DE102004053935B4

DE102004053935B4 - Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl und Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl

Info

Publication number: DE102004053935B4
Application number: DE102004053935.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Trojahn Werner; Christian Schulte-Nölle; Franz-Josef Ebert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP2008520839A; DE102004053935A1; RU2366746C2; CN100572567C; RU2007115807A; EP1831410A1; US20080047632A1; CN101076609A; WO2006050696A1

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, wobei die Wärmebehandlung ein Durchhärten, eine Randschichtaufhärtung und ein Anlassen des Bauteils umfasst, wobei das Durchhärten in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur AC3, einem Halten des Bauteils auf der Härtungstemperatur und einem Abschrecken des Bauteils besteht, bei dem die Randschichtaufhärtung unter Einwirkung eines Diffusionselementes erfolgt, in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Diffusionstemperatur, einem Halten des Bauteils auf der Diffusionstemperatur und einem Abkühlen des Bauteils besteht, und als Plasma-Ionenhärtung durchgeführt wird, und bei dem das Anlassen in einem einmaligen oder mehrmaligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur AC1, einem Halten des Bauteils auf der Anlasstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils besteht, wobei das Durchhärten des Bauteils und die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt (1) durchgeführt werden, indem das Bauteil auf eine gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur AC3 erhitzt wird, indem das Bauteil bis zur vollständigen Austenitisierung und Lösung des enthaltenen Kohlenstoffs sowie bis zur gewünschten Anreicherung der Randschicht mit dem Diffusionselement auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D gehalten wird, wobei die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D im Wesentlichen an die erforderliche Härtungstemperatur TH der Stahlsorte des Bauteils angepasst wird und zwischen 1070° und 1150°C eingestellt wird, wobei das Bauteil anschließend abgeschreckt wird und dadurch Druckeigenspannungen in der äußeren Randschicht ausgebildet werden, wobei die Haltedauer ΔtH+D auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D an die längere der beiden erforderlichen Haltedauern, der erforderlichen Härtungs-Haltedauer ΔtH oder der erforderlichen Diffusions-Haltedauer ΔtD, angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer längeren erforderlichen Diffusions-Haltedauer ΔtD die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D um etwa 20° bis 40°C abgesenkt wird.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl und Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, wobei die Wärmebehandlung ein Durchhärten des Bauteils, eine Randschichtaufhärtung des Bauteils, und ein Anlassen des Bauteils umfasst, wobei das Durchhärten in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3, einem Halten des Bauteils auf der Härtungstemperatur, und einem Abschrecken des Bauteils besteht, wobei die Randschichtaufhärtung unter Einwirkung mindestens eines Diffusionselementes erfolgt, in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Diffusionstemperatur, einem Halten des Bauteils auf der Diffusionstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils besteht, und als Plasma-Ionen-härtung durchgeführt wird, und wobei das Anlassen in einem einmaligen oder mehrmaligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur A_C1, einem Halten des Bauteils auf der Anlasstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils sowie einem optionalem Tiefkühlen besteht.
Die Erfindung betrifft des weiteren ein Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, das eine Wärmebehandlung erfahren hat, die ein Durchhärten des Bauteils, eine Randschichtaufhärtung des Bauteils, und ein Anlassen des Bauteils umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Thermisch und mechanisch hochbelastete Bauteile, wie z. B. die Lagerkomponenten von Wälzlagern, die zur Lagerung der Hauptwelle eines Strahltriebwerks oder einer Gasturbine verwendet werden, bestehen zumeist aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl und werden bei der Herstellung mit einer geeigneten Wärmebehandlung auf den späteren Einsatzzweck eingestellt. Die jeweiligen Werkstücke, nachfolgend Bauteile genannt, sollen bei hoher Festigkeit sowohl eine hohe Zähigkeit als auch eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Um dies zu erreichen umfasst die Wärmebehandlung derartiger Bauteile üblicherweise ein Durchhärten, eine Randschichtaufhärtung und ein nachfolgendes Anlassen der Bauteile, wobei die Reihenfolge des Durchhärtens und der Randschichtaufhärtung unterschiedlich sein kann.
