DE102013213041A1 - A method of reducing white etching crack susceptibility of a bearing element - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Verfahren zur Verminderung einer White-Etching-Cracks-Anfälligkeit eines Lagerelements, bei dem es sich insbesondere um eine Schwenkwiege, um eine Lagerschale oder um einen Wälzkörper zwischen der Schwenkwiege und der Lagerschale handeln kann. Das Lagerelement hat hierbei einen Lagerwerkstoff, der über seine Lagerfläche mit einem anderen Lagerelement zum Übertragen von Lagerkräften in Kontakt bringbar ist. Hierbei ist insbesondere ein Wälzkontakt mit gegebenenfalls zusätzlichen Schlupfanteilen vorgesehen. Bei dem Verfahren wird der Lagerwerkstoff in einem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements wärmebehandelt. Durch die Wärmebehandlung wird in dem Lagerwerkstoff in diesem Bereich ein definierter Stickstoffgehalt durch Aufstickung eingestellt. Zusätzlich oder alternativ kann durch die Wärmebehandlung in dem Bereich eine vergleichsweise geringe Härte eingestellt werden. Des Weiteren ist ein Lagerelement offenbart, das mit dem aufgezeigten Verfahren hergestellt ist. Ferner ist eine Axialkolbenmaschine mit einem derartigen Lagerelement vorgesehen.A method is disclosed for reducing susceptibility to white etching cracks in a bearing element, which can in particular be a swivel cradle, a bearing shell or a rolling element between the swivel cradle and the bearing shell. The bearing element here has a bearing material that can be brought into contact via its bearing surface with another bearing element for the purpose of transmitting bearing forces. In particular, a rolling contact with possibly additional slip components is provided here. In the method, the bearing material is heat-treated in a region of the bearing element that is spaced apart from the bearing surface. As a result of the heat treatment, a defined nitrogen content is set in the bearing material in this area through nitrogenization. Additionally or alternatively, the heat treatment can set a comparatively low hardness in the area. Furthermore, a bearing element is disclosed which is produced using the method shown. Furthermore, an axial piston machine with such a bearing element is provided.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verminderung einer White-Etching-Crack (WEC)-Anfälligkeit eines Lagerelements. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Lagerelement und eine Axialkolbenmaschine mit einem derartigen Lagerelement. The invention is based on a method for reducing a white etching crack (WEC) susceptibility of a bearing element. Furthermore, the invention relates to a bearing element and an axial piston machine with such a bearing element.
Bei Lagerelementen beispielsweise im Automobilbereich (Radlager), in Getrieben von Windkraftanlagen, in Hydraulikmaschinen (Axialkolbenmaschinen, Einspritzpumpen) oder in der Schienentechnik (Eisenbahnschienen) werden seit etwa 15 Jahren Schädigungen durch sogenannte White-Etching-Cracks bewusst wahrgenommen. Derartige WECs sind beispielsweise in der Druckschrift
Die
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zur Verminderung einer WEC-Anfälligkeit eines Lagerelements und somit zur Steigerung einer Robustheit des Lagerelements zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber WECs robusteres Lagerelement zu schaffen. Außerdem soll mit der Erfindung eine Axialkolbenmaschine mit einer robusten Lagerung vorgesehen werden. In contrast, the invention has for its object to provide an alternative method for reducing a WEC susceptibility of a bearing element and thus to increase the robustness of the bearing element. Another object of the invention is to provide an over WECs more robust bearing element. In addition to be provided with a robust storage with the invention, an axial piston.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, hinsichtlich des Lagerelements gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 und hinsichtlich der Axialkolbenmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. This object is achieved in terms of the method according to the features of
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Other advantageous developments of the invention are the subject of further subclaims.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Verminderung einer White-Etching-Crack (WEC)-Anfälligkeit eines Lagerelements vorgesehen. Das Lagerelement hat hierbei einen Lagerwerkstoff und eine Lagerfläche, über die das Lagerelement mit einem anderen Element zum Übertragen von Lagerkräften in Kontakt bringbar ist, wobei es sich bei der Lagerfläche insbesondere um eine Wälzlagerfläche handelt, die einer Wälzbeanspruchung, gegebenenfalls mit zusätzlichen Schlupfanteilen, und anderen Betriebsbeanspruchungen, zum Beispiel Vibration, im Wälzkontakt ausgesetzt sein kann. Bei dem Verfahren wird der Lagerwerkstoff in einem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements wärmebehandelt. Durch die Wärmebehandlung wird in dem Lagerwerkstoff ein definierter Stickstoffgehalt durch Aufstickung eingestellt. