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TECHNISCHES GEBIET
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Gemäß einem ersten Aspekt präsentiert die Erfindung ein Lagereinzelteil, zum Beispiel ein Teil eines Außenrings, eines Innenrings oder einer Rolle eines Rollenlagers. Gemäß einem zweiten Aspekt präsentiert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils unter Verwendung des Einzelteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Gemäß einem dritten Aspekt präsentiert die Erfindung ein Lagerteil, das unter Verwendung des Einzelteils des Lagerteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wälzlager sind wohlbekannt und umfassen Rollenlager, Kugellager und auch deren Kombinationen. In den letzten Jahren hat sich eine verstärkte Differenzierung der Bedürfnisse und Anforderungen der Kunden gezeigt. Dies hat zu einer zunehmenden Anpassung von Wälzlagern geführt, die wiederum bewirkt hat, dass mehr Varianten und kleinere Chargen von jeder Variante gefertigt werden. Diese Entwicklung war vor allem für größere Wälzlager zu beobachten, zum Beispiel größere Pendelrollenlager, Kegelrollenlager, Zylinderrollenlager etc. Außerdem werden größere Wälzlager häufig in kleineren Serien gefertigt, da diese Lager oft auf direkte Kundenbestellung angefertigt werden und nicht angefertigt und auf Lager gelegt werden. Die verschiedenen Anforderungen der Kunden betreffen z. B. verschiedene Anforderungen an den Werkstoff, verschiedene Anforderungen an Härte, Verschleißeigenschaften, Zähigkeit, Wärmebeständigkeit des Werkstoffs etc. Darüber hinaus beziehen sich die höheren Kundenanforderungen häufig auf eine Notwendigkeit, Wälzkontaktflächen zwischen den Lagerteilen anzupassen und zu optimieren. Daher besteht ein Bedarf, eine kostengünstige Lösung zu finden, die die Fähigkeit verbessern könnte, verschiedene individuelle Lösungen für Kunden mit unterschiedlichen Bedürfnissen zu bieten, und in der Lage zu sein, die hohen und steigenden Anforderungen an verbesserte Wälzkontaktflächen zu erfüllen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die oben genannten Bedürfnisse zu bieten.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wurde die Aufgabe durch die Bereitstellung eines Lagereinzelteils zur Verwendung in einem Diffusionsschweißverfahren gelöst. Das Lagereinzelteil zur Verwendung in einem Diffusionsschweißverfahren umfasst ein Kernteil, das eine erste Umfangsfläche und mindestens ein Ringteil mit einer zweiten Umfangsfläche aufweist. Das Kernteil und das Ringteil sind durch ihre erste und zweite Umfangsfläche umfänglich aneinander und entlang einander befestigt. In einer Querschnittsansicht ist das mindestens eine Ringteil im Wesentlichen Uförmig und umfasst zwei gegenüberliegende Seiten, die durch eine Grundseite miteinander verbunden sind, wodurch sie gemeinsam einen Raum bilden, wobei das mindestens eine Ringteil so angeordnet ist, dass es in dem durch die U-Form gebildeten Raum einen ersten Werkstoff aufnehmen kann. Durch das Bereitstellen des Lagereinzelteils mit diesem im Wesentlichen Uförmigen Ringteil wird das Herstellungsverfahren einfacher, da der erste Werkstoff, der mit dem Kernteil gefügt werden soll, bequem entnommen und an die Fläche gelegt wird, mit der er gefügt werden soll. Es können auch mehrere U-förmige Ringteile an der Umfangsfläche befestigt sein, wenn es nicht gewünscht ist, einen ersten Werkstoff mit der gesamten Umfangsfläche zu fügen, sondern nur mit Teilen davon, zum Beispiel beim Fügen mehrerer Zierelemente wie Flansche etc. Durch die Bereitstellung dieses Lagereinzelteils wird das gesamte Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils vereinfacht, da das U-förmige Ringteil bereits an dem Kernteil befestigt und bereit ist, mit dem ersten Werkstoff befüllt zu werden, und leicht zu handhaben ist. Die Qualität in Bezug auf Toleranzen kann frühzeitig in dem Verfahren sichergestellt werden. Das Lagereinzelteil, das oft ein weniger kritisches Bauteil ist, was die Leistung des fertigen Lagers betrifft, kann an einen Lieferanten ausgelagert werden. Später kann das Lagereinzelteil von der Firma verwendet werden, die das fertige Lagerteil gemäß der spezifischen Produktspezifikation von Kunden fertigt, zum Beispiel durch Hinzufügen des erforderlichen ersten Werkstoffs in den Raum der U-Form, und Durchführen der Endbearbeitung / abschließenden Formgebung. Dadurch, dass das U-förmige Ringteil an der Seite befestigt ist, wo der erste Werkstoff angelegt werden soll, ist es ferner möglich, dass weniger Werkstoff des teuren Qualitätswerkstoffs verwendet wird als zum Beispiel beim Absenken des Lagerteils in eine Kapsel, um den ersten Werkstoff rund um das zu fügende Teil zu sammeln.