Bei dem allgemein als Harten bezeichneten Durchhärten eines Bauteils handelt es sich um ein rein thermisches Verfahren. Das Härten bzw. Durchhärten besteht in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3 des Stahls von 911°C, einem Halten des Bauteils auf dieser Härtungstemperatur und einem anschließenden Abschrecken des Bauteils. Das Erhitzen des Bauteils wird dabei zeitlich derart gesteuert, dass sich im gesamten Bauteil ein möglichst gleichmäßiger Temperaturanstieg einstellt und somit eine Verformung des Bauteils vermieden wird.
Die Härtungstemperatur ist eine so genannte Austenitisierungstemperatur, bei der eine weitgehend vollständige Umwandlung des kubisch-raumzentrierten Ferrits in den kubisch-flächenzentrierten Austenit sowie eine Auflösung des im Ausgangsmaterial in Form von Carbiden gebundenen Kohlenstoffs in atomaren Kohlenstoff erfolgt. Bei hochlegierten Stählen liegt die Härtungstemperatur üblicherweise zwischen 1050° und 1230°C, und die Haltedauer auf der Härtungstemperatur kann von 0,5 bis 3 Stunden betragen.
Das Abschrecken des Bauteils erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Abkühlgeschwindigkeit der jeweiligen Stahlsorte liegt. Hierdurch nimmt das gesamte Bauteil ein martensitisches Gefüge an, was mit einer deutlichen Zunahme der Härte auf über 60 HRC bis üblicherweise maximal 64 HRC verbunden ist.
An das Härten kann sich gegebenenfalls noch eine Tieftemperaturbehandlung, z. B. in Form einer Abkühlung des Bauteils auf bis zu –190°C, anschließen, wodurch vorhandener Restaustenit in Martensit umgewandelt wird. Durch das Härten entstehen Eigenspannungen in dem Bauteil, im Normalfall Zugspannungen am Rand und Druckspannungen im Kern des Bauteils. Zugspannungen in der Randschicht eines Bauteils sind allerdings von Nachteil, da diese durch im Betrieb auftretende Zugspannungen verstärkt werden, so dass eine Rissbildung und ein Rissfortschritt unterstützt werden, und somit die Dauerfestigkeit des Bauteils, insbesondere bei schwingender Belastung, reduziert wird.
Bei der Randschichtaufhärtung eines Bauteils handelt es sich dagegen um ein thermochemisches Verfahren. Dabei wird das betreffende Bauteil unter Erhitzen und Halten auf einer Diffusionstemperatur einem festen, flüssigen oder gasförmigen Mittel oder Plasma ausgesetzt, das ein Diffusionselement, wie etwa Kohlenstoff, Stickstoff, oder ein Gemisch aus beiden Elementen, enthält, welches unter diesen Bedingungen in die Randschicht des Bauteils eindiffundiert und in Verbindung mit der nachfolgenden Abkühlung zu einer Aufhärtung der Randschicht des Bauteils führt.
Bei einer Verwendung von Kohlenstoff (Aufkohlung, Carburierung) und einem Gemisch aus Kohlenstoff und Stickstoff mit überwiegend Kohlenstoff (Carbonitrierung) als Diffusionselement liegt die Diffusionstemperatur im Bereich zwischen 850° und 980°C, bei einer Verwendung von Stickstoff (Nitrierung) und einem Gemisch aus Stickstoff sowie Kohlenstoff mit überwiegend Stickstoff (Nitrocarburierung) als Diffusionselement liegt die Diffusionstemperatur dagegen im Bereich zwischen 500° und 580°C.
Bei einer Randschichtaufhärtung in Form einer Plasma-Ionenhärtung wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gehäuse des Behandlungsofens und dem Bauteil in Verbindung mit einer Glimmentladung ein Plasma aus positiv geladenen Ionen des Diffusionselementes erzeugt und auf die Oberfläche des Bauteils geschossen. Hierdurch wird zunächst die Oberfläche des Bauteils gereinigt, anschließend die Randschicht des Bauteils zusätzlich aufgeheizt, und das Eindiffundieren des Diffusionselementes in die Randschicht verstärkt. Durch eine Steuerung der elektrischen Spannung der Glimmentladung ist die Anreicherung der Randschicht mit dem Diffusionselement genau dosierbar. Dies ist insofern von Bedeutung, als eine zu starke Anreicherung der Randschicht zur Bildung von Fremdcarbiden bzw. Fremdnitriden führt, die eine Verringerung der Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit des Bauteils zur Folge haben.
