EP2220387A2 - Laufbahnelement einer wälzlagerung - Google Patents

Laufbahnelement einer wälzlagerung

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EP2220387A2
EP2220387A2 EP08851906A EP08851906A EP2220387A2 EP 2220387 A2 EP2220387 A2 EP 2220387A2 EP 08851906 A EP08851906 A EP 08851906A EP 08851906 A EP08851906 A EP 08851906A EP 2220387 A2 EP2220387 A2 EP 2220387A2
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EP
European Patent Office
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raceway element
rolling
element according
raceway
rolling track
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Ceased
Application number
EP08851906A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Gegner
Wolfgang Nierlich
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SKF AB
Original Assignee
SKF AB
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Publication date
Family has litigation
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    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • the invention relates to a raceway element of a roller bearing.
  • the life of a rolling bearing is understood to be the number of revolutions or operating hours that the rolling bearing endures from the beginning of operation until its failure, that is, until a contact surface signs of failure leading to material damage occur.
  • the fatigue of the material is an ongoing process with the number of rollovers.
  • Achieving the service life, that is, the failure of a rolling bearing shows, for example, by damage to a rolling track, such as the so-called pitting (pitting). Peelings on rolling tracks can be initiated by cracking in the depth of high comparative stress (classical rolling fatigue) or at or near the surface. The latter case of surface failure mode clearly outweighs in practice, in particular because of the high purity of modern steels for the rolling bearing production.
  • An object of the present invention is to provide a raceway element of a rolling bearing so that a long life of the rolling bearing is achieved. In particular, the service life of a rolling bearing is to be increased, whose damage sequence follows the surface failure mode.
  • the raceway element has at least one rolling track on which rolling elements, comprising a steel, are provided for rolling, and
  • the raceway element is designed such that it has in a total depth range of 0 to about 40 microns below the surface of the rolling track compressive stresses in the amount of at least about 400 MPa.
  • the invention is based essentially on the knowledge that rolling bearings in industrial gears, for example in wind turbines or cranes, in generators, for example, also in wind turbines or stationary diesel engines, in paper machines, dryers, alternators and similar applications, so-called by the failure mechanism of education etching cracks (English: White Etching Cracks, WEC) can be damaged.
  • FIG. 0 shows the example of such a white etching crack in the etched metallographic peripheral ground through the raceway of the inner ring of a cylindrical roller bearing. These cracks occur with the help of mixed friction (no complete separation of the contact partners) in the rolling contact at or near the raceway surface and grow under rolling load as partially branching fatigue cracks supported by corrosion up to or over 1 mm in the depth of the material.
  • WEA / WER is understood as meaning structural areas that appear white (light) in the etched metallographic cut, ie, which, to put it more precisely, do not etch or badly etch.
  • the invention is based on the finding that the described primary damage processes of crack formation and in particular crack growth can be counteracted by a suitable Druckeigenschreibsberg in the surface layer of the material, an effective barrier, causing a significant increase in life of rolling bearings, which in operation after said failure mechanism the white corrosive cracks or the related failure mechanism of the so-called gray spatter can be damaged.
  • Compressive residual stresses can be built up to a maximum amount approximately equal to the yield strength of the material, which is around 1500 MPa or higher for hardened bearing steel.
  • excessively high residual compressive stresses can overstress the microstructure, which in turn can lead to a reduction in the service life.
  • the residual compressive stresses in the surface layer are generated in a mechanical manner.
  • hard machining processes such as hard turning or high speed milling, and surface hardening methods such as hot blasting may be considered.
  • honing and / or subsequent heating can take place thereafter. This will be explained in more detail in the following embodiment.
  • the raceway element can also be surface-coated.
  • a friction-reducing or wear-reducing layer can additionally be applied to the rolling track according to the invention for generating the residual compressive stresses.
  • This may be, for example, a burnishing layer, an amorphous carbon layer (English: Diamond-Like Coating, DLC) or a molybdenum disulphide layer.
