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WO1998041663A1 - Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte bauteile - Google Patents

Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte bauteile Download PDF

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WO1998041663A1
WO1998041663A1 PCT/DE1998/000672 DE9800672W WO9841663A1 WO 1998041663 A1 WO1998041663 A1 WO 1998041663A1 DE 9800672 W DE9800672 W DE 9800672W WO 9841663 A1 WO9841663 A1 WO 9841663A1
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Edgar Streit
Werner Trojahn
Hans-Werner Zoch
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IHO Holding GmbH and Co KG
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FAG Aircraft Super Precision Bearing GmbH
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to high-performance roller bearings or components subject to rolling stress according to the preamble of claim 1.
  • DE 39 01 470 C1 describes a cold work steel which is said to be high-strength and corrosion-resistant.
  • the carbon content should be limited to 0.10% to 0.40% and the carbon / nitrogen ratio should preferably be set to values between 0.3 and 1.0.
  • the use of such steel for ball bearings for the food industry or vehicle construction is also addressed, the use for high-performance roller bearings is ruled out because of the high levels of purity, high hardness, high hot hardness, special residual austenite content and excessively hard structural components required there. This also applies to a martensitic chrome steel according to DE 42 12 966 C2.
  • the content of residual austenite is within the range of 5% to 15% in a range of 4% z. B. adjusted and controlled between 6% and 10%.
  • the hard structural components are limited to a maximum size of 15 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m, by checking the steel before the heat treatment, while the residual austenite content is checked after the heat treatment.
  • Particularly advantageous is the fact that compressive residual stresses occur in the surface layer that is subjected to rollover, which are based on the conversion of the residual austenite to martensite as a result of the rollover. Corrosion protection, wear resistance and fatigue resistance are increased by a factor of 5 to 10 compared to conventional bearings.
  • Figure 1 shows an example of a bearing for the aerospace industry
  • Figure 2 shows the structure of a bearing according to the invention
  • Figure 3 shows an example of a ball screw for the air
  • Figure 4 shows the structure of a component according to the invention, which was treated according to claim 8
  • FIG. 5 shows an example of an integrated component with toothings and rolling function surfaces.
  • the inner ring of the ball bearing with 1 and the outer ring with 2 is designated.
  • the balls 3 are arranged, which are kept at a distance from the solid cage 4 and guide it.
  • FIG. 2 clearly shows the zone 7 which is located under raceway 5 and which is gray with respect to the core structure 6, which indicates the conversion of the residual austenite into martensite, which result from the rollovers and in which the residual compressive stresses develop.
  • the spindle nut is 1 and the spindle 2. Both have raceways 3 and 4, in which balls 5 roll.
  • FIG. 4 clearly shows the corrosion, fatigue and wear-resistant track 4 of a component treated according to claim 8, which has a hardened dark zone 7 compared to the core structure 6.
  • the zones subjected to rolling are designated 3, 4 and 11, the toothings 11 being integrated in the component 9.
  • the bearing outer rings 8 surround the balls 5 or rollers 10.

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Abstract

Um bei einem Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile zu erreichen, dass es rostfrei, warmfest, verschleissfest und ermüdungsresistent ist und gegenüber herkömmlichen Lagern eine deutliche Verbesserung dieser kombinierten Eigenschaften zeigt, wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Ringe (1, 2) und/oder die Wälzkörper (3) bzw. Wälzpartner (1, 2, 5, 8, 9, 10, 11) aus einem umgeschmolzenen, rostfreien und warmfesten Stahl gefertigt sind, der einen Legierungsgehalt von mindestens: 0,15 % bis 0,50 % Kohlenstoff; 0,15 % bis 0,50 % Stickstoff; 13,0 % bis 17,0 % Chrom und mindestens 0,5 % Molybdän aufweist, wobei der Summengehalt von Kohlenstoff und Stickstoff zwischen 0,60 % und 0,80 % liegt.

