DE102012208169A1

DE102012208169A1 - Wälzlagerteil sowie Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wälzlagerteils

Info

Publication number: DE102012208169A1
Application number: DE102012208169A
Authority: DE
Inventors: Dieter Röll; Walter Götz; Reinhold Gaubmann; Bernhard Wilm
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21
Also published as: WO2013170995A1

Abstract

Ein Wälzlagerteil (5) aus Stahl weist bainitisches Gefüge und einen Restaustenitgehalt von 8 bis 20 % auf, wobei Druckeigenspannungen von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe von mindestens 100 µm unter der Oberfläche vorliegen und die Oberflächenhärte mindestens 59 HRC beträgt. Das Wälzlagerteil (5) wird einer Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung unterzogen und ist insbesondere als Lagerring eines Radlagers mit Stirnverzahnung ausgebildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlagerteil, insbesondere einen Lagerring, sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wälzlagerteils und die Verwendung eines Wälzlagerteils.
Aus der EP 1 774 187 B1 ist ein für eine Wälzbelastung ausgelegtes carbonitriertes Maschinenteil bekannt, welches vollständig aus einem Stahl mit martensitischem Gefüge gebildet ist, und das unter seiner Oberfläche bis zu einer Tiefe von mindestens 40 µm Druckeigenspannungen von mindestens 300 MPa aufweist.
Aus der DE 10 2007 044 950 B3 ist ein für eine Wälzbeanspruchung ausgebildetes carbonitriertes Werkstück aus einem durchhärtenden Stahl bekannt, welches eine Kernzone mit einem Bainit-Gefüge als Hauptbestandteil aufweist. In einer Randzone des Werkstücks liegt ein Mischgefüge aus Martensit und Bainit vor, wobei der Volumenanteil des Martensits mindestens 20% beträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wälzlagerteile aus Stahl, insbesondere Lagerringe von Radlagern, besonders rationell zu härten und dabei für eine Wälzbelastung prädestinierte Materialeigenschaften zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlagerteil sowie durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wälzlagerteils gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Wälzlagerteil und umgekehrt.
Das Wälzlagerteil ist aus Stahl mit bainitischem Gefüge und einem Restaustenitgehalt von 8 bis 20 % gebildet, wobei Druckeigenspannungen von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe von mindestens 100 µm unter der Oberfläche vorliegen und die Oberflächenhärte mindestens 59 HRC, insbesondere mindestens 60 HRC, beträgt. Die Gefügezusammensetzung des der Wärmebehandlung unterzogenen Wälzlagerteils ist vorzugsweise über dessen gesamten Querschnitt gleich.
Die genannten Materialeigenschaften werden erzeugt, indem das Wälzlagerteil zunächst auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend auf eine Temperatur oberhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten wird, so dass die Bildung von bainitischem Gefüge einsetzt. Die Umwandlung in bainitisches Gefüge wird vor der vollständigen Umwandlung durch Senkung der Temperatur des Wälzlagerteils abgebrochen. Dieser Vorgang der Wärmebehandlung wird als unterbrochene isotherme Umwandlung bezeichnet.
Eine chemisch-thermische Wärmebehandlung des Wälzlagerteils, etwa ein Nitrieren oder Carbonitrieren, ist nicht vorgesehen. Nach den genannten Schritten der Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise weder eine erneute Erwärmung (Anlassen) noch ein Tiefkühlen des Wälzlagerteils.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Dauer der Wärmebehandlung im Vergleich zu konventionellen Verfahren deutlich verkürzt ist. In bevorzugter Ausgestaltung beträgt die gesamte Prozesszeit nicht mehr als sechs Stunden. Je nach verwendetem Werkstoff und Bauteilgeometrie sind sogar Prozesszeiten unter drei Stunden, beipielsweise eine Prozesszeit von nur einer Stunde, realisierbar.
Die kurze Prozesszeit führt zu einer im Vergleich zu einer kompletten oder auch zu einer gestuften Umwandlung verbesserten Verformungsfähigkeit des Wälzlagerteils. Gleichzeitig weist das Wälzlagerteil eine sehr gute Überrollfestigkeit und Schmutzunempfindlichkeit auf. Die Temperaturbeständigkeit beträgt mindestens 120°C nach DIN 623 Teil 1.
Das erfindungsgemäße Wälzlagerteil ist beispielsweise als Lagerring, insbesondere Innenring, eines Radlagers ausgebildet. Als Stand der Technik sei in diesem Zusammenhang beispielhaft die DE 10 2006 030 478 A1 genannt.
In bevorzugter Anwendung handelt es sich bei dem Wälzlagerteil um einen Lagerring eines Radlagers, welches eine stirnseitige Verzahnung, insbesondere eine durch spanlose Umformung ausgebildete Stirnverzahnung, aufweist, wobei der Lagerring vorzugsweise direkt an einen Wälznietbund grenzt, welcher die Stirnverzahnung auf dessen dem Lagerring abgewandter Seite aufweist. Derartige Radlager sind prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2005 009 938 A1 , aus der DE 10 2005 016 427 A1 , sowie aus der DE 10 2005 018 126 A1 bekannt.
