DE102011080750A1

DE102011080750A1 - Verfahren zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht und Bauteil mit Brünierschicht

Info

Publication number: DE102011080750A1
Application number: DE102011080750A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nierlich; Jürgen Gegner; Matthias Mallak
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-02-14
Also published as: CN103732795A; WO2013021048A1; JP2014521841A; EP2742170A1; US20140356639A1

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils (160) umfasst ein Bereitstellen des Bauteils (160) mit der Brünierschicht und ein teilweises oder vollständiges Eintauchen des Bauteils (160) mit der Brünierschicht in eine Lösung, die Kaliumdichromat umfasst. Hierdurch kann eine Steigerung der Widerstandskraft der Brünierschicht des Bauteils (160) gegenüber chemischen und/oder mechanischen Belastungen erzielbar sein.

Description

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht und auf ein Bauteil mit einer Brünierschicht, beispielsweise ein Bauteil einer hochbelasteten Maschine, wie etwa einer Windkraftanlage.
Der Prozess des Brünierens und die daraus resultierenden Brünierschichten werden in weiten Gebieten des Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugbaus sowie anderer technischer Gebiete aus unterschiedlichen Gründen eingesetzt. Neben einer vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Möglichkeit, ein Bauteil vollständig oder teilweise farblich zu verändern, wie das Brünieren beispielsweise im Bereich der Waffentechnik eingesetzt wird, weisen Brünierschichten bzw. brünierte Bauteile eine gegenüber unbehandelten Bauteilen verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber tribologischen und/oder chemischen Angriffen auf. So weisen Brünierschichten häufig eine verbesserte Biege- oder Abriebfestigkeit auf und können bis zu Temperaturen von mehr als 200 °C temperaturbeständig sein. Nicht zuletzt aus diesen Gründen werden brünierte Bauteile und Brünierschichten im Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugbau eingesetzt.
Allerdings weisen Brünierschichten und brünierte Bauteile nur eine begrenzte Beständigkeit gegenüber tribologischen, tribo-chemischen und chemischen Angriffen während des Betriebs einer Maschine auf, der das betreffende Bauteil angehört. Entsprechende Angriffe können beispielsweise durch Säuren hervorgerufen werden, die beispielsweise bei einer Schmierstoffalterung oder auch bei Schmierstoffverunreinigungen vorliegen können. Aber auch tribologisch-mechanischen und kombinierten Beanspruchungen setzen die brünierten Bauteile bzw. ihre Brünierschichten nur eine begrenzte Beständigkeit entgegen.
Eine Erhöhung der Beständigkeit gegenüber solchen Angriffen wird konventionell durch eine Erhöhung der Schichtdicke der Brünierschichten bzw. durch eine Mehrbad-Brünierung gemäß DIN-Norm 50 938 erzielt. Allerdings sind diesen Verfahren ebenso Grenzen hinsichtlich ihrer technischen, wie auch ihrer ökonomischen Umsetzung gesetzt. Die Steigerung der Beständigkeit der betreffenden Brünierschichten ist beschränkt.
Es besteht daher ein Bedarf, eine Beständigkeit bzw. eine Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils zu steigern.
Diesem Bedarf trägt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils gemäß Patentanspruch 1, ein Bauteil mit einer Brünierschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß Patentanspruch 9 oder ein Bauteil mit einer Brünierschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel gemäß Patentanspruch 10 Rechnung.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils umfasst ein Bereitstellen des Bauteils mit der Brünierschicht und ein vollständiges oder teilweises Eintauchen des Bauteils mit der Brünierschicht in eine Lösung, die Kaliumdichromat umfasst. Bei teilweisem Eintauchen kann das Bauteil in der Lösung, die Kaliumdichromat umfasst, so bewegt werden, dass die gesamte Brünierschicht behandelt wird.
Ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einer Brünierschicht kann so mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt oder behandelt werden.
Ein Bauteil mit einer Brünierschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel ist aus einem Material gefertigt, das Eisen umfasst, wobei die Brünierschicht wenigstens teilweise offen liegt und keine Beölung aufweist. Anders ausgedrückt ist die Brünierschicht beölungsfrei. Die Brünierschicht umfasst Rückstände einer Kaliumdichromatlösung und/oder Reaktionsprodukte einer Kaliumdichromatlösung mit dem Material oder der Brünierschicht des Bauteils.
