WO2022148510A1 - Verfahren zur herstellung eines wälzlagerbauteils - Google Patents

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WO2022148510A1
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bearing component
rolling
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Werner Trojahn
Markus Dinkel
Johannes Moeller
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a rolling bearing component, the rolling bearing component being formed from a rolling bearing steel. Furthermore, the invention relates to a rolling bearing component and a rolling bearing.
  • DE 10 2006 052 834 A1 discloses a method for producing a rolling bearing ring in which a bearing ring is made of a low-alloy, through-hardenable steel with a carbon content of more than 0.5% by weight and containing chromium, nickel and molybdenum of a total of between 1.4% by weight and 3.0% by weight is produced.
  • the bearing ring is subjected to a hardening treatment in which the bearing ring is heated to an external temperature between 800°C and 880°C and then quenched until it reaches a temperature below 150°C.
  • DE 10 2006 059 050 A1 describes a method for the heat treatment of rolling bearing components made of through-hardened bainitic rolling bearing steel with residual compressive stresses in the edge area and a martensite content of at most 5% and a residual austenite content of at most 3%.
  • a two-stage heat treatment is carried out in which the component is cooled from the austenitizing temperature in a salt bath with a temperature in the range of 180 to 210 °C slightly below the martensite start temperature and is held until the temperature has equalized.
  • the component is then heated in another bath to a temperature slightly above the martensite start temperature.
  • the result is a bainitic structure throughout the component.
  • the rolling elements are dimensioned accordingly.
  • the components often have cross sections or wall thicknesses of 85 mm or more. So that such components can be heat treated technically flawlessly, high-alloy steels are used, which incur corresponding costs.
  • the object of the present invention is to further develop a method for producing a roller bearing component from a roller bearing steel that has a wall thickness or a diameter of at least 85 mm at at least one point and to specify a roller bearing component produced by means of the method and a roller bearing.
  • the rolling bearing component is made of a rolling bearing steel and is formed at least at one point with a wall thickness or a diameter of at least 85 mm, where the rolling bearing component is heated to form an austenitic structure and then in a hot salt bath below the martensite start temperature of the Rolling bearing steel is cooled in such a way that the rolling bearing component is formed in a surface layer region of the rolling bearing component with a martensitic structure and is formed in a core region of the rolling bearing component with a pearlite and/or upper bainite structure.
  • the roller bearing component is first formed from a roller bearing steel.
  • 100CrMo7-3 or 100CrMnSi6-4 is advantageously suitable as the roller bearing steel from which the roller bearing component is formed.
  • the rolling bearing component is heated to the austenitization temperature and then quenched, with the quenching speed being selected in such a way that cracking in the surface of the rolling bearing component is prevented, but at the same time a technically optimal and roll-resistant shell on the lateral surface of the rolling bearing component is created as far as possible slight delay occurs.
  • the Shock speed is selected in particular as a function of the geometry of the rolling bearing component and the quenching medium, i.e. the hot salt bath, in particular its heat capacity.
  • the roller bearing component is in particular cooled to a temperature T in the range from 20 to 70° C., in particular 50 to 70° C., below the martensite start temperature of the roller bearing steel.
  • the temperature T is preferably kept constant over a period of 10 to 20 minutes.
  • Which microstructure is established essentially depends on the alloy composition and the geometry of the rolling bearing component.
  • a martensite or a martensitic structure is to be understood as meaning a metastable structure which is formed from the austenitic starting structure without diffusion, in particular by rapid quenching of the steel starting from the hardening or austenitizing temperature.
  • the increase in hardness during the transformation occurs because the carbon atoms dissolved in the austenite lattice are no longer able to leave their lattice positions due to the short time span of the transformation, with the austenite folding over into martensite without diffusion and the enclosed carbon atoms thus straining the crystal lattice.
  • Martensite is hard, high- strong but also very brittle, which is why such steels are usually quenched after quenching to avoid any cracks.
  • Pearlite is a lamellar, eutectoid structural component of steel, i.e. a phase mixture of ferrite and cementite that occurs as a result of coupled crystallization in iron-carbon alloys with carbon contents between 0.02% and 6.67%. Pearlite is softer than martensite.
  • a structure consisting of pearlite is to be understood as meaning that the structure in the core area of the rolling bearing component essentially consists of pearlite. Thus, the structure consists of pearlite even if it does not have a pearlitic structure completely and exclusively. Even a slight deviation from a completely pearlitic microstructure, in which other microstructures can also be present, is therefore still to be understood as a microstructure consisting of pearlite within the meaning of this invention.
  • Bainite is a microstructure that forms at temperatures below pearlite formation up to martensite formation, both isothermally and with continuous cooling.
