WO2019024958A1

WO2019024958A1 - Verfahren zur herstellung einer wälzlagerkomponente aus stahl und dadurch hergestellte wälzlagerkomponente

Info

Publication number: WO2019024958A1
Application number: PCT/DE2018/100661
Authority: WO
Inventors: Toni BLAß; Werner Trojahn; Markus Dinkel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2019-02-07
Also published as: DE102017117483A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Wälzlagerkomponente aus Stahl, wobei ein bearbeiteter Rohling aus der Schmiedehitze derart abgekühlt wird, dass er ein Gefüge mit einem Bainitanteil von wenigstens 80% aufweist, wonach der Rohling bei einer Temperatur ≥ 500°C nitriert wird, bis eine Nitriertiefe von wenigstens 0,2 mm erreicht ist.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER WÄLZLAGERKOMPONENTE AUS STAHL UND DADURCH HERGESTELLTE WÄLZLAGERKOMPONENTE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzlagerkomponente aus Stahl.

Wälzlager bestehen üblicherweise aus wenigstens zwei Ringen, zwischen denen Wälzkörper, frei oder käfiggeführt, laufen, wozu an den Ringen entsprechende Laufbahnen ausgebildet sind. Die Lagerringe sowie die Wälzkörper bestehen üblicherweise aus Stahl. Zunehmend werden an derartigen metallischen Wälzlagerkomponenten Frühausfälle in Form sogenannter White Etching Cracks (WEC) festgestellt, wobei diese White Etching Cracks über viele Anwendungsfelder der Wälzlager auftreten.

White Etching Cracks bilden sich, wenn neben der klassischen Beanspruchung durch Überrollung der Ringe mit Hertz'schem Kontakt noch eine sogenannte Zusatzbeanspruchung anliegt. Diese Zusatzbeanspruchung kann eine statische oder dynamische Elektrizität oder eine starke Mischreibung sein. Zwar ist der Schadensmechanismus noch nicht abschließend geklärt, die vorherrschende Meinung ist aber, dass diese Zusatzbeanspruchung zu einer Freisetzung von Wasserstoff aus dem Schmierstoffsystem führt. Dieser Wasserstoff führt im Gefüge der stählernen Wälzlagerkomponente zur Umwandlung von martensitischen und/oder bainitischen Strukturen mit oder ohne Karbideinschlüssen zu amorphem bzw. nanokristallinem Ferrit mit zwangsgelöstem Kohlenstoff.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Lebensdauer und damit Resistenz gegen WECs zu verbessern. Eine Möglichkeit besteht in der Wahl eines entsprechenden Grundmaterials zur Herstellung der stählernen Wälzlagerkomponente, beispielsweise der Verwendung von induktivgehärteten Werkstoffen oder Sonderlegierungen. Ein Beispiel für einen solchen Werkstoff, der zu 100 % WEC-resistent ist, ist der von der Anmelderin verwendete und vertriebene Stahl„Cronidur 30". Eine zweite Möglichkeit liegt in der Aufbringung einer geeigneten Beschichtung wie beispielsweise der von der Anmelderin genutzten, unter dem Markennamen„Durotect® B" bezeichneten Beschichtung oder von im PVD-Verfahren erzeugten Schichten. Auch können entsprechende Oberflächenbearbeitungen und Ähnliches hilfreich sein.