Gerade in diesen Anwendungsfällen, das heißt bei Radlagern mit aus einem umgeformten Niethals gebildeter Verzahnung, wirken sich die Druckeigenspannungen in dem Wälzlagerteil, nämlich Lagerring, insbesondere Innenring, besonders positiv aus, wie im Folgenden erläutert wird:
Durch die Umformung des Niethalses unter Ausbildung der Stirnverzahnung bei gleichzeitiger Fixierung des Innenringes auf der Radnabe wird der Innenring merklich aufgeweitet. Lägen an der Oberfläche des Innenrings und im oberflächennahen Bereich keine Druckeigenspannungen vor, so entstünden durch die Aufweitung des Innenrings in diesem Bereich Zugspannungen, welche sich auf die Belastbarkeit und Haltbarkeit des Wälzlagers ungünstig auswirkten. Diesem unerwünschten Effekt wird durch die Druckeigenspannungen in der Randzone des Lagerrings wirksam entgegengewirkt. Die Druckeigenspannungen, welche beim mechanisch unbelasteten Lagerring im genannten Bereich von mindestens 100 MPa liegen, sorgen dafür, dass selbst beim zusammengebauten Radlager, das heißt bei aufgeweitetem Lagerring, noch ertragbare Eigenspannungen, vorzugsweise lediglich geringe Zugspannungen, in der Randzone des Lagerings, welche eine Laufbahn für Wälzkörper, typischerweise Kugeln oder Kegelrollen, bildet, vorhanden sind.
Als Werkstoff des Wälzlagerteils, insbesondere Lagerrings, kommt beispielsweise 100Cr6 (W3) oder 100CrMn6 (W4) in Betracht. Allgemein handelt es sich bei dem Werkstoff, aus welchem das Wälzlagerteil gefertigt ist, um einen durchhärtbaren Stahl.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
1: in einem ZTU-Schaubild eine unterbrochene isotherme Umwandlung,
2: in einer Schnittdarstellung ein Radlager mit Stirnverzahnung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist in einem ZTU-Schaubild (Zeit-Temperatur-Umwandlung) das erfindungsgemäße Verfahren (unterbrochene Umwandlung) veranschaulicht. Zum Vergleich sind auch zwei nicht beanspruchte Varianten, nämlich eine gestufte Umwandlung sowie die komplette Umwandlung, in 1 eingezeichnet. Gemäß dieser Darstellung wird das Werkstück, das heißt das Wälzlagerteil, ausgehend von einer mindestens auf dem Niveau der Austenitisierungstemperatur in Höhe von 840°C liegenden Temperatur, auf eine Temperatur abgekühlt, welche oberhalb der Martensitstarttemperatur liegt. Bei dieser Temperatur von 220 bis 230°C wandelt sich das austenitische Gefüge allmählich in bainitisches Gefüge um. Die Umwandlung wird gezielt durch rasche Abkühlung unterbrochen, so dass sich im Vergleich zu einer vollständigen Umwandlung ein definierter Restaustenitgehalt einstellt, welcher mindestens 8% und höchstens 20% beträgt. Der gemäß 1 durch verkürzte isotherme Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung behandelte Werkstoff, nämlich 100CrMn6 (1.3520), alternativ 100Cr6 (1.3505), weist eine Oberflächenhärte von mindestens 59 HRC und Druckeigenspannungen in Höhe von mindestens 100 MPa (Absolutwert) in einer Tiefe bis mindestens 100 µm auf.
In 2 ist ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Radlager prinzipiell bekannter Geometrie dargestellt. Hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion des Radlagers 1 wird auf den oben zitierten Stand der Technik verwiesen.
Das Radlager 1 weist eine Radnabe 2, zwei Reihen Wälzkörper 3, nämlich Kugeln, sowie einen Außenring 4 auf. Die geometrische Achse des Radlagers 1 ist mit A bezeichnet. Während eine Reihe Wälzkörper 3 direkt auf der Radnabe 2 abrollt, rollt die zweite Reihe an Wälzkörpern 3 auf einem gesonderten Innenring 5, allgemeiner als Lagerring bezeichnet, ab. Bei dem Innenring 5 handelt es sich um das gemäß 1 einer Wärmebehandlung unterzogene Wälzlagerteil. Am Innenring 5 liegt stirnseitig ein Wälznietbund 6 an, in welchem eine Stirnverzahnung 7 ausgebildet ist. Durch den Wälznietbund 6 ist somit der Innenring 5 auf der Radnabe 2 fixiert. Die Stirnverzahnung 7 ist zur Zusammenwirkung mit einer nicht dargestellten Gegenverzahnung vorgesehen und ermöglicht damit den Antrieb der Radnabe 2.
Der Wälznietbund 6 einschließlich der Stirnverzahnung 7 ist spanlos aus einem Niethals umgeformt, welcher vor der Umformung Teil der Radnabe 2 war. Durch den Wälznietvorgang, der einerseits den Innenring 5 auf der Radnabe 2 befestigt und andererseits die Stirnverzahnung 7 ausbildet, erfährt der Innenring 5 eine Aufweitung, die jedoch dank der oben beschriebenen Wärmehandlung lediglich zu geringen, problemlos erträglichen Spannungen im oberflächennahen Bereich des Innenrings 5 führt.
Bezugszeichenliste