Ausführungsbeispielen liegt so die Erkenntnis zu Grunde, dass die Widerstandskraft bzw. Beständigkeit einer Brünierschicht eines Bauteils dadurch gesteigert werden kann, dass diese in eine Kaliumdichromatlösung eingetaucht wird. Durch den Einsatz eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens kann so die Widerstandskraft der Brünierschicht gegen Säureangriff signifikant gesteigert werden. Ebenso besteht die Aussicht, dass auch ein entsprechender Erfolg bei tribologischen-mechanischen Beanspruchungen erzielbar ist.
Einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens weist die Lösung eine Temperatur auf, die zwischen 15 °C und 100 °C, insbesondere zwischen 70 °C und 90 °C liegt. So haben Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur und der zuvor genannten erhöhten Temperaturen bemerkenswerte Ergebnisse geliefert, wobei beispielsweise eine Probe, die gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens bei einer Temperatur von etwa 80 °C in die Lösung eingetaucht wurde, ein sehr gutes Ergebnis gezeigt hat, bei dem die Beständigkeit Oxalsäure gegenüber deutlich gestiegen ist.
Insbesondere im Bereich von Temperaturen zwischen 75 °C und 85 °C kann so gegebenenfalls eine technologisch sehr gut verwertbare Steigerung der Widerstandskraft erzielt werden, während ein Energiebedarf zur Aufheizung der Lösung und des Bauteils verminderbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht kann das Bauteil für eine Zeitspanne (Eintauchdauer) in die Lösung eingetaucht werden, die zwischen 5 min und 120 min, insbesondere zwischen 10 min und 75 min liegt. So haben beispielsweise Versuche gezeigt, dass insbesondere bei Temperaturen der Lösung zwischen 70 °C und 90 °C bzw. zwischen 75 °C und 85 °C bereits bei einer Prozessdauer zwischen 10 min und 20 min eine signifikante Steigerung der Widerstandskraft der Brünierschicht erzielbar ist. Anders ausgedrückt kann durch eine Anhebung der Temperatur der Lösung so gegebenenfalls aufgrund einer möglichen Verkürzung der Zeitspanne für das Eintauchen des Bauteils in die Lösung der Durchsatz des Verfahrens gesteigert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es sich bei der Lösung um eine wässrige Lösung handeln. So weist Kaliumdichromat in Wasser eine gute Löslichkeit auf, während es in anderen Lösungsmitteln nahezu unlöslich ist.
Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann so die Lösung zwischen 10 g/l und 150 g/l Kaliumdichromat umfassen. Je nach Temperatur der Lösung kann so eine unterschiedliche Löslichkeit vorliegen (z.B. von etwa 120 g/l bei 20 °C). Dies ermöglicht es gegebenenfalls, einen Kompromiss zwischen dem Einsatz der Menge des Kaliumdichromat einerseits und der Verfahrensdauer andererseits zu finden, die ihrerseits nicht zuletzt durch die zuvor genannte Zeitspanne (Eintauchdauer) für das Eintauchen des Bauteils in die Lösung mitbestimmt wird. Der Kompromiss kann sich dann an den besonderen Bedürfnissen einer bestimmten Implementierung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens orientieren und gegebenenfalls sogar an die Randbedingungen optimiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens kann ferner ein Entfernen eines Konservierungsmittels von dem Bauteil vor dem Eintauchen in die Lösung umfassen, wenn das Bauteil zuvor konserviert wurde. Ebenso kann ein Ausführungsbeispiel ergänzend oder alternativ ein Entfetten und/oder ein Reinigen des Bauteils vor dem Eintauchen in die Lösung umfassen. Hierdurch kann gegebenenfalls der Kontakt der Lösung mit dem Bauteil bzw. der Brünierschicht verbessert werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die zuvor genannte Zeitspanne auswirken kann. Anders ausgedrückt kann hierdurch gegebenenfalls eine räumliche Trennung von Lösung und Brünierschicht beseitigt oder reduziert werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens, bei dem das Bauteil nur teilweise in die Lösung eingetaucht wird, kann das teilweise Eintauchen des Bauteils ein Bewegen des Bauteils derart in der Lösung umfassen, dass wenigstens ein Abschnitt der Brünierschicht von der Lösung behandelt wird, der ohne die Bewegung nicht behandelt würde. Bei einem Ausführungsbeispiel kann so die Brünierschicht vollständig in die Lösung eingetaucht werden. Hierdurch kann es möglich sein, auch Bauteile mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels zu behandeln, die größer sind als ein Bad oder Gefäß, welches die Lösung aufnimmt. Das Bewegen des Bauteils kann so beispielsweise ein Drehen und/oder ein Verfahren desselben umfassen. Ebenso kann es ein Bewegen des Bauteils aus dem Bad umfassen. Das Bewegen kann hierbei kontinuierlich erfolgen oder wenigstens eine zeitliche Periode umfassen, in der das Bauteil unbewegt ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens kann nach dem Eintauchen des Bauteils in die Lösung ferner ein Spülen des Bauteils und/oder ein Trocknen desselben nach dem Eintauchen des Bauteils in die Lösung umfassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens kann das Bereitstellen des Bauteils ein Bereitstellen des Bauteils umfassen, das aus einem Material gefertigt ist, das Eisen, insbesondere Stahl, beispielsweise einen Wälzlagerstahl umfasst.
