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DE102014208138A1 - Bearing element and method for producing a bearing element - Google Patents

Bearing element and method for producing a bearing element Download PDF

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DE102014208138A1 DE102014208138.6A DE102014208138A DE102014208138A1 DE 102014208138 A1 DE102014208138 A1 DE 102014208138A1 DE 102014208138 A DE102014208138 A DE 102014208138A DE 102014208138 A1 DE102014208138 A1 DE 102014208138A1
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Werner Trojahn
Toni Blaß
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagerelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a bearing element and a method for its production.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Lagerelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a bearing element and a method for its production.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Lager haben bezüglich ihres Verschleißverhaltens, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Festigkeit zumeist hohe Anforderungen zu erfüllen. Bearings usually have to meet high requirements with regard to their wear behavior, their corrosion resistance and their strength.

Daher werden für Lager in korrosiver Umgebung heute oftmals hochlegierte martensitische Stähle, wie beispielsweise Cronidur (X30CrMoN15-1), XD15NW oder 440C eingesetzt, wobei sich ein konkreter Anwendungsbereich beispielsweise für mediengeschmierte Wälzlager ergibt. Derartige Stähle verlangen in der Verarbeitung und in der Wärmebehandlung spezielles Know-How, um eine gewisse Härte eines daraus gefertigten Werkstücks einzustellen. Aus diesem Grund und aufgrund des hohen Materialpreises ist die Herstellung von Lagerkomponenten, beispielsweise Lagerringen, aus solchen hochwertigen Werkstoffen relativ kostenintensiv. Therefore, highly corrosive martensitic steels such as Cronidur (X30CrMoN15-1), XD15NW or 440C are often used today for bearings in corrosive environments, with a specific field of application for example for media-lubricated rolling bearings. Such steels require special know-how in processing and heat treatment in order to set a certain hardness of a workpiece produced therefrom. For this reason and due to the high cost of materials, the production of bearing components, such as bearing rings, from such high-quality materials is relatively expensive.

Um die Funktionsfähigkeit eines Lagers bzw. dessen Lagerringe sicherzustellen, würde es ausreichen, lediglich eine Randschicht der Lagerkomponenten mit einem hochlegierten Stahl zu versehen, um den Materialeinsatz des hochlegierten Stahls deutlich zu reduzieren.To ensure the functionality of a bearing or its bearing rings, it would be sufficient to provide only an edge layer of the bearing components with a high-alloy steel in order to significantly reduce the use of material of high-alloy steel.

Die DE 10 2008 024 055 A1 beschreibt hierzu ein Lagerelement mit einem Trägerelement und einem Funktionselement. Das Funktionselement bildet bei einem Lagerring die Laufbahn und kann unter anderem aus einem höherwertigen Stahl bestehen. Das beschriebene Lagerelement besteht damit aus zwei separat gefertigten Bauteilen, die jedoch erst in einem zusätzlichen nachträglichen Produktionsschritt zusammengefügt werden müssen. Dabei ist die Verbindung des Funktionselements mit dem Trägerelement nicht vollflächig metallischer Art, was zu mehreren Nachteilen führt: Durch eine leichte Unrundheit der Ringe kann es zu einem unvollständigen Kraftschluß und damit zu einer verminderten Torsionsfestigkeit kommen und es können Spalten an der Übergangsstelle auftreten, die Ausgangspunkt für Spaltkorrosion sind.The DE 10 2008 024 055 A1 describes for this purpose a bearing element with a carrier element and a functional element. The functional element forms the raceway in a bearing ring and may, inter alia, consist of a higher quality steel. The bearing element described thus consists of two separately manufactured components, which, however, must be joined together only in an additional subsequent production step. The connection of the functional element to the carrier element is not completely metallic, which leads to several disadvantages: A slight out-of-roundness of the rings can lead to an incomplete frictional connection and thus to a reduced torsional strength and gaps can occur at the transition point, the starting point for crevice corrosion are.

