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DE102004047053B3 - Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen, umfassend die Schritte des Bereitstellens eines pulvermetallurgisch offenporig gesinterten Wälzlagerteil-Sinterkörpers aus Edelstahl, insbesondere austenitischem Stahl, mit einer Porengröße von 0,1 bis 20 mum, des mechanischen und/oder chemischen Behandelns der Oberfläche des Wälzlagerteil-Sinterkörpers und des Behandelns des Wälzlagerteil-Sinterkörpers in einer Kohlenstoff-enthaltenden Inertgasatmosphäre unter Kolsterisierungsbedingungen bei einer Temperatur von 100 bis 320 DEG C für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um im Wesentlichen eine Durchhärtung des Wälzlagerteil-Sinterkörpers zu bewirken, sowie Wälzlager, die mit dem Verfahren hergestellte Wälzlagerteile enthalten, bereit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen.
  • Wälzlager werden in der Technik verbreitet verwendet, um Kräfte zwischen relativ zueinander bewegten Maschinenteilen zu übertragen und diese zu führen. Bei Wälzlagern rollen kugel- oder rollenförmige Wälzkörper, die meist von einem Käfig gehalten werden, auf Laufbahnen mit hoher Festigkeit, Oberflächengüte und Formtreue, die in den Innen- bzw. Außenring des Wälzlagers eingearbeitet sind. Zur Gruppe der Wälzlager gehören z.B. Kugel-, Nadel-, Kegelrollen-, Pendelrollen- und Zylinderrollenlager.
  • Bei bestimmten Anwendungen von Wälzlagern ist es erwünscht, dass diese nicht magnetisierbar sind. Solche Anwendungen umfassen beispielsweise Wälzlager für Kernspintomographen, empfindliche Kreiselnavigationssysteme oder andere Messgeräte sowie Lagerungen von Elektromotoren. Dabei dürfen die Wälzlagerwerkstoffe keine magnetische Eigenpermeabilität aufweisen, da eine solche Eigenpermeabilität die Magnetfelder bei diesen Anwendungen beeinflussen und daher beispielsweise Messergebnisse verfälschen würde.
  • Nicht-magnetisierbare Wälzlager können dadurch erhalten werden, dass die Wälzlagerwerkstoffe aus nicht-magnetisierbaren Werkstoffen ausgewählt werden. Nicht-magnetisierbare Wälzlager oder Teile davon können dabei z.B. aus austenitischen Stählen, keramischen Werkstoffen, Berylliumkupfer oder Kunststoffen gefertigt werden, wobei insbesondere dann, wenn die Wälzlager niedrigeren Belastungen ausgesetzt sind, austenitische Stähle und Kunststoffe eingesetzt werden können.
  • Wälzlager, die aus keramischen Werkstoffen wie z.B. Siliziumnitrid oder Zirkonium-oxid hergestellt sind, haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr teuer sind. Ferner können aus Kunststoffen oder rein austenitischen Werkstoffen hergestellte Wälzlager aufgrund einer mangelnden Härte nur begrenzt eingesetzt werden.
  • Es ist bekannt, dass austenitische Stähle nicht durchgehärtet werden können. Zur Oberflächenhärtung austenitischer Edelstähle ist jedoch ein Verfahren bekannt ("Kolsterisieren®"), bei dem Kohlenstoff in die Oberflächenschicht des Stahls eindiffundiert wird. Dabei werden mittels eines Diffusionsverfahrens bei niedrigen Temperaturen von weniger als 300°C über einen längeren Zeitraum von z.B. 5 bis 14 Tagen große Mengen an Kohlenstoff in die Oberflächenschicht des zu behandeln-den Stahls eindiffundiert. Der eindiffundierte Kohlenstoff wird in den Zwischengitterplätzen des Stahlwerkstoffs gelöst und bildet keine Carbide. Aufgrund der großen eindiffundierten Kohlenstoffmengen (4 bis 7 %) werden in der Oberflächenschicht des Stahlwerkstoffs Druckspannungen erzeugt, die eine sehr hohe Oberflächenhärte von mehr als 1000 HV 0,05 erzeugen.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass diese Druckspannungsschicht nur sehr dünn ist, da in der Praxis nur selten Einhärtetiefen von mehr als 35 μm erzeugt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Diffusionsprozess bezüglich der Eindringtiefe selbsthemmend ist. Ferner weist die mit diesem Verfahren erhaltene gehärtete Oberflächenschicht den Nachteil auf, dass sie nur an der Oberfläche eine sehr große Härte aufweist, der Abfall der Druckspannungswerte und somit der Härte jedoch bereits nach wenigen Mikrometern beginnt.