Ausführungsbeispielen in Form von Bauteilen mit einer Brünierschicht liegt hierbei die Erkenntnis zu Grunde, dass durch die Anwendung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft der Brünierschicht gegebenenfalls eine weitere Nachbearbeitung der Brünierschicht entfallen kann, sodass diese wenigstens teilweise offen liegt und beispielsweise beölungsfrei ist, also keine Beölung aufweist. Hierdurch kann gegebenenfalls eine Herstellung des Bauteils, eine Integration des Bauteils in eine komplexere Baugruppe oder eine Maschine vereinfacht und/oder ein Betrieb einer solchen Maschine vorteilhaft beeinflusst werden. So kann gegebenenfalls eine zusätzliche Nachbehandlung der Brünierschicht entfallen, bei der gegebenenfalls ein Schmiermittel, ein Schmierstoff, ein Fett, ein Öl oder ein anderes Mittel auf der Brünierschicht zurückbleibt, welches dann vor der Integration in die Baugruppe oder die Maschine entfernt werden muss. Ebenso kann gegebenenfalls ein Nachführen des betreffenden Stoffs während des Betriebs der Baugruppe oder der Maschine vermindert werden oder vollständig entfallen.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Zylinderrollenlager mit mehreren Bauteilen, die gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeführt sein können; und
2 illustriert eine Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht von mehreren Proben gegenüber einem Einwirken einer zehnprozentigen Oxalsäure. Ein Oxalsäuretest ist Bestandteil der Qualitätsprüfung von Brünierschichten nach DIN-Norm 50938.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und andere Komponenten verwendet, wenn die betreffende Komponente an sich oder mehrere entsprechende Komponenten innerhalb eines Ausführungsbeispiels oder innerhalb mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Passagen der Beschreibung, die sich auf eine Komponente beziehen, sind daher auch auf andere Komponenten in anderen Ausführungsbeispielen übertragbar, soweit dies nicht explizit ausgeschlossen ist oder sich dies aus dem Zusammenhang ergibt. Werden einzelne Komponenten bezeichnet, werden individuelle Bezugszeichen verwendet, die auf den entsprechenden zusammenfassenden Bezugszeichen basieren. Bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen bezeichnen daher gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Komponenten, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen auftreten, können hierbei bezüglich einiger ihrer technischen Parameter identisch und/oder unterschiedlich ausgeführt oder implementiert werden. Es ist so beispielsweise möglich, dass mehrere Entitäten innerhalb eines Ausführungsbeispiels bezüglich eines Parameters identisch, bezüglich eines anderen Parameters jedoch unterschiedlich implementiert sein können.
1 zeigt ein Zylinderrollenlager 100 mit einem Außenring 110, einem Innenring 120 und einer Mehrzahl zylinderförmiger Wälzkörper, von denen zur Vereinfachung der Darstellung in 1 lediglich ein Wälzkörper 130 dargestellt ist. 1 zeigt hierbei eine Hälfte des Querschnitts durch das Zylinderrollenlager 100, welche sich oberhalb einer Symmetrielinie 140 befindet. Das Zylinderrollenlager 100 ist jedoch bezüglich der Symmetrielinie 140 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt. Die Wälzkörper 130 werden durch einen Wälzkörperkäfig 150 gehalten und geführt.
Der Außenring 110, der Innenring 120 sowie die Wälzkörper 130 können jeweils optional als Bauteile 160-1, 160-2, 160-3 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. So können diese beispielsweise wenigstens in einem Bereich, in dem diese mit jeweils einem anderen Bauteil in Berührung stehen, brüniert sein, also eine Brünierschicht aufweisen.
