WO2007137559A1 - Verfahren zum behandeln einer wälzlagerkomponente und wälzlagerkomponente - Google Patents

Verfahren zum behandeln einer wälzlagerkomponente und wälzlagerkomponente Download PDF

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Definitions

  • the invention is in the field of rolling bearing technology for particularly critical and highly stressed applications, such. in aerospace applications.
  • the present invention is also suitable for standard applications and relates to a method of treating a rolling bearing component and a rolling bearing component.
  • Rolling bearings are exposed in operation depending on the application and site extremely high stresses, especially high ambient and operating temperatures. It is expected from them a reliable storage with the least possible wear under high rolling and sliding stress between the rolling elements and the associated raceways.
  • a particularly critical phase during the life of a rolling bearing is the beginning of the operation, ie the first commissioning under normal load, which is also referred to below as running in.
  • US Pat. No. 6,179,933 describes rolling element bearing components, namely bearing rings, made from high-alloyed case-hardening steels (for example from the steel sold under the trade name Pyrowear 675 by Carpenter Technology Corporation (USA)), followed by a heat treatment and quenching process followed by a short-term nitriding treatment be subjected. This is only suitable for previously heat-treated high-alloy steels.
  • This layer can help prevent excessive bearing wear during run-in.
  • the nitriding treatment described is relatively complex, since it must be done for a relatively long time at high temperatures; it essentially causes a physical improvement of the inlet properties.
  • a phosphating treatment in aqueous solution of manganese or zinc phosphate and phosphoric acid.
  • a metal phosphate layer is formed on the workpiece surface.
  • This treatment is also referred to in the literature as "layer-forming phosphating", the term “layer-forming” meaning the formation of a significant (i.e., 5 -15 ⁇ m thick) manganese or zinc phosphate layer.
  • an object of the present invention is to provide rolling elements and bearing rings (collectively referred to as rolling bearing components) with an improved run-in behavior without having a negative influence on their running behavior or bearing properties in the medium-term and long-term service life.
  • This object is achieved by a method for treating a rolling bearing component, in particular an outer bearing ring, in which in the region of the track an iron phosphate layer of up to 2 microns thickness, more preferably less than 1 micron thickness, is generated.
  • the treatment according to the invention may also be referred to as "non-layer-forming phosphating".
  • a phosphate layer is also produced here, preferably of less than 1 ⁇ m, which ensures a significantly improved binding of the shingles to the raceway surface.
  • this layer is thinner by one order of magnitude compared to the layer formed in the known phosphating described above and therefore does not have the typical dark to black color of thicker phosphate layers, but shimmers only slightly bluish).
  • the formation of the iron phosphate layer takes place under considerably lower acid concentration. tion. Even then, the tendency to ⁇ tzgrübchen Struktur is significantly reduced. In addition, since no manganese or zinc phosphate salts can arise, the tendency to ⁇ tzgrübchen Struktur is almost completely excluded.
  • the rolling bearing component at a temperature of 6O 0 C to 90 ° C, more preferably between 7O 0 C and 80 0 C, exposed to a phosphoric acid whose pH preferably between 3 and 4, more preferably at about 3,5, lies.
  • the rolling bearing component is exposed to the action of the phosphoric acid only comparatively briefly, ie a few minutes, particularly preferably 0.5 to 3 minutes.
  • a particular advantage of the invention lies in the fact that almost all low-alloyed, not highly corrosion-resistant steels can be used as starting material for the bearing components.
  • the following steels can be used: 100Cr6, 100MnCr6 and 100CrMo 7-3 are used.
  • other steels, such as M50 and M50 NiL, etc. can be used.
  • Another object of the invention is to provide a rolling bearing component, which is characterized by a particularly good and wear-free run-in behavior, thereby their medium and long-term storage properties are not adversely affected.
  • a rolling bearing component in particular an outer bearing ring, with a career whose tread is formed by an iron phosphate layer of less than 2 microns, more preferably less than 1 micron in thickness.
  • Figure 1 shows a schematic example of the sequence of the invention
  • FIG 3 shows a grinding of a workpiece surface after treatment by the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a bearing ring 1 with an inside raceway 2 whose running surface 3 is to be subjected to a so-called non-layer-forming phosphating process. It is assumed here that the bearing ring 1 is here made of a low alloy steel, e.g. 100Cr6.