  • Wenn dieses Verfahren auf Wälzlagerteile wie z.B. Innen- und Außenringe aus austenitischen Stählen angewandt wird, werden Wälzlagerteile erhalten, die an der Oberfläche sehr hart sind und gleichzeitig die nicht-magnetischen Grundeigenschaften beibehalten. Zusätzlich kann durch dieses Verfahren bei einigen austenitischen Stählen, wie z.B. molybdänhaltigen austenitischen Stählen, die Korrosionsbeständigkeit erhöht werden.
  • Die vorstehend beschriebene Oberflächenhärtung von Wälzlagerteilen, wie z.B. Innen- und Außenringen aus austenitischen Stählen, weist jedoch den folgenden Nachteil auf. Bei den für Wälzlagern typischerweise auftretenden Wälzbelastungen werden gemäß der Herz'schen Pressung Druckspannungen erzeugt, die in Form von Druckellipsen tief in die Wälzlagerringe einwirken. Die bei höheren Belastungen erzeugten Druck- und Zugspannungen der Druckellipse wirken somit auch unterhalb der auf die vorstehend beschriebene Weise oberflächengehärteten Schicht. Dies hat zur Folge, dass die Oberflächenschicht durchbricht und im Laufe der Zeit eine Wälzermüdung der betroffenen Teile auftritt. Wälzlager, die derart oberflächengehärtete Teile umfassen, weisen daher im Gegensatz zu Wälzlagern, die aus durchgehärteten Teilen hergestellt sind, nur sehr geringe Tragkräfte (Tragzahlen) auf.
  • DE 2 352 578 A beschreibt einen pulvermetallurgisch hergestellten Wälzlagerring, ein unter Verwendung desselben hergestelltes Wälzlager und ein Verfahren zu deren Herstellung unter geringen Kosten.
  • DE 29 49 931 B2 beschreibt eine Gleit- und Reibpaarung für Maschinenteile in der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie aus bismuthhaltigen Nickel-Chrom-Legierungen.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen, das die vorstehend genannten Nachteile beseitigt, bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen umfasst die folgenden Schritte.
  • Zunächst wird ein pulvermetallurgisch offenporig gesinterter Wälzlagerteil-Sinterkörper aus einem Edelstahlpulver, bereitgestellt, der durch ein übliches, im Stand der Technik bekanntes Sinterverfahren hergestellt wird und eine Porengröße von 0,1 bis 20 μm, vorzugsweise von 0,5 bis 20 μm aufweist. Die Dichte des Wälzlagerteil-Sinterkörpers beträgt vorzugsweise 6,25 bis 7,25 kg/dm3. Die Restporosität des Wälzlagerteil-Sinterkörpers kann dabei über den Grad der Verpressung, der Feinkörnigkeit des einzusetzenden austenitischen Stahlpulvers und die Temperatur des anschließenden Sintervorgangs in bekannter Weise eingestellt werden.
  • Für den Sinterkörper kann dabei ein Edelstahlpulver, insbesondere ein austenitisches Stahlpulver gemäß DIN 10088-3 (195-8), insbesondere ein Chrom- und/oder Nickel-enthaltender austenitischer Stahl gemäß DIN 10088-3 (195-8) verwendet werden. Der austenitische Stahl kann neben Chrom und/oder Nickel zusätzlich mindestens eine weitere Komponente enthalten, die aus Molybdän, Kupfer, Titan, Bismut, Niob, Aluminium, Wolfram, Schwefel und Stickstoff ausgewählt ist.
