EP2828540A1 - Verfahren zur herstellung eines wälzlagers und wälzlager - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines wälzlagers und wälzlager

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EP2828540A1
EP2828540A1 EP13702780.1A EP13702780A EP2828540A1 EP 2828540 A1 EP2828540 A1 EP 2828540A1 EP 13702780 A EP13702780 A EP 13702780A EP 2828540 A1 EP2828540 A1 EP 2828540A1
Authority
EP
European Patent Office
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inner ring
rolling bearing
ring raceway
heat treatment
raceway
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13702780.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christina Pfeuffer
Edgar Pickel
Jürgen Gegner
Wolfgang Nierlich
Armin Olschewski
Kenred Stadler
Arno Stubenrauch
Markus Volkmuth
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SKF AB
Original Assignee
SKF AB
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Filing date
Publication date
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Application filed by SKF AB filed Critical SKF AB
Publication of EP2828540A1 publication Critical patent/EP2828540A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a rolling bearing. Furthermore, the invention relates to a rolling bearing, in particular a rolling bearing of a wind turbine. Finally, the invention relates to a wind turbine.
  • the inner ring is made of steel and subjected to a curing heat treatment, which is completed with the implementation of a final heat treatment step at a predetermined temperature.
  • a curing heat treatment which is completed with the implementation of a final heat treatment step at a predetermined temperature.
  • compressive stresses in an edge layer which extends to a minimum depth below the surface of the inner ring raceway, are formed by strain hardening in the region of the inner ring raceway. After work hardening, the inner ring is burnished.
  • the individual steps of the process according to the invention are preferably carried out in the order mentioned above. Not all steps necessarily have to be carried out in a tight spatial or temporal context. Rather, it is possible to produce intermediates that will be further processed at a later date and / or elsewhere.
  • the manufacturing method according to the invention reduces the susceptibility of the steel used to cracking on the surface, reduces the crack-initiating sliding friction between the rolling elements and the inner ring raceway in the highly stressed microcontact areas under extreme stress conditions and makes it difficult for hydrogen to penetrate into the inner ring raceway. This has a positive effect on the life of the rolling bearing.
  • the method according to the invention has the advantage that it allows the production of rolling bearings, which even then reach a very long life, for example, if they are exposed for a short time extreme operating conditions.
  • the inventive method is particularly suitable for the production of rolling bearings of wind turbines.
  • Such bearings can be used for example in transmissions of wind turbines.
  • such bearings can be used for example for the storage of rolls in paper machines.
  • the inner ring may be subjected to martensite, insert or induction hardening prior to strain hardening.
  • the temperature of the last heat treatment step may be the tempering temperature of the inner ring.
  • the inner ring may be subjected to a Bainethärtung before work hardening.
  • the temperature of the last heat treatment step may be the bainite transformation temperature of the inner ring.
  • a mechanical surface finishing of the Inner ring are performed.
  • damaged surface areas of the inner ring can be removed and / or the surface roughness can be reduced.
  • the surface finishing can, for. B. done by grinding and / or honing. However, surface finishing by grinding is only possible if the removal is so small that the effects achieved by work hardening are not unduly impaired.
  • the burnished inner ring may be subjected to a thermal aftertreatment at a temperature below the temperature of the last heat treatment step.
  • the inner ring may be subjected to the thermal aftertreatment at a temperature which is at least 10 K below the temperature of the last heat treatment step.
  • the thermal aftertreatment can be carried out at a temperature of at least 100 ° C. Particularly effective is the effect of the aftertreatment, if this is carried out at a temperature which is a maximum of 100 K, in particular a maximum of 50 K, below the temperature of the last heat treatment step.
  • the decrease in the X-ray line width can be used.
  • a decrease of at least 0.05 ° in at least one location within the mechanically affected zone may serve as a guideline for effective thermal aftertreatment ,
  • the thermal aftertreatment is preferably carried out as closely as possible below the tempering temperature for a not too long time depending on the component thickness and the thickness of the mechanically influenced edge layer, for example a maximum of 5 hours to stabilize without significant loss of hardness, the stabilization of the after heat treatment by surface treatment and work hardening Optimize microstructure.
  • a bainite hardening is carried out instead of a martensite, insert or induction hardening, then those for the annealing temperature corresponding statements for the Bainitumwandlungstemperatur accordingly.
  • the thermal aftertreatment can be carried out in each case in such a way after the burnishing that in the meantime it does not come to a noteworthy cooling.
  • This condition can, for example, be regarded as fulfilled if the temperature of the treated component between the browning and the thermal aftertreatment does not fall below a value of 100 ° C.
  • the outer ring and / or the rolling elements may be subjected to a curing heat treatment with a final heat treatment step.
  • the same heat treatment process as the inner ring can be used.
  • a deviating from the heat treatment of the inner ring method may be used, since the outer ring and the rolling elements are exposed to lower loads than the inner ring usually.
  • the outer ring and / or the rolling elements can be subjected to work hardening, a burnishing treatment carried out after any necessary surface finishing and / or a thermal after-treatment at a temperature below the temperature of the last heat treatment step.
  • the invention further relates to a roller bearing, which has an inner ring with an inner ring raceway, an outer ring with an outer ring raceway and rolling elements which roll on the inner ring raceway and on the outer ring raceway.
  • the inner ring is made of a steel and hardened by a heat treatment. In the region of the inner ring raceway, the inner ring has compressive residual stresses formed by work hardening in an edge layer which extends to a minimum depth below the surface of the inner ring raceway.
  • the surface of the inner ring raceway is formed by a burnishing layer.
  • the inner ring may be made of a steel having a sulfur content of 0.002 to 0.015 mass% and / or an oxygen content of less than 15 ppm.
  • the sulfur content may be in particular between 0.006 to 0.015 mass%.
  • the oxygen content may be less than 10 ppm or even less than 5 ppm.
  • the inner ring may in particular be made of a hardening bearing steel.
  • the steel may contain calcium.
  • the calcium content can be 10 to 30 ppm.
  • the ppm figures refer to the mass ratio.
  • the inner ring can be made of a steel with a forming ratio of at least 5: 1, in particular at least 8: 1 or at least 10: 1. This has the advantage of a comparatively low content of inclusions of critical size or distribution, which can ultimately lead to damage to the inner ring.
  • the inner ring may have a retained austenite content of 8 to 18% by volume.
  • the retained austenite content can be from 10 to 16% by volume.
  • Such a retained austenite content proves to be favorable, especially under extreme rolling stress, since cracking and growth are hindered.
  • the inner ring can have compressive residual stresses in the region of the inner ring raceway in the surface layer with an absolute value in the amount of a minimum value or more, and the minimum value of the absolute value of the compressive residual stresses can be 200 MPa.
  • the minimum depth can be 0, 1 mm, in particular 0.2 mm.
  • the minimum value of the absolute value of the compressive residual stresses may be 400 MPa or even 500 MPa.
  • the inner ring may have residual compressive stresses with an absolute value below the minimum value.
  • the absolute value of the compressive residual stresses at depths greater than the minimum depth may decrease with increasing depth.
  • the residual compressive stresses have a reduced tendency to crack of the Inner ring under local friction-induced tensile stress and thus an increased operating life of the bearing result.
  • the inner ring can have compressive residual stresses in the region of the inner ring raceway in the surface layer with an absolute value equal to or below the maximum value, and the maximum value of the absolute value of the compressive residual stresses can be 1500 MPa.
  • the maximum value of the absolute value of the compressive residual stresses may be 1000 MPa or only 800 MPa.
  • the inner ring may have a microstructure modified by means of thermal after-treatment after formation of the burnishing layer in the surface layer.
  • the modified microstructure in the peripheral layer of the inner ring may have dislocations to which carbon atoms are attached by the thermal post-treatment. This modification stabilizes the microstructure and can be detected by measuring the decrease in X-ray linewidth. For example, if the half width of the ⁇ 21 1 ⁇ ferrite (martensite / bainite) X-ray diffraction clays is lowered by at least 0.05 ° at at least one location within the boundary layer, a significant modification of the microstructure can be assumed.
