DE102008031107A1 - Steel element with claimable surface and method for its production - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein besonders verschleißfestes Stahlbauteil (12, 14) durch ein Verfahren geschaffen, bei dem ausgehend von einem Rohbauteil mit einem Schwefelgehalt von weniger als 0,01 Gewichtsprozent und einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,8% und 1,1% eine Wärmebehandlung mit Carbonitrieren, Härten, Abschrecken und Lagern bei Niedrigtemperatur durchgeführt wird. Durch das Verfahren wird eine besonders harte und risszähe Oberfläche des Bauteils realisiert.According to the invention, a particularly wear-resistant steel component (12, 14) is provided by a method in which, starting from a shell component having a sulfur content of less than 0.01% by weight and a carbon content between 0.8% and 1.1%, a heat treatment with carbonitriding, Hardening, quenching and storage is carried out at low temperature. By the method, a particularly hard and crack-resistant surface of the component is realized.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und dort spezieller im Bereich der Tribologie, das heißt, der Gestaltung von Bauteilen mit dem Ziel, die Stabilität, Widerstandsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Bauteilen gegen Oberflächenverschleiß zu erhöhen und Reibungsparameter zu optimieren.The Invention is in the field of mechanical engineering and there special in the field of tribology, that is, the design of components with the goal of stability, resistance and durability of components against surface wear increase and Optimize friction parameters.
Speziell befasst sich die Erfindung mit Stahlbauteilen, die einer erhöhten Oberflächenbelastung, beispielsweise bei der Verwendung in Wälzlagern ausgesetzt sind.specially The invention is concerned with steel components which have an increased surface load, for example exposed when used in rolling bearings are.
Grundsätzlich können derartige Bauteile aus möglichst widerstandsfähigen Stahlsorten oder ähnlichen Legierungen hergestellt werden, um sowohl Rei bungskoeffizienten als auch Härte und Abrieb zu optimieren. Dies ist jedoch oft wegen der Materialkosten nicht möglich oder beispielsweise weil die Bauelemente aus verschiedenen Gründen nicht homogen gestaltet werden können oder sollen.In principle, such Components from as possible tough Steel grades or similar Alloys are made to both Rei friction coefficient as well as hardness and to optimize abrasion. However, this is often because of the material costs not possible or for example because the components are not for various reasons can be made homogeneous or should.
Es haben sich alternativ verschiedenste Arten von Oberflächengestaltungen und Behandlungen entwickelt, mit denen Oberflächen von Stählen und anderen Legierungen besonders behandelt werden können, um die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Eigenschaften des jeweiligen Bauteilkerns zu verändern.It alternatively have different types of surface designs and developed treatments that allow surfaces of steels and other alloys can be specially treated around the surface properties across from to change the properties of the respective component core.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stahlbauteil sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, die bei möglichst geringem Herstellungsaufwand im Bereich einer besonders belasteten Oberfläche eine große Materialhärte mit einer geringen Neigung zur Rissbildung und einem hohen Verschleißwiderstand gegen Abrieb verbinden.Of the present invention is based on the object, a steel component as well as to provide a method of its production which, if possible low production costs in the area of a particularly stressed surface a big Material hardness with a low tendency to cracking and high wear resistance connect against abrasion.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The Task is according to the invention solved with the features of claim 1.
Dabei wird in einem grundsätzlich bekannten Verfahren ein Rohbauteil carbonitriert, das heißt, bei erhöhten Temperaturen Kohlenstoff und Stickstoff ausgesetzt, so dass entsprechende Atome im Oberflächenbereich eindiffundieren können.there will be in a basically known processes carbonitriding a shell component, that is, at elevated temperatures Exposed to carbon and nitrogen, leaving corresponding atoms in the surface area can diffuse.