  • the bearing ring (cf the middle part of FIG. 1) is completely immersed in a phosphoric acid bath 5, indicated only schematically, and exposed to a temperature T between 60 ° and 90 ° C., for example 75 ° C. This treatment is carried out for a period t of 0.5 to 1 minute.
  • the phosphoric acid 5 has a pH between 3 and 4, in the example of 3.5.
  • the raceway 2 of the bearing ring 1 is provided with an iron phosphate layer 7 whose layer thickness d is less than 1 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows, by way of comparison, a cut prepared, for example, along the section H-II in FIG. 1, in which the raceway 2 'of a bearing ring 1' and the manganese or zinc phosphate layer T formed, for example, when using manganese or zinc phosphate acid can be seen.
  • Recognizable are so-called ⁇ tzgrübchen 10, although initially may be filled by manganese or Zinkphosphatsalzkristalle.
  • ⁇ tzgrübchen 10 although initially may be filled by manganese or Zinkphosphatsalzkristalle.
  • these salt crystals will virtually wash out and thus created by the dimples 10 structured rolling surface, which significantly reduces the rollover resistance during operation.
  • FIG. 3 shows a suitably prepared ground joint M-II (see FIG. 1) in a bearing ring 1 treated by the method according to the invention, in which the phosphate layer 7 is formed extremely uniformly. So here there is no danger that after running in further operation, the track 2 weakened by ⁇ tzgrübchen and thus the rollover resistance is reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Wälzlagerkomponenten Um Wälzkörper und Lagerringe (nachfolgend zusammenfassend als Wälzlagerkomponenten bezeichnet) mit einem verbesserte Einlaufverhalten bereitzustellen, ohne deren Laufverhalten bzw. Lagereigenschaften im mittelfristigen und langfristigen Lebensdauerbereich negativ zu beeinflussen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Bereich der Laufbahn (2) eine Eisenphosphatschicht (7) von bis zu 2 μm, vorzugsweise von weniger als 1 μm, Dicke (d) zu erzeugen.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren zum Behandeln einer Wälzlagerkomponente und Wälzlagerkomponente
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik für besonders kriti- sehe und hochbeanspruchte Einsatzfälle, wie z.B. bei Luft- und Raumfahrtanwendungen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für Standardanwendungen geeignet und betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Wälzlagerkomponente und eine Wälzlagerkomponente.
Wälzlager sind im Betrieb je nach Anwendungs- und Einsatzort außerordentlich hohen Beanspruchungen, insbesondere hohen Umgebungs- und Betriebstemperaturen ausgesetzt. Dabei wird von ihnen eine zuverlässige Lagerung bei möglichst geringem Verschleiß unter hoher Wälz- und Gleitbeanspruchung zwischen den Wälzkörpern und den zugeordneten Laufbahnen erwartet. Eine besonders kritische Phase während der Lebensdauer eines Wälzlagers ist der Einsatzbeginn, d.h. die erstmalige Inbetriebnahme unter betriebsgemäßer Belastung, was nachfolgend auch als Einlaufen bezeichnet wird.
Die US-Patentschrift 6,179,933 beschreibt wälzkörpertragende Wälzlagerkomponenten, nämlich Lagerringe, aus hochlegierten Einsatzstählen (beispielsweise aus dem unter der Handelsbezeichnung Pyrowear 675 von der Firma Carpenter Technology Corporation (USA) vertriebenen Stahl), die nach einem Wärmebehandlungs- und Abschreckungsprozess einer an- schließenden kurzzeitigen Nitrierbehandlung unterzogen werden. Dies eignet sich nur für zuvor durch Wärmebehandlung gehärtete hochlegierte Einsatzstähle.
Dabei bildet sich eine zusätzlich gehärtete Schicht von bis zu 150 μm Schichtdicke. Diese Schicht kann dazu beitragen, während des Einlaufens übermäßigen Lagerverschleiß zu vermeiden. Zudem ist die beschriebene Nitrierbehandlung ist vergleichsweise aufwändig, da sie für relativ lange Zeit bei hohen Temperaturen erfolgen muss; sie bewirkt im Wesentlichen eine physikalische Verbesserung der Einlaufeigenschaften.
Bei niedriglegierten Stählen ist es grundsätzlich bekannt, eine Phosphatier- behandlung in wässriger Lösung aus Mangan- oder Zinkphosphat und Phosphorsäure durchzuführen. Dabei bildet sich auf der Werkstückoberfläche eine Metallphosphatschicht. Diese Behandlung wird in der Literatur auch als "schichtbildende Phosphatierung" bezeichnet, wobei unter dem Begriff „schichtbildend" die Ausbildung einer merklichen (d.h. 5 -15 μm dicken) Mangan- oder Zinkphosphatschicht verstanden wird.
