in derart kleinen Partikeln oder Bruchstücken ablöst, dass keine Folgeschäden am Wälzlager auftreten. Die Beschichtung zerfällt in „Mikropartikel”, bevorzugt mit einer Größe kleiner oder gleich 3 μm in jeder Raurichtung. Die Partikel haben also in keiner Richtung eine Abmessung von mehr als 3 μm. Bevorzugt weisen die Partikel als größte Ausdehnung maximal 1,5 μm auf. Bei derart kleinen Partikeln ist davon auszugehen, dass sie beim Betrieb des Wälzlagers nicht zu weiteren Beschädigungen oder Blockaden führen. Das Freisetzen größerer Partikel kann zu Schäden am Wälzlager führen oder dieses blockieren. Durch die mikrobrüchige Eigenschaft der Beschichtung ist sichergestellt, dass das Wälzlager im Versagensfall weiter betrieben werden kann, wenn auch mit dann weniger gut geschützten Bauteilen. Aufgrund der geringen Schichtdicke kommt es auch bei vollständigem Ablösen der Beschichtung nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Lagerluft, also dem Abstand der einzelnen Bestandteile, wie Wälzkörper und Lagerringe. Der Betrieb des Wälzlagers kann folglich ohne Einbußen bei der Tragfähigkeit und sonstiger Laufeigenschaften fortgesetzt werden.The layer was produced according to the invention by a chemical deposition process generated such that it shows micro brittle behavior. "Micro-brittle" here means that the coating in the case of a partial and complete detachment from the component (failure of the coating) peels off in such small particles or fragments that no consequential damage to the rolling bearing occur. The coating disintegrates into "microparticles", preferably with a size of less than or equal to 3 μm in each roughening direction. The particles thus have in no direction a dimension of more than 3 microns. Preferably, the particles have a maximum extent of at most 1.5 microns. With such small particles it can be assumed that they do not lead to further damage or blockages during operation of the rolling bearing. The release of larger particles may cause damage to the roller bearing or block it. The micro brittle property of the coating ensures that the rolling bearing can continue to operate in case of failure, albeit with less well protected components. Due to the small layer thickness, there is no significant increase in the bearing clearance, even at complete detachment of the coating, ie the distance between the individual components, such as rolling elements and bearing rings. The operation of the rolling bearing can thus be continued without sacrificing the carrying capacity and other operating characteristics.

Es wurde zudem festgestellt, dass gerade Beschichtungen aus bzw. mit Nickel-Phosphor-Legierungen, die bekannterweise unter Verwendung deutlich größerer Schichtdicken, oft 15 bis 50 μm, im Allgemeinen jedoch bis 300 μm, zur Beschichtung metallischer Gegenstände verwendbar sind, bei der ungewöhnlich geringen Schichtdicke im Bereich von 2 μm oder darunter einen Großteil der eingangs beschriebenen Eigenschaften und Anforderungen erfüllen. So lassen sich Nickel-Phosphor-Legierungen rissfrei und porenfrei, somit also dicht abscheiden. Chemische Nickelschichten besitzen bis zu einer Grenze von etwa 50 μm Druckeigenspannungen bis 50 N/mm², was der Dichtheit zuträglich ist. Der chemische Widerstandswert der Nickelschicht ist gegen die meisten Substanzen, oxidierende Säuren ausgenommen, sehr hoch. Deswegen bietet eine geschlossene Schicht einen äußerst hohen Schutz gegen chemisch aggressive Substanzen. Bei Dicken von wenigen μm liegt normalerweise noch keine geschlossene Schicht vor (erst ab 5 μm), durch ein spezielles Beschichtungsverfahren (wie im nebengeordneten Anspruch) wird hier jedoch die erfindungsgemäße Schicht im Bereich bis 2 μm lückenlos abgeschieden.It has also been found that especially coatings made of or with nickel-phosphorus alloys, which are known to be usable for coating metallic objects, using unusually large layer thicknesses, often 15 to 50 μm, but generally up to 300 μm, are unusually small Layer thickness in the range of 2 microns or below meet most of the properties and requirements described above. Thus, nickel-phosphorus alloys can be crack-free and non-porous, thus dense. Chemical nickel layers have residual compressive stresses up to 50 N / mm ² up to a limit of about 50 μm, which is beneficial for the tightness. The chemical resistance of the nickel layer is very high against most substances except oxidizing acids. Therefore, a closed layer provides extremely high protection against chemically aggressive substances. At thicknesses of a few microns is usually still no closed layer before (only from 5 microns), by a special coating method (as in the independent claim), however, the inventive layer in the range up to 2 microns is completely deposited.

Die Schicht lässt sich zudem absolut konturtreu in gleichmäßiger Dicke aufbringen. Die Bauteile lassen sich folglich vollständig und geometrieunabhängig gleichmäßig umhüllen. Dies ist beispielsweise bei Chrom in dem gewählten Schichtendickenbereich nicht möglich, so dass dort aufgrund von Fehlstellen, Dickenschwankungen und der natürlichen Mikrorissigkeit keine chemische Barriere gebildet würde. Es zeigte sich, dass auf Nickel-Phosphor-Legierungen basierende Beschichtungen auch bei komplexen Bauteilgeometrien wie Lagerringen mit großer Homogenität bezüglich der Schichtdicke und nahezu linearem Zeit-Schichtdickenverlauf abscheidbar sind, die Schwankungen gegenüber den gewünschten Sollschichtdicken liegen bei praktischer Ausführung lediglich im Bereich von unter 10%. In Versuchen zeigten sich Schwankungen zwischen 6 beschichteten Probekörpern von nur 0,04 μm. (1,54 μm–1,58 μm nach Röntgendiffraktometrie „X-Ray”). Durch die Härte der Nickel-Legierung lässt sich eine hohe Standzeit unter Wälzlagerbedingungen realisieren. Ein Abblättern ist durch die geringe Schichtdicke verbunden mit der bei erfindungsgemäßer Vorbehandlung hohen Haftfähigkeit und ausreichenden Formbarkeit nahezu ausgeschlossen. Die Haftung entsteht durch eine Kombination aus metallischer und mechanischer Bindung mit Diffusionsaustausch.In addition, the layer can be applied absolutely evenly in consistent thickness. Consequently, the components can be completely uniformly and geometry-independently enveloped. This is not possible, for example, with chromium in the selected layer thickness range, so that there would be no chemical barrier due to defects, thickness variations and natural microcracking. It was found that coatings based on nickel-phosphorus alloys can be deposited even with complex component geometries such as bearing rings with high homogeneity with respect to the layer thickness and almost linear time layer thickness profile; the variations compared with the desired nominal layer thicknesses are only in the range of less than 10 in the case of practical implementation %. In tests, variations between 6 coated specimens of only 0.04 microns showed. (1.54 μm-1.58 μm after X-ray diffractometry "X-Ray"). Due to the hardness of the nickel alloy, a long service life under rolling bearing conditions can be realized. Flaking is almost impossible due to the small layer thickness associated with the high adhesion and sufficient moldability in pretreatment according to the invention. The adhesion arises from a combination of metallic and mechanical bonding with diffusion exchange.

