DE102014221305B4 - roller bearing - Google Patents

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Abstract

Wälzlager (1) für hohe Überrollbelastungen und hohe Betriebstemperaturen, mit zumindest einem aus einsatzgehärtetem, warmfesten Stahl mit Gehalten an Chrom größer 2,0 Gewichtsprozent, Molybdän oder Wolfram jeweils größer 2,0 Gew.-% und Vanadium größer 0,5 Gew.-% gebildeten Lagerring (2, 3) mit zumindest einer Wälzfläche (4, 5) und auf dieser abwälzenden Wälzkörpern (6), wobei eine sich an die zumindest eine Wälzfläche (4, 5) anschließende Randschicht (7, 8) des zumindest einen Lagerrings (2, 3) mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert ist, wobei die Randschicht (7, 8) zumindest 0,3 mm und bis zu 1,5 mm stark ist, eine Härte der Randschicht (7, 8) bis in eine Tiefe von mindestens 0,3 mm zumindest 58 HRC und der Gehalt an Stickstoff in der Randschicht (7, 8) 0,1 bis 0,4 Gew.-% und der Gehalt an Kohlenstoff größer gleich 0,5 Gew.-% beträgt, Korngrenzen der Randschicht (7, 8) frei von Kohlenstoff/Stickstoff-Phasen sind und in der Randschicht (7, 8) parallel zur Wälzfläche (4, 5) Druckspannungen von zumindest 50 MPa eingestellt sind.Rolling bearing (1) for high roll-over loads and high operating temperatures, with at least one of case-hardened, heat-resistant steel with contents of chromium greater than 2.0 percent by weight, molybdenum or tungsten in each case greater than 2.0 percent by weight and vanadium greater than 0.5 percent by weight. % formed bearing ring (2, 3) with at least one rolling surface (4, 5) and on this rolling rolling elements (6), wherein one of the at least one rolling surface (4, 5) adjoining edge layer (7, 8) of the at least one bearing ring (2, 3) is enriched with carbon and nitrogen, wherein the edge layer (7, 8) at least 0.3 mm and up to 1.5 mm thick, a hardness of the edge layer (7, 8) to a depth of at least 0.3 mm at least 58 HRC and the content of nitrogen in the surface layer (7, 8) 0.1 to 0.4 wt .-% and the content of carbon is greater than or equal to 0.5 wt .-%, grain boundaries of the surface layer (7, 8) are free of carbon / nitrogen phases and in the boundary layer (7, 8) parallel to the W lzfläche (4, 5) are compressive stresses set of at least 50 MPa.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager für hohe Überrollbelastungen und hohe Betriebstemperaturen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, mit zumindest einem aus einsatzgehärtetem, warmfesten Stahl gebildeten Lagerring mit zumindest einer Wälzfläche und auf dieser abwälzenden Wälzkörpern.The invention relates to a rolling bearing for high roll-over loads and high operating temperatures, in particular for aircraft engines, with at least one hardened steel case-hardened bearing ring with at least one rolling surface and on this rolling rolling elements.

Gattungsmäße Wälzlager weisen Lagerringe aus Lagerstahl auf, deren Wälzflächen zur Erhöhung der Überrollfestigkeit einsatzgehärtet sind. Beispielsweise ist aus der DE 198 44 156 C2 ein Wälzlager bekannt, bei dem der verwendete Lagerstahl in einer Randschicht zu der Wälzfläche aufgekohlt ist. Dabei bildet sich in der Randschicht ein martensitisches Gefüge mit parallel zur Oberfläche verbleibender Druckspannung. Um auf teure Legierungsbestandteile wie Chrom, Vanadium, Molybdän und dergleichen in Stahllegierungen wie beispielsweise M50NiL verzichten zu können, werden preisgünstige Legierungsbestandteile vorgeschlagen. Derartige Wälzlager sind weder warmfest noch durch hohe Überrollfestigkeit gekennzeichnet.Generic rolling bearings have bearing rings made of bearing steel, the rolling surfaces are case hardened to increase the rollover resistance. For example, is from the DE 198 44 156 C2 a rolling bearing is known in which the bearing steel used is carburized in an edge layer to the rolling surface. In this case, a martensitic structure is formed in the surface layer with compressive stress remaining parallel to the surface. In order to be able to dispense with expensive alloy components such as chromium, vanadium, molybdenum and the like in steel alloys such as M50NiL, low-cost alloying components are proposed. Such bearings are neither heat resistant nor characterized by high rollover resistance.