    •
  • Spezielle Beispiele für austenitische Stahlpulver, die zur Herstellung der Wälzlagerteil-Sinterkörper verwendet werden können, umfassen Stahlpulver mit den Werkstoffnummern 1.4310 (DIN-Kurzname: X 10 CrNi 188), 1.4319 (X 3 CrNiN 178), 1.4567 (X 3 CrNiCu 189), 1.4305 (X 12 CrNiS 189), 1.4301 (X 5 CrNi 189), 1.4401 (X 5 CrNiMo 17 122), 1.4571 (X 6 CrNiMoTi 17 122), 1.4404 (X 2 CrNiMo 17 132), 1.4429 (X 2 CrNiMoN 17 133), 1.4435 (X 2 CrNiMo 18 142), 1.4539 (X 1 NiCrMoCu 25 20 5), 1.4547 (X 1 CrNiMoCu 20187), 1.4563 (X 1 NiCrMoCuN 31 27 4), 1.4591 (X 1 CrNiMoCuN 33 32 1), 1.4652, 1.4362 (X 2 CrNiN 23 4), 1.4460 (X 3 CrNiMoN 27 5 2), 1.4462 (X 2 CrNiMoN 22 5 3), 1.4410 (X 2 CrNiMo 25 7 4), 1.4501 (X 2 CrNiMoCuWN 25 74), 2.4616 (EL NiMo 29), 2.4612 (EL NiMo 15 Cr 15 Ti), 2.4602 (NiCr 21 Mo 14 W), 2.4819 (NiMo 16 Cr 15 W), 2.4856 (NiCr 22 Mo 9 Nb), 2.4668 (NiCr 19 NbMo), 2.4857 (NiCr 21 Mo), 1.4847 (X 8 CrNiAlTi 2020), 1.4944/1.3980 (X 4 NiCrTi 26 15), 1.4534 (X 3 CrNiMoAl 13 8 2), 1.4542, 1.4568, 1.4545 oder 1.4108 (X30 CrMoN151) gemäß DIN 10088-3 (195-8).
  • Im nächsten Schritt wird die Oberfläche des bereitgestellten Wälzlagerteil-Sinterkörpers einer mechanischen und/oder chemischen Behandlung unterworfen.
  • Der Wälzlagerteil-Sinterkörper wird dann unter den vorstehend erläuterten Kolsterisierungsbedingungen in einer Kohlenstoff-enthaltenden Inertgasatmosphäre behandelt, wobei die Behandlung mit der Kohlenstoffenthaltenden Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur von 100 bis 320°C stattfindet. Die Behandlung wird so lange durchgeführt, bis im Wesentlichen eine Durchhärtung des Wälzlager-Sinterkörpers erhalten wird, wobei die Behandlungsdauer vorzugsweise 5 bis 14 Tage beträgt.
  • Durch die Porosität des Wälzlagerteil-Sinterkörpers ist es möglich, dass bei der unter Kolsterisierungsbedingungen durchgeführten Behandlung in einer Kohlenstoff-enthaltenden Inertgasatmosphäre der Kohlenstoff tief in das Werkstück eindringen kann und auf diese Weise eine Durchhärtung des Edelstahls, insbesondere des austenitischen Stahls, ermöglicht. Die Durchhärtung der Wälzlagerteil-Sinterkörper aus insbesondere austenitischem Stahl kommt dabei einer Durchhärtung von Teilen aus gebräuchlich verwendeten martensitischen Stählen nahe.
  • Die mit dem vorstehend erläuterten Verfahren erhaltenen Wälzlagerteile weisen annähernd die Tragfähigkeit und Tragzahlen bekannter Wälzlagerteile auf. Zudem werden die magnetischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist, nicht verändert, so dass Wälzlager, die aus erfindungsgemäß hergestellten Teilen zusammengesetzt sind, keine oder nur eine sehr geringe magnetische Eigenpermeabilität aufweisen.
  • Bei einigen austenitischen Stählen, wie z.B. Molybdän-enthaltenden austenitischen Stählen, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zudem die Korrosionsfestigkeit des Grundwerkstoffs erhöht, so dass aus diesen Grundwerkstoffen hergestellte Wälzlagerteile korrosionsbeständig sind.
