-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, wobei das Wälzlagerbauteil aus einem Wälzlagerstahl vom Typ 100CrMnSi6-4 oder 100Cr6 ausgebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Wälzlagerbauteil sowie ein Wälzlager.
-
Aus der
DE 10 2006 052 834 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes hervor, bei dem ein Lagerring aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew.-% und mit einem Gehalt an Chrom, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% erzeugt wird. Der Lagerring wird einer Härtungsbehandlung unterzogen, bei der der Lagerring auf eine Außentemperatur zwischen 800°C und 880° C erwärmt wird und anschließend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur von unter 150°C erreicht.
-
Die
WO 00 / 63 455 A1 beschreibt einen Stahl aus der SAE52100 Serie mit 0,9 bis 1,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 bis 0,40 Gew.-% Silizium, 0,25 bis 0,80 Gew.-% Mangan, 1,30 bis 1,95 Gew.-% Chrom, maximal 0,25 Gew.-% Nickel und 0,05 bis 0,35 Gew.-% Molybdän, mit einem ultrafeinen Bainit-Gefüge zum Einsatz für Wälzlagerkomponenten. Dabei wird ausgehend von einem austenitischen Gefüge von oberhalb der Martensitstarttemperatur auf 250°C abgekühlt und diese Temperatur typischerweise für 180 min gehalten, um ultrafeinen Bainit zu erzeugen.
-
Die
DE 10 2006 059 050 A1 offenbart ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Wälzlagerbauteilen aus durchgehärtetem, bainitischen Wälzlagerstahl. Das Verfahren wird zweistufig durchgeführt, wobei ausgehend von einer Austenitisierungstemperatur in einem Salzbad mit einer Temperatur im Bereich von 180 bis 210 °C bis zum Temperaturausgleich abgekühlt wird und anschließend ein Umsetzen in ein zweites Bad für ca. eine Stunde erfolgt. Das zweite Bad weist eine Temperatur von etwa 220 bis 240°C auf. Es wird am gesamten Bauteil ein gleichmäßiges bainitisches Gefüge erzeugt.
-
Die
US 2010 / 0 296 764 A1 beschreibt ein Wälzlagerelement aus Lagerstahl mit durchgehärtetem bainitischem und/oder martensitischem Gefüge. Durch ein Induktionshärten werden oberflächlich Druckspannungen erzeugt.
-
Die
EP 0 908 257 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Ritzels als Sinterteil mit bainitischem Grundgefüge. Durch Oberflächenhärtung wird eine Randschicht aus martensitischem Gefüge ausgebildet.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, ein Wälzlagerbauteil sowie ein Wälzlager weiterzuentwickeln.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Wälzlagerbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 3 sowie durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
-
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, das aus einem Wälzlagerstahl vom Typ 100CrMnSi6-4 oder 100Cr6 ausgebildet ist, wird das Wälzlagerbauteil zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges erwärmt und anschließend in einem Salzwarmbad auf eine erste Temperatur zwischen 170°C und 200°C abgeschreckt, derart, dass wenigstens im Kernbereich des Wälzlagerbauteils ein perlitisches und/oder ferritisches Gefüge vorliegt, wobei das Wälzlagerbauteil unmittelbar anschließend auf mindestens eine zweite Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 220°C und 280°C erwärmt und für mindestens 7 Stunden gehalten wird, wobei an der Oberfläche des Wälzlagerbauteils ein überwiegend bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
-
Das Wälzlagerbauteil wird zunächst durch ein geeignetes Herstellungsverfahren aus einem Wälzlagerstahl vom Typ 100CrMnSi6-4 oder 100Cr6 ausgeformt. Als Wälzlagerstahl eignet sich vorteilhafterweise 100CrMnSi6-4, da dieser vergleichsweise kostengünstig ist und nach der Wärmebehandlung trotzdem die gewünschten Eigenschaften aufweist. Alternativ ist auch 100Cr6 geeignet, da dieser Werkstoff ebenfalls kostengünstig sowie zum Schalenhärten geeignet ist. Zu Beginn der Wärmebehandlung wird das Wälzlagerbauteil auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend auf die erste Temperatur zwischen 170°C und 200°C abgeschreckt, wobei die Abschreckgeschwindigkeit derart gewählt wird, dass ein Reißen in der Oberfläche des Wälzlagerbauteils verhindert wird, jedoch gleichzeitig eine technisch optimale und überrollfeste Schale auf der Mantelfläche des Wälzlagerbauteils mit möglichst geringem Verzug entsteht. Die Abschreckgeschwindigkeit wird insbesondere so gewählt, dass die Abschreckung im oberen Temperaturbereich schneller erfolgt als die Perlitbildung einsetzt. Ferner wird die Abschreckgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Geometrie des Wälzlagerbauteils sowie des Abschreckmediums, also des Salzwarmbades, insbesondere dessen Wärmekapazität gewählt. Die Berechnung einer optimalen Abschreckgeschwindigkeit kann in bekannter Weise software-gestützt erfolgen. Zudem kann die Abschreckgeschwindigkeit während des Abschreckens mittels eingebrachter Thermoelemente gemessen werden.