Im Fall des Außenrings 110 als Bauteil 160-1 kann dieses so wenigstens im Bereich seiner Lauffläche 170 eine entsprechende Brünierschicht umfassen. Gleiches kann ebenso für den Innenring 120 (Bauteil 160-2) im Bereich seiner Lauffläche 180, wie auch für die Wälzkörper 130 (Bauteile 160-3) im Bereich ihrer Berührflächen 190 gelten, mit denen sie mit dem Außenring 110 und dem Innenring 120 während des Betriebs des Zylinderrollenlager 100 in Kontakt stehen, also an diesen abrollen. Im Idealfall handelt es sich hierbei um einen Wälzkontakt, der jedoch nicht unter allen Betriebsbedingungen bei allen Maschinen oder Baugruppen, in die das Zylinderrollenlager 100 integrierbar ist, gewährleistet werden kann.
Der Außenring 110, der Innenring 120 und/oder die Wälzkörper 130, sofern diese als Bauteile 160 gemäß Ausführungsbeispielen ausgeführt sind bzw. mithilfe eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel nachbehandelt worden sind, können so beispielsweise aus einem Stahl, insbesondere aus einen Wälzlagerstahl, aber auch aus einem anderen eisenhaltigen Material gefertigt sein. Diese sind dann wenigstens in den zuvor genannten Bereichen brüniert, wobei hierbei gegebenenfalls existierende andere Bereiche der betreffenden Bauteil 160 mit einer geeigneten Maskierschicht abgedeckt worden sind.
Zur Durchführung der Brünierung stehen eine Vielzahl verschiedener Brüniertechniken und Brünierverfahren zur Verfügung, wenn auch heute in aller Regel das chemische Heißbrünieren angewendet wird. Hierbei werden die zu brünierenden Bauteile 160 in einem Tauchverfahren behandelt, bei dem das Eisen des Bauteils in einer chemischen Reaktion zu Eisenoxid (in FeO/Fe₂O₃-Mischoxid bzw. Fe₃O₄ (Magnetit)) umgewandelt wird. Die Brünierschichten stellen daher Konversionsschichten dar, stellen also im Wesentlichen eine nichtmetallische, anorganische Schicht auf der Metalloberfläche des betreffenden Bauteils dar. Die Schichtdicken der betreffenden Brünierschichten können hierbei beispielsweise über die Art der Verfahrensführung, aber auch über Prozessparameter gesteuert werden. Hierzu zählt unter anderem die Eintauchdauer, aber ebenso auch die Zusammensetzung des Brünierbads.
Typische Schichtdicken liegen so im Bereich einiger 100 nm, also beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0,2 µm und etwa 1 µm. Brünierschichten können jedoch ebenso mit Dicken von bis zu 2,5 µm hergestellt werden. Bei Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen kann häufig eine dünnere Schichtdicke der zugrunde liegenden Brünierschicht gewählt werden, da diese durch die Nachbehandlung hinsichtlich ihrer Widerstandskraft eine Steigerung erfahren. So können typischerweise Brünierschichten mit einer Dicke von höchstens 1,5 µm, von höchstens 1,0 µm, von höchstens 800 nm oder von höchstens 500 nm bei vielen Anwendungen bereits ausreichen.
Beim Heißbrünieren werden die betreffenden Bauteile 160 in einem ein- oder mehrstufigen Verfahren in eine alkalische Salzlösung mit einer Temperatur im Bereich von etwa 135 °C bis 145 °C getaucht, wie dies beispielsweise in der DIN-Norm DIN 50938:2000 definiert ist. Hierbei wird das Eisen (Fe) der Oberfläche des Bauteils in die zuvor genannten Oxide, insbesondere in Magnetit (Fe₃O₄) umgewandelt, das auch als schwarzes Oxid des Eisens bezeichnet wird. Magnetit weist hierbei ein zu metallischem Eisen etwa vergleichbares Volumen auf. Das Brünierbad kann beispielsweise auf Basis von Kaliumnitrit (KNO₃) und Natriumhydroxid (NaOH), jedoch auch auf Basis anderer chemischer Zusammensetzungen gebildet werden.
