WO2019170193A1 - Turbolader für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2019170193A1
WO2019170193A1 PCT/DE2019/100197 DE2019100197W WO2019170193A1 WO 2019170193 A1 WO2019170193 A1 WO 2019170193A1 DE 2019100197 W DE2019100197 W DE 2019100197W WO 2019170193 A1 WO2019170193 A1 WO 2019170193A1
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WO
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inner ring
outer ring
turbocharger
ring
edge zone
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PCT/DE2019/100197
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Stefan Birkner
Peter Gebauer
Benedikt Schreiber
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F16C33/60—Raceways; Race rings divided or split, e.g. comprising two juxtaposed rings

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger for an internal combustion engine or a turbo-compound engine.
  • the turbocharger comprises at least one shaft and a rolling bearing for supporting the shaft with an inner ring, an outer ring and spatially arranged between the inner ring and the outer ring rolling elements, wherein the inner ring and / or the outer ring is formed of a bearing steel or are.
  • the invention relates to a method for producing a rolling bearing for such a turbocharger.
  • turbo-compound engines in which the energy content of exhaust gases is utilized by a downstream useful turbine in order to further relax the exhaust gases from the combustion, are generally known.
  • the energy recovered by the power turbine is then transferred to the crankshaft via a mechanical or hydraulic transmission so that the efficiency and performance of the turbo-compound engine are optimized.
  • the exhaust gases of the turbo-compound engine have a higher pressure than the ambient air when opening the exhaust valves, wherein at least part of this pressure gradient is used to drive the turbocharger to compress the air in the intake section of the turbo compound engine.
  • a ball bearing for a turbocharger with a housing and a rotary shaft for connecting a compressor wheel with a turbine wheel is known.
  • the ball bearing is arranged in the radial direction between the housing and the rotation shaft and arranged in the axial direction between the compressor wheel and the turbine wheel.
  • the ball bearing has an outer bearing ring borne by the housing, which in turn is provided with an inner peripheral surface in which an outer Wälzbahn is formed, wherein the ball bearing further comprises an inner ring, which on the rotational shaft in a central part, with respect to the axial Extension is fitted.
  • the inner bearing ring has an outer peripheral surface in which an inner Wälzbahn is formed, wherein the inner bearing ring is made of a heat-resistant metal.
  • the object of the present invention is to further develop a turbocharger, and in particular to make the rolling bearing of waves of the turbocharger more resistant and more durable.
  • the object is solved by the subject matter of patent claims 1 and 9. Preferred embodiments can be found in the dependent claims, the description and the figures.
  • An inventive turbocharger for a motor vehicle comprises a shaft and a rolling bearing for supporting the shaft with at least one inner ring, an outer ring and spatially between the at least one inner ring and the outer ring ange ⁇ arranged rolling elements, wherein the at least one inner ring and / or the outer ring of a Rolling bearing steel are formed, wherein the at least one inner ring and / or the outer ring at least partially has a carbonitr jewe edge zone.
  • the rolling bearing is preferably designed as a double-row angular contact ball bearing for supporting the shaft, and alternative rolling bearing shapes such as cylindrical roller bearings may also be provided.
  • one or more rolling bearings of the turbocharger may have carbonitrided components, the rolling bearings in turn comprising one or more carbonitrided inner rings and / or a one-piece or multi-part outer ring, wherein preferably only a part of the multi-part outer ring is carbonitrided.
  • only the outer ring can have a carbonitrided edge zone. But it may also have only the inner ring a carbonitrATOR edge zone. Further alternatively, the inner ring and the outer ring may have a respective carbonitrided edge zone. If the roller bearing has two or more inner rings and / or two or more outer rings, all inner rings and all outer rings can be carbonitrided. However, it is also conceivable that only one of the inner rings and / or only one of the outer rings have a carbonitrided edge zone. The choice of components to be carbonitrided depends essentially on the mechanical and thermal requirements imposed on the turbocharger and, in particular, on the rolling bearing.
