DE102005041250B4 - Method for solidifying component surfaces by deep rolling - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verfestigen von Oberflächen an einem Bauteil (2) aus vergütetem Stahl durch Hochtemperatur-Festwalzen, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Festwalzen zumindest ein festzuwalzender Bereich des Bauteils (2) auf eine vorgewählte Temperatur im dynamischen Reckalterungstemperaturbereich erwärmt, während des Festwalzens auf dieser Temperatur gehalten und nach dem Festwalzen abkühlen gelassen wird.method for solidifying surfaces on a component (2) made of tempered Steel by high-temperature deep rolling, characterized in that before Deep rolling at least one area of the component (2) on a preselected Temperature in the dynamic strain aging temperature range heated during the Rolling held at this temperature and after the deep rolling cooling down is left.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen von Oberflächen an einem Bauteil aus vergütetem Stahl durch Hochtemperatur-Festwalzen.The The invention relates to a method for solidifying surfaces a component made of tempered Steel by high temperature deep rolling.

Es sind zahlreiche Bauteile bekannt, die bei ihrer Anwendung schwingend beansprucht werden. Um zu vermeiden, daß derartige Bauteile häufig schon bei relativ kleinen Schwingbeanspruchungen versagen, kann der Bauteilentwurf überdimensioniert oder ein festeres, daher aber auch teureres Material verwendet werden. Alternativ ist es bekannt, einen Ausgleich zwischen Gewichtsreduzierung und Kosten dadurch herbeizuführen, daß zumindest die höchstbelasteten Oberflächen der Bauteile einer mechanischen Behandlung unterzogen werden, insbesondere durch Festwalzen. Das gilt z. B. für den Bereich der Automobilindustrie (z. B. DE 102 02 564 A1 ), aber auch für andere Industriezweige wie z. B. den Turbinenbau ( DE 195 16 834 A1 ). Dabei zeichnet sich das Festwalzen durch relative Einfachheit, hohe Effizienz und gute resultierende Schwingfestigkeiten aus. Allerdings werden die auf diese Weise erziel baren Schwingfestigkeiten bei vergüteten, nicht austenitischen Stählen nicht immer als ausreichend angesehen.There are numerous components known that are vibrated in their application. To avoid such components often fail even at relatively low vibrational stresses, the component design can be oversized or a firmer, but therefore more expensive material can be used. Alternatively, it is known to bring about a balance between weight reduction and cost by subjecting at least the most heavily loaded surfaces of the components to mechanical treatment, in particular by deep rolling. This applies z. B. for the automotive industry (eg. DE 102 02 564 A1 ), but also for other industries such. B. the turbine construction ( DE 195 16 834 A1 ). The deep rolling is characterized by relative simplicity, high efficiency and good resulting vibration resistance. However, the achievable in this way baren vibration strengths in tempered, not austenitic steels are not always considered sufficient.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, das Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung dahingehend weiter zu entwickeln, daß die durch seine Anwendung erzielbaren Schwingfestigkeiten größer als die Schwingfestigkeiten sind, die mit bekannten Verfahren erhalten werden.Of the The invention is therefore based on the technical problem, the method to further develop the genus described in the introduction, that the by its application achievable vibration strengths greater than the vibration strengths are obtained by known methods become.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein festzuwalzender Bereich des Bauteils vor dem Festwalzen auf eine im Bereich der dynamischen Reckalterung liegende Temperatur erwärmt, während des Festwalzens in diesem Temperaturbereich gehalten und nach dem Festwalzen abkühlen gelassen wird.to solution this task is the method of the type described characterized in that at least a festzuwalzender area of the component prior to deep rolling on a temperature in the range of the dynamic strain age aging heated while held the deep rolling in this temperature range and after the deep rolling cooling down is left.