Bei einer Plasma-Ionenhärtung mit Stickstoff (Plasmanitrierung) liegt die Diffusionstemperatur typischerweise zwischen 350° und 600°C, bei der Verwendung von Kohlenstoff als Diffusionselement liegt die Diffusionstemperatur dagegen zwischen 700° und 1000°C. Die durch die Einsatzhärtung erzielbare Härte liegt bei bis zu 66 HRC. Im Normalfall liegen nach der Randschichtaufhärtung im Randbereich des Bauteils Druckeigenspannungen und im Kern des Bauteils Zugeigenspannungen vor, woraus sich eine höhere Belastbarkeit bei schwingender Beanspruchung ergibt. Allerdings ist die Tiefe der bislang erzielbaren Aufhärtung der Randschicht mit maximal 0,2 mm relativ gering, wobei diese durch eine zumeist durchgeführte mechanische Endbearbeitung, wie z. B. Schleifen, noch weiter reduziert wird. Die Haltedauer auf der Diffusionstemperatur kann zwischen 0,5 und 4 Stunden betragen.
Das Anlassen des Bauteils erfolgt zumeist als abschließender Arbeitsschritt nach dem Durchhärten und der Randschichtaufhärtung und besteht in einem gegebenenfalls mehrmaligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur A_C1 des Stahls, einem Halten des Bauteils auf dieser Anlasstemperatur, und einem anschließenden Abkühlen des Bauteils. Hierdurch werden Veränderungen des Martensitgefüges hervorgerufen, die zu einer Reduzierung der im Wesentlichen bei der Durchhärtung entstandenen Sprödigkeit und Eigenspannungen, und somit zur Erhöhung der Zähigkeit des Bauteils führen. Bei hochlegiertem Stahl liegt die Anlasstemperatur im Bereich von 500° bis 600°C. Die Haltedauer auf der Anlasstemperatur beträgt etwa 1 bis 2 Stunden. Die durch das Anlassen bewirkte Reduzierung der Härte beträgt je nach Stahlsorte zwischen 1 und 5 HRC.
Weitere Informationen über thermische und thermochemische Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl sind den einschlägigen DIN-Normen und dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch von BOSCH, 24. Auflage, S. 304 ff., Kapitel Wärmebehandlung zu entnehmen.
In der DE 40 33 706 C2 , die zur Steigerung des Korrosionswiderstands den Ersatz von Kohlenstoff durch Stickstoff bei der Einsatzhärtung eines Bauteils aus Stahl zum Gegenstand hat, wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung beschrieben, das aus einer Einsatzhärtung der Randschicht mit Stickstoff bei einer Diffusionstemperatur oberhalb der unteren Umwandlungstemperatur A_C1, einem nachfolgenden Direkthärten und einem abschließenden Anlassen besteht. Direkthärten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen der Einsatzhärtung und dem Härten keine Abkühlung erfolgt, sondern die Behandlungstemperatur direkt von der Diffusionstemperatur auf die Härtungstemperatur erhöht wird. In einer Verfahrensvariante ist die Durchführung der Einsatzhärtung als Plasma-Ionenhärtung vorgesehen. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass die durch die Einsatzhärtung bewirkte Aufhärtung der Randschicht durch das nachfolgende Direkthärten teilweise wieder rückgängig gemacht wird, und dass durch die beschriebene Einsatzhärtung nur eine geringe Eindringtiefe des Diffusionselementes erzielbar ist.
In der WO 98/01597 A1 wird dagegen ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Wälzlagerkomponente aus einem hochlegierten Stahl vorgestellt, bei dem die Einsatzhärtung, die als Plasma-Ionenhärtung mit Stickstoff als Diffusionselement (Plasma-Ionennitrierung) durchgeführt wird, erst nach der mechanischen Endbearbeitung des Bauteils, also nach dem Härten und Anlassen erfolgt. Die Diffusionstemperatur liegt zwischen 375° und 592°C, bevorzugt bei 460°C. Die Diffusions-Haltedauer beträgt zwischen 1 und 2 Stunden. Die maximal erreichte Tiefe der gehärteten Randschicht liegt bei 0,5 mm. Eine gleichmäßig gehärtete Randschicht ist aber nur bis in eine Tiefe von etwa 0,15 mm zu erreichen, was nachteilig relativ dünn ist.