Bekannt sind außerdem Lager aus Keramik, die jedoch sehr teuer sind. Ferner bekannt sind beschichtete Lager, wobei die Beschichtungen meist nicht gleichermaßen abriebfest und überrollfest sind. Außerdem ergeben sich insbesondere bei den PVD-Verfahren geometrieabhängige Reglementierungen, so dass Laufbahnen von Lagerringen (insbesondere Außenringe) beispielsweise kaum gleichmäßig beschichtet werden können.Also known are bearings made of ceramic, which are very expensive. Also known are coated bearings, wherein the coatings are usually not equally resistant to abrasion and roll over. In addition, especially in the PVD process geometry-dependent regulations, so that raceways of bearing rings (in particular outer rings), for example, can hardly be uniformly coated.

Ferner bekannt sind Lagerringe aus durch Sprühkompaktieren hergestellten Gradientenwerkstoffen. Allerdings scheitert eine großtechnische Einführung des Sprühkompaktier-Verfahrens bislang daran, dass eine geeignete Anlagentechnik nicht verfügbar ist.Also known are bearing rings made of gradient materials produced by spray compacting. However, a large-scale introduction of Sprühkompaktier method fails so far that a suitable system technology is not available.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Lagerelement bestehend aus einem Trägerelement aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl, sowie geeigneter Nichteisenmetalle (z.B. Al) einstückig mit einer Funktionsschicht aus einem hochlegierten Stahl in geeigneter Dicke bereitzustellen. Dabei soll die Funktionsschicht für die spätere Anwendung eine geeignete Gefügestruktur aufweisen, bzw. nicht durch lokales Aufschmelzen unwiederbringlich geschädigt werden. Aufgabe ist ferner die Bereitstellung eines Verfahrens zur Beschichtung eines Trägerelements aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl, sowie Nichteisenmetallen mit einer intakten Funktionsschicht aus hochlegiertem Stahl, wobei der Aufbringungsprozess die Gefügestruktur der Funktionsschicht nicht nachteilig ändert.The object of the invention is therefore to provide a bearing element consisting of a carrier element of unalloyed or low-alloyed steel, as well as suitable non-ferrous metals (for example Al) in one piece with a functional layer of a high-alloy steel in a suitable thickness. In this case, the functional layer should have a suitable microstructure for later use, or not be irreparably damaged by local melting. The object is also to provide a method for coating a carrier element of unalloyed or low alloy steel, and non-ferrous metals with an intact functional layer of high-alloy steel, wherein the application process does not adversely affect the microstructure of the functional layer.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Lagerelement gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8. The object is achieved by a bearing element according to claim 1 and a method according to claim 8.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht dabei Lagerelemente wie beispielsweise Lagerringe vor, die auf einem Trägerelement basieren, das aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl gefertigt ist, beispielsweise aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6. Dieses Trägerelement ist erfindungsgemäß mit einer Funktionsschicht ausreichender und geeigneter Dicke versehen. Die Funktionsschicht kann beispielsweise aus einem hochlegierten Stahl (z.B. Cronidur) bestehen. Die Dicke der Funktionsschicht Iiegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 mm und ist im Falle eines Lagerrings beispielsweise abhängig von dessen Durchmesser.The embodiment of the invention provides bearing elements such as bearing rings, which are based on a carrier element which is made of unalloyed or low-alloy steel, for example, from the bearing steel 100Cr6. This support element is provided according to the invention with a functional layer of sufficient and suitable thickness. The functional layer may be made of, for example, a high alloy steel (e.g., Cronidur). The thickness of the functional layer is preferably in the range of 1 to 3 mm and in the case of a bearing ring, for example, depends on its diameter.