Dies kann beispielsweise in einem mit Ammoniak angereicherten Kohlenwasserstoffgas, vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen 820°C und 930°C geschehen. Die Dauer einer derartigen Behandlung kann zwischen zwei und zwölf Stunden je nach Temperaturwahl und Zusammensetzung des Gases sowie Gasdruck variieren.This For example, in an ammonia-enriched hydrocarbon gas, advantageously at a temperature between 820 ° C and 930 ° C happen. The duration of a Such treatment can take between two and twelve hours depending on the temperature choice and composition of the gas as well as gas pressure vary.
Darauf kann das Rohbauteil noch weiter bei einer entsprechenden Temperatur beispielsweise zwischen 820°C und 880°C (Härtetemperatur) gelagert werden, um eine weitgehende Umwandlung von Ferrit in Austenit (Austenitisierung) zu erreichen. Darauf findet eine Abschreckung, das heißt eine schnelle Abkühlung, beispielsweise bis auf Raumtemperatur (20°C), statt und zwar mindestens mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die der so genannten ersten kritischen Abkühlgeschwindigkeit entspricht, die maßgebend für eine martensitische Härtung ist.Thereon the shell component can continue at a corresponding temperature for example between 820 ° C and 880 ° C (Curing temperature) be stored to a large extent conversion of ferrite into austenite (Austenitization). Then there is a deterrent this means a quick cooling, for example, up to room temperature (20 ° C), instead of at least with a cooling rate, which corresponds to the so-called first critical cooling rate, the authoritative for one martensitic hardening is.
Entsprechend wird bei dem Abschreckvorgang wenigstens ein Teil des Austenits in Martensit umgewandelt, der wenigstens im Oberflächenbereich eine gewünschte große Härte aufweist.Corresponding At least part of the austenite will be in the quenching process converted into martensite, at least in the surface area a desired one size Has hardness.
Darauf wird das Bauteil eine Zeit lang bei einer Niedrigtemperatur gelagert, die wenigstens unterhalb von 0°C liegt, um Restaustenit zu reduzieren.Thereon the component is stored for a time at a low temperature, at least below 0 ° C to reduce residual austenite.
Da das Rohbauteil einen Kohlenstoffanteil zwischen 0,8% und 1,1% in Gewichtsanteilen aufweist, kann mit dem entsprechend gebildeten martensitischen Teil eine hohe Härte erreicht werden, wenn eine entsprechende Tiefkühlung erfolgt. Durch die vorangehende Carbonitrierung ist der Kohlenstoffanteil besonders im Oberflächenbereich hoch, so dass die durch die Lagerung bei Niedrigtemperatur erreichbare Härte im Außenbereich besonders hohe Werte annimmt (62 bis 67 HRC), während unterhalb der Randschicht eine Härte von wenigstens 60 HRC sowie ein Restaustenitgehalt kleiner als 10% vorliegt.There the shell component has a carbon content between 0.8% and 1.1% in Having proportions by weight, can with the appropriately formed martensitic part of a high hardness be achieved when a corresponding freezing occurs. By the preceding Carbonitriding is the carbon content, especially in the surface area high, so that the achievable by the storage at low temperature Hardness in the outdoors particularly high values (62 to 67 HRC), while below the surface layer a hardness of at least 60 HRC and a retained austenite content of less than 10% is present.
Im Oberflächenbereich ist die Umwandlung von Restaustenit in Martensit wegen des dort erhöhten Kohlenstoffanteils nicht so ausgeprägt wie im Kernbereich und muß durch kühl- Lagerung unterstützt werden.in the surface area is the transformation of retained austenite into martensite because of there increased Carbon content is not as pronounced as in the core area and must by refrigerated storage supports become.
Insbesondere durch die Begrenzung des Schwefelgehalts auf weniger als 0,01 Gewichtsprozent ergibt sich im Oberflächenbereich eine gute Zähigkeit gegen belastungsbedingte Rissbildung.Especially by limiting the sulfur content to less than 0.01 weight percent results in the surface area a good tenacity against stress-induced cracking.
