DE102015204656A1

DE102015204656A1 - Schichtbildung für Wälzlagerkomponenten

Info

Publication number: DE102015204656A1
Application number: DE102015204656.7A
Authority: DE
Inventors: Christof Guzy
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-09-22

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements für ein Wälzlager, wobei das Lagerelement zumindest in einem Teilbereich eine veränderte Materialschichtung (M) aufweist und wobei die Materialschichtherstellung folgende Schritte umfasst: a) Ausbilden einer ersten thermochemisch veränderten Materialschicht (A) zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements mittels Carbonitrieren (1); und b) Ausbilden einer zweiten thermochemisch veränderten Materialschicht (B) zumindest in dem carbonitrierten Teilbereich des Lagerelements mittels Nitrocarburieren (2) sowie ein derartig hergestelltes Lagerelement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements für ein Wälzlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein derartig hergestelltes Lagerelement.
Wälzlagerelemente, die einer erhöhten Oberflächenbelastung ausgesetzt sind, werden üblicherweise aus möglichst widerstandsfähigen Stahlsorten oder besonders harten Legierungen hergestellt.
Alternativ werden als Ausgangsmaterial auch qualitativ minderwertige Stahlsorten verwendet, wie beispielsweise unlegierte oder niedrig legierte Stähle, bei denen dann jedoch der Randbereich gehärtet oder mit einer Beschichtung versehen werden muss. Dabei können insbesondere thermochemische Wärmebehandlungsverfahren verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene thermochemische Wärmebehandlungsverfahren für Lagerelemente bekannt, mit denen bestimmte Eigenschaften, wie beispielsweise Härte, Zähigkeit und Zugfestigkeit, in den Randbereichen der Lagerelemente verändert werden können. Zu den thermochemischen Wärmebehandlungsverfahren zählen unter anderem das Carbonitrieren oder das Nitrocarburieren. Mit Hilfe des Carbonitrierens lässt sich der Randbereich niedrig legierter oder unlegierter Stähle thermochemisch verändern, während das Nitrocarburieren für die thermochemische Behandlung legierter Stähle verwendet wird.
Beim Carbonitrieren wird der Randbereich der Lagerelemente gleichzeitig mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert, wobei der Kohlenstoffanteil im Vergleich zum Stickstoffanteil größer ist. Dadurch können als Ausgangsmaterial niedrig legierte oder unlegierte Stähle verwendet werden, bei denen der Kohlenstoffgehalt normalerweise unter 0,2 % liegt.
Nachteilig am Carbonitrierverfahren ist jedoch, dass die thermochemische Behandlung beispielsweise von Lagerelementen aus Stahl über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen erfolgt. Dieser Umstand kann dazu führen, dass die Mikrostruktur des Stahls gröber wird, wodurch eine Rissbildung in den Lagerelementen hervorgerufen werden kann. Des Weiteren kann durch das Carbonitrieren Restaustenit in der Mikrostruktur des Stahls gebildet werden, das zu einer erhöhten Maßabweichung des Lagerelements über die Zeit führt.
Beim Nitrocarburieren wird der Randbereich der Lagerelemente infolge thermochemischer Diffusion mit Stickstoff-, Kohlenstoff- und in geringem Maße auch mit Sauerstoffatomen angereichert. Bei diesem Verfahren ist der Stickstoffanteil im Vergleich zum Kohlenstoffanteil größer. Durch die höhere Anreicherung von Stickstoff kann ein sehr harter Randbereich des Lagerelements realisiert werden. Die Härte entsteht durch im Metallgitter eingelagerte Nitride. Das Nitrocarburieren dient hauptsächlich dem Zweck, den Verschleißwiderstand und die Dauerfestigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig kann ein Korrosionsschutz der Lagerelemente erreicht werden. Des Weiteren bewirken die beim Nitrocarburierverfahren verhältnismäßig niedrigen Prozesstemperaturen einen nur äußerst geringen Verzug der Lagerelemente.
Nachteilig am Nitrocarburieren ist jedoch, dass das Nitrocarburieren nur bei legierten Stählen sinnvoll eingesetzt werden kann. Bei der Verwendung von unlegierten oder niedrig legierten Stählen ist eine Härtesteigerung meist nur sehr gering, und es kann sich eine spröde, zum Abplatzen neigende Nitrierschicht bilden.