Die Funktionsschicht ist bei Lagerringen vorzugsweise im Bereich der Laufbahnen vorgesehen, kann jedoch auch an allen weiteren Flächen aufgebracht sein.The functional layer is preferably provided in the case of bearing rings in the region of the raceways, but may also be applied to all other surfaces.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst das Bereitstellen der Trägerelemente aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl. In einem zweiten Schritt wird ein hochlegierter Werkstoff als Funktionsschicht durch Reibauftrag aufgebracht. Dieses Aufbringen kann lagenweise bis hin zu einer gewünschten Dicke geschehen und erfolgt insbesondere unter Einstellung einer geeigneten Temperatur mittels geeigneten Drucks und geeigneter Reibung im plastischen Bereich auf die Oberfläche des Trägerelements.The method according to the invention initially comprises providing the carrier elements of unalloyed or low-alloy steel. In a second step, a high-alloy material is applied as a functional layer by friction. This application can be layer by layer up to a desired thickness and takes place in particular under adjustment of a suitable temperature by means of suitable pressure and suitable friction in the plastic region on the surface of the support element.

Die Temperatur ist dabei so gewählt, dass es nicht zu einem lokalen Aufschmelzen von Funktionsschicht und Trägermaterial kommt, und damit gewährleistet wird, dass durch nachfolgende Wärmebehandlungsprozesse eine für die Anwendung optimierte Härte und Gefügeausbildung der Funktionsschicht erzeugt wird. Ziel ist es, die Korrosionsfestigkeit bei gleichzeitiger Wälzfestigkeit zu erhalten.The temperature is chosen so that it does not come to a local melting of functional layer and substrate, and thus ensures that an optimized for the application hardness and microstructure of the functional layer is produced by subsequent heat treatment processes. The aim is to obtain the corrosion resistance with simultaneous rolling resistance.

Die Verbindung der Funktionsschicht mit dem Grundwerkstoff ist dabei metallisch und erfolgt durch die geeignet gewählten Fertigungsbedingungen mittels Adhäsion. The connection of the functional layer with the base material is metallic and is effected by the suitably selected production conditions by means of adhesion.

Die gesamte Deckschicht bzw. Funktionsschicht kann aus einzelnen Lagen des hochlegierten Stahl bestehen, wobei die Verbindung der einzelnen Lagen sowie die Verbindung zum Grundwerkstoff jeweils metallischer Art ist, also verschweißt ist.The entire cover layer or functional layer may consist of individual layers of high-alloy steel, wherein the connection of the individual layers and the connection to the base material is in each case metallic in nature, ie welded.

Sofern die Funktionsschicht auf Aluminium als Grundwerkstoff des Trägerelements aufgebracht wird, ist es sogar erst durch einen schnellen und nicht zu heiß temperierten Aufbringungsprozess möglich, den Prozess unter Vermeidung einer flüssigen Phase zu gestalten.If the functional layer is applied to aluminum as the base material of the carrier element, it is even possible to design the process while avoiding a liquid phase even by a fast and not too hot tempered application process.

Eine anschließende Wärmebehandlung dient zum Einstellen einer für die spätere Anwendung optimierten Härte und Gefügestruktur und kann aus den Verfahrensschritten Weichglühen und martensitischer Härtung bestehen.A subsequent heat treatment serves to set a hardness and microstructure optimized for later use and may consist of the steps of soft annealing and martensitic hardening.

Die Dicke der aufzutragenden Funktionsschicht aus hochlegiertem Stahl ist abhängig von den auftretenden Belastungen (Hertzsche Pressung) im bestimmungsgemäßen Betrieb der Lagerkomponente und übersteigt die Tiefe der maximal auftretenden Vergleichsspannung vorzugsweise um mindestens den Faktor 3.The thickness of the functional layer made of high-alloy steel to be applied depends on the loads occurring (Hertzian pressure) in the intended operation of the bearing component and preferably exceeds the depth of the maximum occurring comparison stress by at least the factor 3.

Vorzugsweise werden für die Funktionsschicht hochlegierte martensitisch härtbare Stähle verwendet, die aus Legierungen bestehen, die eine Zielhärte größer 58 HRC, eine Streckgrenze größer 1600 MPa, eine Zugfestigkeit größer 2000 MPa und eine Biegewechselfestigkeit größer 700 MPa aufweisen.Preferably, highly alloyed martensitic hardenable steels are used for the functional layer, which consist of alloys having a target hardness greater than 58 HRC, a yield strength greater than 1600 MPa, a tensile strength greater than 2000 MPa and a flexural fatigue strength greater than 700 MPa.

