DE102004037074B3

DE102004037074B3 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl

Info

Publication number: DE102004037074B3
Application number: DE102004037074A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nierlich; Johann Volkmuth; Ulf Sjöblom
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl. Dabei werden die Werkstücke innerhalb einer Zeit von bis zu 120 Sekunden angewärmt, so dass sie wenigstens bereichsweise eine Glühtemperatur aufweisen, die wenigstens 1000 DEG C beträgt. Anschließend werden die Werkstücke zwischen 0,5 Sekunden und 20 Sekunden bei der Glühtemperatur geglüht. Danach werden die Werkstücke einem wenigstens teilweisen Bainitisieren unterzogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl.

Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl sind in vielfältigen Ausführungen bekannt. Die Wärmebehandlung dient insbesondere der Erhöhung der Härte der Werkstücke. Dabei hat die Art der Wärmebehandlung großen Einfluss auf die Eigenschaften der Werkstücke, so dass die Wahl eines geeigneten Wärmebehandlungsverfahrens, neben der Wahl einer geeigneten Zusammensetzung des Stahls, von wesentlicher Bedeutung für die Gebrauchsdauer der Werkstücke ist. Dies gilt im besonderen Maße für Werkstücke, die hohe Qualitätsanforderungen erfüllen müssen und über eine lange Einsatzzeit hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Bei derartigen Werkstücken kann die Qualität sehr empfindlich von den Details der Wärmebehandlung abhängen.

Sehr hohe Qualitätsanforderungen werden beispielsweise an Wälzlagerteile geknüpft. Diese Qualitätsanforderungen beziehen sich insbesondere auf die Festigkeit, Gebrauchsdauer und Gefügestabilität gegen Alterung. Um die Qualitätsanforderungen erfüllen zu können, werden bei der Wärmebehandlung von durchhärtenden Wälzlagerstählen möglichst feine und gleichmäßig verteilte Carbide in der Randschicht angestrebt.

Eine derartige Verteilung lässt sich mit einem in der EP 0 999 287 A1 offenbarten Verfahren bereits in guter Näherung erreichen. Dort wird eine Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl durch Härten vorgeschlagen, bei der die Werkstücke vor dem Härten während einer Glühdauer von bis zu 120 Sekunden geglüht und anschließend abgekühlt werden. Das Glühen erfolgt bei einer Glühtemperatur von 1000 °C bis maximal dicht unter dem Schmelzpunkt des Stahls. Zum Härten können die Werkstücke austenitisiert und anschließend beispielsweise in einem Salzbad abgeschreckt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl so zu gestalten, dass bei den behandelten Werkstücke ein thermodynamisch stabiles Gefüge ausgebildet wird und die Werkstücke über einen langen Zeitraum hohen Belastungen Stand halten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl werden die Werkstücke innerhalb einer Zeit von bis zu 120 Sekunden angewärmt, so dass sie wenigstens bereichsweise eine Glühtemperatur aufweisen, die wenigstens 1000 °C beträgt. Anschließend werden die Werkstücke zwischen 0,5 Sekunden und 20 Sekunden bei der Glühtemperatur geglüht. Nach dem Glühen werden die Werkstücke in Luft abgekühlt. Alternativ dazu erfolgt das Glühen und/oder das Abkühlen in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere in Stickstoff. Danach werden die Werkstücke einem wenigstens teilweisen Bainitisieren unterzogen.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die demgemäß behandelten Werkstücke ein sehr homogenes Gefüge aufweisen, das thermodynamisch sehr stabil ist. Die Randschicht der Werkstücke enthält sehr feine Carbide in gleichmäßiger Verteilung, so dass Spannungsspitzen reduziert werden, die an groben, eckigen Carbiden auftreten können. Durch die Kombination des kurzzeitigen Glühens und des Bainitisierens lassen sich auf sehr einfache Weise Materialeigenschaften ausbilden, die bislang nur mit sehr aufwändigen Wärmebehandlungsverfahren realisierbar waren. Insbesondere zeichnen sich die Werkstücke durch eine hohe Zähigkeit und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aus und halten über einen langen Zeitraum großen Belastungen Stand. Durch die kurze Glühdauer ist die erfindungsgemäße Wärmebehandlung zudem sehr wirtschaftlich. Das Abkühlen der Werkstücke in Luft hat den Vorteil, dass hierfür kein Aufwand in Form einer Schutzgasatmosphäre oder spezieller Abkühlungsbäder erforderlich ist. Mit einer Schutzgasatmosphäre kann eine Verzunderung bzw. Entkohlung der Bauteile verhindert werden.