Beschichtungen derselben Materialklasse mit Schichtdicken im Bereich von 10–300 μm würden neben der Toleranzklassenänderung bei Einformung der Schicht und einem die Lebensdauer verkürzenden Walkeffekt nach vergleichsweise geringer Laufzeit der Wälzlager zum Ablösen von der Oberfläche neigen, ab 50 μm verstärkt durch ungünstige schichtinterne Spannungsrichtung, so dass der Schutzeffekt nicht mehr gegeben wäre und das Lager nachhaltig geschädigt würde. Die freigesetzten größeren Schichtpartikel würden zu Sekundärschäden bei Überrollung im Lager führen.Coatings of the same material class with layer thicknesses in the range of 10-300 microns would tend next to the tolerance class change in molding of the layer and a lifetime shortening Walkeffekt after comparatively short running time of the bearings for detachment from the surface, from 50 microns reinforced by unfavorable stratigraphic stress direction, so that the protective effect would no longer exist and the bearing would be permanently damaged. The liberated larger layer particles would lead to secondary damage during rolling in the warehouse.

Die Beschichtung wird durch ein chemisches Abscheideverfahren erzeugt. Es ist möglich, Nickel-Phosphor-Legierungen enthaltende Schichten sowohl elektrolytisch, als auch chemisch abzuscheiden. Aufgrund der eingangs beschriebenen Nachteile der Elektrolyse ist jedoch im Falle von Wälzlagerbauteilen das chemische Abscheideverfahren, insbesondere aufgrund seiner stromlosen Durchführbarkeit, zu bevorzugen. Aufgrund der nicht erforderlichen elektrischen Kontaktierung lässt sich die Oberfläche der Bauteile, beispielsweise bei deren freier Bewegung in Trommeln oder Umlaufgestellen, vollständig beschichten. Bei elektrolytischen Verfahren würde eine elektrische Kontaktierung der Oberfläche erforderlich sein, so dass an der Kontaktstelle keine Beschichtung stattfinden könnte. Eine vollständige Schutzschicht wäre so nicht erzeugbar. Auch optisch würde eine solche Oberfläche Mangel aufgrund der nicht vollständigen Beschichtung aufweisen. Weiterhin weist die elektrolytische Nickelschicht Eigenschaften auf, die für die Wälzlageranwendung ungünstiger sind als diejenigen einer chemisch erzeugten Nickelschicht. Die Harte einer Nickel-Phosphor-Schicht wird bevorzugt nicht so hart sein wie der zugrunde liegende Stahl des Bauteils, allerdings so hoch wie möglich. Vorteilhaft ist folglich eine Härte zwischen 50 und 58 HRC, idealerweise 52 HRC. Die Schicht und ist damit weicher als der wärmebehandelte Wälzlagerstahl bei dennoch guter Tragfähigkeit. Galvanisch abgeschiedenes Nickel hat nur ein Drittel dieser Härte und kann beispielsweise als haftvermittelnde Zwischenschicht eingesetzt werden.The coating is produced by a chemical deposition process. It is possible to deposit layers containing nickel-phosphorus alloys both electrolytically and chemically. Due to the disadvantages of the electrolysis described above, however, in the case of rolling bearing components, the chemical deposition method, in particular due to its currentless feasibility, to be preferred. Due to the unnecessary electrical contact, the surface of the components, for example, in their free movement in drums or Umlaufgestellen completely coat. In electrolytic processes, an electrical contacting of the surface would be required, so that no coating could take place at the contact point. A complete protective layer would not be possible. Even visually, such a surface would lack due to the incomplete coating. Furthermore, the electrolytic nickel layer has properties which are less favorable for the rolling bearing application than those of a chemically generated nickel layer. The hardness of a nickel-phosphorus layer will preferably not be as hard as the underlying steel of the component, but as high as possible. Consequently, a hardness between 50 and 58 HRC, ideally 52 HRC, is advantageous. The layer and is thus softer than the heat-treated bearing steel but still good bearing capacity. Galvanically deposited nickel has only one third of this hardness and can be used, for example, as an adhesion-promoting intermediate layer.

Ein Tempern der erzeugten Schichten ist nicht erforderlich, da eine weitere Härtesteigerung zur Angleichung an den Wälzlagerstahl nicht erwünscht ist. Weiterhin würde das Tempern die Gefügestruktur der Nickel-Phosphor-Schicht verändern. Eine röntgenamorph oder feinkristallin abgeschiedene Schicht würde beim Tempern durch Bildung von Ni₃P-Kristallen ausgeprägt kristallin und ferromagnetisch, was die Eigenschaften der Schicht verschlechtern würde. Entsprechend ist die Beschichtung bevorzugt mikrokristalliner Struktur, wodurch die geforderten Eigenschaften, insbesondere der Mikrobrüchigkeit optimal ausgebildet sind.A tempering of the layers produced is not required, since a further increase in hardness to approximate the bearing steel is not desirable. Furthermore, annealing would change the microstructure of the nickel-phosphorus layer. An X-ray amorphous or fine crystalline deposited layer would be pronounced crystalline and ferromagnetic upon annealing by formation of Ni ₃ P crystals, which would degrade the properties of the layer. Accordingly, the coating is preferably microcrystalline structure, whereby the required properties, in particular the micro brittleness are optimally formed.

Gemäß dem nebengeordneten Anspruch wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für ein Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche angegeben, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

– Entfettung des Bauteils,
– Dekapieren und/oder Beizen des Bauteils,
– Behandlung der Oberfläche des Bauteils mit einem alkalischen Medium und
– Aufbringung der Beschichtung durch chemische Abscheidung in einem Beschichtungsbad.

According to the independent claim, a method for producing a component for a roller bearing according to one of the preceding claims is specified, comprising the following method steps:

- degreasing of the component,
- picking and / or pickling the component,
- Treatment of the surface of the component with an alkaline medium and
- Application of the coating by chemical deposition in a coating bath.

Die zunächst erfolgende Entfettung des Bauteils ist erforderlich, um die Oberfläche von störenden Elementen, Trennschichten und Verunreinigungen vor dem Aufbringen der Beschichtung zu reinigen. Insbesondere bei der angestrebten geringen Schichtdicke im Bereich von 2 μm oder weniger würden Verunreinigungen die Schutzwirkung der Schicht gefährden.The initial degreasing of the component is required to clean the surface of interfering elements, separating layers and contaminants prior to the application of the coating. In particular, with the desired low layer thickness in the range of 2 microns or less impurities would compromise the protective effect of the layer.