  • the at least one inner ring and / or the outer ring are at least partially subjected to carbonitriding, that is to say combined carburizing and nitriding.
  • Carbonitriding is a hardening process in which the Edge zone of the inner ring and / or the outer ring is thermochemically treated.
  • the boundary zone to be treated is enriched with carbon and nitrogen under high temperatures so that carbon and nitrogen atoms diffuse into the boundary zone.
  • the nitrogen is present during the carbonitriding in conjunction with hydrogen preferably as ammonia and serves in particular as an alloying element in the edge zone of the inner ring and / or the outer ring.
  • the carbon forms in particular carbides in the peripheral zone.
  • the edge zone in the area of the component surface has a carbon content of 0.8 to 1.5% by weight and a nitrogen content of 0.05 to 0.5% by weight.
  • the edge zone is designed in particular to improve me chanical and thermal properties of the rolling bearing.
  • the carbonitriding advantageously serves to impart a comparatively high degree of hardness to the edge zone of the inner ring and / or the outer ring.
  • the mechanical properties, which are significantly improved by carbonitriding are, for example, the roll-over strength of the roller bearing, in particular the surface of the carbonitrided edge zone, and the resistance to abrasive and adhesive wear.
  • the roll-over resistance describes the resistance of the carbonised inner ring and / or outer ring to damage caused by overrolled particles.
  • the edge zone thus has a comparatively high wear resistance.
  • the heat-treated carbonitrided components of the rolling bearing have a comparatively high thermal stability.
  • the inner ring and / or the outer ring has a comparatively high thermal stability, is resistant to contamination and is therefore characterized by its increased durability.
  • the shaft of the turbocharger is preferably designed to rotate in a speed range of 10,000 to 300,000 revolutions per minute.
  • the shaft of the turbocharger is adapted to rotate in a speed range of 50,000 to 300,000 revolutions per minute, in particular 100,000 to 300,000 revolutions per minute.
  • the edge zone has a thickness of 0.05 to 1, 5 mm.
  • the edge zone has a thickness of 0.3 mm.
  • the edge zone is formed, in particular, as a gradient edge zone having a carbonitriding hardening depth which, starting from the surface of the edge zone, has a carbon or nitrogen concentration which changes in the form of a function. The carbonitriding depth is dependent on the process temperature during carbonitriding.
  • the carbonitrided inner ring and / or outer ring has a comparatively low required diffusion depth (carbonitriding hardening depth) which provide the desired mechanical and thermal properties. It is advantageous that the process times of the heat treatment can be reduced by the carbonitriding, which has a positive effect on the process and Fier einsteil the turbocharger. Furthermore, due to carbonitriding, the dimensional and shape deviations of the inner ring and / or outer ring that occur occur. The process-related dimensional and form deviations are essentially in the context of a martensitic tying.
  • the thickness and the structure of the edge zone can be determined and examined, for example, on a transverse section of the inner ring and / or the outer ring. Particularly suitable for measuring and investigating the edge zone are light microscopy and scanning electron microscopy.
  • the at least one inner ring and / or the outer ring are formed of 100Cr6.
  • the at least one inner ring and / or the outer ring are formed of 100CrSiMn6-4.
  • the at least one inner ring and / or the outer ring are formed, in particular, from a low-alloy and hardening bearing steel as the base material, wherein the at least one inner ring and / or the outer ring can also be formed from another low-alloy steel.
  • a cost-effective carrier material is provided, wherein the desired mechanical and thermal properties are set by the thermochemical treatment and the edge zone formed therewith.
  • the edge zone has a Vickers temerature of greater than 650 FIV10. Consequently, the Vickers temerature is determined according to DIN EN ISO 6507-1: 2005 to -4: 2005 on the surface of the carbonitrided edge zone by placing an equilateral diamond pyramid under a defined test force in the edge zone of the inner ring and / or the Outer ring is pressed and then from the ratio of test force and impression surface, including a conversion factor, the Vickers hardness can be determined.