Beim Heißbrünieren können so Einbad-, Zweibad- und Dreibad-Brüniervorgänge angewendet werden, bei denen die behandelten Bauteile häufig in Wasser zwischengespült und die Badtemperaturen sukzessive um jeweils etwa 5 °C erhöht werden. Durch diese Steuerung der Reaktionskinetik können gezielte Eigenschaften der Brünierschicht eingestellt werden. Die Tauchzeiten in dem Brünierbad liegen beim Heißbrünieren zwischen typischerweise etwa 5 min und etwa 20 min pro Bad und sind von der Beschaffenheit der Bauteile sowie den Konzentrationen und Temperaturen des Brünierbads abhängig.
Darüber hinaus können jedoch auch Bauteile mithilfe anderer Verfahren, etwa dem sogenannten Kaltbrünieren mit einer entsprechenden Brünierschicht wenigstens teilweise überzogen werden.
Die Anwendung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils 160, beispielsweise des Außenring 110, des Innenrings 120 oder eines oder mehrerer Wälzkörper 130, ermöglicht es so, die begrenzte Beständigkeit der Brünierschichten gegenüber tribologischen und/oder chemischen Angriffen während des Betriebs der Maschine, die das betreffende Bauteil später umfasst, zu verbessern. Chemische Angriffe können beispielsweise durch Säuren erfolgen, die sich aus der Schmierstoffalterung bzw. aus einer Verunreinigung von Schmierstoffen ergeben.
Darüber hinaus kann die Anwendung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens auch gegebenenfalls eine Verbesserung der Widerstandskraft gegenüber tribologisch-mechanischen und/oder kombinierten Beanspruchungen erhöhen. Beispielsweise kann ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens bei Bauteilen 160 gegebenenfalls vorteilhaft angewendet werden, wenn beispielsweise Mischreibung im Wälzkontakt vorliegt, die zu einer größeren tribologisch-mechanischen Beanspruchung führen kann.
So kann beispielsweise unter hoher Werkstoffbeanspruchung im Mischreibungsbereich sich in oberflächennahen Bereichen eine zyklische elastisch-plastische Verformung ausbilden, die von Mikrorissbildung begleitet wird. Diese als „Graufleckigkeit“ bekannte Ermüdungsverschleißerscheinung, die als Korrosionswälzermüdung dem Mechanismus der Schwingungsrisskorrosion folgt, kann unter Umständen zu tieferen Anrissen und anschließend zu großflächigeren Ausbrüchen an dem betreffenden Bauteil 160 führen oder ausgedehnte flache Materialablösungen erzeugen. Graufleckigkeit kann beispielsweise dann auftreten, wenn in einem hochbeanspruchten Kontakt zweier Bauteile gegebenenfalls größere Gleitgeschwindigkeiten und/oder eine geringe Schmiermitteldicke vorliegen. Dies kann also beispielsweise durch eine hohe Belastung, niedrige Drehzahlen, hohe Schmierstofftemperaturen, ungünstige Geometrien, ungünstige Oberflächenbeschaffenheiten oder andere ungünstige Schmierstoffeigenschaften begünstigt oder hervorgerufen werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen es nun, die an sich begrenzte Beständigkeit von Brünierschichten gegenüber den vorgenannten Beanspruchungen gegebenenfalls dadurch zu verbessern, dass die Brünierschichten bzw. die brünierten Bauteile 160 chemisch nachbehandelt werden. Die Innovation besteht hierbei in der Durchführung einer chemischen Nachbehandlung brünierter Bauteile 160 in einer Kaliumdichromatlösung (K₂Cr₂O₇) bei Temperaturen zwischen etwa 15 °C und etwa 100 °C, also beispielsweise bei Raumtemperatur oder bevorzugt bei erhöhter Temperatur, wobei eine Temperatur von etwa 80 °C (z.B. eine Temperatur zwischen 75 °C und 85 °C) ein sehr gutes Ergebnis im Bereich der Beständigkeit gegenüber chemischen Angriffen gezeigt hat. Durch Anwendung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel kann so die Widerstandskraft der Brünierschicht beispielsweise gegen Säureangriff signifikant gesteigert werden.
Aber auch gegenüber den zuvor beschriebenen tribologisch-mechanischen Beanspruchungen besteht die Aussicht, dass ein entsprechender Erfolg, etwa im Falle der zuvor beschriebenen Mischreibung im Wälzkontakt und der daraus gegebenenfalls folgenden Graufleckigkeit, erzielbar ist. Hierzu sind Versuche auf Prüfständen durchgeführt worden.
