WO2008049410A1 - Nadellager - Google Patents

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Franziska Locke
Christian SCHULTE-NÖLLE
Werner Trojahn
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Schaeffler Kg
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    • F16C19/44—Needle bearings
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    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/64—Special methods of manufacture

Definitions

  • the invention is in the field of hybrid rolling bearings and relates to a needle bearing with at least one bearing ring.
  • needle roller bearings are known in principle for a long time and commercially available.
  • needle bearings are usually two bearing rings - an inner bearing ring (so-called inner ring) and an outer bearing ring (outer ring), each with a raceway for the rolling elements (cylindrical rollers or needles) - provided.
  • inner ring inner bearing ring
  • outer bearing ring outer bearing ring
  • needle in the context of the present invention comprises rolling elements of cylindrical shape, preferably needle-shaped rolling elements with a diameter which is very thin in relation to the length.
  • martensitic hardenable steels for example Cronidur 30, Energytechnik, Essen
  • these steels have sufficient hardenability; However, they are not sufficient in their corrosion resistance for particularly demanding applications and also tend to embrittlement in a hydrogen-containing atmosphere.
  • these steels are magnetic, which can lead to undesirable attachment of metallic abrasion or the like. Suitable needles for needle roller bearings could not previously be realized from this material.
  • the object of the invention in the creation of a needle bearing, which has extremely high load ratings and also has a long service life in corrosive acting and / or hydrogen-containing operating atmosphere.
  • a needle bearing with at least one bearing ring which consists of a hardened austenitic steel with a content of carbon and nitrogen of a total of 0.8 to 1, 2 wt%, and with rolling on a running surface of the bearing ring needles a ceramic whose surface defects are smaller than 40 ⁇ m.
  • An essential aspect of the invention is the use of nitrogen / carbon austenites with about 0.8 to 1, 2 carbon and nitrogen content, which form a sufficiently hardenable steel grade. With this material can namely hardening of above 50 Rockwell Cone (HRC) reach the running surfaces of bearing rings.
  • the austenitic steel is characterized by a much higher compared to martensitic hardenable steels Corrosion resistance and resistance to hydrogen-containing environment.
  • This provides a hybrid needle roller bearing with excellent running properties, which is also characterized by a good run under insufficient lubrication at high load ratings.
  • the needles can preferably consist of silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide or zirconium oxide. These materials form ceramics with excellent rolling element properties, whereby the permissible surface defects can be reliably and comparatively easily limited to less than 40 ⁇ m. Surface defects in this context are to be understood as meaning any openings in the surface or foreign inclusions.
  • the hardening of the bearing rings can preferably be done by cold working.
  • the cold working can be done by deep drawing.
  • disks are more preferably provided as starting workpieces, which have a wall thickness of 2 to 20 mm after deep drawing.
  • this or these are heat treated according to an advantageous embodiment of the invention after cold working above a temperature of 400 0 C, more preferably at temperatures of 400 ° to 500 0 C.
  • the duration of the heat treatment is - depending on the mass of the bearing rings - usually about 1 to 3 hours.
  • cold forming eg by deep drawing
  • the subsequent outsourcing bearing rings can be produced with particularly good strength values and a hardness of above 50 HRC.
  • the ceramic needles for example made of silicon nitride, can be produced by cold pressing, subsequent sintering and hot-insulating pressing (HIP). Finally, a looping process and / or a gas pressure sintering may be provided in the ceramic needles thus produced.

Abstract

Die Erfindung schafft ein Nadellager, das außerordentlich hohe Tragzahlen aufweist und auch in korrosiv wirkender und/oder wasserstoffhaltiger Einsatzatmosphäre eine hohe Lebensdauer erwarten lässt. Hierzu ist erfindungsgemäß ein Nadellager vorgesehen, mit mindestens einem Lagerring, der aus einem gehärteten austenitischen Stahl mit einem Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff von in Summe 0,8 bis 1,2 Gew% besteht, und mit auf einer Lauffläche des Lagerrings abrollenden Nadeln aus einer Keramik, deren Oberflächenfehler kleiner als 40μm sind.