Aus den Dokumenten US 2005/0268990 A1 und der DE 10 2006 025 008 A1 sind Wälzlagerkomponenten aus M50NiL-Stahl bekannt. Zudem ist aus der DE 10 2006 025 008 A1 ein Carbonitrierprozess zur Herstellung einer oberflächengehärteten Randschicht bekannt. Weiterhin sind aus der US 5,989,694 A , der US 6,398,420 B1 und US 5,560,787 A Carbonitrierprozesse für Wälzlagerkomponenten bekannt.From the documents US 2005/0268990 A1 and the DE 10 2006 025 008 A1 are known rolling bearing components made of M50NiL steel. Moreover, from the DE 10 2006 025 008 A1 a carbonitriding process for producing a surface hardened surface layer. Furthermore, from the US 5,989,694 A , of the US 6,398,420 B1 and US 5,560,787 A Carbonitriding processes for rolling bearing components known.

Die US 6,179,933 B1 offenbart eine vorgehärtete Wälzlagerkomponente aus M50NiL-Stahl, die eine nitrierte Randschicht aufweist.The US 6,179,933 B1 discloses a precured M50NiL steel rolling bearing component having a nitrided surface layer.

Die DE 10 2006 040 814 A1 offenbart eine Wälzlagerkomponente aus M50NiL-Stahl, der eine aufgekohlte Randschicht aufweist.The DE 10 2006 040 814 A1 discloses a rolling bearing component of M50NiL steel having a carburized edge layer.

Aus der DE 197 07 033 A1 ist eine Randschicht mit einer Oberflächenhärte von 58 HRC vorteilhafterweise aus einem Summengehalt an Stickstoff und Kohlenstoff von maximal 0,45 Gew.-% bekannt. Ein Summengehalt von 1,5 Gew.-% wird als nachteilig offenbart.From the DE 197 07 033 A1 For example, an edge layer having a surface hardness of 58 HRC is advantageously known from a maximum content of nitrogen and carbon of not more than 0.45% by weight. A sum amount of 1.5% by weight is disclosed as disadvantageous.

Aus den Dokumenten und der DE 10 2006 025 008 A1 sind Carbonitrierprozesse zur Herstellung oberflächengehärteter Wälzlagerkomponenten grundsätzlich bekannt.From the documents and the DE 10 2006 025 008 A1 Carbonitriding processes for producing surface-hardened rolling bearing components are basically known.

Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines Wälzlagers für Anwendungen, die Warmfestigkeit erfordern, insbesondere für Flugzeugtriebwerke.The object of the invention is the advantageous development of a rolling bearing for applications that require heat resistance, in particular for aircraft engines.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.The object is solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims give advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 again.

Das vorgeschlagene Wälzlager ist für hohe Überrollbelastungen und hohe Betriebstemperaturen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, beispielsweise Strahltriebwerke, Turboprop-Turbinen, Turbojets oder dergleichen, insbesondere Hauptlager dieser, vorgesehen, bei denen Betriebstemperaturen bis zu mehreren hundert Grad Celsius auftreten. Das Wälzlager enthält dabei zwei Laufringe, eine Welle und einen Laufring oder dergleichen, auf denen jeweils radial, axial oder schräg gegenüberliegende Wälzflächen vorgesehen sind, zwischen denen über den Umfang in einem Käfig aufgenommene Wälzkörper wie Kugeln, Rollen, Tonnen oder dergleichen aus Stahl, Keramik oder dergleichen abwälzen. Hierbei ist zumindest ein Lagerring, beispielsweise Innen- und/oder Außenring, aus einsatzgehärtetem, warmfesten Stahl gebildet.The proposed rolling bearing is provided for high roll-over loads and high operating temperatures, in particular for aircraft engines, for example jet engines, turboprop turbines, turbojets or the like, in particular main bearings of these, in which operating temperatures up to several hundred degrees Celsius occur. The rolling bearing contains two races, a shaft and a race or the like, on each of which radially, axially or obliquely opposite rolling surfaces are provided between which received over the circumference in a cage rolling elements such as balls, rollers, tons or the like made of steel, ceramic or the like. Here, at least one bearing ring, for example, inner and / or outer ring, made of case-hardened, heat-resistant steel.

