DE102006041584B4

DE102006041584B4 - Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils in Form eines Wälzkörpers oder eines Wälzlagerrings mit wälzfester Oberfläche und schwingungsdämpfendem Kern

Info

Publication number: DE102006041584B4
Application number: DE102006041584.1A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Gierl Jürgen; Emil Hacker; Dr.-Ing. Michos Gordana; Dr.-Ing. Welker Manfred
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: DE102006041584A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils (13) in Form eines Wälzkörpers oder eines Wälzlagerrings mit wälzfester Oberfläche (12) und schwingungsdämpfendem Kern (10), bei dem ein vorgefertigter Träger (9) mit schwingungsdämpfender Eigenschaft und einer Dichte < 90% an wenigstens einer Seite in einem Metallsprühkompaktierungsverfahren mit einer die wälzfeste Oberfläche (12) bildenden Randschicht (11), die eine Dichte > 99,9% und eine Dicke von 1–2 mm aufweist, beschichtet wird, wobei als Träger (9) zur Herstellung von Wälzkörpern (13) eine zylindrische Stange oder zur Herstellung von Wälzlagerringen ein zylindrisches Rohr verwendet wird, wobei – entweder die Randschicht anschließend zur Erzeugung einer wälzfesten Oberfläche (12) spanend nachbearbeitet und mechanisch nachverdichtet wird, wonach von der Stange oder dem Rohr die einzelnen Wälzlagerbauteile (13) abgelängt werden, – oder von der Stange oder dem Rohr die einzelnen Wälzlagerbauteile (13) abgelängt werden, wonach die Randschicht (11) der einzelnen Wälzlagerbauteile zur Erzeugung einer wälzfesten Oberfläche (12) spanend nachbearbeitet und mechanisch nachverdichtet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils in Form eines Wälzkörpers oder eines Wälzlagerrings mit wälzfester Oberfläche und schwingungsdämfpendem Kern.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager aus gehärteten oder einsatzgehärteten Stählen weisen nur eine geringe Schall- beziehungsweise Schwingungsdämpfung auf. Die im Betrieb des wälzgelagerten Bauteils erzeugten Schwingungen, denen das Bauteil ausgesetzt ist, werden durch das Wälzlager ungehindert weitergeleitet und führen zu einer Reduktion der Funktion bezüglich Laufruhe und Betriebsgeräusch. Solche Probleme entstehen beispielsweise bei Einsatz solcher Wälzlager in schwingungsempfindlichen Bauteilen wie z. B. Werkzeugmaschinen oder Motorelementen von Kraftfahrzeugen, wo der Körperschall den Komfort des Fahrzeugs einschränkt. Um eine Schall- oder Schwingungsdämpfung zu erzielen, werden üblicherweise Hilfselemente eingesetzt, beispielsweise in Form einer aktiven Dämpfung über Ausgleichswellen, Piezoelemente oder Dämpfer aus Elastomeren oder Grauguss-Formteilen. Dies führt zu aufwändigen Konstruktionen, es werden zusätzliche Teile mit zusätzlichem Fügeaufwand und entsprechenden Gewichtsnachteilen benötigt.
Aus DE 6906209 U ist ein Wälzlagerbauteil bekannt, das einen einen Kern bildenden metallischen Träger aufweist, auf dem eine Randschicht durch Flammspritzen aufgebracht ist. Das Wälzlagerbauteil setzt sich aus einem massiven Teil, nämlich im Falle des beschriebenen Lagerrings aus dem eigentlichen Ringkörper, und der auf diesem aufgespritzten Randschicht zusammen. Der Ringkörper besteht aus einem für den beabsichtigten Verwendungszweck geeigneten stabilen Material wie beispielsweise Sphäroguss, Aluminium- oder Magnesium-Knet- oder Gusslegierung oder einer Zink-Aluminium-Legierung. Die Randschicht ihrerseits weist die mechanischen Eigenschaften auf, die eine entsprechende Beanspruchung des Wälzlagerbauteils erlauben. Der die Randschicht bildende Belag kann beispielsweise aus Co, Cr, Mo oder TiC oder einem Hartmetall oder einem harten oxydkeramischen Werkstoff bestehen.