Description

Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 Herzogenaurach
Bezeichnung der Erfindung
Nadellager
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Hybrid-Wälzlager und betrifft ein Nadellager mit mindestens einem Lagerring.
Derartige Nadellager sind prinzipiell seit langem bekannt und handelsüblich. Bei solchen Nadellagern sind üblicherweise zwei Lagerringe - ein innerer Lagerring (so genannter Innenring) und ein äußerer Lagerring (Außenring) mit jeweils einer Laufbahn für die Wälzkörper (Zylinderrollen oder Nadeln) - vorgesehen. Es kann aber auch eine Laufbahn auf einem der zu lagernden Bauteile, z.B. einer Nabe, und nur die korrespondierende Laufbahn auf einem Lagerring ausgebildet sein. Der Begriff Nadel umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung Wälzkörper zylindrischer Gestalt, bevorzugt nadeiförmige Wälzkörper mit im Verhältnis zur Länge sehr dünnem Durchmesser. Mit immer weiter zunehmenden Leistungsanforderungen an Wälzlagerungen einerseits und anspruchsvolleren oder neuen Einsatzbedingungen, insbesondere in stark korrosiv wirkenden Umgebungen oder in wasserstoffhaltiger Atmosphäre, andererseits entsteht ein Bedarf an besonders leistungsfähigen Nadellagern, der bisher nicht zufrieden stellend befriedigt werden konnte.
Es gab bislang zwar Ansätze, martensitisch härtbare Stähle (z.B. Cronidur 30, Energietechnik, Essen) als Werkstoffe für Lagerrollen und Lagerringe einzusetzen. Diese Stähle weisen zwar eine ausreichende Härtbarkeit auf; in ihrer Korrosionsbeständigkeit für besonders anspruchsvolle Einsatzgebiete sind sie jedoch nicht ausreichend und neigen zudem in wasserstoffhaltiger Atmosphäre zur Versprödung. Außerdem sind diese Stähle magnetisch, was zu unerwünschter Anlagerung von metallischem Abrieb oder Ähnlichem führen kann. Geeignete Nadeln für Nadellager ließen sich bisher aus diesem Werkstoff nicht realisieren.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Nadellagers, das außerordentlich hohe Tragzahlen aufweist und auch in korrosiv wirkender und/oder wasserstoffhaltiger Einsatzatmosphäre eine hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Nadellager mit mindestens einem Lagerring, der aus einem gehärteten austenitischen Stahl mit einem Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff von in Summe 0,8 bis 1 ,2 Gew% besteht, und mit auf einer Lauffläche des Lagerrings abrollenden Nadeln aus einer Keramik, deren Oberflächenfehler kleiner als 40μm sind.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung steht in der Verwendung von Stick- stoff/Kohlenstoff-Austeniten mit ca. 0,8 bis 1 ,2 Kohlenstoff- und Stickstoffge- halt, die eine ausreichend härtbare Stahlqualität bilden. Mit diesem Werkstoff lassen sich nämlich Härten von oberhalb 50 Rockwell Cone (HRC) der Laufflächen von Lagerringen erreichen. Der austenitische Stahl zeichnet sich gegenüber martensitisch härtbaren Stählen durch eine wesentlich höhere Korrosionsbeständigkeit und Resistenz gegen wasserstoffhaltige Umgebung aus.
Damit ist ein Hybrid-Nadellager mit hervorragenden Laufeigenschaften be- reitgestellt, das sich bei hohen Tragzahlen auch durch einen guten Lauf unter Mangelschmierung auszeichnet.
Bevorzugt können die Nadeln aus Siliziumnitrid, Siliziumoxyd, Aluminiumoxyd oder Zirkonoxyd bestehen. Diese Werkstoffe bilden Keramiken mit her- vorragenden Wälzkörpereigenschaften, wobei die zulässigen Oberflächenfehler zuverlässig und vergleichsweise einfach auf weniger als 40 μm begrenzt werden können. Unter Oberflächenfehler sind in diesem Zusammenhang etwaige Öffnungen in der Oberfläche oder Fremdeinschlüsse zu verstehen.
Die Härtung der Lagerringe kann bevorzugt durch Kaltverformung erfolgen. Besonders bevorzugt kann die Kaltverformung durch Tiefziehen erfolgen. Dazu werden weiter bevorzugt als Ausgangswerkstücke Scheiben vorgesehen, die nach dem Tiefziehen eine Wandstärke von 2 bis 20 mm aufweisen.
Für besonders gute Festigkeitswerte des Lagerrings oder der Lagerringe ist dieser bzw. sind diese nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach der Kaltverformung oberhalb einer Temperatur von 400 0C, besonders bevorzugt bei Temperaturen von 400° bis 500 0C, wärmebehandelt. Die Dauer der Wärmebehandlung beträgt- je nach Masse der Lagerringe - üblicherweise ca. 1 bis 3 Stunden. Durch die Kaltumformung (z.B. mittels Tiefziehen) und die anschließende Auslagerung lassen sich Lagerringe mit besonders guten Festigkeitswerten und einer Härte von oberhalb 50 HRC erzeugen. Die Keramiknadeln, beispielsweise aus Siliziumnitrid, können durch Kaltpressen, anschließendes Sintern und heiß-isolatorisches Pressen (HIP) hergestellt werden. Schließlich kann ein Schleifenprozess und/oder ein Gasdrucksintern bei den so hergestellten Keramiknadeln vorgesehen sein.

Claims

Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 HerzogenaurachPatentansprüche
1. Nadellager
- mit mindestens einem Lagerring, der aus einem gehärteten auste- nitischen Stahl mit einem Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff von in Summe 0,8 bis 1 ,2 Gew% besteht, und - mit auf einer Lauffläche des Lagerrings abrollenden Nadeln aus einer Keramik, deren Oberflächenfehler kleiner als 40μm sind.
2. Nadellager nach Anspruch 1 , bei dem die Nadeln aus Siliziumnitrid bestehen.
3. Nadellager nach Anspruch 1 , bei dem die Nadeln aus Siliziumoxid bestehen.
4. Nadellager nach Anspruch 1 , bei dem die Nadeln aus Aluminiumoxid bestehen.
5. Nadellager nach Anspruch 1 , bei dem die Nadeln aus Zirkonoxid bestehen.
6. Nadellager nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagerring durch Kaltverformung gehärtet ist.
7. Nadellager nach Anspruch 6, bei dem der Lagerring durch Tiefziehen hergestellt ist.
8. Nadellager nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Lagerring durch Auslagerung bei Temperaturen von 400° bis 500° C behandelt ist.
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