Bei diesem Nachbehandlungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel werden nichtkonservierte Bauteile 160 nach dem Brünieren für beispielsweise 15 min bis 60 min in eine Kaliumdichromatlösung (K₂Cr₂O₇) eingebracht. Sollten die Bauteile 160 bereits zwischenkonserviert worden sein, kann es hierbei ratsam sein, das Konservierungsmittel mit einem Lösungsmittel, einem Lösungsmittelgemisch oder einem anderen Stoff, Stoffgemisch oder einem anderen Verfahren zuvor zu entfernen. Ebenso kann es gegebenenfalls ratsam sein, auch im Falle nichtkonservierter Bauteile 160 eine Entfettung und/oder eine andere Reinigung des betreffenden Bauteils vor dem Eintauchen in die Kaliumdichromatlösung vorzunehmen.
Die Lösung, in die nach einem Bereitstellen des Bauteils mit der Brünierschicht dieses eingetaucht wird, umfasst, wie zuvor erläutert wurde, Kaliumdichromat. Neben den zuvor genannten Temperaturen (Raumtemperatur und etwa 80 °C) kann die Lösung bei anderen Ausführungsbeispielen des Verfahrens auch andere Temperaturen aufweisen, die beispielsweise im Bereich zwischen etwa 15 °C und etwa 100 °C liegen. Insbesondere kann die Lösung auch eine Temperatur zwischen 70 °C und 90 °C bzw. zwischen 75 °C und 85 °C aufweisen. Je nach Temperatur, anzustrebende Steigerung der Widerstandskraft und anderer technischer und ökonomischer Randbedingungen kann das betreffende Bauteil 160 dann in der Lösung für eine Zeitspanne (Eintauchdauer) eingetaucht werden, die typischerweise zwischen 5 min und 90 min, insbesondere zwischen 10 min und 70 min liegt. Hierbei können gegebenenfalls kürzere Zeitspannen realisiert werden, wenn höhere Temperaturen für die Lösung verwendet werden.
Die Lösung wird typischerweise als wässrige Lösung implementiert, da Kaliumdichromat eine gute Löslichkeit in Wasser aufweist. Die Lösung kann so beispielsweise zwischen 10 g/l und 150 g/l Kaliumdichromat umfassen. Hierbei ist zu beachten, dass die Löslichkeit temperaturabhängig sein kann, sodass gegebenenfalls bei höheren Temperaturen höhere Löslichkeiten und damit höhere Konzentrationen erzielbar sind.
Im Fall größerer Bauteile kann es gegebenenfalls sinnvoll sein, diese nur teilweise in die Lösung einzutauchen. Hierdurch können kleinere Bäder bzw. Gefäße für die Behandlung gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden, was neben einer Reduzierung logistischer Herausforderungen auch im Hinblick auf mögliche Gefährdungen durch die Inhaltsstoffe der Lösung ratsam sein kann. Um trotzdem einen ausreichenden Kontakt der Brünierschicht des Bauteils 160 mit der Lösung zu ermöglichen, bietet es sich an, das Bauteil während des Eintauchens in die Lösung zu bewegen. Dies kann beispielsweise maschinell, beispielsweise über einen Industrieroboter, bei kleineren Bauteilen gegebenenfalls auch „per Hand“ unter Verwendung entsprechender (Schutz-)Werkzeuge erfolgen.
Die Bewegung kann hierbei beispielsweise ein Drehen oder Rotieren, jedoch auch eine translatorische Bewegung des Bauteils umfassen. Je nach konkreter Implementierung des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Bewegung kontinuierlich erfolgen oder wenigstens eine zeitliche Periode umfassen, in der das Bauteil unbewegt ist. So kann das Bauteil beispielsweise mit einem ersten Abschnitt der Brünierschicht, der beispielsweise mehr als die Hälfte dieser umfasst, in die Lösung für die anvisierte Eintauchdauer eingetaucht werden, bevor das Bauteil umgedreht oder so bewegt wird, dass ein zweiter Abschnitt, der wenigstens die bislang unbehandelten Bereiche der Brünierschicht umfasst, erneut für die anvisierte Eintauchdauer oder auch eine abweichende Zeitspanne in das Bad eingetaucht wird. Alternativ oder ergänzend kann das Bauteil auch in dem Bad kontinuierlich gedreht werden, sofern alle zu behandelnden Abschnitte wenigstens für die ihnen zugedachte Eintauchdauer in der Lösung verbleiben.