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Wärmebehandlung eine für Wälzlagerelemente vergleichsweise geringe Härte von zum Beispiel 57 bis 61 HRC in dem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements eingestellt werden. Übliche Härten für Wälzlagerelemente betragen 60 bis 64 HRC.According to the invention, a method for reducing a white etching crack (WEC) susceptibility of a bearing element is provided. The bearing element in this case has a bearing material and a bearing surface, via which the bearing element can be brought into contact with another element for transmitting bearing forces, wherein the bearing surface is, in particular, a roller bearing surface which has a rolling load, optionally with additional slip portions, and others Operating stresses, such as vibration, may be exposed in rolling contact. In the method, the bearing material is heat-treated in a region of the bearing element which is at a distance from the bearing surface. By the heat treatment, a defined nitrogen content is set by nitriding in the bearing material. Alternatively or additionally, by means of the heat treatment, a hardness of, for example, 57 to 61 HRC, which is comparatively low for rolling bearing elements, can be set in the area of the bearing element which is spaced from the bearing surface. Typical hardnesses for rolling bearing elements are 60 to 64 HRC.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf eine gezielte Beeinflussung des atomaren Entstehungsmechanismus von WECs. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bei einem Einsatz der Lagerelemente, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden, eine Entstehung von WECs verhindert oder zumindest deutlich verzögert wird. Durch Verhindern oder Verzögern des Auftretens von WECs wird somit vorteilhafterweise die durch WEC-Schäden hervorgerufene Reduktion der Lebensdauer des Lagerelements verhindert oder vermindert. Weiterhin werden die Lebensdauern von Lagerelementen mit potentieller WEC-Gefährdung erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Lagerelemente reduziert. Die Einstellung einer vergleichsweise geringen Härte in dem Bereich unterhalb der Lagerfläche führt mit Vorteil zu einem günstigeren lokalen Plastifizierungsvermögen eines Atomgitters des Lagerwerkstoffs.The method according to the invention relates to a targeted influencing of the atomic formation mechanism of WECs. It has surprisingly been found that when using the bearing elements, which are treated by the method according to the invention, a formation of WECs is prevented or at least significantly delayed. Thus, by preventing or delaying the occurrence of WECs, the reduction in the life of the bearing member caused by WEC damage is advantageously prevented or reduced. Furthermore, the life of bearing elements with potential WEC risk increases and reduces the probability of failure of the bearing elements. The setting of a comparatively low hardness in the region below the bearing surface advantageously leads to a more favorable local plasticizing capability of an atomic lattice of the bearing material.
Es hat sich gezeigt, dass die Aufstickung einerseits und das Einstellen einer geringen Oberflächenhärte andererseits auch unabhängig voneinander einen Beitrag gegen das Auftreten von WECs bewirken können. Allerdings erfolgt überraschenderweise bei einer Kombination der Aufstickung mit dem Einstellen der geringeren Härte eine größere Wirkung gegen das Auftreten von WECs als eine jeweils einzelne Maßnahme. On the other hand, it has been found that, on the one hand, nitriding on the one hand and the setting of a low surface hardness, on the other hand, can independently of one another bring about a contribution against the occurrence of WECs. However, surprisingly, in a combination of the nitriding with the setting of the lower hardness occurs a greater effect against the occurrence of WECs as a single measure.
Als Lagerwerkstoff werden insbesondere Eisenwerkstoffe, wie beispielsweise Vergütungsstähle, Einsatzstähle, Nitrierstähle, Automatenstähle, nicht rostende Stähle, mikrolegierte Stähle, Stahl- und Eisenguss usw. in verschiedensten Gefügezuständen angesehen. As bearing material in particular iron materials, such as, for example, tempered steels, case hardened steels, nitriding steels, free cutting steels, stainless steels, microalloyed steels, steel and cast iron, etc., are considered in a wide variety of structural states.
Bei dem Lagerelement kann es sich um ein typisches Lagerbauteil, wie einen Wälzkörper oder einen Ring handeln oder um ein Bauelement, bei dem die Funktion einen Wälzkontakt, gegebenenfalls mit zusätzlichen Schlupfanteil, vorsieht wie beispielsweise Triebwellen, Nockenwellen oder Zahnräder. Als Lagerelement können auch endformnahe Vorfertigungsteile von Lagerelementen angesehen werden. The bearing element can be a typical bearing component, such as a rolling element or a ring, or a component in which the function provides rolling contact, optionally with additional slip component, such as drive shafts, camshafts or gears. As a bearing element also near-net prefabrication parts of bearing elements can be considered.
