DE102013211585A1

DE102013211585A1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils insbesondere einer Lageranordnung und Lageranordnung

Info

Publication number: DE102013211585A1
Application number: DE102013211585.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Straehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils insbesondere einer Lageranordnung, vorgeschlagen, mit den Schritten Bereitstellen des Metallbauteils aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl, und Oxidation einer Oberfläche des Metallbauteils zur Herstellung einer Oxid-Randschicht auf der Oberfläche. Erfindungsgemäß findet die Oxidation bei Temperaturen von über 400°C bis höchstens 570°C statt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils insbesondere einer Lageranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine nach diesem Verfahren hergestellte Lageranordnung.
Der Verschleiß von Wälzlagern insbesondere von Windkrafträdern stellt eine große Herausforderung für die Hersteller dar. Eine Zerstörung des Lagers kann hohe Reparaturkosten verursachen und ist beispielsweise bei Off-Shore Anlagen nur mühsam durchzuführen. Hinzu kommt die Gefahr eines unkrontrolliert laufenden Windrads. Große Aufwände werden gemacht, um Verschmutzungen des Schmiermittels zu überwachen und zu reingen.
Lageranordnungen bei denen Lagerbauteile aus Eisenwerkstoff mit einer verschleißfesten Oxidschicht versehen werden, sind z.B. aus der DE 10 2007 048750 A1 bekannt. Die Oxidschicht wird gemäß der genannten Schrift durch Brünieren des entsprechenden Bauteils in einem Brünierbad welches NAOH oder NANO₂ enthält bei Temperaturen von 85–140°C hergestellt. Alternativ kann das Bauteil mit einem Fluid belegt werden, welches eine Organe-Metall-Verbindung zur Bildung von Metalloxiden auf der Metalloberfläche enthält. Ziel ist jeweils die Ausbildung einer Fe₃O₄-Randschicht auf einer Verschleißbelasteten Fläche des Bauteils.
Der Erfindung liegt die Zielsetzung zugrunde, die Herstellung eines solchen Metallbauteils insbesondere einer Lageranordnugnen zu vereinfachen und kostengünstiger zu gestalten.
Dieses Ziel wird mit dem Herstellungsverfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
Dadurch dass bei der Oxidation einer Oberfläche eines Metallbauteils zur Herstellung einer Oxid-Randschicht auf der Oberfläche Temperaturen von über 400°C bis höchstens 570°C auf das Metallbauteil einwirken, kann der Anteil an Spinell-Oxid Fe₃0₄ (Magnetit), der die Oberfläche gut vor Verschleiß schützt, gegenüber dem mehr abrasiven rhombohedrische Oxid Fe₂0₃ (Hämatit) oder FeO in der Oxid-Randschicht erhöht werden. Dadurch lässt sich mit einem einfachen Erwärmungsvorgang eine qualitativ hochwertige Verschleißschutzschicht mit einem hohen Anteil an Fe₃0₄ darstellen.
Mit derartig behandelten Lagerbauteilen (z.B. Walzen oder Laufringen) lässt sich an typischen Verschleißstellen d.h. Kontaktstellen in Lagern die Verschleißneigung minimieren. Weitere Lagerbauteile die für die Erfindungsgemäße Behandlung in Frage kommen sind z.B. Lagerkugeln oder Lagerkegel oder Führungen oder Laufrillen oder Käfige.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Temperatur bei der Oxidation so gewählt, dass ein möglichst hoher Anteil an Spinell-Oxid Fe3O4 in der Oxid-Randschicht erzielt wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Temperatur bei der Oxidation so gewählt, dass ein möglichst geringer Anteil an rhomboedrischen Oxid Fe2O3 oder FeO in der Oxid-Randschicht erzielt wird.
Die dafür jeweils notwendige Temperatur kann vom Fachmann innerhalb des angegebenen Rahmens von 400°C bis höchstens 570°C experimentell ermittelt werden, indem z.B. nach einer erfolgten Wärmebehandlung die erzeugten Schichten analysiert werden. Die Analyse kann z.B. durch eine Massenspektrometrie oder durch eine Röntgenstrukturanalyse erfolgen.
Vorzugsweise wird aufgrund der Dauer und der Temperatur der Oxidation eine Schichtdicke der Oxidschicht von 0.01µm bis 1µm erzielt. Andere Schichtstärken sind ebenso möglich. Eine zu dicke Schicht läuft Gefahr, abzuplatzen. Eine zu dünne würde bei Abtrag metallische Flächen freilegen und den Adhäsionsverschleiß begünstigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Oxidation durch Durchführung eines Einlaufprogramms erzielt. Damit können auch große Bauteile, die in Wärmekammern schwierig zu handhaben sind, oxidiert werden.
Im Einlaufprogramm werden vorzugsweise durch Aufrauhen der Oberfläche Spitzen erzeugt, welche anschließend plastisch verformt werden, um an der Oberfläche Wärme zu generieren, vorzugsweise Temperaturen von über 400°C bis höchstens 570°C an der Oberfläche.
Besonders bevozugt ist es, eine untere Grenze für die Steigung der Spitzen der Oberfläche als Quotient einer Härte geteilt durch ein Elastizitätsmodul des Eisenwerkstoff zu ermitteln. So ist sichergestellt, dass die Fließgrenze des Eisenwerkstoffes überschritten wird.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Am Beispiel eines Wälzlagers in einer Windkraftanlage wird eine optimale Ausgestaltung einer technischen Oberfläche aus Stahl aufgezeigt.