  • Upper bainite consists of acicular ferrite arranged in packets. Between the individual ferrite needles there are more or less continuous carbide films parallel to the needle axis.
  • upper bainite and lower bainite which, on the other hand, consists of ferrite plates, within which the carbides form at an angle of 60° to the needle axis.
  • Bainite is also softer than martensite, but harder than pearlite.
  • a structure consisting of upper bainite is to be understood as meaning that the structure in the core area of the rolling bearing component essentially consists of upper bainite.
  • the structure consists of upper bainite even if it is not entirely and exclusively upper bainite. Even a slight deviation from a completely bainitic microstructure, in which other microstructures can also be present, is therefore still to be understood as a microstructure consisting of upper bainite within the meaning of this invention.
  • the roller bearing component formed using the method according to the invention can be formed as a component blank which is formed close to the final geometry, with further treatment, in particular mechanical processing, taking place after the component has cooled in order to bring the roller bearing component into the final geometry.
  • the component can already be in its final geometry before heat treatment.
  • the roller bearing component is designed, for example, as an inner ring, an outer ring or as a roller body of a roller bearing.
  • the hardenability of the respective steel is determined by the choice of alloy composition.
  • the hardenability can also be changed by changing the carbon content and the content of dissolved alloying elements, such as chromium, via the level of the austenitization temperature.
  • the required state of solution for the geometry of the rolling bearing component to be treated and the quenching effect can be determined in advance using software or tests.
  • the warm salt bath preferably has a temperature between 150°C and 210°C.
  • the warm salt bath has a temperature between 160°C and 200°C, depending on the material.
  • the composition of the hot salt bath is selected with regard to the requirements for the quenching parameters, whereby a quenching speed can be set at which the martensitic structure on the surface of the rolling bearing component and, far from the surface, especially in the core of the rolling bearing component, a pearlite and/or upper bainite structure existing structure.
  • the salt warm bath has a water content of 0.5 to 1%.
  • the cooling process is adjusted and, if necessary, extended by the salt warm bath in such a way that the temperatures of the edge and core of the rolling bearing component can equalize.
  • the associated advantages are reduced crack formation due to thermal stress.
  • lower residual stresses can be achieved in rolling bearing components with variable dimensions, size and weight.
  • a preferred cooling rate between the austenitizing temperature and the salt bath temperature is in the range of 5 to 10 K/s, depending on the wall thickness or cross section of the rolling bearing component.
  • the roller bearing component is preferably cooled to room temperature after the temperature of the salt warm bath has been reached. As soon as the temperature of the rolling bearing component has equalized the temperature of the salt bath, the rolling bearing component is removed from the bath so that the rolling bearing component can continue to cool down to room temperature.
  • Room temperature means a temperature between 18°C and 25°C, in particular between 20°C and 25°C.
  • the rolling bearing component according to the invention has a wall thickness or a diameter of at least 85 mm, in particular at least 200 mm.
  • the wall thickness is considered here, and in the case of a rolling element, its diameter is considered.
  • the rolling bearing component formed using the method according to the invention consists of martensite in a surface layer region up to at least a depth below a surface of the rolling bearing component of 10 mm and has a hardness in the range from 60 HRC to 65 HRC.
  • a hardness of 60 HRC (Rockwell hardness) corresponds to a Vickers hardness of about 700 HV and a hardness of 65 HRC corresponds to a Vickers hardness of about 830 HV. Consequently, a rolling bearing component according to the invention has a hardness of between 60 HRC and 65 HRC and a martensitic microstructure up to at least a first surface distance of 10 mm.
  • the unit HRC is made up of HR (Rockwell hardness) as a designation of the test method, followed by another letter, here C, which indicates the scale and thus the test forces and bodies.
  • HR Rockwell hardness
  • C A diamond cone with a 120° point angle and a test preload of 98.0665 N is used for scale C (C stands for “cone”).
  • the additional test force for scale C is 1372.931 N.
  • the roller bearing component according to the invention has a hardness in the range from 30 HRC to 35 HRC in its core area.
  • a hardness of 30 HRC corresponds to a Vickers hardness of about 300 HV and a hardness of 35 HRC corresponds to a Vickers hardness of about 345 HV.
  • the roller bearing component according to the invention has a hardness in the range from 30 HRC to 35 HRC and a Persian and/or bainitic microstructure in its core area. This means that the rolling bearing component consists of martensite in a surface layer area and pearlite and/or upper bainite in the core area.
  • the pearlitic and/or bainitic microstructure that forms the core area is preferably present from a depth below the surface of the component of 70 mm.