Bei der Aufstickung handelt es sich um eine thermochemische Behandlung zum Anreichern von Stickstoff.Nitrous oxide is a thermochemical treatment for nitrogen enrichment.
Erfindungsgemäß ist ein Lagerelement aus einem Lagerwerkstoff vorgesehen, das über seine Lagerfläche mit einem anderen Element zum Übertragen von Lagerkräften in Kontrakt bringbar ist. Der Lagerwerkstoff ist hierbei in einem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements wärmebehandelt. Bei der Wärmebehandlung ist in dem Lagerwerkstoff ein definierter Stickstoffgehalt durch Aufstickung eingestellt. Zusätzlich oder alternativ wird durch die Wärmebehandlung eine vergleichsweise geringe Härte in dem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements eingestellt.According to the invention, a bearing element is provided of a bearing material which can be brought into contract via its bearing surface with another element for transmitting bearing forces. The bearing material is in this case heat treated in a space spaced from the bearing surface area of the bearing element. In the heat treatment, a defined nitrogen content is set by nitriding in the bearing material. Additionally or alternatively, the heat treatment sets a comparatively low hardness in the area of the bearing element which is spaced from the bearing surface.
Bei dem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements handelt es sich vorzugsweise um den WEC-kritischen Lastbereich. Die Aufstickung erfolgt somit zumindest in diesem WEC-kritischen Lastbereich. Es ist denkbar, dass die Aufstickung auch in Bereichen des Lagerelements, die für die WEC-Bildung nicht kritisch sind, erfolgen kann. Des Weiteren ist denkbar, dass bei kleineren Lagerelementen die Aufstickung das gesamte Lagerelement betreffen kann.The area of the bearing element which is at a distance from the bearing surface is preferably the WEC-critical load range. The nitriding thus takes place at least in this WEC-critical load range. It is conceivable that the nitriding can also take place in areas of the bearing element which are not critical for the formation of WEC. Furthermore, it is conceivable that for smaller bearing elements, the nitriding may affect the entire bearing element.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Einstellung des Stickstoffgehaltes hinsichtlich Menge und Position derart, dass sich in dem Bereich des Lagerelements, der aufgestickt werden soll, gezielt Chromnitride und/oder andere Nitride als submikroskopische Teilchen innerhalb des Atomgitters des Lagerwerkstoffs beziehungsweise der Metallmatrix ausscheiden. In a further embodiment of the invention, the nitrogen content is adjusted in terms of quantity and position such that in the region of the bearing element which is to be embroidered, chromium nitrides and / or other nitrides selectively precipitate as submicroscopic particles within the atomic lattice of the bearing material or the metal matrix.
Vorzugsweise erfolgt die Anreicherung des Lagerelements mit Stickstoff durch Carbonitrieren innerhalb oder nachfolgend zu einem Aufkohlen des Lagerwerkstoffs oder durch bloße Aufstickung bei Verwendung eines Werkstoffes mit entsprechendem Kohlenstoffgehalt. Beim Aufkohlen wird das Lagerelement mit einem höheren Kohlenstoffgehalt versehen, wobei es sich bei dem Aufkohlen um ein thermochemisches Verfahren handelt. Wird der Kohlenstoff zusammen mit Stickstoff angereichert, so wird bei dem Aufkohlen von Carbonitrieren gesprochen. Preferably, the enrichment of the bearing element with nitrogen by carbonitriding occurs within or subsequent to a carburizing of the bearing material or by mere nitridation when using a material having a corresponding carbon content. When carburizing, the bearing element is provided with a higher carbon content, wherein the carburizing is a thermochemical process. If the carbon is enriched with nitrogen, carbonitriding is used in the carburizing process.
Bevorzugterweise erfolgt die Aufstickung des Lagerelements oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Lagerwerkstoffs in einer Stickstoff spendenden Atmosphäre, die entkohlend, aufkohlend oder kohlungsneutral ist. Dies wird auch als Gasaufstickung bezeichnet. Preferably, the nitriding of the bearing element takes place above the austenitizing temperature of the bearing material in a nitrogen-emitting atmosphere which is decarburizing, carburizing or carbon neutral. This is also called gas nitridation.