  • the edge zone is formed in the region of a raceway of the at least one inner ring and / or the outer ring. Consequently, the edge zone is formed in the region of maximum Hertzian pressure on the inner ring and / or on the outer ring.
  • the edge zone has a retained austenite content of at most 15%.
  • a residual austenite content remains in the microstructure of the edge zone due to the incomplete martensite formation, which in particular influences the mechanical properties of the carbo-nitrided edge zone as a function of the content.
  • To determine the residual austenite content in the carbonitrided edge zone for example, light microscopy, X-ray structure analysis or magnetic-inductive measuring methods are suitable.
  • At least one inner ring and / or outer race of the rolling bearing is carbonitrided, carbon and nitrogen diffusing into a surface of the at least one inner ring and / or the outer ring to form a peripheral zone wherein the at least one inner ring and / or the outer ring are hardened and then tempered.
  • the carbonitriding is preferably carried out at temperatures between 850 and 950 ° C, wherein in addition to carbon small quantities of nitrogen in a surface of the at least one inner ring and / or the outer ring einif- fundify to form the edge zone.
  • the heat-treated inner ring and / or outer ring are less prone to damage.
  • the diffused nitrogen serves as an alloying element due to the comparatively small amount of diffusion and reduces the hardening temperature and the critical quenching rate, which in turn improves the hardenability of the rolling bearing steel. Due to the resulting shorter process time, the production of the rolling bearing can be made more economical.
  • the inner ring and / or the outer ring are quenched. This is preferably done in oil to prevent a delay.
  • the edge zone has a thickness of between 0.05 and 1.5 mm, the thickness being referred to as carbonitriding hardening depth (CHD).
  • CHD carbonitriding hardening depth
  • the carbonitriding hardening depth is dependent on the hardening temperature, the quenching speed, the hardenability of the rolling bearing steel and the dimensions of the at least one inner ring and / or the outer ring or the region of the at least one inner ring and / or the outer ring on which the carbonitriding is carried out.
  • the carbonitriding (thermal treatment) ends with tempering at comparatively low temperatures of 150 to 350 C in order to reduce brittleness generated as a function of the carbonitriding hardening depth and to set a desired surface hardness.
  • the tempering temperature is dependent on the temperature in use of the turbocharger.
  • freezing of the at least one inner ring and / or the outer ring takes place between hardening and tempering. Freezing causes an additional transformation of retained austenite into martensite as well as an improvement in tempering and dimensional stability.
  • Figure 1 is a schematic longitudinal sectional view of an inventive
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a partially shown rolling contact bearing of the turbocharger according to FIG. 1.
  • a turbocharger 9 for a combustion engine (not shown here) comprises a shaft 8 and a rolling bearing 1 for supporting the shaft 8.
  • the shaft 8 is designed to operate in a speed range from 10,000 to 300,000 rpm. rotations per minute to rotate.
  • the rolling bearing 1 is presently designed as a double-row angular contact ball bearing and has a two-part inner ring 2 and a one-piece outer ring 3, wherein the outer ring 3 radially and axially against a housing 10 of the turbocharger 9 is supported. Spatially between the inner ring 2 and the outer ring 3 rolling elements 4 are arranged and roll on a respective raceway 6 of the inner ring 2 and the outer ring 3 from.
  • the inner ring 2 and the outer ring 3 are in the present case made of 100Cr6 (roller bearing steel).
  • the inner ring 2 and the outer ring 3 may be formed of 100CrSiMn6-4.
  • the inner ring 2 can be made of 100Cr6 and the outer ring 3 can be made of 100CrSiMn6-4, or vice versa.
  • the materials and heat treatments for the individual components can be selected according to a modular principle.
  • both the inner ring 2 and the outer ring 3 have a carbonitrided edge zone 5 in the region of the respective track 6.
  • the edge zone 5 of the inner ring 2 and the outer ring 3 is each produced by means of carbonitriding, wherein carbon and nitrogen diffuse into a respective surface 7 of the inner ring 2 and the outer ring 3, respectively. Subsequently, the inner ring 2 and the outer ring 3 are hardened and tempered.