  • a roller bearing according to the invention comprises an outer ring and/or an inner ring and a multiplicity of roller bodies that roll on the outer ring and/or on the inner ring, the outer ring and/or the inner ring and/or the respective roller body being a roller bearing component in accordance with the previous statements .
  • the outer ring, only the inner ring, only the rolling elements or any combination of the components mentioned can be designed as a rolling bearing component according to the invention, which has an essentially martensitic microstructure on the surface and an essentially pearlitic and / or has upper bainite microstructure.
  • Figure 1 shows a highly schematic sectional view of a rolling bearing according to the invention according to a preferred embodiment
  • Figure 2 is a schematic cross section of a Wälzlagerbau according to the invention part of the rolling bearing according to Figure 1, and
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a method according to the invention for fixing the roller bearing component according to FIG.
  • a method according to the invention for producing a roller bearing component 1 designed as a roller body 5, which is shown in FIGS. 2 and 3, is visualized according to a block diagram.
  • the Wälzkör is to be understood by 5 as a rolling bearing component 1 in the present case.
  • An exemplary rolling body 5 is shown installed in a rolling bearing 2 in FIG. 2, the rolling body 5 being shown in cross section in FIG.
  • the rolling body 5 which according to FIGS. 2 and 3 is designed as a cylindrical roller with a diameter D of at least 85 mm, in this case 200 mm, is made from the material 100CrMo7-3.
  • a plurality of rolling elements 5 produced in this way are arranged spatially between an outer ring 3 and an inner ring 4 and in the circumferential direction by a cage 6 in a roller bearing 2 designed and mounted according to FIG.
  • the outer ring 3 and/or the inner ring 4 can also be made of 100CrMo7-3 and have the same heat treatment.
  • the rolling bodies 5, the inner ring 4 and/or the outer ring 3 can be made of 100CrMnSi6-4.
  • a second method step 101 the rolling body 5 is heated to a hardening or austenitization temperature to form an austenitic structure and is kept at this temperature until the structure has been completely austenitized.
  • the rolling element 5 is supplied to a hot salt bath and cooled.
  • the salt warm bath has a temperature between 150° C. and 210° C.
  • the rolling body 5 is cooled with a controlled cooling rate, in particular in a range from 5 to 10 K/s, by means of the salt warming bath, with a phase transformation of the structure taking place.
  • the austenitic microstructure on the surface of the rolling body 5 converts to a martensitic microstructure due to the comparatively rapid cooling.
  • the rolling element 5 has on the surface, in particular in a surface layer region, down to at least a depth A1 below the surface of the rolling element 5 of 10 mm, cf. Figure 3, a martensitic structure.
  • the rolling bearing component 1 in the core area with cross sections of at least 200 mm, in particular at a depth A2 below the surface of the rolling element 5 of 70 mm, see FIG.
  • a structure consisting essentially of upper bainite can also form. Both upper bainite and pearlite are softer than martensite, so that a comparatively hard shell with a surface area in the range of 60 HRC to 65 HRC forms on the rolling element 5 in the surface layer area.
  • the pearlitic or bainitic structure of the rolling body 5 has a hardness in the range of 30 HRC to 35 HRC in the core area.
  • a fourth method step 103 the rolling body 5 is removed from the salt bath after reaching the temperature of the salt bath, i.e. when the rolling body 5 has a temperature that corresponds to the temperature of the salt bath or is in the range of the temperature of the salt bath and is brought to room temperature. i.e. to about 20 °C.
  • a heat treatment rolling bearing components with larger dimensions can be manufactured more cost-effectively, since even with materials with a lower alloy content, such an adapted heat treatment produces a roll-resistant surface, in the case of the rolling element a roll-resistant outer surface or raceway, and the rolling bearing component does not when quenched tears.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils (1), wobei das Wälzlagerbauteil (1) aus einem Wälzlagerstahl und an mindestens einer Stelle mit einer Wandstärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm ausgebildet wird, wobei das Wälzlagerbauteil (1) zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges erwärmt und anschließend in einem Salzwarmbad unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälzlagerstahls abgekühlt wird, derart, dass das Wälzlagerbauteil (1) in einem Randschichtbereich des Wälzlagerbauteils (1) mit einem martensitischen Gefüge ausgebildet wird und im Kernbereich des Wälzlagerbauteils (1) mit einem aus Perlit und/oder aus oberem Bainit bestehenden Gefüge ausgebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Wälzlagerbauteil (1) sowie ein Wälzlager (2).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlaqerbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, wobei das Wälzlagerbauteil aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Wälzlagerbauteil sowie ein Wälzlager.