Durch den insgesamt reduzierten Restaustenitgehalt ergibt sich zudem eine große Maßstabilität des Stahlbauteils, zumindest bis 135°C.By the overall reduced residual austenite content also results in one size Dimensional stability of the steel component, at least up to 135 ° C.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, dass zwischen dem Carbonitrieren und dem Abschrecken das Rohbauteil bei einer Härtetemperatur zwischen 820°C und 880°C wenigstens 20 Minuten lang gelagert wird.The inventive method can be advantageously configured in that between the Carbonitriding and quenching the shell at a hardening temperature between 820 ° C and At least 880 ° C Stored for 20 minutes.
Die Lagerzeit beträgt dabei vorteilhaft wenigstens 20 Minuten nach der Durchwärmung, wobei in diesem Härteprozess eine weitgehende Austenitisierung stattfindet. Dadurch wird der durch Abschreckung erreichbare Martensitanteil gesteigert.The Storage time is doing so advantageously at least 20 minutes after heating, in this hardening process extensive austenitisation takes place. This will be the increased by deterrence achievable martensite.
Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zwischem dem Carbonitrieren und dem Abschrecken das Rohbauteil bei einer Temperatur zwischen 600°C und 750°C wenigstens eine Stunde lang gelagert wird.Additionally or Alternatively, it can also be provided that between the carbonitriding and quenching the shell at a temperature between 600 ° C and At least 750 ° C stored for one hour.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass zwischen dem Carbonitrieren und dem Abschrecken das Rohbauteil bei einer Temperatur zwischen 500°C und 750°C einer Glühbehandlung ausgesetzt wird.Additionally or alternatively it is also possible that between carbonitriding and quenching the shell component at a temperature between 500 ° C and 750 ° C an annealing treatment is suspended.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Rohbauteil zwischen der Carbonitrierung und dem folgenden Behandlungsschritt auf Raumtemperatur abgekühlt wird.A advantageous embodiment of the invention provides that the shell component between the carbonitriding and the following treatment step cooled to room temperature becomes.
Durch das zwischenzeitliche Abkühlen auf Raumtemperatur kann im Kern des Bauteils teilweise eine Martensitisierung stattfinden, da dort der Kohlenstoffgehalt relativ gering und die entsprechende Martensit- Starttemperatur höher liegt als für den Außenbereich, in dem der Kohlenstoffgehalt des Bauteils wesentlich höher ist.By the interim cooling At room temperature, some martensite in the core of the component take place because there the carbon content is relatively low and the corresponding martensite start temperature higher as for the outdoor area, in which the carbon content of the component is much higher.
Nach dem Abschrecken findet die eigentliche Reduzierung des Restaustenitgehaltes durch eine weitere Abkühlung und Lagerung des Bauteils bei einer Niedrigtemperatur statt, die vorteilhaft unter 0°C, besonders vorteilhaft unter –40°C, insbesondere –100°C und fallweise vorteilhaft sogar unter –150°C liegt.To quenching takes place the actual reduction of retained austenite content by a further cooling and storage of the component at a low temperature place, the advantageously below 0 ° C, particularly advantageous below -40 ° C, especially -100 ° C and occasionally advantageous even below -150 ° C.
Das Bauteil kann auch mittels flüssigen Stickstoffs auf dessen Temperatur gebracht und dort gelagert werden, um eine möglichst weitgehende Umwandlung des Restaustenits in Martensit zu erreichen.The Component can also be using liquid nitrogen brought to its temperature and stored there to a preferably extensive conversion of retained austenite to martensite.
Diese Lagerung kann beispielsweise wenigstens eine Stunde andauern.These Storage may last, for example, for at least one hour.
Damit wird sicher gestellt, dass das Bauteil bis zum Kern durchgekühlt und entsprechend lange bei der Kühltemperatur gelagert wird.In order to it is ensured that the component is cooled to the core and correspondingly long at the cooling temperature is stored.
Nach der Lagerung bei Niedrigtemperatur kann das Bauteil erwärmt und angelassen werden.To Storage at low temperature, the component can be heated and to be started.
