DE102011082905A1

DE102011082905A1 - Wälzlagerbauteil

Info

Publication number: DE102011082905A1
Application number: DE102011082905A
Authority: DE
Inventors: Sven Claus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Wälzlagerbauteil (1, 1a, 1b, 3), insbesondere Lagerring (1a, 1b), welches Wälzlagerbauteil (1, 1a, 1b, 3) aus Stahl gebildet ist, wobei der Stahl 0,18 bis 0,22 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 bis 5 Gew.-% Stickstoff, 18 bis 23 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 4 Gew.-% Molybdän und 1,5 bis 10 Gew.-% Vanadium enthält.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlagerbauteil, insbesondere einen Lagerring, wobei das Wälzlagerbauteil aus Stahl gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlagerbauteile, insbesondere in Form von als Außen- oder Innenring ausgebildeten Lagerringen, sind weithin bekannt und werden in der Regel aus sogenannten Wälzlagerstählen gefertigt. Der ein entsprechendes Wälzlagerbauteil ausbildende Stahl muss dabei den hohen mechanischen, im Betrieb entsprechender Wälzlager auftretenden Beanspruchungen, insbesondere im Hinblick auf Drehzahl, Temperatur, Medienbeständigkeit, Korrosion etc. gerecht werden. Demzufolge sollten Wälzlagerstähle insbesondere eine gute Eignung für Mischreibungszustände (Tribooxidierung, Passivierung), hohe Verschleißfestigkeit bzw. Härte und eine hohe Überrollfestigkeit zeigen.
Ein typisches Beispiel für einen entsprechenden Wälzlagerstahl ist 100Cr6, welcher jedoch eine Reihe von Nachteilen aufweist. Beispielsweise sind die Mischreibungseigenschaften von 100Cr6 sehr begrenzt, was sich in der im Betrieb des Wälzlagers einstellenden Beharrungstemperatur, die maßgeblich für die Schmiermittelgebrauchsdauer und somit gegebenenfalls auch die Lebensdauer des Wälzlagers ist, äußert. Das Notlaufverfahren bei Abriss eines Schmiermittelfilms in einem aus 100Cr6 gefertigten Wälzlager im Bereich kritischer Schmierungszustände, etwa bei hohen Drehzahlen und/oder Temperaturen, ist ebenso sehr begrenzt. Problematisch ist ferner die durch die chemische Zusammensetzung von 100Cr6 bedingte geringe Fresslast respektive hohe Fressneigung.
Eine Erhöhung der Mischreibungseignung kann durch gezieltes Legieren von Wälzlagerstellen realisiert werden. Eine mit der Werkstoffnummer 1.4108 bzw. SAE-Nummer AMS 5898 und von der Anmelderin im Handel als „Cronidur 30“ bezeichnete Stahltype, bei der es sich im Wesentlichen um einen aufgestickten Eisen-Chrom-Molybdän-Stahl handelt, weist im Vergleich zu 100Cr6 deutliche bessere Mischreibungseigenschaften auf. Vorteile sind überdies z. B. bezüglich des Tribooxidationsvermögens sowie einer im Vergleich höheren Zähigkeit gegeben. Indes ist die Härte dieser Stahltype mit ca. 58 HRC (Härte Rockwell) vergleichsweise gering, was im Falle kritischer Schmierungszustände zu erhöhtem Verschleiß führen kann. Die geringe Härte kann ebenso bedingen, dass bereits bei der Montage eines Wälzlagers plastische Verformungen (Brinellierungen), etwa in der Wälzkörperlaufbahn, auftreten können.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Wälzlagerbauteil mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Zur Lösung des Problems ist es bei einem erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteil vorgesehen, dass der Stahl 0,18–0,22 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5–5 Gew.-% Stickstoff, 18–23 Gew.-% Chrom, 0,5–4 Gew.-% Molybdän und 1,5–10 Gew.-% Vanadium enthält.
Erfindungsgemäß wird ein neuartiger Stahl respektive eine neuartige Stahlzusammensetzung zur Ausbildung von Wälzlagerbauteilen, insbesondere Lagerringen, vorgeschlagen, welche sich durch einen vergleichsweise hohen Anteil an Stickstoff auszeichnet. Im Vergleich zu konventionellen, zur Ausbildung entsprechender Wälzlagerbauteile verwendeten aufgestickten, d. h. Stickstoff enthaltenden Stählen ist der Kohlenstoffanteil reduziert und der Stickstoffanteil deutlich erhöht (vgl. den Stickstoffanteil des erfindungsgemäß zur Ausbildung eines Wälzlagerbauteils verwendeten Stahls im Bereich von 1,5–5 Gew.-%, insbesondere zwischen 1,8 und 4,5 Gew.-%).