Der warmfeste Stahl enthält folgende Legierungsbestandteile:
Chrom (Cr) größer 2 Gewichtsprozent,
Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) jeweils größer 2 Gew.-%,
Vanadium (V) größer 0,5 Gew.-%.The heat-resistant steel contains the following alloy components:
Chromium (Cr) greater than 2 weight percent,
Molybdenum (Mo) or tungsten (W) in each case greater than 2% by weight,
Vanadium (V) greater than 0.5 wt .-%.

Der warmfeste Stahl kann in Form einer Legierung mit der Bezeichnung M50NiL mit der Zusammensetzung
0,11 bis 0,15 Gew.-% Kohlenstoff (C),
4,0 bis 4,25 Gew.-% Chrom (Cr),
4,0 bis 4,5 Gew.-% Molybdän (Mo),
1,1 bis 1,3 Gew.-% Vanadin (V),
3,2 bis 3,6 Gew.-% Nickel (Ni),
0,15 bis 0,35 Gew.-% Mangan (Mn),
0,1 bis 0,25 Gew.-% Silizium (Si),
bis zu 0,015 Gew.-% Phosphor (P),
max. 0,008 Gewichts-% Schwefel (S),
Rest Eisen (Fe) sowie mit den üblichen Verunreinigungen hergestellt sein.The heat-resistant steel may be in the form of an alloy designated M50NiL having the composition
0.11 to 0.15% by weight of carbon (C),
4.0 to 4.25% by weight of chromium (Cr),
4.0 to 4.5% by weight of molybdenum (Mo),
1.1 to 1.3% by weight of vanadium (V),
From 3.2 to 3.6% by weight of nickel (Ni),
0.15 to 0.35% by weight of manganese (Mn),
0.1 to 0.25% by weight of silicon (Si),
up to 0.015% by weight of phosphorus (P),
Max. 0.008% by weight sulfur (S),
Remaining iron (Fe) and be prepared with the usual impurities.

Alternativ kann der warmfeste Stahl in Form einer Legierung mit der Bezeichnung RBD und der Zusammensetzung
0,17 bis 0,21 Gew.-% Kohlenstoff (C),
2,75 bis 3,25 Gew.-% Chrom (Cr),
9,5 bis 10,5 Gew.-% Wolfram (W),
0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan (Mn),
bis zu 0,35 Gew.-% Silizium (Si),
0,35 bis 0,5 Gew.-% Vanadin (V),
bis zu 0,015 Gew.-% Phosphor (P),
bis zu 0,015 Gewichts-% Schwefel (S),
Rest Eisen (Fe) sowie mit den üblichen Verunreinigungen ausgebildet sein.Alternatively, the heat-resistant steel may be in the form of an alloy designated RBD and the composition
0.17 to 0.21% by weight of carbon (C),
From 2.75 to 3.25% by weight of chromium (Cr),
9.5 to 10.5 wt.% Tungsten (W),
0.2 to 0.4% by weight of manganese (Mn),
up to 0.35% by weight of silicon (Si),
0.35 to 0.5% by weight of vanadium (V),
up to 0.015% by weight of phosphorus (P),
up to 0.015% by weight of sulfur (S),
Residual iron (Fe) and be formed with the usual impurities.

Der aus warmfestem Stahl hergestellte Lagerring weist eine sich an die zumindest eine Wälzfläche anschließende Randschicht auf, die mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert ist. Durch Carbonitrieren der Oberfläche des Lagerrings ergeben sich in Richtung des weichen Kerns des warmfesten Stahls Konzentrationsgradienten von Kohlenstoff und Stickstoff, die untereinander frei einstellbar sind und durch entsprechende Mischungsvorgaben während des Carbonitriervorgangs vorgegeben werden. The bearing ring made of heat-resistant steel has a subsequent to the at least one rolling surface edge layer which is enriched with carbon and nitrogen. Carbonitriding of the surface of the bearing ring results in concentration gradients of carbon and nitrogen in the direction of the soft core of the heat-resistant steel, which are freely adjustable among one another and predetermined by appropriate mixing specifications during the carbonitriding process.