Die Wälzlager sind typischerweise aus hartem Metall gefertigt, deren Komponenten sich in einem Schmiermittel bewegen. Die metallischen Komponenten werden herkömmlicher Weise oft unbeschichtet betrieben, damit ein Abwälzen möglich ist. Jedoch entstehen durch zunehmende Schlupfbewegungen direkte Metallkontakte, die zunehmenden Adhäsionsverschleiß mit Materialausbrüchen verursachen und schließlich das Wälzlager zum Ausfall bringen können. Diese Erfindung beschreibt nun eine einfache Möglichkeit, diesen unerwünschten Verschleiß zu reduzieren.
Es ist Tatsache, dass der Verschleiß durch die Oxidation der Metalloberfläche bestimmt wird. Oxidschichten haben zum einen den Vorteil, dass der Adhäsionsverschleiss reduziert wird, zum anderen aber können abrasive Teilchen durch abplatzende Partikel entstehen. Wie sich die Oberfläche verhält, entscheidet u.a. die ausgebildete Oxidschicht. In diesem Fall muss zumindest die Kontaktfläche mindestens eines der Partner mit einer etwa vorteilhaften 0.01µm bis 1µm dicken Fe₃0₄ Schicht versehen werden.
Andere Schichtstärken sind ebenso möglich. Eine zu dicke Schicht läuft Gefahr, ab zu platzen. Eine zu dünne würde bei Abtrag unter Umständen metallische Flächen freilegen und den Adhäsionsverschleiß begünstigen. Das Spinell-Oxid Fe₃0₄ (auch Magnetit genannt) schützt die Oberfläche stärker vor Verschleiß als z.B. das mehr abrasive rhombohedrische Oxid Fe₂0₃ (Hämatit).
Die Beschichtung kann durch eine gezielte Oxidation der Komponenten in einem sauerstoffhaltigen Medium geschehen oder in einer entsprechenden wässrigen Lösung. Dabei ist zu achten, dass die Temperaturen, in der die Oxidation stattfindet deutlich höher als 400°C aber geringer als etwa 570°C sind. Es muss dabei der Anteil von Fe₂0₃ und FeO so gering wie möglich gehalten werden. Im Zweifelsfall ist die optimale Temperatur experimentell zu ermitteln.
Eine weitere Möglichkeit zur Oxidschichtbildung besteht durch ein entsprechendes Einlaufprograrnm. Hierzu muss die Oberfläche aufgeraut werden, so dass sich Spitzen bilden, die sich plastisch verformen können. Je nach Ausgangstemperatur sind diese Spitzen bzw. deren Gradienten zu gestalten, so dass die Fließgrenze überschritten werden kann. Als Anhaltswert wird dazu die Härte durch das Elastizitätsmodul geteilt. Der Quotient ist die untere Grenze für die mittlere Spitzensteigung der Oberfläche.
Des Weiteren muss noch berücksichtigt werden, dass je nach Spitzensteigung bei plastischer Verformung auch entsprechende Temperaturen sich ausbilden können. Je nach Ausgangstemperatur müssen die Spitzen mehr oder weniger steil sein.
Durch die plastische Verformung entstehen sehr hohe Temperaturen in der Kontaktstelle, so dass dadurch eine Reaktion der Metalloberfläche (Fe-haltig) mit vorhandenem Sauerstoff stattfindet und sich ein Metalloxid abscheidet. Wichtig dabei ist, dass die Betriebsbedingungen während der plastischen Verformung über einen gewissen Zeitraum konstant bleiben, dass die Temperatur ein Niveau zwischen 400 und 570°C erreicht, damit sich bevorzugt Fe₃0₄ ausbilden kann.
Durch Verschleißexperimente und Vergleiche mit herkömmlichen Bauteilen, lässt sich der Unterschied nachweisen. Fe₃0₄ Schichten können mit Standardanalysemethoden – beispielsweise röntgenographisch – gemessen werden.
Die erfindungsgemäß oxidierten Metalloberflächen können insbesondere bei verschleißintesiven Kontaktstellen wie z.B. Wälzlager eingesetzt werden. Hier insbesondere zwischen Rollen und Führung eines Wälzlagers in einer Windkraftanlage.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007048750 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils insbesondere einer Lageranordnung, umfassend Bereitstellen des Metallbauteils aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl, Oxidation einer Oberfläche des Metallbauteils zur Herstellung einer Oxid-Randschicht auf der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation bei Temperaturen von über 400°C bis höchstens 570°C stattfindet.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Oxidation so gewählt ist, dass ein möglichst hoher Anteil an Spinell-Oxid Fe₃O₄ in der Oxid-Randschicht erzielt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Oxidation so gewählt ist, dass ein möglichst geringer Anteil an rhomboedrischen Oxid Fe₂O₃ in der Oxid-Randschicht erzielt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Dauer und der Temperatur der Oxidation eine Schichtdicke der Oxidschicht von 0.01µm bis 1µm erzielt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation in einem sauerstoffhaltigen Medium durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation die Durchführung eines Einlaufprogramms umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Einlaufprogramm durch Aufrauhen der Oberfläche Spitzen erzeugt werden, und dass die Spitzen plastisch verformt werden um an der Oberfläche Wärme zu generieren.
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die plastische Verformung an der Oberfläche Temperaturen von über 400°C bis höchstens 570°C erzielt werden
Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Grenze für die Steigung der Spitzen der Oberfläche als Quotient einer Härte durch ein Elastizitätsmodul des Eisenwerkstoff ermittelt wird.
Metallbauteils insbesondere einer Lageranordnung, – insbesondere eine Lagerkugel oder eine Lagerwalze oder ein Lagerkegel oder eine Führung oder ein Laufring oder eine Laufrille oder ein Käfig – welches nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.