-
Insbesondere hat es ich dabei bewährt, wenn der Kernbereich des Wälzlagerbauteils mit einer Abschreckgeschwindigkeit von maximal 2 K/s abgekühlt wird. Dadurch wird die Bildung des perlitischen und/oder ferritischen Gefüges im Kernbereich des Wälzlagerbauteils ermöglicht.
-
Unter dem „Kernbereich“ wird dabei ein Bereich im Inneren des Wälzlagerbauteiles und beabstandet von dessen Oberflächen verstanden, der sich bei einem Bauteil wie einem massiven Wälzkörper ausgehend von der Bauteilmitte über mindestens 75 % des Durchmessers des Wälzkörpers erstreckt. Bei ringförmigen Wälzlagerbauteilen wird unter dem Kernbereich ebenfalls ein Bereich im Inneren des Wälzlagerbauteiles und beabstandet von dessen Oberflächen verstanden, der von dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser begrenzt ist und sich ausgehend von der Mitte der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser gebildeten Wandstärke über mindestens 75 % dieser Wandstärke erstreckt.
-
Während des Abschreckens im Salzwarmbad erfolgt eine Phasenumwandlung im Gefüge des Wälzlagerbauteils, wobei sich im Wälzlagerbauteil sowohl an der Oberfläche beziehungsweise in oberflächennahen Bereichen sowie im Kernbereich beziehungsweise in oberflächenfernen Bereichen des Wälzlagerbauteils eine im Wesentlichen perlitische und/oder eine im Wesentlichen ferritische Gefügestruktur ausbildet. Welches Gefüge sich einstellt, hängt dabei im Wesentlichen von dem notwendigen Lösungszustand im Gefüge sowie der Legierungszusammensetzung und der Geometrie des Wälzlagerbauteils ab.
-
Mittels des Salzwarmbades wird eine vergleichsweise milde Abschreckwirkung erzielt, die sich über Temperatur und Wassergehalt des Salzwarmbades einstellen lässt.
-
Ein bevorzugter Wassergehalt liegt hier bei mindestens 0,3 Vol.-%.Ein geeignetes Salzbad ist auf dem Markt unter der Bezeichnung AS140 beim Hersteller Durferrit GmbH, Mannheim, erhältlich.
-
Die damit einhergehenden Vorteile bestehen in der reduzierten Rissbildung infolge thermischer Beanspruchung. Ferner können geringere Eigenspannungen bei Wälzlagerbauteilen mit variablen Abmessungen, Größe und Gewicht erreicht werden. Das Wälzlagerbauteil wird derart lange im Salzwarmbad abgeschreckt bis zumindest im Kernbereich das perlitische und/oder ferritische Gefüge eingestellt ist. Dabei ist möglich, dass das gesamte Wälzlagerbauteil die Temperatur des Salzwarmbades angenommen hat. Denkbar ist aber auch, dass nur ein Teil des Wälzlagerbauteils die Temperatur des Salzwarmbades angenommen hat und ein anderer Teil, insbesondere näher zum Kern des Wälzlagerbauteils, noch eine Temperatur größer als die erste Temperatur aufweist. Das Abschrecken im Abschreck- bzw. Salzwarmbad erfolgt zeitgesteuert.