Aus GB 1 599 392 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Metallgegenstandes durch Sprühkompaktieren bekannt. Auf den Metallgegenstand in Form eines rohrförmigen Vorformkörpers wird die Schicht homogen aufgesprüht, wobei eine Randschichtdichte von mehr als 95% erreicht werden soll. Dieser beschichtete rohrförmige Vorformkörper kann anschließend durch Schmieden oder Extrudieren oder eine spanende Bearbeitung zu dem gewünschten Gegenstand weiterverarbeitet werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils anzugeben, das bei Einhaltung der erforderlichen Wälzeigenschaften eine gewisse Schwingungsdämpfung ermöglicht.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
Das erfindungsgemäß hergestellte Wälzlagerbauteil ist in einer Art Sandwich-Bauweise hergestellt. Ausgangsteil ist ein metallischer Träger, der in seiner Grundform zumindest näherungsweise der Form des herzustellenden Wälzlagerbauteils entspricht. Dieser metallische Träger besitzt eine schwingungsdämpfende Eigenschaft, ist also in der Lage, in das verbaute Wälzlagerbauteil (üblicherweise als Teil eines Wälzlagers) eingetragene Schwingungen zu dämpfen, so dass diese über ein solches Wälzlager nur gedämpft weitergegeben werden. Ein solcher Träger kann erfindungsgemäß ein Sinterkörper sein, also ein pulvermetallurgisch hergestellter, offenporiger Körper, dessen Porenvolumen und Porenform durch die Sinterbedingungen sowie die Wahl des verwendeten Sintermaterials, in diesem Fall eines feinkörnigen Edelstahlpulvers, eingestellt werden kann. Alternativ zur Verwendung eines Sinterkörpers kann der Träger auch ein Graugusskörper sein. Ein Graugusskörper weist Graphitlamellen auf, die als Streuzentren dienen und mithin ebenfalls schall- oder schwingungsdämpfend wirken.
Auf diesen den schwingungsdämpfenden Kern bildenden Träger wird nun erfindungsgemäß an wenigstens einer Seite in einem Metallsprühkompaktierungsverfahren eine Randschicht in gewünschter Dicke aufgesprüht, wobei die Randschicht die wälzfeste Oberfläche aufweist. Die Sprühbedingungen werden derart optimal eingestellt, dass die Oberflächentemperatur am Träger beziehungsweise der bereits aufgebrachten Beschichtung optimal ist und in der Nähe der Solidustemperatur des aufgesprühten flüssigen Metalls liegt. Bei derart optimalen Sprühbedingungen kann eine Randschicht mit einer minimalen Restporosität, die beispielsweise bei einem versprühten Stahl 100Cr6 deutlich unter 1 Vol.% liegt, erreicht werden. Mithin ist eine Dichte von sogar mehr als 99,9% erreichbar. Diese hochdichte, aufgesprühte Randschicht entspricht den mechanischen Anforderungen, die an diese Schicht beziehungsweise die Oberfläche der Schicht, auf der ein anderes Wälzlagerbauteil abrollt, gestellt werden. Das Metallsprühverfahren lässt ohne weiteres eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Randschicht, die beispielsweise in einer Dicke von ca. 1–2 mm aufgebaut wird, und dem Kernträger zu.
Bei dem Wälzlagerbauteil kann es sich, je nach verwendeter Trägerform und Beschichtung, beispielsweise um Wälzkörper in Form von Rollen handeln. Der Träger ist dann eine Stange, die im Sprühkegel rotiert und auf die die Randschicht abgeschieden wird. Von dieser langen Stange werden dann die einzelnen Wälzlagerbauteile abgelängt. Zum Herausarbeiten der wälzfesten Oberfläche ist dann üblicherweise nur noch eine dünne Randschicht (bevorzugt vor dem Ablängen der einzelnen Teile) abzutragen, um die Randschicht oberflächlich einzuebnen.
Als Wälzlagerbauteile können aber auch Wälzlagerringe in Form von Axial-, Innen- oder Außenringen hergestellt werden. In diesem Fall wird als Träger bevorzugt ein Rohr verwendet, also ein Sinterrohr oder ein Graugussrohr, das nur auf der Seite beschichtet wird, auf der eine wälzfeste Oberfläche benötigt wird, bei einem herzustellenden Innenring also an der Rohrinnenseite, bei einem herzustellenden Außenring an der Rohraußenseite. Auch hier ist in einer Nachbearbeitung lediglich noch eine dünne Randzone zum Herausarbeiten der wälzfesten Oberfläche abzutragen.
Die erfindungsgemäße Sandwich-Bauweise ermöglicht es, einen Träger mit optimierten schwingungsdämpfenden Eigenschaften mit einer wälzfesten Randschicht, die allen mechanischen Anforderungen, die an das Wälzlagerbauteil gestellt werden, zu kombinieren. Ein solches Wälzlagerbauteil ist damit im Stande, einerseits die geforderten Wälzeigenschaften ohne weiteres zur Verfügung zu stellen, andererseits auch schall- beziehungsweise schwingungsdämpfend zu wirken.