Bei dem zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteils verwendeten Stahl handelt es sich im Allgemeinen um einen, insbesondere pulvermetallurgisch hergestellten, hochlegierten Stahl aus dem Bereich der Werkzeugbzw. Schnellarbeitsstähle, der als besonderes Charakteristikum einen hohen Anteil an Stickstoff aufweist.
Der erhöhte Anteil an Stickstoff bedingt nicht allein eine Festigkeitssteigerung bei gleichzeitiger Beibehaltung einer bestimmten bzw. gewünschten Zähigkeit, sondern ermöglicht respektive fördert auch die Ausbildung einer passiven Oberflächenschicht, welche eine ausgezeichnete Mischreibungseignung bietet. Verschleißerscheinungen treten sonach erst unter hochkritischen Schmierbedingungen auf. Gleichermaßen ist derart eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit gegeben.
Im Übrigen, d. h. neben entsprechenden Anteilen an Kohlenstoff, Stickstoff, Chrom, Molybdän und Vanadium, besteht der zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteils vorgesehene Stahl im Wesentlichen aus Eisen und üblichen Verunreinigungen. Zur Einstellung eines bestimmten Eigenschaftsprofils des Stahls können gegebenenfalls weitere Legierungskomponenten enthalten sein. Wesentlich ist stets der erhöhte Anteil an Stickstoff im Bereich von 1,5–5 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 1,8 und 4,5 Gew.-%.
Der Stahl ist insbesondere pulvermetallurgisch hergestellt. Pulvermetallurgisch hergestellte Stähle zeichnen sich durch sehr gute Warmhärte, Druckbelastbarkeit, Verschleißfestigkeit und einen hohen Reinheitsgrad aus. Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren führen darüber hinaus zu seigerungsfreien und homogenen Gefügen mit quasi isotropen Eigenschaften. Hieraus resultiert eine hohe Maßhaltigkeit des Stahls, insbesondere im Rahmen von möglichen Wärmebehandlungen, was sich in einem geringeren Verzug und somit einem geringeren Schleiflaufmaß widerspiegelt, sowie im Betrieb entsprechender Wälzlagerbauteile, so dass sich im Betrieb keine Maßänderungen bzw. Betriebsspieländerungen ausbilden.
Die Härte des Stahls liegt zweckmäßig zwischen 60 und 70 HRC (Härte Rockwell), insbesondere zwischen 60 und 62 HRC. Durch die hohe Härte des Stahls weisen entsprechende erfindungsgemäße Wälzlagerbauteile eine hohe, insbesondere oberflächige Verschleißfestigkeit auf, was sich gleichermaßen positiv auf die Lebensdauer des Wälzlagerbauteils auswirken kann. Selbstverständlich kann die Härte des Stahls in Ausnahmefällen von den genannten Bereichen abweichen.
Daneben betrifft die vorliegende Erfindung ein Wälzlager, insbesondere ein Spindellager, umfassend wenigstens ein Wälzlagerbauteil wie vorstehend beschrieben. Durch die Ausbildung des Wälzlagerbauteils (beispielsweise ein Lagerring, d. h. Innen- und/oder Außenring, und/oder ein Wälzkörper), aus dem oben beschrieben Stahl, weist selbstverständlich auch ein entsprechendes Wälzlager, insbesondere in mechanischer wie auch tribologischer Hinsicht, ein verbessertes Eigenschaftsprofil auf.
Grundsätzlich gelten sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteil auch zum erfindungsgemäßen Wälzlager.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteils in Form eines Lagerrings und
2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteils 1. Das Wälzlagerbauteil 1 kann als Innenring 1a oder Außenring 1b eines Wälzlagers 2 (vgl. 2) ausgebildet sein. Das Wälzlagerbauteil 1 ist aus Stahl gebildet. Der Stahl hat die in folgender Tabelle dargestellte chemische Zusammensetzung. Im Übrigen enthält der Stahl im Wesentlichen Eisen und übliche Verunreinigungen.