  • the carbonitriding is carried out at a temperature of 850-950 ° C and thereby produces a thickness (Carbonitrierhärteiefe) of the respective edge zone 5 of up to 1, 5 mm, and a Vickers hardness of up to 1000 HV1. Furthermore, the edge zone 5 has a retained austenite content of less than 15%. The thickness, the surface hardness and the residual austenite content of the edge zone 5 are dependent on the process parameters, such as, for example, diffusion duration and quenching rate and the dimensions of the surface to be carbonitrided.
  • the edge zone 5 improves the mechanical and thermal properties of the roller bearing 1, wherein in particular the roll over resistance and the resistance to abrasive and adhesive wear are optimized. Furthermore, the edge zone 5 brings about a better thermal stability of the rolling bearing 1 with simultaneously improved fatigue strength. LIST OF REFERENCES

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (9) für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Welle (8) sowie ein Wälzlager (1 ) zur Lagerung der Welle (8) mit einem zumindest einen Innenring (2), einem Außenring (3) sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (4), wobei der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Außenring (3) aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, wobei der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Außenring (3) zumindest teilweise eine carbonitrierte Randzone (5) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers (1 ) für einen solchen Turbolader (9).

Description

Turbolader für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Turbolader für einen Verbrennungsmotor beziehungsweise einen Turbo-Compound-Motor. Der Turbolader umfasst zumindest eine Welle sowie ein Wälzlager zur Lagerung der Welle mit einem Innenring, einem Außenring sowie räumlich zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Wälzkörpern, wobei der Innenring und/oder der Außenring aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet ist beziehungsweise sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung ei- nes Wälzlagers für einen solchen Turbolader.
Allgemein bekannt sind Verbrennungsmotoren auch genannt Turbo-Compound- Motoren, bei denen der Energiegehalt von Abgasen durch eine nachgeschaltete Nutz- turbine verwertet wird, um die Abgase aus der Verbrennung weiter zu entspannen.
Die durch die Nutzturbine rückgewonnene Energie wird anschließend über ein me chanisches oder hydraulisches Getriebe auf die Kurbelwelle übertragen, sodass der Wirkungsgrad und die Leistung des Turbo-Compound-Motors optimiert werden. Die Abgase des Turbo-Compound-Motors haben beim Öffnen der Auslassventile einen höheren Druck als die Umgebungsluft, wobei zumindest ein Teil dieses Druckgefälles zum Antrieb des Turboladers genutzt wird, um die Luft im Ansaugtrakt des Turbo- Compound-Motors zu komprimieren.
Aus der DE 43 27 815 A1 ist ein Kugellager für einen Turbolader mit einem Gehäuse und einer Rotationswelle zum Verbinden eines Kompressorrads mit einem Turbinen- rad bekannt. Das Kugellager ist in Radialrichtung zwischen dem Gehäuse und der Ro- tationswelle angeordnet und in Axialrichtung zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad angeordnet. Das Kugellager weist einen von dem Gehäuse getragenen äußeren Lagerring auf, welcher seinerseits mit einer Innenumfangsfläche versehen ist, in welcher eine äußere Wälzbahn ausgebildet ist, wobei das Kugellager ferner ei- nen Innenring aufweist, welcher auf die Rotationswelle in einem Mittelteil, bezogen auf deren axiale Erstreckung gepasst ist. Der innere Lagerring weist eine Außenumfangs- fläche auf, in welcher eine innere Wälzbahn ausgebildet ist, wobei der innere Lager- ring aus einem wärmebeständigen Metall hergestellt ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Turbolader weiterzuent- wickeln, und insbesondere die Wälzlagerung von Wellen des Turboladers resistenter und langlebiger zu gestalten. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Pa- tentansprüche 1 und 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprü- chen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßer Turbolader für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Welle sowie ein Wälzlager zur Lagerung der Welle mit zumindest einem Innenring, einem Außenring sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring und dem Außenring ange- ordneten Wälzkörpern, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring zumindest teilweise eine carbonitrierte Randzone aufweist. Das Wälzlager ist zur Lagerung der Welle bevorzugt als zweireihiges Schrägkugella- ger ausgebildet, wobei auch alternative Wälzlagerformen, wie Zylinderrollenlager vor- gesehen sein können. Ferner können ein oder mehrere Wälzlager des Turboladers carbonitrierte Bauteile aufweisen, wobei die Wälzlager wiederum einen oder mehrere carbonitrierte Innenringe und/oder einen einteilig oder mehrteilig ausgebildeten Au- ßenring umfassen, wobei vorzugsweise lediglich ein Teil des mehrteiligen Außenrings carbonitriert ist.
Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung kann nur der Außenring eine carbonitrierte Randzone aufweisen. Es kann aber auch lediglich der Innenring eine carbonitrierte Randzone aufweisen. Ferner alternativ können der Innenring und der Außenring eine jeweilige carbonitrierte Randzone aufweisen. Weist das Wälzlager zwei oder mehrere Innenringe und/oder zwei oder mehrere Außenringe auf, können alle Innenringe und alle Außenringe carbonitriert sein. Es ist aber auch denkbar, dass lediglich einer der Innenringe und/oder lediglich einer der Außenringe eine carbonitrierte Randzone auf- weisen. Die Wahl der zu carbonitrierenden Bauteile ist im Wesentlichen abhängig von den mechanischen und thermischen Anforderungen, die an den Turbolader und ins- besondere an das Wälzlager gestellt werden.
Der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring werden zumindest teilweise ei- ner Carbonitrierung, das heißt einer kombinierten Aufkohlung und Aufstickung unter- zogen. Unter der Carbonitrierung ist ein Härteverfahren zu verstehen, bei dem die Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings thermochemisch behandelt wird. Dabei wird die zu behandelnde Randzone unter hohen Temperaturen mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert, sodass Kohlenstoff- und Stickstoffatome in die Randzone diffundieren. Der Stickstoff liegt während der Carbonitrierung in Verbindung mit Was- serstoff vorzugsweise als Ammoniak vor und dient insbesondere als Legierungsele- ment in der Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings. Der Kohlenstoff bil- det insbesondere Karbide in der Randzone. Nach der Carbonitrierung weist die Rand- zone im Bereich der Bauteiloberfläche einen Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1 ,5 Gew.-% und einen Stickstoffgehalt von 0,05 bis 0,5 Gew.-% auf.
In Abhängigkeit der gewählten Carbonitrierungs-Parameter, wie Prozessdauer (Diffu- sionsdauer) und -temperatur, wird die Randzone insbesondere dazu ausgebildet, me chanische sowie thermische Eigenschaften des Wälzlagers zu verbessern. Die Car- bonitrierung dient vorteilhafterweise dazu, der Randzone des Innenrings und/oder des Außenrings eine vergleichsweise hohe Härte zu verleihen. Die mechanischen Eigen- schaften, die durch die Carbonitrierung maßgeblich verbessert werden, sind bei- spielsweise die Überrollfestigkeit des Wälzlagers, insbesondere der Oberfläche der carbonitrierten Randzone sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß. Die Überrollfestigkeit beschreibt die Resistenz des carboni- trierten Innenrings und/oder Außenrings gegenüber Schäden durch überrollte Partikel. Die Randzone weist somit eine vergleichsweise hohe Verschleißfestigkeit auf. Ferner weisen die wärmebehandelten carbonitrierten Bauteile des Wälzlagers eine ver- gleichsweise hohe Warmfestigkeit auf. Mit anderen Worten weist der Innenring und/oder der Außenring eine vergleichsweise hohe thermische Stabilität auf, ist resis- tent gegenüber Verschmutzung und zeichnet sich daher durch seine erhöhte Dauer- festigkeit aus.
