DE60130752T2

DE60130752T2 - Verfahren zum herstellen von einem teil eines walzlagers

Info

Publication number: DE60130752T2
Application number: DE60130752T
Authority: DE
Inventors: John Michael Beswick; Michel Christian Gorenne; Antonin Ballay
Original assignee: SKF Engineering and Research Centre BV
Current assignee: SKF Engineering and Research Centre BV
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: US6837946B2; EP1274868B1; EP1274868A1; KR20020090231A; WO2001079568A1; AU5065801A; CN1423706A; NL1014946C2; DE60130752D1; JP2003531288A; US20040105777A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerteils, das das Vorsehen einer Stahlsorte umfasst, die in Gewichtsprozent
0,90–1,00 C;
höchstens 0,15 Si;
0,25–0,45 Mn;
höchstens 0,015 P;
höchstens 0,010 S;
1,30–1,50 Cr;
höchstens 0,15 Ni;
0,20–0,23 Mo;
höchstens 0,20 Cu;
höchstens 20 Ti (ppm);
höchstens 8 O (ppm) enthält,
wobei aus diesem Stahl ein geformtes Stück ausgehend von dessen ferritischer Struktur geformt wird und einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um die Härte an der Oberfläche des Werkstücks zu erhöhen, möglicherweise gefolgt von einer zerspanenden Nachbearbeitung.
Ein Verfahren dieser Art ist in der US 34278Re gezeigt. Diese Veröffentlichung beschreibt den sogenannten 3M Stahl der Anmelderin. Es hat sich gezeigt, dass durch Modifizieren von Stahlsorten für gewöhnliche Kugellager, die 1% C und 1,5% Cr enthalten, sichtlich verbesserte Eigenschaften erzielt werden können.
Wälzlager, in denen 3M Stahl verwendet wird, kommen in Getrieben, Drehmaschinen und dergleichen zum Einsatz, die starker Beanspruchung ausgesetzt sind.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Lebensdauer unter starker Beanspruchung zu verlängern, wobei das Wälzlager teilweise die Lebensdauer der betroffenen Komponente bestimmt. Beispiele für derartige Komponenten sind Lichtmaschinen in Autos. Als ein Ergebnis des zunehmenden Gebrauchs von Elektrizität in Autos werden derartige Generatoren zunehmend schwerer und die auf den Riemen aufgebrachte Zugkraft, mit dem derartige Generatoren durch die Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, wird ständig größer. Ein weiterer Aspekt ist, die Geometrie von Lagern in Anwendungen, wo dies für die Lebensdauer des Lagers nicht wesentlich ist, so ändern zu können, dass Konstruktionen mit geringerem Gewicht ausreichend sein können.
Diese Aufgabe wird durch das eingangs beschriebene Verfahren gelöst, bei dem das geformte Stück vor der Wärmebehandlung plastisch verformt wird, wie dies in Anspruch 1 definiert ist. Erfindungsgemäß wird z. B. ein Lagerring eines Wälzlagers, beispielsweise eines Rillenkugellagers, mit Hilfe des einen oder anderen Verfahrens aus der vorstehend beschriebenen Stahlsorte hergestellt. Der Ring wird dann weiterer plastischer Verformung unterworfen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften einer derartigen Stahlsorte nach dem Abschrecken und Anlassen sichtlich verbessert sind, insbesondere nahe der Oberfläche. Die Lebensdauer von Lagern, die unter Verwendung eines Stahls hergestellt werden, der in derartiger Weise erzeugt wurde, ist zusehends verlängert, verglichen mit der Lebensdauer von 3M Stahl, der in der üblichen Weise behandelt wurde, d. h. bei dem keine plastische Verformung stattgefunden hat. Verglichen mit den Sorten von Kugellagerstählen, die im Stand der Technik üblich sind, wie z. B. 52100, ist die Lebensdauer weiter verlängert.