  • Typical thicknesses of such additionally applied layers are in the range of up to a few micrometers. If, for example, the thermal aftertreatment is carried out below the tempering or transition temperature for about one hour in air, a thin, tribologically favorable oxide layer of only about 10 nm thickness is also formed.
  • the demand according to the invention for the compressive residual stress depth profile applies accordingly in this case from the time the base material (steel) is reached.
  • Hard turning can be used, inter alia, for producing raceway elements of a roller bearing according to the invention, whereby residual compressive stresses close to the edge are built to a depth of 50 to 100 ⁇ m, which is substantially higher than that which can be generated by heat treatment in the case of surface layer or bainite hardening. voltage levels lie.
  • the rolling tracks In order to obtain the effect of said residual compressive stresses in the surface layer, the rolling tracks must not be reworked after hard turning in such a way that the edge layer, which is mechanically influenced by hard turning, is significantly or completely removed or removed. For example, vibratory grinding is possible. Conventional grinding with typical mechanical material removal by about 200 ⁇ m, however, is unsuitable.
  • Honing with a low removal rate of 5 to a maximum of 10 ⁇ m is permissible and can be used to optimize the residual stress depth by generating residual compressive stresses directly at the surface in the amount of approx. 500 to 600 MPa, as hard turning directly at the surface Often, such a favorable value can not be achieved.
  • thermal post-treatment (optional post-heating) may take place, possibly stabilizing the built-up residual compressive stresses to only a slightly reduced level, counteracting their gradual degradation during dynamic rolling contact stressing .
  • the thermal aftertreatment also stabilizes the microstructure of the material (electronically favorable dislocation arrangement by plasticization) in the mechanically influenced boundary layer, which shows the marked decrease in the surface roughness at the surface, and performs as long as it is carried out below the annealing or transformation temperature becomes, to no relevant hardness decrease.
  • FIG. 0 shows etching etched metallographic circumferential cuts through the raceway of a cylindrical roller bearing inner race
  • Figure 2 in the form of a diagram, the predetermined compressive residual stresses as a function of the depth below the surface of the rolling track according to the present invention
  • FIG. 3 shows, in the form of a diagram, the typical internal compressive stress depth profile of a raceway element of the tapered roller bearing of FIG. 1, as determined, for example, by X-ray voltage measurement (RSM) with electrolytic material removal.
  • RSS X-ray voltage measurement
  • the tapered roller bearing comprises an outer raceway element 20 and an inner raceway element 10, between which rolling elements 30 designed as truncated cones are arranged.
  • the rolling elements 30 may be arranged in a cage, not shown, and between the two raceway elements 10 and 20 may be provided for sealing a rolling body 30 containing space corresponding seals.
  • the rolling elements 30 are provided for rolling on in the raceway elements 10 and 20 incorporated rolling tracks 12 and 22.
  • Figure 2 illustrates in the form of a diagram that area in which the compressive residual stresses have to move in response to a depth below the surfaces of the rolling tracks 12 and 22 of the raceway elements 10 and 20 according to the invention, so that the rolling tracks 12 and 22 resistant to the above described are so-called white caustic cracks.
  • the depth is indicated below the surface of the rolling tracks 12 and 22 in microns.
  • the residual stress is given in MPa.
  • the compressive stresses should be at least about 400 MPa. Since these are compressive residual stresses and not tensile residual stresses, this means that the residual stresses are not higher than about -400 MPa, as indicated by hatching in FIG. Furthermore, in a total depth range of about 40 to 80 microns, the residual stresses should be at most 0 MPa. In one embodiment of the invention, the residual stresses are also in a depth range of 0 to about 200 microns at a minimum of about -1000 MPa.
  • a residual stress profile within the hatching of FIG. 2 is maintained, for example, by the following manufacturing steps for the raceway elements 10 and 20:
  • the raceway element blanks formed from 100Cr6 are first hardened according to a method known per se. After that, the rolling tracks 12 and 22 for the rolling bodies 30 are essentially produced by hard turning, which produces the desired residual compressive stresses close to the edges. Only in a very narrow surface area of typically not more than 5 ⁇ m depth can less suitable residual stress values be present after hard turning.