Es wurde festgestellt, daß eine thermisch-mechanische Behandlung durch Festwalzen im Temperaturbereich der dynamischen Reckalterung im Vergleich zu den bisherigen, bei Raumtemperaturen vorgenommenen Festwalzverfahren zu signifikant größeren Schwingfestigkeiten führt. Die Ursache für diese besonders ausgeprägten Verbesserungen sind während der schwingenden Belastung besonders stabile Druckeigenspannungen aufgrund der dynamischen Reckalterung. Das hat zur Folge, daß Herstellungskosten und/oder Gewicht eingespart werden können.It it was found that a Thermal-mechanical treatment by deep-rolling in the temperature range the dynamic strain aging compared to the previous, at Room tempering deep-rolling method too significant greater vibration resistance leads. The cause of these most pronounced Improvements are during the swinging load particularly stable residual compressive stresses due to the dynamic strain aging. This has the consequence that production costs and / or weight can be saved.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous features of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described below in conjunction with the accompanying drawings at exemplary embodiments explained in more detail. It demonstrate:

1 schematisch eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens und 1 schematically a device for carrying out the method according to the invention and

2 ein Schaubild, das die durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkte Verbesserung erkennen läßt. 2 a graph that reveals the effect of the inventive method improvement.

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Festwalzen eines Bauteils 2. Das Beilteil 2 ist zur Durchführung des Festwalzvorgangs zwischen zwei Spannbacken 3 und 4 eingespannt, die in nicht näher dargestellter Weise in einem Gestell drehbar gelagert sind, so daß das Bauteil 2 in Richtung eine Pfeils v um eine Mittelachse 5 in Umdrehungen versetzt werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 2 eine zylindrische Welle mit einer mittleren Querschnittsverjüngung. Zur Aufheizung des Bauteils 2 auf eine gewünschte Temperatur dient eine Wärmequelle 6, die im Ausführungsbeispiel als Induktionsheizung in Form einer um das Bauteil 2 gelegten, an eine Stromquelle anschließbaren Wicklung dargestellt ist. 1 schematically shows a device 1 for deep rolling a component 2 , The hatchet 2 is to perform the deep rolling process between two jaws 3 and 4 clamped, which are rotatably mounted in a manner not shown in a frame, so that the component 2 in the direction of an arrow v about a central axis 5 can be rotated in turns. In the exemplary embodiment, the component 2 a cylindrical shaft with a mean cross-sectional taper. For heating the component 2 to a desired temperature is a heat source 6 , which in the embodiment as induction heating in the form of a around the component 2 laid, can be connected to a power source winding is shown.

Die Vorrichtung 1 enthält ferner eine Halterung 7, in der ein Walzelement 8, hier in Form einer Festwalz-Rolle, drehbar gelagert ist. Die Halterung 7 ist um eine schematisch angedeutete Achse 9 derart schwenkbar gelagert, daß der Umfang der Rolle 8 an einer vorgewählten Stelle an den Umfang des Bauteils 2 angelegt werden kann. Außerdem steht die Halterung 7 unter dem Einfluß einer elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder sonstwie betätigbaren Einrichtung 10, mittels derer die Rolle 8 beim Festwalzvorgang mit einer vorgewählten Kraft gegen das Bauteil 2 gedrückt werden kann. Diese Kraft wird während des Festwalzvorgangs vorzugsweise konstant gehalten, wozu eine nicht dargestellte Regelvorrichtung vorgesehen werden kann. Schließlich ist in 1 durch Pfeile 12 schematisch ein Kühlmittelkreislauf angedeutet, mittels dessen die Halterung 7 und damit auch die Rolle 8 gekühlt werden kann. Als Kühlmittel kann insbesondere Wasser dienen.The device 1 also includes a holder 7 in which a rolling element 8th , here in the form of a deep rolling roller, is rotatably mounted. The holder 7 is a schematically indicated axis 9 so pivotally mounted that the scope of the role 8th at a preselected location on the circumference of the component 2 can be created. In addition, the holder is 7 under the influence of an electrically, pneumatically, hydraulically or otherwise operable device 10 by means of which the role 8th during the deep rolling process with a preselected force against the component 2 can be pressed. This force is preferably kept constant during the deep rolling process, for which purpose a control device, not shown, can be provided. Finally, in 1 through arrows 12 schematically indicated a coolant circuit, by means of which the holder 7 and hence the role 8th can be cooled. In particular, water can serve as the coolant.