-
Ferrit ist ein einphasiger Gefügebestandteil, der aus der ferritischen Phase des Eisens besteht. Ferrit bildet ein polyedrisches, zwillingsfreies Gefüge, ist weicher als Martensit und vergleichsweise gut formbar. Insbesondere die Legierungselemente Chrom und Silizium fördern die Bildung von Ferrit. Unter einem aus Ferrit bestehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge, insbesondere im Kernbereich des Wälzlagerbauteils, im Wesentlichen oder zum größten Teil aus Ferrit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus Ferrit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich durch Ferrit gebildet ist. Auch eine geringfügige Abweichung, insbesondere von bis zu 5 Vol.-%, von einem vollständig ferritischen Gefüge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als aus Ferrit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen.
-
Perlit ist demgegenüber ein lamellar angeordneter, eutektoider Gefügebestandteil des Stahles, das heißt ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit, das durch gekoppelte Kristallisation in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02 % und 6,67 % auftritt. Perlit ist weicher als Martensit. Unter einem aus Perlit bestehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge, insbesondere im Kernbereich des Wälzlagerbauteils, im Wesentlichen oder zum größten Teil aus Perlit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus Perlit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich aus Perlit gebildet ist. Auch eine geringfügige Abweichung, insbesondere von bis zu 5 Vol.-%, von einem vollständig perlitischen Gefüge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als aus Perlit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen.
-
Auch Mischungen aus Perlit und Ferrit können im Kernbereich des Wälzlagerbauteils vorliegen.
-
Das Wälzlagerbauteil wird nach dem Abschrecken aus dem Salzwarmbad entnommen und anschließend auf die mindestens zweite Temperatur im Temperaturbereich zwischen 220°C und 280°C wiedererwärmt. Die zweite Temperatur wird ausgewählt je nach Legierungszusammensetzung und Abmessungen des Wälzlagerbauteils. Unter dem Wortlaut „zumindest eine zweite Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 220°C und 280°C“ ist zu verstehen, dass das Wälzlagerbauteil für eine bestimmte Zeit in einem Temperaturbereich gehalten wird, wobei die Temperatur je nach Wärmebehandlungsstrategie innerhalb dieses Bereichs variieren kann, insbesondere gezielt stufenweise eingestellt werden kann. Es ist denkbar, das Wälzlagerbauteil ausschließlich auf eine einzige zweite Temperatur für die gesamte Behandlungsdauert wiedererwärmt wird. Alternativ ist denkbar, dass mehrere Temperaturen innerhalb des Temperaturbereichs zwischen 220°C und 280°C stufenweise eingestellt werden, um das gewünschte Gefüge an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich des Wälzlagerbauteils einzustellen. Nach der jeweils gewählten Wärmebehandlungsstrategie richtet sich auch die Haltedauer, bei der die wenigstens zweite Temperatur im Temperaturbereich zwischen 220°C und 280°C gehalten wird. Die Haltedauer beträgt jedenfalls über 7 Stunden. Mit anderen Worten wird das Wälzlagerbauteil für mindestens 7 Stunden bei einer Temperatur zwischen 220°C und 280°C gehalten, unabhängig welche Temperaturen innerhalb dieses Bereichs in der genannten Zeit angefahren und gehalten werden. Die zweite Temperatur wird so lange gehalten, bis sich an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich des Wälzlagerbauteils das bainitische Gefüge ausgebildet hat.
-
Unter dem Wortlaut „unmittelbar anschließend“ ist im Rahmen dieser Erfindung zu verstehen, dass das Wälzlagerbauteil nach dessen Abschreckung aus der Austenitisierungstemperatur bis zur ersten Temperatur nicht auf unterhalb von 170°C abgekühlt. Vielmehr erfolgt anschließend an das Abschrecken eine erneute Erwärmung des Wälzlagerbauteils auf eine oder mehrere Temperaturen zwischen 220°C und 280°C für mindestens 7 Stunden, sodass nach der Wärmebehandlung im Kernbereich ein überwiegend perlitisches und/oder ferritisches Gefüge sowie an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich ein bainitisches Gefüge oder zu größten Teil bainitisches Gefüge vorliegt. Mit anderen Worten erfolgt in Anschluss an das Abschrecken ein direktes Wiedererwärmen des Wälzlagerbauteils.
