Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und Wälzlager

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Wälzlager, insbesondere ein Wälzlager einer Windenergieanlage. Schließlich betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage.

Insbesondere bei Wälzlagern, die sehr große Abmessungen aufweisen und/oder die in großen Anlagen verbaut werden, wie beispielsweise bei Wälzlagern von Windenergieanlagen, wird angesichts der hohen Kosten der Wälzlager selbst und der hohen Kosten, die durch einen Stillstand der mit derartigen Wälzlagern ausgerüsteten Anlagen verursacht werden, ein langer störungsfreier Betrieb und somit eine lange Lebensdauer der Wälzlager gefordert. Bei Anlagen mit sehr großen Wälzlagern treten aber mitunter extreme Beanspruchungssituationen auf, die sich durch ein einfaches Hochskalieren von Standardlagern nicht mehr beherrschen lassen. Es ist vielmehr erforderlich, die Wälzlager mit herausragenden und auf die erwarteten Beanspruchungsprofile abgestimmten Werkstoffeigenschaften auszustatten. Insbesondere bei Windenergieanlagen treten zudem sehr komplexe Beanspruchungsprofile auf, die zu einem vorzeitigen Ausfall von Wälzlagern führen können, welche mit konventionellen Lebensdauermodellen nicht vorhergesagt werden können. Insbesondere besteht das Risiko, dass temporär Beanspruchungen auftreten, die nicht im Einzelnen analysiert sind und nicht durch die Spezifikationen der Wälzlager abgedeckt sind. Die vorzeitigen Ausfälle beruhen häufig auf der Ausbildung von so genannten weißen Rissen. Dabei handelt es sich um Bereiche mit ultra feinem nano- rekristallisiertem karbidfreiem Ferrit.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager bereitzustellen, das auch bei einem Betrieb, in dem extreme Beanspruchungssituationen auftreten, eine sehr lange Lebensdauer und ein sehr geringes Risiko eines vorzeitigen Ausfalls aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und durch ein Wälzlager gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers, das einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn und Wälzkörper aufweist, die auf der Innenringlaufbahn und auf der Außenringlaufbahn abrollen, wird folgendermaßen vorgegangen:

Der Innenring wird aus Stahl und einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung unterzogen, die mit der Durchführung eines letzten Wärmebehandlungsschrittes bei einer vorgegebenen Temperatur abgeschlossen wird. Im Innenring werden durch Kaltverfestigung im Bereich der Innenringlaufbahn Druckeigenspannungen in einer Randschicht, die sich bis in eine Mindesttiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn erstreckt, ausgebildet. Nach der Kaltverfestigung wird der Innenring brüniert.

Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise in der vorstehend genannten Reihenfolge durchgeführt. Dabei müssen nicht alle Schritte zwingend in einem engen räumlichen oder zeitlichen Zusammenhang ausgeführt werden. Es besteht vielmehr die Möglichkeit, Zwischenprodukte zu fertigen, die zu einem späteren Zeitpunkt und/oder an einem anderen Ort weiter bearbeitet werden. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird die Empfindlichkeit des verwendeten Stahls gegen Rissbildung an der Oberfläche vermindert, unter extremen Beanspruchungsbedingungen die rissauslösende Gleitreibung zwischen den Wälzkörpern und der Innenringlaufbahn in den hochbeanspruchten Mikrokontakt- bereichen reduziert und das Eindringen von Wasserstoff in die Innenringlaufbahn erschwert. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer des Wälzlagers aus. Demgemäß hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es die Herstellung von Wälzlagern ermöglicht, die auch dann eine sehr lange Lebensdauer erreichen, wenn sie beispielsweise kurzzeitig extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Herstellung von Wälzlagern von Windenergieanlagen. Derartige Wälzlager können beispielsweise in Getrieben von Windenergieanlagen eingesetzt werden. Weiterhin können derartige Wälzlager beispielsweise zur Lagerung von Walzen in Papiermaschinen eingesetzt werden.

Mit der Wärmebehandlung kann die Ausbildung gewünschter Einsatzgefüge im Innenring erzielt werden. Durch das Härten wird die Innenringlaufbahn zuverlässig vor einer mechanischen Beschädigung und vor einem unzulässig hohen Verschleiß geschützt.

Der Innenring kann vor der Kaltverfestigung einer Martensit-, Einsatz- oder Induktionshärtung unterzogen werden. In diesem Fall kann es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Anlasstemperatur des Innenrings handeln.

Ebenso kann der Innenring vor der Kaltverfestigung einer Bainithärtung unterzogen werden. In diesem Fall kann es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Bainitumwandlungstemperatur des Innenrings handeln.