  • the outer ring and / or the rolling elements may be burnished.
  • the rolling bearing may, in particular, be a rolling bearing of a wind power plant, for example a rolling bearing of a gearbox of a wind power plant.
  • the invention further relates to a bearing assembly for rotatably supporting a component of a transmission, wherein the bearing assembly comprises a rolling bearing according to the invention.
  • the invention relates to a wind turbine, which has a manufactured according to the invention or inventively designed rolling bearing.
  • the invention relates to a bearing assembly for rotatably supporting a roller or a cylinder, wherein the bearing assembly comprises a rolling bearing according to the invention.
  • the rolling bearing may in particular be designed as a spherical roller bearing or as a toroidal roller bearing, for example as a CA B bearing.
  • the roller or cylinder may be formed as a component of a paper machine.
  • the roller or the cylinder may for example be part of a wire section, a press section, a dryer section or a calender.
  • FIG. 2 shows a diagram for illustrating the course of the internal compressive stresses in the inner ring
  • FIG. 3 shows a greatly enlarged section of the inner ring in the region of FIG.
  • Figure 4 shows an embodiment of a bearing assembly of a paper machine in a sectional view
  • Figure 5 shows another embodiment of a bearing assembly of a
  • FIG. 1 shows an embodiment of an inventively designed roller bearing in a schematic sectional view.
  • the illustrated rolling bearing is designed as a tapered roller bearing and has an inner ring 1 with a conical inner ring raceway 2 and an outer ring 3 with a conical outer ring raceway 4.
  • On the inner ring raceway 2 and the outer ring raceway 4 roll conical rolling elements 5.
  • the rolling elements 5 are guided in a cage 6.
  • the rolling bearing can have very large dimensions.
  • the outer diameter of the outer ring 3 may be at least 1 m.
  • Such bearings can be formed, for example, as components of a wind turbine.
  • the rolling bearing according to the invention can also be used in a gearbox of a wind turbine, but then usually has an outer ring 3 with a smaller outer diameter than 1 m.
  • the rolling bearing according to the invention may be formed as a component of another transmission.
  • the rolling bearing according to the invention can be used to support a roll, in particular a roll of a paper machine.
  • the rolling bearing may for example be designed as a cylindrical roller bearing with cylindrical rolling elements 5, as a spherical roller bearings or as a Toroidalrollenlager, in particular a CARB bearing.
  • the inner ring 1 of the rolling bearing is made of a hardening steel, for example, from the bearing steel 100Cr6.
  • the inner ring 1 can be made of a case-hardening steel, for example of 18NiCrMol4-6 steel.
  • the steel used is produced with a very low sulfur content and a very low oxygen content.
  • the sulfur content is between 0.002 and 0.015 mass%, in particular between 0.006 and 0.015 mass%.
  • the oxygen content is less than 15 ppm, in particular less than 10 ppm or after Possibility even less than 5 ppm.
  • calcium may be added to the steel, which causes the sulphides formed by the sulfur to be present in a form which damages the steel to a lesser extent than does the absence of calcium.
  • the calcium content can be 10 to 30 ppm.
  • the ppm figures refer to the mass ratio.
  • the steel is transformed starting with a cast block, for example by forging or rolling to form a blank from which the inner ring 1 is produced.
  • the ratio of the cross-sectional area of the cast block to the cross-sectional area of the blank will be referred to as the forming ratio hereinafter.
  • a high forming ratio means that a strong deformation, in particular a strong reduction of the cross-sectional area, was carried out by pressure. Because the deformation reduces the inclusion content of critical size and distribution in the steel, a high forming ratio means a large reduction in the content of critical size and distribution inclusions in the steel. A steel with few critical inclusions is in turn less susceptible to crack formation and other damage. Therefore, for the inner ring 1, preferably a steel with a forming ratio of at least 5: 1, in particular at least 8: 1 or even better at least 10: 1 is used.
  • the inner ring 1 is hardened by a heat treatment.
  • a martensite hardening is carried out.
  • the process parameters of austenitizing, quenching and tempering carried out during martensite hardening are selected such that a residual aorthenite content of between 8 and 18% by volume, in particular between 10 and 16% by volume, results.
  • the inner ring 1 is fed to a grinding process.
  • the inner ring raceway 2 is formed with a predetermined geometry and a predetermined surface finish.
  • distortions can be compensated by grinding. which are caused by hardening.
  • Honing can also be followed by grinding in order to produce a particularly smooth surface with low roughness for good tribological properties.
  • work hardening of the inner ring 1 takes place in the region of the inner ring raceway 2.
  • Cold work hardening can be achieved, for example, by shot blasting, deep rolling and / or hot oil blasting of the inner ring raceway 2.
  • the inner ring raceway 2 can be ground and / or honed following work hardening.
  • surface finishing by grinding is only possible if the removal is so small that the effects achieved by work hardening are not unduly impaired.
  • Cold work hardening by deep rolling results in significantly higher surface damage than cold work hardening by shot peening. Therefore, in many cases, preference will be given to deep-rolling or similar techniques over shot peening. In the case of cold work hardening by deep rolling, grinding will generally not be necessary, at best honing.
  • FIG. 2 shows a diagram for illustrating the course of the internal compressive stresses in the inner ring 1.
  • the abscissa shows the depth below the surface of the inner ring raceway 2.
  • the ordinate shows the value of the residual stress for the respective depth.
  • Negative values of the residual stress mean that it is a compressive residual stress
  • positive values mean that it is a tensile residual stress.
  • the residual stress has negative values in the whole illustrated range, which can be equated with the mentioned boundary layer, so that it is a compressive residual stress throughout.
  • the absolute value of the compressive residual stress is slightly lower than 600 MPa, which is a typical value after honing.
  • the absolute value of the compressive residual stress first decreases to slightly above 400 MPa at a depth of approximately 0.01 mm. With increasing depth, the absolute value of the compressive residual stress increases again and approaches a value of 800 MPa at a depth of 0.20 mm to 0.25 mm, without, however, reaching it. At even greater depths, the absolute value of the residual compressive stress decreases again continuously.
  • the minimum depth should be 0, 1 mm, in particular 0.2 mm.
  • the minimum value for the absolute value of the residual compressive stresses should be 200 MPa, in particular 400 MPa or 500 MPa.
  • the inner ring 1 can have residual compressive stresses with an absolute value below the minimum value.
  • the absolute value of the compressive residual stresses at depths greater than the minimum depth may decrease with increasing depth.
  • the absolute value of the residual compressive stresses over the entire depth range should not exceed a maximum value.
  • the maximum value may be 1500 MPa, in particular 1000 MPa or even 800 MPa.
  • FIG. Figure 3 shows a greatly enlarged section of the inner ring 1 in the region of the inner ring raceway 2 in a schematic sectional view.
  • the surface of the inner ring raceway 2 is formed by a thin burnishing layer 7.
  • the thickness of the burnishing layer 7 can be less than 1 ⁇ or up to a few ⁇ .
  • the burnishing layer 7 lies completely within the area of the first rise beginning at the surface, ie. H. within the range of decreasing values for the absolute value of compressive residual stress.
  • the burnishing layer 7 is very dense and has a deep black color. In particular, the burnishing layer 7 is formed liquid-tight.
  • the inner ring 1 is subjected to a thermal aftertreatment.
  • the thermal post-treatment is carried out at a temperature which is at least 10 K below the tempering temperature of the inner ring 1, for example in a range of 190 to 230 ° C. In any case, a temperature above 100 ° C should be selected.
  • the thermal aftertreatment is particularly effective if it is carried out at a temperature which is a maximum of 100 K, better still a maximum of 50 K, below the tempering temperature.
  • the temperature of the thermal aftertreatment can also be brought closer than 10 K to the tempering temperature. However, then a relatively accurate temperature control is to ensure to avoid exceeding the tempering temperature.
