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Dokumentenidentifikation DE60313273T2 20.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001418246
Titel Wärmebehandlung für ein Lager aus Stahl
Anmelder Jtekt Corp., Osaka, Osaka, JP
Erfinder Toda, Kazutoshi, Chuo-ku Osaka-shi 542-0081 Osaka, JP;
Goto, Masao, Chuo-ku Osaka-shi 542-0081 Osaka, JP
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60313273
Vertragsstaaten DE, FR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.10.2003
EP-Aktenzeichen 030248256
EP-Offenlegungsdatum 12.05.2004
EP date of grant 18.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse C21D 9/40(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F16C 33/64(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagerteil, wie etwa einen Außenring eines Wälzlagers oder insbesondere ein Lagerteil mit einem Lochbereich, wie z.B. einem Schmierungsloch, das sich zu einer Oberfläche öffnet, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Beschreibung des Standes der Technik

Im Hinblick auf ein großes Lager, das in einem Stahlwalzwerk (Maschine) oder dgl. montiert wird, wurde ein Lagerteil, wie z.B. ein Außenring, vorgesehen, das je nach Bedarf mit einem Lochbereich versehen ist, der sich zu einer Oberfläche öffnet, damit die Leistung des Lagers erhalten bleibt oder sich dessen Handhabung verbessern läßt. Bei einem zweireihigen konischen Wälzlager ist z.B. ein Außenring mit einem Schmierungsloch versehen, das mit dessen innerer und äußerer Umfangsfläche in Verbindung steht, so daß einer Lauffläche fortlaufend Schmieröl zugeführt wird. Andererseits kann der Außenring in seiner äußeren Umfangsfläche mit einem Bolzenloch versehen sein, so daß das Lager bei der Montage des Lagers in einer Maschine über einen Hängebolzen aufgehängt werden kann, der in das Bolzenloch geschraubt wird.

Beim herkömmlichen Lagerteil, wie es vorstehend beschrieben ist, wird ein Zwischenprodukt, das aus Lagerstahl hergestellt ist und eine vorgegebene Form erhalten hat, einer Wärmebehandlung unterzogen, und dadurch werden die Lauffläche und dgl. nachgeformt. Somit wird die Abplatzbeständigkeit des Lagers an der Lauffläche verbessert und folglich wird dessen Nutzungsdauer verlängert.

Wenn jedoch der vorstehend genannte Lochbereich vor der Wärmebehandlung im Zwischenprodukt erzeugt wird, kann die Wärmebehandlung Fehler, wie etwa Risse, im Umfangsbereich des Lochbereichs hervorrufen. Deshalb wird beim herkömmlichen Lagerteil und beim Verfahren zu dessen Herstellung versucht, den Lochbereich nach der Wärmebehandlung auszubilden. Das so wärmbehandelte Lagerteil wird jedoch gehärtet, und folglich erfordert die Ausbildung des Lochbereichs ein elektrochemisches Abtragen, was die Kosten für das Lagerteil merklich erhöht.

Die US 5 658 082 wird als nächstliegender Stand der Technik angesehen und offenbart ein dem Abschreckhärten unterzogenes Stahllager und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die US 4 871 268 beschreibt ebenfalls ein Lager aus gehärtetem Stahl.

Gegenstand und kurze Beschreibung der Erfindung

Angesichts der vorstehend geschilderten Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lagerteil bereitzustellen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, die so konzipiert sind, daß Fehler, wie etwa Risse, im Umfangsbereich eines Lochbereichs vermieden werden, die während einer Wärmebehandlung auftreten können, obwohl der Lochbereich, wie etwa ein Schmierungsloch, vor der Wärmebehandlung erzeugt worden ist.

Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe werden gemäß der vorliegenden Erfindung ein Lagerteil und Verfahren zum Herstellen des Lagerteils offenbart, wie es in den Patentansprüchen 1 bzw. 9 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterentwicklungen des Lagerteils und des Verfahrens sind in den jeweiligen Untersprüchen aufgeführt.