Zwischen dem Bearbeitungsschritt der Kaltverfestigung und dem Bearbeitungsschritt der Brünierung kann eine mechanische Oberflächennachbearbeitung des Innenrings durchgeführt werden. Dadurch können geschädigte Oberflächenbereiche des Innenrings abgetragen werden und/oder die Oberflächenrauhigkeit reduziert werden. Die Oberflächennachbearbeitung kann z. B. durch Schleifen und/oder Honen erfolgen. Eine Oberflächennachbearbeitung durch Schleifen kommt allerdings nur dann in Betracht, wenn der Abtrag so gering ist, dass die durch die Kaltverfestigung erzielten Effekte nicht unzulässig stark beeinträchtigt werden.

Der brünierte Innenring kann einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes unterzogen werden. Insbesondere kann der Innenring der thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterzogen werden, die wenigstens 10 K unter der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes liegt. Die thermische Nachbehandlung kann bei einer Temperatur von wenigstens 100 °C durchgeführt werden. Besonders effektiv ist die Wirkung der Nachbehandlung, wenn diese bei einer Temperatur durchgeführt wird, die maximal 100 K, insbesondere maximal 50 K, unter der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes liegt. Als ein Maß für die Wirksamkeit der thermischen Nachbehandlung kann die Abnahme der röntgenografischen Linienbreite herangezogen werden. Beispielsweise kann für die Halbwertsbreite der {21 1 } -Ferrit (Martensit/Bainit) öntgenbeugungslinie eine Absenkung um mindestens 0,05° an mindestens einem Ort innerhalb der mechanisch beeinflussten Zone (Oberfläche und/oder Tiefe) als Richtwert für eine wirksame thermische Nachbehandlung dienen.

Die thermische Nachbehandlung erfolgt vorzugsweise möglichst knapp unterhalb der Anlasstemperatur für eine von der Bauteildicke und der Dicke der mechanisch beeinflussten Randschicht abhängige, nicht zu lange Zeit von beispielsweise maximal 5 Stunden, um ohne nennenswerten Härteverlust die Stabilisierung des nach der Wärmebehandlung durch Oberflächenbearbeitung und Kaltverfestigung mechanisch beeinflussten Gefüges zu optimieren. Erfahrungsgemäß liegt eine ausreichende Zeit für die thermische Nachbehandlung bei maximal 2 Stunden. Wird statt eines Mar- tensit-, Einsatz- oder Induktionshärten ein Bainithärten durchgeführt, gelten die für die Anlasstemperatur getroffenen Aussagen für die Bainitumwandlungstemperatur entsprechend.

Die thermische Nachbehandlung kann jeweils so im Anschluss an das Brünieren durchgeführt werden, dass es zwischenzeitlich nicht zu einer nennenswerten Abkühlung kommt. Diese Bedingung kann beispielsweise dann als erfüllt angesehen werden, wenn die Temperatur der behandelten Komponente zwischen dem Brünieren und der thermischen Nachbehandlung einen Wert von 100 °C nicht unterschreitet.

Der Außenring und/oder die Wälzkörper können einer der Härtung dienenden Wärmebehandlung mit einem letzten Wärmebehandlungsschritt unterzogen werden. Dabei kann jeweils das gleiche Wärmebehandlungs verfahren wie beim Innenring zum Einsatz kommen. Ebenso kann auch ein von der Wärmebehandlung des Innenrings abweichendes Verfahren eingesetzt werden, da der Außenring und die Wälzkörper in der Regel geringeren Belastungen ausgesetzt sind als der Innenring. Weiterhin können der Außenring und/oder die Wälzkörper einer Kaltverfestigung, einer nach einer eventuell notwendigen Oberflächennachbearbeitung durchgeführten Brünier-Behandlung und/oder einer thermischen Nachbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes unterzogen werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Wälzlager, das einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn und Wälzkörper aufweist, die auf der Innenringlaufbahn und auf der Außenringlaufbahn abrollen. Der Innenring ist aus einem Stahl hergestellt und durch eine Wärmebehandlung gehärtet. Im Bereich der Innenringlaufbahn weist der Innenring in einer Randschicht, die sich bis in eine Mindesttiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn erstreckt, durch Kaltverfestigung ausgebildete Druckeigenspannungen auf. Die Oberfläche der Innenringlaufbahn ist durch eine Brünierschicht ausgebildet. Der Innenring kann aus einem Stahl mit einem Schwefelgehalt von 0,002 bis 0,015 Massen-% und/oder einem Sauerstoffgehalt kleiner 15 ppm hergestellt sein. Der Schwefelgehalt kann insbesondere zwischen 0,006 bis 0,015 Massen-% betragen. Der Sauerstoffgehalt kann insbesondere kleiner 10 ppm oder sogar kleiner 5 ppm sein. Der Innenring kann insbesondere aus einem durchhärtenden Wälzlagerstahl hergestellt sein. Weiterhin kann der Stahl Kalzium enthalten. Der Kalziumgehalt kann 10 bis 30 ppm betragen. Die ppm- Angaben beziehen sich jeweils auf das Massenverhältnis.