Alternativ können die Lagerelemente auch PVD (Physical Vapour Deposition) beschichtet werden, um der Oberfläche eine höhere Härte und Beständigkeit zu verleihen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostenintensives und aufwendig. Außerdem ist bekannt, Wälzlagerelemente bei großer Beanspruchung aus Keramikmaterialien zu fertigen, allerdings sind diese vergleichsweise teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Lagerelement mit einem verbesserten Verschleiß- und Festigkeitsverhalten sowie einer höheren Lebensdauer bei gleichzeitig geringeren Kosten herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements für ein Wälzlager gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Lagerelement gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements für ein Wälzlager vorgestellt, wobei das Lagerelement zumindest in einem Teilbereich eine veränderte Materialschichtung aufweist, die mittels der folgenden Schritte ausgebildet ist. Dabei wird für das Ausbilden der Materialschichtung in einem ersten Schritt zumindest der Teilbereich des Lagerelements einem Carbonitrierverfahren unterzogen. In einem zweiten, sich anschließenden Schritt wird zumindest der carbonitrierte Teilbereich des Lagerelements einem Nitrocarburierverfahren unterzogen. Dadurch bilden sich eine erste carbonitrierte Materialschicht mit einer auf dieser ausgebildeten nitrocarburierten zweiten Materialschicht aus.
Da beim Carbonitrieren Kohlenstoff und Stickstoff zumindest in den Teilbereich des Lagerelements eindiffundieren, können aufgrund der Einlagerung des Kohlenstoffs auch niedrig legierte oder unlegierte Stähle als Ausgangsmaterial verwendet werden. Die Kohlenstoffeinlagerung sorgt in dem niedrig legierten oder unlegierten Ausgangsmaterial während des sich anschließenden Nitrocarburierschrittes dafür, dass sich die carbonitrierte Materialschicht wie ein legierter Stahl verhält. Die Einlagerung des Stickstoffs beim Nitrocarburieren bewirkt zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements eine weitere Härtung, was dem Lagerelement einen hohen Verschleißwiderstand und eine verbesserte Dauerfestigkeit verleiht, auch wenn ein kostengünstiges Ausgangmaterial verwendet wird. Des Weiteren kann durch das Nitrocarburieren ein Korrosionsschutz in dem thermochemisch veränderten Teilbereich bereitgestellt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Lagerelement realisiert werden, das zumindest in dem Teilbereich einen sehr harten und verschleißfesten Randbereich aufweist, bei einem gleichzeitig weichen und zähen Kern, wobei unlegierte oder niedrig legierte Stähle als Ausgangsmaterialien verwendbar sind. Die Diffusion von Kohlen-, Stick- und Sauerstoff erfolgt zumindest in dem Teilbereich von einer Außenoberfläche des Randbereichs in Richtung Kern des Lagerelements, wodurch ein spezifischer Gradient der angereicherten Komponenten ausgebildet wird, die mit zunehmenden Abstand von der Außenoberfläche in Richtung Kern hin abnehmen.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Ausbildung einer hohen thermochemisch veränderten Gesamtschichtdicke zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements, die sich infolge des Carbonitrierens als ersten Verfahrensschritt ergibt. Die thermochemisch veränderte Gesamtschichtdicke erstreckt sich zumindest von der Außenoberfläche in Richtung Kern des Lagerelements. Dabei erstreckt sich diese Gesamtschichtdicke bis zu dem Punkt, an dem die Härte bzw. die Anreicherung der Komponenten einen definierten Grenzwert unterschreitet.
Beim Nitrocarburieren ist der Stickstoffanteil im Vergleich zum Kohlenstoffanteil größer, wobei der Kohlenstoff in eine äußere Verbindungsschicht diffundiert, die dadurch sehr verschleiß- und korrosionsbeständig wird. Der Stickstoff dagegen bildet eine innere Diffusionsschicht, welche die Dauerfestigkeit des Lagerelements erhöhen kann. Das Nitrocarburieren erfordert vorteilhafter Weise keine nachgelagerten Bearbeitungsschritte, wodurch wiederum Kosten, Material und Werkzeugbeanspruchung eingespart werden kann.
Ein weiterer Vorteil des Nitrocarburierens ist, dass neben der gewünschten Härte zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements auch ein geringer Verzug realisiert werden kann, da das Nitrocarburieren bei vergleichsweise geringen Temperaturen durchgeführt wird, so dass bei einem sich anschließenden Kühlschritt der Temperaturunterschied nicht so groß ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das Carbonitrieren bei einer Temperatur von mindestens 750 °C bis 950 °C, vorzugsweise von mindestens 800 °C bis 900 °C, noch mehr bevorzugt von mindestens 850 °C bis 870 °C und/oder bei einer Dauer von mindestens 3 Stunden, vorzugsweise von mindestens 4 Stunden. Alternativ oder zusätzlich kann dabei ein Kohlenstoffpegel von mindestens 0,5 %, vorzugsweise von mindestens 1 %, eingestellt werden. Dabei ist besonders bevorzugt, dass der Kohlenstoffpegel bei einer Temperatur von ungefähr 800 °C ungefähr 0,85 %, bei einer Temperatur von ungefähr 900 °C ungefähr 1,1 % und bei einer Temperatur von ungefähr 950 °C ungefähr 1,3 % beträgt. Eine Ammoniakzugabe, wobei der Ammoniak als Stickstoffquelle dient, erfolgt dabei mit einem Volumenstrahl des Ammoniaks von mindestens 2 %, vorzugsweise von mindestens 5 %, der Gesamtbegasungsrate. Durch diese Parameter kann zumindest der Teilbereich des Lagerelements besonders vorteilhaft gehärtet werden.