Aus der DE 10 2006 052 834 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager ringes hervor, bei dem ein Lagerring aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew.-% und mit einem Gehalt an Chrom, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1 ,4 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% erzeugt wird. Der Lagerring wird einer Härtungsbehandlung unterzogen, bei der der Lagerring auf eine Außentemperatur zwischen 800°C und 880° C erwärmt wird und anschlie ßend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur von unter 150°C erreicht.
Die DE 10 2006 059 050 A1 beschreibt ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Wälzlagerbauteilen aus durchgehärtetem bainitischen Wälzlagerstahl mit Druckeigen spannungen im Randbereich und einem Martensitanteil von höchstens 5% sowie ei nem Restaustenitgehalt von höchstens 3%. Dazu wird eine zweistufige Wärmebe handlung durchgeführt, bei welcher das Bauteil ausgehend von der Austenitisierungs temperatur in einem Salzbad mit einer Temperatur im Bereich von 180 bis 210 °C ge ringfügig unterhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt wird und so lange gehalten wird, bis ein Temperaturausgleich erfolgt ist. Anschließend erfolgt eine Erwärmung des Bauteils in einem weiteren Bad auf eine Temperatur geringfügig oberhalb der der Martensitstarttemperatur. Im Ergebnis liegt im gesamten Bauteil ein bainitisches Ge füge vor.
Bei großen Wälzlagern ab etwa einem Meter Durchmesser sind auch die Wälzkörper entsprechend groß dimensioniert. Die Bauteile besitzen oft Querschnitte oder Wand stärken von 85 mm oder mehr. Damit derartige Bauteile technisch einwandfrei wär mebehandelt werden können, werden hoch legierte Stähle verwendet, die entspre chende Kosten verursachen. Bei Lagerringen werden größere Querschnitte auch aus durchhärtbarem Stahl in schalengehärteter Ausführung gefertigt. Diese Möglichkeit gibt es für großformatige Wälzkörper nicht, da an den Kanten (= Übergang Mantelflä- che zur Stirnseite) bei einer schroffen Abschreckung so hohe Zugspannungen auftre- ten, dass dies mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu einer Rissbildung führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils aus einem Wälzlagerstahl, das an mindestens einer Stelle mit einer Wandstärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm vorliegt, weiter zuentwickeln und ein mittels des Verfahrens hergestelltes Wälzlagerbauteil sowie ein Wälzlager anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Wälzlagerbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils wird das Wälzlagerbauteil aus einem Wälzlagerstahl und an mindestens einer Stelle mit einer Wandstärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm ausgebildet, wo bei das Wälzlagerbauteil zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges erwärmt und anschließend in einem Salzwarmbad unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälzlagerstahls abgekühlt wird, derart, dass das Wälzlagerbauteil in einem Rand schichtbereich des Wälzlagerbauteils mit einem martensitischen Gefüge ausgebildet wird und in einem Kernbereich des Wälzlagerbauteils mit einem aus Perlit und/oder aus oberem Bainit bestehenden Gefüge ausgebildet wird.
Mit anderen Worten wird das Wälzlagerbauteil zunächst aus einem Wälzlagerstahl ausgeformt. Als Wälzlagerstahl, aus dem das Wälzlagerbauteil ausgebildet wird, eig net sich vorteilhafterweise 100CrMo7-3 oder 100CrMnSi6-4. Zu Beginn der Wärme behandlung wird das Wälzlagerbauteil auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend abgeschreckt, wobei die Abschreckgeschwindigkeit zum einen derart gewählt wird, dass ein Reißen in der Oberfläche des Wälzlagerbauteils verhindert wird, jedoch gleichzeitig eine technisch optimale und überrollfeste Schale auf der Mantelfläche des Wälzlagerbauteils mit möglichst geringem Verzug entsteht. Die Ab- Schreckgeschwindigkeit wird insbesondere in Abhängigkeit der Geometrie des Wälz lagerbauteils sowie des Abschreckmediums, also des Salzwarmbades, insbesondere dessen Wärmekapazität gewählt.
In dem Salzwarmbad erfolgt insbesondere eine Abkühlung des Wälzlagerbauteils auf eine Temperatur T im Bereich von 20 bis 70 °C, insbesondere 50 bis 70°C, unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälzlagerstahls.
Die Temperatur T wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 10 bis 20 min konstant gehalten.