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Das Ringteil ist in einer Querschnittsansicht im Wesentlichen U-förmig. Mit im Wesentlichen Uförmig ist auch gemeint, dass es zusätzliche Eigenschaften haben kann, um der Endform des fertigen Lagerteils zu folgen. Für Kugelflächen wie in Pendelrollenlagern (SRB) oder einem Toroidallager würde die U-Form zum Beispiel entlang der Kugelform gebogen werden. Für ein Rillenkugellager (DGBB) könnte eine der Seiten in der U-Form ein nutenförmiges Element haben, um die Laufrille bilden. Für ein Kegelrollenlager könnte die U-Form sogar eher in der Form eines V sein. Außerdem kann das U-förmige Teil zusätzliche Eigenschaften in der Form aufweisen, um an dem Endteil zusätzliche Teile auszubilden, zum Beispiel Flansche etc.
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Mit axialer Richtung ist die Richtung gemeint, die in einer Linie mit der vorgesehenen Welle ist, mit der das Lager verbunden werden soll. Mit radialer Richtung ist die Richtung gemeint, die senkrecht von der Mitte der vorgesehenen Welle verläuft. Mit Querschnittsansicht des Ringteils ist also die Fläche gemeint, die in der axialen Richtung der Welle und in radialer Richtung nach außen gebildet ist, d. h. die Fläche der Querschnittsansicht wird die Mitte der Welle entlang ihrer axialen Länge kreuzen.
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In einer Ausführungsform des Lagereinzelteils ist die zweite Umfangsfläche des Ringteils, die mit dem Kernteil verbunden ist, eine der gegenüberliegenden Seiten der U-Form. Das Befestigungsverfahren kann durch Schweißen, unter Verwendung von heißen Bauteilen, unter Verwendung einer geometrischen Passung und einer Wärmedifferenz zum Fügen der Bauteile, durch Kleben, mechanisches Befestigen oder ein beliebiges anderes Verfahren, das dem Fachmann bekannt ist, durchgeführt werden. Flächen müssen möglicherweise gereinigt und mechanisch oder chemisch aktiviert werden, um die Haftung zwischen den Werkstoffen zu verbessern. Ein weiteres Verfahren könnte darin bestehen, den Werkstoff durch ein Walzverfahren plastisch zu verformen. Dieses Verfahren kann parallel zu einem lokalen Flächenerwärmungsverfahren durchgeführt werden. Die U-Form erklärt sich dadurch, dass man eine Grundseite hat, die zwei gegenüberliegende Seiten verbindet, die sich parallel senkrecht von der Basisseite erstrecken. Wenn der gefügte erste Werkstoff zum Beispiel eine radiale Laufbahn des Rings des fertigen Lagerteils umfasst, wird das U-förmige Ringteil so an dem Lagereinzelteil befestigt sein, dass der Ring horizontal abgelegt werden kann und die Öffnung des U-förmigen Ringteils nach oben gerichtet ist, sodass der zu fügende Werkstoff in den Raum gefüllt werden kann, der durch das U-förmige Ringteil gebildet wird, und durch die Schwerkraft darin gehalten wird. Wenn es sich um einen Innenring handelt, wird das U-förmige Ringteil mit seiner radial inneren gegenüberliegenden Seite an der radial äußeren Umfangsfläche des Rings befestigt. Dasselbe Prinzip gilt, wenn die Außenfläche einer Rolle hergestellt werden soll. Wenn es sich um einen Außenring handelt, wird das U-förmige Ringteil mit seiner radial äußeren gegenüberliegenden Seite an der radial inneren Umfangsfläche des Rings befestigt.