Würde nach dem Entfetten des Bauteils sofort mit der Aufbringung der Beschichtung fortgefahren, so würde sich unter Umständen das Problem ergeben, dass der Beschichtungsprozess nicht an allen Stellen der Oberfläche des Bauteils gleichzeitig einsetzen würde. In diesem Fall würde bei einer entsprechend gewählten Beschichtungszeit die Schichtdicke an den verschiedenen Stellen der Oberfläche stark schwanken, so dass bei der angestrebten geringen Schichtdicke im Bereich von 2 μm oder weniger keine geschlossene Beschichtung des Bauteils zu erwarten wäre. Die zu erwartenden Zeitunterschiede im Reaktionsbeginn resultieren unter anderem aus nicht in der Entfettung entfernbaren partiellen Trennschichten und aus unsichtbaren Oxiden an der teilweise noch passiven Oberfläche, welche Reaktionsbeginn und Reaktionsgeschwindigkeit individuell verändern. Diese Effekte lassen sich jedoch durch eine Dekapierung (Oberflächenansäuerung) oder Beize (Säureangriff) des Bauteils vor Beginn der Beschichtung vermindern oder gänzlich eliminieren. Beim Dekapieren handelt es sich um einen im vergleich zum Beizen verkürzten Prozess, dessen geringe Zeitdauer und niedrige Aggressivität zur Aktivierung und Ansäuerung der Oberfläche genügt, diese jedoch noch nicht nachweisbar angreift. Beim Beizen erfolgt ein geringer Oberflächenangriff bei guter Abreinigung von Oxidschichten.If the application of the coating continued immediately after degreasing of the component, the problem might arise that the coating process would not be used simultaneously at all points of the surface of the component. In this case, the layer thickness would be at a suitably selected coating time strongly fluctuate at the various points of the surface, so that at the desired low layer thickness in the range of 2 microns or less no closed coating of the component would be expected. The expected time differences in the beginning of the reaction result, inter alia, from partial separation layers which can not be removed in the degreasing and from invisible oxides at the partially still passive surface, which individually change the beginning of the reaction and the reaction rate. However, these effects can be reduced or completely eliminated by a pickling (surface acidification) or stain (acid attack) of the component before the beginning of the coating. Decapitation is a shortened process compared to pickling, whose short duration and low aggressiveness are sufficient to activate and acidify the surface, but this does not detectably attack. During pickling, there is a slight surface attack with good cleaning of oxide layers.

Bei dieser Vorbehandlung kann es je nach Oberflächenbeschaffenheit im ungünstigen Fall trotzdem noch zu Schichthaftungsproblemen, Fleckigkeit und Ungleichmäßigkeiten kommen. Daher ist eine weitere Vorbehandlung erforderlich, bei der nach der Beize noch eine weitere Reinigung, nach Möglichkeit sogar eine elektrolytische Entfettung, mindestens aber eine alkalische Heißentfettung. Hier werden einerseits Beizrückstände entfernt, andererseits wird die Oberfläche wieder rückalkalisiert. Während üblicherweise das Dekapieren/Ansäuern der Oberfläche vor Eintritt in ein sauberes Aktivbad sinnvoll ist, um Gleichmäßigkeit der chemischen Reaktionen zu erhalten und anfängliche störende Neutralisation zu vermeiden, so ist es im Falle der erfindungsgemäßen dünnen Nickel-Phosphor-Schicht vorteilhaft, den umgekehrten Fall zu wählen. Die Abscheidung des Nickel-Phosphorbades ist in Startpunkt, Angriff, Verteilung und Geschwindigkeit vom pH-Wert abhängig. Bei Erzeugen einer unter 2 μm dicken Schicht, welche geschlossen sein soll, muss eine sehr rasche und lückenlose Bildung von Initialkeimen zum Schichtwachstum an der Oberfläche erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass dieser zeitgleiche und intensitätsgleiche allseitige Schichtwachstumsbeginn begünstigt sein kann, wenn eine dünne alkalische statt saure Grenzschicht vorliegt, welche sich während des ersten Angriffs unmittelbar abbaut und erst im Anschluss in den regulären Beschichtungsprozess übergeht.Depending on the nature of the surface, this pre-treatment may still lead to layer adhesion problems, blotchiness and irregularities in the worst case. Therefore, a further pretreatment is required in the after pickling yet another cleaning, if possible even an electrolytic degreasing, but at least an alkaline hot degreasing. Here on the one hand pickling residues are removed, on the other hand the surface is back-alkalized. While usually the pickling / acidification of the surface prior to entering a clean active bath makes sense in order to obtain uniformity of the chemical reactions and avoid initial disturbing neutralization, it is advantageous in the case of the thin nickel-phosphorus layer according to the invention, the reverse case choose. The deposition of the nickel-phosphorus bath is dependent on the pH value in starting point, attack, distribution and speed. When creating a layer that is less than 2 μm thick, which should be closed, very rapid and complete formation of initial nuclei for layer growth at the surface must take place. It has been shown that this simultaneous and intensity-identical all-round layer growth beginning can be favored if there is a thin alkaline instead of acidic boundary layer, which degrades directly during the first attack and only then passes into the regular coating process.