Der einzig sichere Ansatz ist die Verwendung des, einen hohen Stickstoffgehalt aufweisenden, Stahls„Cronidur 30", um eine vollkommene WEC-Freiheit zu erreichen. Die Verwendung dieses Werkstoffs ist aber aufgrund der hohen Rohmaterialkosten limitiert. Beschichtungen und andere Oberflächenmodifikationen auf kommerziell eingesetzten niedrig legierten Stählen wie beispielsweise den Stählen der 100Cr6- Familie oder einsatzgehärteten Stählen sind nur solange gegen WEC - Bildung wirksam, solange sie nicht im Betrieb abgerieben werden. Damit sind diese beschichteten oder oberflächenmodifizierten Bauteile insbesondere für Anwendungen in verschmutzter Umgebung und/oder mit hohem Mischreibungsanteil nur eingeschränkt verwendbar.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzlagerkomponente aus Stahl anzugeben, die eine verbesserte Resistenz gegen WEC - Bildung aufweist.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer Wälzlagerkomponente aus Stahl vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass ein bearbeiteter Rohling aus der Schmiedehitze derart abgekühlt wird, dass er ein Gefüge mit einem Bainitanteil von wenigstens 80% aufweist, wonach der Rohling bei einer Temperatur > 500°C nitriert wird, bis eine Nitriertiefe von wenigstens 0,2 mm erreicht ist.

Die Erfindung sieht zunächst die Herstellung eines Rohlings aus einem bainitisch abgekühlten Stahl vor. Hierzu wird der durch Warmumformung bei einer Warmumformtemperatur bearbeitete Rohling, beispielsweise ein Wälzlagerring, direkt aus der Schmiedehitze kommend abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt derart, dass sich ein überwiegend bainitisches Grundgefüge einstellt, der Bainitanteil soll wenigstens 80% oder mehr betragen. Dies führ zu einer hohen Kernhärte respektive Kernfestigkeit. Ein solches bainitisches Gefüge ist sehr anlassstabil, so dass bei einem späteren Nitrierpro- zess die Kernfestigkeit nur wenig absinkt und grundsätzlich auf einem Niveau von üblicherweise über 900 MPa bestehen bleibt. Ein weiterer Vorteil des bainitischen Grundgefüges sind die im Vergleich zum angelassenen martensitischen Gefüge geringeren Gitterverspannungen, was dazu führt, dass die Aufnahme von Wasserstoff im Betrieb und damit die Tendenz zur Bildung der WECs herabgesetzt wird.

An die Ausbildung des bainitischen Gefüges schließt sich eine Wärmebehandlung in Form eines Nitrier- oder Tiefnitrierprozesses an. Bei dem Nitrierprozess wird mehrheitlich gelöster Stickstoff in die Randzone des bainitisch gehärteten Stahlrohlings eingebracht, um dort die Härte bzw. Festigkeit und damit die Wälzfähigkeit zu erreichen. Der eingebrachte Stickstoff führt dabei zu einer Gitterverspannung und Ausscheidungshärtung. Die hohen Druckeigenspannungen, die hierbei erzeugt werden, und die mehr als 500 MPa betragen, überkompensieren außerdem die bei der Überrollung entstehenden Zugdehnungsfelder, so dass eine Anlagerung von Wasserstoff in diesen Bereichen gehemmt ist.

Als Grundwerkstoff können verschiedene Stähle verwendet werden, die nach dem Warmumformen keiner weiteren Wärmebehandlung unterzogen werden müssen, sondern die direkt aus der Schmiedehitze zur Bainitgefügeeinstellung abgekühlt werden können. Ein solcher Stahl ist beispielsweise 16CrMnV7-7, ein bainitischer Stahl, der für die Warmmassivumformung geeignet ist und der sich durch eine gute Kombination von Zähigkeit und Festigkeit auszeichnet. Durch die gezielte Abkühlung aus der Schmiedehitze können bei diesem Stahl optimale Wärmestoffeigenschaften erreicht werden, ohne dass eine weitere Wärmebehandlung erforderlich ist. Jedoch können auch andere bainitisch umwandelnde Stähle verwendet werden, die Nennung allein dieses einen Stahls ist keinesfalls beschränkend.

Das Warmumformen des bainitischen Stahls, beispielsweise des 16CrMnV7-7, erfolgt üblicherweise bei Temperaturen > 950°C, beispielsweise als Warmumformung im Bereich von ca. 1250°C. Die Dauer des Abkühlprozesses respektive die Abkühlrate wird im Hinblick auf eine optimale Gefügeeinstellung gewählt, Abkühlraten von mehreren 10°C pro Minute sind zweckmäßig. Die Abkühlgeschwindigkeit sollte nicht zu hoch gewählt werden, da dies ansonsten zur Bildung von Martensit führen kann.