-
Unter Bainit ist ein Gefüge zu verstehen, das bei Temperaturen unterhalb der Perlitbildung bis hin zur Martensitbildung sowohl isotherm als auch bei kontinuierlicher Abkühlung entsteht. Oberer Bainit besteht aus nadelförmigem Ferrit, der in Paketen angeordnet ist. Zwischen den einzelnen Ferritnadeln liegen mehr oder weniger kontinuierliche Filme aus Karbiden parallel zur Nadelachse vor. Zu unterscheiden ist oberer Bainit von unterem Bainit, welcher dagegen aus Ferritplatten besteht, innerhalb derer sich die Karbide unter einem Winkel von 60° zur Nadelachse bilden. Bainit ist ebenfalls weicher als Martensit, jedoch härter als Perlit. Unter einem aus Bainit bestehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich des Wälzlagerbauteils im Wesentlichen oder zum größten Teil aus Bainit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus Bainit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich Bainit aufweist. Auch eine geringfügige Abweichung von einem vollständig bainitischen Gefüge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als ein aus Bainit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn im oberflächennahen Bereich nicht mehr als 5 Vol.-% Perlit im Bainit vorliegen. An der Oberfläche des Wälzlagerbauteils liegt vorzugsweise überhaupt kein Perlit vor.
-
Das Wälzlagerbauteil kann als Bauteilrohling ausgebildet sein, das endgeometrienah ausgebildet ist, wobei nach dem Abkühlen des Bauteils aus dem Temperaturbereich zwischen 220°C und 280°C eine Weiterbehandlung, insbesondere eine mechanische Bearbeitung erfolgen kann, um das Wälzlagerbauteil in dessen Endgeometrie zu bringen. Alternativ kann das Bauteil bereits vor der Wärmebehandlung in die Endgeometrie vorliegen. Das Wälzlagerbauteil kann beispielsweise als Innenring, als Außenring oder als Wälzkörper eines Wälzlagers ausgebildet sein, wobei sich die hier vorgeschlagene Herstellung und Wärmebehandlung des Wälzlagerbauteils insbesondere für Bauteile mit großen Abmessungen eignet, insbesondere mit Durchmessern oder Dicken größer als 85 mm. Anders gesagt wird das Wälzlagerbauteil, welches vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 85 mm, insbesondere von 200 mm, aufweist, zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges erwärmt und anschließend in einem Salzwarmbad auf die erste Temperatur abgeschreckt, derart, dass wenigstens im Kernbereich des Wälzlagerbauteils ein perlitisches und/oder ferritisches Gefüge vorliegt, wobei das Wälzlagerbauteil unmittelbar anschließend auf die mindestens zweite Temperatur zwischen 220°C und 280°C erwärmt und in diesem Temperaturbereich für mindestens 7 Stunden gehalten wird, um an der Oberfläche des Wälzlagerbauteils das bainitische Gefüge auszubilden.
-
Die Härtbarkeit des jeweiligen Stahls wird bestimmt durch die Wahl der Legierungszusammensetzung. Bei durchhärtbaren Stählen, wie dem hier vorteilhaften 100CrMnSi6-4, lässt sich die Härtbarkeit ferner verändern, indem über die Höhe der Austenitisierungstemperatur der Kohlenstoffgehalt sowie der Gehalt von gelösten Legierungselementen, wie Chrom, verändert wird. Der erforderliche bzw. für die jeweilige Anwendung notwendige Lösungszustand für die zu behandelnde Geometrie des Wälzlagerbauteils sowie die Abschreckwirkung lassen sich software-gestützt und/oder anhand von Versuchen vorab bestimmen.