Nach der entsprechenden Vorbereitung des Bauteils durch Entfetten und Dekapieren und Alkalisierung sowie den dazugehörigen Spülvorgängen wird die eigentliche Beschichtung chemisch aufgebracht.After the appropriate preparation of the component by degreasing and pickling and alkalization and the associated rinsing the actual coating is applied chemically.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Bauteil zur Aufbringung einer Beschichtung in ein Beschichtungsbad für etwa 5 bis 10 Minuten eingetaucht. Bereits nach 5 Minuten lässt sich eine Schichtdicke im Bereich von mindestens 1 μm realisieren. Im Vergleich zur Erzeugung von Brünierschichten ist die Beschichtungszeit folglich deutlich reduziert und damit zeiteffektiver durchführbar. Zusammen mit dem niedrigeren Energieeinsatz, der sich aus einem einzigen Nickel-Phosphor-Bad bei etwa 90°C verglichen mit mehreren Brünierbädern bei etwa 140°C ergibt, ist die Beschichtung günstiger und umweltfreundlicher realisierbar. Vorteilhaft für die Entstehung der Schicht ist, wenn die zu beschichtende Oberfläche relativ zur umgebenden Badflüssigkeit bewegt wird. Folglich wird entweder das Bauteil oder die Badflüssigkeit während des Beschichtungsvorgangs bewegt, so dass ständig Reaktionspartner zur Beschichtung an der Oberfläche des Bauteils zur Verfügung stehen.In an advantageous embodiment of the method, the component for the application of a coating is immersed in a coating bath for about 5 to 10 minutes. After only 5 minutes, a layer thickness in the range of at least 1 μm can be achieved. Compared to the production of burnishing layers, the coating time is consequently significantly reduced and thus more time-effective. Together with the lower energy input, resulting from a single nickel-phosphorus bath at about 90 ° C compared to several burnishing baths at about 140 ° C, the coating is cheaper and more environmentally friendly feasible. It is advantageous for the formation of the layer when the surface to be coated is moved relative to the surrounding bath liquid. Consequently, either the component or the bath liquid is moved during the coating process, so that reaction partners are constantly available for coating on the surface of the component.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens finden die Entfettung des Bauteils und die Aufbringung der Beschichtung bei nahezu der gleichen Temperatur statt, die oberhalb der Raumtemperatur liegt. Die Aufbringung der Beschichtung erfolgt standardmäßig bei erhöhten Temperaturen. Dies kann gegebenenfalls dazu führen, dass bei komplexen Geometrien der Bauteile die Oberflächenaufheizung im Beschichtungsbad unterschiedlich rasch erfolgt und sich daraus resultierend eine unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeit ergibt. Auch können die Parameter der aufwachsenden Schicht nachteilig beeinflusst werden, wenn die Oberflächentemperatur nicht von Beginn an dem Soll entspricht. Weiterhin kann die Beschichtungsbadtemperatur durch den Werkstückaufheizbedarf unerwünscht schwanken. Wird jedoch bereits die Entfettung der Bauteile bei der gleichen Temperatur wie die spätere Beschichtung durchgeführt, beispielsweise als alkalische Heißentfettung bei etwa 80–90°C, befindet sich das Bauteil bei Beginn der eigentlichen Beschichtung bereits nahe der Reaktionstemperatur, was den Prozessablauf der Beschichtung und die Planbarkeit der genauen Schichtdicke positiv beeinflusst. Lediglich im Falle von Antrocknungsproblemen im Zusammenspiel Badzusammensetzung der Entfettung/Werkstück/Anlage zur Entfettung kann eine Reduzierung der Entfettungstemperatur auf z. B. 60°C sinnvoll sein.In an advantageous embodiment of the method, the degreasing of the component and the application of the coating take place at almost the same temperature, which is above the room temperature. The coating is applied by default at elevated temperatures. If appropriate, this can lead to surface heating in the coating bath taking place at different speeds in the case of complex geometries of the components, resulting in a different reaction rate. Also, the parameters of the growing layer can be adversely affected if the surface temperature does not correspond to the target from the beginning. Furthermore, the coating bath temperature may fluctuate undesirably due to the workpiece heating requirement. However, if the degreasing of the components is already carried out at the same temperature as the subsequent coating, for example as alkaline hot degreasing at about 80-90 ° C, the component is already close to the reaction temperature at the beginning of the actual coating, which the process flow of the coating and the Predictability of the exact layer thickness positively influenced. Only in the case of Antrocknungsproblemen in interaction bath composition of the degreasing / workpiece / plant for degreasing can reduce the degreasing temperature to z. B. 60 ° C be useful.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Dekapierung oder Beize mit einer verdünnten Säure durchgeführt, wobei dieser Verfahrensschritt beim Dekapieren nur wenige Sekunden dauert und beim Beizen unter 1 Minute oder sogar unter 30 Sekunden. Bevorzugt kann dabei eine organische Säure bzw. Carbonsäure verwendet werden. Dies kann, insbesondere wenn das Ansäuern im Vordergrund steht, beispielsweise eine Zitronensäure oder Weinsäure sein. Bei zusätzlicher Entfernung leichter oxidischer Grenzschichten ist hingegen beispielsweise eine niedrig konzentrierte (2–3%) Schwefelsäure für das Dekapieren empfehlenswert. Bei stärkeren Grenzschichten ist eine 15% Salzsäure als Beize empfehlenswert, mit Inhibitorzugabe. Auch kann dieselbe Säure verwendet werden, die im Chemisch-Nickel-Bad enthalten ist. Chemisch-Nickel-Bäder haben zumeist saure pH-Werte von 4 bis 5.In an advantageous embodiment of the method, the pickling or pickling is carried out with a dilute acid, this process step takes only a few seconds while pickling and when pickling under 1 minute or even less than 30 seconds. Preference can be given to using an organic acid or carboxylic acid. This may be, for example, a citric acid or tartaric acid, especially if the acidification is in the foreground. For additional removal of light oxide boundary layers is however, for example, a low concentration (2-3%) sulfuric acid recommended for picking. For stronger boundary layers, a 15% hydrochloric acid is recommended as stain, with addition of inhibitor. Also, the same acid that is contained in the chemical nickel bath can be used. Chemical nickel baths usually have acidic pH values of 4 to 5.

Durch diese Vorbehandlung wird erreicht, dass zwar die genannten Effekte, die zu unterschiedlichem Reaktionsbeginn an verschiedenen Stellen der Oberflächen führen, erfolgreich eliminiert werden, die Oberfläche des Bauteils jedoch nicht merklich angeätzt wird. Eine Anätzung der Oberfläche des Bauteils mit Korngrenzenangriff, Lochfraß, Bildung weicher nicht tragfähiger Reaktionsschichten oder Herauslösen von Legierungselementen würde sich bei Wälzlagern nachteilig auswirken. Bevorzugt wird die Dekapierung durch Eintauchen des Bauteils in die verdünnte Säure für 3 bis 5 Sekunden oder das Beizen für maximal 30 Sekunden durchgeführt.By means of this pretreatment it is achieved that, although the effects mentioned, which lead to a different start of reaction at different points on the surfaces, are successfully eliminated, the surface of the component is not significantly etched. An etching of the surface of the component with grain boundary attack, pitting, formation of soft non-viable reaction layers or elution of alloying elements would adversely affect rolling bearings. Preferably, the pickling is carried out by immersing the component in the dilute acid for 3 to 5 seconds or pickling for a maximum of 30 seconds.

Gelegentlich wird als Haftverbesserer unter einer chemisch-Nickelschicht eine sehr dünne Lage galvanisch-Nickel als sogenannter Nickel-Strike gelegt. Neben der Erhöhung von Kosten und Aufwand ist dieses Verfahren bei der Herstellung einer Nickel-Phosphor-Schicht mit weniger als 2 μm Gesamtdicke nicht erfolgversprechend und für Gleichmäßigkeit und Qualität abträglich.Occasionally, a very thin layer of electroless nickel as a so-called nickel strike is placed as adhesion promoter under a chemical nickel layer. In addition to the increase in cost and effort, this process is not promising in the production of a nickel-phosphorus layer with less than 2 microns total thickness and detrimental to uniformity and quality.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the embodiment described below.

Bei den folgenden Ausführungen zu den wesentlichen Eigenschaften der Erfindung ist es unerheblich, ob es sich um radiale, axiale oder lineare Wälzlager handelt. Ebenfalls ist es unerheblich, welcher Art die Wälzkörper und die Lagerringe sind. So lassen sich die wesentlichen Vorteile der Erfindung beispielsweise auf Kugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager anwenden. Auch Nadellager können von den vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung profitieren. Zudem ist es unerheblich, ob mehrere Lagerringe oder nur ein Lagerring (innen oder außen) vorhanden ist.In the following statements on the essential characteristics of the invention, it is irrelevant whether it is radial, axial or linear bearings. It is also irrelevant which type the rolling elements and the bearing rings are. Thus, the main advantages of the invention, for example, apply to ball bearings, cylindrical roller bearings, tapered roller bearings or spherical roller bearings. Needle roller bearings can also benefit from the advantageous properties of the invention. In addition, it is irrelevant whether multiple bearing rings or only one bearing ring (inside or outside) is present.

Eine deutliche Steigerung der Wirksamkeit wird erreicht, wenn sämtliche Komponenten beschichtet werden und vermieden wird, dass beschichtete gegen unbeschichtete Bauteile laufen. Insbesondere die Schutzwirkung gegen Kaltverschweißen erfordert das Beschichten aller Gleitpartner.A significant increase in effectiveness is achieved when all components are coated and it is avoided that coated run against uncoated components. In particular, the protective effect against cold welding requires the coating of all sliding partners.