So können beispielsweise Bauteile in einem Bad behandelt werden, dessen Höhe die des Bauteils nicht übersteigt. Wird ein einmaliges Umdrehen vorgesehen, und soll das ganze Bauteil behandelt werden, kann es ratsam sein, die Höhe der Lösung bei eingetauchtem Bauteil derart zu bemessen, dass diese höher als die Hälfte des Bauteils liegt. So wird zwar gegebenenfalls ein zentraler Bereich des Bauteils mehrfach behandelt, es werden jedoch alle Abschnitte des Bauteils wenigstens ihrer entsprechenden Eintauchdauer in das Bad eingetaucht.
Optional kann das Bauteil nach dem Eintauchen in die Lösung mithilfe eines Spülens in Wasser oder einer anderen Lösung gereinigt werden. Diese Spülbehandlung kann bei Raumtemperatur oder auch bei höheren Temperaturen, beispielsweise zwischen 30 °C und 80 °C erfolgen. Optional kann ergänzend oder alternativ ebenso eine Trocknung des Bauteils 160 erfolgen, beispielsweise indem das Bauteil 160 in einem Ofen oder mithilfe von Heißluft getrocknet wird. Hierbei können Temperaturen von mehr als 100 °C verwendet werden, um gegebenenfalls die Trocknung zu beschleunigen. Natürlich können jedoch auch geringere Temperaturen, etwa Raumtemperatur, verwendet werden.
Auch wenn im Zusammenhang mit 1 bisher als mögliche Bauteile 160 ein Außenring 110, ein Innenring 120 und die Wälzkörper 130 beschrieben wurden, können grundsätzlich alle Bauteile, die brüniert werden und beispielsweise während des Betriebs und/oder ihrer Lagerung einem chemischen, tribo-chemischen oder tribologischen Angriff ausgesetzt sein können, mithilfe eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens hinsichtlich ihrer Widerstandskraft verbessert werden. Zu diesen Bauteilen zählen also ebenso andere Ausführungsformen von Wälzlagern, Wälzlagerkomponenten (z.B. auch Käfige), Zahnrädern und andere mechanische Komponenten, aber auch andere Bauteile etwa von Gehäusen entsprechender Baugruppen oder Maschinen.
Anwendung finden Bauteile 160 gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise im Bereich hochbelasteter und/oder großer Maschinen und Anlagen, zu denen neben Windkraftanlagen, bei denen häufig zahlreiche Wälzlagerkomponenten brüniert werden, auch Unterwasserkraftanlagen, Baumaschinen, Kraftwerksanlagen, Industriegetriebe aller Art und andere Maschinen und Anlagen zählen.
Die Qualität einer Brünierschicht wird gemäß DIN-Norm 50938 unter anderem durch die Bestimmung des Schutzwertes mit Oxalsäure (C₂H₂O₄) untersucht. In Anlehnung an diesen Test zeigen sich nach einem Einwirken einer zehnprozentigen Oxalsäure (C₂H₂O₄) bei Raumtemperatur auf die Brünierschicht deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Proben, die mithilfe von Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils behandelt wurden, und solchen, die nicht mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel behandelt wurden.
So zeigt 2 für fünf verschiedene Proben S1, S2, S3, S4, S5 mit Ausnahme von Probe S1 (keine chemische Nachbehandlung gemäß einem Ausführungsbeispiel) eine Auftragung einer Zeitdauer t in Stunden, nach der ein beginnender Angriff bemerkbar war (ausgefüllte Balken) und nachdem ein vollständiges Ablösen der Schicht eingetreten ist (schraffierter Balken). Diese Zeiten werden auch als Widerstandszeit bezeichnet. Lediglich für die Vergleichsprobe S1, bei der eine Nachbehandlung mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel nicht durchgeführt wurde, ist die Zeitspanne, nach der ein beginnender Angriff bemerkbar war, nicht in 2 gezeigt, da dieser unmittelbar bemerkbar war.
Ohne die chemische Nachbehandlung gemäß einem Ausführungsbeispiel löste sich die Brünierschicht der Probe S1 unter dem Einfluss der Oxalsäure schon nach 30 min vollständig ab. Eine Anwendung des neuen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel verbessert dieses Ergebnis deutlich, wie 2 veranschaulicht. So steigt bereits bei der Behandlung eines Bauteils (Probe S2) mithilfe einer Kaliumdichromatlösung und einer Eintauchzeit von 15 min bei Raumtemperatur die Widerstandszeit bis ein Angriff bemerkbar ist auf 2 h. Bei dieser Probe S2 hat sich die Brünierschicht erst nach 4 h vollständig abgelöst. Im Falle des Eintauchen eines Bauteils (Probe S3) in die Kaliumdichromatlösung für eine Zeitdauer von 60 min bei Raumtemperatur ist der beginnender Angriff erst nach 4 h bemerkbar gewesen, wobei sich erst nach 6 h die Brünierschicht vollständig abgelöst hat.