Während des Abschreckens im Salzwarmbad erfolgt eine Phasenumwandlung im Ge füge des Wälzlagerbauteils, wobei sich an der Oberfläche beziehungsweise im ober flächennahen Bereich eine im Wesentlichen martensitische Gefügestruktur ausbildet. Mithin erfolgt durch das Abschrecken eine martensitische Randschichthärtung. Ferner bildet sich aufgrund der langsameren Abkühlung in oberflächenfernen Bereichen des Wälzlagerbauteils, insbesondere im Kern beziehungsweise im Kernbereich des Wälz lagerbauteils, eine im Wesentlichen perlitische und/oder eine im Wesentlichen bainiti- sche Gefügestruktur aus. Bei Betrachtung des kontinuierlichen Zeit-Temperatur- Diagramms, also der grafischen Darstellung der Umwandlungsvorgänge im Gefüge einer Legierung in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit, wird während des Abschre ckens für oberflächenferne Bereiche des Wälzlagerbauteils das Perlitfeld und/oder das Bainitfeld durchlaufen, wobei sich das entsprechende Gefüge einstellt. Welches Gefüge sich einstellt, hängt dabei im Wesentlichen von der Legierungszusammenset zung sowie der Geometrie des Wälzlagerbauteils ab.
Unter einem Martensit bzw. einem martensitischen Gefüge ist ein metastabiles Gefü ge zu verstehen, das diffusionslos aus dem austenitischen Ausgangsgefüge entsteht, insbesondere durch ein schnelles Abschrecken des Stahls ausgehend von der Härte- bzw. Austenitisierungstemperatur. Dabei erfolgt die Härtesteigerung während der Umwandlung dadurch, dass die im Austenitgitter gelösten Kohlenstoffatome ihre Git terplätze aufgrund der kurzen Zeitspanne der Umwandlung nicht mehr verlassen kön nen, wobei der Austenit diffusionslos in den Martensit umklappt und so die einge schlossenen Kohlenstoffatome das Kristallgitter verspannen. Martensit ist hart, hoch- fest aber auch sehr spröde, weshalb derartige Stähle üblicherweise nach dem Ab schrecken angelassen werden, um etwaige Risse zu vermeiden.
Perlit ist demgegenüber ein lamellar angeordneter, eutektoider Gefügebestandteil des Stahles, das heißt ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit, das durch gekoppelte Kristallisation in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02 % und 6,67 % auftritt. Perlit ist weicher als Martensit. Unter einem aus Perlit be stehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge im Kernbereich des Wälzlager bauteils im Wesentlichen aus Perlit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus Perlit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich ein perlitisches Gefüge aufweist. Auch eine geringfügige Abweichung von einem vollständig perlitischen Gefüge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als aus Perlit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen.
Unter Bainit ist ein Gefüge zu verstehen, das bei Temperaturen unterhalb der Perlit- bildung bis hin zur Martensitbildung sowohl isotherm als auch bei kontinuierlicher Ab kühlung entsteht. Oberer Bainit besteht aus nadelförmigem Ferrit, der in Paketen an geordnet ist. Zwischen den einzelnen Ferritnadeln liegen mehr oder weniger kontinu ierliche Filme aus Karbiden parallel zur Nadelachse vor. Zu unterscheiden ist oberer Bainit von unterem Bainit, welcher dagegen aus Ferritplatten besteht, innerhalb derer sich die Karbide unter einem Winkel von 60° zur Nadelachse bilden. Bainit ist eben falls weicher als Martensit, jedoch härter als Perlit. Unter einem aus oberem Bainit be stehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge im Kernbereich des Wälzlager bauteils im Wesentlichen aus oberem Bainit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus oberem Bainit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich oberen Bainit aufweist. Auch eine geringfügige Abweichung von einem vollständig bainitischen Ge füge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als aus oberem Bainit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete Wälzlagerbauteil kann als Bauteilrohling ausgebildet sein, das endgeometrienah ausgebildet ist, wobei nach dem Abkühlen des Bauteils eine Weiterbehandlung, insbesondere eine mechanische Bearbeitung erfolgt, um das Wälzlagerbauteil in die Endgeometrie zu bringen. Alterna tiv kann das Bauteil bereits vor der Wärmebehandlung in Endgeometrie vorliegen. Das Wälzlagerbauteil ist beispielsweise als Innenring, als Außenring oder als Wälz körper eines Wälzlagers ausgebildet.
Die Härtbarkeit des jeweiligen Stahls wird bestimmt durch die Wahl der Legierungszu sammensetzung. Bei durchhärtbaren Stählen, wie beispielsweise dem 100CrMnSi6-4, lässt sich die Härtbarkeit ferner dadurch verändern, indem man über die Höhe der Austenitisierungstemperatur den Kohlenstoffgehalt sowie den Gehalt von gelösten Legierungselementen, wie Chrom, verändert. Der erforderliche Lösungszustand für die zu behandelnde Geometrie des Wälzlagerbauteils sowie die Abschreckwirkung lassen sich software-gestützt oder anhand von Versuchen vorabbestimmen.