  • Ein weiterer Vorteil der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen, durchgehärteten Wälzlagerteile besteht darin, dass die offenporige Struktur des Stahls erhalten bleibt, wodurch die Möglichkeit besteht, in Oberflächen der durchgehärteten Wälzlagerteil-Sinterkörper einen Schmierstoff einzulagern.
  • Dadurch können Wälzlager, die aus den erfindungsgemäß hergestellten Wälzlagerteilen zusammengesetzt sind, selbstschmierende Eigenschaften oder Notlaufeigenschaften aufweisen.
  • Die erfindungsgemäß erhaltenen Wälzlagerteile können in einem Temperaturbereich von –200°C bis +330°C eingesetzt werden, ohne dass dabei die Durchhärtung verloren geht. Abhängig von der Art des eingesetzten Grundwerkstoffs, insbesondere des eingesetzten austenitischen Grundwerkstoffs, können zudem korrosionsbeständige Wälzlagerteile im Bereich von PH > 0,5 realisiert werden.
  • Bei Wälzlagern, die keine magnetische Eigenpermeabilität aufweisen dürfen, müssen auch die Wälzkörper und der Käfig des Wälzlagers aus antimagnetischen Materialien gefertigt werden. Die Wälzkörper können dabei z.B. aus Keramik wie z.B. Siliziumnitrid oder vorzugsweise aus entsprechenden austenitischen Stählen, behandelt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, d.h. aus pulvermetallurgischen, kolsterisierten, austenitischen Stählen, hergestellt werden. Der Käfig kann beispielsweise aus Kunststoff oder aus einem austenitischen Stahlblech gemäß DIN EN 10088-3 (195-08) hergestellt werden, wobei auch das austenitische Stahlblech vorzugsweise durch Kolsterisieren in bekannter Weise oberflächengehärtet wird. Durch das Kolsterisieren werden die Oberflächenhärte und die Korrosionsbeständigkeit des Käfigs verbessert, wodurch dessen Verschleißfestigkeit erhöht wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerteilen, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines pulvermetallurgisch offenporig gesinterten Wälzlagerteil-Sinterkörpers aus Edelstahl mit einer Porengröße von 0,1 bis 20 μm, mechanisches und/oder chemisches Behandeln der Oberfläche des Wälzlagerteil-Sinterkörpers und Behandeln des Wälzlagerteil-Sinterkörpers in einer Kohlenstoff-enthaltenden Inert-gasatmosphäre unter Kolsterisierungsbedingungen bei einer Temperatur von 100 bis 320°C für einen Zeitraum, der ausreichend ist, um im Wesentlichen eine Durchhärtung des Wälzlagerteil-Sinterkörpers zu bewirken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Behandlungszeitraum 5 bis 14 Tage beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wälzlagerteil-Sinterkörper aus austenitischem Stahl ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der austenitische Stahl der DIN 10088-3 (195-8) entspricht.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der austenitische Stahl ein Chrom- und/oder Nickel-enthaltender Stahl ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der austenitische Stahl zusätzlich mindestens eine weitere Komponente enthält, die aus Molybdän, Kupfer, Titan, Bismut, Niob, Aluminium, Wolfram, Schwefel und Stickstoff ausgewählt ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der austenitische Stahl ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4310 oder 1.4301 gemäß DIN 10088-3 (195-8) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der austenitische Stahl ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4319, 1.4567, 1.4305, 1.4401, 1.4571, 1.4404, 1.4429, 1.4435, 1.4539, 1.4547, 1.4563, 1.4591, 1.4652, 1.4362, 1.4460, 1.4462, 1.4410, 1.4501, 2.4616, 2.4612, 2.4602, 2.4819, 2.4856, 2.4668, 2.4857, 1.4847, 1.4944/1.3980, 1.4534, 1.4542, 1.4568, 1.4545 oder 1.4108 gemäß DIN 10088-3 (195-8) ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Dichte des pulvermetallurgisch offenporig gesinterten Wälzlagerteil-Sinterkörpers 6,25 bis 7,25 kg/dm3 beträgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Porengröße des pulvermetallurgisch offenporig gesinterten Wälzlagerteil-Sinterkörpers 0,5 bis 20 μm beträgt.
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Cited By (5)

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