Wenngleich wie ausgeführt es durch optimale Sprühparameter möglich ist, die kompaktierte Randschicht hochdicht herzustellen und eine Dichte von mehr als 99,9% zu erreichen, ist es mitunter dennoch zweckmäßig, die Randschicht zur Verdichtung mechanisch nachzubearbeiten. Das heißt, das Wälzlagerbauteil selbst weist eine mechanisch nachverdichtete Randschicht auf. Dies kann durch Rollieren, Drücken oder Kaltwalzen etc. erfolgen, wobei je nach dem, ob das Wälzlagerbauteil als Einzelbauteil hergestellt wird, oder ob ein langes Bauteil, von dem die einzelnen Wälzlagerbauteile abgelängt werden, diese mechanische Nachbearbeitung entweder am Einzelbauteil oder am langen Bauteil vorgenommen werden kann.
Neben dem Wälzlagerbauteil selbst betrifft die Erfindung ferner ein erfindungsgemäß hergestelltes Wälzlagerbauteil mit wälzfester Oberfläche und schwingungsdämpfendem Kern gemäß Patentanspruch 3. Weitere Ausgestaltungen des Wälzlagerbauteils sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zum Metallsprühkompaktieren,
2 ein Diagramm zur Darstellung der Herstellungsroute für Wälzkörper, und
3 ein Diagramm zur Darstellung der Herstellungsroute für Radiallagerringe.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung 1 zum Metallsprühkompaktieren. Diese umfasst in einem oberen Gehäuse 2, das mit Argon gespült wird, einen Schmelztiegel 3, in dem der zu versprühende Wälzlagerstahl, beispielsweise 100Cr6, aufgeschmolzen und auf eine Endtemperatur von 1600°C überhitzt wird. Die Schmelze wird sodann in einem Verteiler 4 zu einer Austrittsdüse 5 geführt, wo sie austritt und anschließend über einen Freifallzerstäuber 6 umfassend mehrere Zerstäuberdüsen 7, aus denen beispielsweise Stickstoff zum Zerstäuben ausgedüst wird, zerstäubt wird. Die Zerstäubung führt zur Ausbildung eines Sprühkegels 8, bestehend aus feinen Metalltröpfchen, die noch eine teigige Konsistenz haben. Der Sprühkegel 8 ist auf einen Träger 9 gerichtet, hier ein Stab oder ein Rohr, das, wie durch die beiden Pfeile dargestellt ist, einerseits axial verschoben wird, andererseits rotiert, so dass umlaufend eine äußere Randschicht auf den Träger 9 aufgesprüht wird. Bei optimaler Oberflächentemperatur in der Nähe der Solidustemperatur an der Oberfläche des Trägers 9 beziehungsweise der bereits abgeschiedenen Metallschicht ist eine minimale Restporosität von deutlich unter 1 Vol.% erreichbar. Durch mechanische Nachbearbeitung kann sogar eine vollständige Dichtheit der Randschicht beziehungsweise der Randzone, in der die wälzfeste Oberfläche wie nachfolgend noch beschrieben wird ausgebildet werden soll, erreicht werden. Demgegenüber weist der verwendete Träger 9 eine hohe Porosität auf. Bei ihm kann es sich beispielsweise um einen Sinterkörper oder um einen Graugusskörper handeln.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Herstellung einzelner Wälzlagerbauteile in Form von Zylinderrollen. Gezeigt ist zunächst der Träger 9, hier ein Stab, beispielsweise ein Sinterstab, der, wie durch den angedeuteten Sprühkegel 8 dargestellt ist, zunächst in der Einrichtung 1 mit der Randschicht besprüht wird. Wie in der darunter gezeigten Teilschnittansicht gezeigt ist, besteht der fertige besprühte Stab aus einem Kern 10, gebildet von dem Stabträger 9, auf dem die Randschicht 11 aufgesprüht ist. Ersichtlich weist der Kern 10, wie durch die Punktierung dargestellt ist, eine offenporige Struktur auf, das Porenvolumen sollte bevorzugt mehr als 10%, beziehungsweise die Dichte weniger als 90% betragen. Demgegenüber ist die Randschicht 11, wie durch die Punktierung dargestellt ist, annähernd vollständig dicht, es ergibt sich also ein Dichte- beziehungsweise Porositätsgradient von der Randschicht 11 zum Kern 10. Der Kern 10 ist infolge seiner Restporosität schwingungsdämpfend. Anstelle der Verwendung eines Sinterkörpers wäre auch gleichermaßen ein Graugusskörper verwendbar, auch dieser zeigt schwingungdämpfende Eigenschaften über die in ihm ausgebildeten beziehungsweise eingeschlossenen Graphitlamellen.
Im nächsten Schritt wird der besprühte Stab, nachdem gegebenenfalls eine dünne Randzone abgetragen wurde, mechanisch nachbearbeitet, entweder durch Rollieren oder beispielsweise Kaltwalzen. Hierdurch erfolgt eine vollständige Verdichtung im Bereich der Randschicht 11, die die wälzfeste Oberfläche 12 aufweist beziehungsweise bildet. Sodann werden von dem langen Stab die einzelnen Wälzkörper 13, hier Zylinderrollen, abgelängt.