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In einer Ausführungsform des Lagereinzelteils ist die zweite Umfangsfläche des Ringteils, die mit dem Kernteil verbunden ist, die Grundseite der U-Form. Dies kann zum Beispiel beim Fügen einer Fläche eines Axiallagers vorteilhaft sein, sodass der Werkstoff auf die Fläche aufgebracht werden kann und dort durch die Schwerkraft gehalten wird.
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In einer Ausführungsform des Lagereinzelteils ist das Ringteil ein kohlenstoffarmer Stahl. In einer weiteren Ausführungsform hat der kohlenstoffarme Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3 Gewichts-% (Gew%), aber er könnte ohne Weiteres so niedrig wie 0,05 Gew% und so hoch wie 0,6 Gew% sein. In einer anderen Ausführungsform ist der kohlenstoffarme Stahl ein ferritischer Stahl. Wenn man einen Werkstoff mit einem sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt hat, wird der Werkstoff sowohl aus dem ersten als auch aus dem zweiten Werkstoff Kohlenstoff anziehen, wodurch die Unterschiede in dem Kohlenstoffgehalt des ersten und zweiten Werkstoffs langsam ausgeglichen werden, da der Kohlenstoffgehalt sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstoffs höher ist als der niedrige des ferritischen Stahls. Auf diese Weise wird das Verfahren so gesteuert, dass kein schwaches und brüchiges Zementit oder andere unerwünschte komplexe Karbide erzeugt werden, und die Festigkeit der Übergangszone ist weiter sichergestellt. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist das Ringteil ein Blech. Auf diese Weise kann es leicht geformt werden, um das Kernteil einzukapseln und an ihm anzuliegen. In noch einer anderen Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Dicke des Ringteils 0,5–10 mm. Die Dicke ist entsprechend der Verfahrenstemperatur und -zeit derart gewählt, dass der Werkstoff, welcher der höchsten Belastung ausgesetzt sein wird, weder kohlenstoffreich noch sehr kohlenstoffarm ist. Dem Kernwerkstoff wird ermöglicht, dass sein Kohlenstoffgehalt etwas verringert wird, während der Werkstoff des Ringteils mit Kohlenstoff angereichert wird, sodass er in einem nachfolgenden Härtevorgang zumindest teilweise ein Martensitgefüge haben kann. In einer anderen Ausführungsform enthält das Ringteil auch Stickstoff. Dies dient dazu zu verhindern, dass Stickstoff aus dem Werkstoff diffundiert, der in das U-förmige Ringteil gefüllt werden soll und das stark belastete und beanspruchte Teil bilden wird, da die Stickstoffdiffusion aus diesem Werkstoff seine Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen könnte. In einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Ringteile an das Kernteil gelegt, um eine gesteuerte und optimale Diffusion des Kohlenstoffs zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform des Lagereinzelteils ist das Kernteil ein Gusseisen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Kernteil ein Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 2 %. Ein Gusseisen enthält in der Regel zwischen 2,1–4 Gew% Kohlenstoff. In noch einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist das Kernteil ein Gussstahl. In einer weiteren Ausführungsform ist das Kernteil ein Gussstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 Gew% oder weniger, aber er könnte auch 2 Gew% betragen. Diese Werkstoffe sind oft billiger als hochreine Stähle, weshalb das Hauptteil des Bauteils vorzugsweise aus Gusseisen oder Gussstahl gefertigt sein kann, nach denen in den kritischsten Bereichen, in denen es erforderlich ist, der teurere hochreine Stahl eingesetzt werden kann. In einer anderen Ausführungsform ist dieses Gusseisen-/Gussstahl-Kernteil durch Gießen hergestellt. Dies ist kostengünstiger als andere herkömmliche Herstellungsverfahren, aber es könnte selbstverständlich auch durch Rollen oder Schmieden oder andere Warm- oder Kaltbearbeitungsverfahren hergestellt sein. Dieses Teil kann das Hauptteil eines Lagerteils sein; im Fall eines Lagers könnte es zum Beispiel das Mittelteil einer Rolle oder das Ringteil sein, das nicht das Teil darstellt, das schweren Belastungen ausgesetzt ist, wie zum Beispiel die Laufbahn oder der Flansch.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wurde die Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils durch Diffusionsschweißen erreicht. Das Verfahren umfasst die Schritte der Bereitstellung eines Lagereinzelteils, wie es gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben ist, wonach ein erster Werkstoff in den Raum eingebracht wird, der von dem U-förmigen Ringteil gebildet wird. Dann wird der Raum, der durch das U-förmige Ringteil gebildet wird, verschlossen, um einen geschlossenen Raum zu schaffen, wonach das Diffusionsschweißverfahren durchgeführt wird. Durch die Bereitstellung des Lagereinzelteils mit diesem im Wesentlichen U-förmigen Ringteil wird das Herstellungsverfahren einfacher, da der mit dem Kernteil zu fügende Werkstoff bequem entnommen und an die Fläche gelegt wird, mit der er gefügt werden soll.
