Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, wobei das Wälzlagerbauteil aus einem Wälzlagerstahl ausgebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Wälzlagerbauteil sowie ein Wälzlager.

Aus der DE 10 2006 052 834 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager ringes hervor, bei dem ein Lagerring aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew.-% und mit einem Gehalt an Chrom, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1 ,4 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% erzeugt wird. Der Lagerring wird einer Härtungsbehandlung unterzogen, bei der der Lagerring auf eine Außentemperatur zwischen 800°C und 880° C erwärmt wird und anschlie ßend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur von unter 150°C erreicht.

Die DE 10 2006 059 050 A1 beschreibt ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Wälzlagerbauteilen aus durchgehärtetem bainitischen Wälzlagerstahl mit Druckeigen spannungen im Randbereich und einem Martensitanteil von höchstens 5% sowie ei nem Restaustenitgehalt von höchstens 3%. Dazu wird eine zweistufige Wärmebe handlung durchgeführt, bei welcher das Bauteil ausgehend von der Austenitisierungs temperatur in einem Salzbad mit einer Temperatur im Bereich von 180 bis 210 °C ge ringfügig unterhalb der Martensitstarttemperatur abgekühlt wird und so lange gehalten wird, bis ein Temperaturausgleich erfolgt ist. Anschließend erfolgt eine Erwärmung des Bauteils in einem weiteren Bad auf eine Temperatur geringfügig oberhalb der der Martensitstarttemperatur. Im Ergebnis liegt im gesamten Bauteil ein bainitisches Ge füge vor.

Bei großen Wälzlagern ab etwa einem Meter Durchmesser sind auch die Wälzkörper entsprechend groß dimensioniert. Die Bauteile besitzen oft Querschnitte oder Wand stärken von 85 mm oder mehr. Damit derartige Bauteile technisch einwandfrei wär mebehandelt werden können, werden hoch legierte Stähle verwendet, die entspre chende Kosten verursachen. Bei Lagerringen werden größere Querschnitte auch aus durchhärtbarem Stahl in schalengehärteter Ausführung gefertigt. Diese Möglichkeit gibt es für großformatige Wälzkörper nicht, da an den Kanten (= Übergang Mantelflä- che zur Stirnseite) bei einer schroffen Abschreckung so hohe Zugspannungen auftre- ten, dass dies mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu einer Rissbildung führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils aus einem Wälzlagerstahl, das an mindestens einer Stelle mit einer Wandstärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm vorliegt, weiter zuentwickeln und ein mittels des Verfahrens hergestelltes Wälzlagerbauteil sowie ein Wälzlager anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Wälzlagerbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils wird das Wälzlagerbauteil aus einem Wälzlagerstahl und an mindestens einer Stelle mit einer Wandstärke oder einem Durchmesser von mindestens 85 mm ausgebildet, wo bei das Wälzlagerbauteil zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges erwärmt und anschließend in einem Salzwarmbad unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälzlagerstahls abgekühlt wird, derart, dass das Wälzlagerbauteil in einem Rand schichtbereich des Wälzlagerbauteils mit einem martensitischen Gefüge ausgebildet wird und in einem Kernbereich des Wälzlagerbauteils mit einem aus Perlit und/oder aus oberem Bainit bestehenden Gefüge ausgebildet wird.

Mit anderen Worten wird das Wälzlagerbauteil zunächst aus einem Wälzlagerstahl ausgeformt. Als Wälzlagerstahl, aus dem das Wälzlagerbauteil ausgebildet wird, eig net sich vorteilhafterweise 100CrMo7-3 oder 100CrMnSi6-4. Zu Beginn der Wärme behandlung wird das Wälzlagerbauteil auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und anschließend abgeschreckt, wobei die Abschreckgeschwindigkeit zum einen derart gewählt wird, dass ein Reißen in der Oberfläche des Wälzlagerbauteils verhindert wird, jedoch gleichzeitig eine technisch optimale und überrollfeste Schale auf der Mantelfläche des Wälzlagerbauteils mit möglichst geringem Verzug entsteht. Die Ab- Schreckgeschwindigkeit wird insbesondere in Abhängigkeit der Geometrie des Wälz lagerbauteils sowie des Abschreckmediums, also des Salzwarmbades, insbesondere dessen Wärmekapazität gewählt.