1: Radlager
2: Radnabe
3: Wälzkörper, Kugel
4: Außenring
5: Wälzlagerteil, Lagerring, Innenring
6: Wälznietbund
7: Stirnverzahnung
A: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1774187 B1 [0002]
DE 102007044950 B3 [0003]
DE 102006030478 A1 [0011]
DE 102005009938 A1 [0012]
DE 102005016427 A1 [0012]
DE 102005018126 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 623 Teil 1 [0010]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wälzlagerteils (5), mit folgenden Merkmalen: a) das Wälzlagerteil (5) wird auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt, b) das Wälzlagerteil (5) wird auf eine Temperatur oberhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten, so dass die Bildung von bainitischem Gefüge einsetzt, c) die Umwandlung in bainitisches Gefüge wird durch Senkung der Temperatur des Wälzlagerteils (5) abgebrochen, so dass sich ein Restaustenitgehalt von 8 bis 20 %, eine Oberflächenhärte von mindestens 59 HRC, sowie eine Druckeigenspannung von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe von mindestens 100 µm einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Wärmebehandlung maximal 6 h beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Schritt c) nicht angelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Schritt c) nicht tiefgekühlt wird.
Wälzlagerteil (5) aus Stahl mit bainitischem Gefüge und einem Restaustenitgehalt von 8 bis 20 %, wobei Druckeigenspannungen von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe von mindestens 100 µm unter der Oberfläche vorliegen und die Oberflächenhärte mindestens 59 HRC beträgt.
Wälzlagerteil (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Gefügezusammensetzung über den gesamten Querschnitt einheitlich ist.
Wälzlagerteil (5) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus dem Werkstoff 100CrMn6 gefertigt ist.
Verwendung eines Wälzlagerteils (5) nach Anspruch 5 als Lagerring eines Radlagers (1).
Verwendung nach Anspruch 8, wobei das Radlager (1) eine durch spanlose Umformung ausgebildete Stirnverzahnung (7) aufweist.