Element C N Cr Mo V

von Gew.-% 0,19 1,80 19,00 1,00 2,00

bis Gew.-% 0,21 4,50 21,50 3,00 10,00
Bei dem zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Wälzlagerbauteils 1 verwendeten Stahl handelt es sich um einen pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahl. Besonderes Charakteristikum des Stahls ist der hohe Anteil an Stickstoff. Im Vergleich zu konventionellen, zur Ausbildung entsprechender Wälzlagerbauteile verwendeten aufgestickten Stahltypen ist der Kohlenstoffanteil reduziert, der Stickstoffanteil erhöht. Wie sich aus der Tabelle ergibt, liegt der Stickstoffanteil zwischen 1,8 und 4,5 Gew.-%.
Bezüglich der mechanischen Eigenschaften zeichnet sich der Stahl durch eine hohe Härte von wenigstens 60 HRC (Härte Rockwell), insbesondere 60–62 HRC, aus, wobei gleichzeitig ein ausreichend zähes Verhalten gegeben ist.
Durch den Einsatz von Stickstoff wird neben der genannten Festigkeits- bzw. Härtesteigerung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Zähigkeit auch die Bildung einer passiven Oberflächenschicht ermöglicht, welche zu hervorragenden Mischreibungseigenschaften des Stahls führt. Gleichermaßen kann derart das Korrosionsverhalten des Stahls respektive entsprechender aus diesem gefertigter Wälzlagerbauteile 1 erhöht werden.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 2, welches beispielsweise als Spindellager ausgebildet ist. Das Wälzlager 2 weist als Wälzlagerbauteile 1 einen Innenring 1a und einen Außenring 1b auf. Zwischen dem Innenring 1a und dem Außenring 1b sind auf entsprechenden nicht näher gezeigten Wälzkörperlaufbahnen Wälzkörper 3 in Form von Kugeln angeordnet. Der Innenring 1a sowie der Außenring 1b sind aus dem oben beschriebenen Stahl gebildet. Gleichermaßen können auch die Wälzkörper 3 aus dem oben beschriebenen Stahl gebildet sein. Möglich ist jedoch auch eine Ausbildung der Wälzkörper 3 aus Siliziumnitrid oder einem silizumnitridbasierten Werkstoff.
Bezogen auf das Wälzlager 2 führt die erfindungsgemäße Ausbildung des Innenrings 1a respektive des Außenrings 1b aus dem oben beschriebenen Stahl mit einem erhöhten Anteil an Stickstoff aufgrund der hohen Härte in Verbindung mit einer hohen Überrollfestigkeit bzw. Dauergrenzbelastung dazu, dass eine Aufweitung der Schmiegung zwischen den Lagerringen, d. h. dem Innenring 1a und dem Außenring 1b und den Wälzkörpern 3 die Reibung im Wälzkontakt bei ungeminderter Tragfähigkeit verringert werden kann. Somit kann die Gebrauchsdauer eines Schmiermittels bzw. Schmierfetts und somit die Lebensdauer des Wälzlagers 2 insgesamt gesteigert werden.
Grundsätzlich kann durch die Verwendung des erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten, mit einem vergleichsweise hohen Anteil an Stickstoff legierten Stahls zur Ausbildung entsprechender Wälzlagerbauteile 1 die Verschleißfestigkeit des Wälzlagers 2 insgesamt erhöht werden. Insbesondere sind Brinellierungseffekte durch die hohe Härte des Stahls reduzierbar.
Der erfindungsgemäß zur Ausbildung entsprechender Wälzlagerbauteile 1 verwendete Stahl steht konventionellen Stählen bezüglich seiner Eigenschaften, insbesondere in mechanischer wie auch tribologischer Hinsicht, in nichts nach, sondern übertrifft deren Eigenschaften deutlich. Das Eigenschaftsprofil des erfindungsgemäßen verwendeten Stahls kann über geeignete Wärmebehandlungen gezielt eingestellt werden, so dass insbesondere die mechanischen Eigenschaften beschreibende Parameter, wie z. B. die Biegewechselfestigkeit oder die Mischreibungseignung, auf ein gewünschtes Maß einstellbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlagerbauteil
1a: Innenring
1b: Außenring
2: Wälzlager
3: Wälzkörper

Claims

Wälzlagerbauteil (1, 1a, 1b, 3), insbesondere Lagerring (1a, 1b), welches Wälzlagerbauteil (1, 1a, 1b, 3) aus Stahl gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 0,18 bis 0,22 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 bis 5 Gew.-% Stickstoff, 18 bis 23 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 4 Gew.-% Molybdän und 1,5 bis 10 Gew.-% Vanadium enthält.
Wälzlagerbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl 1,8 bis 4,5 Gew.-% Stickstoff enthält.
Wälzlagerbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl pulvermetallurgisch hergestellt ist.
Wälzlagerbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine Härte von 60 bis 70 HRC, insbesondere 60 bis 62 HRC, aufweist.
Wälzlager (2), insbesondere Spindellager, umfassend wenigstens ein Wälzlagerbauteil (1, 1a, 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil (1, 1a, 1b, 3) ein Lagerring (1a, 1b) und/oder ein Wälzkörper (3) ist.