Die Welle des Turboladers ist vorzugsweise dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbe- reich von 10,000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Bevorzugt ist die Welle des Turboladers dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich von 50,000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere 100,000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren. Bevorzugt weist die Randzone eine Dicke von 0,05 bis 1 ,5 mm auf. Vorzugsweise weist die Randzone eine Dicke von 0,3 mm auf. Die Randzone wird insbesondere als Gradientenrandzone mit einer Carbonitrierhärtetiefe ausgebildet, die ausgehend von der Oberfläche der Randzone eine sich in Form einer Funktion ändernde Kohlenstoff- beziehungsweise Stickstoffkonzentration aufweist. Die Carbonitrierhärtetiefe ist ab- hängig von der Prozesstemperatur während der Carbonitrierung. Mithin weist der car- bonitrierte Innenring und/oder Außenring eine vergleichsweise niedrige erforderliche Diffusionstiefe (Carbonitrierhärtetiefe) auf, die die gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften bereitstellen. Vorteilhaft ist dabei, dass sich durch die Carbonitrierung die Prozesszeiten der Wärmebehandlung senken lassen, was sich positiv auf die Prozess- und Fierstellungskosten des Turboladers auswirkt. Ferner sin- ken durch die Carbonitrierung die auftretenden Maß- und Formabweichungen des In- nenrings und/oder Außenrings. Die prozessbedingten Maß- und Formabweichungen liegen im Wesentlichen im Rahmen einer martensitischen Flärtung.
Die Dicke sowie der Aufbau der Randzone können beispielsweise an einem Quer- schliff des Innenrings und/oder des Außenrings ermittelt und untersucht werden. Zur Ausmessung und Untersuchung der Randzone eignen sich insbesondere die Licht- mikroskopie sowie die Rasterelektronenmikroskopie.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring aus 100Cr6 ausgebildet. Alternativ sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet. Mit anderen Wor- ten sind der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring insbesondere aus ei- nem niedriglegierten sowie durchhärtenden Wälzlagerstahl als Basiswerkstoff ausge- bildet, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring auch aus einem anderen niedriglegierten Stahl ausgebildet sein können. Dadurch wird ein kostengüns- tiger Trägerwerkstoff bereitgestellt, wobei die gewünschten mechanischen und ther- mischen Eigenschaften durch die thermochemische Behandlung und der damit aus- gebildeten Randzone eingestellt werden.
Vorzugsweise weist die Randzone eine Vickers-Flärte von mehr als 650 FIV10 auf. Mithin wird die Vickers-Flärte nach DIN EN ISO 6507-1 :2005 bis -4:2005 auf der Ober- fläche der carbonitrierten Randzone ermittelt, indem eine gleichseitige Diamantpyra- mide unter einer festgelegten Prüfkraft in die Randzone des Innenring und/oder des Außenrings eingedrückt wird und anschließend aus dem Verhältnis von Prüfkraft und Eindruckoberfläche unter Einbeziehung eines Umrechnungsfaktors die Vickers-Härte ermittelt werden kann.
Bevorzugt ist die Randzone im Bereich einer Laufbahn des zumindest einen Innen- rings und/oder des Außenrings ausgebildet. Mithin wird die Randzone im Bereich ma ximaler Hertzscher Pressung am Innenring und/oder am Außenring ausgebildet.
