DE19529379A1 - Wälzlagerkäfig und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Wälzlagerkäfig und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig aus einem Eisenwerkstoff, dessen
Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Auflage versehen ist sowie ein Ver
fahren zu seiner Herstellung.
Derartige Käfige sind seit längerem bekannt. So ist in der DE-OS 25 56 745 ein
Wälzlagerkäfig aus unlegiertem bzw. niedriglegiertem Stahl beschrieben, in
dessen Oberflächenschicht Nickel eindiffundiert ist. Dazu wird der Käfig nach
einer mechanischen Bearbeitung mit einer Nickelschicht versehen. Danach wird
der Käfig zweckmäßig unter Schutzgas oder im Vakuum auf eine Temperatur
erwärmt, bei der die aufgebrachte Nickelschicht teilweise in das Metallgitter des
Grundmaterials eindiffundiert. Mit dieser erfindungsgemäßen Behandlung wird
erreicht, daß die Gleiteigenschaften wesentlich verbessert werden, so daß der
Verschleiß erheblich vermindert wird.
Der Nachteil solcher Käfige besteht darin, daß die auf die Oberfläche des Käfigs
aufgebrachte Schicht zumindest einen zusätzlichen Arbeitsgang erfordert und
somit die Herstellung des Käfigs verteuert.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Käfig wesentlich einfacher
herzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wälzlagerkäfig
aus einem ein- oder beidseitig plattierten Band gerollt ist, dessen beide Enden
miteinander verschweißt sind, wobei das Plattiermaterial gute Gleitlaufeigen
schaften aufweist und/oder als Diffusionssperre wirkt. Unter Plattieren ist hierbei
zu verstehen, daß auf die Oberfläche eines Grundmetalls ein Deckmetall
aufgebracht wird und durch Pressen oder Walzen fest mit dem Grundmetall
verbunden ist. Aber auch die galvanische Beschichtung eines Grundmetalls mit
einem Deckmetall fällt in diesem Zusammenhang unter den Begriff Plattieren.
Dadurch wird erreicht, daß die verbesserten Gleiteigenschaften des Wälzlager
käfigs ohne eine nachträgliche Bearbeitung anfallen und somit dessen Her
stellung wesentlich verbilligt werden kann. Plattiertes Band ist in mannigfaltigen
Abmessungen und Ausführungen je nach dem gewünschten Verwendungszweck
mit unterschiedlicher Plattierauflage erhältlich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß über die Stärke und Zusammensetzung
der Plattierauflage die Diffusion des Kohlenstoffes in das Innere des Käfigwerk
stoffes gesteuert werden kann, d. h. die Einhärtetiefe bestimmt werden kann.
Dies ist bei geschweißten Käfigen von Bedeutung, da eine übermäßige Auf
kohlung (Durchhärtung) der Schweißnaht so verhindert werden kann. Insbesondere
für gesamtgehärtete Hülsenlager ist dies von Wichtigkeit, da die die Bela
stung aufnehmende Nadelhülse eine Einhärtetiefe aufweisen muß, die bei einem
unplattierten Wälzlagerkäfig zu dessen Durchhärtung und somit zu dessen
Bruchgefährdung führt. Nach dem bisherigen Stand der Technik lag die Stärke
des Wälzlagerkäfigs immer unter der Stärke der Nadelhülse und dieser war
somit durch die Durchhärtung bruchgefährdet, bei geschweißten Käfigen ins
besondere im Bereich der Schweißnaht. Man war daher gezwungen, den
Wälzlagerkäfig zur Verhinderung der Durchhärtung aus einem stärkeren Materi
al zu fertigen, als eigentlich erforderlich war.
Zweckmäßigerweise verwendet man zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Käfigs ein kaltwalzplattiertes Stahlband, wobei der Grundwerkstoff aus St4,
Ck15 oder niedrig legiertem Einsatzstahl besteht und der aufplattierte Werkstoff
ein- oder beidseitig aus Nickel, Chrom-Nickel-Stahl, einer Nickellegierung,
Kupfer, Messing oder anderen NE-Metallen besteht. Die Schichtdicke liegt dabei
im Bereich zwischen 0,5 und 10% der Gesamtblechstärke.