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Das U-förmige Ringteil fungiert auch als ein Zwischenwerkstoff zwischen dem Kernteil und dem ersten zu fügenden Werkstoff. Bei der Herstellung von hochwertigen Bauteilen, die während eines langen Zeitraums hohen Belastungen ausgesetzt sind, zum Beispiel Lager oder Presswerkzeuge etc., erzeugen bekannte Verfahren zum Fügen von zwei Werkstoffen durch Diffusionsschweißen oder heißisostatisches Pressen häufig Schwachzonen in der Übergangszone, wo die Werkstoffe aneinanderstoßen. Zwischen den Werkstoffen kann ein Kohlenstoffpotenzial auftreten, d. h. einer der beiden gefügten Werkstoffe gewinnt möglicherweise im Fügeverfahren Kohlenstoff hinzu, während der andere Werkstoff möglicherweise Kohlenstoff verliert. Ein Kohlenstoffpotenzial erklärt sich aus der Fähigkeit einer Umgebung, die Aktivkohle enthält, den Kohlenstoffgehalt eines Stahls unter vorgeschriebenen Bedingungen zu verändern oder zu bewahren. In einer bestimmten Umgebung wird der erreichte Kohlenstoffpegel von solchen Faktoren wie Temperatur, Zeit und Stahlzusammensetzung abhängen. Ein Kohlenstoffpotenzial ist also eine Differenz in der Kohlenstoffaktivität zwischen z. B. zwei Werkstoffen. Demnach wird der Kohlenstoff, wenn eine Differenz in der Kohlenstoffaktivität vorliegt, d. h., wenn das Kohlenstoffpotenzial nicht Null ist, von einem Werkstoff in den anderen diffundieren. Die Kohlenstoffgradienten in den beiden Werkstoffen können während einer anschließenden Wärmebehandlung zu schwachen und spröden Phasen führen. Eine Übergangszone mit einem größeren Anteil an schwächeren spröden Gefügephasen wie Zementitnetzwerke oder komplexe Metallcarbide kann die Festigkeit von einem oder beiden der zwei zu fügenden Werkstoffe erheblich verringern. Durch Auswahl des Legierungsgehalts der beiden Fügewerkstoffe und/oder Anpassung der Verfahrenstemperatur kann die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff zwischen den Werkstoffen reduziert werden. Die Härtungseigenschaften von beiden Legierungen bleiben dann weitgehend erhalten, und die Volumina um die Übergangszone werden nicht viele schwache oder spröde Phasen haben. Die beiden Werkstoffe behalten ihre Fähigkeit und ihr Gefüge bis hin zu der Übergangszone. Die Größe der Übergangszone wird reduziert und die potenziellen Probleme der Werkstoffversprödung etc. werden verringert. Der Erfinder hat erkannt, dass einige Werkstoffe, deren Fügen vorteilhaft sein könnte, immer noch ein hohes Kohlenstoffpotenzial haben, obwohl der Legierungsgehalt und die Temperatur angepasst sind, um diese Differenz zu verringern. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn Werkstoffe unterschiedlicher Qualität gefügt werden, zum Beispiel beim Fügen von einem preiswerteren Gusseisen oder Gussstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt mit einem hochreinen Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt. Dadurch, dass zwischen dem Kernteil und dem ersten Werkstoff ein Werkstoff ist, wird ein qualitatives Fügen durch Diffusionsschweißen von zwei ansonsten unverträglichen Werkstoffen ermöglicht.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils weisen der erste Werkstoff und das Kernteil bei Fügetermperatur ein Kohlenstoffpotenzial auf. Beim Fügen von Werkstoffen durch Diffusionsschweißen ist es gut, wenn die beiden Werkstoffe kein Kohlenstoffpotenzial haben, d. h. die Werkstoffe haben etwa dieselbe Kohlenstoffaktivität, um zu verhindern, dass Kohlenstoff von einem Werkstoff zu dem anderen diffundiert. In einigen Fällen gibt es Möglichkeiten, um eine gemeinsame Kohlenstoffaktivität zwischen den Werkstoffen zu erzielen, indem man die Kohlenstoffgehalte anpasst und/oder die Fügetemperatur anpasst. In einigen Fällen gibt es keine Möglichkeiten, eine gemeinsame Kohlenstoffaktivität zu erzielen; dies könnte dadurch bedingt sein, dass es aus Produktions- oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich ist, die Temperatur anzupassen, oder dass die Eigenschaften der zu fügenden Werkstoffe so spezifisch sind, dass es nicht möglich ist, ihren Kohlenstoffgehalt zu ändern. Es könnte auch dadurch bedingt sein, dass es technisch einfach nicht möglich ist, eine gemeinsame Kohlenstoffaktivität zu erzielen, selbst wenn die vorstehend genannten Methoden ausprobiert werden, wie zum Beispiel bei einigen Gusseisen und hochreinen Lagerstählen. Unter diesen Umständen ist dieses erfindungsgemäße Verfahren des Einbindens des Ringteils aus einem anderen Werkstoff mit guten Ergebnissen besonders anwendbar.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils ist der erste Werkstoff ein hochreiner Stahl, zum Beispiel ein Lager- oder Werkzeugstahl. Von besonderem Interesse sind korrosionsbeständige und/oder verschleißfeste Stähle. In einer Ausführungsform ist es ein M50-Stahl. In einer weiteren Ausführungsform ist es ein M50NIL-Stahl. In noch einer weiteren Ausführungsform ist es ein beliebiger der herkömmlichen Lagerstähle, wie sie in ISO 683-17:1999(E), Seiten 9–10 gezeigt sind. Alle anderen Stähle, die die Anforderungen hinsichtlich Stahlreinheit und Härte eines Lagerteils erfüllen, könnten verwendet werden, zum Beispiel rostfreie Werkzeugstähle. In einer weiteren Ausführungsform ist der verwendete Werkstoff ein martensitisch härtbarer N-legierter Edelstahl wie XD15NW oder sonstige martensitisch härtbare Edelstähle mit hoher Stahlreinheit. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Stähle beschränkt. Der Vorteil der Verwendung dieser Arten von Stahl ist, dass der Bereich, der aus diesem Werkstoff besteht, zum Beispiel sehr robust gegenüber Verschleiß und Korrosion sein wird. Hochwertiger Lagerstahl befindet sich daher vorzugsweise in den stark beanspruchten Bereichen der Bauteile, zum Beispiel an der Laufbahn eines Lagerrings oder der Wälzfläche einer Lagerrolle. Er könnte sich zum Beispiel auch an einem Flansch oder einem beliebigen anderen Teil oder Bereich eines Lagerteils oder an Kombinationen aus Flansch, Laufbahnen und Wälzflächen befinden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils wird das Verfahren durch heißisostatisches Pressen durchgeführt. Dies umfasst die Schritte des Erhitzens der Werkstoffe bei Gegeneinanderpressen dieser Werkstoffe unter bestimmten Druck-, Zeit- und Temperaturbedingungen, wodurch den Werkstoffen ermöglicht wird, ineinander zu diffundieren. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Fügetemperatur 1000–1300 Grad Celsius (C). In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Fügetemperatur 1100–1200 Grad C. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Fügetemperatur 1140–1160 Grad C, vorzugsweise 1150 Grad C. Sie könnte zum Beispiel aber auch 1145–1155 Grad C betragen. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Druck 80–310 MPa. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Zeit des Fügens zwischen 2–4 Stunden. Dies ist eine typische Zeit. Je nach Dicke des Bauteils kann eine kürzere oder längere Zeitspanne erforderlich sein, zum Beispiel 1–6 Stunden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens liegt der erste Werkstoff vor dem Erhitzen in Pulverform vor.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils ist das Lagerteil entweder ein Innenring, ein Außenring oder eine Rolle eines Lagers. Es könnte auch die Ringe oder Rollen eines Axiallagers sein.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils werden anschließend mindestens eine der gegenüberliegenden Seiten und die Grundseite des U-förmigen Ringteils von dem Lagerteil entfernt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Entfernen von mindestens einer der gegenüberliegenden Seiten und der Grundseite des U-förmigen Ringteils entweder durch einen anschließenden Schritt des Schleifens oder einen anschließenden Schritt des Schneidens. Auf diese Weise hat sich gezeigt, dass der hochreine Stahl eine hochfeste Fläche bildet.