Ferner bevorzugt weist die Randzone einen Restaustenitgehalt von höchstens 15 % auf. Während dem an die Carbonitrierung folgenden Härteprozesses verbleibt auf- grund der nicht gänzlich abgeschlossenen Martensitbildung ein Restaustenitgehalt im Gefüge der Randzone, der insbesondere die mechanischen Eigenschaften der carbo- nitrierten Randzone in Abhängigkeit des Gehalts beeinflusst. Zur Ermittlung des Restaustenitgehalts in der carbonitrierten Randzone eignet sich beispielsweise die Lichtmikroskopie, die Röntgenstrukturanalyse oder auch magnetinduktive Messverfah- ren.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers für einen Turbolader wird zumindest ein Innenring und/oder ein Außenring des Wälzla- gers carbonitriert, wobei Kohlenstoff und Stickstoff in eine Oberfläche des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings diffundieren, um eine Randzone auszubil- den, wobei der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring gehärtet und an- schließend angelassen werden. Die Carbonitrierung erfolgt bevorzugt bei Temperatu- ren zwischen 850 und 950 °C, wobei neben Kohlenstoff geringe Mengen an Stickstoff in eine Oberfläche des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings eindif- fundieren, um die Randzone auszubilden. Da der zumindest eine Innenring und/oder der Außenring bei diesem Verfahren vergleichsweise niedrigeren Temperaturen aus- gesetzt sind und die Prozessdauer im Allgemeinen kürzer ist als beispielsweise beim Aufkohlen, sind der wärmebehandelte Innenring und/oder Außenring weniger ver- zugsgefährdet. Der eindiffundierte Stickstoff dient aufgrund der vergleichsweise gerin- gen Diffusionsmenge als Legierungselement und reduziert die Härtetemperatur und die kritische Abschreckgeschwindigkeit, was wiederum die Härtbarkeit des Wälzla- gerstahls verbessert. Durch die daraus folgende kürzere Prozessdauer kann die Her- stellung des Wälzlagers wirtschaftlicher gestaltet werden. Unmittelbar nach dem Ablauf der Diffusionszeit während der Carbonitrierung werden der Innenring und/oder der Außenring abgeschreckt. Dies erfolgt vorzugsweise in Öl, um einem Verzug vorzubeugen. Die Randzone weist eine Dicke zwischen 0,05 und 1 ,5 mm auf, wobei die Dicke als Carbonitrierhärtetiefe (CHD) bezeichnet wird. Die Carbonitrierhärtetiefe ist abhängig von der Härtetemperatur, der Abschreckgeschwin- digkeit, der Härtbarkeit des Wälzlagerstahls sowie den Abmessungen des zumindest einen Innenrings und/oder des Außenrings beziehungsweise des Bereichs des zu- mindest einen Innenrings und/oder des Außenrings, an dem die Carbonitrierung er- folgt. Die Carbonitrierung (thermische Behandlung) schließt mit dem Anlassen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 150 bis 350 C ab, um eine in Abhängig- keit der Carbonitrierhärtetiefe erzeugte Sprödigkeit zu reduzieren und um eine ge- wünschte Oberflächenhärte einzustellen. Die Anlasstemperatur ist abhängig von der Temperatur im Einsatz des Turboladers.
Vorzugsweise erfolgt zwischen dem Härten und Anlassen ein Tiefkühlen des zumin- dest einen Innenrings und/oder des Außenrings. Das Tiefkühlen bewirkt eine zusätzli- che Umwandlung von Restaustenit in Martensit sowie eine Verbesserung der Anlass- und Maßstabilität.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Turboladers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, und
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines teilweise gezeigten Wälzla- gers des Turboladers gemäß Figur 1.
Gemäß Figur 1 umfasst ein Turbolader 9 für einen - hier nicht dargestellten - Ver- brennungsmotor eine Welle 8 sowie ein Wälzlager 1 zur Lagerung der Welle 8. Die Welle 8 ist dazu ausgebildet, in einem Drehzahlbereich von 10.000 bis 300.000 Um- drehungen pro Minute zu rotieren. Das Wälzlager 1 ist vorliegend als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet und weist einen zweiteiligen Innenring 2 und einen ein- teiligen Außenring 3 auf, wobei sich der Außenring 3 radial und axial gegen ein Ge- häuse 10 des Turboladers 9 abstützt. Räumlich zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 sind Wälzkörper 4 angeordnet und rollen auf einer jeweiligen Laufbahn 6 des Innenrings 2 beziehungsweise des Außenrings 3 ab. Der Innenring 2 und der Au- ßenring 3 sind vorliegend aus 100Cr6 (Wälzlagerstahl) ausgebildet. Alternativ können der Innenring 2 und der Außenring 3 aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet sein. Ferner al- ternativ kann der Innenring 2 aus 100Cr6 und der Außenring 3 aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet sein, oder umgekehrt. In diesem Sinn lassen sich die Werkstoffe und Wärmebehandlungen für die einzelnen Komponenten nach einem Baukastenprinzip auswählen.