Die beschriebene Vorrichtung 1 arbeitet im wesentlichen wie folgt:
Das Bauteil 2 wird vor Beginn des Festwalzvorgangs durch Einschalten der Wärmequelle 6 erhitzt, und zwar auf eine Temperatur, die innerhalb des Bereichs der dynamischen Reckalterung liegt. Für ferritisch-perlitische Vergütungsstähle liegt dieser Bereich etwa zwischen 250°C und 450°C. Außerdem ist die Wärmequelle 6 vorzugs weise derart regelbar, daß das Bauteil 2 während des gesamten Festwalzvorgangs nur um ca. ± 20°C von der vorgewählten Temperatur abweicht, so daß der Festwalzvorgang praktisch isotherm verläuft. Die dazu erforderlichen Meßfühler sind nicht dargestellt, dem Fachmann aber allgemein bekannt.The device described 1 works essentially as follows:
The component 2 before the start of the deep rolling process by switching on the heat source 6 heated, to a temperature which is within the range of the dynamic strain aging. For ferritic-pearlitic tempering steels, this range is approximately between 250 ° C and 450 ° C. In addition, the heat source 6 preference as adjustable so that the component 2 during the entire deep rolling process deviates only by about ± 20 ° C from the preselected temperature, so that the deep rolling process is virtually isothermal. The required Sensors are not shown, but generally known to the skilled person.

Das Bauteil 2 wird nach Erreichen der vorgewählten Temperatur mit nicht dargestellten Antriebsmitteln, z. B. einem Elektromotor, in Umdrehungen versetzt und durch Anlegen der Rolle 8 festgewalzt, die dabei ebenfalls in Umdrehungen versetzt wird. Alternativ kann, insbesondere bei nicht-rotationssymmetrischen Bauteilen, das zu walzende Werkstück starr angeordnet sein und das Walzelement stattdessen um das Werkstück bewegt werden. Das Walzelement 8 bzw. die Rolle wird z. B. mit einer Kraft < 5 kN an das Bauteil 2 angelegt. Vorzugsweise werden dabei nur solche Bereiche festgewalzt, die bei der Anwendung des Bauteils 2 einer Höchstbelastung unterworfen werden (vgl. insoweit z. B. DE 102 02 564 A1 und DE 195 16 834 A1 ). Außerdem ist klar, daß die Festwalz-Rolle 8, ihre Lager und die übrigen beteiligten Bauteile so ausgelegt werden müssen, daß sie den hohen Temperaturen standhalten und die Bauteiltemperatur nicht signifikant beeinflussen, was z. B. durch die Wasserkühlung erreicht wird. Weiterhin kann eine Rolle 8 mit hoher Warmfestigkeit verwendet werden, um ihren Verschleiß zu minimieren. Schließlich kann der Halterung 7 eine nicht näher dargestellte Einrichtung zugeordnet sein, um sie bei Bedarf parallel zur Achse 5 des Bauteils 2 verschieben zu können.The component 2 is after reaching the preselected temperature with drive means, not shown, for. B. an electric motor, rotated in turns and by applying the role 8th rolled, which is also put in revolutions. Alternatively, in particular in non-rotationally symmetrical components, the workpiece to be rolled can be arranged rigidly and the rolling element can instead be moved around the workpiece. The rolling element 8th or the role is z. B. with a force <5 kN to the component 2 created. Preferably, only those areas are solid rolled, which in the application of the component 2 be subjected to a maximum load (see, for example, DE 102 02 564 A1 and DE 195 16 834 A1 ). It is also clear that the deep rolling role 8th , their bearings and the other components involved must be designed so that they can withstand the high temperatures and the component temperature does not significantly affect what z. B. is achieved by the water cooling. Furthermore, a role 8th be used with high heat resistance to minimize their wear. Finally, the holder 7 be associated with a device not shown, to parallel to the axis if necessary 5 of the component 2 to be able to move.