Besonders eignet sich Nickel oder nickellegiertes Plattiermaterial. Es wurde
festgestellt, daß im Falle einer Einsatzhärtung, Karbonitrierung oder Nitrocarbu
rierung Nickel oder nickellegierte Plattierungsschichten diaphragmaähnliche
Eigenschaften aufweisen, so daß die Oberflächenaufkohlung nur noch 50% des
Randkohlenstoffgehaltes einer nichtplattierten Oberfläche ergibt. Der Stickstoff
gehalt wird aufgrund eines derartig plattierten Werkstoffes völlig eliminiert, so
daß er nicht in das Käfiginnere eindiffundieren kann und dieser nicht versprö
det. Stickstoff verbessert zwar den Verschleiß von Stahloberflächen, setzt aber
die Zähigkeit herab.
Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäß plattierten Wälzlagerkäfigs besteht
darin, daß die geschnittenen Verschleißzonen, d. h. die Teile des Käfigs, die
beim Stanzen der Käfigtaschen freigelegt werden, von der Plattierauflage nicht
bedeckt werden und somit ungehindert aufgekohlt werden können. Die Ränder
der Taschen haben somit die für das Anlaufen der Wälzkörper erforderliche
Verschleißhärte. Andererseits wird aber auch beim Stanzvorgang der Wälzkör
pertaschen ein Teil der Plattierauflage an die Anlaufkante der Wälzkörper, d. h.
an den Tascheninnenrand verbracht, so daß die Reibung zwischen Wälzkörper
und Taschenbegrenzung durch das Plattiermaterial vermindert wird.
Die Plattierungsauflage des Käfigwerkstoffes ist insbesondere im Schweißnaht
bereich von überragender Bedeutung. Im Bereich der Schweißnaht wird auf
grund der Widerstandsstumpfschweißtechnik der Plattierwerkstoff, der eventuell
durch das Stanzeinziehen vorhanden ist, herausgequetscht und bildet mit den
plattierten Oberflächen beim Schweißen eine Art Überzug auch über die
Schweißwulst hinweg, so daß eine Kohlenstoffdiffusion nur noch gemildert in
diesem ansonsten kleinsten Querschnitt erfolgt und somit ein ausreichend zäher
Kern erhalten bleibt. Nicht herausgequetschte Plattier-Werkstoffpartikel, z. B.
Nickel, legieren sich mehr oder weniger intensiv im Schmelzbereich und
verleihen dem Käfigwerkstoff zusätzliche positive Eigenschaften, wie z. B.
höhere Zähigkeit oder ein inniges Verschweißen, da bestimmte Werkstoffe, wie
beispielsweise Nickel, eine sehr günstige Schweißneigung haben und der
Schmelztemperaturbereich im Bereich von Stahl liegt. Auf diese Weise wird
durch die Plattierauflage und der damit einhergehenden Veränderung der
Schweißnaht dem Schweißnahtbereich eine mehrfache Dauerfestigkeitssteige
rung nach dem Einsatzhärten, dem Nitrocarburieren oder dem Nitrieren ver
liehen. Es ist somit möglich, einen dynamisch hoch belastbaren Wälzlagerkäfig
prozeßsicher und kostengünstig herzustellen.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist vorgesehen,
daß die einseitige Plattierauflage den Käfig an den Stellen bedeckt, an denen im
Betriebszustand andere Teile gegen ihn gleiten. Je nach Ausführung des Käfigs,
d. h. ob dieser außen- oder innengeführt ist, ist dabei entweder die dem Außen
ring oder die dem Innenring zugewandte Mantelfläche des Wälzlagerkäfigs
teilweise plattiert. An welcher Stelle dann das Käfigband plattiert ist, hängt von
der jeweiligen Käfigform ab.
Nach Anspruch 3 besteht die Plattierauflage aus Nickel, einer Nickellegierung,
Kupfer, einer Kupferlegierung oder Silber. Aber auch weitere NE-Metalle sind
denkbar. So eignet sich beispielsweise eine Nickel/Eisen- oder eine Chrom/-
Nickel-Schicht insbesondere für eine doppelseitige Plattierauflage. Diese Varian
te wird dann angewendet, wenn das vager einer Gesamthärtung unterworfen
wird. In der bereits beschriebenen Weise wirkt die beidseitige Plattierauflage als
Diffusionssperre und verhindert somit die Durchhärtung des Wälzlagerkäfigs.
