DE19524957A1 - Wälzlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines solchen Lagers und die Verwendung desselben.

Ein Problem bei Wälzlagern z. B. im Kraftfahrzeugbereich ist der Betrieb mit Feststoffpartikeln im Schmierstoff. Ist es nicht oder nicht wirtschaftlich möglich, das Eindringen von Fremdkörpern in das Lager zu vermeiden, so wird die Lebensdauer der betroffenen Lager drastisch reduziert.

Der durch Schmutz verursachte Ausfallmechanismus bei Wälzlagern sieht folgendermaßen aus:

• - Die Überrollung von Schmutzpartikeln führt zu einer einmaligen Überhöhung der Beanspruchung auf der Laufbahn an der betroffenen Stelle. Dies ist für die betroffene Stelle ein einmaliger Vorgang, der in den meisten Fällen nicht unmittelbar zu einem die Gebrauchsfähigkeit des Lagers beendenden Schaden führt.
• - Durch das Überrollen von Schmutzpartikeln entstehen abhängig von der Härte der Partikel und davon, ob diese dabei zerbrechen oder nicht, unterschiedlich geformte Eindrücke in der Laufbahn, samt umgebenden Materialaufwerfungen und Störungen des Eigenspannungszustandes. Diese stellen die eigentliche Schädigung für den weiteren Betrieb des Wälzlagers dar.
• - An den Eindrücken werden bei der Überrollung die Lastverteilung im Hertzschen Kontakt, die Kinematik und die Schmierungsverhältnisse gestört. Damit wird dort die Belastung der Kontaktfläche und der darunter liegenden Werkstoffbereiche erhöht. Dieser Effekt bleibt nach Entstehung des Eindruckes für alle folgenden Überrollungen im Prinzip erhalten, nur das Ausmaß der Beanspruchungserhöhung wird durch eventuelle spätere plastische Verformung der Randaufwerfungen des Eindruckes bzw. durch Anriß- oder Pittingbildung an diesen Stellen noch verändert.
• - Die Schädlichkeit eines solchen Eindruckes hängt von der Höhe seiner Randaufwerfung, seiner Größe in Bezug auf die Größe des Kontaktgebietes und seiner Lage in Bezug auf die Überrollrichtung ab.
• - Die plastische Verformung des Eindruckrandes und die dort überhöhten Beanspruchungen (Normalspannungen durch gestörte Kontaktgeometrie, Schubspannungen durch gestörte Schmierung) führen zur beschleunigten Werkstoffermüdung und zur Schadensbildung (Anrisse, Pittings). Häufigste Schadensform ist das in Überrollrichtung einem Eindruck nachgelagerte sog. V-Pitting.

Ein Wälzlager, das gegen Verschmutzung unempfindlich ist, muß also aus einem Werkstoff bzw. Werkstoffgefüge bestehen, welcher bzw. welches folgende Bedingungen erfüllt:

• - Durch die Überrollung von Fremdpartikeln sollen möglichst kleine Eindrücke, vor allem mit sehr geringen Randaufwerfungen entstehen (Härte).
• - Der Werkstoff muß ausreichend plastisches Verformungsvermögen haben, damit nicht bereits beim Überrollen der Schmutzpartikel Risse entstehen (Ermüdungsfestigkeit, Zähigkeit).
• - Die beanspruchungs- bzw. verformungsinduzierte Bildung von unangelassenem Martensit (dieser ist sehr spröde) aus Restaustenit beim Entstehen der Eindrücke muß vermieden werden.
• - Die bei der Entstehung bereits stark verformten und verfestigten Randaufwerfungen der Eindrücke sollen ein möglichst hohes Restverformungsvermögen besitzen, damit sie bei weiteren Überrollungen wieder teilweise eingeglättet werden können.
• - Wird bei der Rückverformung das Verformungsvermögen der Randaufwerfungen erschöpft oder kommt es zur verformungsinduzierten Bildung von Martensit, so entstehen Anrisse, die zur Pittingbildung führen. Dies ist zu vermeiden.

Man hat versucht (siehe DE 20 49 206 A1), die oben geschilderte Problematik dadurch in den Griff zu bekommen, daß bei Wälzlagern die Laufringe und die Wälzkörper aus durchgehärteten Werkstoffen bestehen, wobei die Wälzkörper eine Randhärte von 62±2 HRC und einen Restaustenitgehalt von max. 10% aufweisen, während die Laufringe im Bereich der Laufbahnen eine Randhärte von 60 HRC und einen Restaustenitgehalt von mind. 10% haben sollen. Daraus ist auch bekannt, Laufringe und Wälzkörper aus durchgehärteten Werkstoffen mit einer Randhärte von mind. 58 HRC und einem Restaustenitgehalt von mind. 10% zu fertigen. Dabei wird auf die positive Wirkung der sich ausbildenden Druckeigenspannungen gehofft und die nachteilige Wirkung des entstehenden spröden unangelassenen Martensits nicht berücksichtigt.

Aus der DE 39 22 720 C2 ist es bekannt, Wälzlagerteile aus einem Manganstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt herzustellen, die noch einer zusätzlichen Aufkohlung oder Carbonitrierung unterworfen werden, wobei ein Einsatz des erhaltenen einsatzgehärteten Manganstahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt 25% bis 45% erhalten gebliebenen Austenit enthalten soll. Eine Optimierung des Werkstoffzustandes auf einen besonders stabilen Restaustenit erfolgt nicht.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Menge an Restaustenit im Lager gar nichts über die Eignung eines Werkstoffes bzw. Werkstoffzustandes für den Betrieb unter verschmutzten Bedingungen aussagt. Wesentlich wichtiger ist die Qualität und der mikrostrukturelle Aufbau des Restaustenits. Dieser sollte gegen thermische und spannungsinduzierte martensitische Umwandlung möglichst stabil sein, um die obengenannten negativen Effekte zu vermeiden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das auch im Betrieb mit Feststoffpartikeln in der Umgebung oder bei Einlagerungen im Schmierstoff eine erhöhte Lebensdauer aufweist und gegen Verschmutzung unempfindlich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines derartigen Lagers ist in Anspruch 2 angegeben. Anspruch 3 beinhaltet die spezielle Verwendung solcher Lager.