Ein Wälzlager gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Lagerinnenring und einen Lageraußenring auf. Das Wälzlager weist zudem Wälzkörper auf, die zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring angeordnet sind und zwischen den beiden Lagerringen abwälzen.A rolling bearing according to a preferred embodiment of the invention comprises a bearing inner ring and a bearing outer ring. The rolling bearing also has rolling elements, which are arranged between the bearing inner ring and the bearing outer ring and roll off between the two bearing rings.

Bei dem Wälzlager gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der Lagerinnenring, der Lageraußenring und die Wälzkörper jeweils mit einer Nickel-Phosphor-Legierung beschichtet. Es ist möglich, auch den Käfig mit derselben Beschichtung zu versehen, wenn er aus Metall gefertigt ist. Die Dicke der Nickel-Phosphor-Schicht beträgt vorzugsweise 1,5 μm–2 μm. Bevorzugt ist die Nickel-Phosphor-Schicht an der Obergrenze des mittelphosphorigen Bereiches (5%–9%) ausgebildet, was üblicherweise einem Phosphor-Anteil von 8 Gew.-% entspricht. Andere Phosphor-Anteile, besonders zwischen 2 und 15 Gew.-%, sind ebenfalls mit positiven Eigenschaften einsetzbar.In the rolling bearing according to the described embodiment, the bearing inner ring, the bearing outer ring and the rolling elements are each coated with a nickel-phosphorus alloy. It is also possible to provide the cage with the same coating if it is made of metal. The thickness of the nickel-phosphorus layer is preferably 1.5 μm-2 μm. The nickel-phosphorus layer is preferably formed at the upper limit of the medium-phosphorous range (5% -9%), which usually corresponds to a phosphorus content of 8% by weight. Other phosphorus contents, especially between 2 and 15 wt .-%, are also usable with positive properties.

Hinsichtlich des Mikroaufbaus der Schicht besteht über etwa 8,5% Phosphorgehalt ein Übergang zwischen mikrokristallin nach amorph. Um im Falle des Versagens der Schicht die darunterliegenden Stahloberflächen für weiteren Lagerbetrieb freizulegen, ohne Folgeschäden an diesen Oberflächen durch die sich entfernende Schicht zu erhalten, ist ein Ablösen kleinster Schichtpartikel erforderlich, ohne dass sich größere Bereiche oder gar Plättchen der Schicht als zusammenhängende Materialelemente lösen können. Hierfür ist es erforderlich, dass die Beschichtung mikrobrüchig ist, so dass sich lösende Schichtelemente immer von sehr geringer Größe sind. Zur Begünstigung dieser Eigenschaft ist ein Phosphorgehalt knapp unterhalb der Umwandlungsgrenze von 8,5%, beispielsweise 8,0%, vorteilhaft. Ein weiteres Absenken intensiviert die kristalline Struktur, was wiederum spätestens unterhalb von 5% für die Eigenschaften im Wälzlager nachteilig ist. Ein nachfolgendes Tempern einer zunächst amorph erzeugten Nickel-Phosphor-Schicht oberhalb von 9% würde diese zwar ebenfalls mikrokristallin werden lassen, jedoch verbunden mit Mikrorissen und Ferromagnetismus, was beides neben der Herstellkostenerhöhung unerwünscht wäre. Tempern erhöht die Schichthärte, wohingegen die optimale Nickel-Phosphor-Schicht so eingestellt werden soll, dass sie bei möglichst hoher Härte noch unterhalb der Harte des Substrates, gehärteter Wälzlagerstahl, liegt. Gehärteter Wälzlagerstahl befindet sich üblicherweise im Bereich 58–65 HRC, so dass eine Härte von 50–58, beispielsweise 52 HRC, für die Nickel-Phosphor-Schicht geeignet erscheint. Dieses erhält man ohne Tempern.With regard to the microstructure of the layer, over about 8.5% phosphorus content, there is a transition from microcrystalline to amorphous. In order to expose the underlying steel surfaces for further storage operation in case of failure of the layer, without obtaining consequential damage to these surfaces by the removing layer, detachment of the smallest layer particles is required without larger areas or even platelets of the layer can solve as contiguous material elements , For this purpose, it is necessary that the coating is micro-brittle, so that releasing layer elements are always of very small size. To promote this property, a phosphorus content just below the conversion limit of 8.5%, for example 8.0%, is advantageous. Further lowering intensifies the crystalline structure, which in turn is disadvantageous at the latest below 5% for the properties in the rolling bearing. A subsequent tempering of an initially amorphously produced nickel-phosphorus layer above 9% would also make it microcrystalline, but associated with microcracks and ferromagnetism, which would be undesirable in addition to the increase in production costs. Annealing increases the layer hardness, whereas the optimum nickel-phosphorus layer should be adjusted so that it is still below the hardness of the substrate, hardened bearing steel, with the highest possible hardness. Hardened bearing steel is usually in the range 58-65 HRC, so that a hardness of 50-58, for example 52 HRC, seems suitable for the nickel-phosphorus layer. This is obtained without annealing.

Niedrigere Phosphoranteile machen die Schicht härter und metallischer. Hohe Phosphoranteile führen zu langsamerem und nichtlinearem Wachstum, sind weicher und dichter, bieten mehr Korrosionsschutz aber gleichzeitig schlechtere Ölbenetzbarkeit. Weiterhin hat Phosphor entscheidenden Anteil an dem Schutz gegen Kaltverschweißen, der bei reinen Nickelschichten so nicht gegeben wäre. Als universelle Schicht eignet sich in Abwägung der spezifischen Vor- und Nachteile eine mittelphosphorige Variante zwischen 5% und 9%, idealerweise zwischen 7,5% und 8,5%. Die Schicht könnte bei Betonung ganz bestimmter gewünschter Eigenschaften aber auch nieder- oder höherphosphorig gestaltet werden.Lower levels of phosphor make the coating harder and more metallic. High levels of phosphorus lead to slower and nonlinear growth, are softer and denser, offer more corrosion protection but at the same time poorer oil wettability. Furthermore, phosphorus has a decisive role in the protection against cold welding, the in pure nickel layers would not be so. As a universal layer, weighing the specific advantages and disadvantages of a medium-phosphorous variant between 5% and 9%, ideally between 7.5% and 8.5%. The layer could be designed to emphasize very specific desired properties but also lower or higher phosphorus.

Alternativ ist es möglich, eine Nickel-Phosphor-Bor-Beschichtung oder eine Nickel-Bor-Beschichtung vorzunehmen, die vergleichbare Eigenschaften aufweist.Alternatively, it is possible to make a nickel-phosphorus-boron coating or a nickel-boron coating having comparable properties.

In die Nickel-Phosphor- oder Nickel-Bor-Legierungen können außerdem weitere Stoffe in geringen Mengen zugegeben oder eingelagert werden, beispielsweise Wolfram, Molybdän, Kobalt und andere. Festschmierstoffe wie PTFE oder Bornit sind bis zu 30% einlagerbar, kämen aber nur bei entsprechend angepasster geringer Partikelgröße und Agglomeratfreiheit in Frage und mindern manche Vorzüge der festschmierstofffreien Schicht.In the nickel-phosphorus or nickel-boron alloys also other substances can be added or stored in small amounts, such as tungsten, molybdenum, cobalt and others. Solid lubricants such as PTFE or Bornite can be stored up to 30%, but would only be suitable if the particle size and agglomerate freedom were adjusted accordingly, and would reduce some of the benefits of the lubricant-free layer.