  • the rolling tracks 12 and 22 are mechanically finished after hard turning by honing, wherein the depth of honing during honing not greater than about 5 to maximum 10 microns may. Otherwise, the areas of corresponding compressive residual stresses generated by hard turning would be removed too deeply or completely.
  • reheating thermal post-treatment
  • This reheating is preferably carried out at or below the tempering or transformation temperature of the hardening so that the hardness does not appreciably decrease and only a slight thermal degradation of the residual compressive stresses occurs.
  • FIG. 3 shows, in the form of a diagram, the typical compressive stress depth profile below the rolling tracks 12 and 22 of the inner and outer raceway elements 10 and 20 of the tapered roller bearing of FIG. 1 produced by hard turning and honing and optionally reheating as previously described Measurement of the edge (raceway surface) is determined to the core.
  • the depth range of the inherent stress depth profile marked by an arrow is based on the main heat treatment of the raceway element 10 or 20 before hard turning: the upper curve is typical of martensite (slightly hardened in the train), the lower course is for example Rand Anlagenmaschine Needless- or Bainithmaschine- th (low compressive residual stresses).

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Abstract

Ein Laufbahnelement einer Wälzlagerung beinhaltet folgende Merkmale: Das Laufbahnelement weist wenigstens eine Abrollbahn auf, auf der Wälzkörper, umfassend einen Stahl, zum Abrollen vorgesehen sind, und das Laufbahnelement ist derart ausgebildet, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis ca. 40 µm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen in Höhe von mindestens ca. 400 MPa aufweist.

Description

B e s c h r e i b u n g
Laufbahnelement einer Wälzlagerung
Die Erfindung betrifft ein Laufbahnelement einer Wälzlagerung.
Unter der Lebensdauer eines Wälzlagers versteht man die Anzahl Umdrehungen oder Betriebsstunden, die das Wälzlager ab Betriebsbeginn bis zu seinem Versagen erträgt, das heißt bis an einer Kontaktfläche Anzeichen einer zum Ausfall führenden Werkstoffschädigung auftreten. Die Ermüdung des Werkstoffes ist dabei ein mit der Anzahl der Überrollungen fortschreitender Vorgang. Das Erreichen der Lebensdauer, das heißt der Ausfall eines Wälzlagers zeigt sich beispielsweise durch Schäden an einer Abrollbahn, wie der so genannten Grübchenbildung (Pitting). Schälungen an Abrollbahnen können durch Rissbildung in der Tiefe hoher Vergleichsspannung (klassische Wälzermüdung) oder an bzw. nahe der Oberfläche eingeleitet werden. Der letztgenannte Fall des Oberflächenversagensmodus überwiegt insbesondere wegen der hohen Reinheit moderner Stähle für die Wälzlagerherstellung in der Praxis deutlich. Schadensverhütenden Maßnahmen gegen hierbei auftretende Ausfall- mechanismen kommt deshalb höchste technische und wirtschaftliche Bedeutung zu. Charakterisierung und Unterscheidung von Oberflächen- und Tiefenversagensmo- dus sind aus der Fachliteratur ersichtlich, beispielsweise aus J. Gegner: „Materialbeanspruchungsanalyse und ihre Anwendung auf Prüfstandsversuche zum Oberflächenausfall (Nierlich- Schadensmodus) von Wälzlagern", Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Jahrgang 37 (2006), Heft 3, Seiten 249-259. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Laufbahnelement einer Wälzlagerung derart zu schaffen, dass eine lange Lebensdauer der Wälzlagerung erzielt wird. Insbesondere soll die Betriebsdauer eines Wälzlagers gesteigert werden, des- sen Schadensablauf dem Oberflächenversagensmodus folgt.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 beinhaltet ein Laufbahnelement einer Wälzlagerung folgende Merkmale:
- Das Laufbahnelement weist wenigstens eine Abrollbahn auf, auf der Wälzkörper, umfassend einen Stahl, zum Abrollen vorgesehen sind, und
- das Laufbahnelement ist derart ausgebildet, dass es in einem gesamten Tiefenbe- reich von 0 bis ca. 40 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen in Höhe von mindestens ca. 400 MPa aufweist.