In dem vorgestellten Verfahren erfolgt die Kohlenstoff- und/oder die Stickstoffanreicherung in dem Teilbereich des Lagerelements während des Carbonitrierens in Abhängigkeit von der ausgewählten Stahlsorte.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt erfolgt im Anschluss an das Carbonitrieren ein Härten und/oder ein Anlassen des Lagerelements. Ein kombiniertes Wärmebehandlungsverfahren von Härten mit dem sich anschließenden Anlassen wird im Folgenden als Vergüten bezeichnet. Durch das Vergüten können Unterschiede zumindest in dem Teilbereich zwischen der Härte im Kern und der Härte in dem Randbereich des Lagerelements ausgeglichen werden. Dadurch kann das Lagerelement beispielsweise in einen Zustand mit hohen Zähigkeitseigenschaften, hoher Dauerschwingfestigkeit bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit beziehungsweise Härte versetzt werden.
Des Weiteren kann in einem zusätzlichen Verfahrensschritt im direkten Anschluss an das Carbonitrieren, das heißt vor dem Vergüten, insbesondere vor dem Härten, ein vorzugsweise stufenweises Abkühlen auf ungefähr 500 °C bis 600 °C, vorzugsweise auf ungefähr 550 °C, erfolgen. Dadurch kann eine Rissbildung verhindert werden.
Durch den Härteprozess kann die Härte und Festigkeit des Lagerelements gegenüber mechanischen Beanspruchungen, beispielsweise gegenüber statischen und dynamischen Verformungen durch Zug, Druck, Biegung oder Verschleiß verbessert werden. Des Weiteren erhält der Kern durch das Härten eine erhöhte Festigkeit. Das Härten selbst kann mit den für den Fachmann bekannten Härteverfahren erfolgen, beispielsweise mittels Presshärten.
Gemäß dem vorgestellten Verfahren wird das Lagerelement bei einer Temperatur von ungefähr 800 °C bis 900 °C, vorzugsweise von ungefähr 850 °C bis 870 °C, gehärtet, um eine gewünschte Austenitisierung des Lagerelements durchführen zu können.
Nach der erreichten Austenitisierung erfolgt vorzugsweise ein Abschrecken beispielsweise in Öl oder Salz. Vorteilhafter Weise werden die abgeschreckten Lagerelemente nachgekühlt, wobei das Nachkühlen bevorzugt unmittelbar nach dem Abschrecken vorzugsweise im Wasser bei einer Temperatur von ungefähr 0 °C bis 15°C, vorzugsweise von ungefähr 5 °C bis 10 °C, erfolgt. Alternativ können die abgeschreckten Lagerelemente im Salzbad abgekühlt werden, wobei die Lagerelemente zuerst auf eine Temperatur von weniger als ungefähr 100 °C, insbesondere weniger als ungefähr 70 °C, beispielsweise mit Luftgebläse gekühlt werden.
Durch das sich anschließende Anlassen kann unter anderem die Zähigkeit des gehärteten Lagerelements verbessert werden, da das Lagerelement nach dem Härten einerseits zwar eine sehr hohe Härte aufweist, andererseits aber gleichzeitig sehr spröde sein kann. Infolge des Anlassens kann die Härte des Lagerelements je nach Anforderungen und Verwendungszweck verringert und eine gewünschte Zähigkeit erreicht werden.
Gemäß dem vorgestellten Verfahren erfolgt das Anlassen bei einer Temperatur von ungefähr 150 °C bis 250 °C, vorzugsweise von ungefähr 170 °C bis 220 °C und/oder bei einer Dauer von ungefähr 1 bis 5 Stunden, vorzugsweise von ungefähr 2 bis 4 Stunden.
Um optimale mechanische Eigenschaften des Lagerelements zu erhalten, kann das Anlassen auch mehrmals nacheinander erfolgen.