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Gemäß einem dritten Aspekt präsentiert die Erfindung ein Lagerteil, das unter Verwendung des Einzelteils des Lagerteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt wurde. Auf diese Weise wurde das Lagerteil auf kostengünstige Weise gefertigt, sowohl was das Herstellungsverfahren an sich als auch die verwendeten Werkstoffen betrifft.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen im Detail beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen sowie auf Beispiele von unerwünschten Eigenschaften Bezug genommen wird, zu deren Vermeidung die Erfindung beiträgt, wobei
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1a einen Querschnitt eines Lagerrings zeigt, der durch das Verfahren hergestellt wurde, das ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung einschließt,
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1b einen Querschnitt einer Rolle für ein Lager zeigt, das durch das Verfahren hergestellt wurde, das ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung einschließt,
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2 ein Diagramm zeigt, das den Kohlenstoffgehalt von zwei Werkstoffen darstellt, der in einen intermediären Werkstoff gemäß der Erfindung diffundiert,
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3 ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung zeigt,
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4 ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung zeigt,
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5 ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung mit mehreren Ringteilen zeigt,
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6 ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung mit mehreren Ringteilen zeigt,
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7 ein Lagereinzelteil gemäß der Erfindung mit mehreren Ringteilen zeigt, die sowohl eine Laufbahn als auch Flansche bilden,
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8 ein Diagramm zeigt, das eine unerwünschte Änderung des Kohlenstoffgehalts darstellt,
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9 ein Diagramm zeigt, das einen Phasenanteil während der unerwünschten Änderung des Kohlenstoffgehalts von 8 zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1a zeigt einen Querschnitt eines Lagerteils 9, das durch das erfindungsgemäße Verfahren gefügt wurde, wobei das Lagerteil 9 ein Ring ist. Der Lagerring umfasst ein Kernteil 2 und einen ersten Werkstoff 5, wobei das Diffusionsschweißen zwischen dem Kernteil 2 und einem ersten Werkstoff 5 stattgefunden hat, wo sich eine Seite des U-förmigen Ringteils 4 befindet. Die radial und/oder axial äußeren Seiten des U-förmigen Ringteils 4 wurden von dem Lagerteil 9 entfernt. Die Figur zeigt einen Lagerring, in dem die Werkstoffe entlang der vollen Breite des Teils ausgerichtet sind, aber es könnte auch so sein, dass der erste Werkstoff 5 nur in einem ausgewählten Bereich des Lagerteils 9 verwendet ist, zum Beispiel in einer Laufbahn oder einem Flansch (in der Figur nicht gezeigt). Beim Fügen von mehreren Flanschen etc., die aus dem ersten Werkstoff 5 gefertigt sind, können mehrere U-förmige Ringteile gleichzeitig verwendet werden.
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1b zeigt einen Querschnitt eines Lagerteils 9, das durch das erfindungsgemäße Verfahren gefügt wurde, wobei das Lagerteil 9 eine Rolle ist. Die Lagerrolle umfasst ein Kernteil 2 und einen ersten Werkstoff 5, wobei das Diffusionsschweißen zwischen dem Kernteil 2 und einem ersten Werkstoff 5 stattgefunden hat, wo sich eine Seite des U-förmigen Ringteils 4 befindet. Die radial und/oder axial äußeren Seiten des U-förmigen Ringteils 4 wurden von dem Lagerteil 9 entfernt. Die Figur zeigt eine Rolle, in der die Werkstoffe entlang der vollen Breite der Rolle ausgerichtet sind, aber es könnte auch so sein, dass der erste Werkstoff 5 nur in einem ausgewählten Bereich der Rolle verwendet ist, zum Beispiel in der Hauptwälzfläche oder an den Rändern der Rolle etc.
