DE4128166A1

DE4128166A1 - ROLLER BEARING FOR CONSTRUCTIONS AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION

Info

Publication number: DE4128166A1
Application number: DE19914128166
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 1991-08-24
Filing date: 1991-08-24
Publication date: 1993-02-25
Also published as: EP0529476A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rollenlager für Bauwerke, insbesondere Brückenbauwerke, bestehend aus wenigstens einer zylinderischen Rolle, die zwischen planparallelen Abrollflächen einer oberen und einer unteren Lagerplatte innerhalb eines begrenzten Wälzerbereichs abrollen, bei denen die Wälzerbe reiche der Rollen einen Werkstoffverbund aufweisen, der im Wege eines eine intermetallische Grenzschicht ausbildenden Ver bindungsverfahrens zwischen einem Grundwerkstoff und einem Arbeitsflächenwerkstoff hergestellt ist.The invention relates to a roller bearing for buildings, in particular bridge structures consisting of at least one cylindrical roller between plane-parallel rolling surfaces an upper and a lower bearing plate within one roll in the limited tome area where the tome rich of the roles have a composite material, which in Ways of forming an intermetallic boundary layer bonding process between a base material and a Worktop material is made.

Derartige Rollenlager sind bekannt, beispielsweise durch die europäische Patentschrift 02 93 648. Die Beanspruchung solcher Rollenlager besteht hauptsächlich in hohem Druck wie auch durch Korrosion. Die Druckbelastung wird in der sog. Hertz′schen Pressung ausgedrückt; die Korrosion wird hauptsächlich durch Wettereinflüsse, besonders bei tiefen Temperaturen, und durch chemischen Angriff z. B. durch aufgesprühtes Salz oder ähnlichen Chemikalien verursacht.Such roller bearings are known, for example from European patent 02 93 648. The stress of such Roller bearing mainly consists in high pressure as well Corrosion. The pressure load is in the so-called Hertzian Pressure expressed; the corrosion is mainly caused by Weather influences, especially at low temperatures, and through chemical attack z. B. by sprayed salt or the like Chemicals.

Bekannte Lager dieser Art bestehen aus einem Verbund von einem Grundwerkstoff, der gut schweißbar sein muß, beispielsweise St 52-3 nach DIN 17 100, mit einem Arbeitsflächenwerkstoff, der 0,20 bis 0,35% C und 12 bis 18% (Cr + Mo) enthält, beispiels weise X 40 Cr 13. Lager dieses Typus sind für eine Hertz′sche Pressung von 1900 N/mm² (amtlich) zugelassen.Known bearings of this type consist of a composite of a base material that must be easy to weld, for example St 52-3 according to DIN 17 100, with a work surface material that is 0.20 to 0.35% C and 12 to 18% (Cr + Mo) contains, for example, X 40 Cr 13. Bearings of this type are approved for a Hertzian pressure of 1900 N / mm ² (officially).

Es besteht seit langem das Bestreben, derartige Lager für höhere Hertz′sche Pressungen herzustellen, und nach weiteren Untersuchungen hat man erkannt, daß die Herstellung höher be anspruchbarer Rollenlager sowohl eine besser zielgerichtete Werkstoffwahl wie auch den Belastungsverhältnissen angepaßtere Stahlbehandlungsverfahren, insbesondere der Rollenkörper erfordert.There has long been a desire to have such bearings for to produce higher Hertzian pressures, and after others Studies have recognized that the manufacture be higher heavy duty roller bearings both a more targeted Choice of materials as well as the load conditions Steel treatment process, especially the roller body required.