Vorzugsweise weist das Salzwarmbad eine Temperatur zwischen 150°C und 210°C auf. Insbesondere weist das Salzwarmbad je nach Werkstoff eine Temperatur zwi schen 160°C und 200°C auf. Die Zusammensetzung des Salzwarmbades wird hin sichtlich der Anforderungen an die Abschreckparameter gewählt, wodurch eine Ab schreckgeschwindigkeit einstellbar ist, bei der sich an der Oberfläche des Wälzlager bauteils das martensitische Gefüge und oberflächenfern, insbesondere im Kern des Wälzlagerbauteils, ein aus Perlit und/oder oberem Bainit bestehendes Gefüge ausbil det. Insbesondere weist das Salzwarmbad dazu einen Wassergehalt von 0,5 bis 1 % auf.
Ferner wird der Abkühlungsprozess durch das Salzwarmbad derart eingestellt und gegebenenfalls verlängert, dass sich die Temperaturen von Rand und Kern des Wälz lagerbauteils ausgleichen können. Die damit einhergehenden Vorteile bestehen in der reduzierten Rissbildung infolge thermischer Beanspruchung. Ferner können geringere Eigenspannungen bei Wälzlagerbauteilen mit variablen Abmessungen, Größe und Gewicht erreicht werden.
Eine bevorzugte Abkühlgeschwindigkeit zwischen der Austenitisierungstemperatur und der Salzbadtemperatur liegt dabei im Bereich von 5 bis 10 K/s, je nach Wandstär ke oder Querschnitt des Wälzlagerbauteil.
Bevorzugt wird das Wälzlagerbauteil nach Erreichen der Temperatur des Salzwarm bades auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Sobald sich die Temperatur des Wälzla- gerbauteils der Temperatur des Salzwarmbades angeglichen hat, wird das Wälzlager bauteil aus dem Bad entnommen, sodass sich das Wälzlagerbauteil weiter bis auf Raumtemperatur abkühlen kann. Unter Raumtemperatur ist eine Temperatur zwi schen 18°C und 25°C, insbesondere zwischen 20°C und 25°C, zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil weist eine Wandstärke oder einen Durch messer von wenigstens 85 mm, insbesondere von mindestens 200 mm, auf. Bei ei nem Wälzlagerring betrachtet man hier seine Wandstärke, bei einem Wälzkörper be trachtet man seinen Durchmesser.
Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Wälzlagerbauteil besteht in einem Randschichtbereich bis zu mindestens einer Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Wälzlagerbauteils von 10 mm aus Martensit und weist eine Härte im Bereich von 60 HRC bis 65 HRC aufweist. Eine Härte von 60 HRC (Rockwellhärte) entspricht einer Vickershärte von etwa 700 HV und eine Härte von 65 HRC entspricht einer Vickers härte von etwa 830 HV. Mithin weist ein erfindungsgemäßes Wälzlagerbauteil bis zu mindestens einem ersten Oberflächenabstand von 10 mm eine Härte zwischen 60 HRC und 65 HRC und eine martensitische Gefügestruktur auf.
Die Einheit HRC setzt sich aus HR (Härte nach Rockwell, im Englischen „Hardness Rockwell“) als Kennzeichnung des Prüfverfahrens gefolgt von einem weiteren Buch staben, hier C, zusammen, der die Skala und damit die Prüfkräfte und -körper angibt. Bei der Skala C (C steht für „cone“, im Deutschen „Kegel“) wird ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel und eine Prüfvorkraft von 98,0665 N verwendet. Die Prüfzusatz kraft beträgt bei Skala C 1372,931 N.
Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil in seinem Kernbereich eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC auf. Eine Härte von 30 HRC entspricht einer Vickershärte von etwa 300 HV und eine Härte von 35 HRC entspricht einer Vickershärte von etwa 345 HV. Mithin weist das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil in seinem Kernbereich eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC sowie eine per sische und/oder bainitische Gefügestruktur auf. Das heißt, dass das Wälzlagerbauteil in einem Randschichtbereich aus Martensit und im Kernbereich aus Perlit und/oder oberem Bainit besteht.
Bei Wälzlagerbauteilen mit Wandstärken oder Querschnitten von mindestens 200 mm liegt vorzugsweise ab einer Tiefe unterhalb der Oberfläche des Bauteils von 70 mm die perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur vor, die den Kernbereich ausbildet.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst einen Außenring und/oder einen Innenring sowie eine Vielzahl von Wälzkörpern, die am Außenring und/oder am Innenring abrol- len, wobei der Außenring und/oder der Innenring und/oder der jeweilige Wälzkörper ein Wälzlagerbauteil gemäß den vorherigen Ausführungen ist. Anders gesagt kann entweder nur der Außenring, nur der Innenring, nur die Wälzkörper oder eine beliebi ge Kombination der genannten Bauteile als erfindungsgemäßes Wälzlagerbauteil ausgeführt sein, das an der Oberfläche eine im Wesentlichen martensitische Gefü gestruktur und kernnah bzw. im Kernbereich eine im Wesentlichen perlitische und/oder obere Bainit-Gefügestruktur aufweist.
