DE102012208169A1 - Rolling bearing part and method for heat treatment of a rolling bearing part - Google Patents

Rolling bearing part and method for heat treatment of a rolling bearing part Download PDF

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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.A rolling bearing part (5) made of steel has bainitic structure and a retained austenite content of 8 to 20%, wherein residual compressive stresses of at least 100 MPa to a depth of at least 100 microns below the surface and the surface hardness is at least 59 HRC. The rolling bearing part (5) is subjected to a heat treatment with interrupted transformation and is designed in particular as a bearing ring of a wheel bearing with spur toothing.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Wälzlagerteil, insbesondere einen Lagerring, sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Wälzlagerteils und die Verwendung eines Wälzlagerteils.The invention relates to a rolling bearing part, in particular a bearing ring, and a method for heat treatment of a rolling bearing part and the use of a rolling bearing part.

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.From the EP 1 774 187 B1 is a designed for a rolling load carbonitriertes machine part is known, which is formed entirely of a steel with a martensitic structure, and which has under its surface to a depth of at least 40 microns residual compressive stresses of at least 300 MPa.

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.From the DE 10 2007 044 950 B3 For example, there is known a carbonitrided workpiece formed of a through-hardening steel, which has a core zone with a bainite structure as a main component. In a marginal zone of the workpiece is a mixed structure of martensite and bainite, wherein the volume fraction of martensite is at least 20%.

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.The invention has the object of hardening roller bearing parts made of steel, in particular bearing rings of wheel bearings, particularly efficient and to produce predestined for a rolling load material properties.

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.This object is achieved by a rolling bearing part and by a method for heat treatment of a rolling bearing part according to the respective independent claim. In the following explained in connection with the method embodiments and advantages of the invention apply mutatis mutandis to the rolling bearing part and vice versa.

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.The rolling bearing part is made of steel with a bainitic structure and a retained austenite content of 8 to 20%, with residual compressive stresses of at least 100 MPa to a depth of at least 100 microns below the surface and the surface hardness of at least 59 HRC, in particular at least 60 HRC. The structural composition of the heat-treated rolling bearing part is preferably the same over its entire cross-section.

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.The material properties mentioned are produced by first heating the rolling bearing part to the austenitizing temperature and then cooling it to a temperature above the martensite starting temperature and keeping it at that temperature, so that the formation of a bainitic structure begins. The transformation into bainitic structure is stopped before complete conversion by lowering the temperature of the rolling bearing part. This process of heat treatment is referred to as an interrupted isothermal transformation.

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. A chemical-thermal heat treatment of the rolling bearing part, such as nitriding or carbonitriding, is not provided. After the said steps of the heat treatment, preferably neither renewed heating (tempering) nor deep cooling of the rolling bearing part takes place.

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.The particular advantage of the method according to the invention is that the duration of the heat treatment is significantly shortened compared to conventional methods. In a preferred embodiment, the total process time is not more than six hours. Depending on the material used and the geometry of the component, even process times of less than three hours, for example a process time of only one hour, can be achieved.

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 .The short process time leads to an improved deformability of the rolling bearing part compared to a complete or even a stepped transformation. At the same time, the rolling bearing part has a very good rollover resistance and dirt resistance. The temperature resistance is at least 120 ° C after DIN 623 Part 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.The roller bearing part according to the invention is designed for example as a bearing ring, in particular inner ring, a wheel bearing. As state of the art in this context is exemplified DE 10 2006 030 478 A1 called.

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.In a preferred application, the rolling bearing part is a bearing ring of a wheel bearing, which has an end-face toothing, in particular a face toothing formed by chipless forming, wherein the bearing ring preferably directly adjoins a Wälznietbund, which has the face toothing on its side facing away from the bearing ring , Such wheel bearings are in principle, for example, from DE 10 2005 009 938 A1 , from the DE 10 2005 016 427 A1 , as well as from the DE 10 2005 018 126 A1 known.

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.Especially in these applications, that is to say in wheel bearings with toothing formed from a deformed neck neck, the internal compressive stresses in the rolling bearing part, namely bearing ring, in particular inner ring, have a particularly positive effect, as will be explained below:
By forming the Niethalses to form the spur gear while fixing the inner ring on the wheel hub, the inner ring is widened noticeably. Läge on the surface of the inner ring and in the near-surface Range no compressive residual stresses, so would arise by the widening of the inner ring in this area tensile stresses, which had an unfavorable effect on the strength and durability of the bearing. This undesirable effect is effectively counteracted by the residual compressive stresses in the edge zone of the bearing ring. The internal compressive stresses, which are in the range of at least 100 MPa for the mechanically unloaded bearing ring, ensure that even when the wheel bearing is assembled, that is to say when the bearing ring is expanded, still tolerable residual stresses, preferably only slight tensile stresses, in the edge zone of the bearing ring, which forms a raceway for rolling elements, typically balls or tapered rollers, are present.