Alternativ ist denkbar, dass die Aufstickung des Lagerelements oberhalb der Austenitisierungstemperatur in Stickstoff spendenden Salzschmelzen erfolgt, die entkohlend, aufkohlend oder kohlungsneutral sind. Dies wird üblicherweise als Salzbadaufstickung bezeichnet. Alternatively, it is conceivable that the nitriding of the bearing element takes place above the austenitizing temperature in nitrogen-giving molten salts which are decarburizing, carburizing or carbon neutral. This is commonly referred to as Salzbadaufstickung.
Weiter alternativ ist denkbar, dass die Aufstickung des Lagerelements oberhalb der Austenitisierungstemperatur in einem Stickstoff spendenden Plasma erfolgt, das entkohlend, aufkohlend oder kohlungsneutral ist. Dies wird üblicherweise als Plasmaaufstickung bezeichnet. As a further alternative, it is conceivable that the nitriding of the bearing element takes place above the austenitizing temperature in a nitrogen-emitting plasma which is decarburizing, carburizing or carbon neutral. This is commonly referred to as plasma nitriding.
Mit Vorteil kann die Aufstickung des Lagerelements oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Lagerwerkstoffs vor einer Härtung oder Bainitisierung erfolgen. Advantageously, the nitriding of the bearing element can be carried out above the austenitizing temperature of the bearing material before hardening or bainitization.
Alternativ kann die Aufstickung des Lagerelements auch durch einen Nitrier- oder Nitrocarbrierprozess unterhalb der Austenitisierungstemperatur des Lagerwerkstoffs erfolgen. Nach einer derartigen Aufstickung kann eine Austenitisierung und daran anschließend eine Härtung oder eine Bainitisierung erfolgen. Alternatively, the nitriding of the bearing element can also take place by means of a nitriding or nitrocarburizing process below the austenitizing temperature of the bearing material. After such nitriding, austenitization may be carried out followed by hardening or bainitization.
Mit Vorteil liegt eine Härte beziehungsweise Oberflächenhärte der Lagerfläche des Lagerelements etwa im Bereich von 56 bis 62 HRC beziehungsweise dem gleichen Bereich einer vergleichbaren Härteskala. Vorzugsweise kann der Bereich auch kleiner gewählt sein und beispielsweise zwischen 56 bis 59,9 HRC eingestellt werden. Advantageously, a hardness or surface hardness of the bearing surface of the bearing element is approximately in the range of 56 to 62 HRC or the same range of a comparable hardness scale. Preferably, the range can also be selected to be smaller and set, for example, between 56 to 59.9 HRC.
Die Einstellung der Härte der Lagerfläche des Lagerelements erfolgt vorzugsweise ebenfalls durch eine Wärmebehandlung, wie beispielsweise Anlassen. The adjustment of the hardness of the bearing surface of the bearing element is preferably also carried out by a heat treatment, such as tempering.
Bei dem Lagerelement handelt es sich vorzugsweise um ein Wälzlagerelement eines Wälzlagers, wobei dann die Lagerfläche eine Wälzlagerfläche ist. Das Lagerelement kann ein Maschinenelement mit einer Wälzlagerfläche sein, an der unmittelbar Wälzkörper entlang rollen. Dabei können die Wälzkörper in einem weiteren Maschinenelement über ein Gleitlager gelagert sein. Ein Beispiel dafür ist ein hydrostatischer Radialkolbenmotor, bei dem rollen in Radialkolben gleitgelagert sind, die an einer äußeren Hubkurve entlang rollen. Die Wälzkörper können jedoch auch an dem weiteren Maschinenelement entlang rollen – dann wäre dieses Maschinenelement zugleich auch Lagerelement – oder in einem in dieses eingesetzten Lagerelement entlang rollen. Ein Beispiel für Letzteres wäre die Wälzlagerung der verstellbaren Schrägscheibe einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine. Dort können die Wälzkörper einerseits unmittelbar an der Schrägscheibe und andererseits an einer in das Gehäuse der Axialkolbenmaschine eingesetzten Lagerschale entlang rollen. Es können auch die Wälzkörper erfindungsgemäße Lagerelemente sein. Natürlich ist unter dem Begriff Lagerelement auch der Außenring oder der Innenring oder jeder einzelne Wälzkörper eines üblichen Wälzlagers zu verstehen. The bearing element is preferably a roller bearing element of a rolling bearing, in which case the bearing surface is a roller bearing surface. The bearing element may be a machine element with a rolling bearing surface, roll on the rolling elements directly along. In this case, the rolling elements in another machine element be stored over a plain bearing. An example of this is a hydrostatic radial piston engine in which rollers are slidably mounted in radial pistons that roll along an outer lift curve. However, the rolling elements can also roll along the further machine element - then this machine element would at the same time also be a bearing element - or roll along a bearing element inserted into it. An example of the latter would be the rolling bearing of the adjustable swash plate of a hydrostatic axial piston machine. There, the rolling elements can roll on the one hand directly on the swash plate and on the other hand on a bearing shell used in the housing of the axial piston. It can also be the rolling elements according to the invention bearing elements. Of course, the term bearing element and the outer ring or the inner ring or each individual rolling element of a conventional rolling bearing to understand.