In einem vorteilhaften Verfahrensschritt erfolgt im Anschluss an das Härten und/oder an das Anlassen ein mechanischer Bearbeitungsschritt. Dabei kann das Lagerelement mit den für den Fachmann bekannten mechanischen Bearbeitungsmethoden, wie zum Beispiel mittels Drehen, Schleifen und/oder Hohnen, auf die gewünschten Fertigungsmaße bearbeitet werden, wobei nach dem mechanischen Bearbeitungsschritt eine Schichtdicke von mindestens 150 µm, vorzugsweise von mindestens 170 µm, zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements verbleiben sollte, um eine weitere Bearbeitung des Lagerelements zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß schließt sich an den Carbonitrierschritt das Nitrocarburieren an, wobei das Nitrocarburieren in Gas, im Plasma oder im Salzbad, vorzugsweise im Plasma oder im Salzbad, erfolgen kann. Das Nitrocarburieren kann im direkten Anschluss an das Carbonitrieren erfolgen oder alternativ im Anschluss an das Vergüten oder im Anschluss an den mechanischen Berabeitungsschritt.
Vorteilhafter Weise liegen die Lagerelemente vor dem Nitrocarburieren gewaschen vor. Dadurch kann eine rückstandlose und saubere Außenoberfläche für den Nitrocarburierprozess bereitgestellt werden und eine Nachbearbeitung der Lagerelemente vermieden werden.
Das Gasnitrocarburieren wird vorzugsweise in einer ammoniak- und kohlenwasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Die Temperatur beträgt dabei ungefähr 500 °C bis 650 °C, vorzugsweise ungefähr 560 °C bis 590 °C. Durch die jeweilige Zusammenstellung der Parameter, wie zum Beispiel Haltedauer, Temperatur und Gasvolumen können die gewünschten Eigenschaften, beispielsweise bezüglich Härte oder Schichtdicke des Lagerelements, eingestellt werden. Ein Vorteil des Gasnitrocarburierens liegt beispielsweise in der Reduktion der Reaktionsbereitschaft mit umgebenden reaktiven Mitteln.
Das Lagerelement wird nach dem Gasnitrocarburieren vorteilhafterweise gekühlt, wobei die Kühlung in der Luft oder im Wasser stattfinden kann. Vorzugsweise wird das thermochemisch behandelte Lagerelement in einer oxidierenden Atmosphäre gekühlt, beispielsweise in Luft, da so die Korrosionsbeständigkeit erhöht werden kann. Wird das Lagerelement dagegen in Wasser gekühlt, so wird es bei ungefähr 150 °C bis 250 °C, vorzugsweise bei ungefähr 200 °C und/oder für ungefähr 0,5 bis 2 Stunden, vorzugsweise für ungefähr 1 Stunde angelassen, um eine Rissbildung zu vermeiden.
Alternativ kann ein Salzbadnitrocarburieren erfolgen. Zu den Vorteilen des Nitrocarburierens im Salzbad zählen beispielsweise die Flexibilität und Anlagenverfügbarkeit sowie die vergleichsweise kurzen Prozesszeiten. Des Weiteren zeichnet sich das Nitrocarburieren im Salzbad zumindest bei einer Teilbeschichtung des Lagerelements durch eine weitgehende Unempfindlichkeit hinsichtlich eventuell ausgebildeter Passivschichten aus, die sich an der Luft ausbilden können und vor allem aus Oxiden eventuell vorhandener Zusatzmetalle, wie beispielsweise Chrom oder Nickel, bestehen. Unter der Teilbeschichtung im Rahmen der Erfindung ist das Ausbilden der zweiten thermochemisch veränderten Materialschicht in zumindest dem Teilbereich des Lagerelements zu verstehen, in dem keine erste thermochemisch veränderte Materialschicht vorliegt, beispielsweise durch ein vorheriges Abkleben. Dadurch kann beispielsweise auch bei diesem teilbeschichteten Bereich ein Korrosionsschutz gewährleistet werden.
Vorzugsweise findet das Nitrocarburieren im Salzbad in einem Temperaturbereich von ungefähr 500 °C bis 600 °C, vorzugsweise von ungefähr 570 °C bis 580 °C, statt. Die Haltedauer wird dabei dem Volumen und der Form des jeweiligen Lagerelements angepasst. Vorteilhafter Weise wird das thermochemisch behandelte Lagerelement nach dem Nitrocarburieren im Salzbad rückstandsfrei gewaschen. Dadurch ist das thermochemisch behandelte Lagerelement nach dem Nitrocarburieren sofort einsatzbereit. Ein sich anschließendes Nachbearbeiten entfällt, wodurch wiederum Kosten und Material eingespart werden können.
Alternativ kann das Nitrocarburieren auch im Plasma erfolgen. Dabei erfolgt das Plasmanitrocarburieren bei einer Temperatur von ungefähr 300 °C bis 650 °C, vorzugsweise von ungefähr 350 °C bis 600 °C. Durch diese vergleichsweise geringen Temperaturen sowie durch die kürzere Haltedauer kann ein Verzug deutlich verringert werden. Das Plasmanitrocarburieren hat weiterhin den Vorteil, dass zumindest der Teilbereich des Lagerelements im Anschluss an das Verfahren sofort sehr sauber zur Verfügung steht, was eine sofortige sich anschließende Montage ermöglichen kann.