  • the thermal after-treatment ensures that the structure of the inner ring 1 stabilizes.
  • bainite hardening may be provided as the heat treatment.
  • the thermal post-treatment is carried out at a temperature which is at least 10 K below the Bainitumwandlungstempe- temperature.
  • the thermal aftertreatment can be carried out at a temperature which is below, preferably at least 10 K below, the temperature of a last heat treatment step.
  • the last heat treatment step is tempering. Accordingly, the temperature of the last heat treatment step is the tempering temperature.
  • the last heat treatment step is bainite transformation. Accordingly, the temperature of the last heat treatment step is the bainite transformation temperature.
  • the outer ring 3 and / or the rolling elements 5 may be made of the same material as the inner ring 1.
  • the process steps described for the inner ring 1 can be used individually or in combination. However, it is also possible to use modified process steps. Since the outer ring 3 is generally exposed to lower loads than the inner ring 1, it is not necessary to take over all the process steps described for the inner ring 1 also for the outer ring 3. For example, a work hardening in the outer ring 3 is not mandatory.
  • a premature failure of the rolling bearing is usually not by the permanent operation of the bearing permanently present nominal load, but rather by peak stress conditions associated with a momentary failure of the bearing kinetic.
  • These critical operating conditions which result from the action of vibrations on the bearing, are characterized in particular by high local sliding friction (high coefficient of friction) combined with high Hertzian pressure and can occur, for example, during starting and braking operations or emergency stops.
  • high local sliding friction high coefficient of friction
  • Hertzian pressure high Hertzian pressure
  • Passivation can be achieved by stabilizing the near-surface microstructure, increasing resistance to (tribo) chemical attack, reducing local sliding friction under peak load and improving shrinkage.
  • oxygen and sulfur impurities are important because they are associated with inclusions such as oxides or sulfides. These inclusions constitute a risk for damage to the Rolling when they occur in near-surface areas, for example, to a depth of 200 ⁇ below the surface.
  • Such near-surface inclusions represent critical weak points (stress concentrations) in the material at which the described friction stress-induced brittle fractures can be triggered more easily.
  • Compressive stresses of sufficient minimum thickness (eg 400 MPa) produced by work hardening to a sufficient depth (eg 0.4 mm) below the surface cause an increase of the material resistance against the formation of brittle surface force fracture cracks and also impede crack propagation below the Surface. This can be done by means of the generation of residual compressive stresses in the surface layer which has already been described in detail.
  • the measures described can significantly reduce the risk of premature failure of the rolling bearing.
  • the rolling bearing according to the invention can be used, for example, in a bearing arrangement of a paper machine.
  • the rolling bearing according to the invention in particular in a wire section for rotatably supporting a former roll or a suction roll, in a press section for rotatably supporting a screen roll or a suction roll, press roll, in a dryer section for supporting a felt roll, a drying cylinder or a Yankee cylinder or in a calender for Storage of a felt roll or a thermoroll are used.
  • Figure 4 shows an embodiment of a bearing assembly of a paper machine in a sectional view.
  • the bearing arrangement shown serves for the storage of press rolls and is operated with an oil circulation lubrication.
  • both bearings are identical and arranged mirror-symmetrically to each other. Therefore, only one bearing point is shown in FIG.
  • the inner ring 1 has two axially juxtaposed concave inner ring raceways 2, on which roll two sets of axially adjacent barrel-shaped rolling elements 5.
  • the rolling elements 5 are guided in two axially adjacent cages 6 and continue to roll on a concave outer raceway 4 of an outer ring 3 from.
  • a single cage 6 may be provided for both sets of rolling elements.
  • the outer ring 3 is arranged in a bearing housing 1 1, which may be firmly anchored, for example, in a side wall of the paper machine not shown figuratively.
  • the bearing housing 1 1 is sealed by a seal assembly 12 and a further seal assembly 13, which are arranged on one side axially adjacent to the rolling bearing, against the pin 8.
  • the seal assembly 12 is disposed at a closer distance to the roller than the rolling bearing and the further seal assembly 13 at a greater distance from the roller than the rolling bearing.
  • the housing 11 has a cover 14.
  • Figure 5 shows another embodiment of a bearing assembly of a paper machine in a sectional view.
  • the bearing assembly shown in Figure 5 is used for storage of felt guide rollers in the dryer section of the paper machine and is operated with an oil lubrication.
  • the roller which is not shown in the figures and embodied as a felt guide roller, has a journal 8 at both axial ends which is received in regions by an inner ring 1 of the rolling bearing. Accordingly, in the exemplary embodiment of FIG. 5, in each case two bearing points and thus two rolling bearings according to the invention are provided per roller. seen. In contrast to Figure 4, the two bearings are formed differently in the embodiment of Figure 5 and therefore both shown in Figure 5.
  • the bearing shown on the left in Figure 5 has a rolling bearing, which is designed as a single-row Toroidalrollenlager, especially as a CA B bearing, and in addition to the inner ring 1 with a concave inner ring raceway 2, an outer ring 3 with a concave outer ring raceway 4 and a Set barrel-shaped rolling elements 5, which are guided in a cage 6 and roll on the inner ring raceway 2 and the outer ring raceway 4.
  • the inner ring 1 is arranged on the pin 8 and fixed by means of a nut 9, which is screwed onto a thread 10 formed on the pin 8, on the pin 8.
  • the outer ring 3 is arranged in a bearing housing 1 1.
  • the bearing housing 1 1 is sealed by a seal assembly 12, which is arranged at a smaller distance from the roller than the rolling bearing, against the pin 8.
  • the housing 1 1 is closed by a cover 14 which is arranged at a greater distance from the roller than the rolling bearing,
  • the bearing point shown on the right in Figure 5 is formed except for the configuration of the rolling bearing itself analogous to the bearing point shown on the left in Figure 5 and arranged mirror-symmetrically to this.
  • the rolling bearing of the bearing point shown on the right in Figure 5 is designed as a double-row spherical roller bearings and has an inner ring 1 with two axially juxtaposed concave inner ring raceways 2, an outer ring 3 with a concave outer ring raceway 4 and two axially juxtaposed sets of barrel-shaped rolling elements 5, which are guided in one or in a common cage 6 and roll on the inner ring raceways 2 and the outer ring raceway 4.
  • the bearing point shown on the left is formed analogous to the bearing point shown on the right and arranged mirror-symmetrically to this.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und Wälzlager Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers, das einen Innenring (1) mit einer Innenringlaufbahn (2), einen Außenring (3) mit einer Außenringlaufbahn (4) und Wälzkörper (5) aufweist, die auf der Innenringlaufbahn (2) und auf der Außenringlaufbahn (4) abrollen. Der Innenring (1) wird aus Stahl her- gestellt und einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung unterzogen, die mit der Durchführung eines letzten Wärmebehandlungsschrittes bei einer vorgegebenen Temperatur abgeschlossen wird.Im Innenring (1) werden durch Kaltverfestigung im Bereich der Innenringlaufbahn (2) Druckeigenspannungen in einer Randschicht ausgebildet. Der Innenring (1) wird nach der Kaltverfestigung brüniert.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und Wälzlager
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Wälzlager, insbesondere ein Wälzlager einer Windenergieanlage. Schließlich betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage.