Die Beschichtung ist jeweils geschlossen um das jeweilige Bauteil, also die Lagerringe und die Wälzkörper ausgeführt. Darum ist es erforderlich, die Nickel-Phosphor-Schicht chemisch abzuscheiden. Prinzipiell wäre auch eine elektrolytische Abscheidung einer Nickelschicht möglich. Jedoch ist in diesem Fall aufgrund der Notwendigkeit der elektrischen Kontaktierung des Bauteils keine geschlossene Schicht um das Bauteil möglich. Für die chemische Abscheidung der Nickelschicht ist jedoch zur Bewerkstelligung des Elektronenaustauschs ein Legierungszusatz, wie hier im Ausführungsbeispiel Natriumhypophosphit, welches in der Schicht zu Phosphor ausreagiert, notwendig.The coating is in each case closed around the respective component, that is to say the bearing rings and the rolling bodies. Therefore, it is necessary to chemically deposit the nickel-phosphorus layer. In principle, an electrolytic deposition of a nickel layer would be possible. However, in this case, due to the need for electrical contacting of the component, no closed layer around the component is possible. For the chemical deposition of the nickel layer, however, an alloy addition, as here in the exemplary embodiment sodium hypophosphite, which reacts out in the layer to phosphorus, is necessary for effecting the electron exchange.

Die Reduktion der Metallionen erfolgt autokatalytisch außenstromlos in einer Redoxreaktion, wobei als Reduktionsmittel für den Elektronenaustausch das Natriumhypophosphit benötigt wird. Im Falle von Nickel-Bor-Schichten wird diese Aufgabe von organischen Boranen bzw. Aminoboranen übernommen.The reduction of the metal ions takes place autocatalytically without electrolysis in a redox reaction, wherein the sodium hypophosphite is needed as a reducing agent for electron exchange. In the case of nickel-boron layers, this task is taken over by organic boranes or aminoboranes.

Entsprechende Nickelbadmixturen sind bei diversen Herstellern erhältlich und bekannter Stand der Technik. Chemische Nickelschichten sind aus der DIN EN ISO 4527 ersichtlich. Die vorteilhaften Eigenschaften einer Chemisch-Nickel-Schicht mit einer Schichtdicke von 2 μm oder weniger, insbesondere im Einsatz für Wälzlagerbauteile, wurde bisher jedoch nicht erkannt.Corresponding nickel bath mixtures are available from various manufacturers and known prior art. Chemical nickel layers are made of DIN EN ISO 4527 seen. The advantageous properties of a chemical nickel layer with a layer thickness of 2 microns or less, especially in use for rolling bearing components, has not yet been recognized.

Während im Maschinenbau bislang weit höhere Schichtdicken zur Erzielung bestimmter Wirkungen als notwendig angesehen wurden, waren dünne Nickelschichten bisher dem Sensor- und Datentechnikbereich vorbehalten. Die dort benötigten dünnen Nickelschichten sind jedoch unlegiert ohne Phosphoranteil und werden üblicherweise nicht aus Bädern abgeschieden, sondern durch Sputtern oder Aufdampfen aufgetragen. Im Wälzlager konnten weder dicke konventionelle Nickellegierungen noch dünne nicht nasschemisch aufgebrachte Schichten eingesetzt werden. Die Vorteile der dünnen chemischen Nickel-Phosphor-Legierung sind jedoch erheblich.While much higher layer thicknesses were previously considered necessary in mechanical engineering to achieve certain effects, thin nickel layers were previously reserved for the sensor and data technology sector. However, the thin nickel layers required there are unalloyed without phosphorus content and are usually not deposited from baths, but applied by sputtering or vapor deposition. In the rolling bearing neither thick conventional nickel alloys nor thin non-wet-applied layers could be used. However, the advantages of the thin chemical nickel-phosphorus alloy are considerable.

So lässt sich die Nickel-Phosphor-Schicht aufgrund des chemischen Abscheideprozesses vollständig auf das Bauteil des Wälzlagers aufbringen. Die Beschichtung findet rissfrei und dicht statt, so dass die Oberfläche des Bauteils vollständig gegen äußere Einflüsse geschützt ist. Die Nickel-Phosphor-Schicht bildet folglich trotz der geringen Dicke bereits eine sehr wirksame chemische Barriere zum Schutz der Oberfläche des Bauteils.Thus, the nickel-phosphorus layer can be completely applied to the component of the rolling bearing due to the chemical deposition process. The coating is crack-free and dense, so that the surface of the component is completely protected against external influences. Consequently, the nickel-phosphorus layer already forms, despite the small thickness, a very effective chemical barrier for protecting the surface of the component.

Es ist zudem bei der gewählten Schichtdicke von 2 μm oder weniger nicht erforderlich, auf die Oberfläche des Bauteils eine haftvermittelnde Zwischenschicht, z. B. Galvanisch-Nickel, aufzubringen, um die Haftung der Nickel-Legierung zu erhöhen, wie dies insbesondere bei dickeren Chemisch-Nickel-Schichten erforderlich ist. Nickel-Phosphor-Schichten derartiger geringer Schichtdicken haften ohne Haftvermittler direkt auf Wälzlagerbauteilen aus den bekannten Stahlsorten. Insofern ist auf einem Grundmaterial des Bauteils keine Zwischenschicht aufgebracht und die Nickellegierung direkt auf dem Grundmaterial des Bauteils aufgebracht. Das Grundmaterial wird typischerweise ein Wälzlagerstahl sein.It is also not necessary for the selected layer thickness of 2 microns or less, on the surface of the component an adhesion-promoting intermediate layer, for. As galvanic nickel, to increase the adhesion of the nickel alloy, as is required in particular for thicker chemical nickel layers. Nickel-phosphorus layers of such low layer thicknesses adhere directly to rolling bearing components made of the known steel grades without adhesion promoters. In this respect, no intermediate layer is applied to a base material of the component and the nickel alloy is applied directly to the base material of the component. The base material will typically be a bearing steel.

Aufgrund ihrer metallischen Eigenschaften ist die Nickel-Phosphor-Beschichtung der Wälzlagerbauteile nicht ölabweisend, so dass eine gute Schmierung des resultierenden Wälzlagers möglich ist. Durch die vollständige Trennung der Stahloberflächen der Wälzlagerbauteile gegeneinander durch die Nickel-Phosphor-Schichten ist ein Kaltverschweißen der Bauteile miteinander während der Verwendung des Wälzlagers ausgeschlossen. Aufgrund der geringen Schichtdicke der Nickel-Phosphor-Schicht in Verbindung mit mikrobrüchiger Einstellung ist zudem ein Abreißen oder Abblättern der Beschichtung ausgeschlossen. Die Oberfläche erreicht beim Einlaufen eine Qualitätsverbesserung durch Glättung. Weiterhin ist die zulässige Betriebstemperatur weit höher als beispielsweise bei einer Brünierung und deckt mit 350°C alle Notwendigkeiten ab. Gegenüber der Brünierung ist auch von Bedeutung, dass der chemische Angriff auf das Substrat im Beschichtungsbad nahezu ausbleibt, während er im Brünierprozess sorgfältig kontrolliert werden muss.Due to their metallic properties, the nickel-phosphor coating of the rolling bearing components is not oil repellent, so that a good lubrication of the resulting rolling bearing is possible. Due to the complete separation of the steel surfaces of the rolling bearing components against each other by the nickel-phosphorus layers, a cold welding of the components together during use of the bearing is excluded. Due to the small layer thickness of the nickel-phosphorus layer in connection with micro-brittle setting also a tearing or peeling off of the coating is excluded. The surface achieves a quality improvement by smoothing when entering. Furthermore, the permissible operating temperature is much higher than, for example, with a black finish and covers all requirements at 350 ° C. It is also important in comparison with the blackening that the chemical attack on the substrate in the coating bath is almost absent, while it must be carefully controlled in the blackening process.