Die Rolle des Lagers ist nicht nur der Hertz′schen Pressung (Druck pro Fläche) ausgesetzt, sondern auch andere Spannungen. Die Variation der Spannung ist etwas kompliziert. Wenn eine Rolle auf eine Platte gedrückt wird, ergibt sich eine Kontakt fläche, die so lang ist wie die Rolle und mit der Breite 2a (siehe Fig. 1). In der Oberfläche ist die maximale Druck spannung p0 (=Hertz′sche Pressung). Darüberhinaus gibt es eine Schubspannung Tau. An der Oberfläche ist Tau Null und nimmt zu bis auf einen Maximalwert Tau max. unter der Ober fläche. Der Abstand des Punktes mit Tau max. zur Oberfläche ist 0,78 a. Zwischen der Last P des Lagers und p0 oder a existieren die folgenden Beziehungen.The role of the bearing is not only exposed to Hertzian pressure (pressure per surface), but also other tensions. The variation of the tension is somewhat complicated. If a roller is pressed onto a plate, there is a contact surface that is as long as the roller and with the width 2 a (see Fig. 1). The maximum compressive stress in the surface is p0 (= Hertzian pressure). There is also a shear stress Tau. Tau is zero on the surface and increases to a maximum value of Tau max. under the surface. The distance of the point with rope max. to the surface is 0.78 a. The following relationships exist between the load P of the bearing and p0 or a.

Die Gleichungen 1 und 2 sind nur gültig, wenn die Materialien der Rolle und der Platte den gleichen Elastizitätsmodul haben.Equations 1 and 2 are only valid if the materials the roller and the plate have the same modulus of elasticity.

Die anderen Größen stehen fürThe other sizes stand for

P = Last pro Einheitslänge der Rolle (N/cm)
r = Radius der Rolle (cm)
1/m = Poisson'sche Konstante
E = Elastizitätsmodul (N/cm²)P = load per unit length of roll (N / cm)
r = radius of the roll (cm)
1 / m = Poisson's constant
E = modulus of elasticity (N / cm²)

Aus Gleichung 1 resultiert die Hertz'sche Pressung in N/cm² und aus Gleichung 2 die halbe Breite der Kontaktfläche in cm. Equation 1 gives Hertzian pressure in N / cm² and from equation 2 half the width of the contact area in cm.

Wenn das Rollenlager so ausgebildet wäre, dar die gesamte Bean spruchung der Rollen vollständig im elastischen Bereich bleiben würde, müßten die Rollen für hochbelastete Lager enorme Ab messungen erhalten. Deshalb ist es üblich, eine kleine pla stische Verformung (bis zu 0,3% des Rollendurchmessers) zu zulassen.If the roller bearing were so designed, the entire bean stress of the rollers remain completely in the elastic range would, the roles for heavily loaded bearings would have to be enormous get measurements. That is why it is common to make a small pla static deformation (up to 0.3% of the roll diameter) allow.

Aus diesen Zusammenhängen konnte eine zielführende Konzeption in dem Bestreben gefunden werden, die Beanspruchungsfähigkeit der Lager, vor allem der Rollen derart zu steigern, daß Hertz′sche Pressungen von min. 2500 N/mm², ja bis 3000 N/mm² zugelassen werden können. In Abkehr von der früheren Anschau ungsweise besteht diese darin, daß für die Belastbarkeit des Lagers die Festigkeit oder Härte der äußeren Arbeits- oder Mantelschicht der Rolle bzw. von deren Panzerung oder der Arbeitsschicht der Platten nicht allein maßgeblich ist, sondern daß von entscheidender Bedeutung für die Belastbarkeit die Festigkeit des Grund- oder Kernwerkstoffs der Rolle und/oder der Grundschicht der Platten ist. Bei den früheren Be trachtungen war offenbar der Einfluß der dort auftretenden Kräfte unterschätzt worden.From these connections a goal-oriented concept could be found in the endeavor to increase the load capacity of the bearings, especially the rollers, in such a way that Hertzian pressures of min. 2500 N / mm ² , yes up to 3000 N / mm ² can be approved. In a departure from the previous view, this is that the strength or hardness of the outer working or jacket layer of the roller or of its armor or the working layer of the plates is not solely decisive for the load capacity of the bearing, but that it is of crucial importance for the resilience is the strength of the base or core material of the roll and / or the base layer of the plates. In previous observations, the influence of the forces occurring there had obviously been underestimated.