Insbesondere bei Wälzlagern, die sehr große Abmessungen aufweisen und/oder die in großen Anlagen verbaut werden, wie beispielsweise bei Wälzlagern von Windenergieanlagen, wird angesichts der hohen Kosten der Wälzlager selbst und der hohen Kosten, die durch einen Stillstand der mit derartigen Wälzlagern ausgerüsteten Anlagen verursacht werden, ein langer störungsfreier Betrieb und somit eine lange Lebensdauer der Wälzlager gefordert. Bei Anlagen mit sehr großen Wälzlagern treten aber mitunter extreme Beanspruchungssituationen auf, die sich durch ein einfaches Hochskalieren von Standardlagern nicht mehr beherrschen lassen. Es ist vielmehr erforderlich, die Wälzlager mit herausragenden und auf die erwarteten Beanspruchungsprofile abgestimmten Werkstoffeigenschaften auszustatten. Insbesondere bei Windenergieanlagen treten zudem sehr komplexe Beanspruchungsprofile auf, die zu einem vorzeitigen Ausfall von Wälzlagern führen können, welche mit konventionellen Lebensdauermodellen nicht vorhergesagt werden können. Insbesondere besteht das Risiko, dass temporär Beanspruchungen auftreten, die nicht im Einzelnen analysiert sind und nicht durch die Spezifikationen der Wälzlager abgedeckt sind. Die vorzeitigen Ausfälle beruhen häufig auf der Ausbildung von so genannten weißen Rissen. Dabei handelt es sich um Bereiche mit ultra feinem nano- rekristallisiertem karbidfreiem Ferrit.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager bereitzustellen, das auch bei einem Betrieb, in dem extreme Beanspruchungssituationen auftreten, eine sehr lange Lebensdauer und ein sehr geringes Risiko eines vorzeitigen Ausfalls aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und durch ein Wälzlager gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers, das einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn und Wälzkörper aufweist, die auf der Innenringlaufbahn und auf der Außenringlaufbahn abrollen, wird folgendermaßen vorgegangen:
Der Innenring wird aus Stahl und einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung unterzogen, die mit der Durchführung eines letzten Wärmebehandlungsschrittes bei einer vorgegebenen Temperatur abgeschlossen wird. Im Innenring werden durch Kaltverfestigung im Bereich der Innenringlaufbahn Druckeigenspannungen in einer Randschicht, die sich bis in eine Mindesttiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn erstreckt, ausgebildet. Nach der Kaltverfestigung wird der Innenring brüniert.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise in der vorstehend genannten Reihenfolge durchgeführt. Dabei müssen nicht alle Schritte zwingend in einem engen räumlichen oder zeitlichen Zusammenhang ausgeführt werden. Es besteht vielmehr die Möglichkeit, Zwischenprodukte zu fertigen, die zu einem späteren Zeitpunkt und/oder an einem anderen Ort weiter bearbeitet werden. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird die Empfindlichkeit des verwendeten Stahls gegen Rissbildung an der Oberfläche vermindert, unter extremen Beanspruchungsbedingungen die rissauslösende Gleitreibung zwischen den Wälzkörpern und der Innenringlaufbahn in den hochbeanspruchten Mikrokontakt- bereichen reduziert und das Eindringen von Wasserstoff in die Innenringlaufbahn erschwert. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer des Wälzlagers aus. Demgemäß hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es die Herstellung von Wälzlagern ermöglicht, die auch dann eine sehr lange Lebensdauer erreichen, wenn sie beispielsweise kurzzeitig extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Herstellung von Wälzlagern von Windenergieanlagen. Derartige Wälzlager können beispielsweise in Getrieben von Windenergieanlagen eingesetzt werden. Weiterhin können derartige Wälzlager beispielsweise zur Lagerung von Walzen in Papiermaschinen eingesetzt werden.
Mit der Wärmebehandlung kann die Ausbildung gewünschter Einsatzgefüge im Innenring erzielt werden. Durch das Härten wird die Innenringlaufbahn zuverlässig vor einer mechanischen Beschädigung und vor einem unzulässig hohen Verschleiß geschützt.
Der Innenring kann vor der Kaltverfestigung einer Martensit-, Einsatz- oder Induktionshärtung unterzogen werden. In diesem Fall kann es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Anlasstemperatur des Innenrings handeln.
Ebenso kann der Innenring vor der Kaltverfestigung einer Bainithärtung unterzogen werden. In diesem Fall kann es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Bainitumwandlungstemperatur des Innenrings handeln.
Zwischen dem Bearbeitungsschritt der Kaltverfestigung und dem Bearbeitungsschritt der Brünierung kann eine mechanische Oberflächennachbearbeitung des Innenrings durchgeführt werden. Dadurch können geschädigte Oberflächenbereiche des Innenrings abgetragen werden und/oder die Oberflächenrauhigkeit reduziert werden. Die Oberflächennachbearbeitung kann z. B. durch Schleifen und/oder Honen erfolgen. Eine Oberflächennachbearbeitung durch Schleifen kommt allerdings nur dann in Betracht, wenn der Abtrag so gering ist, dass die durch die Kaltverfestigung erzielten Effekte nicht unzulässig stark beeinträchtigt werden.
Der brünierte Innenring kann einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes unterzogen werden. Insbesondere kann der Innenring der thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterzogen werden, die wenigstens 10 K unter der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes liegt. Die thermische Nachbehandlung kann bei einer Temperatur von wenigstens 100 °C durchgeführt werden. Besonders effektiv ist die Wirkung der Nachbehandlung, wenn diese bei einer Temperatur durchgeführt wird, die maximal 100 K, insbesondere maximal 50 K, unter der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes liegt. Als ein Maß für die Wirksamkeit der thermischen Nachbehandlung kann die Abnahme der röntgenografischen Linienbreite herangezogen werden. Beispielsweise kann für die Halbwertsbreite der {21 1 } -Ferrit (Martensit/Bainit) öntgenbeugungslinie eine Absenkung um mindestens 0,05° an mindestens einem Ort innerhalb der mechanisch beeinflussten Zone (Oberfläche und/oder Tiefe) als Richtwert für eine wirksame thermische Nachbehandlung dienen.
Die thermische Nachbehandlung erfolgt vorzugsweise möglichst knapp unterhalb der Anlasstemperatur für eine von der Bauteildicke und der Dicke der mechanisch beeinflussten Randschicht abhängige, nicht zu lange Zeit von beispielsweise maximal 5 Stunden, um ohne nennenswerten Härteverlust die Stabilisierung des nach der Wärmebehandlung durch Oberflächenbearbeitung und Kaltverfestigung mechanisch beeinflussten Gefüges zu optimieren. Erfahrungsgemäß liegt eine ausreichende Zeit für die thermische Nachbehandlung bei maximal 2 Stunden. Wird statt eines Mar- tensit-, Einsatz- oder Induktionshärten ein Bainithärten durchgeführt, gelten die für die Anlasstemperatur getroffenen Aussagen für die Bainitumwandlungstemperatur entsprechend.
Die thermische Nachbehandlung kann jeweils so im Anschluss an das Brünieren durchgeführt werden, dass es zwischenzeitlich nicht zu einer nennenswerten Abkühlung kommt. Diese Bedingung kann beispielsweise dann als erfüllt angesehen werden, wenn die Temperatur der behandelten Komponente zwischen dem Brünieren und der thermischen Nachbehandlung einen Wert von 100 °C nicht unterschreitet.
Der Außenring und/oder die Wälzkörper können einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung mit einem letzten Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden. Dabei kann jeweils das gleiche Wärmebehandlungs verfahren wie beim Innenring zum Einsatz kommen. Ebenso kann auch ein von der Wärmebehandlung des Innenrings abweichendes Verfahren eingesetzt werden, da der Außenring und die Wälzkörper in der Regel geringeren Belastungen ausgesetzt sind als der Innenring. Weiterhin können der Außenring und/oder die Wälzkörper einer Kaltverfestigung, einer nach einer eventuell notwendigen Oberflächennachbearbeitung durchgeführten Brünier-Behandlung und/oder einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes unterzogen werden.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Wälzlager, das einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn und Wälzkörper aufweist, die auf der Innenringlaufbahn und auf der Außenringlaufbahn abrollen. Der Innenring ist aus einem Stahl hergestellt und durch eine Wärmebehandlung gehärtet. Im Bereich der Innenringlaufbahn weist der Innenring in einer Randschicht, die sich bis in eine Mindesttiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn erstreckt, durch Kaltverfestigung ausgebildete Druckeigenspannungen auf. Die Oberfläche der Innenringlaufbahn ist durch eine Brünierschicht ausgebildet. Der Innenring kann aus einem Stahl mit einem Schwefelgehalt von 0,002 bis 0,015 Massen-% und/oder einem Sauerstoffgehalt kleiner 15 ppm hergestellt sein. Der Schwefelgehalt kann insbesondere zwischen 0,006 bis 0,015 Massen-% betragen. Der Sauerstoffgehalt kann insbesondere kleiner 10 ppm oder sogar kleiner 5 ppm sein. Der Innenring kann insbesondere aus einem durchhärtenden Wälzlagerstahl hergestellt sein. Weiterhin kann der Stahl Kalzium enthalten. Der Kalziumgehalt kann 10 bis 30 ppm betragen. Die ppm- Angaben beziehen sich jeweils auf das Massenverhältnis.