Das erfindungsgemäße Aufbringen eines hochlegierten Stahls auf beispielsweise zylindrischen Ringen erlaubt eine konturnahe Fertigung des Rohlings und führt damit zu einem reduzierten Aufwand für die Endbearbeitung der Lagerkomponente.The inventive application of a high-alloy steel on, for example, cylindrical rings allows contour-near production of the blank and thus leads to a reduced effort for the finishing of the bearing component.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008024055 A1 [0005] DE 102008024055 A1 [0005]

Claims (10)

Lagerelement für ein Wälzlager, Gleitlager oder eine Linearführung, wobei das Lagerelement ein Tägerelement und eine Funktionsschicht umfasst, wobei die Funktionsschicht aus einem höher legierten Werkstoff gefertigt ist als das Trägerelement, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht mit dem Trägerelement metallisch verbunden ist.Bearing element for a rolling bearing, sliding bearing or a linear guide, wherein the bearing element comprises a Tägerelement and a functional layer, wherein the functional layer is made of a higher alloyed material than the carrier element, characterized in that the functional layer is metallically connected to the carrier element. Lagerelement nach Anspruch 1, wobei die Funktionsschicht aus mehreren miteinander metallisch verbundenen Lagen eines martensitischen Stahls gebildet ist.Bearing element according to claim 1, wherein the functional layer is formed of a plurality of mutually metallically connected layers of a martensitic steel. Lagerelement nach Anspruch 2, wobei der martensitische Stahl eine Zielhärte größer 58 HRC, eine Streckgrenze größer 1700 MPa, eine Zugfestigkeit größer 2000 MPa und eine Biegewechselfestigkeit größer 700 MPa aufweist.Bearing element according to claim 2, wherein the martensitic steel has a target hardness greater than 58 HRC, a yield strength greater than 1700 MPa, a tensile strength greater than 2000 MPa and a bending fatigue strength greater than 700 MPa. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Trägerelement aus einem unlegierten oder niedrig legierten Stahl oder einem Nichteisenmetall besteht.Bearing element according to one of claims 1 to 3, wherein the carrier element consists of a non-alloyed or low alloy steel or a non-ferrous metal. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lagerelement ein Lagerring ist.Bearing element according to one of claims 1 to 4, wherein the bearing element is a bearing ring. Lagerelement nach Anspruch 5, wobei die Funktionsschicht ausschließlich im Bereich einer Laufbahn des Lagerrings aufgebracht ist.Bearing element according to claim 5, wherein the functional layer is applied exclusively in the region of a raceway of the bearing ring. Lager umfassend mindestens ein Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Bearing comprising at least one bearing element according to one of claims 1 to 6. Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Trägerelements aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl oder einem Nichteisenmetall, – Aufbringen einer Funktionsschicht aus einem hochlegierten Stahl, wobei das Aufbringen einlagig oder in mehreren Lagen durch Reibauftrag erfolgt, wobei die Verbindungen des Trägerelements zu der ersten aufgebrachten Lage und die Verbindung der Lagen untereinander metallisch sind.Method for producing a bearing element comprising the steps: Providing a support element of unalloyed or low-alloy steel or a non-ferrous metal, Application of a functional layer of a high-alloy steel, the application being effected in single-layer or in several layers by friction application, wherein the connections of the carrier element to the first applied layer and the connection of the layers to one another are metallic. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Funktionsschicht aus einem martensitischen Stahl besteht, der eine Zielhärte größer 58 HRC, eine Streckgrenze größer 1700 MPa, eine Zugfestigkeit größer 2000 MPa und eine Biegewechselfestigkeit größer 700 MPa aufweist.The method of claim 8, wherein the functional layer consists of a martensitic steel having a target hardness greater than 58 HRC, a yield strength greater than 1700 MPa, a tensile strength greater than 2000 MPa and a flexural fatigue strength greater than 700 MPa. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Funktionsschicht lagenweise bis zu einer Dicke von 1 bis 3 mm aufgetragen wird.The method of claim 8 or 9, wherein the functional layer is applied in layers to a thickness of 1 to 3 mm.
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