-
Dabei werden durch die Behandlung des Wälzlagerbauteil an dessen Oberfläche Druckeigenspannungen ausgebildet. Die Druckeigenspannung werden bei Umwandlung des Gefüges in das bainitische Gefüge realisiert, die an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich des Wälzlagerbauteils stattfindet. Druckeigenspannungen sind negative Eigenspannungen innerhalb der Gefügestruktur des Bauteils, die an der Oberfläche eine Verbesserung der Dauerfestigkeit des Wälzlagerbauteils zur Folge haben. Zudem wird einer Rissbildung vorgebeugt und eine Korrosionsbeständigkeit des Wälzlagerbauteils verbessert.
-
Ferner bevorzugt wird das Wälzlagerbauteil derart behandelt, dass es eine Oberflächenhärte von mindestens 58 HRC aufweist. Eine Härte von 58 HRC (Rockwellhärte) entspricht einer Vickershärte von etwa 655 HV. Mithin weist ein erfindungsgemäßes Wälzlagerbauteil an dessen Oberfläche eine Härte von 58 HRC und eine bainitische Gefügestruktur auf. Die sogenannte Einhärtetiefe, bei der das Wälzlagerbauteil eine Härte von 550 HV1 bzw. 52,3 HRC aufweist, liegt bevorzugt bei einer Tiefe senkrecht zur Oberfläche des Wälzlagerbauteils von etwa 5,2% der Wälzlagerbauteildicke bzw. des Wälzlagerbauteildurchmessers. Nach DIN 50190-1 ist die Einsatzhärtungstiefe derjenige senkrechte Abstand von der Oberfläche des jeweiligen Bauteils, bei dem die Härte auf einen Wert von 550 HV1 abgefallen ist. Den Verlauf der Härte von der Oberfläche bis in den Kern wird durch Härtemessung ermittelt. Die Einheit HRC setzt sich aus HR (Härte nach Rockwell, im Englischen „Hardness Rockwell“) als Kennzeichnung des Prüfverfahrens gefolgt von einem weiteren Buchstaben, hier C, zusammen, der die Skala und damit die Prüfkräfte und -körper angibt. Bei der Skala C (C steht für „cone“, im Deutschen Kegel) wird ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel und eine Prüfvorkraft von 98,0665 N verwendet. Die Prüfzusatzkraft beträgt bei Skala C 1372,931 N.
-
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst einen Außenring und/oder einen Innenring sowie eine Vielzahl von Wälzkörpern, die am Außenring und/oder am Innenring abrollen, wobei der Außenring und/oder der Innenring und/oder der jeweilige Wälzkörper ein Wälzlagerbauteil gemäß den vorherigen Ausführungen ist. Anders gesagt kann entweder nur der Außenring, nur der Innenring, nur die Wälzkörper oder eine beliebige Kombination der genannten Bauteile als Wälzlagerbauteil ausgeführt sein, das im Kernbereich des Wälzlagerbauteils ein perlitisches und/oder ferritisches Gefüge aufweist und an der Oberfläche des Wälzlagerbauteils ein zum größten Teil bainitisches Gefüge aufweist.
-
Insbesondere ist das Wälzlagerbauteil als Wälzkörper ausgebildet, der als Vollrolle oder Hohlrolle ausgebildet ist.
-
Die vorhergehenden Ausführungen zum Verfahren gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil sowie für das erfindungsgemäße Wälzlager, und umgekehrt.
-
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Hierbei zeigt
- 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wälzlagerbauteils
- 2 eine stark schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers nach einer bevorzugten Ausführungsform,
- 3 einen schematischen Querschnitt eines Wälzkörpers als Wälzlagerbauteil gemäß 2,
- 4 ein Diagramm für den Wälzlagerstahl 100CrMnSi6-4, das eine Mindestabkühlrate ausgehend von unterschiedlichen Austenitisierungstemperaturen über eine Austenitisierungszeit zur Verhinderung von mehr als 5 Vol-% Perlit im Randbereich darstellt, und
- 5 ein Diagramm, das für den Wälzlagerstahl 100CrMnSi6-4 und einer Austenitisierungstemperatur von 855°C in Abhängigkeit von der Austenitisierungsdauer und damit dem Austenitisierungsgrad sowie vom Durchmesser eines Wälzkörpers eine kritische Entfernung zur Oberfläche des Wälzkörpers für eine Perlitbildung von 5 Vol.-% im Randbereich angibt.