Im Gegensatz zu den bisherigen Werkstoffpaarungen von Grund-und Arbeitsschichtwerkstoff geht die Erfindung von der neuen Er kenntnis aus, daß der Grundwerkstoff aus einem hochfesten, zähen Vergütungsstahl mit einer Zugfestigkeit von etwa 1000 N/mm², einer Mindestdehnung von 10% und einer Kerbschlagarbeit von ca. 50 J bestehen sollte, während für den Werkstoff der Arbeitsflächen ein hochverschleiß- sowie korrosionsfester, härtbarer Stahl in Betracht kommt, vorzugsweise X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2 oder X 190 Cr VW 18 4. In Abwandlung hiervon ist es nach der neuen Lehre auch möglich, einen kaltverfestig baren Stahl, etwa X 120 Mn 12 oder einen vergleichbaren Werk stoff für die Arbeitsschicht zu verwenden. In contrast to the previous material pairings of base and working layer material, the invention is based on the new knowledge that the base material is made of a high-strength, tough heat-treatable steel with a tensile strength of approximately 1000 N / mm ² , a minimum elongation of 10% and a notch impact energy of approx. 50 J should exist, while a highly wear-resistant and corrosion-resistant, hardenable steel should be considered for the material of the work surfaces, preferably X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2 or X 190 Cr VW 18 4. In a variation of this, it is after The new teaching also makes it possible to use a strain-hardenable steel, such as X 120 Mn 12 or a comparable material for the working layer.

Ein wesentlicher Teil der erfindungsgemäßen Lehre bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung des Rollenlagers. Dabei kommen für das Verbinden des Grundwerkstoffs mit dem Arbeits flächenwerkstoff das schon bisher bekannte Auftragsschweißen und/oder das Heißwalzen in Betracht, vorzugsweise jedoch das Diffusionsschweißen, weil dieses Verfahren sehr unempfindlich auf den Kohlenstoffgehalt der verbundenen Stahlwerkstoffe reagiert.An essential part of the teaching according to the invention relates to a method of manufacturing the roller bearing. Here come for joining the base material to the work surface metal, the previously known cladding and / or hot rolling, but preferably that Diffusion welding because this process is very insensitive on the carbon content of the connected steel materials responds.

Das erfindungsgemäße Verfahren schreibt in einem ersten Ver fahrensschritt vor, ausgehend von dem Rollendurchmesser und der Rollenlänge auf Grund der Formeln 1 und 2 und aus der Graphik Fig. 1 die größte Scherspannung (in N/mm²) und deren Lage (in mm unter der Arbeitsoberfläche) zu ermitteln und daraus für den Rollendurchmesser der Rolle die Mindestdicke der Schicht des Arbeitsflächenwerkstoffs zu bestimmen, die wenigstens das Doppelte des Abstandes der maximalen Scher spannung von der Arbeitsoberfläche betragen soll, woraus sich der Rohdurchmesser der Rolle bestimmt, die aus einem hoch festen, zähen Vergütungsstahl mit etwa 1000 N/mm² Zugfestigkeit hergestellt wird; als gut geeignet hat sich 34 CrNiMo 6 Stahl erwiesen. Die Schichtdicke des Arbeitsflächenwerkstoffs soll im Mittel d/8 bis d/10 betragen, wobei "d" der Enddurchmesser ist. Bei der Bestimmung des Rohdurchmesser der Rolle und der Schichtdicke des Arbeitsflächenwerkstoffs sind ferner die technologischen Bedingungen des gewählten Verbindungsverfahrens zu berücksichtigen.The method according to the invention prescribes in a first process step, starting from the roll diameter and the roll length on the basis of formulas 1 and 2 and from the graph in FIG. 1, the greatest shear stress (in N / mm ² ) and its position (in mm below the Working surface) and determine the minimum thickness of the layer of the working surface material for the roll diameter of the roll, which should be at least twice the distance of the maximum shear stress from the working surface, which determines the raw diameter of the roll, which is made from a high-strength, tough tempering steel with about 1000 N / mm ² tensile strength is produced; 34 CrNiMo 6 steel has proven to be well suited. The layer thickness of the worktop material should be on average d / 8 to d / 10, where "d" is the final diameter. When determining the raw diameter of the roll and the layer thickness of the worktop material, the technological conditions of the selected joining method must also be taken into account.