Im folgenden wird ein Versuch unternommen, eine Erklärung für diese verbesserten mechanischen Eigenschaften zu geben, aber es versteht sich, dass diese Erläuterung das Patent in keiner Weise beschränkt. Der Schutzbereich des Patents wird im Gegenteil durch die angehängten Ansprüche festgelegt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass als Ergebnis plastischer Verformung vor einer Wärmebehandlung, wie z. B. Härten, einerseits das Korngefüge in dem Endprodukt verfeinert ist und andererseits dessen Oberflächenhärte zunimmt.
Darüberhinaus wurde überraschend festgestellt, dass ein 3M Stahl sichtlich besser plastisch verformt werden kann als übliche 1 C, 1,5 Cr Sorten von Kugellagerstählen. Bisher wurde noch nie ein Versuch unternommen, die Verformbarkeit von 3M Stahl zu ermitteln, jedoch hat sich herausgestellt, dass eine Verformung von 30–70% möglich ist. Der Prozentsatz drückt die Reduzierung der Querschnittsfläche eines aus dem erfindungsgemäßen Stahl hergestellten Gegenstands aus. Vorzugsweise kommt eine Verformung von 50 bis 60% zum Einsatz.
Eine derartige Verformung kann mit üblichen Sorten von Kugellagerstählen nicht erreicht werden. Bei derartigen Stahlsorten würde während der Verformung eine unwiderrufliche Rissbildung stattfinden, aufgrund derer die Festigkeit des Endprodukts nur abnimmt. Es hat sich gezeigt, dass sich die mechanischen Eigenschaften als Ergebnis einer derartigen merklichen plastischen Verformung verbessern, was, verglichen mit aus 3M Stahl hergestellten Produkten, die nicht plastischer Verformung ausgesetzt waren, zu einer sichtbar verlängerten Lebensdauer führt.
Die zuvor beschriebene plastische Verformung kann entweder bei erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur ausgeführt werden. Wenn die Verformung bei erhöhter Temperatur ausgeführt wird, ist es notwendig, dass die Ac₁-Temperatur nicht überschritten wird. Der hier beschriebene 3M Stahl ist ein sogenannter durchhärtender Stahl, im Gegensatz zu Stahlsorten, bei denen ein anschließendes Aufkohlen ausgeführt wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, Lagerringe für Wälzlager mit Hilfe des nun vorgestellten Verfahrens herzustellen. Ausgehend von einem relativ kleinen Ring kann der Lagerring durch Walzen auf die gewünschte Endgröße gebracht werden. Dieses Walzverfahren stellt die plastische Verformung dar.
Die Erfindung kann insbesondere bei Lagern von Wechselstromgeneratoren für Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz kommen. Diese sind Vibration und hoher Beanspruchung ausgesetzt. Es hat sich gezeigt, dass die Lebensdauer merklich verlängert werden kann, so dass, soweit die Lager betroffen sind, der betroffene Generator eine zumindest genauso lange Lebensdauer hat, wie die anderen Teile der Verbrennungskraftmaschine.
Es hat sich gezeigt, dass der erfindungsgemäße Stahl eine feine Struktur hat, d. h. dass er aus feinem Ferrit besteht, in dem relativ wenig Zementit und eine relativ hohe Menge an M₂₃C₆ vorhanden sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine in den Zeichnungen sehr schematisch gezeigte Ausführungsform genauer beschrieben. Es zeigen:
1 sehr schematisch die erfindungsgemäße Herstellung eines Teils eines Wälzlagers und
2 die verlängerte Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Teils eines Wälzlagers verglichen mit einem 3M Stahl, der keiner plastischen Verformung ausgesetzt worden ist.
1 zeigt sehr schematisch die Herstellung eines Lagerrings eines Wälzlagers. Dieser Lagerring ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Er ist aus einer Stahlsorte hergestellt, die in Gewichtsprozent
0,90–1,00 C;
höchstens 0,15 Si;
0,25–0,45 Mn;
höchstens 0,015 P;
höchstens 0,010 S;
1,30–1,50 Cr;
höchstens 0,15 Ni;
0,20–0,23 Mo;
höchstens 0,20 Cu;
höchstens 20 Ti (ppm);
und höchstens 8 O (ppm) enthält.