Die Erfinder haben erkannt, daß das so gestaltete Lagerteil die Fähigkeit erreicht, die gewünschte Oberflächenhärte beizubehalten, sowie auch Fehler, wie etwa Risse, im Unfangsbereich des Lochbereichs zu vermeiden, die während der Wärmebehandlung auftreten können, wenn die Restdruckspannung, die an der Oberfläche auftritt, auf 30 MPa oder weniger begrenzt wird. Da das Lagerteil ferner die angegebene Oberflächenhärte hat, kann die erforderliche Oberflächenhärte am Lagerteil erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren

Es zeigen:

1 eine graphische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Lagerteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

2 eine graphische Darstellung der Meßergebnisse der Härte eines Lagerteils gemäß 1, das mit einem Schmierungsloch versehen ist, die in entsprechenden Tiefen von dessen Oberfläche bestimmt wurde;

3 eine graphische Darstellung der Meßergebnisse der Restdruckspannung des Lagerteils, das mit dem Schmierungsloch versehen ist, die in entsprechenden Tiefen von dessen Oberfläche bestimmt wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausführunsgbeispiele

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das ein Lagerteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben. Die folgende Beschreibung dient als Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem Außenring eines zweireihigen konischen Wälzlagers angewendet wird.

1 ist eine graphische Darstellung, die die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Lagerteils gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein ringförmiges Material A aus JIS SUJ2 hergestellt ist, als Lagerstahl (siehe 1A) zuerst einem Drehverfahren unterzogen, um dessen äußere Umfangsfläche 13 und die Seitenflächen 15 in die vorgegebene Form zu bearbeiten, sowie auch axial in dessen Mitte eine innere Umfangsfläche 11 zu erzeugen.

Außerdem werden auf der Seite der inneren Umfangsfläche 11 zwei konische Laufflächen 12 in einer Art und Weise erzeugt, daß sich die innere Umfangsfläche 11 axial dazwischen befindet. Anschließend wird ein Bohrer oder dgl. verwendet, um das vorstehend genannte Material A zu bohren, so daß ein Durchgangsloch erzeugt wird, das radial durch das Material A verläuft (in senkrechter Richtung, wie es in der Zeichnungsfigur ersichtlich ist), so daß die innere und die äußere Umfangsfläche 11, 13 miteinander in Verbindung stehen. Somit wird das Schmierungsloch 14 erzeugt (siehe 1B).

Anschließend wird der Rohling (Zwischenprodukt) B, der in dieser Weise durch Drehen und Bohren bearbeitet worden ist, erwärmt und anschließend abgeschreckt und danach getempert, so daß die Oberfläche des Rohlings bis zur Härte HRC60 oder mehr gehärtet sein kann (1 C). Bei der Wärmebehandlung wird die Restdruckspannung, die in der Oberfläche des Rohlings B auftritt, auf 30 MPa oder weniger begrenzt, um zu verhindern, daß der Umfangsbereich des Schmierungslochs 14 Fehler, wie etwa Risse oder Brüche, erleidet.

Insbesondere wird der vorstehend genannte Rohling B auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und dann in einem Ölkühlbad abgeschreckt. Das Abschreckverfahren wird zu dem Zeitpunkt beendet, zu dem die Temperatur in einem Bereich des Rohlings B, der einer Tiefe von der oberen Lauffläche 12 entspricht, bis zu der die maximale Scherspannung wirkt, oder insbesondere die Temperatur in der Tiefe, die mit einem Wert (0,2t) angegeben wird, der durch Multiplizieren der maximalen Breite t (1D) zwischen der inneren und äußeren Umfangsfläche 11, 13 eines fertigen Produktes mit der positiven Dezimalzahl 0,5 oder weniger, z.B. 0,2, multipliziert wird, auf einen Martensitpunkt (220 °C bis 230 °C) abgesunken ist, bei dem die Martensitumwandlung im vorstehend genannten SUJ2 (Stahlmaterial) beginnt.

Dann wird der Rohling B aus dem vorstehend genannten Ölbad genommen und mit eingeblasener Luft gekühlt oder seinem Abkühlen überlassen. Als ein bestimmtes Verfahren für den Nachweis, ob der Rohling auf den vorstehend genannten Martensitpunkt abgekühlt ist, können Messungen der Temperatur in der vorstehend genannten Tiefe einer Werkstücksprobe mit einer Temperatursensoreinrichtung, wie z.B. einem daran angebrachten Thermoelement, vorgenommen werden. Andererseits kann eine Zeitsteuerung oder dgl. verwendet werden, um eine Messung der Abkühlzeit vorzunehmen, so daß die Temperatur in der vorstehend angegebenen Tiefe nach der Analogie von Daten, wie der Geminikurve, bestimmt wird.