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.The material of the rolling bearing part, in particular bearing ring, for example, 100Cr6 (W3) or 100CrMn6 (W4) into consideration. In general, the material from which the rolling bearing part is made is a hardenable steel.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Dabei zeigen:An embodiment of the invention will be described below with reference to figures. Showing:

1: in einem ZTU-Schaubild eine unterbrochene isotherme Umwandlung, 1 in a ZTU graph, a broken isothermal transformation,

2: in einer Schnittdarstellung ein Radlager mit Stirnverzahnung. 2 in a sectional view of a wheel bearing with spur toothing.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

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 1 In a ZTU diagram (time-temperature conversion), the method according to the invention (interrupted transformation) is illustrated. For comparison, two unclaimed variants, namely a stepped conversion and the complete conversion, in 1 located. According to this illustration, the workpiece, that is to say the roller bearing part, is cooled, starting from a temperature at least at the level of the austenitizing temperature of 840 ° C., to a temperature which is above the martensite starting temperature. At this temperature of 220 to 230 ° C, the austenitic structure is gradually transformed into bainitic structure. The conversion is deliberately interrupted by rapid cooling, so that sets a defined Restaustenitgehalt compared to a complete conversion, which is at least 8% and at most 20%. The according to 1 100CrMn6 (1.3520), alternatively 100Cr6 (1.3505), has a surface hardness of at least 59 HRC and residual compressive stresses of at least 100 MPa (absolute value) at a depth of up to at least 100 μm, treated by shortened isothermal treatment with discontinuous transformation.

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.In 2 is a total with the reference numeral 1 marked wheel bearing shown in principle known geometry. With regard to the structure and function of the wheel bearing 1 Reference is made to the above-cited prior art.

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.The wheel bearing 1 has a wheel hub 2 , two rows of rolling elements 3 , namely balls, as well as an outer ring 4 on. The geometric axis of the wheel bearing 1 is denoted by A. While a number of rolling elements 3 directly on the wheel hub 2 rolls off, rolls the second row of rolling elements 3 on a separate inner ring 5 , more commonly referred to as bearing ring, from. At the inner ring 5 it is the according to 1 a heat treatment subjected rolling bearing part. On the inner ring 5 is a Wälznietbund frontally 6 in which a spur toothing 7 is trained. Through the Wälznietbund 6 is thus the inner ring 5 on the wheel hub 2 fixed. The spur toothing 7 is intended to cooperate with a counter-toothing, not shown, and thus allows the drive of the wheel hub 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.The Wälznietbund 6 including the spur toothing 7 is formed without cutting from a Niethals, which before the forming part of the wheel hub 2 was. Through the Wälznietvorgang, on the one hand the inner ring 5 on the wheel hub 2 attached and on the other hand, the spur toothing 7 trains, learns the inner ring 5 an expansion, but thanks to the above-described heat treatment only too low, easily bearable tensions in the near-surface region of the inner ring 5 leads.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Radlager Wheel bearings
22
Radnabe wheel hub
33
Wälzkörper, Kugel Rolling element, ball
44
Außenring outer ring
55
Wälzlagerteil, Lagerring, Innenring Rolling bearing part, bearing ring, inner ring
66
Wälznietbund rolling rivet
77
Stirnverzahnung spur gearing
AA
Achse axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN 623 Teil 1 [0010] DIN 623 Part 1 [0010]

Claims (9)

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.Method for heat treatment of a rolling bearing part ( 5 ), having the following features: a) the rolling bearing part ( 5 ) is heated to the Austenitisierungstemperatur, b) the rolling bearing part ( 5 ) is cooled to a temperature above the Martenitstarttemperatur and maintained at this temperature, so that the formation of bainitic structure begins, c) the transformation into bainitic structure is by lowering the temperature of the rolling bearing part ( 5 ) so that a retained austenite content of 8 to 20%, a surface hardness of at least 59 HRC, and a compressive residual stress of at least 100 MPa to a depth of at least 100 μm are established. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Wärmebehandlung maximal 6 h beträgt.A method according to claim 1, characterized in that the duration of the heat treatment is a maximum of 6 h. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Schritt c) nicht angelassen wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the workpiece after step c) is not started. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Schritt c) nicht tiefgekühlt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the workpiece after step c) is not deep-frozen. 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.Rolling bearing part ( 5 ) made of steel with bainitic structure and a retained austenite content of 8 to 20%, wherein residual compressive stresses of at least 100 MPa to a depth of at least 100 microns below the surface and the surface hardness is at least 59 HRC. Wälzlagerteil (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Gefügezusammensetzung über den gesamten Querschnitt einheitlich ist.Rolling bearing part ( 5 ) according to claim 5, characterized in that its structural composition over the entire cross-section is uniform. Wälzlagerteil (5) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus dem Werkstoff 100CrMn6 gefertigt ist. Rolling bearing part ( 5 ) according to claim 5 or 6, characterized in that this is made of the material 100CrMn6. Verwendung eines Wälzlagerteils (5) nach Anspruch 5 als Lagerring eines Radlagers (1).Use of a roller bearing part ( 5 ) according to claim 5 as a bearing ring of a wheel bearing ( 1 ). Verwendung nach Anspruch 8, wobei das Radlager (1) eine durch spanlose Umformung ausgebildete Stirnverzahnung (7) aufweist.Use according to claim 8, wherein the wheel bearing ( 1 ) formed by non-cutting forming spur toothing ( 7 ) having.
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