Durch die Konzentrationsgradienten, insbesondere den Konzentrationsgradienten des Stickstoffs kann die Dicke wie Stärke der Randschicht vorgegeben sein. Beispielsweise kann eine Stärke der Randschicht von der Wälzfläche in Richtung Kern des Lagerrings an einem Ort mit Stickstoffgehalt Null beziehungsweise vernachlässigbarem Stickstoffgehalt definiert werden. Eine derart bestimmte Randschicht ist zumindest 0,3 mm bis zu 1,5 mm stark.Due to the concentration gradients, in particular the concentration gradients of the nitrogen, the thickness can be predetermined as the thickness of the boundary layer. For example, a thickness of the boundary layer can be defined from the rolling surface towards the core of the bearing ring in a location with zero nitrogen content or negligible nitrogen content. Such a certain boundary layer is at least 0.3 mm up to 1.5 mm thick.

Durch die zusätzliche Carbonitrierung der bereits überrollfesten Wälzfläche des vorgeschlagenen warmfesten Materials für den zumindest einen Lagerring wird eine Härte der Randschicht bis in eine Tiefe von mindestens 0,3 mm von zumindest 58 HRC (Härteprüfung nach Rockwell) erzielt. Der Kern des Lagerrings kann dabei vorteilhafterweise eine Härte von größer gleich 35 HRC aufweisen.Due to the additional carbonitriding of the already roll-over rolling surface of the proposed heat-resistant material for the at least one bearing ring hardness of the surface layer is achieved to a depth of at least 0.3 mm of at least 58 HRC (Rockwell hardness test). The core of the bearing ring can advantageously have a hardness of greater than or equal to 35 HRC.

Die unabhängig voneinander einstellbaren Konzentrationsgradienten von Stickstoff und Kohlenstoff in der Randschicht weisen einen Gehalt an Stickstoff in der Randschicht zwischen 0,1 bis 0,4 Gew.-% und einen Gehalt an Kohlenstoff größer gleich 0,5 Gew.-% auf. Beispielsweise kann der Gehalt an Stickstoff von der Wälzfläche mit zunehmendem Abstand in Richtung Kern von beispielsweise 0,4 Gew.-% beispielsweise monoton auf einen Gehalt Null fallend eingestellt sein. Der Gehalt an Kohlenstoff kann mit zunehmendem Abstand von der Wälzfläche in Richtung Kern des Lagerrings beispielsweise von einem Gehalt von 0,6 Gew.-% zunächst ansteigend und nach Durchschreiten eines Maximums wieder abfallend auf den ursprünglichen Gehalt an Kohlenstoff im Kern, beispielsweise 0,2 Gew.-% eingestellt sein.The independently adjustable concentration gradients of nitrogen and carbon in the surface layer have a content of nitrogen in the surface layer between 0.1 to 0.4 wt .-% and a content of carbon greater than or equal to 0.5 wt .-%. For example, the content of nitrogen from the rolling surface can be adjusted monotonically to a zero content with increasing distance in the direction of the core, for example from 0.4% by weight. The content of carbon may initially increase with increasing distance from the rolling surface in the direction of the core of the bearing ring, for example from a content of 0.6% by weight and again after passing through a maximum to the original content of carbon in the core, for example 0.2 % By weight.

Die Randschicht wird bevorzugt mittels eines thermochemischen Verfahrens hergestellt. Hierbei wird der Stahl bei hohen Temperaturen, beispielsweise größer 850° bis 950° ausgesetzt. Das Carbonitrieren kann in Salzschmelzen oder in der Gasphase erfolgen, wobei das Carbonitrieren des warmfesten Stahls bevorzugt in der Gasphase erfolgt. Hierbei können als Kohlenstofflieferanten Kohlenmonoxid in Verbindung mit Wasserstoff sowie Methan, Propan oder andere Kohlenwasserstoffe dienen. Als Stickstofflieferant wird bevorzugt Ammoniakgas eingesetzt. Der Carbonitrierprozess zur Herstellung der Randschicht kann bei Atmosphärendruck oder Niederdruck durchgeführt werden, wobei in einem derartigen Niederdruckaufkohlen als Kohlenstoff lieferndes Gas bevorzugt Acetylen und als Stickstoff lieferndes Gas bevorzugt Ammoniak verwendet werden. Es versteht sich, dass von dem erfinderischen Gedanken auch das Herstellverfahren der vorgeschlagenen Randschicht umfasst ist.The surface layer is preferably produced by means of a thermochemical process. Here, the steel is exposed at high temperatures, for example greater 850 ° to 950 °. The carbonitriding can be carried out in molten salt or in the gas phase, wherein the carbonitriding of the heat-resistant steel is preferably carried out in the gas phase. Carbon monoxide in combination with hydrogen as well as methane, propane or other hydrocarbons can serve as carbon sources here. Ammonia gas is preferably used as the nitrogen source. The carbonitriding process for producing the surface layer may be carried out at atmospheric pressure or low pressure, in which such low pressure carburizing as the carbon supplying gas, acetylene is preferably used, and ammonia is preferably used as the nitrogen supplying gas. It is understood that the inventive concept also includes the production method of the proposed boundary layer.