Dabei ist das Anlassen bei verschiedenen Temperaturstufen denkbar, wobei vorteilhaft die erste Anlassstufe zwischen 120°C und 200°C vorgesehen ist. Beim Anlassen auf der ersten Anlassstufe geht der Martensit in eine als kubischer Martensit bezeichnete Modifikationsstufe über.there the tempering at different temperature levels is conceivable, wherein Advantageously, the first tempering stage between 120 ° C and 200 ° C is provided. When starting on the first tempering stage the martensite goes into a cubic one Martensite referred to modification level.
Zudem sind weitere Anlassstufen zwischen 200°C und 320°C zur Reduzierung des Restaustenits denkbar.moreover Further tempering stages between 200 ° C and 320 ° C are conceivable for the reduction of the residual austenite.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlbauteils auch auf ein Stahlbauteil, das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist und das einen Restaustenitgehalt im Bereich der Oberfläche zwischen 15% und 40% aufweist.The Invention relates except to a method for producing a steel component also on a Steel component made according to the method described and that a retained austenite content in the area of the surface between 15% and 40%.
Im Kernbereich weist das Stahlbauteil einen wesentlich geringeren Austenitgehalt auf als im Oberflächenbereich, beispielsweise weniger als 10%. Dadurch wird der Oberflächen-bereich in Folge eines zähen Restaustenitgehaltes, hoher Druckeigenspannungen und einer großen Härte extrem verschleißfest, wobei das Bauteil zudem durch den geringen Schwefelanteil eine hervorragende Widerstandskraft gegen belastungsbedingte Rissbildung und Zähigkeit aufweist.in the Core area, the steel component has a much lower austenite content on than in the surface area, for example, less than 10%. This will cause the surface area as a result of a tough Residual austenite content, high residual compressive stresses and a high hardness extreme wear-resistant, In addition, the component by the low sulfur content an excellent Resistance to stress-induced cracking and toughness having.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben.in the The invention will be described below with reference to an exemplary embodiment in a drawing shown and described below.
Dabei zeigtthere shows
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Elementen für Wälzlager, insbesondere Wälzlager für schnelldrehende Spindeln von Werkzeugmaschinen oder andere schnelldrehende und hochbelastete Bauteile. Bei solchen Elementen werden besonders hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit des Stahles im Wälzlager gestellt. In den entsprechenden Lagern werden vorteilhaft Keramikwälzkörper (Zylinderrollen oder Kugeln) eingesetzt. Vorteilhaft findet eine Schmierung mit Fett oder Öl statt.The inventive method is particularly suitable for the production of elements for rolling bearings, in particular rolling bearings for fast-moving Spindles of machine tools or other fast-moving and highly loaded Components. With such elements are particularly high demands to the wear resistance of the steel in the rolling bearing posed. In the corresponding bearings are advantageous Keramikwälzkörper (cylindrical rollers or Balls) used. It is advantageous to lubricate with grease or oil instead of.
Die
Es
sind im einzelnen zwei Schrägkugellager
Zudem
sorgen die jeweiligen Schrägkugellager
Jeweils
der Innen- und/oder Außenring
Dies
ist näher
im Zusammenhang mit der
Die
Die
Laufflächen
Zudem
sind in der Figur schematisch ein Lagerkäfig
In
der