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2 zeigt ein Diagramm einer gewünschten Änderung des Kohlenstoffgehalts gemäß der Erfindung. Die Änderung des Kohlenstoffgehalts aufgrund des Fügeprozesses kann in dem Diagramm beobachtet werden, da mit dem Fortschreiten des Fügeprozesses 1t, 2t und 3t immer mehr Kohlenstoff aus dem ersten Werkstoff 5 und dem Kernteil 2 in den Werkstoff des U-förmigen Ringteils 4 diffundiert. Am stärksten ist die Diffusion aus dem kohlenstoffreichen Ringteil 4. Der Kohlenstoffgehalt des ersten Werkstoffs 5 und des Ringteils 4 beträgt in diesem Beispiel fast 1 bzw. 3 Gew%. Hier ist deutlich zu erkennen, dass der Kohlenstoffgehalt an keinem Punkt erheblich angestiegen ist, was ein Hinweis darauf ist, dass der Kohlenstoff weder Zementite noch komplexere Karbide gebildet hat, die im Vergleich zu dem umgebenden Gefüge größer sein können, zum Beispiel ein martensitisches Gefüge, also in der Regel schwächer als die umgebenden Werkstoffe. Dies wäre bei leistungsstarken mechanischen Bauteilen, zum Beispiel qualitativ hochwertigen Lagerteilen, nicht akzeptabel. In dieser Figur ist in dem U-förmigen Ringteil 4 zwischen dem zu fügenden ersten Werkstoff 5 und dem Kernteil 2 nur ein Werkstoff gezeigt. In dem U-förmigen Ringteil 4 könnten sich auch Schichten aus geeigneten, dem Fachmann bekannten Werkstoffen befinden, um die Ergebnisse gemäß dem hierin beschriebenen Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzielen. Die Entfernungseinheit der X-Achse ist in diesem Diagramm nicht angegeben, da sie mehr als ein Beispiel dient, welches das Prinzip mit übertriebenen Größenverhältnissen beschreibt, aber ein typischer Abstand, bei dem dies auftreten würde, wäre 5–20 mm von der Oberfläche eines zu fügenden Bauteils, zum Beispiel von dem Lagerring, und die typische Dicke des dritten Werkstoffs ist in der Größenordnung von Millimetern, typischerweise 0,5 bis 5 mm. Andere Dicken können verwendet werden, zum Beispiel bis zu 10 mm Dicke.
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3 zeigt das Lagereinzelteil 1, das in dem Verfahren zur Herstellung eines Radiallagerrings gemäß der Erfindung verwendet werden soll. Das Kernteil 2 ist mit dem U-förmigen Ringteil 4 zu sehen, das an und entlang der Umfangsfläche 3 des Kernteils 2 befestigt ist. Das U-förmige Teil ist mit einer seiner beiden gegenüberliegenden Seiten 7 befestigt, in diesem Fall der radial inneren Seite, was darauf hinweist, dass ein Innenring hergestellt werden soll, da sie an der radial äußeren Umfangsfläche des Rings befestigt ist. Der erste Werkstoff (5 in 4) wird in den Raum 6 gefüllt, der durch die U-Form gebildet wird; die U-Form, die sich als das Ringteil 4 offenbart hat, ist in einer radialen Querschnittsansicht in Achsrichtung des Ringteils 4 zu sehen. Dasselbe Prinzip würde gelten, wenn eine Rolle hergestellt werden sollte, nur dass das Kernteil 2 des Lagerteils 1 massiv statt hohl wäre, es sei denn, es sollte eine Hohlrolle hergestellt werden. Das U-förmige Ringteil 4 könnte auch aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, sodass eine der gegenüberliegenden Seiten 7 die Beziehung erfüllt, dass die Kohlenstoffaktivität größer ist als die Kohlenstoffaktivität des ersten Werkstoffs 5, was bedeutet, dass Kohlenstoff aus der gegenüberliegenden Seite 7 des Ringteils 4 eindiffundiert wird, sodass der erste Werkstoff zu einer Anreichung der Oberfläche des ersten Werkstoffs 5 mit Kohlenstoff führt, um die Oberfläche weiter zu verbessern. D. h. ein Teil des U-förmigen Ringteils hat einen Werkstoff, um das Fügen von Werkstoffen während des Diffusionsschweißens zu erleichtern, während ein anderes Teil des Ringteils 4 einen Werkstoff enthält, der zur Oberflächenanreicherung mit Kohlenstoff dient.
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4 zeigt das Lagereinzelteil 1, das in dem Verfahren zur Herstellung eines Axiallagerrings gemäß der Erfindung verwendet werden soll. Das Kernteil 2 ist mit dem U-förmigen Ringteil 4 zu sehen, das an und entlang der Umfangsfläche 3 des Kernteils 2 befestigt ist. Das U-förmige Teil ist mit seiner Grundseite 8 befestigt. Der erste Werkstoff 5 wurde in den Raum gefüllt (6 in 3), der durch die U-Form gebildet wird; die U-Form, die sich als das Ringteil 4 offenbart hat, ist in einer radialen Querschnittsansicht in Achsrichtung des Ringteils 4 zu sehen.