Zur Herstellung der Beschichtung ist zunächst erforderlich, das entsprechende Bauteil zu reinigen und zu entfetten. Dadurch werden störende Verunreinigungen und Fettbestandteile auf der Oberfläche des Bauteils beseitigt, so dass die dünne Nickel-Phosphor-Schicht homogen aufbringbar ist. Bei Vernickelung von Oberflächen ist es bekannt, vorab eine elektrolytische Entfettung der Oberfläche durchzuführen. Deren längere Dauer als Hauptentfettungsstufe ist jedoch für die Oberfläche von Wälzlagerbauteilen auch wegen des hydroxidischen Korngrenzenangriffes nicht von Vorteil, so dass für die erste Entfettung bzw. Hauptentfettung eine konventionelle Entfettung mindestens mit Lösungsmittel oder Kaltreiniger, bevorzugt mit alkalischer Heißentfettung, zur Anwendung kommt. Hier erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Entfettung bereits nahe bei den Temperaturen, bei denen auch das Aufbringen der Nickel-Phosphor-Schicht erfolgt, stattfindet. In diesem Fall wird das Bauteil bereits auf die Beschichtungstemperatur gebracht, so dass qualitätsmindernde Temperaturdifferenzen vermieden werden. Dies wäre ansonsten insbesondere bei den aufgrund der geringen Schichtdicke erforderlichen kurzen Beschichtungszeiten von Nachteil. Negative Auswirkungen auf die Homogenität der Schichtdicke werden so vermieden. Die Entfettung kann beispielsweise bei 90°C durchgeführt werden, was einer typischen Temperatur eines Nickel-Bades entspricht.For the preparation of the coating is first necessary to clean and degrease the corresponding component. This will disturbing impurities and fat components on the Surface of the component eliminated, so that the thin nickel-phosphorus layer is homogeneously applicable. In the case of nickel plating of surfaces, it is known to carry out an electrolytic degreasing of the surface in advance. However, their longer duration as Hauptentfettungsstufe is not beneficial for the surface of rolling bearing components also because of the hydroxide grain boundary attack, so that for the first degreasing or main degreasing a conventional degreasing at least with solvent or cold cleaner, preferably with alkaline hot degreasing used. Here it proves to be particularly advantageous if the degreasing already takes place close to the temperatures at which the application of the nickel-phosphorus layer takes place. In this case, the component is already brought to the coating temperature, so that quality-reducing temperature differences are avoided. Otherwise, this would be disadvantageous especially in the case of the short coating times required due to the small layer thickness. Negative effects on the homogeneity of the layer thickness are thus avoided. The degreasing can be carried out, for example, at 90 ° C, which corresponds to a typical temperature of a nickel bath.

Nach der Entfettung der Oberfläche des Bauteils wird ein Dekapier- oder Beizschritt durchgeführt. Dabei wird die Oberfläche des Bauteils für nur wenige Sekunden mit einem schwachen Säurebad in Kontakt gebracht oder für kurze Zeit gebeizt, wenn stärkere Trennschichten vorliegen. Dadurch wird verhindert, dass die Stahloberfläche des Bauteils angeätzt wird, was bei längerdauernden oder höherkonzentrierten üblichen Beiz- oder Dekapiervorgängen geschieht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll das Dekapierbad nur auf die Oberflächentrennschichten wirken. Dies ist in einer Radzeit von 3–5 Sekunden gewährleistet. Beim Beizen genügen Zeiten von weniger als 30 Sekunden. Das Dekapieren oder Beizen ist erforderlich, um die Oberfläche des Bauteils zu homogenisieren. Aufgrund der geringen Schichtdicke der nachfolgenden Beschichtung mit der Nickel-Phosphor-Schicht ist es erforderlich, dass die Beschichtungsreaktion an allen Stellen der Oberfläche des Bauteils möglichst gleichzeitig einsetzt. Ansonsten wäre eine ausreichende Homogenität der Schichtdicke nicht gewährleistet. Die Zeitunterschiede im Reaktionsbeginn rühren hauptsächlich aus partiellen Trennschichten her. Des Weiteren spielen Oxide an der Oberfläche und Unterschiede im pH-Wert eine Rolle. Alle diese Einflussfaktoren werden durch die Dekapierung oder Beize ausreichend vermindert. Aufgrund der kurzen Dauer des Dekapierbades und Spülvorgänge durch verweilzeitfreies Tauchen findet keine nennenswerte Abkühlung des Bauteils nach der Entfettung statt. Lediglich an der Oberfläche wird das Bauteil leicht abgekühlt, während das Innere des Bauteils weiterhin auf der Beschichtungstemperatur verbleibt.After degreasing the surface of the component, a pickling or pickling step is performed. In this case, the surface of the component is brought into contact with a weak acid bath for only a few seconds or pickled for a short time, if stronger separating layers are present. This prevents the steel surface of the component from being etched, which is the case with longer-lasting or higher-concentration conventional pickling or pickling operations. In the present embodiment, the Dekapierbad should only act on the surface separation layers. This is guaranteed in a cycling time of 3-5 seconds. When pickling times of less than 30 seconds suffice. The pickling or pickling is required to homogenize the surface of the component. Due to the small layer thickness of the subsequent coating with the nickel-phosphorus layer, it is necessary for the coating reaction to begin at the same time as possible at all points of the surface of the component. Otherwise, sufficient homogeneity of the layer thickness would not be guaranteed. The time differences in the beginning of the reaction mainly result from partial separation layers. Furthermore, surface oxides and differences in pH play a role. All of these influencing factors are sufficiently reduced by the pickling or pickling. Due to the short duration of the decanting bath and rinsing by dwell time-free diving, there is no appreciable cooling of the component after degreasing. Only on the surface of the component is slightly cooled, while the interior of the component remains at the coating temperature.