In dem Salzwarmbad erfolgt insbesondere eine Abkühlung des Wälzlagerbauteils auf eine Temperatur T im Bereich von 20 bis 70 °C, insbesondere 50 bis 70°C, unterhalb der Martensitstarttemperatur des Wälzlagerstahls.

Die Temperatur T wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 10 bis 20 min konstant gehalten.

Während des Abschreckens im Salzwarmbad erfolgt eine Phasenumwandlung im Ge füge des Wälzlagerbauteils, wobei sich an der Oberfläche beziehungsweise im ober flächennahen Bereich eine im Wesentlichen martensitische Gefügestruktur ausbildet. Mithin erfolgt durch das Abschrecken eine martensitische Randschichthärtung. Ferner bildet sich aufgrund der langsameren Abkühlung in oberflächenfernen Bereichen des Wälzlagerbauteils, insbesondere im Kern beziehungsweise im Kernbereich des Wälz lagerbauteils, eine im Wesentlichen perlitische und/oder eine im Wesentlichen bainiti- sche Gefügestruktur aus. Bei Betrachtung des kontinuierlichen Zeit-Temperatur- Diagramms, also der grafischen Darstellung der Umwandlungsvorgänge im Gefüge einer Legierung in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit, wird während des Abschre ckens für oberflächenferne Bereiche des Wälzlagerbauteils das Perlitfeld und/oder das Bainitfeld durchlaufen, wobei sich das entsprechende Gefüge einstellt. Welches Gefüge sich einstellt, hängt dabei im Wesentlichen von der Legierungszusammenset zung sowie der Geometrie des Wälzlagerbauteils ab.

Unter einem Martensit bzw. einem martensitischen Gefüge ist ein metastabiles Gefü ge zu verstehen, das diffusionslos aus dem austenitischen Ausgangsgefüge entsteht, insbesondere durch ein schnelles Abschrecken des Stahls ausgehend von der Härte- bzw. Austenitisierungstemperatur. Dabei erfolgt die Härtesteigerung während der Umwandlung dadurch, dass die im Austenitgitter gelösten Kohlenstoffatome ihre Git terplätze aufgrund der kurzen Zeitspanne der Umwandlung nicht mehr verlassen kön nen, wobei der Austenit diffusionslos in den Martensit umklappt und so die einge schlossenen Kohlenstoffatome das Kristallgitter verspannen. Martensit ist hart, hoch- fest aber auch sehr spröde, weshalb derartige Stähle üblicherweise nach dem Ab schrecken angelassen werden, um etwaige Risse zu vermeiden.

Perlit ist demgegenüber ein lamellar angeordneter, eutektoider Gefügebestandteil des Stahles, das heißt ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit, das durch gekoppelte Kristallisation in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen bei Kohlenstoffgehalten zwischen 0,02 % und 6,67 % auftritt. Perlit ist weicher als Martensit. Unter einem aus Perlit be stehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge im Kernbereich des Wälzlager bauteils im Wesentlichen aus Perlit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus Perlit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich ein perlitisches Gefüge aufweist. Auch eine geringfügige Abweichung von einem vollständig perlitischen Gefüge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als aus Perlit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen.

Unter Bainit ist ein Gefüge zu verstehen, das bei Temperaturen unterhalb der Perlit- bildung bis hin zur Martensitbildung sowohl isotherm als auch bei kontinuierlicher Ab kühlung entsteht. Oberer Bainit besteht aus nadelförmigem Ferrit, der in Paketen an geordnet ist. Zwischen den einzelnen Ferritnadeln liegen mehr oder weniger kontinu ierliche Filme aus Karbiden parallel zur Nadelachse vor. Zu unterscheiden ist oberer Bainit von unterem Bainit, welcher dagegen aus Ferritplatten besteht, innerhalb derer sich die Karbide unter einem Winkel von 60° zur Nadelachse bilden. Bainit ist eben falls weicher als Martensit, jedoch härter als Perlit. Unter einem aus oberem Bainit be stehenden Gefüge ist zu verstehen, dass das Gefüge im Kernbereich des Wälzlager bauteils im Wesentlichen aus oberem Bainit besteht. Somit besteht das Gefüge auch dann aus oberem Bainit, wenn es nicht vollständig und ausschließlich oberen Bainit aufweist. Auch eine geringfügige Abweichung von einem vollständig bainitischen Ge füge, bei dem auch andere Gefügestrukturen vorliegen können, ist demnach noch als aus oberem Bainit bestehendes Gefüge im Sinne dieser Erfindung zu verstehen.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildete Wälzlagerbauteil kann als Bauteilrohling ausgebildet sein, das endgeometrienah ausgebildet ist, wobei nach dem Abkühlen des Bauteils eine Weiterbehandlung, insbesondere eine mechanische Bearbeitung erfolgt, um das Wälzlagerbauteil in die Endgeometrie zu bringen. Alterna tiv kann das Bauteil bereits vor der Wärmebehandlung in Endgeometrie vorliegen. Das Wälzlagerbauteil ist beispielsweise als Innenring, als Außenring oder als Wälz körper eines Wälzlagers ausgebildet.