Das Nitrieren als der die belastbare Randzone ausbildende thermische Prozess sollte in einem Temperaturbereich von 500 - 600°C erfolgen, die Temperatur sollte während des gesamten Nitriervorgangs in diesem Temperaturfenster gehalten werden. Diese Nitriertemperatur liegt damit relativ nah am thermischen Gleichgewicht des Werkstoffs. Diese Nitrierung setzt in der Anwendung selbst bei Vorliegen einer kritischen Zusatzbeanspruchung und damit einem möglicherweise schädigenden Wasserstoffeintrag die Tendenz zur Bildung der Weißen Strukturen, also nanokristalliner oder amorpher Ferrite, und damit der WECs massiv herab.

Die Nitriertiefe sollte im Bereich von 0,2 - 1 ,2 mm liegen und hängt von der Nitrierdauer und der Nitriertemperatur ab. Ziel ist das Erreichen einer der Lagergröße und Belastungsbedingungen angepassten Nitrierhärtetiefe. Der Stickstoff sollte durch eine angepasste Prozessführung überwiegend in gelöster Form vorliegen, wobei Ausscheidungen innerhalb der Diffusionszonen tolerabel sind.

Die Nitrierdauer selbst sollte im Bereich zwischen 10 - 100 Stunden liegen, je nach gewünschter Nitrierhärtetiefe.

Zweckmäßig ist es, wenn die Nitrierkennzahl zu Beginn des Nitrierens auf 1 eingestellt und für eine vorbestimmte Zeitdauer beibehalten wird, wonach die Nitrierkennzahl auf einen Wert zwischen 0,4 - 0,6, vorzugsweise von 0,5 abgesenkt wird und anschließend bis zum Ende des Nitrierens beibehalten wird. Die Nitrierkennzahl errechnet sich aus dem Verhältnis der Partialdrücke der zum Nitrieren verwendeten Gase, nämlich von Nhh und hb. Sie errechnet sich zu N = pNH³/p^{3 2}H2, wobei N = Nitrierkennzahl, pNH³ = Partialdruckammoniak und p^{3 2}H2 = Partialdruckwasserstoff. Das heißt, dass sich während des Nitrierens das Partialdruckverhältnis ändert. Zu Beginn wird ein erstes Partialdruckverhältnis eingestellt, das über eine definierte Zeitdauer, die bevorzugt wenigstens 10% der gesamten Nitrierdauer beträgt, beibehalten wird, um die Nitrierkennzahl anschließend abzusenken und diese dann auf dem abgesenkten Niveau, al- so im Bereich von 0,4 - 0,6, vorzugsweise von 0,5, bis zum Ende des Prozesses beizubehalten. Änderungen dieses Prozessablaufs in bestimmten Grenzen sind je nach Bauteil durchaus möglich, jedoch ist das beschriebene Vorgehen für die allermeisten Bauteile zweckmäßig.

Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner eine Wälzlagerkomponente, hergestellt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Diese Wälzlagerkomponente kann ein Lagerring oder ein Wälzkörper sein.

Potentiell können auf die erfindungsgemäße Weise Wälzlagerkomponenten für alle Lageranwendungen hergestellt werden, die von White Etching Cracks betroffen sein können. Potentielle Anwendungen der erfindungsgemäßen Wälzlager, umfassend eine erfindungsgemäß hergestellte Wälzlagerkomponente oder mehrere davon, sind beispielsweise Getriebelager für Anwendungen im Automobil - bzw. Nutzfahrzeugbereich, Lager in elektrischen Antrieben sowie kleine bis mittlere Lager für Industrieanwendungen, beispielsweise Vakuumpumpen und Ähnliches.