Die Erfindung beruht dabei wesentlich auf der Erkenntnis, dass Wälzlager in Industriegetrieben, beispielsweise in Windkraft- oder Krananlagen, in Generatoren, beispielsweise ebenfalls in Windkraftanlagen oder stationären Dieselmotoren, in Papiermaschinen, Trocknern, Lichtmaschinen und ähnlichen Anwendungen, durch den Versagensmechanismus der Bildung so genannter weiß anätzender Risse (englisch: White Etching Cracks, WEC) geschädigt werden können. Figur 0 zeigt das Beispiel eines solchen weiß anätzenden Risses im geätzten metallografischen Um- fangsschliff durch die Laufbahn des Innenrings eines Zylinderrollenlagers. Diese Risse entstehen unter Mitwirkung von Mischreibung (keine vollständige Trennung der Kontaktpartner) im Wälzkontakt an oder nahe der Laufbahnoberfläche und wachsen unter Überrollbelastung als teilweise verzweigende Ermüdungsrisse korro- sionsunterstützt bis um oder über 1 mm in die Tiefe des Werkstoffs. Dieser von den Erfindern durch zahlreiche Schadensanalysen aufgeklärte Mechanismus des Werk- stoffversagens bei Frühausfällen deutlich vor der nominellen Lebensdauer Li0 für 90 %-Überlebenswahrscheinlichkeit wird Korrosionswälzermüdung genannt. Es handelt sich um Schwingungsrisskorrosion (SwRK). Da an den Rissflanken und insbesondere an den Rissspitzen blanke Metalloberfläche vorliegt, kann Wasserstoff beispielsweise aus alterndem Schmierstoff freigesetzt werden und in das Material (Stahl) eindringen, was mit einer Gefügeumwandlung um den Riss und damit der abschnittsweisen oder vollständigen Entstehung weiß anätzender Dekorationszonen als Sekundärschadensmerkmal verbunden sein kann. So ist beispielsweise der Kor- rosionsermüdungsriss aus Figur 0 teilweise mit weiß anätzenden Gefugezonen de- koriert. Unter weiß anätzenden Zonen (englisch: White Etching Areas/Regions,
WEA/WER) versteht man dabei Gefügebereiche, die im geätzten metallografischen Schliff weiß (hell) erscheinen, d. h. die, genauer ausgedrückt, nicht bzw. schlecht anätzen. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass den geschilderten primären Schadensvorgängen der Rissbildung und insbesondere des Risswachstums durch einen geeigneten Druckeigenspannungsberg in der Randschicht des Werkstoffs eine wirksame Barriere entgegengestellt werden kann, was eine deutliche Lebensdauererhöhung von Wälzlagern bewirkt, die im Betrieb nach dem genannten Versagensmechanismus der weiß anätzenden Risse oder dem damit verwandten Versagensmechanismus der so genannten Graufleckigkeit geschädigt werden kön- nen. Bei der auch zum Oberflächenversagensmodus zählenden Graufleckigkeit, die beispielsweise neben Zahnrädern ebenfalls bei Wälzlagern in den oben genannten Anwendungen, wie Windkraftgetriebe oder Papiermaschinen, an Abrollbahnen auftreten kann, erfolgt die Rissbildung wiederum unter Mischreibung, doch wachsen die Risse als Ermüdungsrisse, auch korrosionsunterstützt (ebenfalls SwRK: Varian- te der Korrosionswälzermüdung), nur in geringe Tiefe von typischerweise nicht mehr als 10 μm bis sie zur Oberfläche beispielsweise in einem Restgewaltbruch zurückkehren, so dass flache Werkstoffablösungen an der Abrollbahn (die so genannten Grauflecken) entstehen. Die erfindungsgemäßen Druckeigenspannungen in der Randschicht stellen deshalb eine mögliche schadensverhütende Gegenmaßnahme auch gegen den Versagensmechanismus der Graufleckigkeit dar. Druckeigenspannungen können bis zu einem maximalen Betrag etwa in Höhe der Streckgrenze des Werkstoffs aufgebaut werden, die für gehärteten Wälzlagerstahl um 1500 MPa oder höher liegt. Allerdings können zu hohe Druckeigenspannungen die Mikrostruktur überbeanspruchen, was wiederum zu einem Rückgang der Lebensdauer führen kann. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Druckeigenspannungen in der Randschicht auf mechanische Weise erzeugt. Hierfür kommen beispielsweise Verfahren des Hartbearbeitens, wie Hartdrehen oder Hochgeschwindigkeitsfräsen, und Verfahren des Randschichtverfestigens, wie etwa Warmölstrahlen, in Betracht. Jeweils kann danach ein Honen und/oder Nacherwärmen (thermische Nachbehandlung) erfolgen. Dies wird im folgenden Ausführungsbeispiel noch genauer erläutert.