Die Härtbarkeit des jeweiligen Stahls wird bestimmt durch die Wahl der Legierungszu sammensetzung. Bei durchhärtbaren Stählen, wie beispielsweise dem 100CrMnSi6-4, lässt sich die Härtbarkeit ferner dadurch verändern, indem man über die Höhe der Austenitisierungstemperatur den Kohlenstoffgehalt sowie den Gehalt von gelösten Legierungselementen, wie Chrom, verändert. Der erforderliche Lösungszustand für die zu behandelnde Geometrie des Wälzlagerbauteils sowie die Abschreckwirkung lassen sich software-gestützt oder anhand von Versuchen vorabbestimmen.

Vorzugsweise weist das Salzwarmbad eine Temperatur zwischen 150°C und 210°C auf. Insbesondere weist das Salzwarmbad je nach Werkstoff eine Temperatur zwi schen 160°C und 200°C auf. Die Zusammensetzung des Salzwarmbades wird hin sichtlich der Anforderungen an die Abschreckparameter gewählt, wodurch eine Ab schreckgeschwindigkeit einstellbar ist, bei der sich an der Oberfläche des Wälzlager bauteils das martensitische Gefüge und oberflächenfern, insbesondere im Kern des Wälzlagerbauteils, ein aus Perlit und/oder oberem Bainit bestehendes Gefüge ausbil det. Insbesondere weist das Salzwarmbad dazu einen Wassergehalt von 0,5 bis 1 % auf.

Ferner wird der Abkühlungsprozess durch das Salzwarmbad derart eingestellt und gegebenenfalls verlängert, dass sich die Temperaturen von Rand und Kern des Wälz lagerbauteils ausgleichen können. Die damit einhergehenden Vorteile bestehen in der reduzierten Rissbildung infolge thermischer Beanspruchung. Ferner können geringere Eigenspannungen bei Wälzlagerbauteilen mit variablen Abmessungen, Größe und Gewicht erreicht werden.

Eine bevorzugte Abkühlgeschwindigkeit zwischen der Austenitisierungstemperatur und der Salzbadtemperatur liegt dabei im Bereich von 5 bis 10 K/s, je nach Wandstär ke oder Querschnitt des Wälzlagerbauteil.

Bevorzugt wird das Wälzlagerbauteil nach Erreichen der Temperatur des Salzwarm bades auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Sobald sich die Temperatur des Wälzla- gerbauteils der Temperatur des Salzwarmbades angeglichen hat, wird das Wälzlager bauteil aus dem Bad entnommen, sodass sich das Wälzlagerbauteil weiter bis auf Raumtemperatur abkühlen kann. Unter Raumtemperatur ist eine Temperatur zwi schen 18°C und 25°C, insbesondere zwischen 20°C und 25°C, zu verstehen.

Das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil weist eine Wandstärke oder einen Durch messer von wenigstens 85 mm, insbesondere von mindestens 200 mm, auf. Bei ei nem Wälzlagerring betrachtet man hier seine Wandstärke, bei einem Wälzkörper be trachtet man seinen Durchmesser.

Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete Wälzlagerbauteil besteht in einem Randschichtbereich bis zu mindestens einer Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Wälzlagerbauteils von 10 mm aus Martensit und weist eine Härte im Bereich von 60 HRC bis 65 HRC aufweist. Eine Härte von 60 HRC (Rockwellhärte) entspricht einer Vickershärte von etwa 700 HV und eine Härte von 65 HRC entspricht einer Vickers härte von etwa 830 HV. Mithin weist ein erfindungsgemäßes Wälzlagerbauteil bis zu mindestens einem ersten Oberflächenabstand von 10 mm eine Härte zwischen 60 HRC und 65 HRC und eine martensitische Gefügestruktur auf.