In dem in der DE 697 19 046 T2 offenbarten Verfahren zur Herstellung einsatzgehärteter Lagerkomponenten erfolgt die Einsatzhärtung in Form einer Plasma-Ionencarburierung bei einer Diffusionstemperatur von über 482°C zu Beginn der Wärmebehandlung. Daran anschließend wird das Härten in Form eines Direkthärtens bei einer Härtungstemperatur zwischen 982° und 1200°C durchgeführt. Auch bei diesem bekannten Verfahren wird die durch die Einsatzhärtung bewirkte Aufhärtung der Randschicht durch das nachfolgende Direkthärten teilweise wieder rückgängig gemacht, so dass im Ergebnis eine Härte der Randschicht des Bauteils von maximal 60 HRC erzielt wird.
In einem ähnlichen Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerkomponenten, das in der DE 197 07 033 A1 beschrieben ist, werden die jeweiligen Bauteile zu Beginn der Wärmebehandlung durch eine Plasma-Ionennitrierung oder Plasma-Ionencarbonitrierung bei einer Diffusionstemperatur zwischen 530° und maximal 780°C einsatzgehärtet, daraufhin mit einer Härtungstemperatur von 1020° bis 1120°C gehärtet, nachfolgend bei einer Temperatur von –190°C tieftemperaturbehandelt, und abschließend bei einer Anlasstemperatur von 180°C oder 450° bis 520°C angelassen. Auch dieses Verfahren weist die zuvor schon benannten Nachteile auf, und die maximal erreichbare Härte der Randschicht des Bauteils beträgt 62 HRC.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl anzugeben, mit dem unter Vermeidung einer zu starken Anreicherung der Randschicht bei der Randschichtaufhärtung des Bauteils eine höhere Eindringtiefe des Diffusionselementes verbunden mit einer tieferen Aufhärtung der Randschicht sowie eine höhere Randschichthärte erreicht, und infolgedessen eine erhöhte Dauerfestigkeit des Bauteils, insbesondere bei schwellender und wechselnder Belastung, erzielt wird.
Des Weiteren soll ein Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl angegeben werden, das eine erhöhte Dauerfestigkeit aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine tiefere und stärkere Aufhärtung der Randzone eines Bauteils höhere und tiefer reichende Druckeigenspannungen erzeugt werden, die zu einer deutlichen Erhöhung der Dauerfestigkeit des Bauteils führen.
Demzufolge wird die Aufgabe das Verfahren betreffend erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Durchhärten des Bauteils und die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt durchgeführt werden, indem das Bauteil auf eine gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3 erhitzt wird, indem das Bauteil bis zur vollständigen Durchhärtung und bis zur gewünschten Anreicherung der Randzone mit dem Diffusionselement auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur gehalten wird, und indem das Bauteil anschließend abgeschreckt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.
Aufgrund der Durchführung der Randschichtaufhärtung in Form der Plasma-Ionenhärtung bei der relativ hohen Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3 des Stahls wird gegenüber den bekannten Verfahren eine größere Eindringtiefe des Diffusionselementes und damit eine tiefere Aufhärtung der Randschicht des Bauteils erreicht. Da die Einsatzhärtung nunmehr gleichzeitig mit dem Durchhärten des Bauteils erfolgt, wird eine sonst übliche, bei einem nachfolgenden Durchhärten in einem separaten Arbeitsschritt auftretende Abschwächung der Randschichtaufhärtung durch Ausdiffundieren des Diffusionselementes vermieden. Hierdurch wird eine größere Härte der Randschicht von bis zu 68 HRC erzielt. Zusätzlich zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit der Oberfläche des Bauteils führt dies zu einer vergrößerten Dauerfestigkeit des so behandelten Bauteils, die besonders bei schwingender Belastung von Vorteil ist. Als positiver Nebeneffekt des weitgehend zeitgleich durchgeführten Durchhärtens des Bauteils und der Randschichtaufhärtung des Bauteils ergibt sich eine Zeitersparnis der gesamten Wärmebehandlung von mehr als 2 Stunden.