Beim Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Rohling B in der vorstehend genannten Art und Weise erwärmt und danach abgeschreckt wird, kann die Restdruckspannung an der Oberfläche auf 30 MPa oder weniger begrenzt werden, wenn die Temperatur und die Geschwindigkeit beim Abkühlen gesteuert werden. Somit wird sichergestellt, daß die vorstehend genannte Wärmebehandlung nicht mit der Ausbreitung eines Fehlers, wie etwa Rissen von dem Umfangsbereich des Schmierungslochs 14, das sich in die innere und äußere Umfangsfläche 11, 13 öffnet, oder von einer Innenwand 14a des Schmierungslochs 14 verbunden ist.

Der Rohling B wird an der Oberfläche schneller abgekühlt als in der Tiefe, die mit dem vorstehend genannten Wert 0,2t bezeichnet wird, so daß die Temperatur an der Oberfläche den Martensitpunkt schneller erreicht als die Temperatur in der vorstehend genannten Tiefe. Deshalb nimmt das Ausmaß der Martensitumwandlung des Austenits vom Inneren in Richtung der Oberfläche des Rohlings B allmählich zu. Im Vergleich mit dem Innenbereich des Rohlings B wird der Oberflächenbereich des Rohlings B angemessen durch Abschrecken gehärtet, und folglich wird die gewünschte Oberflächenhärte von mindestens HRC60 erreicht, die für den Außenring 1 erforderlich ist.

Nach dem Abschluß der Wärmebehandlung wird der Rohling B durch Drehen oder Glätten bearbeitet, um dessen Laufflächen 12, die äußere Umfangsfläche 13 und Seitenflächen 15 bis zur vorgegebenen Präzision fertigzubearbeiten (siehe 1D).

Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird nunmehr ein spezieller Nachweistest beschrieben, der von den hier genannten Erfindern durchgeführt worden ist.

Der Nachweistest wurde wie folgt durchgeführt. SUJ2 (erfindungsgemäßes Produkt), das der vorstehend genannten Bearbeitung durch Drehen und Bohren unterzogen worden ist, wie es in 1B angegeben ist, wurde für 1 Stunde bei 840 °C erhitzt und dann zum Abschrecken in Kühlöl getaucht. Wenn die Temperatur in der Tiefe, die mit dem Wert 0,2t angegeben wird, auf 220 °C abgesunken war, wurde das erfindungsgemäße Produkt aus dem Ölbad genommen und konnte abkühlen.

Schließlich wurde das erfindungsgemäße Produkt erhalten, indem dessen innere und äußere Umfangsfläche 11, 13, Laufflächen 12 usw. geglättet wurden. Zu Vergleichszwecken sind auch die Meßergebnisse eines herkömmlichen Produktes aufgeführt. Dieses herkömmliche Produkt wurde in dem Öl abgekühlt, bis die Temperatur in einer Tiefe, die mit Wert 0,2t angegeben wird, auf 60 °C abgesunken war.

Wie aus 2 deutlich wird, hatte das erfindungsgemäße Produkt in seinem Oberflächenbereich im wesentlichen die gleiche Oberflächenhärte (HRC60 oder mehr) wie das herkömmliche Produkt erreicht. Das zeigt, daß der Oberflächenbereich des erfindungsgemäßen Produktes einer vollständigen Martensitumwandlung unterzogen wurde, womit folglich eine größere Härte erreicht wird.

Wie in 3 gezeigt, hat die Restdruckspannung an der Oberfläche des erfindungsgemäßen Produktes im Vergleich mit 50 MPa an der Oberfläche des herkömmlichen Produktes im wesentlichen auf die Hälfte abgenommen. Folglich ist die Restdruckspannung des erfindungsgemäßen Produktes auf 30 MPa oder weniger begrenzt. Außerdem erlitten einige der herkömmlichen Produkte Fehler, wie etwa Risse im Umfangsbereich des Schmierungslochs. Andererseits wurde beim erfindungsgemäßen Produkt bestätigt, daß die Innenwand 14a des Schmierungslochs 14 und die Oberflächen der inneren und äußeren Umfangsfläche 11, 13 und der Laufflächen 12 jeweils ohne Fehler, wie etwa Risse, waren.