Der Innenring kann aus einem Stahl mit einem Umformverhältnis von wenigstens 5 : 1, insbesondere wenigstens 8 : 1 oder wenigstens 10 : 1, hergestellt sein. Dies hat den Vorteil eines vergleichsweise geringen Gehalts an Einschlüssen kritischer Größe oder Verteilung, welche letztendlich zu einer Schädigung des Innenrings führen können.

Der Innenring kann einen Restaustenitgehalt von 8 bis 18 Volumen-% aufweisen. Insbesondere kann der Restaustenitgehalt von 10 bis 16 Volumen-% betragen. Ein solcher Restaustenitgehalt erweist sich gerade unter extremer Wälzbeanspruchung als günstig, da Rissbildung und -Wachstum behindert werden.

Der Innenring kann im Bereich der Innenringlaufbahn in der Randschicht Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag in Höhe eines Mindestwerts oder darüber aufweisen und der Mindestwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen kann 200 MPa betragen. Die Mindesttiefe kann 0, 1 mm, insbesondere 0,2 mm, betragen. Der Mindestwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen kann insbesondere 400 MPa oder sogar 500 MPa betragen. In größeren Tiefen als der Mindesttiefe kann der Innenring Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag unterhalb des Mindestwerts aufweisen. Insbesondere kann der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen in größeren Tiefen als der Mindesttiefe mit zunehmender Tiefe abnehmen. Die Druckeigenspannungen haben eine reduzierte Rissneigung des Innenrings unter lokaler reibungsinduzierter Zugbeanspruchung und demgemäß eine erhöhte Betriebsdauer des Wälzlagers zur Folge.

Der Innenring kann im Bereich der Innenringlaufbahn in der Randschicht Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag in Höhe eines Höchstwerts oder darunter aufweisen und der Höchstwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen kann 1500 MPa betragen. Insbesondere kann der Höchstwert des Absolutbetrags der Druckeigenspannungen 1000 MPa oder lediglich 800 MPa betragen.

Der Innenring kann in der Randschicht eine mittels thermischer Nachbehandlung nach Ausbildung der Brünierschicht modifizierte Mikrostruktur aufweisen. Die modifizierte Mikrostruktur in der Randschicht des Innenrings kann Versetzungen aufweisen, an die durch die thermische Nachbehandlung Kohlenstoffatome angelagert sind. Diese Modifikation stabilisiert die Mikrostruktur und kann über eine Messung der Abnahme der röntgenografischen Linienbreite nachgewiesen werden. Beispielsweise kann bei einer Absenkung der Halbwertsbreite der {21 1 } -Ferrit (Martensit/Bainit) Röntgenbeugungslime um mindestens 0,05° an mindestens einem Ort innerhalb der Randschicht von einer signifikanten Modifikation der Mikrostruktur ausgegangen werden.

Der Außenring und/oder die Wälzkörper können brüniert sein.

Bei dem Wälzlager kann es sich insbesondere um ein Wälzlager einer Windenergieanlage, beispielsweise um ein Wälzlager eines Getriebes einer Windkraftanlage, handeln.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer Komponente eines Getriebes, wobei die Lageranordnung ein erfindungsgemäßes Wälzlager aufweist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Windenergieanlage, die ein erfindungsgemäß hergestelltes oder ein erfindungsgemäß ausgebildetes Wälzlager aufweist.

Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer Walze oder eines Zylinders, wobei die Lageranordnung ein erfindungsgemäßes Wälzlager aufweist. Das Wälzlager kann insbesondere als ein Pendelrollenlager oder als ein Toroidalrollenlager, beispielsweise als ein CA B Lager, ausgebildet sein.

Die Walze oder der Zylinder kann als eine Komponente einer Papiermaschine ausgebildet sein. Die Walze oder der Zylinder kann beispielsweise ein Bestandteil einer Siebpartie, einer Pressenpartie, einer Trockenpartie oder eines Kalanders sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausg

Wälzlagers in einer schematischen Schnittdarstellung,

Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Druckeigenspannungen im Innenring,

Figur 3 einen stark vergrößerten Ausschnitt des Innenrings im Bereich der

Innenringlaufbahn in einer schematischen Schnittdarstellung,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer Papiermaschine in Schnittdarstellung und Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer

Papiermaschine in Schnittdarstellung.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers in einer schematischen Schnittdarstellung. Das dargestellte Wälzlager ist als ein Kegelrollenlager ausgebildet und weist einen Innenring 1 mit einer konischen Innenringlaufbahn 2 und einen Außenring 3 mit einer konischen Außenringlaufbahn 4 auf. Auf der Innenringlaufbahn 2 und der Außenringlaufbahn 4 rollen konische Wälzkörper 5 ab. Die Wälzkörper 5 werden in einem Käfig 6 geführt. Das Wälzlager kann sehr große Abmessungen aufweisen. Beispielsweise kann der Außendurchmesser des Außenrings 3 wenigstens 1 m betragen. Derartige Wälzlager können beispielsweise als Komponenten einer Windenergieanlage ausgebildet sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Wälzlager auch in einem Getriebe einer Windenergieanlage zum Einsatz kommen, weist dann aber in der Regel einen Außenring 3 mit einem geringeren Außendurchmesser als 1 m auf. Ebenso kann das erfindungsgemäße Wälzlager als eine Komponente eines sonstigen Getriebes ausgebildet sein. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Wälzlager der Lagerung einer Walze, insbesondere einer Walze einer Papiermaschine dienen.

Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Wälzlager beispielsweise auch als ein Zylinderrollenlager mit zylinderförmigen Wälzkörpern 5, als ein Pendelrollenlagern oder als ein Toroidalrollenlager, insbesondere ein CARB Lager, ausgebildet sein.

Der Innenring 1 des Wälzlagers wird aus einem durchhärtenden Stahl, beispielsweise aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 gefertigt. Ebenso kann der Innenring 1 aus einem Einsatzstahl, beispielsweise aus dem Stahl 18NiCrMol4-6 gefertigt werden. Der verwendete Stahl wird mit einem sehr geringen Schwefelgehalt und einem sehr geringen Sauerstoffgehalt hergestellt. Der Schwefelgehalt beträgt zwischen 0,002 und 0,015 Massen-%, insbesondere zwischen 0,006 und 0,015 Massen-%. Der Sauerstoffgehalt ist kleiner als 15 ppm, insbesondere kleiner als 10 ppm oder nach Möglichkeit sogar kleiner als 5 ppm. Weiterhin kann dem Stahl Kalzium zugegeben sein, welches dazu führt, das die durch den Schwefel gebildeten Sulfiden in einer Form vorliegen, die den Stahl in einem geringeren Maß schädigen als diese ohne Kalzium der Fall ist. Der Kalziumgehalt kann 10 bis 30 ppm betragen. Die ppm- Angaben beziehen sich jeweils auf das Massenverhältnis.

Der Stahl wird beginnend mit einem gegossenen Block beispielsweise durch Schmieden oder Walzen zu einem Rohling umgeformt, aus dem der Innenring 1 hergestellt wird. Das Verhältnis der Querschnittsfläche des gegossenen Blocks zur Querschnittsfläche des Rohlings wird im Folgenden als Umformverhältnis bezeichnet. Ein hohes Umformverhältnis bedeutet, dass eine starke Umformung, insbesondere eine starke Reduzierung der Querschnittsfläche, durch Druckeinwirkung erfolgte. Da durch die Umformung der Gehalt an Einschlüssen kritischer Größe und Verteilung im Stahl reduziert wird, bedeutet ein hohes Umformverhältnis eine starke Reduzierung des Gehalts an Einschlüssen kritischer Größe und Verteilung im Stahl. Ein Stahl mit wenigen kritischen Einschlüssen ist wiederum weniger anfällig für die Ausbildung von Rissen und für sonstige Beschädigungen. Daher wird für den Innenring 1 vorzugsweise ein Stahl mit einem Umformverhältnis von wenigstens 5 : 1, insbesondere wenigstens 8 : 1 oder besser noch wenigstens 10 : 1 verwendet.

Der Innenring 1 wird durch eine Wärmebehandlung gehärtet. Beispielsweise wird eine Martensithärtung durchgeführt. Dabei werden die Verfahrensparameter des bei der Martensithärtung durchgeführten Austenitisierens, Abschreckens und Anlassens so gewählt, dass sich ein Restausthenitgehalt zwischen 8 und 18 Volumen-%, insbesondere zwischen 10 und 16 Volumen-% ergibt.

Nach Abschluss der Wärmebehandlung wird der Innenring 1 einem Schleifprozess zugeführt. Im Rahmen des Schleifprozesses wird die Innenringlaufbahn 2 mit einer vorgegebenen Geometrie und einer vorgegebenen Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet. Durch das Schleifen können beispielsweise Verzüge kompensiert werden, die durch das Härten entstanden sind. An das Schleifen kann sich auch ein Honen anschließen, um für gute tribologische Eigenschaften eine besonders glatte Oberfläche mit geringer Rauheit zu erzeugen.