Das weitere Herstellverfahren kann erfindungsgemäß unter schiedlich ausgestaltet sein, und die zu wählende Verfahrens weise hängt weitestgehend von den Dauerbeanspruchungs-Anfor derungen des Rollenlagers ab. Die geringsten Dauerbeanspruch ungen dürften wohl bei dem Aufbringen der Schicht aus dem Arbeitsflächenwerkstoff durch Auftragsschweißung oder durch Heißaufwalzen bzw. Aufschmieden erbringen, bei welchem darauf folgend ein Härten und Tempern erfolgt. Für das Aufschweißen oder Heißaufwalzen (oder Aufschmieden) eignet sich nach den bisherigen Versuchen der Stahl X 40 Cr 13 sehr gut.According to the invention, the further production process can be carried out under be designed differently, and the method to be chosen wise largely depends on the continuous stress requirements changes in the roller bearing. The least permanent stress in the application of the layer from the Worktop material by cladding or by Perform hot rolling or forging on which one followed by hardening and tempering. For welding or hot rolling (or forging) is suitable according to the previous attempts of the steel X 40 Cr 13 very well.

Die Warmbehandlungsproblematik besteht dabei darin, eine opti male Warmbehandlung durchzuführen, weil die Härtetemperatur beim Grundwerkstoff ca. 830 bis 860°C und beim Arbeitsflächen werkstoff 1000 bis 1050°C beträgt, während das Tempern beim Grundwerkstoff bei 540 bis 680°C und beim Arbeitsflächenwerk stoff bei 100 bis 200°C erfolgen soll. Daher erscheint es nicht möglich für die Wärmebehandlung der insoweit fertiggestellten Rolle eine für jeden der Werkstoffe bestmögliche Temperaturführung zu erzielen. Wie Versuche ergeben haben, können der artig hergestellte Lager jedoch mit Hertz-Pressungen von 2400 bis 2500 N/mm² ohne weiteres belastet werden, was gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung um 20 bis 25% bedeutet.The heat treatment problem consists in carrying out an optimal heat treatment because the hardening temperature for the base material is approx. 830 to 860 ° C and for the work surface material is 1000 to 1050 ° C, while the tempering for the base material is 540 to 680 ° C and for the work surface material at 100 to 200 ° C. Therefore, it does not seem possible to achieve the best possible temperature control for each of the materials for the heat treatment of the roll that has been completed to this extent. As tests have shown, the bearing produced in this way can, however, be easily loaded with Hertz pressures of 2400 to 2500 N / mm ² , which means an increase of 20 to 25% compared to the prior art.

Durch genauere Untersuchungen wurde erkannt, daß die Rollen lager nach dem eingangs genannten Stand der Technik mit den im Oberflächenbereich gehärteten Rollen, beispielsweise aus X 40 Cr 13 zu Rissen und Brüchen neigten. Dies ist auf die Forderung zurückzuführen, daß der Grundwerkstoff schweißbar sein, also einen geringen Kohlenstoffanteil haben muß; daher kommen nur Stähle mit niedriger Zugfestigkeit in Betracht. Um den Abbau der Scherspannungen innerhalb der Arbeitsschicht zu halten, sollte diese ziemlich dick sein. Dicke Aufschweißschichten können eine Vielzahl von Defekten wie Luftlöcher, Schlacken einschlüsse, Schrumpfdefekte und dergleichen mehr haben.Through more detailed investigations it was recognized that the roles Bearing according to the state of the art mentioned at the outset Surface area hardened rollers, for example made of X 40 Cr 13 tended to crack and break. This is due to the request attributable to the fact that the base material can be welded, that is must have a low carbon content; therefore only come Low tensile strength steels are considered. To breakdown to keep the shear stresses within the working shift it should be pretty thick. Thick weld layers can cause a variety of defects such as air holes, slags inclusions, shrink defects and the like.