Die Einheit HRC setzt sich aus HR (Härte nach Rockwell, im Englischen „Hardness Rockwell“) als Kennzeichnung des Prüfverfahrens gefolgt von einem weiteren Buch staben, hier C, zusammen, der die Skala und damit die Prüfkräfte und -körper angibt. Bei der Skala C (C steht für „cone“, im Deutschen „Kegel“) wird ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel und eine Prüfvorkraft von 98,0665 N verwendet. Die Prüfzusatz kraft beträgt bei Skala C 1372,931 N.

Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil in seinem Kernbereich eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC auf. Eine Härte von 30 HRC entspricht einer Vickershärte von etwa 300 HV und eine Härte von 35 HRC entspricht einer Vickershärte von etwa 345 HV. Mithin weist das erfindungsgemäße Wälzlagerbauteil in seinem Kernbereich eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC sowie eine per sische und/oder bainitische Gefügestruktur auf. Das heißt, dass das Wälzlagerbauteil in einem Randschichtbereich aus Martensit und im Kernbereich aus Perlit und/oder oberem Bainit besteht.

Bei Wälzlagerbauteilen mit Wandstärken oder Querschnitten von mindestens 200 mm liegt vorzugsweise ab einer Tiefe unterhalb der Oberfläche des Bauteils von 70 mm die perlitische und/oder bainitische Gefügestruktur vor, die den Kernbereich ausbildet.

Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst einen Außenring und/oder einen Innenring sowie eine Vielzahl von Wälzkörpern, die am Außenring und/oder am Innenring abrol- len, wobei der Außenring und/oder der Innenring und/oder der jeweilige Wälzkörper ein Wälzlagerbauteil gemäß den vorherigen Ausführungen ist. Anders gesagt kann entweder nur der Außenring, nur der Innenring, nur die Wälzkörper oder eine beliebi ge Kombination der genannten Bauteile als erfindungsgemäßes Wälzlagerbauteil ausgeführt sein, das an der Oberfläche eine im Wesentlichen martensitische Gefü gestruktur und kernnah bzw. im Kernbereich eine im Wesentlichen perlitische und/oder obere Bainit-Gefügestruktur aufweist.

Die vorhergehenden Ausführungen zum Verfahren gelten gleichermaßen für das er findungsgemäße Wälzlagerbauteil sowie für das erfindungsgemäße Wälzlager, und umgekehrt.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fi guren näher dargestellt. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. H ierbei zeigt

Figur 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers nach einer bevorzugten Ausführungsform,

Figur 2 ein schematischer Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagerbau teils des Wälzlagers gemäß Figur 1, und

Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung des Wälzlagerbauteils nach Figur 2. Gemäß Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines als Wälz körper 5 ausgebildeten Wälzlagerbauteils 1 , das in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, gemäß eines Blockschaltbilds visualisiert. Anders gesagt ist vorliegend der Wälzkör per 5 als Wälzlagerbauteil 1 zu verstehen. Ein exemplarischer Wälzkörper 5 ist in Fi gur 2 eingebaut in einem Wälzlager 2 dargestellt, wobei der Wälzkörper 5 in Figur 3 im Querschnitt dargestellt ist.

In Figur 1 wird in einem ersten Verfahrensschritt 100 der Wälzkörper 5, der gemäß den Figuren 2 und 3 jeweils als Zylinderrolle mit einem Durchmesser D von wenigs tens 85 mm, vorliegend 200 mm, ausgebildet ist, aus dem Werkstoff 100CrMo7-3 ausgebildet. Eine Vielzahl derart hergestellter Wälzkörper 5 sind in einem gemäß Fi gur 2 ausgebildeten und montierten Wälzlager 2 räumlich zwischen einem Außenring 3 und einem Innenring 4 sowie in Umfangsrichtung durch einen Käfig 6 beabstandet zueinander angeordnet. Der Außenring 3 und/oder der Innenring 4 können ebenfalls aus 100CrMo7-3 ausgebildet sein sowie die gleiche Wärmebehandlung aufweisen.

Die Wärmebehandlung wird nachfolgend erläutert. Alternativ können die Wälzkörper 5, der Innenring 4 und/oder der Außenring 3 aus 100CrMnSi6-4 ausgebildet sein.