Die resultierende Randschicht weist im unbelasteten Zustand der Überrollfestigkeit förderliche Vorspannungen auf. Hierbei sind in dem Lagerring parallel zur Wälzfläche Druckspannungen von zumindest 50 MPa eingestellt.The resulting surface layer has in the unloaded state of the rollover resistant beneficial bias. In this case, compressive stresses of at least 50 MPa are set in the bearing ring parallel to the rolling surface.

Desweiteren trägt zu der erhöhten Überrollfestigkeit eine bevorzugt ausgebildete Mikrostruktur der Randschicht bei. Die eingestellte Mikrostruktur der Randschicht ist in bevorzugter Weise frei von Netzwerken von Kohlenstoff/Stickstoff-Phasen. Beispielsweise ist das Gefüge im Wesentlichen und abgesehen von Ecken des Lagerrings frei von entsprechenden Kohlenstoff/Stickstoff-Phasen an den Korngrenzen der Randschicht. Dies wird insbesondere durch entsprechend niedrige Gehalte an Stickstoff und Kohlenstoff in der Randschicht erzielt.Furthermore contributes to the increased roll over a preferably formed microstructure of the surface layer. The adjusted microstructure of the surface layer is preferably free of networks of carbon / nitrogen phases. For example, the structure is substantially and apart from corners of the bearing ring free of corresponding carbon / nitrogen phases at the grain boundaries of the surface layer. This is achieved in particular by correspondingly low contents of nitrogen and carbon in the surface layer.

Zusammenfassend können insbesondere durch entsprechende Einstellung der Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff in der Randschicht Materialeigenschaften des Lagerringes mit vorgegebener Härte, Gefüge und Eigenspannung wie parallel zur Wälzfläche vorgesehener Druckspannung eingestellt werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, in dem Gefüge der Randschicht Kohlenstoff gezielt durch Stickstoff zu ersetzen.In summary, by adjusting the contents of carbon and nitrogen in the surface layer in particular, it is possible to set material properties of the bearing ring with predetermined hardness, microstructure and residual stress, such as compressive stress provided parallel to the rolling surface. It may be advantageous to selectively replace carbon in the microstructure of the surface layer with nitrogen.

Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on the in the 1 to 3 illustrated embodiment illustrated. Showing:

1 einen Schnitt durch ein warmfestes Wälzlager, 1 a section through a heat-resistant rolling bearing,

2 ein Gefügebild eines im Querschnitt angeschnittenen Lagerrings und 2 a micrograph of a cross-sectionally cut bearing ring and

3 ein Diagramm der Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff über die Randschicht. 3 a diagram of the contents of carbon and nitrogen over the surface layer.