-
Gemäß 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines als Wälzkörper 5 ausgebildeten Wälzlagerbauteils 1 gemäß eines Blockschaltbilds visualisiert. Vorliegend sind die Wälzkörper 5 des Wälzlagers 2 als Wälzlagerbauteil 1 zu verstehen. Derartige Wälzkörper 5 können in einem Wälzlager 2 gemäß 2 eingebaut sein, und zwar räumlich zwischen einem Außenring 3 und einem Innenring 4, wobei die Wälzkörper 5 in Umfangsrichtung durch einen Käfig 6 beabstandet zueinander angeordnet und geführt sind. Der Wälzkörper 5 ist zum besseren Verständnis nochmals in 3 im Querschnitt dargestellt.
-
In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird der jeweilige Wälzkörper 5, der gemäß den 2 und 3 als Zylinderrolle mit einem Durchmesser D von wenigstens 85 mm ausgebildet ist, aus dem Wälzlagerstahl 100CrMnSi6-4 ausgebildet. Dies kann beispielsweise spanend erfolgen. Der Außenring 3 und/oder der Innenring 4 gemäß 2 können ebenfalls aus 100CrMnSi6-4 ausgebildet sowie mittels des gleichen erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt sein. Die Herstellung umfasst eine Wärmebehandlung des Wälzlagerbauteils 1 und wird nachfolgend erläutert.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt 101 wird der Wälzkörper 5 zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges auf eine Härte- bzw. Austenitisierungstemperatur erwärmt und solange bei dieser Temperatur gehalten, bis eine vollständige Austenitisierung des Gefüges erfolgt ist, insbesondere bis ein notwendiger Lösungszustand erreicht ist. Anschließend wird der Wälzkörper 5 in einem dritten Verfahrensschritt 102 einem Salzwarmbad zugeführt und von der Austenitisierungstemperatur auf eine erste Temperatur abgeschreckt. Das Salzwarmbad weist in Abhängigkeit der Eigenschaften und des Mischungsverhältnisses des Salzwarmbades, der Materialeigenschaften des Wälzlagerbauteils 1 sowie der Austenitisierungstemperatur vorliegend eine Temperatur zwischen 170°C und 200°C auf. Mittels des Salzwarmbades wird eine Abkühlung des Wälzkörpers 5 mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit (vergleiche 4) sowie vergleichsweise milder Abschreckwirkung erreicht, wobei eine Phasenumwandlung des Gefüges erfolgt. Dabei wandelt die austenitische Gefügestruktur des Wälzkörpers 5 während des Abschreckens in ein perlitisches und/oder ferritisches Gefüge um. Wenigstens im Kernbereich 8 des Wälzlagerbauteils 1 wird somit ein aus Perlit und/oder aus Ferrit bestehendes Gefüge ausgebildet.