Bei der teilweisen Bainitisierung können die Werkstücke anschließend nochmals angelassen werden, um die gewünschten Bauteileigenschaften einzustellen.

Die Werkstücke werden vorzugsweise mittels elektromagnetischer Induktion oder mit Hilfe eines Lasers angewärmt und auf Glühtemperatur gebracht. Dadurch lässt sich jeweils sehr viel Wärmeenergie pro Zeiteinheit auf die Werkstücke übertragen, so dass sehr kurze Anwärmphasen realisierbar sind. Insbesondere werden die Werkstücke jeweils lediglich in ihren Randzonen geglüht. Dies hat den Vorteil, dass ein Aufheizen der Randzonen sehr schnell und wirtschaftlich durchführbar ist und es bei vielen Anwendungsgebieten der Werkstücke ausreichend ist, diese mit einer widerstandfähigen Oberfläche auszustatten.

Die Werkstücke sind vorzugsweise aus Wälzlagerstahl, insbesondere nach DIN EN ISO 683-17, gefertigt. Besonders gute Ergebnisse lassen sich mit Werkstücken erzielen, die aus durchhärtendem Wälzlagerstahl hergestellt sind. Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann insbesondere bei Werkstücken eingesetzt werden, die als Wälzlagerringe ausgeführt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein schematisiertes Temperatur-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung. Auf der Abszisse ist die Zeit, auf der Ordinate die Werkstücktemperatur aufgetragen. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist der Kurvenverlauf in einer abstrahierten Form wiedergegeben und bereichsweise zeitlich gestreckt bzw. komprimiert dargestellt. Die Werkstücke, bei denen die Wärmebehandlung durchgeführt wird, bestehen aus einem Wälzlagerstahl gemäß der Norm DIN EN ISO 683-17, insbesondere aus einem durchhärtenden, niedrig legierten Wälzlagerstahl. Der in der Figur beispielhaft dargestellte Temperaturverlauf bezieht sich auf die Wärmebehandlung von Werkstücken aus einem Stahl mit der Bezeichnung 100Cr6. Dieser Stahl enthält, bezogen auf seine Masse, 0,93 bis 1,05 % Kohlenstoff, 1,35 bis 1,60 % Chrom, 0,25 bis 0,45 % Mangan, 0,15 bis 0,35 % Silizium und bis zu 0,1 % Molybdän. Der Phosphorgehalt beträgt maximal 0,025 %, der Schwefelgehalt maximal 0,015 %. Außerdem können herstellungsbedingt noch kleine Mengen an weiteren Elementen enthalten sein. Vor der Wärmebehandlung werden die Werkstücke einer mechanischen Weichbearbeitung unterzogen, durch welche die Werkstücke in eine gewünschte Form gebracht werden. Diese Form kann noch um Zugaben für eine weitere mechanische Bearbeitung nach der Wärmebehandlung von der endgültigen Form der Werkstücke abweichen.
Die Wärmebehandlung beginnt mit einem Glühen der Werkstücke, das sich aus einer Anwärmphase und einer Haltephase zusammensetzt. Während der Anwärmphase werden die Werkstücke sehr schnell von Raumtemperatur angewärmt, so dass die Werkstücktemperatur eine vorgegebene Glühtemperatur erreicht. Die Glühtemperatur beträgt wenigstens 1000 °C. Bevorzugt kommen Glühtemperaturen zwischen 1000 und 1200 °C zur Anwendung. Im dargestellten Diagramm beträgt die Glühtemperatur 1100 °C. Die Anwärmphase dauert maximal 120 Sekunden. Vorzugsweise erfolgt das Anwärmen innerhalb von ca. 3 bis 15 Sekunden. Die Glühtemperatur wird dabei in der Regel lediglich in der Randzone der Werkstücke erreicht. Das Anwärmen kann insbesondere durch elektromagnetische Induktion, beispielsweise bei einer Frequenz von ca. 250 kHz oder mittels eines Lasers erfolgen. Während der auf die Anwärmphase folgenden Haltephase werden die Werkstücke bei der vorgesehenen Glühtemperatur gehalten. Die Haltephase dauert ca. 0,5 bis 20 Sekunden. Um unerwünschte Effekte wie Kornwachstum, Verzunderung und Entkohlung in einem vertretbaren Rahmen zu halten, sollte die Haltephase möglichst kurz sein. Durch das Glühen wird in den Werkstücken. ein sehr feines Randgefüge erzeugt. Insbesondere kommt es zu einer relativ homogenen Verteilung feiner Carbide.