Da die Härte in einem Bereich unter der Tiefe (etwa 0,2t), die von der maximalen Scherspannung beeinflußt wird, zudem HRC50 oder weniger beträgt, hat das Lagerteil insgesamt eine ausreichend hohe Festigkeit, so daß bei einem großen Lagerteil, das einen Außendurchmesser von mindestens 300 mm hat und in einem Stahlwalzwerk (Maschine) oder dgl. montiert wird, wirksam verhindert werden kann, daß es einen Riß erleidet.

Wenn die Restdruckspannung, die an der Oberfläche erzeugt wird, 30 MPa übersteigt, nimmt die auf das Schmierungsloch angewendete Kraft aufgrund der Synergie zwischen der hohen Restdruckspannung und der Volumenzunahme zu, die sich durch die mit dem Temperaturanstieg verbundene Austenit/Martensit-Umwandlung ergibt, und folglich geht der Riß vom Umfangsbereich des Schmierungslochs weiter.

Wie vorstehend beschrieben, sind der Außenring (Lagerteil) 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung gemäß diesem Ausführungsbeispiel geeignet, das Auftreten von Fehlern im Umfangsbereich des Schmierungslochs 14 während der Wärmebehandlung zu verhindern, obwohl das Schmierungsloch 14 vor der Wärmebehandlung erzeugt worden ist.

Als Folge kann eine Bearbeitung durch elektrochemisches Abtragen zur Erzeugung des Schmierungslochs 14 entfallen, und somit werden die Fertigungskosten für den Außenring 1 merklich verringert. Außerdem kann der Außenring 1 eine Oberflächenhärte von HRC60 oder mehr erreichen. Somit kann der Außenring 1, dessen Nutzungsdauer nicht kürzer wird, bei geringen Kosten hergestellt werden.

Obwohl in der vorstehenden Beschreibung der Fall erläutert wurde, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem Außenring 1 eines zweireihigen konischen Wälzlagers angewendet wird, kann die vorliegende Erfindung bei unterschiedlichen Arten von Lagerteilen angewendet werden, die ein Loch aufweisen, das sich in deren Oberfläche öffnet und zumindest eine Oberfläche haben, die durch Wärmebehandlung gehärtet worden ist. Die Form oder Verwendung des vorstehend genannten Lochs, die Art des Stahlmaterials und der Inhalt der Wärmebehandlung oder dgl. sind nicht begrenzt.

Insbesondere kann die vorliegende Erfindung nicht nur bei einem Lagerteil, das das vorstehend genannte Schmierungsloch aufweist, das sich entlang seiner inneren und äußeren Umfangsfläche 11 und 13 erstreckt, sondern z.B. auch bei einem Lagerteil, das mit einem Bolzenloch versehen, das von der äußeren Umfangsfläche 13 bis zu einer vorgegebenen Tiefe verläuft und in das ein Hängebolzen zum Aufhängen des Lagers eingeschraubt wird, oder einem Lagerteil angewendet werden, das einen abgetrennten Bereich aufweist, der durch Wegschneiden der äußeren Umfangsfläche 13 erzeugt worden ist, so daß eine rechteckige Öffnung gebildet wird.

Die vorliegende Erfindung kann ferner auch bei einem Verfahren angewendet werden, um zumindest die Oberfläche zu härten, wobei das Verfahren die folgenden Fälle einschließt: einen Fall, bei dem ein anderer Lagerstahl (kohlenstoffreicher Chromstahl), wie JIS SUJ3, der vorstehend genannten Wärmebehandlung unterzogen wird; ein Fall, bei dem hartgegossener (gehärteter) Stahl (kohlenstoffarmer Stahl), wie SAE5120 oder SCr420, verkohlt wird; der Fall, bei dem Kohlenstoffstahl zur Verwendung für den Maschinenbau, wie S55C, induktionsgehärtet wird; und dergleichen.