Da in diesem Fall zweckmäßiger Weise die Käfigstirnringe nicht mit der Plattier
schicht versehen sind, werden sie voll aufgekohlt, erhalten somit die erforderli
che Härte und garantieren die geforderte Käfigstabilität.
Es ist nach Anspruch 4 auch möglich, die vorstehend beschriebenen Vorteile
eines walzplattierten Käfiges durch eine galvanisch aufgebrachte Schicht zu
realisieren. Dies ist insbesondere für gesamtgehärtete Hülsenlager von Bedeu
tung, da die nach dem Zusammenschweißen der Bandenden unmittelbar vor
einem Einsatzhärteprozeß auf den Käfig galvanisch aufgebrachte Schicht die
Diffusion von Kohlenstoff in dem gleichen Maße beeinflußt, wie es eine walz
plattierte Schicht tut. Das zugehörige Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß
der Wälzlagerkäfig aus einem Band gerollt ist und an beiden Enden miteinander
verschweißt wird, daß der Wälzlagerkäfig ganz oder teilweise mit einer galvani
schen Schicht versehen wird, wobei die galvanische Schicht gute Gleitlaufeigen
schaften aufweist und als Diffusionssperre wirkt, und daß anschließend das
gesamte Wälzlager mit Innen- und/oder Außenring sowie Wälzkörper gesamt
gehärtet wird.
Natürlich kann, wie in Anspruch 5 beschrieben, der Käfig auch derart gefertigt
werden, daß zunächst ein Band ganz oder teilweise mit einer galvanischen
Schicht versehen wird, dieses beschichtete Band zu einem Käfig gerollt und an
seinen beiden Enden miteinander verschweißt wird, bevor das gesamte Wälz
lager einer Härtung unterworfen wird.
Schließlich geht aus Anspruch 6 hervor, daß die die Diffusion behindernde
Wirkung bzw. die Gleitlaufeigenschaften verbessernde Wirkung des Plattierma
terials auch für nicht geschweißte Axialkäfige in besonders vorteilhafter Weise
angewendet werden kann. Da bei Axiallagern durch das Abrollen der zylin
drischen Wälzkörper auf einer kreisförmigen Laufbahn unvermeidlich Schlupf
auftritt und durch Gleitbeanspruchung der Wälzkörper starker Anlauf in den
Taschen erfolgt, eignet sich besonders mit Nickel plattiertes Band.
Wie bereits beschrieben, wird beim Ausstanzen der Käfigtaschen ein Teil der
Anlaufkanten mit Plattierauflage überzogen. Dies hat zur Folge, daß einerseits
nicht von Plattiermaterial bedeckte Stellen der Anlaufkanten ungehindert aufge
kohlt werden können, während andererseits die mit Plattiermaterial bedeckten
Stellen tribologisch günstigere Bedingungen schaffen. Hinzu kommt, daß Nickel
bei einer Wärmebehandlung Spuren von C- und N-Atomen aufnimmt, so daß es
nochmals zu einer Härtesteigerung der nickelplattierten Oberfläche kommt.
Sinn und Zweck derartig hergestellter Axialkäfige sind Axiallagereinheiten, die
einer Gesamthärtung unterworfen werden können, so daß ein Lager mit hoher
Dauerfestigkeit und geringen Reibungsverlusten kostengünstig herstellbar ist.
Nun sind zwar galvanisch beschichtete Käfige bereits seit längerem bekannt. So
werden beispielsweise in der bereits zitierten DE-OS 25 56 745 verkupferte
bzw. versilberte Käfige erwähnt. Diese Vorveröffentlichung liefert jedoch keinen
Hinweis auf die mögliche Verwendung der galvanisch aufgebrachten Schicht
zur Beeinflussung der Diffusion von Kohlenstoff. Ziel dieser Entwicklung war es
vielmehr, den Abrieb durch Verschleiß des Käfigs und der mit dem Käfig in
gleitender Berührung befindlichen Lagerteile zu vermindern.
Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines plattierten Nadelkäfigs;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Käfigtasche eines Käfigs nach
Fig. 1;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf eine Käfigtasche
nach Fig. 1 bzw. Fig. 2;
Fig. 4 den Verlauf von Kohlenstoff- bzw. Stickstoffgehalt an plattier
tem bzw. unplattiertem Käfigband in Abhängigkeit vom Rand
abstand;
Fig. 5 den Härteverlauf an plattiertem bzw. unplattiertem Band in
Abhängigkeit vom Randabstand;
Fig. 6 die Schweißnahtfestigkeit eines plattierten und eines nicht
plattierten Käfigs.
Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Käfig besteht aus Borden 1 und 2, die
durch eine Anzahl gleichmäßig um den Umfang verteilte profilierte Stege 3
miteinander verbunden sind. Die so entstehenden Taschen 4 zur Aufnahme von
Wälzkörpern 5 werden einerseits durch die Borde 1 und 2 sowie andererseits
durch die Stege 3 begrenzt. Die Stege 3 sind in Richtung Lagermittelpunkt über
den Wälzkörperteilkreis durchgekröpft und bestehen aus zwei an die Borde 1
und 2 sich anschließende Abschnitte 6 und 7, die parallel zur Käfigachse
verlaufen. Die Abschnitte 6 und 7 liegen außerhalb des Teilkreises und gehen
in je einen schräg zur Käfigachse gerichteten Abschnitt 8 und 9 über, die sich
wiederum zu einem parallel zur Käfigachse verlaufenden und innerhalb des
Teilkreises liegenden Abschnitt 10 vereinen. Die inneren Kanten der Stegab
schnitte 10 begrenzen das radiale Spiel der Wälzkörper 5 nach innen, während
das radiale Spiel nach außen durch die äußeren Stegabschnitte 6 und 7 be
grenzt wird. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Wälzlagerkäfig aus
einem Band gerollt, dessen beide Ende durch Schweißstellen 11 miteinander
verbunden sind.
Erfindungsgemäß ist der M-förmige Wälzlagerkäfig an seiner dem Lageraußen
ring zugewandten Mantelfläche mit einer einseitigen Plattierauflage 12 ver
sehen, die sich über die gesamte Breite des Käfigs, d. h. über die Borde 1 und
2, sowie die Abschnitte 6, 7, 8, 9 und 10 erstreckt. Wie bereits ausführlich
beschrieben, läßt sich über die Plattierauflage 12 die mit 13 bezeichnete Ein
härtetiefe beeinflussen. Aufgrund der einseitigen Plattierung 12 ist im vorliegen
den Beispiel die Einhärtetiefe 13 der äußeren Mantelfläche des Käfigs in Rich
tung Lageraußenring geringer als die Einhärtetiefe 13 der inneren Mantelfläche
des Käfigs in Richtung Lagerinnenring. Das Durchhärten des Käfigs mit seinen
negativen Folgen wird somit vermieden. Da beim Stanzvorgang die inneren
Führungsflächen 14 des Käfigs von der Plattierauflage 12 befreit sind, kann der
vorhandene Kohlenstoff an diesen Stellen ungehindert über die Taschen 4 in
den Käfig eindiffundieren. Die Einhärtetiefe 13 der Taschen 4 in Umfangs
richtung liegt daher im gleichen Bereich wie die Einhärtetiefe 13 im Bereich der
inneren Mantelfläche. Aus Fig. 3 ist weiter erkennbar, daß die Einhärtetiefe 13
in jedem Fall in ihrer Ausdehnung kleiner als die Schweißnaht 11 ist.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt. Es ist eine Vielzahl von unterschiedlich geformten Käfigen denkbar,
aus einem Stück oder durch Fügeverfahren zu einer Einheit zusammengesetzt,
die entweder ein- oder beidseitig mit den verschiedensten Materialien beschich
tet sein können. So fällt es beispielsweise auch unter den Erfindungsgedanken,
wenn der in Fig. 2 dargestellte Wälzlagerkäfig keine Borde 1 und 2 aufweist,
sondern nur aus den Abschnitten 6, 7, 8, 9 und 10 besteht und beidseitig
plattiert ist. Eine solche Käfigform wird vorzugsweise immer dann verwendet,
wenn das Lager einer Gesamthärtung unterworfen wird. Die Stabilität des Käfigs
wird in diesem Fall auch dadurch gesichert, daß an den Stirnringen eine unge
hinderte Eindiffusion des Kohlenstoffes möglich ist.