Daher wird für das weitere Herstellverfahren auch hier vorge schlagen, als Grundwerkstoff einen hochfesten Vergütungsstahl, zweckmäßigerweise den bereits als gut erkannten 34 CrNiMo 6 zu verwenden, jedoch den Arbeitsflächenwerkstoff auf den Grund werkstoff durch Diffusionsschweißen aufzubringen. Es wurde gefunden, daß sich hierfür an) besten die Stahlsorten X 190 CrVW 18 4 und X 120 bin 12 eignen. Das Diffusionsschweißen ist nahezu unabhängig von Kohlenstoffgehalt und eignet sich daher auch für Grundwerkstoffe hoher Festigkeit, d. h. mit hohem Kohlenstoffge halt. Beim Diffusionsschweißen werden Fehlstellen nahezu voll ständig vermieden, und die Arbeitsflächenschicht kann - muß je doch nicht - nachträglich noch durch Hämmern oder Strahlhämmern verbessert werden.Therefore, it is also here for the further manufacturing process a high-strength tempering steel as the base material, expediently the 34 CrNiMo 6 already recognized as good use, but the worktop material to the bottom apply material by diffusion welding. It was found that the best for this are the steel grades X 190 CrVW 18 4 and X 120 bin 12 are suitable. Diffusion welding is almost regardless of carbon content and is therefore also suitable for High strength base materials, d. H. with high carbon stop. With diffusion welding, imperfections become almost full constantly avoided, and the work surface layer can - must ever not - afterwards by hammering or jet hammering be improved.

Bei Anwendung des austentischen Stahls X 120 Mn 12 ist ein nachträgliches Kaltverfestigen (Hämmern oder Walzen) zweck mäßig, um eine optimale Oberflächenstruktur und Härte zu er reichen.When using austenitic steel X 120 Mn 12 is a subsequent work hardening (hammering or rolling) moderate to achieve an optimal surface structure and hardness pass.

Es hat sich gezeigt, daß bei Rollen von 90, 130 und 180 mm Durchmesser Oberflächenhärtewerte zwischen 662 und 695 HV 20 erreicht werden. Es hat sich ferner dabei gezeigt, daß die guten Erbebnisse, nämlich zulässige Hertz′sche Pressungen oberhalb 2800 N/mm² bis 3600 N/mm² erprobt in statischen Druck versuchen, auf die Erkenntnisse zurückzuführen sind, daß in der Oberflächenschicht hohe Oberflächenhärte und mittlere Festig keit und im Grundwerkstoff mittlere Härte und hohe Festigkeit die größte Belastbarkeit ergibt.It has been shown that surface hardness values between 662 and 695 HV 20 can be achieved with rolls 90, 130 and 180 mm in diameter. It has also been shown that the good results, namely permissible Hertzian pressures above 2800 N / mm ² to 3600 N / mm ^2, tried in static pressure, are due to the knowledge that high surface hardness and medium surface hardness Strength and medium hardness and high strength in the base material gives the greatest resilience.

Als Verfahrensbeispiel wird eine Rolle von 130 mm Durchmesser herangezogen aus dem wärmebehandelbaren Stahl 34 CrNiMo 6 in abgeschrecktem und getempertem Zustand. Die Arbeitsflächen schicht aus X 190 Cr VW 18 4 mit einer Dicke von 15 mm wurde durch Diffusionsschweißen aufgebracht und durch anschließende Wärmebehandlung gehärtet. A 130 mm diameter roll is used as a process example used from the heat-treatable steel 34 CrNiMo 6 in quenched and annealed condition. The work surfaces layer made of X 190 Cr VW 18 4 with a thickness of 15 mm applied by diffusion welding and by subsequent Hardened heat treatment.

Die hier genannten und erzielten Werte sind ziemlich unabhängig vom Werkstoff der Arbeitsschicht der Rollen, wenn einer der hier als bevorzugt bezeichneten Stahlwerkstoffe verwendet wird.The values mentioned and achieved here are quite independent of the material of the working layer of the rollers, if one of the steel materials referred to as preferred is used here.