Das beschriebene Verfahren wird erfindungsgemäß auf Bauteile 2 aus vergütetem Stahl angewendet. Bei einem Bauteil 2 aus einem vergütetem Stahl, z. B. Ck 45 mit ca. 0,45% Kohlenstoff, wobei der Stahl zunächst durch Austenisieren, d. h. Erwärmung auf ca. 800°C bis 900°C erhitzt, nachfolgend durch Abschrecken mit einem geeigneten Abschreckmedium (z. B. Wasser oder Öl) auf Raumtemperatur gehärtet und dann bei z. B. 300°C bis 550°C angelassen wurde, kann die Temperatur während des Aushärtens z. B. anhand der aus 2 ersichtlichen Schaubilder gewählt werden. 2 zeigt anhand von zwei Beispielen (Kurven 14 und 15) die Abhängigkeit der Bruchlastspielzahl (Ordinate) von der Festwalztemperatur (Abszisse) bei einem üblichen, mit Raumtemperatur durchgeführten Dauerschwingversuch. Daraus ergibt sich, daß bei einer Anlaßtemperatur von 530°C (Kurve 14) und einer Spannungsamplitude von σa = 650 MPa (halbe Spannungsweite beim Schwingversuch) eine maximale Schwingfestigkeit bei einer Festwalztemperatur von ca. 370°C erreicht wird. Die maximale Bruchlastspielzahl ist hier im Vergleich zum Festwalzen bei Raumtemparatur weit mehr als doppelt so groß. Gemäß Kurve 15 wird dagegen nach dem Anlassen mit 400°C und bei einer Spannungsamplitude σa von 850 MPa ein Maximum bei einer Festwalztemperatur von ca. 264°C erreicht, wobei die maximale Bruchlastspielzahl ebenfalls wesentlich größer als beim Festwalzen mit Raumtemperatur ist. Die im Einzelfall gewählte Festwalztemperatur und die dadurch erhaltbaren Schwingfestigkeiten können daher anhand von Kurven 14 und 15 und anderen, entsprechenden Kurven leicht ermittelt werden.The method described is based on components 2 used in tempered steel. For a component 2 from a tempered steel, z. B. Ck 45 with about 0.45% carbon, the steel is first heated by austenizing, ie heating to about 800 ° C to 900 ° C, followed by quenching with a suitable quenching medium (eg., Water or oil) cured to room temperature and then at z. B. 300 ° C to 550 ° C was tempered, the temperature during curing z. B. based on the 2 can be selected. 2 shows by two examples (curves 14 and 15 ) the dependence of the number of cycles of failure (ordinate) on the hard-rolling temperature (abscissa) at a usual, room temperature, endurance test. It follows that at a tempering temperature of 530 ° C (curve 14 ) and a stress amplitude of σ a = 650 MPa (half the stress range in the vibration test) a maximum fatigue strength at a hard rolling temperature of about 370 ° C is achieved. The maximum number of breaking cycles is far more than twice as great here in comparison with deep rolling in room temperature. According to curve 15 on the other hand, after tempering at 400 ° C. and at a stress amplitude σ a of 850 MPa, a maximum is reached at a hard rolling temperature of about 264 ° C., the maximum number of cycles of breaking load also being significantly greater than during deep-rolling at room temperature. The selected in individual cases hard-rolling temperature and thus obtainable vibration resistance can therefore be based on curves 14 and 15 and other, corresponding curves are easily determined.

Die Festwalzdauer beträgt typischerweise z. B. 1–10 Minuten. Außerdem wird das Bauteil 2 nach dem Festwalzen der Abkühlung überlassen.The deep rolling time is typically z. Eg 1-10 minutes. In addition, the component becomes 2 after cooling, leave to cool.