Das Laufbahnelement kann zudem oberflächenbeschichtet sein. Insbesondere kann auf die Abrollbahn nach erfindungsgemäßer Erzeugung der Druckeigenspannungen zusätzlich eine beispielsweise Reibung bzw. Verschleiß mindernde Schicht aufgebracht werden. Dabei kann es sich etwa um eine Brünierschicht, eine amorphe Kohlenstoffschicht (englisch: Diamond-Like Coating, DLC) oder eine Molybdändisul- fidschicht handeln. Typische Dicken solcher zusätzlich aufgebrachten Schichten liegen im Bereich bis zu wenigen Mikrometern. Wenn beispielsweise die thermische Nachbehandlung unterhalb der Anlass- bzw. Umwandlungstemperatur für etwa eine Stunde an Luft durchgeführt wird, entsteht ebenfalls eine dünne, tribologisch günstige Oxidschicht von nur ungefähr 10 nm Dicke. Die erfindungsgemäße Forderung an den Druckeigenspannungstiefenverlauf gilt in diesem Fall ab Erreichen des Grundwerkstoffs (Stahl) entsprechend.
Für die Herstellung erfindungsgemäßer Laufbahnelemente einer Wälzlagerung kann unter anderem Hartdrehen eingesetzt werden, womit randnahe Druckeigenspannungen bis in eine Tiefe von 50 bis 100 μm aufgebaut werden, die wesentlich über den bei Randschicht- oder Bainithärten durch Wärmebehandlung erzeugbaren Druckei- genspannungspegeln liegen. Um die Wirkung besagter Druckeigenspannungen in der Randschicht zu erhalten, dürfen die Abrollbahnen nach dem Hartdrehen nicht so nachbearbeitet werden, dass die vom Hartdrehen mechanisch beeinflusste Randschicht merklich oder vollständig entfernt bzw. abgetragen wird. Möglich ist bei- spielsweise Gleitschleifen. Konventionelles Schleifen mit typischem mechanischem Materialabtrag um ca. 200 μm ist hingegen ungeeignet. Honen mit geringem Abtrag von 5 bis maximal 10 μm ist zulässig und kann zur Optimierung des Eigenspan- nungstiefen Verlaufs durch Erzeugung von Druckeigenspannungen direkt an der O- berfläche in Höhe von ca. 500 bis 600 MPa genutzt werden, da durch Hartdrehen direkt an der Oberfläche oft kein so günstiger Wert erreicht werden kann. Um die Wirkung des Hartdrehens zu optimieren, kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung (Nacherwärmen), gegebenenfalls als letzter Herstellungsschritt nach dem Honen, erfolgen, wodurch die aufgebauten Druckeigenspannungen auf nur geringfügig vermindertem Niveau stabilisiert werden, was ihrem allmählichen Abbau während der dynamischen Beanspruchung im Wälzkontakt entgegenwirkt. Die thermische Nachbehandlung stabilisiert auch die Mikrostruktur des Werkstoffs (e- nergetisch günstige Versetzungsanordnung durch Plastifizierung) in der mechanisch beeinflussten Randschicht, was die deutliche Abnahme der röntgenografischen Halbwertsbreite an der Oberfläche zeigt, und führt, solange sie unterhalb der An- lass- oder Umwandlungstemperatur durchgeführt wird, zu keiner relevanten Härteabnahme.