Schließlich betrifft die Erfindung ferner ein Wälzlager, umfassend eine oder mehrere dieser Wälzlagerkomponenten.

In dem beigefügten Diagramm ist längs der Abszisse dimensionslos die Prozessdauer t in Stunden aufgetragen. Längs der linken Ordinate ist die Prozesstemperatur T in °C aufgetragen, längs der rechten Ordinate die dimensionslose Nitrierkennzahl N.

Ausgehend von t = 0 erfolgt zunächst eine Erwärmung des Grundwerkstoffs, beispielsweise 16CrMnV7-7 auf die Warmumformtemperatur, hier exemplarisch 1200°. Dort wird das zu verformende Werkstück eine Zeit lang gehalten, wobei die Warmumformung erfolgt. Es schließt sich sodann eine mehr oder weniger rasche Abkühlung an, um das Werkstoffgefüge in bainitisches Gefüge mit einem Bainit-Anteil von wenigstens 80% am Gesamtgefüge umzuwandeln. Die Abkühlung erfolgt bis zu einem Temperaturfenster von 20 - 100°C. Nach einer optionalen mechanischen Zwischenbearbeitung, vorzugsweise über Drehen, schließt sich ein Nitriervorgang an, bei dem die Temperatur in einem Bereich zwischen 500 - 600°C gehalten wird, und zwar bis zum Ende des Nitriervorgangs im Zeitpunkt t = 1 . Durch die Nitrierung wird eine gehärtete Randschicht in dem bainitisch gehärteten Stahl ausgebildet, um dort die Härte bzw. Festigkeit und damit die geforderte Wälzfestigkeit zu erreichen. Durch den eingebrachten Stickstoff wird gezielt eine Gitterverspannung induziert, es kommt zu einer Ausscheidungshärtung.

In dem Diagramm ist des Weiteren in Form der gestrichelten Linie der zeitliche Verlauf der Nitrierkennzahl dargestellt. Zu Beginn des Nitriervorgangs, dargestellt durch den Zeitpunkt ti, ist eine Nitrierkennzahl, also das Verhältnis des Partialdrucks von Stickstoff zu Ammoniak, auf 1 eingestellt. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, beispielsweise von 10% der gesamten Nitrierdauer, dargestellt durch den Zeitpunkt t2, wird die Nitrierkennzahl gezielt abgesenkt, exemplarisch auf einen Wert von 0,5. Dieser Wert wird sodann bis zum Ende des Nitriervorgangs beibehalten.

Der Verlauf der Nitrierkennzahl ist exemplarisch. Es ist grundsätzlich denkbar, die Nitrierkennzahl auf einen anderen Wert als 0,5 abzusenken, beispielsweise im Bereich von 0,4 - 0,6.

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Herstellung einer Wälzlagerkomponente aus Stahl, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein bearbeiteter Rohling aus der Schmiedehitze derart abgekühlt wird, dass er ein Gefüge mit einem Bainitanteil von wenigstens 80% aufweist, wonach der Rohling bei einer Temperatur > 500°C nitriert wird, bis eine Nitriertiefe von wenigstens 0,2 mm erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrieren in einem Temperaturbereich von 500 - 600°C erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nitriertiefe im Bereich von 0,2 - 1 ,2 mm erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierdauer 10 - 100 h beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Nitrierkennzahl zu Beginn des Nitrierens auf 1 eingestellt und für eine vorbestimmte Zeitdauer beibehalten wird, wonach die Nitrierkennzahl auf 0,4-0,6 absinkt und anschließend bis zum Ende des Nitrierens beibehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierkennzahl auf 0,5 abgesenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer wenigstens 10% der gesamten Nitrierdauer beträgt.

8. Wälzlagerkomponente, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.

9. Wälzlagerkomponente nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Lagerring oder ein Wälzkörper ist.

10. Wälzlager, umfassend eine oder mehrere Wälzlagerkomponenten nach An- spruch 8 oder 9.