Damit ist es gelungen, ein Wälzlager zu schaffen, bei dem die Legierungszusammensetzung und die Wärmebehandlung unter Berücksichtigung der geschilderten Erkenntnisse optimal und gezielt auf diese besondere Art der Beanspruchung abgestimmt ist, was eine deutliche Steigerung der Lebensdauer zur Folge hat.

Gleitbeanspruchungen der Laufbahn werden durch das gute Verformungsvermögen des stabilen Restaustenits gleichfalls besser ertragen. Das Schadensakkumulationsvermögen bis zur Anrißbildung wird deutlich verbessert, die Rißausbreitung und damit die Pittingbildung verzögert. Leichte Gleitbeanspruchungen helfen dabei sogar, Randaufwerfungen von Fremdpartikeleindrücken schneller zurückzuverformen. Vorteilhaft wirkt sich auch der Restaustenitzustand aus, der neben einer guten Verformbarkeit ein starkes Verfestigungsvermögen aufweist, da damit der Anrißbildung entgegen gewirkt wird.

Der nach Anspruch 1 und 2 erzeugte Restaustenit ist bei mehrachsiger Beanspruchung unterhalb der zyklischen Streckgrenze und bei thermischer Belastung bis max. 120°C mindestens 2000 Std. stabil.

Die Erfindung soll an einigen Schaubildern näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Tabelle einer vergleichenden Lebensdaueruntersuchung,

Fig. 2 eine Vergrößerung von Pittings,

Fig. 3 Vergrößerte Randaufwerfungen an Eindrücken harter Fremdkörper,

Fig. 4 ein Schema einer Schädigung der Laufbahn durch eingedrückte Partikel,

Fig. 5 eine Grafik der Lebensdauervergleiche.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, haben die erfindungsgemäßen Wälzlager gegenüber den Standardlagern besonders unter ungüstigen Bedingungen eine zum Teil 5fach höhere Lebensdauer. Verglichen wurde ein Standardlager 7205B mit einem erfindungsgemäßen Lager bei einer Drehzahl von 12000 U/min und die Lebensdauer L₁₀ und L₅₀ in Stunden.

Aus Fig. 2 links ist deutlich die plastische Verformung des Eindruckrandes zu sehen. Die dort auftretenden überhöhten Beanspruchungen (Normalspannungen durch gestörte Kontaktgeometrie, Schubspannungen durch gestörte Schmierung) führen zur beschleunigten Werkstoffermüdung und zur Schadensbildung (Anrisse, Pittings). Die häufigste Schadensform, das in Überrollrichtung einem Eindruck nachgelagerte V-Pitting ist deutlich zu sehen. Die linke Bildhälfte stammt von einem Pitting, das von einem Eindruck ausgeht, während die rechte Bildhälfte ein "klassisches" Pitting zeigt.

Die in Fig. 3 dargestellten verformten Randaufwerfungen sind bei ihrer Entstehung bereits verfestigt. Sie weisen bei dem erfindungsgemäßen Lager jedoch ein hohes Restverformungsvermögen auf, wodurch sie bei weiteren Überrollungen wieder teilweise eingeglättet werden.

Wie aus dem Schema in Fig. 4 zu ersehen ist, ragen die Randaufwerfungen über die Schmierfilmdicke hinaus, wodurch Gleitreibung entsteht, die jedoch beim erfindungsgemäßen Wälzlager insofern positiv wirken, als sie ein Einglätten bei nachfolgenden Überrollungen bewirken.

Die erhöhte Lebensdauer zeigt auch die Grafik in Fig. 5. Sowohl das Standardlager 7205B als auch das erfindungsgemäße Lager waren durch vier Eindrücke HRC ED mit 0,18 mm ⌀ vorgeschädigt und wurden bei Drehzahlen um 12 000 U/min. gefahren.

Claims (3)

1. Wälzlager mit Innenring, Außenring und dazwischen angeordneten, ggf. von einem Käfig auf Abstand gehaltenen Rollkörpern, wobei Innenring und/oder Außenring und/oder Wälzkörper eine Härte von 58-64 HRC und ein Gefüge aus Martensit und Restaustenit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß Innenring, Außenring und Rollkörper aus einem Stahl mit 0,90%-1,30% C, 0,60%-1,20% Si, 1,10%-1,60% Mn und 1,30%-1,70% Cr, Rest Fe und Spuren anderer Elemente bestehen und das Gefüge 7%-25% stabilisierten Restaustenit aufweist.

2. Verfahren zur Wärmebehandlung von Wälzlagerteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des stabilisierten Restaustenits die Wälzlagerteile unmittelbar nach dem Abschrecken bei einer isothermen Umwandlung im Bereich des unterkühlten Austenits einer Temperatur von 60°C-120°C und einer Dauer von bis zu 10 Std. ausgesetzt werden und anschließend ohne vorherige Abkühlung bei 170°C-230°C angelassen werden und erst dann auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie dort verwendet werden, wo in der Umgebung oder im Schmierstoff mit dem Eindringen oder Einlagern von Feststoffpartikeln gerechnet werden muß.