Für die Lagerplatten ist ebenfalls die geschilderte Herstell verfahrensweise vorteilhaft, bei der die Stahlsorten X 40 Cr 13 und X 105 CrCoMo 18 2 zu bevorzugen sind. Es können auch voll durchgehärtete Lagerplatten aus X 40 Cr 13 gepaart werden. Bei Versuchen mit Rollen nach der beschriebenen Herstellmethode mit einer Arbeitsschicht aus 105 CrCoMo 18 2 und durchgehärteten Lagerplatten ergaben sich die höchsten, Belastbarkeitswerte um 3600 N/mm² Hertz′sche Pressung.The described manufacturing procedure is also advantageous for the bearing plates, in which the steel grades X 40 Cr 13 and X 105 CrCoMo 18 2 are preferred. Fully hardened bearing plates made of X 40 Cr 13 can also be paired. Experiments with rollers using the manufacturing method described, with a working layer made of 105 CrCoMo 18 2 and hardened bearing plates, gave the highest load values of around 3600 N / mm ² Hertzian pressure.

Für die Bruchfestigkeit der Rollen ergaben sich bei Vergleichs messungen für auftragsgeschweißte Rollen Werte um 1,8, für Rollen gemäß der EP 02 93 648 Werte um 2,8 und für erfindungs gemäße Rollen Werte über 4.The break strength of the rolls was determined by comparison measurements for surfaced rolls values around 1.8, for Roles according to EP 02 93 648 values around 2.8 and for fiction appropriate roles values over 4.

Die Rollenlager mit dem erfindungsgemäßen Aufbau aus den vor geschlagenen Stählen und entsprechend der vorgesehenen Her stellungsmethode ergeben gegenüber dem Stand der Technik Be lastungsbereiche an Hertz′scher Pressung gegenüber den bisher bekannten und verwendeten Lagern die bis zu 150% höher liegen.The roller bearing with the structure according to the invention from the front steel and in accordance with the intended manufacture Positioning method compared to the prior art Be load ranges at Hertzian pressure compared to the previous known and used bearings that are up to 150% higher.

Claims

1. Roller bearings for structures, in particular bridge structures, consisting of at least one cylindrical roller, the rolling plane parallel to the rolling surfaces of an upper and lower bearing plate roll within a limited rolling area, in which the rolling areas of the rollers have a composite material that forms an interme metallic boundary layer Connection method between a base material and a work surface material is produced, characterized by a

a) base material made of a high-strength, tough tempering steel with a tensile strength of about 1000 N / mm ² , a minimum elongation of 10% and a notched impact energy of about 50 J, and one
b) Work surface material made of highly wear-resistant and corrosion-resistant hardenable steel, namely X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2, X 190 Cr VW 18 4 or comparable alloy steels, or also made of X 120 Mn 12 or a comparable cold work hardenable steel.

2. Roller bearing according to claim 1, characterized in that the base material is a hardened steel 34 CrNiMo 6, 41 Cr 4, 42 CrMo 4, 36 CrNiMo 4, 30 CrNiMo 8 or a comparable tempering steel.

3. Roller bearing according to claim 1 or 2, characterized records that the bearing plates from a composite of the base material and the working material.

4. A method for producing the rollers of the roller bearing according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that in a first step, starting from the predetermined roller diameter and the roller length on the basis of formulas 1 and 2 below and from the graphic below, the largest He averages shear stress (in N / mm ² ) and its position (in mm below the work surface) and from this the layer thickness of the work surface material made of a high-strength, tough hardened and tempered steel with about 1000 N / mm ² tensile strength and the raw diameter of the roll of at least double Amount of the distance between the maximum shear stress from the work surface be determined, and that the layer of the work surface material made of one of the steels X 40 Cr 13, X 105 CrCoMo 18 2, X 190 Cr VW 18 4 or X 120 Nil 12 by deposition welding , Diffusion welding, hot rolling or forging applied and the roll before mechanical finishing hardened by heat treatment and / or work hardened.

5. Process for the preparation of the bearing plates for the Roller bearing according to at least one of claims 1 to 3, in which the rollers according to the method of claim 4 are made, characterized in that the work surface material from one of the pre-defined according to claim 1 see steels and in the determined according to claim 1 Thickness on a plate made of the base material of about the twice the layer thickness of the working material Roll by cladding, diffusion welding, hot rolled on or forging applied and the bearing plate then before mechanical finishing by heat action is hardened and / or work hardened.