-
Nach der Abschreckung des Wälzkörpers 5 wird dieser in einem vierten Verfahrensschritt 103 direkt wiedererwärmt. Und zwar erfolgt unmittelbar an das Abschrecken anschließend ein Erwärmen des Wälzlagerbauteils 1 auf zumindest eine zweite Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 220°C und 280°C, wobei die zumindest zweite Temperatur für mindestens 7 Stunden gehalten wird. Mit anderen Worten kann der Wälzkörper 5 bei einer einzigen zweiten Temperatur für 7 Stunden gehalten werden. Alternativ kann der Wälzkörper 5 auf mehrere verschiedene Temperaturen innerhalb des Temperaturbereichs zwischen 220°C und 280°C stufenweise erwärmt und gehalten werden, wobei die Gesamthaltedauer zwischen 220°C und 280°C mindestens 7 Stunden beträgt. Durch Halten der zumindest zweiten Temperatur im Temperaturbereichs zwischen 220°C und 280°C für mehr als 7 Stunden erfolgt eine Gefügeumwandlung, bei der an der Oberfläche 7 und im Oberflächen-nahen Randbereich 9 des Wälzlagerbauteils 1 ein bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Durch eine solche Wärmebehandlung können Wälzlagerbauteile 1 in schalengehärteter Ausführung mit größeren Abmessungen kostengünstiger hergestellt werden, da auch bei Werkstoffen mit niedrigerem Legierungsgehalt durch eine derartige Wärmebehandlung eine überrollfeste Oberfläche, im Fall des Wälzkörpers 5 eine überrollfeste Mantelfläche bzw. Laufbahn, entsteht und eine Rissbildung am Wälzlagerbauteil 1 verhindert wird. Ferner werden durch die Wärmebehandlung mit der damit einhergehenden Gefügeumwandlung in das bainitische Gefüge an der Oberfläche 7 Druckeigenspannungen eingestellt, die ebenfalls der Rissbildung am Wälzkörper 5 vorbeugen. Der Wälzkörper 5 weist nach der Wärmebehandlung eine Oberflächenhärte von mindestens 58 HRC bzw. 655 HV auf. Bei einer Einhärtetiefe A, die etwa 5,2% des Durchmessers D des Wälzkörpers 5 entspricht, also vorliegend etwa 4,4mm, weist der Wälzkörper 5 eine Härte von mindestens 550 HV1 auf. Es ist denkbar, dass weitere Wärmebehandlungsschritte, beispielsweise Anlassen, durchgeführt werden, um die thermisch bedingten Spannungen innerhalb des Wälzkörpers 5 zu reduzieren. Ferner kann eine mechanische Nachbehandlung erfolgen, um den Wälzkörper 5 in die Endgeometrie zu bringen.
-
4 zeigt ein Diagramm für den Wälzlagerstahl 100CrMnSi6-4, das eine Mindestabkühlrate in Kelvin pro Sekunde ausgehend von unterschiedlichen Austenitisierungstemperaturen von 855°C, 865°C und 875°C über eine Austenitisierungszeit in Minuten darstellt, die eingehalten werden muss, um eine Bildung von von mehr als 5 Vol-% Perlit im Wälzlagerstahl diesen Typs zu vermeiden. Erkennbar ist somit, dass abhängig von und zunehmend mit dem Austenitisierungsgrad höhere Mindestabkühlraten eingestellt werden müssen.
-
5 zeigt ein Diagramm, das ebenfalls für Wälzkörper mit unterschiedlichen Durchmessern aus dem Wälzlagerstahl 1 00CrMnSi6-4 und in Abhängigkeit einer Austenitisierungsdauer von 45 Minuten, 90 Minuten und 150 Minuten bei einer Austenitisierungstemperatur jeweils von 855°C aufgenommen wurde. Mit zunehmendem Austenitisierungsgrad und mit zunehmendem Durchmesser der Wälzkörper bzw. Rollendurchmesser in Millimetern nimmt eine kritische Entfernung zur Oberfläche des Wälzkörpers, entsprechend der Einhärtetiefe A zwischen dem Kernbereich 8 und der Oberfläche 7 des Wälzkörpers 5 (vergleiche 3), ab, in welchem sich der bainitische Randbereich 9 befindet und in welchem keine Perlitbildung von mehr als 5 Vol.-% auftritt. Demnach nimmt die Einhärtetiefe A und damit eine Dicke des bainitischen Randbereiches 9 bei gleichem Austenitisierungsgrad der Wälzkörper 5 mit zunehmendem Durchmesser D der Rolle oder des Wälzkörpers 5 ab.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wälzlagerbauteil
- 2
- Wälzlager
- 3
- Außenring
- 4
- Innenring
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Käfig
- 7
- Oberfläche
- 8
- Kernbereich
- 9
- Randbereich
- 100
- Erster Verfahrensschritt
- 101
- Zweiter Verfahrensschritt
- 102
- Dritter Verfahrensschritt
- 103
- Vierter Verfahrensschritt
- A
- Einhärtetiefe
- D
- Durchmesser
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006052834 A1 [0002]
- WO 00/63455 A1 [0003]
- DE 102006059050 A1 [0004]
- US 2010/0296764 A1 [0005]
- EP 0908257 A2 [0006]