Die 1 zeigt das für ein Flugzeugtriebwerk vorgesehene Wälzlager 1 im Schnitt senkrecht zur Symmetrieachse d. Um die Symmetrieachse d sind die radial übereinander angeordneten Lagerringe 2, 3 mit den Wälzflächen 4, 5 angeordnet. Auf den Wälzflächen 4, 5 wälzen die als Kugeln ausgebildeten, über den Umfang gleichmäßig mittels eines nicht dargestellten Käfigs beabstandeten Wälzkörper 6 ab. Zur Erhöhung der Überrollfestigkeit und der Beständigkeit bei den hohen Betriebstemperaturen des Flugzeugtriebwerks ist zumindest einer der Lagerringe 2, 3 aus warmfesten Stahl, beispielsweise M50NiL hergestellt. Zur weiteren Erhöhung der Überrollfestigkeit ist an der entsprechenden Oberfläche wie Wälzfläche 4, 5 mittels Carbonitrierung die Randschicht 7, 8 eingebracht. Die Randschicht 7, 8 ist zwischen 0,3 und 1,5 mm stark und weist eine Härte größer 58 HRC auf. Durch die Carbonitrierung sind in der Randschicht 7, 8 parallel zu den Wälzflächen 4, 5 Druckspannungskräfte von größer gleich 50 MPa eingestellt. Die Randschichten 7, 8 enthalten Gehalte an Stickstoff zwischen 0,1 und 0,5 Gew.-% und Gehalte an Kohlenstoff von mindestens 0,5 Gew.-%. In der Randschicht 7, 8 sind Konzentrationsgradienten von Stickstoff und Kohlenstoff entlang deren Stärke eingestellt.The 1 shows the planned for an aircraft engine bearings 1 in section perpendicular to the symmetry axis d. About the axis of symmetry d are the radially superposed bearing rings 2 . 3 with the rolling surfaces 4 . 5 arranged. On the rolling surfaces 4 . 5 roll the trained as balls, evenly spaced over the circumference by means of a cage, not shown rolling elements 6 from. To increase the rollover resistance and the durability at the high operating temperatures of the aircraft engine is at least one of the bearing rings 2 . 3 made of heat-resistant steel, for example M50NiL. To further increase the rollover resistance is on the corresponding surface as Wälzfläche 4 . 5 Carbonitriding the surface layer 7 . 8th brought in. The boundary layer 7 . 8th is between 0.3 and 1.5 mm thick and has a hardness greater than 58 HRC. By carbonitriding are in the surface layer 7 . 8th parallel to the rolling surfaces 4 . 5 Compressive forces of greater than 50 MPa set. The marginal layers 7 . 8th contain levels of nitrogen between 0.1 and 0.5 wt .-% and levels of carbon of at least 0.5 wt .-%. In the outer layer 7 . 8th are concentration gradients of nitrogen and carbon adjusted along their strength.

Die 2 zeigt beispielsweise ein Gefügebild 9 des geschnittenen und geschliffenen und in die Einbettmasse 10 eingebetteten Querschnitts des Lagerrings 2. In dem Gefügebild 9 sind zwei ineinander fließend übergehende, unterschiedlich dunkle Schichten des Stahlgefüges mit aneinander liegenden Metallkörnern zu erkennen. Die dunklere Schicht ist die durch das Carbonitrierverfahren erzeugte aufgekohlte und aufgestickte Randschicht 7 und die hellere Schicht der Kern 12 des Lagerrings 2. Entsprechend der Maßstabsangabe 11 beträgt die mittlere Dicke wie Stärke der Randschicht 7 hier 500–700 Mikrometer beziehungsweise 0,5 bis 0,7 mm. Die Kornverteilung der Randschicht 7 ist dabei frei von einem Netzwerk von Kohlenstoff/Stickstoff-Phasen, die sich gegebenenfalls an den Korngrenzen zwischen den Metallkörnern ausbilden.The 2 shows, for example, a microstructure 9 of the cut and ground and in the investment 10 embedded cross section of the bearing ring 2 , In the microstructure 9 are two merging into each other flowing, different dark layers of steel structure with adjacent metal grains to recognize. The darker layer is the carburized and embroidered edge layer produced by the carbonitriding process 7 and the lighter layer of the core 12 of the bearing ring 2 , According to the scale 11 the average thickness is like the thickness of the surface layer 7 here 500-700 microns or 0.5 to 0.7 mm. The grain distribution of the surface layer 7 is free from a network of carbon / nitrogen phases, which may form at the grain boundaries between the metal grains.

Durch das fehlende Netzwerk kann Spannungsrissen entlang des Netzwerks vorgebeugt werden und dadurch eine vergrößerte Stabilität der Randschicht 7 mit einer vergrößerten Überrollfestigkeit und größeren Druckspannungen erzielt werden. Die Abwesenheit dieser Netzwerke wird insbesondere durch die Beschränkung der Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff in der Randschicht 7 auf maximal 0,8% Kohlenstoff und 0,4% Stickstoff erzielt.Due to the missing network, stress cracks along the network can be prevented and thus an increased stability of the boundary layer 7 be achieved with increased rollover resistance and greater compressive stresses. The absence of these networks is in particular due to the limitation of the contents of carbon and nitrogen in the surface layer 7 achieved to a maximum of 0.8% carbon and 0.4% nitrogen.