Sobald die für die Haltephase vorgesehene Zeit verstrichen ist, werden die Werkstücke in Luft abgekühlt, beispielsweise bis auf Raumtemperatur, oder zumindest bis < 550 °C unter Stickstoff. Danach werden die Werkstücke auf Austenitisierungstemperatur gebracht, die typischerweise ca. 820 bis 900 °C beträgt und während einer Austenitisierungsdauer auf dieser Temperatur gehalten. Durch das vorausgegangene Glühen ist es möglich, die Austenitisierungsdauer relativ kurz zu halten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Austenitisierungsdauer ca. 20 Minuten. Dann werden die Werkstücke auf eine Temperatur knapp oberhalb des Martensit-Startpunktes abgeschreckt und eine Zeit lang, typischerweise einige Stunden, auf dieser Temperatur gehalten, bis eine ausreichende Umwandlung des Austenits in Bainit erfolgt ist. Bei dem in der Figur beispielhaft dargestellten Verlauf wird das Bainitisieren bei einer Temperatur von ca. 250 °C durchgeführt. Bei dem Bainitisieren werden in den Werkstücken Druckeigenspannungen erzeugt und dadurch die Gebrauchsdauer der Werkstücke auch unter hohen Belastungen verbessert. Weiterhin wird die Korrosionsbeständigkeit der Werkstücke nochmals verbessert. Anschließend an die Bainitumwandlung erfolgt eine Abkühlung in Luft auf Raumtemperatur. Andere Arten der Abkühlung, z. B. mittels Eintauchen in Wasser oder Besprühen mit Wasser-/Luft-Gemisch sind ebenfalls möglich. Eine teilweise Bainitisierung mit anschließendem Anlassen, wie in der DE 198 49 681 C1 beschrieben, ist ebenfalls vorteilhaft möglich. Eine solche Umwandlung wird vor allem dann sinnvoll angewandt, wenn die so behandelten Werkstücke eine vergleichsweise höhere Härte aufweisen sollen.
Bei den Werkstücken, die der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterzogen werden, handelt es sich beispielsweise um Wälzlagerbauteile, insbesondere um Wälzlagerringe.
Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann auch bei anderen Werkstücken als Wälzlagerbauteilen eingesetzt werden. Außerdem können anstelle von 100Cr6 auch andere Stähle verwendet werden. Dabei eignen sich durchhärtende, korrosionsbeständige, warmfeste Stähle und eingeschränkt auch Einsatzstähle.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl, wobei die Werkstücke – innerhalb einer Zeit von bis zu 120 Sekunden angewärmt werden, so dass sie wenigstens bereichsweise eine Glühtemperatur aufweisen, die wenigstens 1000 °C beträgt, – zwischen 0,5 Sekunden und 20 Sekunden bei der Glühtemperatur geglüht werden, – nach dem Glühen in Luft abgekühlt werden oder in einer Schutzgasatmosphäre geglüht und/oder abgekühlt werden und – einem wenigstens teilweisen Bainitisieren unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke nach dem teilweisen Bainitisieren angelassen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke mittels elektromagnetischer Induktion oder mit Hilfe eines Lasers angewärmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke jeweils lediglich in ihren Randzonen geglüht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke aus Wälzlagerstahl gefertigt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke aus Wälzlagerstahl nach DIN EN ISO 683 17 gefertigt sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke aus durchhärtendem Wälzlagerstahl gefertigt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke als Wälzlagerringe ausgeführt sind.