In dem vorgestellten Verfahren erfolgt die Kohlenstoff- und/oder die Stickstoffanreicherung in dem carbonitrierten Teilbereich des Lagerelements während des Nitrocarburierens in Abhängigkeit von der ausgewählten Stahlsorte.
Vorteilhafter Weise können während des Nitrocarburierens gleichzeitig Sauerstoffatome in dem Teilbereich des Lagerelements angereichert werden. Dadurch kann der Korrosionswiderstand des Lagerelements deutlich verbessert werden.
Mit Hilfe des vorgestellten Verfahrens wird zumindest in dem carbonitrierten Teilbereich des Lagerelements während des Nitrocarburierens je nach Verwendungszweck eine weitere Schichtdicke von mindestens 1 µm, vorzugsweise von mindestens 3 µm generiert. Es ist aber auch möglich größere Schichtdicken, beispielsweise von ungefähr 20 µm bis ungefähr 100 µm, oder sogar noch größer in dem carbonitrierten Teilbereich auszubilden. Selbstverständlich ist die durch das Nitrocarburieren erzeugte Schichtdicke geringer als die durch das Carbonitrieren erzeugte Schichtdicke. Dabei erstreckt sich die durch das Nitrocarburieren erzeugte Schichtdicke von der Außenoberfläche in Richtung Kern des Lagerelements, bis zu dem Punkt, an dem die Härte bzw. die Anreicherung der Komponenten einen definierten Grenzwert unterschreitet. Die zweite thermochemisch veränderte Materialschicht bildet sich vorzugsweise in einem Außenbereich der ersten thermochemisch veränderten Materialschicht aus.
Vorzugsweise wird durch das erfinderische Verfahren eine zweite thermochemisch veränderte Materialschicht zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements mit einer Oberflächenhärte bis ungefähr 1400 HV ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt im Anschluss an den Verfahrensschritt des Nitrocarburierens ein Brünieren zumindest des thermochemisch behandelten Teilbereichs des Lagerelements. Durch das Brünieren kann eine weitere Schutzschicht auf der Außenoberfläche der Lagerelemente ausgebildet werden, wodurch ein Verschleiß insbesondere bei einem ersten Anlaufen eines Lagers minimiert werden kann. Dadurch kann die Lebensdauer der Lagerelemente und des gesamten Lagers verlängert werden kann. Des Weiteren kann die Brünierschicht als Diffusionsbarriere für Wasserstoff wirken, der sich gegebenenfalls aus einem Schmierstoff bildet. Dadurch kann der Einfluss chemischer Substanzen, beispielsweise durch den Schmierstoff und dessen Additiven vermindert werden. Außerdem kann der Zusatz von Schmierstoffen selbst reduziert werden. Die Brünierschicht kann jedoch auch als zusätzlicher Korrosionsschutz fungieren.
Das Brünieren des Lagerelements erfolgt beispielsweise in einer alkalischen und/oder in einer oxidationsmittelhaltigen und/oder in einer sauren Lösung, vorzugsweise in alkalischer und/oder in einer oxidationsmittelhaltigen Lösung und/oder bei einer Temperatur unter ungefähr 200 °C, vorzugsweise unter ungefähr 150 °C. Dabei ist weiterhin bevorzugt, dass die Temperatur während des Brünierens niedriger als die Anlasstemperatur ist. Das Brünieren kann dabei als Einbad-, Zweibad- oder Dreibadbrünieren, vorzugsweise mindestens als Zweibadbrünieren, erfolgen, je nach gewünschtem Schutz. Bei der Zwei- und Dreibadbrünierung erfolgt der zweite und dritte Tauchvorgang jeweils in getrennten Brünierbädern. Zwischen den Brünierschritten kann das Lagerelement in Wasser, vorzugsweise in kaltem Wasser, zwischengespült werden. Zudem kann das Lagerelement mehrmals brüniert werden, um eine besonders gute Schutzschicht auszubilden.
Durch das Brünieren wird eine Brünierschicht von mindestens 0,5 µm, vorzugsweise von mindestens 1 µm, bereitgestellt. Die Schichtdicke der Brünierschicht ist vorzugsweise jedoch nicht größer als ungefähr 1,5 µm. Durch die geringe Dicke der Brünierschicht kann das Lagerelement maßhaltig bleiben. Ein weiterer Vorteil des Brünierens ist, dass die Brünierschicht weitgehend biege- und abriebfest sowie im zu erwartenden Betriebstemperaturbereich temperaturbeständig ist. Des Weiteren gilt dieses Verfahren als sehr umweltfreundlich, da alle Restbestände recycelt werden können.