Grundsätzlich wird die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur sowie die Haltedauer auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur von der jeweiligen Stahlsorte sowie dem vorgesehenen Einsatzzweck des betreffenden Bauteils bestimmt. Die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur wird daher zweckmäßig im wesentlichen an die erforderliche Härtungstemperatur der Stahlsorte des Bauteils angepasst, da sich bei zu geringer Temperatur eine unzureichende Durchhärtung und bei zu hoher Temperatur unerwünschte Gefügestrukturen einstellen würden. In experimentellen Untersuchungen hat sich für die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur ein Wert zwischen 1050° und 1150°C als besonders geeignet erwiesen.
Abhängig von der Stahlsorte und den gewünschten Eigenschaften des Bauteils können für das Durchhärten und die Randschichtaufhärtung jedoch unterschiedliche Haltedauern auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur erforderlich sein. Um aber beide Behandlungsverfahren vollständig durchführen zu können, richtet sich die Haltedauer auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur zweckmäßig nach der längeren der beiden erforderlichen Haltedauern, der erforderlichen Härtungs-Haltedauer oder der erforderlichen Diffusions-Haltedauer.
In dem Fall, in welchem die erforderliche Härtungs-Haltedauer größer ist als die erforderliche Diffusions-Haltedauer, kann die als Plasma-Ionenhärtung durchgeführte Randschichtaufhärtung vor dem Ende des Durchhärtens des Bauteils durch Abschalten der elektrischen Spannung der Glimmentladung und Absaugen des Plasmagases auf einfache Weise beendet werden.
In dem häufig auftretenden Fall, dass die erforderliche Härtungs-Haltedauer kleiner ist als die erforderliche Diffusions-Haltedauer, wird die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur zur Vermeidung einer Vergröberung des Kerngefüges des Bauteils vorteilhaft abgesenkt. Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die für die Durchhärtung erforderliche Auflösung des in dem Stahl in Form von Carbiden enthaltenen Kohlenstoffs relativ stark mit steigender Temperatur und relativ schwach mit steigender Haltedauer auf der Härtungstemperatur gefördert wird, und dass ein Halten auf der Härtungstemperatur nach der vollständigen Auflösung der Carbide aber zu einer Vergröberung des Gefüges im Kernbereich des Bauteils führt, welches mit einer unerwünschten Versprödung verbunden ist. Zur Vermeidung dieser negativen Auswirkungen hat sich eine Absenkung der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur gegenüber der sonst üblichen Härtungstemperatur um etwa 20° bis 40°C als zweckmäßig erwiesen.
Für die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils kommt als Diffusionselement vorwiegend Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und eine Mischung aus beiden Elementen in Frage. Demzufolge wird das Bauteil während der Plasma-Ionenhärtung mit einem Kohlenstoff und/oder Stickstoff abgebenden ionisierten Gas beaufschlagt.
Durch die dadurch bewirkte Anreicherung der Randschicht reagiert der Stahl in der Randschicht anders auf die nachfolgende Anlassbehandlung als der Kernbereich des Bauteils. Grundsätzlich erreicht die Härte mit steigender Anlasstemperatur bei 520° bis 560°C ein Maximum, um dann bei weiter zunehmender Anlasstemperatur wieder abzusinken. Die exakte Lage dieses Maximums ist dabei abhängig von den gelösten Anteilen an Kohlenstoff und/oder Stickstoff, wobei die erforderliche Anlasstemperatur mit zunehmendem Lösungsanteil des Diffusionselementes ansteigt.
Zur Erzielung einer möglichst großen Härte in der Randschicht wird die Anlasstemperatur daher derart an die in dem Stahl gelösten Anteile des Diffusionselementes angepasst, dass sich nach dem Abkühlen die größte Härte in der Randschicht des Bauteils einstellt. Hierzu hat es sich als günstig erwiesen, die Anlasstemperatur auf einen Wert im Bereich von 500° bis 600°C einzustellen. Die hierdurch erzielbare Randschichthärte liegt im Bereich von 60 bis 66 HRC, wogegen sich in der Kernzone des Bauteils eine Härte von 58 bis 63 HRC einstellt.
Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können als Ausgangsmaterial handelsübliche warmfeste Wälzlagerstähle, wie z. B. der Schnellarbeitsstahl M50 nach der AISI-Norm und der Schnellarbeitsstahl S 18-0-1 nach DIN 17350, verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt bei der Herstellung von Lagerkomponenten wie Innenlaufringen, Außenlaufringen und Wälzkörpern von Wälzlagern verwendet, die zur Lagerung einer mechanisch und thermisch hoch belasteten Welle einer Wärmekraftmaschine, wie z. B. der Rotorwelle eines Strahltriebwerkes, einer Propellerturbine, einer Gasturbine oder eines Abgas-Turboladers eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Eigenspannungs-Tiefe-Diagramm;
3 ein durch Messungen ermitteltes Härte-Tiefe-Diagramm.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist der zeitliche Ablauf einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung qualitativ dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 1 erfolgt gemeinsam das Durchhärten und die Randschichtaufhärtung des betreffenden Bauteils. Hierzu wird das Bauteil zunächst gleichmäßig auf die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H _+D im Bereich zwischen 1030° und 1150°C oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3 erhitzt, dann unter Einwirkung eines Kohlenstoff- und/oder Stickstoffionen abgebenden Plasmas über die Haltedauer Δt_H _+D auf dieser Temperatur gehalten, und nachfolgend abgeschreckt. Dabei ist die Haltedauer Δt_H _+D für das gemeinsame Durchhärten und die Randschichtaufhärtung des Bauteils länger als die Haltedauer Δt_H, die für ein separates Durchhärten 1' des Bauteils erforderlich wäre, dessen Temperaturverlauf gestrichelt angedeutet ist.
Zur Vermeidung einer durch die längere Haltedauer Δt_H _+D bewirkten Vergröberung des Kerngefüges des Bauteils wird die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H _+D gegenüber der Härtungstemperatur T_H bei separatem Durchhärten 1' um etwa 20° bis 40°C abgesenkt. Nach dem gemeinsamen Durchhärten und der Randschichtaufhärtung wird eine Tieftemperaturbehandlung 2 des Bauteils bis auf etwa –190°C durchgeführt. Daran schließt sich das Anlassen 3 des Bauteils mit einer Anlasstemperatur T_A in Höhe von 500° bis 600°C unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur A_C1 an.
Dadurch, dass das Durchhärten und die Randschichtaufhärtung des Bauteils in Form der Plasma-Ionenhärtung in einem gemeinsamen Arbeitsschritt bei der relativ hohen gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H+D oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3 durchgeführt wird, ergibt sich eine stärkere Aufhärtung, und wegen der größeren Eindringtiefe des Diffusionselementes eine tiefere Aufhärtung der Randschicht des Bauteils. Hierdurch werden hohe Druckeigenspannungen in der Randzone erzeugt, welche die Dauerfestigkeit des Bauteils vorteilhaft stark erhöhen.
In dem Diagramm von 2 sind die Eigenspannungen in der Randschicht eines Bauteils, das aus einem AISI M50 Schnellarbeitsstahl besteht, für zwei verschiedene Wärmebehandlungen einander gegenüber gestellt. Die Eigenspannungswerte sind jeweils experimentell mittels einer Röntgendiffraktometrie (XRD) ermittelt worden.
Der Eigenspannungsverlauf der oberen Kurve 4 gilt für eine allgemein übliche Wärmebehandlung, die aus einem Durchhärten bei 1100°C über 1 Stunde, dreimaligem Anlassen bei 540°C über jeweils 2 Stunden, und einmaligem Anlassen bei 560°C über zwei Stunden besteht. Dies ergibt in der Randschicht des Bauteils eine nahezu konstante Zugeigenspannung von 50 MPa, welches relativ ungünstig für die Dauerfestigkeit des Bauteils ist.
Der Eigenspannungsverlauf der unteren Kurve 5 gilt dagegen für eine erfindungsgemäße Wärmebehandlung, die aus einem gleichzeitigen Durchhärten und einer Randschichtaufhärtung in Form einer Plasma-Carbonitrierung bei 1100°C über 3 Stunden, dreimaligem Anlassen bei 540°C über jeweils 2 Stunden, und einmaligem Anlassen bei 560°C über 2 Stunden besteht. Dies ergibt in der Randschicht des Bauteils eine Druckeigenspannung in der Größenordnung von –100 MPa mit Spitzenwerten von etwa –130 MPa in einer Tiefe von 0,2 bis 0,3 mm, welches zu einer deutlichen Erhöhung der Dauerfestigkeit des Bauteils führt.