Description

Hochieistungswälziager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile
Die Erfindung betrifft Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
An Wälzlagern bzw. wälzbeanspruchte Bauteile z. B. für die Luft- und Raum- fahrt werden immer höhere Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, die Lebensdauer, die Tragfähigkeit und die Warmfestigkeit gestellt. Dabei ergibt sich in manchen Fällen die Konstellation, daß die Maßnahmen zur Steigerung der einen Eigenschaft bei einer anderen negativen Auswirkungen zeigt. Die bisher üblichen Werkstoffe z. B. für Fluglager bieten immer nur eine der gefor- derten Eigenschaften in ausreichendem Maße: entweder Korrosionsbeständigkeit wie der Chromstahl 4400 oder Ermüdungsfestigkeit wie die Stähle 100Cr6, M50 oder M50NiL. Ab einem bestimmten Niveau führt die Verbesserung der einen Eigenschaft zur Verschlechterung der anderen.
In der DE 39 01 470 C1 wird ein Kaltarbeitsstahl beschrieben, der hochfest und korrosionsbeständig sein soll. Dabei soll der Gehalt an Kohenstoff auf 0,10 % bis 0,40 % begrenzt sein und das Verhältnis Kohlenstoff / Stickstoff soll vorzugsweise auf Werte zwischen 0,3 und 1 ,0 eingestellt werden. Zwar ist auch die Verwendung eines solchen Stahls für Kugellager für die Lebensmittelindustrie oder den Fahrzeugbau angesprochen, der Einsatz für Hochleistungswälz- lager scheidet aber wegen der dort geforderten hohen Reinheitsgrade, hohen Härte, hohen Warmhärte, speziellen Restaustenitgehalte und zu großer harter Gefügebestandteile aus. Dies gilt auch für einen martensitischen Chromstahl nach der DE 42 12 966 C2.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Hochleistungswälzlager bzw. wälz- beanspruchte Bauteile der eingangs genannten Art aufzuzeigen, das rostfrei, warmfest und ermüdungsresistent ist und gegenüber herkömmlichen Lagern eine deutliche Verbesserung dieser kombinierten Eigenschaften zeigt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
Es hat sich gezeigt, daß die Begrenzung des Summengehaltes von Kohlenstoff und Stickstoff auf 0,60 % bis 0,80 % und das Aushärten durch kohärente Ausscheidungen bei der Wärmebehandlung und eine Einstellung des Restaustenit- gehaltes zwischen 5 % und 15 % die speziellen Anforderungen an ein Hochleistungswälzlager besonders gut erfüllen.
Je nach Anwendungsfall (z. B. Raumfahrt oder Werkzeugmaschinenspindel) wird der Gehalt des Restaustenits innerhalb des Bereichs von 5 % bis 15 % in einer Spanne von 4 % z. B. zwischen 6 % und 10 % eingestellt und kontrolliert.
Die Begrenzung der harten Gefügebestandteile (Carbide, Nitride und Mischphasen) auf eine maximale Größe von 15 μm, vorzugsweise kleiner 10 μm, erfolgt dabei durch Kontrolle des Stahles vor der Wärmebehandlung, während der Restaustenitgehalt nach der Wärmebehandlung überprüft wird. Besonders vorteilhaft ist die Tatsache, daß in der durch Überrollung beanspruchten Randschicht Druckeigenspannungen auftreten, die auf der Umwandlung des Restaustenits in Martensit in Folge der Überrollung beruhen. Der Korrosions- schütz, die Verschleißfestigkeit und die Ermüdungsresistenz ist sind gegenüber herkömmlichen Lagern etwa um den Faktor 5 bis 10 erhöht.
Die Erfindung soll an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert werden:
Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Lagers für die Luft- und Raumfahrt
Figur 2 zeigt das Gefüge eines erfindungsgemäßen Lagers
Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Kugelgewindetriebes für die Luft- und
Raumfahrt
Figur 4 zeigt das Gefüge eines erfindungsgemäßen Bauteils, welches gemäß Anspruch 8 behandelt wurde
Figur 5 zeigt ein Beispiel eines integrierten Bauteils mit Verzahnungen und Wälzfunktionsflächen. In Figur 1 ist der Innenring des Kugellagers mit 1 und der Außenring mit 2 bezeichnet. Dazwischen sind die Kugeln 3 angeordnet, die von dem Massivkäfig 4 auf Abstand gehalten werden und diesen führen.
In Figur 2 ist deutlich die unter Laufbahn 5 befindliche, gegenüber dem Kern- gefüge 6 graue Zone 7 zu erkennen, welche auf die Umwandlung des Re- staustenits in Martensit hinweist, die von den Überrollungen herrühren und in welcher sich die Druckeigenspannungen ausbilden.
In Figur 3 ist Spindelmutter mit 1 und die Spindel mit 2 bezeichnet. Beide wei- sen Laufbahnen 3 und 4 auf, in denen sich Kugeln 5 abwälzen.
In Figur 4 ist deutlich die korrosions-, ermüdungs- und verschleißfeste Laufbahn 4 eines nach Anspruch 8 behandelten Bauteils zu erkennen, das gegenüber dem Kemgefüge 6 eine gehärtete dunkle Zone 7 aufweist.
In Figur 5 sind die wälzbeanspruchten Zonen mit 3, 4 und 11 bezeichnet, wobei die Verzahnungen 11 in das Bauteil 9 integriert sind. Die Lageraußenringe 8 umgeben die Kugeln 5 bzw. Rollen 10.

