DE102006040814A1

DE102006040814A1 - Verfahren zum Erzeugen einer hoch einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente

Info

Publication number: DE102006040814A1
Application number: DE200610040814
Authority: DE
Inventors: Christian SCHULTE-NÖLLE; Werner Dr. Trojahn; Thomas Bauer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-06
Also published as: WO2008025344A1

Abstract

Ein fertigungstechnisch beherrschbares und mit vertretbarem Aufwand realisierbares Verfahren zum Erzeugen einer hoch einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente sieht vor, dass die Wälzlagerkomponente aus einem hochlegierten, korrosionsbeständigen Stahl mit hohen Anteilen von karbidbildenden Legierungselementen, insbesondere Chrom, hergestellt wird und in einem Prozessraum einer Temperatur zwischen mindestens 700°C und höchstens 1000°C ausgesetzt wird, in den zum Aufkohlen der Wälzlagerkomponente Methan eingebracht wird und in dem ein Plasma in Oberflächennähe der Wälzlagerkomponente erzeugt wird, durch das erst das Methan unter Freisetzung reinen Kohlenstoffs aufgespalten wird.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik für besonders kritische und hochbeanspruchte Einsatzfälle, wie z.B. im Turbinen oder Triebwerksbau und betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer hoch einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente.
Wälzlager bzw. deren Komponenten, insbesondere Lagerringe und Wälzkörper, sind je nach Anwendungs- und Einsatzort außerordentlich hohen betriebsbedingten Beanspruchungen, insbesondere hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Dennoch wird von ihnen eine möglichst verschleißfreie, zuverlässige Lagerung auch bei hoher Wälz- und Gleitbeanspruchung zwischen den Wälzkörpern und den zugeordneten Laufbahnen erwartet.
Für die Herstellung von Wälzlagern sind je nach Anwendungsgebiet vielfältige Materialien, insbesondere einsatzhärtbare Stähle bekannt. Beim Einsatzhärten wird durch das so genannte Aufkohlen – also das gezielte und dosierte Einbringen von Kohlenstoffatomen mittels Diffusion in die Randschicht des jeweiligen Werkstücks – der für den jeweiligen Einsatzstahl notwendige und möglichst optimale Kohlenstoffgradient erzeugt. Durch anschließende Verspannung des Werkstückmaterials, d.h. der jeweiligen Atomgitter, durch die eingelagerten Kohlenstoffatome wird letztlich die erwünschte Härte erzeugt.
Bei aus niedriglegierten Stählen hergestellten Werkstücken ist es (noch) möglich, diese in einer mit Propan als Kohlenstoffspender angereicherten Ofenatmosphäre eines evakuierbaren Ofens aufzukohlen, indem so hohe Temperaturen erzeugt werden, dass das Propan nach der an sich bekannten Propanpyrolyse unter Freigabe atomaren Kohlenstoffs gespalten wird.
Allerdings weist Propan insoweit den Nachteil auf, dass es im Niederdruckbereich bereits bei Temperaturen von ca. 400°C thermisch gespalten wird, was bei hochlegierten korrosionsbeständigen Stählen zu einem ungleichmäßigen Aufkohlen führen würde und zudem die Gefahr der Verrußung im Bereich der Gaseinlassdüsen birgt. Bei einer Temperaturabsenkung wären dagegen sehr lange Behandlungs- bzw. Diffusionszeiten in Kauf zu nehmen, wobei noch immer keine vollbefriedigenden Ergebnisse zu erzielen wären.
Somit sind hochlegierte Stähle – was den Aufkohlungsprozess angeht – wesentlich problematischer als niedriglegierte Stähle. Metallurgische Ursache dafür ist u.a. die vergleichsweise geringe Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs in hochlegierten Stählen, was auf den hohen Anteil gelöster Elemente im Stahl zurückzuführen ist. Außerdem neigt insbesondere Chrom, der in hochlegierten Stählen zu einem erheblichen Anteil enthalten sein kann, unter Ausscheidung von Karbiden dazu, sich sofort mit dem eindiffundierenden Kohlenstoff zu verbinden, so dass dieser quasi weggefangen wird und nicht mehr für das gewünschte Aufkohlen zur Verfügung steht.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein fertigungstechnisch beherrschbares und mit vertretbarem Aufwand realisierbares Verfahren zum Erzeugen einer hoch einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer hoch einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente, bei dem die Wälzlagerkomponente aus einem hochlegierten, korrosionsbeständigen Stahl mit hohen Anteilen von karbidbildenden Legierungselementen, insbesondere Chrom, hergestellt wird und zum Aufkohlen in einem Prozessraum einer Temperatur zwischen mindestens 700°C und höchstens 1000°C ausgesetzt wird, wobei in den Prozessraum zum Aufkohlen der Wälzlagerkomponente Methan eingebracht wird und in dem Prozessraum ein Plasma in Oberflächennähe der aufzukohlenden Wälzlagerkomponente erzeugt wird, durch das erst das Methan unter Freisetzung reinen Kohlenstoffs aufgespalten wird.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass mit diesem tatsächlich eine Aufspaltung des Methans unter Freisetzung der gewünschten Kohlenstoffatome erst durch Anlegen einer geeigneten Spannung mittels einer so genannten Plasmaschaltung erfolgt. Die Wälzlagerkomponente kann also bereits einer relativ hohen Temperatur von bis ca. 1000°C ausgesetzt werden, weil Methan bis zu diesen Temperaturen noch sehr stabil ist und keine thermische Aufspaltung erfolgt. Die eigentliche Aufkohlung durch Bereitstellung der Kohlenstoffatome in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Wälzlagerkomponente erfolgt vorteilhafter Weise erst durch den hohen Spannungsgradienten bzw. eine sehr hohe Feldstärke, die gezielt dort zu einer Aufspaltung des Methans führt.
In langwierigen und ausführlichen Untersuchungen hat sich überraschenderweise gezeigt, dass so Wälzlagerkomponenten aus hochlegierten, warmfesten handelsüblichen Einsatzstählen, wie beispielsweise M50NiL oder der unter der Handelsbezeichnung Pyrowear 675 von der Firma Carpenter Technology Corporation (USA) vertriebene Stahl, mit vertretbarem apparativen Aufwand hergestellt und dabei sehr homogen aufgekohlt werden. Derartige Einsatzstähle weisen nämlich folgende, bislang härtungstechnisch als äußerst problematisch angesehene Eigenschaften auf:

a) Sie haben einen hohen Anteil karbidbildender Legierungselemente,
b) sie besitzen eine nur geringe Kohlenstofflöslichkeit und
c) sie besitzen einen niedrigen Diffusionskoeffizienten.

Besonders problematisch ist es bei derartigen Einsatzstählen zudem (und damit besonders bevorzugt ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens) wenn ein Aufkohlen in einer großen, dicht gepackten Charge erfolgen soll.
Überraschenderweise können auch unter diesen erschwerenden Randbedingungen mit dem erfindungsgemäßen hervorragende Resultate erzielt und Wälzlagerkomponente in bester Qualität hergestellt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Stahl insgesamt mindestens 12% Chrom und/oder Molybdän enthält.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung einsatzhärtbarer Wälzlagerkomponenten für Lager in Triebwerken oder Turbinen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen:
1 Härteverläufe gegenüber der Randdicke bei mittels Propan einerseits und mittels Methan andererseits aufgekohlten Proben,
2 zwei Proben einer Wälzlagerkomponente jeweils im Schliff, die nach einem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von Propan einerseits und Methan andererseits als Kohlenstoffträger aufgekohlt wurden.
1 zeigt jeweils in Y-Richtung die Vickers-Härte (HV) und in X-Richtung die Untersuchungstiefe je einer Probe. Die erste Probe wurde mit Propan bei einer Prozesstemperatur von 940°C als Kohlenstoffspender aufgekohlt und zwar ohne Zuschaltung einer geeigneten, an der Probenoberfläche plasmaerzeugenden Spannung. Die zweite Probe wurde ebenfalls bei einer Prozesstemperatur von 940°C mittels Propan als Kohlenstoffspender aufgekohlt, jedoch mit Zuschaltung einer geeigneten, an der Probenoberfläche plasmaerzeugenden Spannung. Die Härte stellt ein Maß für die Kohlenstoffaufnahme bzw. die Eindringtiefe des Kohlenstoffs, also für die Aufkohlungstiefe, dar.
Man erkennt in 1, dass das Propan auch ohne die plasmaerzeugende Spannung zerfällt und der dabei freiwerdende Kohlenstoff nur eine relativ geringe Eindringtiefe erlangt. Die geringere Eindringtiefe des Kohlenstoffs, auch als Diffusionstiefe bezeichnet, hängt nicht direkt mit der Zuschaltung des Plasmas zusammen. Vielmehr hängt die Eindringtiefe des Kohlenstoffs u.a. von der Position der jeweiligen Probe innerhalb der Charge oder genauer mit der Entfernung dieser Probe zu den Gaseinlassdüsen ab. Der Grund hierfür besteht darin, dass Propan in relativ kurzer Zeit zerfällt, nachdem es die Begasungsdüsen verlassen hat. Dadurch werden die jeweiligen Proben, die sich in der Nähe der Düsen befinden, stark aufgekohlt, weiter entfernt liegende Proben jedoch weniger aufgekohlt. Eine gleichmäßige Aufkohlung der gesamten Charge (mit angesprochenem Stahl und angesprochener Temperatur) ist dadurch nicht oder nur wenig möglich. Methan hingegen zerfällt nicht sofort nach dem Austreten durch die Begasungsdüsen. Es kann sich gleichmäßig im Ofen verteilen. Erst mit Anlegen einer Spannung dissoziiert Methan direkt an einer kathodisch geschalteten, elektrisch leitfähigen Oberfläche, wie z.B. der Oberfläche einer Probe oder des Ofengestells.