In Figur 2 ist eine Detailschnittdarstellung des Wälzlagers 1 gezeigt. Vorliegend wei- sen sowohl der Innenring 2 als auch der Außenring 3 im Bereich der jeweiligen Lauf- bahn 6 eine carbonitrierte Randzone 5 auf. Die Randzone 5 des Innenrings 2 und des Außenrings 3 wird je mittels Carbonitrierung hergestellt, wobei Kohlenstoff und Stick- stoff in eine jeweilige Oberfläche 7 des Innenrings 2 beziehungsweise des Außen- rings 3 diffundieren. Anschließend werden der Innenring 2 und der Außenring 3 gehär- tet und angelassen. Die Carbonitrierung erfolgt bei einer Temperatur von 850-950°C und erzeugt dadurch eine Dicke (Carbonitrierhärtetiefe) der jeweiligen Randzone 5 von bis zu 1 ,5 mm, sowie eine Vickers-Härte von bis zu 1000 HV1. Ferner weist die Randzone 5 einen Restaustenitgehalt kleiner als 15 % auf. Die Dicke, die Oberflä- chenhärte sowie der Restaustenitgehalt der Randzone 5 sind abhängig von den Pro- zessparametern, wie beispielsweise Diffusionsdauer und Abschreckgeschwindigkeit sowie den Abmessungen der zu carbonitrierenden Oberfläche. Die Randzone 5 ver- bessert mechanische und thermische Eigenschaften des Wälzlagers 1 , wobei insbe- sondere die Überrollfestigkeit sowie die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem und adhäsivem Verschleiß optimiert werden. Ferner bewirkt die Randzone 5 eine bes- sere thermische Stabilität des Wälzlagers 1 bei gleichzeitig verbesserter Dauerfestig- keit. Bezuqszeichenliste
1 Wälzlager
2 Innenring
3 Außenring
4 Wälzkörper
5 Randzone
6 Laufbahn
7 Oberfläche
8 Welle
9 Turbolader

Claims

Patentansprüche
1 . Turbolader (9) für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Welle (8) sowie ein Wälzlager (1 ) zur Lagerung der Welle (8) mit zumindest einem Innenring (2), ei- nem Außenring (3) sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (4), wobei der zumindest eine Innen- ring (2) und/oder der Außenring (3) aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Au- ßenring (3) zumindest teilweise eine carbonitrierte Randzone (5) aufweist.
2. Turbolader (9) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) dazu ausgebildet ist, in einem Dreh- zahlbereich von 10.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute zu rotieren.
3. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) eine Dicke von 0,05 bis 1 ,5 mm aufweist.
4. Turbolader (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Au- ßenring (3) aus 100Cr6 ausgebildet ist.
5. Turbolader (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Au- ßenring (3) aus 100CrSiMn6-4 ausgebildet ist.
6. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) eine Vickers-Härte von mehr als 650 HV10 aufweist.
7. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) im Bereich einer Laufbahn (6) des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3) ausgebildet ist.
8. Turbolader (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone (5) einen Restaustenitgehalt von höchstens 15 % aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers (1 ) für einen Turbolader (9), wobei das Wälzlager (1 ) mindestens einen Innenring (2), einen Außenring (3) sowie räumlich zwischen dem zumindest einen Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordnete Wälzkörper (4) aufweist, wobei der zumindest eine Innenring (2) und/oder der Außen- ring (3) aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet sind, umfassend folgende Verfahrens- schritte:
- Carbonitrieren des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3), wobei Kohlenstoff und Stickstoff in eine Oberfläche (7) des zumindest einen In- nenrings (2) und/oder des Außenrings (3) diffundieren, um eine Randzone (5) auszubilden;
- Härten des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3); und
- Anlassen des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3).
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Härten und Anlassen ein Tiefkühlen des zumindest einen Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3) erfolgt.
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