Claims

Schutzansprüche
1. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt oder als Genauigkeitslager für Werkzeugmaschinenspindeln, erstere bestehend aus mindestens einem Innenring, einem Außenring und dazwischen angeordneten Wälzkörpern, die ge- gebenenfalls von einem Käfig auf Abstand gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Ringe (1 , 2) und/oder die Wälzkörper (3) bzw. Wälzpartner (1 , 2, 5, 8, 9, 10, 11 ) aus einem umgeschmolzenen, rostfreien und warmfesten Stahl gefertigt sind, der einen Legierungsgehalt von mindestens
- 0,15 % bis 0,50 % Kohlenstoff
- 0,15 % bis 0,50 % Stickstoff
- 13,0 % bis 17,0 % Chrom und
- mindestens 0,5 % Molybdän aufweist, wobei der Summengehalt von Kohlenstoff und Stickstoff zwischen 0,60 % und 0,80 % liegt.
2. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch
1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1 , 2) und/oder Wälzkörper (3) bzw. Wälzpartner (1 , 2, 5, 8, 9, 10, 11 ) bei 970° C - 1050° C gehärtet und ein oder mehrmals über 400° C angelassen und dazwischen unter -60° C gekühlt wird, wobei durch kohärente Ausscheidungen die Warm- festigkeit gesteigert wird.
3. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1 , 2) und/oder Wälzkörper (3) bzw. Wälzpartner (1 , 2, 5, 8, 9, 10, 11) auf einen Restaustenitgehalt zwischen 5 % und 15 % eingestellt und kontrolliert wird.
4. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Restaustenits innerhalb des Bereichs zwischen 5 % und 15 % in einer Spanne von 4 % einge- stellt und konkrolliert wird.
5. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (1 , 2) und/oder Wälzkörper (3) eine Härte bei Raumtemperatur von minstestens 56 HRC aufweist.
6. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die harten Gefügebestandteile
(Carbide, Nitride und Mischphasen) auf eine maximale Größe von 15 μm überwacht und bei Überschreiten aussortiert werden.
7. Hochieistungswälzlagr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Gefügebestandteile (Carbide, Nitride und Mischphasen) auf eine Größe von vorzugsweise kleiner 10 μm überwacht und bei Überschreiten aussortiert werden.
8. Hochleistungswälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der durch Überrollung beanspruchten Randschicht (7) Druckeigenspannungen vorhanden sind, die auf der Umwandlung des Restaustenits in Martensit in Folge der Überrollung beruhen.
9. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung durch Anwendung partieller Erwärmung zum Härten und/oder Anlassen z. B. durch Induktion oder Laserstrahl nur an einem Teil des Querschnitts erfolgt.
10. Hochleistungswälzlager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörpersatz aus Stahl und/oder Keramik wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid besteht.
11. Hochleistungswälzlager bzw. wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß andere Flächen als die Wälzkontaktflä- chen in ihrer chemischen Zusammensetzung oder Wärmebehandlung so modifiziert werden, daß sich im oberflächennahen Bereich ein Gefüge ausbildet, das zu einem wesentlichen Teil aus Karbiden und/oder Kar- bonitriden besteht.
12. Wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die harten Gefügebestandteile (Carbide, Nitride und Mischphasen) auf eine maximale Größe von 15 μm überwacht und bei Überschreiten aussortiert werden.
13. Wälzbeanspruchte Bauteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der durch Wälzkontakt beanspruchten Randschicht (3, 4, 7, 11 ) Druckeigenspannungen vohranden sind, die auf der Umwandlung des Restaustenits in Martensit in Folge der Wälzbeanspruchung beruhen.
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