Der Innenring kann aus einem Stahl mit einem Umformverhältnis von wenigstens 5 : 1, insbesondere wenigstens 8 : 1 oder wenigstens 10 : 1, hergestellt sein. Dies hat den Vorteil eines vergleichsweise geringen Gehalts an Einschlüssen kritischer Größe oder Verteilung, welche letztendlich zu einer Schädigung des Innenrings führen können.
Der Innenring kann einen Restaustenitgehalt von 8 bis 18 Volumen-% aufweisen. Insbesondere kann der Restaustenitgehalt von 10 bis 16 Volumen-% betragen. Ein solcher Restaustenitgehalt erweist sich gerade unter extremer Wälzbeanspruchung als günstig, da Rissbildung und -Wachstum behindert werden.
Der Innenring kann im Bereich der Innenringlaufbahn in der Randschicht Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag in Höhe eines Mindestwerts oder darüber aufweisen und der Mindestwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen kann 200 MPa betragen. Die Mindesttiefe kann 0, 1 mm, insbesondere 0,2 mm, betragen. Der Mindestwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen kann insbesondere 400 MPa oder sogar 500 MPa betragen. In größeren Tiefen als der Mindesttiefe kann der Innenring Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag unterhalb des Mindestwerts aufweisen. Insbesondere kann der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen in größeren Tiefen als der Mindesttiefe mit zunehmender Tiefe abnehmen. Die Druckeigenspannungen haben eine reduzierte Rissneigung des Innenrings unter lokaler reibungsinduzierter Zugbeanspruchung und demgemäß eine erhöhte Betriebsdauer des Wälzlagers zur Folge.
Der Innenring kann im Bereich der Innenringlaufbahn in der Randschicht Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag in Höhe eines Höchstwerts oder darunter aufweisen und der Höchstwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen kann 1500 MPa betragen. Insbesondere kann der Höchstwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen 1000 MPa oder lediglich 800 MPa betragen.
Der Innenring kann in der Randschicht eine mittels thermischer Nachbehandlung nach Ausbildung der Brünierschicht modifizierte Mikrostruktur aufweisen. Die modifizierte Mikrostruktur in der Randschicht des Innenrings kann Versetzungen aufweisen, an die durch die thermische Nachbehandlung Kohlenstoffatome angelagert sind. Diese Modifikation stabilisiert die Mikrostruktur und kann über eine Messung der Abnahme der röntgenografischen Linienbreite nachgewiesen werden. Beispielsweise kann bei einer Absenkung der Halbwertsbreite der {21 1 } -Ferrit (Martensit/Bainit) Röntgenbeugungslime um mindestens 0,05° an mindestens einem Ort innerhalb der Randschicht von einer signifikanten Modifikation der Mikrostruktur ausgegangen werden.
Der Außenring und/oder die Wälzkörper können brüniert sein.
Bei dem Wälzlager kann es sich insbesondere um ein Wälzlager einer Windenergieanlage, beispielsweise um ein Wälzlager eines Getriebes einer Windkraftanlage, handeln.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer Komponente eines Getriebes, wobei die Lageranordnung ein erfindungsgemäßes Wälzlager aufweist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Windenergieanlage, die ein erfindungsgemäß hergestelltes oder ein erfindungsgemäß ausgebildetes Wälzlager aufweist.
Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer Walze oder eines Zylinders, wobei die Lageranordnung ein erfindungsgemäßes Wälzlager aufweist. Das Wälzlager kann insbesondere als ein Pendelrollenlager oder als ein Toroidalrollenlager, beispielsweise als ein CA B Lager, ausgebildet sein.
Die Walze oder der Zylinder kann als eine Komponente einer Papiermaschine ausgebildet sein. Die Walze oder der Zylinder kann beispielsweise ein Bestandteil einer Siebpartie, einer Pressenpartie, einer Trockenpartie oder eines Kalanders sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausg
Wälzlagers in einer schematischen Schnittdarstellung,
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Druckeigenspannungen im Innenring,
Figur 3 einen stark vergrößerten Ausschnitt des Innenrings im Bereich der
Innenringlaufbahn in einer schematischen Schnittdarstellung,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer Papiermaschine in Schnittdarstellung und Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer
Papiermaschine in Schnittdarstellung.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers in einer schematischen Schnittdarstellung. Das dargestellte Wälzlager ist als ein Kegelrollenlager ausgebildet und weist einen Innenring 1 mit einer konischen Innenringlaufbahn 2 und einen Außenring 3 mit einer konischen Außenringlaufbahn 4 auf. Auf der Innenringlaufbahn 2 und der Außenringlaufbahn 4 rollen konische Wälzkörper 5 ab. Die Wälzkörper 5 werden in einem Käfig 6 geführt. Das Wälzlager kann sehr große Abmessungen aufweisen. Beispielsweise kann der Außendurchmesser des Außenrings 3 wenigstens 1 m betragen. Derartige Wälzlager können beispielsweise als Komponenten einer Windenergieanlage ausgebildet sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Wälzlager auch in einem Getriebe einer Windenergieanlage zum Einsatz kommen, weist dann aber in der Regel einen Außenring 3 mit einem geringeren Außendurchmesser als 1 m auf. Ebenso kann das erfindungsgemäße Wälzlager als eine Komponente eines sonstigen Getriebes ausgebildet sein. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Wälzlager der Lagerung einer Walze, insbesondere einer Walze einer Papiermaschine dienen.
Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Wälzlager beispielsweise auch als ein Zylinderrollenlager mit zylinderförmigen Wälzkörpern 5, als ein Pendelrollenlagern oder als ein Toroidalrollenlager, insbesondere ein CARB Lager, ausgebildet sein.
Der Innenring 1 des Wälzlagers wird aus einem durchhärtenden Stahl, beispielsweise aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 gefertigt. Ebenso kann der Innenring 1 aus einem Einsatzstahl, beispielsweise aus dem Stahl 18NiCrMol4-6 gefertigt werden. Der verwendete Stahl wird mit einem sehr geringen Schwefelgehalt und einem sehr geringen Sauerstoffgehalt hergestellt. Der Schwefelgehalt beträgt zwischen 0,002 und 0,015 Massen-%, insbesondere zwischen 0,006 und 0,015 Massen-%. Der Sauerstoffgehalt ist kleiner als 15 ppm, insbesondere kleiner als 10 ppm oder nach Möglichkeit sogar kleiner als 5 ppm. Weiterhin kann dem Stahl Kalzium zugegeben sein, welches dazu führt, das die durch den Schwefel gebildeten Sulfiden in einer Form vorliegen, die den Stahl in einem geringeren Maß schädigen als diese ohne Kalzium der Fall ist. Der Kalziumgehalt kann 10 bis 30 ppm betragen. Die ppm- Angaben beziehen sich jeweils auf das Massenverhältnis.