Vor dem Brünieren kann das Lagerelement entfettet werden, um eine für das Brünieren metallisch reine Oberfläche bereitzustellen, da die chemische Wirkung der Brünierbäder durch eine beispielsweise vorhandene Öl- oder Fettschicht verzögert oder verhindert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Entfetten optional ein Beizen des Lagerelements erfolgen, um eventuelle anorganische Schichten, wie beispielsweise Korrosions- oder Anlaufschichten vor dem Brüniervorgang zu entfernen.
Im Anschluss an das Brünieren kann ein Spülvorgang vorzugsweise mit Wasser erfolgen, um ein späteres Auskristallisieren des Brüniersalzes auf der Lagerelementoberfläche zu verhindern.
Ein weiterer Aspekt vorliegender Erfindung betrifft ein Lagerelement insbesondere ein metallhaltiges Lagerelement wie beispielsweise einen Lagerring, einen Wälzkörper, einen Winkelring, eine Bordscheibe und/oder einen Wälzkäfig für ein Wälzlager, wobei das Lagerelement mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist und zumindest einen Teilbereich mit einer veränderten Materialschichtung aufweist. Dabei ist die Materialschichtung vorzugsweise in einem Randbereich des Lagerelements ausgebildet, wobei der Randbereich als der Bereich definiert ist, der sich von einer Außenoberfläche in Richtung Kern des Lagerelements erstreckt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erste carbonitrierte Materialschicht des Lagerelements eine Schichtdicke von mindestens 150 µm, vorzugsweise von mindestens 350 µm, auf. Durch das Carbonitrieren kann zumindest in dem Teilbereich eine große Schichtdicke, und damit eine Härtung über einen großen Randbereich, bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die nitrocarburierte Materialschicht des Lagerelements eine Schichtdicke von mindestens 1 µm, vorzugsweise von mindestens 3 µm auf. Es ist aber auch möglich größere Schichtdicken, beispielsweise von ungefähr 20 µm bis ungefähr 100 µm, oder sogar noch größer in dem carbonitrierten Teilbereich auszubilden. Dabei ist die durch das Nitrocarburieren erzeugte Schichtdicke jedoch geringer als die durch das Carbonitrieren erzeugte Schichtdicke. Durch das Nitrocarburieren kann vorteilhafter Weise zumindest in dem thermochemisch veränderten Teilbereich des Lagerelements ein sehr harter Randbereich mit hoher Verschleißfestigkeit und einem Korrosionsschutz bereitgestellt werden.
Vorteilhafter Weise weist zumindest der die thermochemisch veränderte Materialschichtung aufweisende Teilbereich eine Brünierschicht von mindestens. 0,5 µm, vorzugsweise von mindestens 1,0 µm, auf. Dabei befindet sich die Brünierschicht vorzugsweise auf der Außenoberfläche des die thermochemisch veränderte Materialschichtung aufweisenden Teilbereichs des Lagerelements. Dadurch kann das erfindungsgemäß hergestellte Lagerelement eine zusätzliche Schutzschicht erhalten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind dabei rein exemplarischer Natur und sollen nicht den Schutzbereich der Anmeldung festlegen. Dieser wird allein durch die Patentansprüche definiert.
Es zeigen:
1: eine schematische Querschnittsansicht eines Lagers mit einem erfindungsgemäß hergestellten Lagerinnenring und Lageraußenring
2: ein Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Schrägkugellager 1 mit einem Lagerinnenring 2, einem Lageraußenring 4, einem Wälzkörperkäfig 6 sowie einer Kugel als Wälzkörper 8. Wie in der 1 weiterhin dargestellt, weisen die Lagerringe 2, 4 in einem Randbereich 10, der sich von einer Oberfläche 12 in Richtung Kern 14 erstreckt, eine Materialschichtung M auf. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Materialschichtung M zumindest zwei thermochemisch veränderte Materialschichten A und B, die mit dem erfinderfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden. Dabei wurde die Schicht A mittels Carbonitrieren und die Schicht B mittels Nitrocarburieren hergestellt. Des Weiteren umfasst die Materialschichtung M eine Brünierschicht C:
Statt wie in 1 gezeigt, kann die Materialschichtung M auch nur in einem Teilbereich, beispielsweise im Bereich der Lauffläche 16 der Lagerringe 2; 4 ausgebildet sein. Andere Bereiche der Lagerringe 2; 4 können beispielsweise während des Carbonitrierens oder Nitrocarburierens abgeklebt werden, um in diesem Bereich keine oder nur eine thermochemisch veränderte Materialschicht A; B zu erzeugen. Wie in 1 weiterhin gezeigt, weist der Lageraußenring 4 zudem die Brünierschicht C auf, die in dem Lagerinnenring 2 nicht ausgebildet ist.