In einem weiteren Arbeitsschritt erfolgt eine Kaltverfestigung des Innenrings 1 im Bereich der Innenringlaufbahn 2. Eine Kaltverfestigung lässt sich beispielsweise durch ein Kugelstrahlen, Festwalzen und/oder Warmölstrahlen der Innenringlaufbahn 2 erreichen. Zur Beseitigung etwaiger Oberflächenschädigungen oder plastischer Verformungen kann die Innenringlaufbahn 2 im Anschluss an die Kaltverfestigung geschliffen und/oder gehont werden. Eine Oberflächennachbearbeitung durch Schleifen kommt allerdings nur dann in Betracht, wenn der Abtrag so gering ist, dass die durch die Kaltverfestigung erzielten Effekte nicht unzulässig stark beeinträchtigt werden. Eine Kaltverfestigung durch Festwalzen hat deutlich höhere Oberflächenschädigungen zur Folge als eine Kaltverfestigung durch Kugelstrahlen. Deshalb wird man in vielen Fällen dem Festwalzen oder ähnlichen Techniken gegenüber dem Kugelstrahlen den Vorzug geben. Bei einer Kaltverfestigung durch Festwalzen wird ein Schleifen in der Regel nicht erforderlich sein, allenfalls ein Honen.

Durch die Kaltverfestigung werden im Innenring 1 in einer Randschicht Druckeigenspannungen erzeugt, die sich sehr vorteilhaft auf die Lebensdauer des Wälzlagers auswirken. Größe und Tiefenverlauf der Druckeigenspannungen werden anhand von Figur 2 näher erläutert.

Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Druckeigenspannungen im Innenring 1. Auf der Abszisse ist die Tiefe unter der Oberfläche der Innenringlaufbahn 2 aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Wert der Eigenspannung für die jeweilige Tiefe aufgetragen. Negative Werte der Eigenspannung bedeuten, dass es sich um eine Druckeigenspannung handelt, positive Werte bedeuten, dass es sich um eine Zugeigenspannung handelt. Die Eigenspannung weist im gesamten dargestellten Bereich, der mit der erwähnten Randschicht gleichgesetzt werden kann, negative Werte auf, so dass es sich durchgehend um eine Druckeigenspannung handelt. An der Oberfläche der Innenring- laufbahn 2 liegt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung geringfügig unter 600 MPa, was einen typischen Wert nach dem Honen darstellt. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung zunächst ab bis auf etwas über 400 MPa in einer Tiefe von ca. 0,01 mm. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung wieder zu und nähert sich in einer Tiefe von 0,20 mm bis 0,25 mm einem Wert von 800 MPa, ohne diesen jedoch zu erreichen. Zu noch größeren Tiefen hin nimmt der Absolutbetrag der Druckeigenspannung wieder kontinuierlich ab.

Es hat sich gezeigt, dass sich eine lange Lebensdauer des Wälzlagers erzielen lässt, wenn der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen bis in eine Mindesttiefe einen Mindestwert nicht unterschreitet. Die Mindesttiefe sollte 0, 1 mm, insbesondere 0,2 mm betragen. Der Mindestwert für den Absolutbetrag der Druckeigenspannungen sollte 200 MPa, insbesondere 400 MPa oder 500 MPa betragen. In größeren Tiefen als der Mindesttiefe kann der Innenring 1 Druckeigenspannungen mit einem Absolutbetrag unterhalb des Mindestwerts aufweisen. Insbesondere kann der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen in größeren Tiefen als der Mindesttiefe mit zunehmender Tiefe abnehmen. Des Weiteren sollte der Absolutbetrag der Druckeigenspannungen über den gesamten Tiefenbereich einen Höchstwert nicht überschreiten. Der Höchstwert kann 1500 MPa, insbesondere 1000 MPa oder auch 800 MPa betragen.

Nach der Kaltverfestigung und einer zur Erzielung geeigneter Rauhigkeiten eventuell notwendigen mechanischen Oberflächennachbearbeitung wird der Innenring 1 brüniert. Die Brünierung kann auf eine Weise erfolgen, die in der DE-A- 102007061 193 beschrieben ist. Der brünierte Innenring 1 ist in Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt des Innenrings 1 im Bereich der Innenringlaufbahn 2 in einer schematischen Schnittdarstellung.