Der Stahl wird beginnend mit einem gegossenen Block beispielsweise durch Schmieden oder Walzen zu einem Rohling umgeformt, aus dem der Innenring 1 hergestellt wird. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des gegossenen Blocks zur Querschnittsfläche des Rohlings wird im Folgenden als Umformverhältnis bezeichnet. Ein hohes Umformverhältnis bedeutet, dass eine starke Umformung, insbesondere eine starke Reduzierung der Querschnittsfläche, durch Druckeinwirkung erfolgte. Da durch die Umformung der Gehalt an Einschlüssen kritischer Größe und Verteilung im Stahl reduziert wird, bedeutet ein hohes Umformverhältnis eine starke Reduzierung des Gehalts an Einschlüssen kritischer Größe und Verteilung im Stahl. Ein Stahl mit wenigen kritischen Einschlüssen ist wiederum weniger anfällig für die Ausbildung von Rissen und für sonstige Beschädigungen. Daher wird für den Innenring 1 vorzugsweise ein Stahl mit einem Umformverhältnis von wenigstens 5 : 1, insbesondere wenigstens 8 : 1 oder besser noch wenigstens 10 : 1 verwendet.
Der Innenring 1 wird durch eine Wärmebehandlung gehärtet. Beispielsweise wird eine Martensithärtung durchgeführt. Dabei werden die Verfahrensparameter des bei der Martensithärtung durchgeführten Austenitisierens, Abschreckens und Anlassens so gewählt, dass sich ein Restausthenitgehalt zwischen 8 und 18 Volumen-%, insbesondere zwischen 10 und 16 Volumen-% ergibt.
Nach Abschluss der Wärmebehandlung wird der Innenring 1 einem Schleifprozess zugeführt. Im Rahmen des Schleifprozesses wird die Innenringlaufbahn 2 mit einer vorgegebenen Geometrie und einer vorgegebenen Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet. Durch das Schleifen können beispielsweise Verzüge kompensiert werden, die durch das Härten entstanden sind. An das Schleifen kann sich auch ein Honen anschließen, um für gute tribologische Eigenschaften eine besonders glatte Oberfläche mit geringer Rauheit zu erzeugen.
In einem weiteren Arbeitsschritt erfolgt eine Kaltverfestigung des Innenrings 1 im Bereich der Innenringlaufbahn 2. Eine Kaltverfestigung lässt sich beispielsweise durch ein Kugelstrahlen, Festwalzen und/oder Warmölstrahlen der Innenringlaufbahn 2 erreichen. Zur Beseitigung etwaiger Oberflächenschädigungen oder plastischer Verformungen kann die Innenringlaufbahn 2 im Anschluss an die Kaltverfestigung geschliffen und/oder gehont werden. Eine Oberflächennachbearbeitung durch Schleifen kommt allerdings nur dann in Betracht, wenn der Abtrag so gering ist, dass die durch die Kaltverfestigung erzielten Effekte nicht unzulässig stark beeinträchtigt werden. Eine Kaltverfestigung durch Festwalzen hat deutlich höhere Oberflächenschädigungen zur Folge als eine Kaltverfestigung durch Kugelstrahlen. Deshalb wird man in vielen Fällen dem Festwalzen oder ähnlichen Techniken gegenüber dem Kugelstrahlen den Vorzug geben. Bei einer Kaltverfestigung durch Festwalzen wird ein Schleifen in der Regel nicht erforderlich sein, allenfalls ein Honen.
Durch die Kaltverfestigung werden im Innenring 1 in einer Randschicht Druckeigenspannungen erzeugt, die sich sehr vorteilhaft auf die Lebensdauer des Wälzlagers auswirken. Größe und Tiefenverlauf der Druckeigenspannungen werden anhand von Figur 2 näher erläutert.
Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Druckeigenspannungen im Innenring 1. Auf der Abszisse ist die Tiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn 2 aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Wert der Eigenspannung für die jeweilige Tiefe aufgetragen. Negative Werte der Eigenspannung bedeuten, dass es sich um eine Druckeigenspannung handelt, positive Werte bedeuten, dass es sich um eine Zugeigenspannung handelt. Die Eigenspannung weist im gesamten dargestellten Bereich, der mit der erwähnten Randschicht gleichgesetzt werden kann, negative Werte auf, so dass es sich durchgehend um eine Druckeigenspannung handelt. An der Oberfläche der Innenring- laufbahn 2 liegt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung geringfügig unter 600 MPa, was einen typischen Wert nach dem Honen darstellt. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung zunächst ab bis auf etwas über 400 MPa in einer Tiefe von ca. 0,01 mm. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung wieder zu und nähert sich in einer Tiefe von 0,20 mm bis 0,25 mm einem Wert von 800 MPa, ohne diesen jedoch zu erreichen. Zu noch größeren Tiefen hin nimmt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung wieder kontinuierlich ab.
Es hat sich gezeigt, dass sich eine lange Lebensdauer des Wälzlagers erzielen lässt, wenn der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen bis in eine Mindesttiefe einen Mindestwert nicht unterschreitet. Die Mindesttiefe sollte 0, 1 mm, insbesondere 0,2 mm betragen. Der Mindestwert für den Absolutbetrag der Druckeigenspannungen sollte 200 MPa, insbesondere 400 MPa oder 500 MPa betragen. In größeren Tiefen als der Mindesttiefe kann der Innenring 1 Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag unterhalb des Mindestwerts aufweisen. Insbesondere kann der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen in größeren Tiefen als der Mindesttiefe mit zunehmender Tiefe abnehmen. Des Weiteren sollte der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen über den gesamten Tiefenbereich einen Höchstwert nicht überschreiten. Der Höchstwert kann 1500 MPa, insbesondere 1000 MPa oder auch 800 MPa betragen.
Nach der Kaltverfestigung und einer zur Erzielung geeigneter Rauhigkeiten eventuell notwendigen mechanischen Oberflächennachbearbeitung wird der Innenring 1 brüniert. Die Brünierung kann auf eine Weise erfolgen, die in der DE-A- 102007061 193 beschrieben ist. Der brünierte Innenring 1 ist in Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt des Innenrings 1 im Bereich der Innenringlaufbahn 2 in einer schematischen Schnittdarstellung.
Die Oberfläche der Innenringlaufbahn 2 wird durch eine dünne Brünierschicht 7 ausgebildet. Die Dicke der Brünierschicht 7 kann weniger als 1 μηι oder bis zu einigen wenigen μηι betragen. Damit liegt die Brünierschicht 7 bei der in Figur 3 dargestellten Kurve vollständig innerhalb des an der Oberfläche beginnenden Bereichs des ersten Anstiegs, d. h. innerhalb des Bereichs abnehmender Werte für den Absolutbetrag der Druckeigenspannung. Die Brünierschicht 7 ist sehr dicht ausgebildet und weist eine tiefschwarze Farbe auf. Insbesondere ist die Brünierschicht 7 flüssigkeitsdicht ausgebildet.
Nach dem Brünieren wird der Innenring 1 einer thermischen Nachbehandlung unterzogen. Die thermische Nachbehandlung wird bei einer Temperatur durchgeführt, die wenigstens 10 K unter der Anlasstemperatur des Innenrings 1 liegt, beispielsweise in einem Bereich von 190 bis 230 °C. In jedem Fall sollte eine Temperatur oberhalb 100 °C gewählt werden. Besonders effektiv ist die thermische Nachbehandlung, wenn sie bei einer Temperatur durchgeführt wird, die maximal 100 K, besser noch maximal 50 K, unter der Anlasstemperatur liegt. Die Temperatur der thermischen Nachbehandlung kann auch dichter als 10 K an die Anlasstemperatur herangeführt werden. Dann ist jedoch eine relativ genaue Temperatursteuerung zu gewährleisten, um ein Überschreiten der Anlasstemperatur zu vermeiden. Durch die thermische Nachbehandlung wird erreicht, dass sich das Gefüge des Innenrings 1 stabilisiert. Dabei lagern sich Kohlenstoffatome, vergleichbar mit Cottrell- Wolken, an Versetzungen an, die während der plastischen Verformung bei der Kaltverfestigung und Oberflächenhartbearbeitung durch die dabei ausgelösten Gleitvorgänge energetisch günstige Konfigurationen (z. B. Dipole, Multipole) ausbilden, und stabilisieren so diese günstigen Versetzungsanordnungen. Die unter Wälzbeanspruchung ablaufenden Prozesse (z. B. Wälzermüdung) werden dadurch vorteilhaft beeinflusst, d. h. insbesondere in ihrer werkstoffschädigenden Wirkung verlangsamt. Mit der Durchführung der thermischen Nachbehandlung ist der Innenring 1 fertiggestellt und kann zum Zusammenbau des Wälzlagers verwendet werden.