Anspruch[de]
Lagerteil, das einen Lochbereich (14) besitzt, der sich zu einer Oberfläche öffnet, und das zumindest an der Oberfläche durch eine Wärmebehandlung gehärtet ist,

– wobei das Lagerteil entweder aus einem kohlenstoffreichen Chromstahl oder einem Kohlenstoffstahl bzw. unlegierten Stahl zur Verwendung für den Maschinenbau gefertigt ist,

– wobei der Lochbereich (14) sich zumindest zu einer von der inneren Umfangsfläche (11) und der äußeren Umfangsfläche (13) des Lagerteils öffnet, und

– wobei zumindest eine von der inneren Umfangsfläche (11) und der äußeren Umfangsfläche (13) eine Härte von HRC60 oder mehr, eine Restdruckspannung von 30 MPa oder weniger und, in einer Tiefe von > 0,2t von der Oberfläche, eine Härte von HRC50 oder weniger aufweist, wobei t die maximale Dicke des Lagerteils ist.
Lagerteil nach Anspruch 1, wobei der Lochbereich (14) ein Schmierungsloch ist, das so ausgebildet ist, daß es die innere Umfangsfläche (11) und die äußere Umfangsfläche (13) des Lagerteils miteinander verbindet. Lagerteil nach Anspruch 1, wobei der Lochbereich (14) ein Bolzenloch ist, das sich zur inneren Umfangsfläche (11) oder zur äußeren Umfangsfläche (13) des Lagerteils öffnet. Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der kohlenstoffreiche Chromstahl JIS SUJ2 oder JIS SUJ3 ist, der einem Abschreckhärten als Wärmebehandlung unterzogen worden ist. Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kohlenstoffstahl bzw. unlegierte Stahl zur Verwendung für den Maschinenbau einer Induktionshärtung als Wärmebehandlung unterzogen worden ist. Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lagerteil ein Innenring oder ein Außenring ist. Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Lagerteil ein großes Lagerteil mit einem Außendurchmesser von 300 mm oder mehr ist. Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Lagerteil ein großes Lagerteil zur Verwendung in einem Stahlwalzwerk ist. Herstellungsverfahren für das Lagerteil nach Anspruch 1,

wobei das Verfahren einen Wärmebehandlungsschritt nach einer Bohrbearbeitung zum Bohren eines Stahlzwischenproduktes umfaßt, das aus einem kohlenstoffreichen Chromstahl oder aus einem Kohlenstoffstahl bzw. unlegierten Stahl zur Verwendung für den Maschinenbau hergestellt ist, um dadurch den Lochbereich (14) zu bilden, der sich zumindest zu einer von seiner inneren Umfangsfläche (11) und seiner äußeren Umfangsfläche (13) öffnet,

wobei das Zwischenprodukt auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und dann abgeschreckt wird, wobei das Abschrecken zu dem Zeitpunkt beendet wird, zu dem die Temperatur in einem Bereich auf einen Martensitpunkt abgesunken ist, bei dem die Martensitumwandlung beginnt, wobei dieser Bereich als die Tiefe von zumindest einer von der inneren Umfangsfläche (11) und der äußeren Umfangsfläche (13) definiert ist, bei der die maximale Scherspannung in dem fertigen Produkt des Lagerteiles vorhanden ist, woraufhin das Zwischenprodukt luftgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei unter der Voraussetzung, daß die maximale Dicke des Lagerteiles mit t bezeichnet wird, das Abschrecken durchgeführt wird, bis die Temperatur in dem Bereich, der einer Tiefe von 0,5t oder weniger von der Oberfläche des Lagerteiles entspricht, auf den Martensitpunkt abgesunken ist. Verfahren nach Anspruch 9, wobei unter der Voraussetzung, daß die maximale Dicke des Lagerteiles mit t bezeichnet wird, das Abschrecken durchgeführt wird, bis die Temperatur in dem Bereich, der einer Tiefe von 0,2t von der Oberfläche des Lagerteiles entspricht, auf den Martensitpunkt abgesunken ist. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Lagerteil, das auf den Martensitpunkt abgeschreckt worden ist, mit eingeblasener Luft gekühlt oder seinem Abkühlen überlassen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Martensitpunkt in einem Bereich von 220°C bis 230°C liegt.






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