Die Oberfläche der Innenringlaufbahn 2 wird durch eine dünne Brünierschicht 7 ausgebildet. Die Dicke der Brünierschicht 7 kann weniger als 1 μηι oder bis zu einigen wenigen μηι betragen. Damit liegt die Brünierschicht 7 bei der in Figur 3 dargestellten Kurve vollständig innerhalb des an der Oberfläche beginnenden Bereichs des ersten Anstiegs, d. h. innerhalb des Bereichs abnehmender Werte für den Absolutbetrag der Druckeigenspannung. Die Brünierschicht 7 ist sehr dicht ausgebildet und weist eine tiefschwarze Farbe auf. Insbesondere ist die Brünierschicht 7 flüssigkeitsdicht ausgebildet.

Nach dem Brünieren wird der Innenring 1 einer thermischen Nachbehandlung unterzogen. Die thermische Nachbehandlung wird bei einer Temperatur durchgeführt, die wenigstens 10 K unter der Anlasstemperatur des Innenrings 1 liegt, beispielsweise in einem Bereich von 190 bis 230 °C. In jedem Fall sollte eine Temperatur oberhalb 100 °C gewählt werden. Besonders effektiv ist die thermische Nachbehandlung, wenn sie bei einer Temperatur durchgeführt wird, die maximal 100 K, besser noch maximal 50 K, unter der Anlasstemperatur liegt. Die Temperatur der thermischen Nachbehandlung kann auch dichter als 10 K an die Anlasstemperatur herangeführt werden. Dann ist jedoch eine relativ genaue Temperatursteuerung zu gewährleisten, um ein Überschreiten der Anlasstemperatur zu vermeiden. Durch die thermische Nachbehandlung wird erreicht, dass sich das Gefüge des Innenrings 1 stabilisiert. Dabei lagern sich Kohlenstoffatome, vergleichbar mit Cottrell- Wolken, an Versetzungen an, die während der plastischen Verformung bei der Kaltverfestigung und Oberflächenhartbearbeitung durch die dabei ausgelösten Gleitvorgänge energetisch günstige Konfigurationen (z. B. Dipole, Multipole) ausbilden, und stabilisieren so diese günstigen Versetzungsanordnungen. Die unter Wälzbeanspruchung ablaufenden Prozesse (z. B. Wälzermüdung) werden dadurch vorteilhaft beeinflusst, d. h. insbesondere in ihrer werkstoffschädigenden Wirkung verlangsamt. Mit der Durchführung der thermischen Nachbehandlung ist der Innenring 1 fertiggestellt und kann zum Zusammenbau des Wälzlagers verwendet werden.

Anstelle einer Martensithärtung kann als Wärmebehandlung eine Bainithärtung vorgesehen sein. In diesem Fall wird die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, die wenigstens 10 K unter der Bainitumwandlungstempe- ratur liegt. Das bei der Martensithärtung zu den Temperaturgrenzen Gesagte gilt analog.

Ganz allgemein kann die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden, die unterhalb, vorzugsweise wenigstens 10 K unterhalb, der Temperatur eines letzten Wärmebehandlungsschrittes liegt. Bei der Martensithärtung ist der letzte Wärmebehandlungsschritt das Anlassen. Demgemäß handelt es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Anlasstemperatur. Bei der Bainithärtung ist der letzte Wärmebehandlungsschritt die Bainitumwand- lung. Demgemäß handelt es sich bei der Temperatur des letzten Wärmebehandlungsschrittes um die Bainitumwandlungstemperatur.

Der Außenring 3 und/oder die Wälzkörper 5 können aus dem gleichen Material wie der Innenring 1 gefertigt sein. Bei der Bearbeitung des Außenrings 3 und/oder der Wälzkörper 5 können die für den Innenring 1 beschriebenen Prozessschritte einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen. Es können aber auch abgewandelte Prozessschritte zum Einsatz kommen. Da der Außenring 3 in der Regel geringeren Belastungen ausgesetzt ist als der Innenring 1 , ist es nicht erforderlich, alle für den Innenring 1 beschriebenen Prozessschritte auch für den Außenring 3 zu übernehmen. Beispielsweise ist eine Kaltverfestigung beim Außenring 3 nicht zwingend erforderlich.

Ein vorzeitiger Ausfall des Wälzlagers wird in der Regel nicht durch die im Betrieb des Wälzlagers permanent vorhandene nominelle Belastung, sondern vielmehr durch Spitzenbeanspruchungszustände, die mit einer kurzzeitigen Störung der Lagerkinetik in Verbindung stehen, hervorgerufen. Diese kritischen Betrieb szustände, die von der Einwirkung von Schwingungen auf das Lager herrühren, sind insbesondere durch hohe lokale Gleitreibung (großer Reibbeiwert) bei gleichzeitig hoher Hertz' scher Pressung gekennzeichnet und können etwa bei Start- und Bremsvorgängen oder Notstopps auftreten. So können durch eine an der Kontaktfläche infolge von auf das Lager einwirkenden, in der Praxis oft mehrdimensionalen Schwingungen lokal, z. B. band- oder fleckenförmig, auftretende Mischreibung sehr hohe Zugspannungen im Bereich nahe der Oberfläche auftreten, welche zur Anrissbildung durch typischerweise 0,05 bis über 0,2 mm tiefen spröden Gewaltbruch führen können. Die an oder nahe der Laufbahnoberfläche initiierten Anrisse breiten sich unter Mitwirkung des eindringenden, alternden Schmierstoffs relativ rasch durch Schwingungsrisskorrosion (Korrosionsermüdung) verzweigend und aufweitend in den Werkstoff hinein aus, was im weiteren Betrieb zu Schälungen, beispielsweise durch Rissrückläufer, führt.