Anstelle einer Martensithärtung kann als Wärmebehandlung eine Bainithärtung vorgesehen sein. In diesem Fall wird die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, die wenigstens 10 K unter der Bainitumwandlungstempe- ratur liegt. Das bei der Martensithärtung zu den Temperaturgrenzen Gesagte gilt analog.
Ganz allgemein kann die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden, die unterhalb, vorzugsweise wenigstens 10 K unterhalb, der Temperatur eines letzten Wärmebehandlungsschrittes liegt. Bei der Martensithärtung ist der letzte Wärmebehandlungsschritt das Anlassen. Demgemäß handelt es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Anlasstemperatur. Bei der Bainithärtung ist der letzte Wärmebehandlungsschritt die Bainitumwand- lung. Demgemäß handelt es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Bainitumwandlungstemperatur.
Der Außenring 3 und/oder die Wälzkörper 5 können aus dem gleichen Material wie der Innenring 1 gefertigt sein. Bei der Bearbeitung des Außenrings 3 und/oder der Wälzkörper 5 können die für den Innenring 1 beschriebenen Prozessschritte einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen. Es können aber auch abgewandelte Prozessschritte zum Einsatz kommen. Da der Außenring 3 in der Regel geringeren Belastungen ausgesetzt ist als der Innenring 1 , ist es nicht erforderlich, alle für den Innenring 1 beschriebenen Prozessschritte auch für den Außenring 3 zu übernehmen. Beispielsweise ist eine Kaltverfestigung beim Außenring 3 nicht zwingend erforderlich.
Ein vorzeitiger Ausfall des Wälzlagers wird in der Regel nicht durch die im Betrieb des Wälzlagers permanent vorhandene nominelle Belastung, sondern vielmehr durch Spitzenbeanspruchungszustände, die mit einer kurzzeitigen Störung der Lagerkinetik in Verbindung stehen, hervorgerufen. Diese kritischen Betrieb szustände, die von der Einwirkung von Schwingungen auf das Lager herrühren, sind insbesondere durch hohe lokale Gleitreibung (großer Reibbeiwert) bei gleichzeitig hoher Hertz' scher Pressung gekennzeichnet und können etwa bei Start- und Bremsvorgängen oder Notstopps auftreten. So können durch eine an der Kontaktfläche infolge von auf das Lager einwirkenden, in der Praxis oft mehrdimensionalen Schwingungen lokal, z. B. band- oder fleckenförmig, auftretende Mischreibung sehr hohe Zugspannungen im Bereich nahe der Oberfläche auftreten, welche zur Anrissbildung durch typischerweise 0,05 bis über 0,2 mm tiefen spröden Gewaltbruch führen können. Die an oder nahe der Laufbahnoberfläche initiierten Anrisse breiten sich unter Mitwirkung des eindringenden, alternden Schmierstoffs relativ rasch durch Schwingungsrisskorrosion (Korrosionsermüdung) verzweigend und aufweitend in den Werkstoff hinein aus, was im weiteren Betrieb zu Schälungen, beispielsweise durch Rissrückläufer, führt.
Insgesamt werden beim erfindungsgemäßen Wälzlager durch ein maßgeschneidertes Zusammenspiel verschiedener Maßnahmen eine Reduzierung des Risikos eines vorzeitigen Ausfalls und damit eine Erhöhung der Lebensdauer erreicht. Diese Maßnahmen beinhalten eine Passivierung, die Verwendung eines besonders reinen Stahls wenigstens für die am stärksten beanspruchte Komponente und eine Stärkung bis tief unter die Oberfläche wenigstens bei der am stärksten beanspruchten Komponente.
Eine Passivierung lässt sich durch eine Stabilisierung der oberflächennahen Mikrostruktur, durch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen (tribo-) chemische Angriffe, durch eine Reduktion der lokalen Gleitreibung unter Spitzenlast und durch ein verbessertes Einlaufen erreichen. Im Hinblick auf die Reinheit des Stahls sind insbesondere Sauerstoff- und Schwefelverunreinigungen von Bedeutung, da sie mit Einschlüssen, wie beispielsweise Oxiden oder Sulfiden, in Verbindung stehen. Diese Einschlüsse bilden insbesondere dann ein Risiko für eine Schädigung des Wälzlagers, wenn sie in oberflächennahen Bereichen, beispielsweise bis in eine Tiefe von 200 μηι unter der Oberfläche auftreten. Solche oberflächennahen Einschlüsse stellen kritische Schwachpunkte (Spannungskonzentrationen) im Werkstoff dar, an denen die beschriebenen reibzugspannungsinduzierten Gewaltbruchanrisse leichter ausgelöst werden können.
Durch Kaltverfestigung bis in eine hinreichende Tiefe (z. B. 0,4 mm) unter der Oberfläche erzeugte Druckeigenspannungen hinreichender Mindeststärke (z. B. 400 MPa) bewirken eine Erhöhung des Werkstoffwiderstands gegen die Entstehung von spröden Oberflächengewaltbruchanrissen und behindern auch eine Rissausbreitung unter der Oberfläche. Dies kann mittels der bereits im Einzelnen beschriebenen Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Randschicht erfolgen.
Durch die beschriebenen Maßnahmen kann das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls des Wälzlagers erheblich reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Wälzlager kann beispielsweise in einer Lageranordnung einer Papiermaschine zum Einsatz kommen. Dort kann das erfindungsgemäße Wälzlager insbesondere in einer Siebpartie zur drehbaren Lagerung einer Formerwalze oder einer Saugwalze, in einer Pressenpartie zur drehbaren Lagerung einer Siebwalze oder einer Saugwalze, Presswalze , in einer Trockenpartie zur Lagerung einer Filzwalze, eines Trockenzylinders oder eines Yankeezylinders oder in einem Kalander zur Lagerung einer Filzwalze oder einer Thermowalze eingesetzt werden. Einige dieser Lageranordnungen werden im Folgenden näher beschrieben.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer Papiermaschine in Schnittdarstellung. Die dargestellte Lageranordnung dient der Lagerung von Presswalzen und wird mit einer Ölumlaufschmierung betrieben.
An beiden axialen Enden einer nicht figürlich dargestellten und als Presswalze ausgebildeten Walze ist ein Zapfen 8 ausgebildet, der bereichsweise vom Innenring 1 aufgenommen ist. Demgemäß sind pro Walze jeweils zwei Lagerstellen und somit zwei erfindungsgemäße Wälzlager vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 sind beide Lagerstellen identisch ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Deshalb ist in Figur 4 lediglich eine Lagerstelle dargestellt. Mittels einer Mutter 9, die auf ein Gewinde 10 des Zapfens 8 aufgeschraubt ist, ist der Innenring 1 des Wälzlagers auf dem Zapfen 8 gesichert. Der Innenring 1 weist zwei axial nebeneinander angeordnete konkav gekrümmte Innenringlaufbahnen 2 auf, auf denen zwei Sätze von axial nebeneinander angeordneten tonnenförmigen Wälzkörpern 5 abrollen. Die Wälzkörper 5 werden in zwei axial nebeneinander angeordneten Käfigen 6 geführt und rollen weiterhin auf einer konkav gekrümmten Außenringlaufbahn 4 eines Außenrings 3 ab. Alternativ dazu kann ein einziger Käfig 6 für beide Sätze von Wälzkörpern vorgesehen sein. Der Außenring 3 ist in einem Lagergehäuse 1 1 angeordnet, das beispielsweise in einer nicht figürlich dargestellten Seitenwand der Papiermaschine fest verankert sein kann. Das Lagergehäuse 1 1 ist mittels einer Dichtungsanordnung 12 und einer weiteren Dichtungsanordnung 13, die auf je einer Seite axial neben dem Wälzlager angeordnet sind, gegen den Zapfen 8 abgedichtet. Die Dichtungsanordnung 12 ist in einer geringeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager und die weitere Dichtungsanordnung 13 in einer größeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager angeordnet. Im Bereich der weiteren Dichtungsanordnung 13 weist das Gehäuse 1 1 einen Deckel 14 auf.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer Papiermaschine in Schnittdarstellung. Die in Figur 5 dargestellte Lageranordnung dient der Lagerung von Filzleitwalzen in der Trockenpartie der Papiermaschine und wird mit einer Ölschmierung betrieben.