3 zeigt die Herstellungsroute für einen Radiallager-Innenring. Gezeigt ist hier ein Rohr, das, wie durch den Sprühkegel 8 dargestellt ist, an seiner Außenseite mit der Randschicht 11 besprüht wird. Anschließend wird das Rohr rolliert oder kaltgewalzt oder sonst wie an seiner Außenfläche zur mechanischen Verdichtung der Randschicht 11 nachbearbeitet. In dem gezeigten Schnitt durch das beschichtete Rohr erkennt man wiederum den Kern 10, gebildet durch den Träger 9, sowie die ausgebildete Randschicht 11, die auch hier, verglichen mit dem Kern 10, hochdicht ist, während der Kern 10 ein hinreichend großes Porenvolumen aufweist, also schwingungsdämpfend ist.
Von dem beschichteten Rohr werden nun wie im nächsten Schritt gezeigt die einzelnen Wälzlagerbauteile, die an ihrer Außenseite die wälzfeste Oberfläche 12 aufweisen, abgelängt. Der Kern ist also auch hier porös, weist also eine Dichte < 90% auf, beziehungsweise weist entsprechende Graphitlamellen als Einschlüsse auf, so dass er schwingungsdämpfend wirkt, die Randschicht hingegen ist hochdicht und wälzfest.
Anstelle eines Radiallager-Innenrings ist es auch grundsätzlich denkbar, einen Außenring für ein solches Radiallager herzustellen. Bei diesem muss nicht die Außenseite, sondern die Innenseite des Rohrträgers 9 beschichtet werden. Dies kann unter Verwendung eines Rohres erfolgen, wenn es mit der Metallsprüheinrichtung 1 möglich ist, unter einem hinreichenden Winkel in das Rohrinnere mit dem Sprühkegel 8 zu strahlen. Je größer der Durchmesser des Trägers 9 ist, um so einfacher ist dies. Ansonsten besteht selbstverständlich die Möglichkeit, als Träger 9 bereits einzelne Ringe zu verwenden, die also in ihrer Form angenähert dem des fertigen Wälzlagerbauteils entsprechen. Die axiale Länge ist naturgemäß relativ gering, so dass ohne weiteres unter einem Winkel eingestrahlt und beschichtet werden kann.
Anstelle der radialen Beschichtung ist an einzelnen Ringen auch eine axiale Beschichtung denkbar, wodurch Axiallagerringe herstellbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Einrichtung
2: oberes Gehäuse
3: Schmelztiegel
4: Verteiler
5: Austrittsdüse
6: Freifallzerstäuber
7: Zerstäuberdüsen
8: Sprühkegel
9: Träger
10: Kern
11: Randschicht
12: Oberfläche
13: Wälzkörper

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils (13) in Form eines Wälzkörpers oder eines Wälzlagerrings mit wälzfester Oberfläche (12) und schwingungsdämpfendem Kern (10), bei dem ein vorgefertigter Träger (9) mit schwingungsdämpfender Eigenschaft und einer Dichte < 90% an wenigstens einer Seite in einem Metallsprühkompaktierungsverfahren mit einer die wälzfeste Oberfläche (12) bildenden Randschicht (11), die eine Dichte > 99,9% und eine Dicke von 1–2 mm aufweist, beschichtet wird, wobei als Träger (9) zur Herstellung von Wälzkörpern (13) eine zylindrische Stange oder zur Herstellung von Wälzlagerringen ein zylindrisches Rohr verwendet wird, wobei – entweder die Randschicht anschließend zur Erzeugung einer wälzfesten Oberfläche (12) spanend nachbearbeitet und mechanisch nachverdichtet wird, wonach von der Stange oder dem Rohr die einzelnen Wälzlagerbauteile (13) abgelängt werden, – oder von der Stange oder dem Rohr die einzelnen Wälzlagerbauteile (13) abgelängt werden, wonach die Randschicht (11) der einzelnen Wälzlagerbauteile zur Erzeugung einer wälzfesten Oberfläche (12) spanend nachbearbeitet und mechanisch nachverdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Rohres als Träger (9) das Rohr an der Rohraußenseite und/oder der Rohrinnenseite mit der Randschicht belegt wird.
Wälzlagerbauteil mit wälzfester Oberfläche (12) und schwingungsdämpfendem Kern (10), hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2.
Wälzlagerbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (9) ein Sinterkörper oder ein Graugusskörper ist.
Wälzlagerbauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Axial-, Außen- oder Innenring oder ein zylindrischer Wälzkörper ist.