Insgesamt werden beim erfindungsgemäßen Wälzlager durch ein maßgeschneidertes Zusammenspiel verschiedener Maßnahmen eine Reduzierung des Risikos eines vorzeitigen Ausfalls und damit eine Erhöhung der Lebensdauer erreicht. Diese Maßnahmen beinhalten eine Passivierung, die Verwendung eines besonders reinen Stahls wenigstens für die am stärksten beanspruchte Komponente und eine Stärkung bis tief unter die Oberfläche wenigstens bei der am stärksten beanspruchten Komponente.

Eine Passivierung lässt sich durch eine Stabilisierung der oberflächennahen Mikrostruktur, durch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen (tribo-) chemische Angriffe, durch eine Reduktion der lokalen Gleitreibung unter Spitzenlast und durch ein verbessertes Einlaufen erreichen. Im Hinblick auf die Reinheit des Stahls sind insbesondere Sauerstoff- und Schwefelverunreinigungen von Bedeutung, da sie mit Einschlüssen, wie beispielsweise Oxiden oder Sulfiden, in Verbindung stehen. Diese Einschlüsse bilden insbesondere dann ein Risiko für eine Schädigung des Wälzlagers, wenn sie in oberflächennahen Bereichen, beispielsweise bis in eine Tiefe von 200 μηι unter der Oberfläche auftreten. Solche oberflächennahen Einschlüsse stellen kritische Schwachpunkte (Spannungskonzentrationen) im Werkstoff dar, an denen die beschriebenen reibzugspannungsinduzierten Gewaltbruchanrisse leichter ausgelöst werden können.

Durch Kaltverfestigung bis in eine hinreichende Tiefe (z. B. 0,4 mm) unter der Oberfläche erzeugte Druckeigenspannungen hinreichender Mindeststärke (z. B. 400 MPa) bewirken eine Erhöhung des Werkstoffwiderstands gegen die Entstehung von spröden Oberflächengewaltbruchanrissen und behindern auch eine Rissausbreitung unter der Oberfläche. Dies kann mittels der bereits im Einzelnen beschriebenen Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Randschicht erfolgen.

Durch die beschriebenen Maßnahmen kann das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls des Wälzlagers erheblich reduziert werden.

Das erfindungsgemäße Wälzlager kann beispielsweise in einer Lageranordnung einer Papiermaschine zum Einsatz kommen. Dort kann das erfindungsgemäße Wälzlager insbesondere in einer Siebpartie zur drehbaren Lagerung einer Formerwalze oder einer Saugwalze, in einer Pressenpartie zur drehbaren Lagerung einer Siebwalze oder einer Saugwalze, Presswalze , in einer Trockenpartie zur Lagerung einer Filzwalze, eines Trockenzylinders oder eines Yankeezylinders oder in einem Kalander zur Lagerung einer Filzwalze oder einer Thermowalze eingesetzt werden. Einige dieser Lageranordnungen werden im Folgenden näher beschrieben.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer Papiermaschine in Schnittdarstellung. Die dargestellte Lageranordnung dient der Lagerung von Presswalzen und wird mit einer Ölumlaufschmierung betrieben.