Die 3 zeigt unter Bezug auf die 1 das Diagramm 13 mit dem Verlauf 14 des Gehalts an Kohlenstoff und dem Verlauf 15 des Gehalts an Stickstoff über den Abstand der Randschicht 7 von der Oberfläche 0 der Wälzfläche 4 in Richtung Kern des Lagerrings 2. Der Gehalt an Kohlenstoff beträgt in den ersten beiden Millimetern zwischen 0,6 Gew.-% und 0,22 Gew.-% und ist bogenförmig mit einem Maximum bei 0,5 mm ausgebildet. Wird von einer Stärke der Randschicht 7 von 0,5 mm ausgegangen, befindet sich der maximale Gehalt an Kohlenstoff am Übergang zwischen Randschicht 7 und Kern des Lagerrings 2. Der Gehalt an Kohlenstoff fällt dabei mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche auf den Grundgehalt an Kohlenstoff des nicht aufgekohlten Materials M50NiL ab. Der Gehalt an Stickstoff fällt kontinuierlich mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche, beispielsweise hier zwischen 0,6 und 0,7 mm Abstand von der Oberfläche auf einen vernachlässigbaren Gehalt ab. Der Abstand, an dem der Stickstoff auf einen vernachlässigbaren Gehalt abgefallen ist, kann als die äußerste Grenze beziehungsweise als Übergangsbereich der Randschicht 7 festgelegt werden.The 3 shows with reference to the 1 the diagram 13 with the course 14 the content of carbon and the course 15 the content of nitrogen over the distance of the surface layer 7 from the surface 0 of the rolling surface 4 towards the core of the bearing ring 2 , The content of carbon in the first two millimeters between 0.6 wt .-% and 0.22 wt .-% and is arcuately formed with a maximum at 0.5 mm. Is of a thickness of the boundary layer 7 0.5 mm, the maximum content of carbon is at the transition between the surface layer 7 and core of the bearing ring 2 , The content of carbon decreases with increasing distance from the surface to the base content of carbon of the non-carburized material M50NiL. The content of nitrogen decreases continuously with increasing distance from the surface, for example between 0.6 and 0.7 mm distance from the surface to a negligible content. The distance at which the nitrogen has dropped to a negligible level may be considered to be the outermost boundary or transition region of the boundary layer 7 be determined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Wälzlagerroller bearing
22
Lagerringbearing ring
33
Lagerringbearing ring
44
Wälzflächerolling surface
55
Wälzflächerolling surface
66
Wälzkörperrolling elements
77
Randschichtboundary layer
88th
Randschichtboundary layer
99
Gefügebildmicrograph
1010
Einbettmasseinvestment
1111
Maßstabsangabescale indication
1212
Kerncore
1313
Diagrammdiagram
1414
Verlaufcourse
1515
Verlaufcourse
dd
Symmetrieachseaxis of symmetry

Claims (4)