Die vorhergehenden Ausführungen zum Verfahren gelten gleichermaßen für das er findungsgemäße Wälzlagerbauteil sowie für das erfindungsgemäße Wälzlager, und umgekehrt.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fi guren näher dargestellt. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. H ierbei zeigt
Figur 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers nach einer bevorzugten Ausführungsform,
Figur 2 ein schematischer Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagerbau teils des Wälzlagers gemäß Figur 1, und
Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung des Wälzlagerbauteils nach Figur 2. Gemäß Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines als Wälz körper 5 ausgebildeten Wälzlagerbauteils 1 , das in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, gemäß eines Blockschaltbilds visualisiert. Anders gesagt ist vorliegend der Wälzkör per 5 als Wälzlagerbauteil 1 zu verstehen. Ein exemplarischer Wälzkörper 5 ist in Fi gur 2 eingebaut in einem Wälzlager 2 dargestellt, wobei der Wälzkörper 5 in Figur 3 im Querschnitt dargestellt ist.
In Figur 1 wird in einem ersten Verfahrensschritt 100 der Wälzkörper 5, der gemäß den Figuren 2 und 3 jeweils als Zylinderrolle mit einem Durchmesser D von wenigs tens 85 mm, vorliegend 200 mm, ausgebildet ist, aus dem Werkstoff 100CrMo7-3 ausgebildet. Eine Vielzahl derart hergestellter Wälzkörper 5 sind in einem gemäß Fi gur 2 ausgebildeten und montierten Wälzlager 2 räumlich zwischen einem Außenring 3 und einem Innenring 4 sowie in Umfangsrichtung durch einen Käfig 6 beabstandet zueinander angeordnet. Der Außenring 3 und/oder der Innenring 4 können ebenfalls aus 100CrMo7-3 ausgebildet sein sowie die gleiche Wärmebehandlung aufweisen.
Die Wärmebehandlung wird nachfolgend erläutert. Alternativ können die Wälzkörper 5, der Innenring 4 und/oder der Außenring 3 aus 100CrMnSi6-4 ausgebildet sein.
In einem zweiten Verfahrensschritt 101 wird der Wälzkörper 5 zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges auf eine Härte- bzw. Austenitisierungstemperatur erwärmt und solange bei dieser Temperatur gehalten, bis eine vollständige Austenitisierung des Gefüges erfolgt ist. Anschließend wird der Wälzkörper 5 in einem dritten Verfahrens schritt 102 einem Salzwarmbad zugeführt und abgekühlt. Das Salzwarmbad weist in Abhängigkeit der Eigenschaften und des Mischungsverhältnisses des Salzwarmba des, der Materialeigenschaften des Wälzlagerbauteils 1 sowie der Austenitisierungs temperatur eine Temperatur zwischen 150°C und 210°C auf. Mittels des Salzwarmba des wird eine Abkühlung des Wälzkörpers 5 mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit erreicht, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 10 K/s, wobei eine Phasenumwand lung des Gefüges erfolgt. Dabei wandelt die austenitische Gefügestruktur an der Oberfläche des Wälzkörpers 5 aufgrund der vergleichsweise schnellen Abkühlung in ein martensitisches Gefüge um. Anders gesagt weist der Wälzkörper 5 nach der Ab kühlung an der Oberfläche, insbesondere in einem Randschichtbereich bis zu min destens einer Tiefe A1 unterhalb der Oberfläche des Wälzkörpers 5 von 10 mm, vgl. Figur 3, ein martensitisches Gefüge auf. Je größer der Abstand von der Oberfläche des Wälzkörpers 5, desto langsamer verläuft die Abkühlung des Wälzkörpers 5, so- dass sich im Kernbereich des Wälzlagerbauteils 1 ein aus Perlit und/oder aus oberem Bainit bestehendes Gefüge ausbildet. Mit anderen Worten weist das Wälzlagerbau teil 1 im Kernbereich, bei Querschnitten von mindestens 200mm insbesondere bei ei ner Tiefe A2 unter der Oberfläche des Wälzkörpers 5 von 70 mm, vgl. Figur 3, ein im Wesentlichen aus Perlit bestehendes Gefüge auf. Je nach Geometrie und Abmessung des Wälzkörpers 5 kann sich auch ein im Wesentlichen aus oberem Bainit bestehen des Gefüge ausbilden. Sowohl oberer Bainit als auch Perlit sind weicher als Martensit, sodass sich am Wälzkörper 5 im Randschichtbereich eine vergleichsweise harte Schale mit einer Flärte im Bereich von 60 HRC bis 65 HRC ausbildet. Demgegenüber weist das perlitische bzw. bainitische Gefüge des Wälzkörpers 5 im Kernbereich eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC auf.
