DE102010019587B4

DE102010019587B4 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102010019587B4
Application number: DE102010019587.1A
Authority: DE
Inventors: Sven Claus; Dr. Müller Claus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: DE102010019587A1; WO2011138309A1

Abstract

Wälzlager mit Lagerringen aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff in Form von Schnellarbeitsstahl mit der chemischen Zusammensetzung umfassend:1,29 -2,00C0,50-0,60Si0,20 - 0,40Mn3,80-4,80Cr2,00-5,00Mo3,00 - 5,10V5,00 - 14,30W0 -11,00Co,sowie mit mehreren Wälzkörpern, wobei die Wälzkörper aus einem keramischen Werkstoff auf Basis von Si3N4, SiC, ZrO2oder Sialon gefertigt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Wälzlager mit einer Laufbahn, die durch einen pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßes Wälzlager ist beispielsweise aus der DE 10 2005 022 730 A1 bekannt.
In speziellen Anwendungen sind Wälzlager für den Einsatz bei hohen Temperaturen, insbesondere Betriebstemperaturen deutlich oberhalb von 300°C, vorgesehen. Beispielanwendungen sind Fadenkastenlagerungen im Bereich Textilmaschinen (ca. 350°C), Rüttler für Müllverbrennungsanlagen im Bereich Fördfertechnik (ca. 450°C), Ofenlagerungen im Bereich Lebensmitteltechnik (über 300°C), Drahtführungsrollen im Bereich Stahlindustrie (Temperaturen über 300°C nicht ausgeschlossen) und Bleibadrollen in der Stahlblechverarbeitung (ca. 450 - 500°C). Oberhalb von 300°C muss auf konventionelle Schmierung mittels Fette/Ölen verzichtet werden, da sich diese Schmierstoffe thermisch zersetzen. Für derartige Anwendungen müssen trockenlaufende oder mittels Festschmierstoff geschmierte Lagerkonzepte eingesetzt werden. Die Entfestigung konventioneller Wälzlagerwerkstoffe (z.B. 100Cr6) liegt oberhalb von 300°C in einem Bereich, in dem die Festigkeiten und Härten zu einer deutlichen Absenkung der dynamischen und statischen Tragfähigkeit führen. Die Gebrauchsdauer derartiger Lager ist sehr gering.
Was Ringwerkstoffe betrifft, ist der Einsatz von wärmestabilisiertem Wälzlagerwerkstoff 100Cr6 bekannt; darüberhinaus sind warmfeste Werkstoffe wie M50 und M50NiL aus dem Bereich der Fluglager bekannt. Eine weitere Lösungsmöglichkeit liegt in der Verwendung von hoch angelassenem Cronidur30.
Metallurgische Schnellarbeitsstähle sind an sich für die Verwendung für Werkzeuge (Bohrer, Schneidplatten, ...) bekannt, nicht aber für die Verwendung als Lagerringwerkstoff für Wälzlager.
Der Wälzlagerhersteller SKF bietet ein Hochtemperaturlager für bis zu 350°C an. Innen-, Außenring und Kugeln sind hierbei aus 100Cr6 gefertigt, durchgehärtet und manganphosphatiert. Die Härtewerte sind für den empfohlenen Anwendungsfall bis +350°C im Bereich von deutlich und 58 KRC (ca. 51 HRC bis max. 55 HRC). Der Käfig dieser Lösung besteht aus reinem Graphit und wird sehr aufwendig durch Zerspanung hergestellt. Auf Grund der extreme Stoßempfindlichkeit von Graphit gibt SKF eine maximale Drehzahl von 100/min an.
Bei der Wärmestabilisierung von 100Cr6 treten grundsätzlich Entfestigungen auf. Die Wärmestabilisierung von Werkstoffen wird durch ein Anlassen bei höheren Anlasstemperaturen erreicht (Anlasstemperatur ca. 30-50K über der Betriebstemperatur des Lagers). Das Anlassen bei höheren Temperaturen hat ein Absinken der Härte zur Folge. So fällt beispielsweise die Härte von 100Cr6 gegenüber der Standard-Wärmebehandlung von 60+4 HRC auf 52 HRC. Somit ist die Überrollfestigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit nicht mehr gegeben. Die Temperaturbeständigkeit von M50 und M50NiL liegt im Bereich von 350°C (Langzeit). Hierdurch ist die Temperaturgrenze dieser beiden Werkstoffe limitiert. Cronidur30 kann durch ein Anlassen bei 470°C maßstabilisiert werden. Somit ist der Einsatz bei Temperaturen von über 300°C möglich; allerdings werden Härten von über 58 HRC nicht erreicht. Somit ist die Überrolleignung und die erforderliche hohe Verschleißfestigkeit nur bedingt gegeben. Die Lösung von SKF ist auf Grund der geringen maximalen Drehzahl und der geringen Härte über 300°C nur begrenzt bzw. für einen Bruchteil der auftretenden Hochtemperaturanwendungen geeignet.
Die DE 601 32 814 T2 beschreibt ein Wälzlager mit einer pulvermetallurgischen Komponente in Form eines Innenringes aus M62-Stahl.