Wälzlager (1) für hohe Überrollbelastungen und hohe Betriebstemperaturen, mit zumindest einem aus einsatzgehärtetem, warmfesten Stahl mit Gehalten an Chrom größer 2,0 Gewichtsprozent, Molybdän oder Wolfram jeweils größer 2,0 Gew.-% und Vanadium größer 0,5 Gew.-% gebildeten Lagerring (2, 3) mit zumindest einer Wälzfläche (4, 5) und auf dieser abwälzenden Wälzkörpern (6), wobei eine sich an die zumindest eine Wälzfläche (4, 5) anschließende Randschicht (7, 8) des zumindest einen Lagerrings (2, 3) mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert ist, wobei die Randschicht (7, 8) zumindest 0,3 mm und bis zu 1,5 mm stark ist, eine Härte der Randschicht (7, 8) bis in eine Tiefe von mindestens 0,3 mm zumindest 58 HRC und der Gehalt an Stickstoff in der Randschicht (7, 8) 0,1 bis 0,4 Gew.-% und der Gehalt an Kohlenstoff größer gleich 0,5 Gew.-% beträgt, Korngrenzen der Randschicht (7, 8) frei von Kohlenstoff/Stickstoff-Phasen sind und in der Randschicht (7, 8) parallel zur Wälzfläche (4, 5) Druckspannungen von zumindest 50 MPa eingestellt sind.Roller bearing ( 1 ) for high roll-over loads and high operating temperatures, with at least one case-hardened, heat-resistant steel with contents of chromium greater than 2.0 percent by weight, molybdenum or tungsten in each case greater than 2.0 wt .-% and vanadium greater than 0.5 wt .-% formed bearing ring ( 2 . 3 ) with at least one rolling surface ( 4 . 5 ) and on this rolling rolling elements ( 6 ), wherein one of the at least one rolling surface ( 4 . 5 ) subsequent boundary layer ( 7 . 8th ) of the at least one bearing ring ( 2 . 3 ) is enriched with carbon and nitrogen, wherein the surface layer ( 7 . 8th ) is at least 0.3 mm and up to 1.5 mm thick, a hardness of the surface layer ( 7 . 8th ) to a depth of at least 0.3 mm at least 58 HRC and the content of nitrogen in the surface layer ( 7 . 8th ) 0.1 to 0.4 wt .-% and the content of carbon is greater than or equal to 0.5 wt .-%, grain boundaries of the surface layer ( 7 . 8th ) are free of carbon / nitrogen phases and in the surface layer ( 7 . 8th ) parallel to the rolling surface ( 4 . 5 ) Compressive stresses of at least 50 MPa are set. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lagerring (2, 3) aus Stahl mit der Bezeichnung M50NiL oder RBD hergestellt ist. Roller bearing ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one bearing ring ( 2 . 3 ) made of steel with the designation M50NiL or RBD. Wälzlager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (7, 8) mittels eines thermochemischen Verfahrens hergestellt ist.Roller bearing ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the boundary layer ( 7 . 8th ) is produced by a thermochemical process. Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht (7, 8) bei Atmosphärendruck oder Niederdruck hergestellt ist.Roller bearing ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the boundary layer ( 7 . 8th ) is produced at atmospheric pressure or low pressure.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017113704A1 (en) * 2017-06-21 2018-12-27 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Rolling bearings with lubricant
CN113564317B (en) * 2021-08-05 2023-05-30 沈阳工业大学 Heat treatment method for controlling structure and performance of high-temperature bearing steel

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5560787A (en) * 1993-06-29 1996-10-01 Nsk Ltd. Rolling bearing for high-speed rotation at high temperatures
DE19707033A1 (en) * 1996-02-21 1997-11-06 Nsk Ltd Rolling
US5989694A (en) * 1996-06-17 1999-11-23 Nsk, Ltd. Rolling bearing
US6179933B1 (en) * 1996-07-08 2001-01-30 Nsk-Rhp European Technology Co., Limited Surface treatment of rolling element bearing steel
US6398420B1 (en) * 2000-05-31 2002-06-04 Nsk, Ltd. Rolling bearing device
DE19844156C2 (en) * 1997-09-25 2003-04-03 Ntn Toyo Bearing Co Ltd roller bearing
US20050268990A1 (en) * 2004-06-02 2005-12-08 Chin Herbert A Carbo-nitrided case hardened martensitic stainless steels
DE102006025008A1 (en) * 2006-05-30 2007-12-06 Schaeffler Kg Method for hardening running surfaces of rolling bearing components
DE102006040814A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Schaeffler Kg Method for producing a highly hardenable rolling bearing component

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5560787A (en) * 1993-06-29 1996-10-01 Nsk Ltd. Rolling bearing for high-speed rotation at high temperatures
DE19707033A1 (en) * 1996-02-21 1997-11-06 Nsk Ltd Rolling
US5989694A (en) * 1996-06-17 1999-11-23 Nsk, Ltd. Rolling bearing
US6179933B1 (en) * 1996-07-08 2001-01-30 Nsk-Rhp European Technology Co., Limited Surface treatment of rolling element bearing steel
DE19844156C2 (en) * 1997-09-25 2003-04-03 Ntn Toyo Bearing Co Ltd roller bearing
US6398420B1 (en) * 2000-05-31 2002-06-04 Nsk, Ltd. Rolling bearing device
US20050268990A1 (en) * 2004-06-02 2005-12-08 Chin Herbert A Carbo-nitrided case hardened martensitic stainless steels
DE102006025008A1 (en) * 2006-05-30 2007-12-06 Schaeffler Kg Method for hardening running surfaces of rolling bearing components
DE102006040814A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Schaeffler Kg Method for producing a highly hardenable rolling bearing component

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