Dabei können alle metallhaltigen Lagerelemente, wie zum Beispiel der Lagerinnenring 2, der Lageraußenring 4, der Wälzkörper 8 und/oder der Wälzkörperkäfig 6, wie weiter unten genau beschrieben, behandelt werden, um die Materialschichtung M auszubilden. Es ist jedoch auch möglich, nur eines der Lagerelemente oder auch sogar nur einen Teilbereich eines Lagerelements mit der erfindungsgemäßen Materialschichtung M auszubilden.
Als Ausgangmaterialien für die zu behandelnden Lagerelemente können übliche Lagerstähle verwendet werden, da jedoch das erfindungsgemäße Verfahren eine Härtung und einen Korrosionsschutz bereitstellt, können auch niedrig legierte oder unlegierte Stähle und damit kostengünstigere Ausgangsmaterialien verwendet werden, ohne einen Qualitätsverlust hinnehmen zu müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren selbst ist schematisch in dem Flussdiagramm der 2 dargestellt.
Als Ausgangsmaterialien können, wie oben erwähnt, für das erfindungsgemäße Verfahren niedrig legierte oder unlegierte Stähle verwendet werden. Aus diesen Stählen werden beispielsweise mittels Drehen oder Walzen die Lagerelemente hergestellt, wie beispielsweise die in 1 dargestellten Lagerringe 2; 4.
Diese Lagerringe 2; 4 werden erfindungsgemäß, wie in 2 dargestellt, in einem ersten thermochemischen Behandlungsschritt 1 carbonitriert, wodurch sich die erste thermochemisch veränderte Materialschicht A ausgebildet. Diese bildet gleichzeitig die Gesamtschichtdicke D_M der Materialschichtung M aus, da die anderen sich anschließenden Verfahren weniger tiefenwirkend sind.
Die Gesamtschichtdicke D_M der Materialschichtung M kann sich dabei bis zu einer Tiefe von ungefähr 500 µm erstrecken.
Das Carbonitrieren erfolgt üblicherweise bei einer Temperatur von 850 °C bis 870 °C und/oder bei einer Dauer von 4 Stunden, während dessen Kohlenstoff und Stickstoff in die Lagerringe 2; 4 eindiffundieren. Üblicherweise beträgt der Kohlenstoffanteil der Atmosphäre, in der das Carbonitrieren stattfindet, ca. 1 %. Der Stickstoff wird über Ammoniakzugabe in dem Größenbereich von ca. 5 % der Atmosphäre zugegeben.
Im Anschluss an das Carbonitrieren können sich optionale Verfahrensschritte, wie beispielsweise ein Vergüten (siehe Verfahrensschritt 1a) oder eine mechanische Behandlung (siehe Verfahrensschritt 1b) anschließen.
Nach dem Carbonitrieren erfolgt erfindungsgemäß ein zweiter thermochemischer Behandlungsschritt, das Nitrocarburieren 2. Dabei wird die erste thermochemisch behandelte Materialschicht A in einem Schichtbereich D_B thermochemisch verändert, so dass sich eine zweite thermochemisch veränderte Materialschicht B in einem Außenbereich der ersten Materialschicht A ausbildet.
Beim Nitrocarburieren handelt es sich um ein relativ kostengünstiges Verfahren zur Härtung der ersten carbonitrierten Materialschicht A, wodurch sich eine Schicht mit einem verbesserten Verschleißwiderstand, verbesserten Ermüdungseigenschaften, einer verbesserten Temperaturbeständigkeit, einer verbesserten Abriebfestigkeit und einem Korrosionsschutz bildet.
Beim Nitrocarburierschritt 2 wird in der ersten carbonitrierten Materialschicht A nochmals Stickstoff und Kohlenstoff eingelagert, wobei bei diesem Prozess der Stickstoffanteil im Vergleich zum Kohlenstoffanteil größer ist. Durch die höhere Anreicherung von Stickstoff bildet sich die harte thermochemisch veränderte Materialschicht B, die gleichzeitig einen weichen Kern umgibt. Beim Nitrocarburieren diffundieren der Kohlenstoff in eine äußere Verbindungsschicht B_V, die dadurch sehr verschleiß- und korrosionsbeständig wird, und der Stickstoff in eine innere Diffusionsschicht B_D, welche die Dauerfestigkeit des Lagerelements erhöht, so dass die Materialschicht B sich wiederum aus zwei Schichten zusammensetzt. Im Anschluss an das Nitrocarburieren ist das Lagerelement ohne nachfolgende Behandlung einsatzbereit.
Dennoch kann, wie weiterhin in der 2 gezeigt, im Anschluss an das Nitrocarburieren ein Brünierschritt 3 erfolgen. Durch den Brünierschritt 3 wird, wie in 1 dargestellt, eine Schutzschicht C auf der Außenoberfläche der nitrocarburierten Materialschicht B des Lagerelements ausgebildet.