Die Eindringtiefe des Kohlenstoffs, d.h. die Diffusionstiefe, in der jeweiligen Probe hängt somit im Wesentlichen von der Gesamtmenge des vorhandenen reaktionsfähigen Kohlenstoffs ab. Bei der Aufkohlung mit Propan liegt ein großes Angebot an Kohlenstoff, auch ohne Plasmazuschaltung, in unmittelbarer Nähe der Begasungsdüsen vor. Bei der Aufkohlung mit Methan findet man ein großes Angebot an Kohlenstoff in oder in der Nähe des Plasmas (so genannter Plasmasaum), was in diesem Falle unabhängig von der Nähe zu den Begasungsdüsen ist.
Im Ergebnis ist es ohne wesentlichen Einfluss, ob eine plasmaerzeugende Spannung aufgeschaltet wurde, weil das Propan bereits bei der Prozesstemperatur (nach der eingangs beschriebenen Propanpyrolyse) thermisch zerfällt.
Dagegen zeigt die rechte Seite der 1 in gleicher Darstellung, nämlich jeweils in Y-Richtung die Vickers-Härte (HV) und in X-Richtung die Untersuchungstiefe der Probe, den Härteverlauf je einer Probe, die mit Methan als Kohlenstoffspender bei einer Prozesstemperatur von 940°C und bei einem Prozessdruck von ca. 10 mbar aufgekohlt wurde. Hier ist bei der ersten Probe deutlich zu erkennen, dass ohne die Zuschaltung der plasmaerzeugenden Spannung nur eine relativ geringe Aufkohlung über die Probentiefe vorliegt. Das lässt erkennen, dass ohne plasmaerzeugende Spannung kaum eine Spaltung des Methans stattgefunden hat.
Die zweite Probe hat mit Einsatz der plasmaerzeugenden Spannung eine erhebliche Aufkohlung und damit eine deutliche Härtung auch in tiefer liegenden Randschichten oder Regionen erfahren. Mit anderen Worten: Erst mit der plasmaerzeugenden Spannung ist eine Kohlenstofffreisetzung genau dort erfolgt, wo ein Kohlenstoffangebot für die Aufkohlung gewünscht ist. Dieser Kohlenstoff konnte aufgrund der hohen Prozesstemperatur von beispielsweise 940°C ausreichend tief in die Probe eindiffundieren.
2 zeigt Schliffe der 1 entsprechender Werkstückproben. Bei der nach einem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von Propan aufgekohlten Probe ist deutlich eine so genannte Überkohlung zuerkennen (linker Teil der 2), während bei einer unter Einsatz einer plasmaerzeugenden Spannung und Methan als kohlenstoffspendendes Prozessgas erfolgten Aufkohlung (2, rechter Teil) eine sehr dosierte Aufkohlung zu erkennen ist.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer hoch einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente, wobei die Wälzlagerkomponente – aus einem hochlegierten, korrosionsbeständigen Stahl mit hohen Anteilen von karbidbildenden Legierungselementen, insbesondere Chrom, hergestellt wird, – in einem Prozessraum einer Temperatur zwischen mindestens 700°C und höchstens 1000°C ausgesetzt wird, – in den Prozessraum zum Aufkohlen der Wälzlagerkomponente Methan eingebracht wird und – in dem Prozessraum ein Plasma in Oberflächennähe der Wälzlagerkomponente erzeugt wird, durch das erst das Methan unter Freisetzung reinen Kohlenstoffs aufgespalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stahl insgesamt mindestens 12% Chrom und/oder Molybdän enthält.
Verwendung einer nach Anspruch 1 oder 2 hergestellten einsatzhärtbaren Wälzlagerkomponente für Lager in Triebwerken oder Turbinen.