In einem vierten Verfahrensschritt 103 wird der Wälzkörper 5 nach Erreichen der Temperatur des Salzwarmbades, das heißt, wenn der Wälzkörper 5 eine Temperatur aufweist, die der Temperatur des Salzwarmbades entspricht oder im Bereich der Temperatur des Salzwarmbades liegt, aus dem Salzwarmbad entnommen und auf Raumtemperatur, das heißt auf etwa 20 °C, abgekühlt. Durch eine solche Wärmebe handlung können Wälzlagerbauteile mit größeren Abmessungen kostengünstiger her gestellt werden, da auch bei Werkstoffen mit niedrigerem Legierungsgehalt durch eine derart angepasste Wärmebehandlung eine überrollfeste Oberfläche, im Fall des Wälzkörpers eine überrollfeste Mantelfläche bzw. Laufbahn, entsteht und das Wälzla gerbauteil beim Abschrecken nicht reißt.
Es ist denkbar, dass weitere Wärmebehandlungsschritte, beispielsweise Anlassen, durchgeführt werden, um die thermisch bedingten Spannungen innerhalb des Wälz körpers 5 zu reduzieren. Ferner kann eine mechanische Nachbehandlung erfolgen, um den Wälzkörper 5 in die Endgeometrie zu bringen. Bezuqszeichenliste
1 Wälzlagerbauteil
2 Wälzlager 3 Außenring
4 Innenring
5 Wälzkörper
6 Käfig 100 Erster Verfahrensschritt
101 Zweiter Verfahrensschritt
102 Dritter Verfahrensschritt
103 Vierter Verfahrensschritt A1 Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Wälzlagerbauteils
A2 Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Wälzlagerbauteils
D Durchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils (1 ), wobei das Wälzlager bauteil (1) aus einem Wälzlagerstahl und an mindestens einer Stelle mit einer Wand stärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm ausgebildet wird, wobei das Wälzlagerbauteil (1) zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges erwärmt und an schließend in einem Salzwarmbad unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälz lagerstahls abgekühlt wird, derart, dass das Wälzlagerbauteil (1) in einem Rand schichtbereich des Wälzlagerbauteils (1) mit einem martensitischen Gefüge ausgebil det wird und in einem Kernbereich des Wälzlagerbauteils (1) mit einem aus Perlit und/oder aus oberem Bainit bestehenden Gefüge ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Salzwarmbad eine Abkühlung auf eine Tem peratur T im Bereich von 20 bis 70 °C unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälzlagerstahls erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T über einen Zeitraum von 10 bis 20 min konstant gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Salzwarmbad eine Temperatur zwischen 150°C und 210°C aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil (1) nach Erreichen der Tempe ratur des Salzwarmbades auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
6. Wälzlagerbauteil (1 ) aus Wälzlagerstahl mit einer Wandstärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil (1) in einem Randschichtbe reich bis zu mindestens einer Tiefe (A1 ) unterhalb einer Oberfläche des Wälzlager bauteils (1) von 10 mm aus Martensit besteht und eine Härte im Bereich von 60 HRC bis 65 HRC aufweist und in einem Kernbereich des Wälzlagerbauteils (1) aus Perlit und/oder oberen Bainit besteht und eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC aufweist.
7. Wälzlagerbauteil (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil (1) eine Wandstärke oder ei nen Durchmesser (D) von wenigstens 200 mm aufweist.
8. Wälzlagerbauteil (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil (1) eine Wandstärke oder ei nen Durchmesser (D) von wenigstens 200 mm aufweist und bei einer Tiefe (A2) unter der Oberfläche des Wälzlagerbauteil (1) von 70 mm aus Perlit und/oder oberen Bainit besteht.
9. Wälzlagerbauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil (1) aus Stahl der Zusammen setzung 100CrMo7-3 oder 100CrMnSi6-4 besteht.
10. Wälzlager (2), umfassend einen Außenring (3) und/oder einen Innenring (4) sowie eine Vielzahl von Wälzkörpern (5), die am Außenring (3) und/oder am Innen ring (4) abrollen, wobei der Außenring (3) und/oder der Innenring (4) und/oder der je weilige Wälzkörper (5) als ein Wälzlagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 ausgebildet ist.
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