Im übrigen hat das erfindungsgemäße, isotherme Festwalzen den Vorteil, daß es auch eine Glättung der Oberfläche des Bauteils 2 bewirkt und außerdem zyklisch sehr stabile Mikrostrukturen (Versetzungsanordnungen) in den Randzonen aufbaut sowie zyklisch besonders stabile Druckeigenspannungszustände erzeugt, die eine Rißbildung und Ausbreitung bei schwingender Beanspruchung wesentlich stärker hemmen als Druckeigenspannungen, die durch Festwalzen außerhalb des Temperaturbereichs für dynamische Reckalterung entstanden sind.Moreover, the isothermal deep rolling according to the invention has the advantage that it also smooths the surface of the component 2 causes and also cyclically very stable microstructures (Versetzungsanordnungen) builds up in the edge zones and cyclically particularly stable residual pressure states generated that inhibit cracking and propagation under oscillatory stress much stronger than residual compressive stresses that are caused by deep rolling outside the temperature range for dynamic strain aging.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. So können als Wärmequellen 6 beispielsweise auch konventionelle Öfen, Strahlungsheizungen, Laser od. dgl. verwendet werden. Auch eine ausreichend erhitzte Festwalz-Rolle 8 könnte als Wärmequelle dienen. Dies könnte insbesondere dem Zwecke dienen, nicht das gesamte Bauteil 2, sondern nur die festzuwalzenden Bereiche des Bauteils 2 für den Festwalzvorgang zu erhitzen. Weiterhin ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere als die beschriebenen Bauteile, insbesondere z. B. auf Getriebewellen od. dgl. angewendet werden kann. Weiter kann die Erfindung sowohl bei Bauteilen aus legierten vergüteten Stählen als auch bei Bauteilen aus unlegierten vergüteten Stählen angewendet werden.The invention is not limited to the described embodiments, which can be modified in many ways. So can as heat sources 6 For example, conventional ovens, radiant heaters, laser od. Like. Be used. Also a sufficiently heated deep-rolling role 8th could serve as a heat source. This could serve the purpose in particular, not the entire component 2 , but only the areas of the component to be tightened 2 for the deep-rolling process to heat. Furthermore, it is clear that the inventive method also on other than the described components, in particular z. B. on gear shafts od. Like. Can be applied. Furthermore, the invention can be applied both to components made of alloyed tempered steels and to components made of unalloyed tempered steels.

Claims (4)

Verfahren zum Verfestigen von Oberflächen an einem Bauteil (2) aus vergütetem Stahl durch Hochtemperatur-Festwalzen, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Festwalzen zumindest ein festzuwalzender Bereich des Bauteils (2) auf eine vorgewählte Temperatur im dynamischen Reckalterungstemperaturbereich erwärmt, während des Festwalzens auf dieser Temperatur gehalten und nach dem Festwalzen abkühlen gelassen wird.Method for solidifying surfaces on a component ( 2 ) made of tempered steel by high temperature deep rolling, characterized in that before the deep rolling at least one festzuwalzender area of the component ( 2 ) is heated to a preselected temperature in the dynamic strain age temperature range, held at that temperature during the deep rolling, and allowed to cool after the deep rolling. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Temperatur im Temperaturbereich zwischen 250°C und 450°C liegt.Method according to claim 1, characterized in that that the preselected Temperature in the temperature range between 250 ° C and 450 ° C. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Bauteils (2) zumindest in den festzuwalzenden Bereichen beim Festwalzen in einem Bereich von ± 20°C konstant gehalten wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature of the component ( 2 ) at least in the festzuwalzenden areas during deep rolling in a range of ± 20 ° C constant ge will hold. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während des Festwalzens in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur des Stahls gewählt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the Temperature during of deep rolling depending on from the tempering temperature of the steel chosen becomes.
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