Nach dem Entfetten und Dekapieren/Beizen wird zur weiteren Vorbereitung der Oberfläche noch die alkalische Behandlung, beispielsweise durch alkalische elektrolytische Entfettung beispielsweise für 2 Minuten bei einer Spannung von wenigen Volt durchgeführt. Wie bereits beschrieben verbleibt nach dieser Behandlung ein dünner alkalischer Film auf der Oberfläche des Bauteils, der für das Wachsen der Nickel-Phosphor-Schicht günstige Voraussetzungen schafft. Insofern ist es entscheidend, diesen Schritt nach dem sauren Dekapieren oder Beizen durchzuführen, obwohl alkalische Oberflächenbehandlungsschritte normalerweise zum Entfetten vor dem Ansäuren durch Dekapieren oder Beizen durchgeführt werden und die Oberfläche mit im sauren Beriech liegenden pH-Wert in das Beschichtungsbad gegeben wird. Dies ist gerade im Fall der dünnen Beschichtung mit Nickel-Phosphor-Legierungen jedoch nachteilig für das Schichtwachstum, weshalb der zweite alkalische Behandlungsschritt unmittelbar vor der Beschichtung durchgeführt, von eventuellen Spülvorgängen abgesehen.After degreasing and pickling / pickling, the alkaline treatment is carried out for further preparation of the surface, for example by alkaline electrolytic degreasing, for example for 2 minutes at a voltage of a few volts. As already described, after this treatment, a thin alkaline film remains on the surface of the component, which creates favorable conditions for the growth of the nickel-phosphorus layer. As such, it is critical to perform this step after acid pickling or pickling, although alkaline surface treatment steps are normally carried out for degreasing prior to acidification by pickling or pickling and the surface is placed in the coating bath at acidic pH. However, especially in the case of the thin coating with nickel-phosphorus alloys, this is disadvantageous for the layer growth, which is why the second alkaline treatment step is carried out immediately before the coating, apart from possible rinsing processes.

Danach ist die Oberfläche des Bauteils soweit vorbereitet, dass die eigentliche Beschichtung erfolgen kann. Während Schichten aus reinem Nickel lediglich elektrolytisch (galvanisch) abgeschieden werden können, was im vorliegenden Fall aufgrund des Erfordernisses der geschlossenen Beschichtung der Oberfläche nicht in Betracht kommt (und auch zu weiche Schichten liefert), ist eine chemische Abscheidung erforderlich. Zur Sicherstellung des Elektronenaustauschs und Ermöglichung der chemischen Abscheidung ist der Einsatz eines Legierungsmaterials erforderlich. Hier kommt bevorzugt Natriumhypophosphit zum Einsatz, aus dem sich Phosphor in einem Anteil von z. B. 8,0 Gew.-% in die Schicht einlagert. Alternativ ließe sich auch Bor verwenden. Zur Aufbringung der Nickel-Phosphor-Schicht wird das Bauteil für eine bestimmte Zeit in ein entsprechendes Nickelbad eingetaucht. Die Schichtdicke ist dabei über die Verweildauer im Bad exakt abstimmbar. Die Abscheidung erfolgt rein chemisch, also außenstromlos ohne elektrische Kontaktierung.Thereafter, the surface of the component is prepared so far that the actual coating can take place. While layers of pure nickel can only be electrolytically (galvanically) deposited, which in the present case is out of the question due to the requirement of the closed coating of the surface (and also provides too soft layers), a chemical deposition is required. To ensure electron exchange and chemical deposition, it is necessary to use an alloying material. Here is preferably sodium hypophosphite used from the phosphorus in a proportion of z. B. 8.0 wt .-% incorporated into the layer. Alternatively, boron could also be used. To apply the nickel-phosphorus layer, the component is immersed for a certain time in a corresponding nickel bath. The layer thickness is exactly tunable over the residence time in the bath. The deposition is purely chemical, so without power supply without electrical contact.

Aufgrund der geringen erforderlichen Schichtdicke der Nickel-Phosphor-Schicht ergeben sich prozesstechnisch gegenüber Brünierschichten erhebliche Zeitvorteile. So lassen sich binnen weniger Minuten im entsprechenden Nickel-Bad Schichtdicken von 2 μm realisieren, ohne dass Zwischenschichten erforderlich sein sollten.Due to the low required layer thickness of the nickel-phosphorus layer, there are considerable time advantages in terms of process technology compared to burnishing layers. Thus, within a few minutes in the corresponding nickel bath layer thicknesses of 2 microns can be realized without intermediate layers should be required.

Dabei können Wälzkörper und Lagerringe in Trommeln oder Gestellen mit den Nickel-Phosphor-Schichten versehen werden. Die Gestelle können bewegt werden, um einen intensiven Medienaustausch an der Werkstoffoberfläche und damit gute Gleichmäßigkeit zu gewährleisten.In this case, rolling elements and bearing rings can be provided in drums or racks with the nickel-phosphorus layers. The racks can be moved to ensure an intensive media exchange on the material surface and thus good uniformity.

Das resultierende Wälzlager weist eine gegenüber herkömmlichen Wälzlagern ohne entsprechende Beschichtung oder lediglich mit Brünierschichten versehenen Wälzlagern deutlich erhöhte Standzeit auf. Zudem ist es aufgrund der geringen Schichtdicke der Nickel-Phosphor-Schicht nicht erforderlich, die Form und Größe der Bauteile gegenüber unbeschichteten Varianten abzuändern. Aufgrund der Vorbehandlung mittels Entfettung und Dekapierung sowie Rückalkalisierung lassen sich Bauteile homogen beschichten. Insgesamt lässt sich im Vergleich zu bekannten Schutzschichten auf Wälzlagerbauteilen eine verminderte Prozessdauer bei gleichzeitig verbesserten Schutzeigenschaften erreichen. The resulting rolling bearing has a compared to conventional bearings without appropriate coating or only provided with Brünierschichten bearings significantly increased life. In addition, it is not necessary to change the shape and size of the components compared to uncoated variants due to the small layer thickness of the nickel-phosphorus layer. Due to the pre-treatment by degreasing and pickling as well as back-alkalization, components can be homogeneously coated. Overall, compared to known protective coatings on rolling bearing components, a reduced process duration and simultaneously improved protective properties can be achieved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN ISO 4527 [0037]

Claims

Rolling bearing, comprising a plurality of components, including at least one bearing ring and rolling elements, which roll on the at least one bearing ring, characterized in that at least one of the components is provided on its surface with a coating having a thickness in the range of 2 microns or less, wherein the coating contains a nickel-phosphorus alloy produced by a chemical deposition process that exhibits micro brittle behavior.

Rolling bearing according to claim 1, wherein the coating has a microcrystalline structure.

Rolling bearing according to claim 1 or 2, wherein the coating is closed around the component.

Rolling bearing according to one of claims 1 to 3, wherein the nickel-phosphorus alloy has a phosphorus content of less than 8.5%, preferably of 8.0%.

Rolling bearing according to one of the above claims, wherein the nickel-phosphorus alloy has a phosphorus content of more than 5.0%.

Rolling bearing according to one of the above claims, wherein the coating has a hardness between 50 and 58, preferably 52 HRC.

Method for producing a component for a roller bearing according to one of Claims 1 to 6, comprising the following method steps: - degreasing of the component, - picking and / or pickling the component, - Treatment of the surface with an alkaline medium and - Application of the coating by chemical deposition in a coating bath.

A method according to claim 7, wherein the degreasing is carried out in an alkaline environment at temperatures above room temperature.

A method according to claim 7 or 8, wherein the pickling and / or pickling is carried out with hydrochloric acid.

The method of claim 9, wherein the treatment of the surface with an alkaline medium is carried out under application of an electrical voltage.