In einem zweiten Verfahrensschritt 101 wird der Wälzkörper 5 zur Ausbildung eines austenitischen Gefüges auf eine Härte- bzw. Austenitisierungstemperatur erwärmt und solange bei dieser Temperatur gehalten, bis eine vollständige Austenitisierung des Gefüges erfolgt ist. Anschließend wird der Wälzkörper 5 in einem dritten Verfahrens schritt 102 einem Salzwarmbad zugeführt und abgekühlt. Das Salzwarmbad weist in Abhängigkeit der Eigenschaften und des Mischungsverhältnisses des Salzwarmba des, der Materialeigenschaften des Wälzlagerbauteils 1 sowie der Austenitisierungs temperatur eine Temperatur zwischen 150°C und 210°C auf. Mittels des Salzwarmba des wird eine Abkühlung des Wälzkörpers 5 mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit erreicht, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 10 K/s, wobei eine Phasenumwand lung des Gefüges erfolgt. Dabei wandelt die austenitische Gefügestruktur an der Oberfläche des Wälzkörpers 5 aufgrund der vergleichsweise schnellen Abkühlung in ein martensitisches Gefüge um. Anders gesagt weist der Wälzkörper 5 nach der Ab kühlung an der Oberfläche, insbesondere in einem Randschichtbereich bis zu min destens einer Tiefe A1 unterhalb der Oberfläche des Wälzkörpers 5 von 10 mm, vgl. Figur 3, ein martensitisches Gefüge auf. Je größer der Abstand von der Oberfläche des Wälzkörpers 5, desto langsamer verläuft die Abkühlung des Wälzkörpers 5, so- dass sich im Kernbereich des Wälzlagerbauteils 1 ein aus Perlit und/oder aus oberem Bainit bestehendes Gefüge ausbildet. Mit anderen Worten weist das Wälzlagerbau teil 1 im Kernbereich, bei Querschnitten von mindestens 200mm insbesondere bei ei ner Tiefe A2 unter der Oberfläche des Wälzkörpers 5 von 70 mm, vgl. Figur 3, ein im Wesentlichen aus Perlit bestehendes Gefüge auf. Je nach Geometrie und Abmessung des Wälzkörpers 5 kann sich auch ein im Wesentlichen aus oberem Bainit bestehen des Gefüge ausbilden. Sowohl oberer Bainit als auch Perlit sind weicher als Martensit, sodass sich am Wälzkörper 5 im Randschichtbereich eine vergleichsweise harte Schale mit einer Flärte im Bereich von 60 HRC bis 65 HRC ausbildet. Demgegenüber weist das perlitische bzw. bainitische Gefüge des Wälzkörpers 5 im Kernbereich eine Härte im Bereich von 30 HRC bis 35 HRC auf.

In einem vierten Verfahrensschritt 103 wird der Wälzkörper 5 nach Erreichen der Temperatur des Salzwarmbades, das heißt, wenn der Wälzkörper 5 eine Temperatur aufweist, die der Temperatur des Salzwarmbades entspricht oder im Bereich der Temperatur des Salzwarmbades liegt, aus dem Salzwarmbad entnommen und auf Raumtemperatur, das heißt auf etwa 20 °C, abgekühlt. Durch eine solche Wärmebe handlung können Wälzlagerbauteile mit größeren Abmessungen kostengünstiger her gestellt werden, da auch bei Werkstoffen mit niedrigerem Legierungsgehalt durch eine derart angepasste Wärmebehandlung eine überrollfeste Oberfläche, im Fall des Wälzkörpers eine überrollfeste Mantelfläche bzw. Laufbahn, entsteht und das Wälzla gerbauteil beim Abschrecken nicht reißt.

Es ist denkbar, dass weitere Wärmebehandlungsschritte, beispielsweise Anlassen, durchgeführt werden, um die thermisch bedingten Spannungen innerhalb des Wälz körpers 5 zu reduzieren. Ferner kann eine mechanische Nachbehandlung erfolgen, um den Wälzkörper 5 in die Endgeometrie zu bringen. Bezuqszeichenliste

1 Wälzlagerbauteil

2 Wälzlager 3 Außenring

4 Innenring

5 Wälzkörper

6 Käfig 100 Erster Verfahrensschritt

101 Zweiter Verfahrensschritt

102 Dritter Verfahrensschritt

103 Vierter Verfahrensschritt A1 Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Wälzlagerbauteils

A2 Tiefe unterhalb einer Oberfläche des Wälzlagerbauteils

D Durchmesser