Aber auch die Verwendung von partiell plattiertem Band fällt unter den Erfin
dungsgedanken. So ist es beispielsweise möglich, daß der in Fig. 2 dargestellte
Wälzlagerkäfig nur an den Stellen mit einer Plattierauflage versehen ist, an
denen im Betriebszustand andere Teile gegen ihn gleiten. Im vorliegenden Fall
wären das die Borde 1 und 2 sowie die waagerecht zur Käfigachse außerhalb
des Teilkreises liegenden Abschnitte 6 und 7. Auf diese Weise ließe sich wert
volles Plattiermaterial einsparen.
In Fig. 4 ist der Gehalt an Kohlenstoff bzw. Stickstoff in Abhängigkeit vom
Randabstand der Probe bei einem carbonnitrierten Käfigband dargestellt. Es ist
klar erkennbar, daß durch die Nickelplattierung die Diffusion des Stickstoffes
fast vollständig und die Diffusion des Kohlenstoffes um mindestens 35 Prozent
verringert wird.
Aus der in Fig. 5 dargestellten Abhängigkeit der Härte vom Randabstand ist
ersichtlich, daß bei einem herkömmlichen unplattierten Band eine Durchhär
tung des Bandes auftritt (Kern ≈ 500 HV), während bei einem plattierten Band
eine Durchhärtung vermieden wird (zäher Kern mit ≈ 200 HV).
Schließlich ist aus Fig. 6 erkennbar, daß die Schweißnahtfestigkeit, d. h. die
Mindestfestigkeit eines plattierten Käfigs im Vergleich zu einem nichtplattierten
sowie einsatzgehärteten und angelassenen Käfig von etwa 60 N auf etwa 300
N gesteigert werden konnte.
Bezugszeichenliste
1 Bord
2 Bord
3 Steg
4 Tasche
5 Wälzkörper
6 Abschnitt
7 Abschnitt
8 Abschnitt
9 Abschnitt
10 Abschnitt
11 Schweißstelle
12 Plattierauflage
13 Einhärtetiefe
14 Führungsfläche
2 Bord
3 Steg
4 Tasche
5 Wälzkörper
6 Abschnitt
7 Abschnitt
8 Abschnitt
9 Abschnitt
10 Abschnitt
11 Schweißstelle
12 Plattierauflage
13 Einhärtetiefe
14 Führungsfläche
Claims (6)
1. Wälzlagerkäfig aus einem Eisenwerkstoff, dessen Oberfläche ganz oder
teilweise mit einer Auflage versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wälzlagerkäfig aus einem ein- oder beidseitig plattieren Band gerollt ist, dessen
beide Enden miteinander verschweißt sind, wobei das Plattiermaterial (12) gute
Gleitlaufeigenschaften aufweist und/oder als Diffusionssperre wirkt.
2. Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einseitige
Plattierauflage (12) den Käfig an den Stellen bedeckt, an denen im Betriebs
zustand andere Teile gegen ihn gleiten.
3. Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattier
auflage (12) aus Nickel, einer Nickellegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung
oder Silber besteht.
4. Verfahren zur Herstellung eines aus einem Eisenwerkstoff hergestellten, an
seiner Oberfläche ganz oder teilweise mit einer Auflage versehenen Wälz
lagerkäfigs für Wälzlager dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzlagerkäfig aus
einem Band gerollt und an beiden Enden miteinander verschweißt wird, daß der
Wälzlagerkäfig ganz oder teilweise mit einer galvanischen Schicht versehen
wird, wobei die galvanische Schicht gute Gleitlaufeigenschaften aufweist und
als Diffusionssperre wirkt, und daß anschließend das gesamte Wälzlager mit
Innen- und/oder Außenring sowie Wälzkörpern gesamtgehärtet wird.
5. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Band ganz oder teilweise mit einer galvanischen Schicht versehen wird,
wobei die galvanische Schicht gute Gleitlaufeigenschaften aufweist und als
Diffusionssperre wirkt, daß dieses beschichtete Band zu einem Käfig gerollt und
an beiden Enden miteinander verschweißt wird, und daß anschließend das
gesamte Wälzlager mit Innen- und/oder Außenring sowie Wälzkörpern gesamt
gehärtet wird.
6. Wälzlagerkäfig nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wälzlagerkäfig als ein Axialkäfig ausgebildet ist und aus
einem ein- oder beidseitig plattierten Band hergestellt ist, wobei das Plattierma
terial (12) gute Gleitlaufeigenschaften aufweist und/oder als Diffusionssperre
wirkt.
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