Analog zum Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist gemäß Figur 5 die nicht figürlich dargestellte und als Filzleitwalze ausgebildete Walze an beiden axialen Enden je einen Zapfen 8 auf, der bereichsweise von einem Innenring 1 des Wälzlagers aufgenommen ist. Demgemäß sind auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 pro Walze jeweils zwei Lagerstellen und somit zwei erfindungsgemäße Wälzlager vor- gesehen. Im Gegensatz zur Figur 4 sind beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 die beiden Lagerstellen unterschiedlich ausgebildet und deshalb beide in Figur 5 dargestellt.
Die in Figur 5 links dargestellte Lagerstelle weist ein Wälzlager auf, das als ein einreihiges Toroidalrollenlager, insbesondere als ein CA B Lager, ausgebildet ist und neben dem Innenring 1 mit einer konkav gekrümmten Innenringlaufbahn 2, einen Außenring 3 mit einer konkav gekrümmten Außenringlaufbahn 4 und einen Satz tonnenförmiger Wälzkörper 5 aufweist, die in einem Käfig 6 geführt werden und auf der Innenringlaufbahn 2 und der Außenringlaufbahn 4 abrollen. Der Innenring 1 ist auf dem Zapfen 8 angeordnet und mittels einer Mutter 9, die auf ein am Zapfen 8 ausgebildetes Gewinde 10 aufgeschraubt ist, am Zapfen 8 fixiert. Der Außenring 3 ist in einem Lagergehäuse 1 1 angeordnet. Das Lagergehäuse 1 1 ist durch eine Dichtungsanordnung 12, die in einer geringeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager angeordnet ist, gegen den Zapfen 8 abgedichtet. Außerdem ist das Gehäuse 1 1 durch einen Deckel 14 verschlossen, der in einer größeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager angeordnet ist,
Die in Figur 5 rechts dargestellte Lagerstelle ist bis auf die Ausgestaltung des Wälzlagers selbst analog zu der in Figur 5 links dargestellten Lagerstelle ausgebildet und spiegelsymmetrisch zu dieser angeordnet. Das Wälzlager der in Figur 5 rechts dargestellten Lagerstelle ist als ein zweireihiges Pendelrollenlager ausgebildet und weist einen Innenring 1 mit zwei axial nebeneinander angeordneten konkav gekrümmten Innenringlaufbahnen 2, einen Außenring 3 mit einer konkav gekrümmten Außenringlaufbahn 4 und zwei axial nebeneinander angeordnete Sätze von tonnen- förmigen Wälzkörpern 5 auf, die in je einem oder in einem gemeinsamen Käfig 6 geführt werden und auf den Innenringlaufbahnen 2 und der Außenringlaufbahn 4 abrollen. Bei einer Abwandlung der Lageranordnung gemäß Figur 5 ist die links dargestellte Lagerstelle analog zur rechts dargestellten Lagerstelle ausgebildet und spiegelsymmetrisch zu dieser angeordnet.
Bezugszeichenliste
1 Innenring
2 Innenringlaufbahn
3 Außenring
4 Außenringlaufbahn
5 Wälzkörper
6 Käfig
7 Brünierschicht
8 Zapfen
9 Mutter
10 Gewinde
1 1 Lagergehäuse
12 Dichtungsanordnung
13 weitere Dichtungsanordnimg
14 Deckel

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und Wälzlager
1. Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers, das einen Innenring (1) mit einer Innenringlaufbahn (2), einen Außenring (3) mit einer Außenringlaufbahn (4) und Wälzkörper (5) aufweist, die auf der Innenringlaufbahn (2) und auf der Außenringlaufbahn (4) abrollen, wobei
- der Innenring (1) aus Stahl hergestellt wird,
- der Innenring (1) einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung unterzogen wird, die mit der Durchführung eines letzten Wärmebehandlungsschrittes bei einer vorgegebenen Temperatur abgeschlossen wird,
- im Innenring (1) durch Kaltverfestigung im Bereich der Innenringlaufbahn (2) Druckeigenspannungen in einer Randschicht, die sich bis in eine Mindesttiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn (2) erstreckt, ausgebildet werden und
- der Innenring (1) nach der Kaltverfestigung brüniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Innenring (1) vor der Kaltverfestigung einer Martensit-, Einsatz- oder Induktionshärtung unterzogen wird und die Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes die Anlasstemperatur des Innenrings (1) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Innenring (1) vor der Kaltverfestigung einer Bainithärtung unterzogen wird und die Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes die Bainitumwandlungstemperatur des Innenrings (1) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Bearbeitungsschritt der Kaltverfestigung und dem Bearbeitungsschritt der Brünierung eine mechanische Oberflächennachbearbeitung des Innenrings durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der brünierte Innenring (1) einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes unterzogen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Außenring (3) und/oder die Wälzkörper (5) einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung mit einem letzten Wärmebehandlungs schritt, einer Kaltverfestigung, einer Brünier-Behandlung und/oder einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes unterzogen werden.
7. Wälzlager, das einen Innenring (1) mit einer Innenringlaufbahn (2), einen Außenring (3) mit einer Außenringlaufbahn (4) und Wälzkörper (5) aufweist, die auf der Innenringlaufbahn (2) und auf der Außenringlaufbahn (4) abrollen, wobei
- der Innenring (1) aus Stahl hergestellt ist,
- der Innenring (1) durch eine Wärmebehandlung gehärtet ist,
- der Innenring (1) im Bereich der Innenringlaufbahn (2) in einer Randschicht, die sich bis in eine Mindesttiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn (2) erstreckt, durch Kaltverfestigung ausgebildete Druckeigenspan- nungen aufweist und
- die Oberfläche der Innenringlaufbahn (2) durch eine Brünierschicht (7) ausgebildet ist.
8. Wälzlager nach Anspruch 7, wobei der Innenring (1) aus einem Stahl mit einem Schwefelgehalt von 0,002 bis 0,015 Massen-% und/oder einem Sauer- stoffgehalt kleiner 15 ppm hergestellt ist.
9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Innenring (1) einen estaustenitgehalt von 8 bis 18 Volumen-% aufweist.
10. Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Innenring (1) im Bereich der Innenringlaufbahn (2) in der Randschicht Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag in Höhe eines Mindestwerts oder darüber aufweist und der Mindestwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen 200 MPa beträgt.
1 1. Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei und die Mindesttiefe 0,1 mm beträgt.
12. Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1, wobei der Innenring (1) im Bereich der Innenringlaufbahn (2) in der Randschicht Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag in Höhe eines Höchstwerts oder darunter aufweist und der Höchstwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen 1500 MPa beträgt.
13. Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei der Innenring (1) in der Randschicht eine mittels thermischer Nachbehandlung nach Ausbildung der Brünierschicht (7) modifizierte Mikrostruktur aufweist.
14. Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei der Außenring (3) und/oder die Wälzkörper (5) brüniert sind.
15. Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer Komponente eines Getriebes, wobei die Lageranordnung ein Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 14 aufweist.
16. Windenergieanlage mit einem Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 14.
17. Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer Walze oder eines Zylinders, wobei die Lageranordnung ein Wälzlager nach einem der Ansprüche 7 bis 14 aufweist.
18. Lageranordnung nach Anspruch 17, wobei die Walze oder der Zylinder als eine Komponente einer Papiermaschine ausgebildet ist.
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