Die DE 10 2006 039 744 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils aus einem offenporigen Sinterkörper aus austenitischem Stahl. Der Sinterkörper wird zur Härtung einer thermochemischen Behandlung unterzogen.
Die JP 2005 - 256 906 A beschreibt ein Wälzlager, wobei zumindest eine Lagerkomponente aus Stahl, umfassend die Lagerringe und die Wälzkörper, pulvermetallurgisch hergestellt ist.
Die DE 11 79 720 A offenbart ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bestandteilen von Wälzlagern.
Die DE 10 2010 008 650 A1 beschreibt einen Lagerring für ein Wälzlager mit einer Laufbahn aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl auf einem Träger aus anderem Stahl, wobei die Laufbahn und der Träger aneinander befestigt sind zur gemeinsamen Ausbildung eines Lagerrings. Weiterhin sind allgemein Wälzkörper aus Keramik beschrieben.
Die DE 15 25 191 A offenbart ein Kugellager für eine Röntgenröhre, welches Kugeln und Laufflächen aus Hartmetall aufweist, die mit einem Weichmetallüberzug aus Silber zur Ausbildung einer Feststoffschmierung versehen sind.
Die EP 1 832 767 A1 beschreibt einen Käfig für ein Wälzlager.
Die DE 28 00 854 A1 beschreibt Wälzkörper aus Hartmetall mit einer Keramik-Beschichtung, wie Karbiden, Nitriden, Karbonitriden, Boriden, Siliziden, Oxiden, als Diffusionsbeschichtung. Die Laufringe sind aus Stahl, insbesondere aus Hartmetall gebildet.
Die DE 10 2006 024 603 A1 offenbart Wälzlager mit einem Käfig aus siliziertem CFC, keramischen Wälzkörpern und einer pulvermetallurgisch hergestellten Laufbahn. Der Lagerring besteht aus einem Materialverbund, wobei die Laufbahn durch eine erste Materialverbundkomponente gebildet ist, während der Grundkörper des Lagerrings aus Refraktärmetall gebildet ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für höhere Temperaturen, insbesondere Temperaturen von mehr als 300°C, geeignetes Wälzlager anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8.
Es wird ein Lager für den Einsatz unter Hochtemperatur deutlich oberhalb von 300°C bereitgestellt, dessen Ringe eine Härte von mindestens 58 HRC, besser mind. 60 HRC aufweisen. Im Ergebnis dieser Zielerreichung kann das Lager bei derartig hohen Temperaturen eine sehr gute Überrollfestigkeit und hohe Verschleißfestigkeit bereitstellen. Somit folgt als wesentlicher Kundennutzen eine hohe Gebrauchsdauer (um Größenordnungen höher im Vergleich zu wärmestabilisiertem Standard-Lagern). Zudem ist die erfindungsgemäße Lösung im Gegensatz zu bekannten Produkten derart robust ausgestaltet, dass Drehzahlen von deutlich höher als 100 U/min realisiert werden können.
Die erfinderische Lösung besteht in der Verwendung eines pulvermetallurgischen Stahles für die Lagerringe, die Verwendung von keramischen, pulvermetallurgischen oder Hartmetall- Wälzkörpern und der Verwendung von Käfigen mit guter Drehzahleignung, ausreichender Festigkeit bei Temperaturen über 300°C und einer Stoßunempfindlichkeit. Hierbei kann im Lager Festschmierstoff appliziert werden.
Erfindungsgemäß wird für die Lagerringe pulvermetallurgisch hergestellter Schnellarbeitsstahl verwendet . Diese zeichnen sich durch eine sehr gute Warmhärte, Druckbelastbarkeit Verschleißfestigkeit und einen hohen Reinheitsgrad aus. Die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Stahles ist beispielsweise höher als z.B. diejenige des o.g. Cronidurs. Dies ermöglicht die erforderliche hohe Wärmeabfuhr aus dem Laufbahnbereich. Durch das Herstellungsverfahren entsteht ein seigerungsfreier und homogener Werkstoff mit praktisch isotropen Eigenschaften. Aus letzterem resultiert eine hohe Maßhaltigkeit während der Wärmebehandlung (geringer Verzug und somit geringes Schleifaufmaß!) und dem Betrieb (sehr gute Maßhaltigkeit und somit kaum Veränderung des Betriebsspiels bei Termperaturveränderung sowie kaum Aufgehen der Ringe). Gleichzeitig weisen derartige Stähle trotz ihrer hohen Härte ein ausreichende Zähigkeit auf. Diese Eigenschaften befähigen derartige Werkstoffe zum Einsatz als Wälzlagerringe, insbesondere für extreme Umgebungsfaktoren wie Hochtemperatur. Erfindungsgemäß kommt ein pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl mit folgender chemischen Zusammensetzung zum Einsatz:

Element C Si Mn Cr Mo V W Co

von 1,29 0,50 0,20 3,80 2,00 3,00 5,00 0

bis 2,00 0,60 0,40 4,80 5,00 5,10 14,30 11,00
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stahl können Härten bei Raumtemperatur zwischen 63 HRC und 72 HRC realisiert werden; diese Härten bleiben bei entsprechend angepasster Wärmebehandlung bis 500°C Einsatztemperatur oberhalb von 60 HRC. Somit ist für Betriebstemperaturen deutlich oberhalb von 300°C die Überrollfestigkeit und eine hohe Verschleißfestikgeit gewährleistet. Die Lagerringe werden massiv gestaltet und vollständig aus diesem Material hergestellt.
Für die Wälzkörper (Kugeln, Rollen) werden je nach technisch-wirtschaftlichem Anforderungprofil keramische Materialien auf Basis Si3N4, SiC, ZrO2 oder Sia-Ion (Silizium-Aluminium-Oxinitrid) verwendet. Die Temperaturfestigkeit der Keramiken ist mit über 800°C ausreichend. Bei den hier beschriebenen Anwendungen stellen siliziumnitridbasierte Keramiken die bevorzugte Variante für den Einsatz als Wälzkörper dar. Eine hohe Überrollfestigkeit und hohe Verschleißfestigkeit ist somit gewährleistet. Im Kontakt mit Metallen bieten diese Keramikwälzkörper auf Grund Ihres vom Metall grundsätzlich verschiedenen Bindungscharakters eine geringe Adhäsionsneigung. Dadurch wird adhesiver Verschleiß reduziert. Dies ist für den Trockenlauf von entscheidender Bedeutung. Die ZrO2- und Sialon-Keramikvarianten sind insbesondere aufgrund ihrer günstigeren Herstellkosten interessant. Wälzkörper auf Basis SiC sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit (WLF) interessant. Die WLF von Keramiken auf SiC-Basis ist mit 80 - 140 W/mK höher als bei anderen Keramiken (5 - 40 W/mK).
Je nach Anwendung und Anforderungen der Anwendung kann im Lager Festschmierstoff (z.B. Graphit, Silber, MoS2) appliziert werden oder das Lager vollständig von vornherein trocken laufen. Der Festschmierstoff kann entweder als Beschichtung der Ringe und/oder der Kugeln und/oder des Käfigs appliziert werden. Oder es wird Festschmierstoff im Käfig eingelagert. Trockenlauf: durch die hohen Härten der im Kontakt befindlichen Partner (z.B. Lagerring: pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl, Wälzkörper: Si3N4) kann Trockenlauf realisiert werden. Durch die enorme Verschleißfestigkeit der verwendeten Werkstoffe kann dem auftretenden adhäsiven Verschleiß widerstanden werden. Wenn auf einen Festschmierstoff zurückgegriffen werden soll, kann dies Graphit, Graphit-Verbundwerkstoff, Graphit-Carbon-Verbundwerkstoff, Carbon, Carbonfaserverstärkter Graphit, Silber, Kupfer und Kupferlegierungen oder Molybdändisulfid sein. Im Falle des Graphits kann dieser beispielsweisein in einer Bronze eingelagert werden. Bei hohen Lasten wird der Graphit-Käfig mit Verstärkungen ausgestattet (Metall-Skelett, Composit-Aufbau) oder aber ein Metall-Käfig mit Taschen ausgestattet, die als Graphitreservoir dienen. Kontinuierlich wird im Betrieb der Graphit des Käfigs von der Wälzkugel abgetragen und auf die Laufbahn transferiert, so dass ich dort ein schmierend wirkender Film aufbaut. Dieser reduziert den Verschleiß. Bei Verwendung von Silber (oder MoS2) kann dieses in Form einer Beschichtung auf dem Käfig (und/oder auf der Laufbahn und/oder auf den Wälzkörpern) im Lager implementiert werden. Als Werkstoff für den Käfig kann hierbei beispielsweise ein vorvergüteter Stahl (z.B. 31 CrMoV9) verwendet werden, der bei Temperaturen >> 300°C noch eine ausreichende Festigkeit bietet. Ferner kann auf einen Käfig aus einer Kupferlegierung (z.B. Messing-Massiv-Käfig) zurückgegriffen werden. Wird von vornherein kein Festschmierstoff vorgesehen, so ist für den Käfig ein metallischer Werkstoff mit ausreichender Festigkeit bei der betreffenden Betriebstemperatur zu verwenden.