Das Brünieren 4 des Lagerelements erfolgt üblicherweise in einer alkalischen und/oder in einer oxidationsmittelhaltigen Lösung bei Temperaturen zwischen 135 °C und 150 °C mindestens als Zweibadbrünieren. Dabei erfolgt der zweite Brünierschritt in einem getrennten Brünierbad. Zwischen und nach den Brünierschritten kann das Lagerelement in Wasser gespült werden, um ein späteres Auskristallisieren des Brüniersalz auf der Außenoberfläche des Lagerelements zu verhindern.
Vor dem Brünieren kann das Lagerelement zudem entfettet und/oder gebeizt werden, um eventuell vorhandene Verunreinigungen zu entfernen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Lagerelement mit einer ersten carbonitrierten, und einer zweiten nitrocarburierten Materialschicht und einer sich anschließenden Brünierschicht ausgebildet werden, wodurch auch aus einem niedrig legierten oder unlegierten Stahl ein sehr hartes und verschleißfestes Lagerelement bereitgestellt werden kann. Somit stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Alternative für die teuren PVD-Verfahren dar, wodurch Kosten, Zeit und Material eingespart werden kann. Des Weiteren ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum PVD-Verfahren eine Behandlung von wesentlich größeren Lagerelementen für Wälzlager möglich.
Bezugszeichenliste

1: Schrägkugellager
2: Lagerinnenring
4: Lageraußenring
6: Wälzkörperkäfig
8: Wälzkörper
10: Randbereich
12: Oberfläche
14: Kern
16: Lauffläche
A: carbonitrierte Materialschicht
B: nitrocarburierte Materialschicht
C: Brünierschicht
M: Materialschichtung
D_M: Gesamtschichtdicke
D_A: Schichtbereich der carbonitrierten Materialschicht
D_B: Schichtbereich der nitrocarburierten Materialschicht
B_V: Verbindungsschicht
B_D: Diffusionsschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements für ein Wälzlager, wobei das Lagerelement zumindest in einem Teilbereich eine veränderte Materialschichtung (M) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichtherstellung folgende Schritte umfasst: a) Ausbilden einer ersten thermochemisch veränderten Materialschicht (A) zumindest in dem Teilbereich des Lagerelements mittels Carbonitrieren (1); und b) Ausbilden einer zweiten thermochemisch veränderten Materialschicht (B) zumindest in dem carbonitrierten Teilbereich des Lagerelements mittels Nitrocarburieren (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Carbonitrierens (1) bei einer Temperatur von mindestens 700 °C bis 950 °C, vorzugsweise von mindestens 850 °C bis 870 °C und/oder bei einer Dauer von mindestens 3 Stunden, vorzugsweise von mindestens 4 Stunden und/oder bei einem Kohlenstoffpegel von mindestens 0,5 %, vorzugsweise von mindestens 1 %, und/oder mit einem Volumenstrahl des Ammoniaks von mindestens 2 %, vorzugsweise von mindestens 5 % der Gesamtbegasungsrate erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Carbonitrieren (1) ein Härten (1a) und/oder ein Anlassen (1a) des Lagerelements erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Härten (1a) und/oder Anlassen (1a) des Lagerelements ein mechanischer Bearbeitungsschritt (1b) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrocarburieren (2) in Gas, im Salzbad oder im Plasma, vorzugsweise im Salzbad oder im Plasma, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Nitrocarburieren (2) des Lagerelements ein Brünieren (3) zumindest des thermochemisch veränderten Teilbereichs erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brünieren (3) in einer alkalischen und/oder in einer oxidationsmittelhaltigen und/oder in einer sauren Lösung, und/oder bei einer Temperatur unter ca. 200°C, vorzugsweise unter ca. 150 °C, und/oder als Ein-, Zwei- oder Dreibadbrünieren, vorzugsweise mindestens als Zweibadbrünieren erfolgt.
Lagerelement insbesondere ein metallhaltiges Lagerelement, wie beispielsweise ein Lagerring (2; 4), ein Wälzkörper (8), ein Wälzkörperkäfig (6), ein Winkelring, und/oder eine Bordscheibe für ein Wälzlager mit einer veränderten Materialschichtung (M) zumindest in dem Teilbereich, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Lagerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die carbonitrierte Materialschicht (A) eine Schichtdicke (D_A) von mindestens 150 µm, vorzugsweise von mindestens 350 µm, aufweist.
Lagerelement nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die nitrocarburierte Materialschicht (B) des Lagerelements eine Schichtdicke (D_B) von mindestens 1 µm, vorzugsweise von mindestens 3 µm, aufweist.
Lagerelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der die thermochemisch veränderte Materialschichtung (M) aufweisende Teilbereich eine Brünierschicht (C) von mindestens 0,5 µm, vorzugsweise von mindestens 1 µm, aufweist.