Dieses bekannte Verfahren greift jedoch in signifikantem Ausmaß die Werk- Stückoberfläche an und führt zur Bildung so genannter Ätzgrübchen. Darunter ist ein aufgrund der hohen Säurekonzentration auftretender Materialabtrag zu verstehen, wodurch die Überrollfestigkeit Laufbahn der der Wälzla- gerkomponente im Betrieb deutlich verringert wird.
Der positive Effekt der Phosphatierung besteht in einer erleichterten bzw. verbesserten Bindung des Schmierstoffs an der Laufbahn- bzw. Lagerober- fläche. Allerdings wird dies erkauft mit dem Nachteil der vorbeschriebenen Ätzgrübchen, die sich über die Lebensdauer des Wälzlagers per Saldo insgesamt negativ bemerkbar machen.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Wälzkörper und Lagerringe (nachfolgend zusammenfassend als Wälzlagerkomponenten bezeichnet) mit einem verbesserte Einlaufverhalten bereit zu stellen, ohne deren Laufverhalten bzw. Lagereigenschaften im mittelfristigen und langfristigen Lebensdauerbereich negativ zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Behandeln einer Wälzlagerkomponente, insbesondere eines äußeren Lagerrings, bei dem im Bereich der Laufbahn eine Eisenphosphatschicht von bis zu 2 μm Dicke, besonders bevorzugt von weniger als 1 μm Dicke, erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Behandlung kann auch als "nicht-schichtbildende Phosphatierung" bezeichnet werden. Zwar wird tatsächlich auch hier eine Phosphatschicht - von vorzugsweise weniger als 1 μm - erzeugt, die eine wesentlich verbesserte Anbindung der Schierstoffe an die Laufbahnoberflä- che gewährleistet. Diese Schicht ist aber im Vergleich zu der bei der eingangs geschilderten bekannten Phosphatierung entstehenden Schicht um eine Größenordnung dünner und weist deshalb auch nicht die typische dunkle bis schwarze Farbe von dickeren Phosphatschichten auf, sondern schimmert nur leicht bläulich). Damit wird zwar kein Korrosionsschutz erzielt, aber auch die mit der vorbeschriebenen schichtbildenden Phosphatierung einhergehenden Nachteile vermieden. Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Bildung der Eisenphosphatschicht unter wesentlich geringerer Säurekonzentra- tion. Schon dadurch ist die Neigung zur Ätzgrübchenbildung ganz erheblich verringert. Da zudem auch keine Mangan- bzw. Zinkphosphatsalze entstehen können, ist die Neigung zur Ätzgrübchenbildung nahezu vollständig ausgeschlossen.
Bevorzugt wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wälzlagerkomponente bei einer Temperatur von 6O0C bis 90°C, besonders bevorzugt zwischen 7O0C und 800C, einer Phosphorsäure ausgesetzt, deren pH-Wert bevorzugt zwischen 3 und 4, besonders bevorzugt bei ca. 3,5, liegt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Wälzlagerkomponente nur vergleichsweise kurzzeitig, d.h. wenige Minuten, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 Minuten, der Einwirkung der Phosphorsäure ausgesetzt. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt damit darin, dass nahezu alle niedrig legierten, nicht hochkorrosionsbeständigen Stähle als Ausgangswerkstoff für die WaIz- lagerkomponenten verwendbar sind. Besonders bevorzugt können vorzugsweise folgende Stähle verwendet werden: 100Cr6, 100MnCr6 und 100CrMo 7-3 verwendet werden. Allerdings können auch andere Stähle, wie M50 und M50 NiL, etc., verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Wälzlagerkomponente, die sich durch ein besonders gutes und verschleißfreies Einlaufverhalten auszeichnet, wobei dadurch deren mittel- und langfristige Lagereigenschaften nicht negativ beeinflusst sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wälzlagerkomponente, insbesondere einen äußeren Lagerring, mit einer Laufbahn, deren Lauffläche von einer Eisenphosphatschicht von weniger als 2 μm, besonders bevorzugt von weniger als 1 μm Dicke, gebildet ist.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen: Figur 1 schematisch beispielhaft den Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Figur 2 zum Vergleich einen Schliff einer Wälzlagerkomponente, die nach einem herkömmlichen Phosphatierungsverfahren behandelt ist und
Figur 3 einen Schliff einer Werkstückoberfläche nach Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Figur 1 zeigt einen Lagerring 1 mit einer innenseitigen Laufbahn 2, deren Lauffläche 3 einem so genannten nicht schichtbildenden Phosphatie- rungsprozess unterzogen werden soll. Es sei hier angenommen, dass der Lagerring 1 hier aus einem niedrig-legierten Stahl, z.B. aus 100Cr6, besteht.