Der entsprechende Verlauf der Härte über der Tiefe bzw. dem Oberflächenabstand des Bauteils ist für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung für drei gleiche Behandlungsversuche in dem Diagramm gemäß 3 abgebildet. Die Härte weist in einer Tiefe von etwa 0,2 mm einen Maximalwert von 62 HRC auf und fällt zum Kern hin stetig auf einen Wert von etwa 59 HRC ab. Durch diesen Härteverlauf ist eine hohe Zähigkeit und Dauerfestigkeit des Bauteils bei gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit der Oberfläche gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: gemeinsames Durchhärten und Randschichtaufhärtung
1': separates Durchhärten
2: Tieftemperaturbehandlung
3: Anlassen
4: Eigenspannungsverlauf (bei konventioneller Wärmebehandlung)
5: Eigenspannungsverlauf (bei erfindungsgemäßer Wärmebehandlung)
A_C1: untere Umwandlungstemperatur
A_C3: obere Umwandlungstemperatur
t: Zeit
T_A: Anlasstemperatur
T_H: Härtungstemperatur
T_H+D: Härtungs- und Diffusionstemperatur
Δt_D: Diffusions-Haltedauer, Haltedauer bei separater Randschichtaufhärtung
Δt_H: Härtungs-Haltedauer, Haltedauer bei separatem Durchhärten
Δt_H+D: Haltedauer bei gemeinsamem Durchhärten und Randschichtaufhärtung

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, wobei die Wärmebehandlung ein Durchhärten, eine Randschichtaufhärtung und ein Anlassen des Bauteils umfasst, wobei das Durchhärten in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3, einem Halten des Bauteils auf der Härtungstemperatur und einem Abschrecken des Bauteils besteht, bei dem die Randschichtaufhärtung unter Einwirkung eines Diffusionselementes erfolgt, in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Diffusionstemperatur, einem Halten des Bauteils auf der Diffusionstemperatur und einem Abkühlen des Bauteils besteht, und als Plasma-Ionenhärtung durchgeführt wird, und bei dem das Anlassen in einem einmaligen oder mehrmaligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur A_C1, einem Halten des Bauteils auf der Anlasstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils besteht, wobei das Durchhärten des Bauteils und die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt (1) durchgeführt werden, indem das Bauteil auf eine gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H+D oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A_C3 erhitzt wird, indem das Bauteil bis zur vollständigen Austenitisierung und Lösung des enthaltenen Kohlenstoffs sowie bis zur gewünschten Anreicherung der Randschicht mit dem Diffusionselement auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H+D gehalten wird, wobei die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H+D im Wesentlichen an die erforderliche Härtungstemperatur T_H der Stahlsorte des Bauteils angepasst wird und zwischen 1070° und 1150°C eingestellt wird, wobei das Bauteil anschließend abgeschreckt wird und dadurch Druckeigenspannungen in der äußeren Randschicht ausgebildet werden, wobei die Haltedauer Δt_H+D auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H+D an die längere der beiden erforderlichen Haltedauern, der erforderlichen Härtungs-Haltedauer Δt_H oder der erforderlichen Diffusions-Haltedauer Δt_D, angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer längeren erforderlichen Diffusions-Haltedauer Δt_D die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur T_H+D um etwa 20° bis 40°C abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) als Diffusionselement verwendet wird, und dass das Bauteil hierzu während der Plasma-Ionenhärtung mit einem Kohlenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) abgebenden ionisierbaren Gas beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nachfolgenden Anlassen (3) des Bauteils die Anlasstemperatur T_A derart an die in dem Stahl gelösten Anteile des Diffusionselementes angepasst wird, dass sich nach dem Abkühlen die größte Härte in der Randschicht des Bauteils einstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlasstemperatur T_A auf einen Wert im Bereich von 500° bis 600°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial des Bauteils ein warmfester Stahl verwendet wird.
Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, das eine Wärmebehandlung erfahren hat, die ein Durchhärten des Bauteils, eine Randschichtaufhärtung des Bauteils, und ein Anlassen des Bauteils umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 erfolgt ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Lagerkomponente eines Wälzlagers bildet.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager zur Lagerung einer mechanisch und thermisch hochbelasteten Welle einer Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.