Für die Herstellung erfindungsgemäßer Laufbahnelemente einer Wälzlagerung können außerdem beispielsweise Hochgeschwindigkeitsfräsen (high speed cutting) zur Hartbearbeitung oder Verfahren der Randschichtverfestigung, wie etwa Warmöl- strahlen oder Laserschockbehandeln, verwendet werden. Auch hier können sich jeweils noch Honen und/oder Nacherwärmen (thermischen Nachbehandlung) anschließen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Figur 0 weiß anätzende Risse im geätzten metallografischen Umfangsschliff durch die Laufbahn eines Zylinderrollenlagerinnenrings,
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Kegelrollenlager,
Figur 2 in Form eines Diagramms die vorgegebenen Druckeigenspannungen in Abhängigkeit von der Tiefe unter der Oberfläche der Abrollbahn gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Figur 3 in Form eines Diagramms den typischen Druckeigenspannungstiefenver- lauf eines Laufbahnelements des Kegelrollenlagers der Figur 1, wie er beispielsweise durch röntgenografische Spannungsmessung (RSM) mit elektrolytischem Materialabtragen ermittelt wird.
Die Figur 1 zeigt als ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung in Form einer Prinzip- skizze ein Kegelrollenlager. Dabei umfasst das Kegelrollenlager ein äußeres Laufbahnelement 20 und ein inneres Laufbahnelement 10, zwischen denen als Kegelstümpfe ausgebildete Wälzkörper 30 angeordnet sind. Dabei können die Wälzkörper 30 in einem nicht dargestellten Käfig angeordnet sein und zwischen den beiden Laufbahnelementen 10 und 20 können zum Abdichten eines die Wälzkörper 30 beinhaltenden Raums entsprechende Dichtungen vorgesehen sein. Die Wälzkörper 30 sind dabei zum Abrollen auf in die Laufbahnelemente 10 und 20 eingearbeiteten Abrollbahnen 12 und 22 vorgesehen. In anderen Ausführungen kann es sich natürlich auch um ein mehrreihiges Wälzlager und/oder um Zylinderrollenlager, Kugellager, Tonnenlager, Pendelrollenlager und jeglichen anderen Wälzlagertyp handeln. Die Figur 2 verdeutlicht in Form eines Diagramms denjenigen Bereich, in dem sich die Druckeigenspannungen in Abhängigkeit von einer Tiefe unter den Oberflächen der Abrollbahnen 12 und 22 der Laufbahnelemente 10 und 20 gemäß der Erfindung bewegen müssen, damit die Abrollbahnen 12 und 22 widerstandsfähig gegen die eingangs beschriebenen so genannten weiß anätzenden Risse sind. Dabei ist entlang der Abszisse des Diagramms der Figur 2 die Tiefe unter der Oberfläche der Abrollbahnen 12 und 22 in μm angegeben. Entlang der Ordinate ist die Eigenspannung in MPa angegeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung sollen dabei in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis ca. 40 μm unter der Oberfläche der Abrollbahnen 12 und 22 die Druckeigenspannungen mindestens ca. 400 MPa betragen. Da es sich um Druckeigenspannungen und nicht um Zugeigenspannungen handelt, bedeutet dies, dass die Eigenspannungen nicht höher als ca. -400 MPa sind, wie durch Schraffur in Figur 2 angedeutet. Weiterhin sollen in einem gesamten Tiefenbereich von ca. 40 bis 80 μm die Eigenspannungen maximal 0 MPa betragen. In einer Ausführung der Erfindung liegen die Eigenspannungen darüber hinaus in einem Tiefenbereich von 0 bis ca. 200 μm bei minimal ca. -1000 MPa.