An beiden axialen Enden einer nicht figürlich dargestellten und als Presswalze ausgebildeten Walze ist ein Zapfen 8 ausgebildet, der bereichsweise vom Innenring 1 aufgenommen ist. Demgemäß sind pro Walze jeweils zwei Lagerstellen und somit zwei erfindungsgemäße Wälzlager vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 sind beide Lagerstellen identisch ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Deshalb ist in Figur 4 lediglich eine Lagerstelle dargestellt. Mittels einer Mutter 9, die auf ein Gewinde 10 des Zapfens 8 aufgeschraubt ist, ist der Innenring 1 des Wälzlagers auf dem Zapfen 8 gesichert. Der Innenring 1 weist zwei axial nebeneinander angeordnete konkav gekrümmte Innenringlaufbahnen 2 auf, auf denen zwei Sätze von axial nebeneinander angeordneten tonnenförmigen Wälzkörpern 5 abrollen. Die Wälzkörper 5 werden in zwei axial nebeneinander angeordneten Käfigen 6 geführt und rollen weiterhin auf einer konkav gekrümmten Außenringlaufbahn 4 eines Außenrings 3 ab. Alternativ dazu kann ein einziger Käfig 6 für beide Sätze von Wälzkörpern vorgesehen sein. Der Außenring 3 ist in einem Lagergehäuse 1 1 angeordnet, das beispielsweise in einer nicht figürlich dargestellten Seitenwand der Papiermaschine fest verankert sein kann. Das Lagergehäuse 1 1 ist mittels einer Dichtungsanordnung 12 und einer weiteren Dichtungsanordnung 13, die auf je einer Seite axial neben dem Wälzlager angeordnet sind, gegen den Zapfen 8 abgedichtet. Die Dichtungsanordnung 12 ist in einer geringeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager und die weitere Dichtungsanordnung 13 in einer größeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager angeordnet. Im Bereich der weiteren Dichtungsanordnung 13 weist das Gehäuse 1 1 einen Deckel 14 auf.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung einer Papiermaschine in Schnittdarstellung. Die in Figur 5 dargestellte Lageranordnung dient der Lagerung von Filzleitwalzen in der Trockenpartie der Papiermaschine und wird mit einer Ölschmierung betrieben.

Analog zum Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist gemäß Figur 5 die nicht figürlich dargestellte und als Filzleitwalze ausgebildete Walze an beiden axialen Enden je einen Zapfen 8 auf, der bereichsweise von einem Innenring 1 des Wälzlagers aufgenommen ist. Demgemäß sind auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 pro Walze jeweils zwei Lagerstellen und somit zwei erfindungsgemäße Wälzlager vor- gesehen. Im Gegensatz zur Figur 4 sind beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 die beiden Lagerstellen unterschiedlich ausgebildet und deshalb beide in Figur 5 dargestellt.

Die in Figur 5 links dargestellte Lagerstelle weist ein Wälzlager auf, das als ein einreihiges Toroidalrollenlager, insbesondere als ein CA B Lager, ausgebildet ist und neben dem Innenring 1 mit einer konkav gekrümmten Innenringlaufbahn 2, einen Außenring 3 mit einer konkav gekrümmten Außenringlaufbahn 4 und einen Satz tonnenförmiger Wälzkörper 5 aufweist, die in einem Käfig 6 geführt werden und auf der Innenringlaufbahn 2 und der Außenringlaufbahn 4 abrollen. Der Innenring 1 ist auf dem Zapfen 8 angeordnet und mittels einer Mutter 9, die auf ein am Zapfen 8 ausgebildetes Gewinde 10 aufgeschraubt ist, am Zapfen 8 fixiert. Der Außenring 3 ist in einem Lagergehäuse 1 1 angeordnet. Das Lagergehäuse 1 1 ist durch eine Dichtungsanordnung 12, die in einer geringeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager angeordnet ist, gegen den Zapfen 8 abgedichtet. Außerdem ist das Gehäuse 1 1 durch einen Deckel 14 verschlossen, der in einer größeren Entfernung zur Walze als das Wälzlager angeordnet ist,

Die in Figur 5 rechts dargestellte Lagerstelle ist bis auf die Ausgestaltung des Wälzlagers selbst analog zu der in Figur 5 links dargestellten Lagerstelle ausgebildet und spiegelsymmetrisch zu dieser angeordnet. Das Wälzlager der in Figur 5 rechts dargestellten Lagerstelle ist als ein zweireihiges Pendelrollenlager ausgebildet und weist einen Innenring 1 mit zwei axial nebeneinander angeordneten konkav gekrümmten Innenringlaufbahnen 2, einen Außenring 3 mit einer konkav gekrümmten Außenringlaufbahn 4 und zwei axial nebeneinander angeordnete Sätze von tonnen- förmigen Wälzkörpern 5 auf, die in je einem oder in einem gemeinsamen Käfig 6 geführt werden und auf den Innenringlaufbahnen 2 und der Außenringlaufbahn 4 abrollen. Bei einer Abwandlung der Lageranordnung gemäß Figur 5 ist die links dargestellte Lagerstelle analog zur rechts dargestellten Lagerstelle ausgebildet und spiegelsymmetrisch zu dieser angeordnet.

Bezugszeichenliste

1 Innenring

2 Innenringlaufbahn

3 Außenring

4 Außenringlaufbahn

5 Wälzkörper

6 Käfig

7 Brünierschicht

8 Zapfen

9 Mutter

10 Gewinde

1 1 Lagergehäuse

12 Dichtungsanordnung

13 weitere Dichtungsanordnimg

14 Deckel