Erfindungsgemäß ist eine Axialkolbenmaschine vorgesehen, die eine Schwenkwiege hat, die über Wälzkörper in einer Lagerschale gelagert ist. Die Schwenkwiege und/oder einer oder mehrere Wälzkörper und/oder die Lagerschale sind hierbei entsprechend dem erfindungsgemäßen Lagerelement ausgestaltet. Aufgrund der oder des behandelten Lagerelemente/Lagerelements ist eine derartige Axialkolbenmaschine äußerst wartungsarm und robust.According to the invention, an axial piston machine is provided, which has a pivoting cradle, which is mounted on rolling elements in a bearing shell. The pivoting cradle and / or one or more rolling elements and / or the bearing shell are in this case designed according to the bearing element according to the invention. Due to the or the treated bearing elements / bearing element such axial piston machine is extremely low maintenance and robust.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: In the following, a preferred embodiment of the invention is explained in more detail with reference to drawings. Show it:
Gemäß
In der Zylindertrommel
Die Schnittebene des Längsschnitts nach
Zwischen den Lagerelementen
Gemäß
Der WEC-kritische Lastbereich kann bei anderen Lagerelementen geometriebedingt in anderen Abständen zur Oberfläche des Wälzkontaktes vorliegen.The WEC critical load range may be present at other bearing elements at different distances to the surface of the rolling contact.
Gemäß
Zusätzlich oder alternativ zur Aufstickung kann in dem WEC-kritischen Lastbereich
Erfolgt eine Wärmebehandlung zumindest des WEC-kritischen Lastbereichs der Schwenkwiege
Offenbart ist ein Verfahren zur Verminderung einer White-Etching-Cracks-Anfälligkeit eines Lagerelements, bei dem es sich insbesondere um eine Schwenkwiege, um eine Lagerschale oder um einen Wälzkörper zwischen der Schwenkwiege und der Lagerschale handeln kann. Das Lagerelement hat hierbei einen Lagerwerkstoff, der über seine Lagerfläche mit einem anderen Lagerelement zum Übertragen von Lagerkräften in Kontakt bringbar ist. Hierbei ist insbesondere ein Wälzkontakt mit gegebenenfalls zusätzlichen Schlupfanteilen vorgesehen. Bei dem Verfahren wird der Lagerwerkstoff in einem zur Lagerfläche beabstandeten Bereich des Lagerelements wärmebehandelt. Durch die Wärmebehandlung wird in dem Lagerwerkstoff in diesem Bereich ein definierter Stickstoffgehalt durch Aufstickung eingestellt. Zusätzlich oder alternativ kann durch die Wärmebehandlung in dem Bereich eine vergleichsweise geringe Härte eingestellt werden. Disclosed is a method for reducing a white-etching cracks vulnerability of a bearing element, which may be in particular a pivoting cradle, a bearing shell or a rolling element between the pivoting cradle and the bearing shell. The bearing element in this case has a bearing material which can be brought over its bearing surface with another bearing element for transmitting bearing forces in contact. In this case, a rolling contact with optionally additional slip portions is provided in particular. In the method, the bearing material is heat-treated in a region of the bearing element which is at a distance from the bearing surface. Due to the heat treatment, a defined nitrogen content in the bearing material in this area is set by nitriding. Additionally or alternatively, a comparatively low hardness can be set by the heat treatment in the area.
Des Weiteren ist ein Lagerelement offenbart, das mit dem aufgezeigten Verfahren hergestellt ist. Ferner ist eine Axialkolbenmaschine mit einem derartigen Lagerelement vorgesehen.Furthermore, a bearing element is disclosed, which is produced by the indicated method. Furthermore, an axial piston machine is provided with such a bearing element.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2573195 A1 [0002, 0003] EP 2573195 A1 [0002, 0003]
- DE 3442391 C1 [0030] DE 3442391 C1 [0030]
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