Dieser Lagerring mit relativ kleinen Abmessungen wird zwischen zwei Walzen 2 und 3 plaziert und bei erhöhter Temperatur, ausgehend von einer ferritischen Matrix (zuvor optional weichgeglüht), einer nennenswerten plastischen Verformung ausgesetzt. In der gezeigten veranschaulichenden Ausführungsform findet eine Verformung von ungefähr 55% statt, die als die Verringerung der Querschnittsfläche des Rings 1 gemessen ist.
Der Lagerring 1 wird mit Hilfe dieser plastischen Verformung im wesentlichen auf seine endgültige Größe gebracht. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird keine zerspanende Bearbeitung durchgeführt. Dann findet ein Abschrecken bei ungefähr 860°C und für 1,5 Stunden ein Anlassen bei ungefähr 160°C statt. Der Härtegrad eines so erhaltenen Lagerrings betrug ungefähr 825 HV und die Korngröße belief sich auf durchschnittlich 6 μm. Die Matrix bestand aus Ferrit und Zementit mit darin enthaltenen M₂₃C₆-Karbiden.
Die auf diese Weise hergestellten Lagerringe wurden kombiniert, um ein Wälzlager, insbesondere ein Rillenkugellager herzustellen. Dann wurde ein Vergleichstest zwischen einem Wälzlager, das aus Komponenten angefertigt wurde, die aus 3M Stahl bestanden, der einer plastischen Verformung nicht ausgesetzt worden war, und einem Wälzlager ausgeführt, das aus Komponenten gefertigt wurde, die aus erfindungsgemäßem 3M Stahl bestanden. Die Ergebnisse dieses Tests sind in 2 gezeigt.
Aus dieser Figur ergibt sich, dass die Kontaktbeanspruchung des inneren Rings im Falle des erfindungsgemäßen 3M Stahls zusehends niedriger ist.
Es hat sich gezeigt, dass die Zusammensetzung des vorstehend beschriebenen Stahls entscheidend ist. Das Verändern der Zusammensetzung reduziert die plastische Verformbarkeit und damit auch die verbesserten endgültigen mechanischen Eigenschaften der betroffenen Komponente. Beispielsweise lassen sich entweder grobkörnigere Karbide oder mehr Lunker und dergleichen während der plastischen Verformung erzeugen, die auf die endgültigen mechanischen Eigenschaften eine nachteilige Auswirkung haben.
Darüber hinaus kann die für die Verformung benötigte Energie zusehends zunehmen, wenn die Zusammensetzung geändert wird.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, dass zahlreiche Veränderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der angehängten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerteils, das das Vorsehen einer Stahlsorte umfasst, die in Gewichtsprozent 0,90–1,00 C; höchstens 0,15 Si; 0,25–0,45 Mn; höchstens 0,015 P; höchstens 0,010 S; 1,30–1,50 Cr; höchstens 0,15 Ni; 0,20–0,23 Mo; höchstens 0,20 Cu; höchstens 20 Ti (ppm); höchstens 8 O (ppm) enthält, wobei aus diesem Stahl ein geformtes Stück ausgehend von dessen ferritischer Struktur geformt wird und einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um die Härte an der Oberfläche des Werkstückes zu erhöhen, gefolgt von einer zerspanenden Nachbearbeitung, falls erforderlich, dadurch gekennzeichnet, daß das geformte Werkstück vor der Wärmebehandlung plastisch deformiert wird, wobei die plastische Deformation eine Reduzierung des Querschnittes um 30–70% des ursprünglichen Querschnittsflächenbereiches des geformten Werkstückes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die plastische Deformation eine Reduzierung im Querschnitt um 50–60% umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die plastische Deformation bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Temperatur höchstens 720°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die plastische Deformation bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Teil ein Ring ist, der ausgehend von einem kleineren Ring durch Walzen auf den gewünschten Durchmesser gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Teil ein Lagerring eines Kugellagers ist.