Die Geometrie konventioneller Lagerbauarten kann unverändert beibehalten werden. Die Realisierung von Rillenkugellager, Zylinderrollenlager, .... ist uneingeschränkt vorstellbar. Auf Grund der hohen Festigkeiten/Härten der pulvermetallurgischen Stähle, Hartmetalle und Keramiken bei Raumtemperatur (bis zu 70 HRC und darüber) ist insbesondere die Hartbearbeitung sinnvollerweise auf ein Minimum zu beschränken, um die Herstellkosten niedrig zu halten. Aus diesem Grund bieten sich wenig komplexe Geometrien an. Der Punktkontakt kann gegenüber Linienkontakt als robuster angesehen werden, so dass der Verwendung von Lagern mit Punktkontakt der Vorzug zu geben ist.
Eine konventionelle Abdichtung mittels Elastomerdichtungen ist auf Grund der Betriebstemperaturen nicht möglich. Eine Abdichtung des Lagers ist bei Trockenlauf und auch bei Verwendung einer Feststoffschmierung nicht zwingend erforderlich. Bei hoher Schmutzbelastung oder der Gefahr von eindringenden Partikeln kann der Wälzkontakt mittels Abdeckscheiben aus geeigneten Materialien (z.B. warmfeste Stähle) von der Umgebung abgeschirmt werden.
Als mögliche Anwendungsgebiete sind Drahtführungsrollen, Bleibadlager, Spindellager und Bohrkopflager zu nennen. Des weiteren: Rüttler in Müllverbrennungsanlagen, Fadenkastenlagerung in Textilmaschinen.
Durch die Wahl eines pulvermetallurgsich hergestellten Stahles entsteht in Verbindung mit der Verwendung von keramischen Wälzkörpern ein Wälzlager, das für Betriebstemperaturen oberhalb von 300°C Anwendung finden und ohne konventionelle Schmierung betrieben werden kann. Durch die Eigenschaften der gewählten Materialien, insbes. des erfindungsgemäßen Schnellarbeitsstahls können auch bei Temperaturen von über 300°C Härten realisiert werden, die die Überrollfestigkeit garantieren und eine sehr gute Verschleißfestigkeit bieten. Trockenschmierstoffe und spezielle Käfigausführungen bieten zusätzlichen Nutzen. Im Ergebnis entsteht ein Wälzlager, das dem Kunden die Möglichkeit des Einsatzes oberhalb von 300°C bietet, eine hohe Gebrauchsdauer bietet und den Einsatz bei höheren Drehzahlen erlaubt.

Claims

Wälzlager mit Lagerringen aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff in Form von Schnellarbeitsstahl mit der chemischen Zusammensetzung umfassend: 1,29 -2,00 C 0,50-0,60 Si 0,20 - 0,40 Mn 3,80-4,80 Cr 2,00-5,00 Mo 3,00 - 5,10 V 5,00 - 14,30 W 0 -11,00 Co,

sowie mit mehreren Wälzkörpern, wobei die Wälzkörper aus einem keramischen Werkstoff auf Basis von Si₃N₄, SiC, ZrO₂ oder Sialon gefertigt sind.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper aus siliziumnitridbasierter Keramik gebildet sind.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festschmierstoff im Wälzlager appliziert ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wälzkörper führender Käfig aus einem Graphit-Metall-Verbund besteht.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wälzkörper führender Käfig aus einer Kupferlegierung gebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wälzkörper führender Käfig aus einem vorvergüteten Stahl des Typs 31CrMoV9 gebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Spindellager handelt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Bohrkopflager handelt.