Im Falle der Proben S4 und S5, die in eine Kaliumdichromatlösung bei jeweils 80 °C eingetaucht wurden, war nach 6 h weder ein beginnender Angriff noch ein vollständiges Ablösen der Schicht erkennbar. Anders ausgedrückt ist auch nach 6 h Oxalsäureeinwirkung bei Raumtemperatur auf in 80 °C heißer Kaliumdichromatlösung nachbehandelte Proben (Proben S4 und S5) kein chemischer Angriff an der Brünierschicht (Schicht) sichtbar gewesen. Die Proben S4 und S5 unterscheiden sich hierbei lediglich dadurch, dass im Falle der Probe S4 diese für 15 min, während Probe S5 für 60 min in die Kaliumdichromatlösung von 80 °C eingetaucht wurde.
Bauteile 160 mit einer Brünierschicht, die mithilfe eines Ausführungsbeispiels in Form eines Verfahrens nachbehandelt wurden, können hierbei im Bereich der Brünierschicht gegebenenfalls Rückstände der Kaliumdichromatlösung und/oder Reaktionsprodukte der Kaliumdichromatlösung mit dem Material des Bauteils oder der Brünierschicht des Bauteils aufweisen. Diese können mithilfe einer Schichtanalytik gegebenenfalls nachweisbar sein. So können hierbei gegebenenfalls unterschiedliche Chromverbindungen, beispielsweise im Bereich der Brünierschicht nachgewiesen werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung von Ausführungsbeispielen in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und – soweit sich nicht aus der Beschreibung etwas anderes ergibt – beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Zylinderrollenlager
110: Außenring
120: Innenring
130: Wälzkörper
140: Symmetrielinie
150: Wälzkörperkäfig
160: Bauteil
170: Lauffläche
180: Lauffläche
190: Berührfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-Norm 50 938 [0004]
DIN-Norm 50938 [0023]
DIN-Norm DIN 50938:2000 [0031]
DIN-Norm 50938 [0048]

Claims

Verfahren zur Steigerung der Widerstandskraft einer Brünierschicht eines Bauteils (160), umfassend: Bereitstellen des Bauteils (160) mit der Brünierschicht; und vollständiges oder teilweises Eintauchen des Bauteils (160) mit der Brünierschicht in eine Lösung, die Kaliumdichromat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lösung eine Temperatur aufweist, die zwischen 15°C und 100°C, insbesondere zwischen 70°C und 90°C liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Bauteil (160) für eine Zeitspanne in die Lösung eingetaucht wird, die zwischen 5 min und 120 min, insbesondere zwischen 10 min und 75 min liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lösung eine wässrige Lösung ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Lösung zwischen 10 g/l und 150 g/l Kaliumdichromat umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das ferner ein Entfernen eines Konservierungsmittels von dem Bauteil (160) vor dem Eintauchen umfasst, wenn das Bauteil (160) zuvor konserviert wurde, und/oder ein Entfetten des Bauteils vor dem vor dem Eintauchen umfasst, und/oder ein Reinigen des Bauteils (160) vor dem Eintauchen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil (160) nur teilweise in die Lösung eingetaucht wird, wobei das teilweise Eintauchen des Bauteils (160) ein Bewegen des Bauteils (160) derart in der Lösung umfasst, dass wenigstens ein Abschnitt der Brünierschicht von der Lösung behandelt wird, der ohne die Bewegung nicht behandelt würde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bereitstellen des Bauteils (160) ein Bereitstellen des Bauteils (160) umfasst, das aus einem Material gefertigt ist, das Eisen, insbesondere Stahl, beispielsweise einen Wälzlagerstahl umfasst.
Bauteil (160) mit einer Brünierschicht, die mit einem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche behandelt wurde.
Bauteil (160) mit einer Brünierschicht, das aus einem Material gefertigt ist, das Eisen umfasst, wobei die Brünierschicht wenigstens teilweise offen liegt und keine Beölung aufweist, und wobei die Brünierschicht Rückstände einer Kaliumdichromatlösung und/oder Reaktionsprodukte einer Kaliumdichromatlösung mit dem Material oder der Brünierschicht des Bauteils (160) umfasst.