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5 zeigt das Lagereinzelteil 1, das in dem Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (9 in 1a und 1b) gemäß der Erfindung verwendet werden soll, wie es in 3 offenbart ist, nur dass an dem Kernteil 2 mehrere U-förmige Ringteile 4 befestigt sind. In diesem Fall werden mehrere U-förmige Ringteile 4 verwendet, um Flansche herzustellen.
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6 zeigt das Lagereinzelteil 1, das in dem Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (9 in 1a und 1b) gemäß der Erfindung verwendet werden soll, wie es in 4 offenbart ist, nur dass an dem Kernteil 2 mehrere U-förmige Ringteile 4 befestigt sind. In diesem Fall werden mehrere U-förmige Ringteile 4 verwendet, um Flansche herzustellen.
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7 zeigt das Lagereinzelteil 1, das in dem Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (9 in 1a und 1b) gemäß der Erfindung verwendet werden soll, wie es in 3 offenbart ist, nur dass mehrere U-förmige Ringteile 4 verwendet werden. In diesem Fall werden mehrere U-förmige Ringteile 4 verwendet, um Flansche herzustellen. Die U-förmigen Ringteile 4 zur Herstellung von Flanschen werden an einem anderen U-förmigen Ringteil 4 zur Herstellung einer Lagerlaufbahn befestigt, das an dem Kernteil 2 befestigt ist. Dies kann nützlich sein, wenn es vorteilhaft ist, für die Laufbahn und den Flansch Werkstoffe unterschiedlicher Qualität zu verwenden.
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8 zeigt ein Diagramm, das eine unerwünschte Spitze 10 des Kohlenstoffgehalts darstellt. Der Kohlenstoff hat sich deutlich von dem einem Werkstoff zu dem anderen verschoben. Der Kohlenstoffgehalt übersteigt eindeutig die Kohlenstoffgehalte von einem der Werkstoffe von 3,5 Gew% und erreicht an einem Punkt fast 5 Gew% Kohlenstoff in einer Tiefe von 20 mm von der Oberfläche der zu fügenden Werkstoffe, in diesem Fall ein Lagerring. Die Kurve ist nicht linear. Der Kohlenstoffgehalt ist entlang eines Querschnitts der gefügten Werkstoffe zu messen, wobei der Querschnitt senkrecht zu der Fläche gebildet wird, wo die zwei Werkstoffe aneinanderstoßen. In diesem Sinne muss die zu fügende Fläche keinesfalls flach sein, da auch abgerundete Flächen eine senkrechte Richtung haben.
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9 zeigt ein Diagramm, das einen Phasenanteil während der unerwünschten Spitze (5 in 7) in der Änderung des Kohlenstoffgehalts von 8 darstellt. Aus den Simulationen bei Prozesstemperatur ist deutlich zu erkennen, dass der Anstieg des Kohlenstoffgehalts, der auf nicht-lineare Weise über den Kohlenstoffgehalt von einem der Werkstoffe hinausging, einen Bereich zur Folge hatte, in dem das austenitische (fcc, d h. kubisch-flächenzentrierte) Gefüge stark zugenommen hat, während sich gleichzeitig ein größerer Anteil an schwächeren spröden Gefügephasen wie Zementit-(cem)Netzwerke oder andere komplexe Metallcarbide gebildet hat. Beide Gefüge änderten in einer Tiefe ab 20 mm von der Oberfläche des Lagerteils ihren Anteil am Gesamtgefüge von etwa 10 % auf etwa 90 %. Dies kann die Festigkeit von einem oder beiden der zwei gefügten Werkstoffe deutlich reduzieren. Das Zementitgefüge muss nicht zwingend während des Fügevorgangs als solchem auftreten, aber der höhere Kohlenstoffgehalt könnte reagieren und während einer nachfolgenden Wärmebehandlung eine schwache und brüchige Zementitphase bilden. In einer Tiefe ab 21 mm von der Oberfläche des Lagerteils kann man wieder die normalen Oberflächenanteile der Werkstoffe bei Verfahrenstemperatur sehen, die zu einem großen Teil aus Zementit und austenitischem Gusseisen bestehen.