Bei den Laufbahnelementen 10 und 20 der Figur 1 wird ein Eigenspannungsverlauf innerhalb der Schraffur der Figur 2 beispielsweise durch folgende Herstellschritte für die Laufbahnelemente 10 und 20 eingehalten: Die aus 100Cr6 ausgebildeten Laufbahnelementrohlinge werden zunächst nach einem an sich bekannten Verfahren gehärtet. Danach werden die Abrollbahnen 12 und 22 für die Rollkörper 30 im Wesentlichen durch ein Hartdrehen erzeugt, womit die gewünschten randnahen Druckeigenspannungen entstehen: Lediglich in einem sehr engen Oberflächenbe- reich von typischerweise nicht mehr als 5 μm Tiefe können nach dem Hartdrehen weniger geeignete Eigenspannungswerte vorliegen. Um die Wirkung besagter Druckeigenspannungen in der Randschicht zu erhalten, ihren Oberflächenwert zu optimieren und die Laufbahntopografie (Rauhigkeit) zu verbessern, werden die Abrollbahnen 12 und 22 nach dem Hartdrehen durch Honen mechanisch endbearbeitet, wobei der Tiefenabtrag beim Honen nicht größer als ca. 5 bis maximal 10 μm sein darf. Anderenfalls würde die durch das Hartdrehen erzeugten Bereiche entsprechender Druckeigenspannungen zu tief oder vollständig wieder entfernt. Um die Wirkung des Hartdrehens und Honens zu optimieren, kann zusätzlich nach dem Honen eine thermische Nachbehandlung (Nacherwärmen) erfolgen, wodurch die aufgebauten Druckeigenspannungen stabilisiert werden, was ihrem allmählichen Abbau während der dynamischen Beanspruchung im Wälzkontakt entgegenwirkt. Dieses Nacherwärmen wird bevorzugt um oder so weit unterhalb der Anlass- oder Umwandlungstemperatur des Härtens durchgeführt, dass die Härte nicht merklich abnimmt und nur ein geringfügiger thermischer Abbau der Druckeigenspannungen eintritt.
Die Figur 3 zeigt schließlich in Form eines Diagramms den typischen Druckeigen- spannungstiefenverlauf unterhalb der Abrollbahnen 12 und 22 der durch Hartdrehen und Honen und gegebenenfalls Nacherwärmen wie vorausgehend beschrieben her- gestellten inneren und äußeren Laufbahnelemente 10 und 20 des Kegelrollenlagers der Figur 1 , wie es durch Messung vom Rand (Laufbahnoberfläche) zum Kern ermittelt wird. Man erkennt dabei, dass der gemäß Figur 2 geforderte Eigenspan- nungs verlauf erfolgreich erzielt worden ist. Der jeweils durch Pfeil gekennzeichnete Tiefenbereich des Eigenspannungstiefenprofils geht auf die Hauptwärmebehand- lung des Laufbahnelements 10 bzw. 20 vor dem Hartdrehen zurück: Die obere Kurve ist dabei typisch für Martensithärten (Pegel beim Durchhärten leicht im Zug), der untere Verlauf beispielsweise für Einsatz-, Randschichtinduktions- oder Bainithär- ten (geringe Druckeigenspannungen). Für die Achsen des Diagramms der Figur 3 gilt das vorausgehend zur Figur 2 Beschriebene entsprechend.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h eLaufbahnelement einer Wälzlagerung
1. Laufbahnelement einer Wälzlagerung, beinhaltend folgende Merkmale:
- Das Laufbahnelement weist wenigstens eine Abrollbahn auf, auf der Wälzkörper, umfassend einen Stahl, zum Abrollen vorgesehen sind, und
- das Laufbahnelement ist derart ausgebildet, dass es in einem gesamten Tie- fenbereich von 0 bis ca. 40 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen in Höhe von mindestens ca. 400 MPa aufweist.
2. Laufbahnelement nach Anspruch 1, wobei das Laufbahnelement derart ausgebildet ist, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von ca. 40 bis 80 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen größer 0 MPa aufweist.
3. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Laufbahnelement derart ausgebildet ist, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis ca. 40 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen in Höhe von mindestens ca. 450 MPa aufweist.
4. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Laufbahnelement derart ausgebildet ist, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis ca. 40 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen in Hö- he von mindestens ca. 500 MPa aufweist.
5. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Laufbannelement derart ausgebildet ist, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis 200 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen von höchstens ca. 1500 MPa aufweist.
6. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Laufbahnelement derart ausgebildet ist, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis 200 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen von höchstens ca. 1300 MPa aufweist.
7. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Laufbahnelement derart ausgebildet ist, dass es in einem gesamten Tiefenbereich von 0 bis 200 μm unter der Oberfläche der Abrollbahn Druckeigenspannungen von höchstens ca. 1000 MPa aufweist.
8. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Druckeigenspannungen im Rahmen eines materialabtragenden Bearbeitungsverfahrens erzeugt sind.
9. Laufbahnelement nach Anspruch 8, wobei das materialabtragende Bearbeitungsverfahren ein Hartbearbeiten, insbesondere ein Hartdrehen und/oder ein Hochgeschwindigkeitsfräsen, umfasst.
10. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Druckeigenspannungen durch ein Randschichtverfestigen erzeugt sind.
11. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Druckeigen- Spannungen durch ein Warmölstrahlen erzeugt sind.
12. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Laufbahnelement dem Druckeigenspannungen erzeugenden Bearbeiten nachfolgend gehont und/oder thermisch nachbehandelt ist.
13. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei am gehärteten Laufbahnelementrohling die Abrollbahn durch ein Hartdrehen mit einer anschließender Oberflächennachbearbeitung, insbesondere einem Honen, mit einem sich in die Tiefe erstreckenden Materialabtrag kleiner ca. 10 μm herge- stellt ist.
14. Laufbahnelement nach Anspruch 13, wobei wenigstens die Abrollbahn der Oberflächennachbearbeitung nachfolgend thermisch nachbehandelt ist.
15. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14. wobei das Laufbannelement aus einem durchhärtbaren Wälzlagerstahl ausgebildet ist.
16. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Laufbahnelement aus einem der Stähle lOOCrό, 100CrMnSi6-4, 100CrMo7, 100CrMo7- 3, 100CrMo7-4 oder 100CrMnMoSi8-4-6 ausgebildet ist.
17. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Laufbahnelement aus einem Einsatzstahl ausgebildet ist.
18. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Laufbahnelement aus einem der Stähle 19MnCr5, 15CrMo4, 20MnCrMo4-2, 20NiCrMo2, 20NiCrMo7 oder 18NiCrMol4-6 ausgebildet ist.
19. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Wälzkörper vollständig oder bei oberflächenbeschichteten Wälzkörpern unterhalb der O- berflächenbeschichtung aus Stahl ausgebildet sind.
20. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei das Laufbahnelement einer Wälzlagerung im Triebstrang, insbesondere einer Hauptlagerung; einer Getriebelagerung, insbesondere einer Planetenlagerung und/oder einer Generatorlagerung einer Windkraftanlage zugehört.
21. Laufbahnelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei wenigstens ein
Teil der Abrollbahn des Laufbahnelements mit einer Beschichtung versehen ist und die angegebenen Tiefenbereiche für das Laufbahnelement frei von besagter Beschichtung gelten.
22. Laufbahnelement nach Anspruch 21. wobei die Beschichtung eine Oxid-, Kohlenstoff- oder Molybdändisulfidschicht umfasst.
23. Verfahren zum Erzeugen eines Laufbahnelements nach einem der Ansprüche 1 bis 22, beinhaltend folgende Schritte: - Ein dem Laufbahnelement zugrundeliegender Rohling wird gehärtet,
- die Abrollbahn wird durch ein Hartdrehen erzeugt und
- die hartgedrehte Abrollbahn wird mit einem materialabtragenden Verfahren endbearbeitet, wobei der sich in die Tiefe erstreckende Materialabtrag kleiner ca. 10 μm ist.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das materialabtragende Verfahren ein Honen umfasst.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, wobei dem materialabtragenden Endbearbeiten der Abrollbahn zeitlich nachfolgend wenigstens die Abrollbahn thermisch nachbehandelt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die thermische Nachbehandlung unterhalb der Anlass- bzw. Umwandlungstemperatur des vorangehenden Härtens erfolgt.
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