Dazu wird der Lagerring (vgl. mittlerer Teil der Figur 1) in ein nur schematisch angedeutetes Phosphorsäurebad 5 vollständig eingetaucht und dabei einer Temperatur T zwischen 60° und 90°C, beispielsweise 75°C ausgesetzt. Diese Behandlung erfolgt während einer Zeitdauer t von 0,5 bis 1 Minute. Die Phosphorsäure 5 weist einen pH-Wert zwischen 3 und 4, im Beispiel von 3,5 auf.
Nach der Behandlung ist die Laufbahn 2 des Lagerrings 1 mit einer Eisen- phosphatschicht 7 versehen, deren Schichtdicke d weniger als 1 μm beträgt.
Figur 2 zeigt zum Vergleich einen beispielsweise entlang des Schnittes H-Il in Figur 1 präparierten Schliff, in dem die Laufbahn 2' eines Lagerrings 1 ' und die beispielsweise bei Verwendung von Mangan- oder Zinkphosphatsäure gebildete Mangan- oder Zinkphosphatschicht T erkennbar ist. Erkennbar sind so genannte Ätzgrübchen 10, die zwar zunächst durch Mangan- bzw. Zinkphosphatsalzkristalle aufgefüllt sein können. Im Laufe des Betriebs be- steht jedoch die Gefahr, dass diese Salzkristalle quasi auswaschen werden und somit eine durch die Grübchen 10 strukturierte Rollfläche entsteht, wodurch sich im Betrieb die Überrollfestigkeit deutlich verringert.
Demgegenüber zeigt Figur 3 einen entsprechend präparierten Schliff M-Il (vergleiche Figur 1) bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Lagerring 1 , bei dem die Phosphatschicht 7 außerordentlich gleichmäßig gebildet ist. Hier besteht also keine Gefahr, dass nach dem Einlaufen im weiteren Betrieb die Laufbahn 2 durch Ätzgrübchen geschwächt und dadurch die Überrollfestigkeit verringert ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Wälzlagerkomponente keine Ätzgrübchen auftreten, da auf die Laufbahn eine Phosphorsäure in geringerer Säu- rekonzentration und für geringere Dauer einwirkt. Da auch keine Manganoder Zinkphosphatsalze vorhanden sind, die zur Verstärkung der Säurewirkung beitragen können, ergibt sich insgesamt eine sehr homogene und äußeren Belastungseinflüssen gegenüber sehr widerstandsfähige Laufbahn.
Bezugszeichen
1 Lagerring Y Lagerring
2 Laufbahn
2' Laufbahn
3 Lauffläche
5 Phosphorsäure 7 Eisenphosphatschicht
T Mangan- oder Zinkphosphatschicht
10 Ätzgrübchen
T Temperatur t Zeitdauer d Schichtdicke

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Behandeln von Wälzlagerkomponenten (1), insbesondere eines äußeren Lagerrings, bei denen im Bereich der Laufbahn (2) eine Eisenphosphatschicht (7) von bis zu 2 μm, vorzugsweise von weniger als 1 μm, Dicke (d) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Wälzlagerkomponente (1) bei einer Temperatur (T) zwischen 60° C und 900C für eine Zeitdauer (t) von 0,5 bis 3 Minuten der Einwirkung einer Phosphorsäure (5) ausgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der pH-Wert der Phosphorsäure (5) zwischen 3 und 4 liegt.
4. Wälzlagerkomponente (1), insbesondere äußerer Lagerring, mit einer Laufbahn, deren Lauffläche (3) auf einer Eisenphosphatschicht (7) von weniger als 2 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm, Schichtdicke (d) ausgebildet ist.
PCT/DE2007/000934 2006-05-26 2007-05-23 Verfahren zum behandeln einer wälzlagerkomponente und wälzlagerkomponente WO2007137559A1 (de)

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