Dabei beginnt das Verfahren bei einer Temperatur Temp 5, die zwischen 820°C und 930°C liegen kann. Das Rohstahlbauteil, das zu Beginn des Verfahrens homogen ist und zwischen 0,8 und 1,1 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 1,3 bis 2 Gewichtsprozent Chrom, 0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent Mangan, 0,2 bis 0,9 Gewichtsprozent Silizium und weniger als 0,01 Gewichtsprozent Schwefel enthält sowie weitere übliche und unvermeidbare Verunreinigungen und Begleitelemente, wird bei dieser Temperatur einer Carbonitrierung in einem mit Ammoniak angereicherten Kohlenwasserstoffgas unterzogen, wobei im Bereich der Lauffläche (überrollten Funktionsfläche) der Kohlenstoffgehalt auf 0,9% bis 1,4% und der Stickstoffgehalt auf 0,05% bis 0,5% angereichert wird. Die Erhöhung der genannten Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte reicht bis in eine Tiefe zwischen 1% und 6% des entsprechenden Bauteildurchmessers im Bereich der überrollten Fläche. Die Carbonitrierung bei der Temperatur Temp 5 kann beispielsweise über zwei bis zwölf Stunden stattfinden und ihr Ende ist durch den Zeitpunkt t1 im Diagramm gekennzeichnet. Danach kann die Temperatur bis zur Raumtemperatur Temp 2 abgesenkt, dort von t2 bis t3 gehalten und danach wieder auf eine Temperatur Temp 4 zwischen 820°C und 880°C bis zur Zeit t4 gehalten werden. Anstelle dieses Härtens zwischen t3 und t4 bei einer Temperatur zwischen 820°C und 880°C kann dort auch eine Wärmebehandlung zwischen 500°C und 750°C beziehungsweise eine Glühbehandlung zwischen 500°C und 750°C vorgenommen werden.there The process begins at a Temp 5 temperature, which is between 820 ° C and 930 ° C lie can. The crude steel component, which is homogeneous at the beginning of the process is between 0.8 and 1.1 percent by weight carbon, 1.3 to 2 weight percent chromium, 0.2 to 1.5 weight percent manganese, 0.2 to 0.9 weight percent silicon and less than 0.01 weight percent Contains sulfur as well as other usual and unavoidable impurities and accompanying elements will be added this temperature of a carbonitriding in an ammonia enriched Hydrocarbon gas subjected, wherein in the tread (rolled over Functional surface) the carbon content at 0.9% to 1.4% and the nitrogen content is enriched to 0.05% to 0.5%. The increase of said carbon and nitrogen contents to a depth of between 1% and 6% of the corresponding component diameter in the area of the rolled over Area. The carbonitriding at the temperature Temp 5, for example, over two to twelve Hours take place and their end is by the time t1 in the diagram characterized. After that, the temperature can reach room temperature Temp 2 lowered, held there from t2 to t3 and then again be kept at a temperature Temp 4 between 820 ° C and 880 ° C until the time t4. Instead of this hardening between t3 and t4 at a temperature between 820 ° C and 880 ° C can there also a heat treatment between 500 ° C and 750 ° C respectively an annealing treatment between 500 ° C and 750 ° C made become.
Der Übergang
zwischen der Carbonitrierungstemperatur Temp 5 und der Härtetemperatur Temp
4 kann auch ohne eine zwischenzeitliche Abkühlung auf Raumtemperatur direkt
erfolgen, wie dies durch die gepunktete Linie
Zum Zeitpunkt t4 ist eine Abschreckung mit einer Abkühlgeschwindigkeit vorgesehen, die die erste kritische Abkühlgeschwindigkeit für eine martensitische Umwandlung überschreitet und zwartypisch bis zur Raumtemperatur Temp 2. Hier kann jedoch auch eine Abkühlung bis auf eine andere niedrigere Temperatur vorgesehen sein, die auch geringer als die Raumtemperatur Temp 2 sein kann.To the At time t4, a quench is provided with a cooling rate, the first critical cooling rate for one exceeds martensitic transformation and zwartypisch to room temperature Temp 2. Here, however also a cooling off be provided to another lower temperature, too less than the room temperature can be temp 2.
Nach dem Abschrecken kann das Bauteil bis zum Zeitpunkt t5 weiter abgekühlt werden bis auf eine Temperatur Temp 1, die deutlich unter Raumtemperatur, oft vorteilhaft unter –40°C oder –100°C, beispielsweise auch bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs liegen kann. Bei dieser Temperatur Temp 1 wird das Bauteil bis zum Zeitpunkt t6 gelagert über einen Zeitraum, der eine völlige Durchkühlung und danach noch eine Lagerzeit von wenigstens einer halben Stunde vorsieht.To quenching, the component can be further cooled until time t5 down to a temperature of 1, which is well below room temperature, often advantageous below -40 ° C or -100 ° C, for example even at the temperature of the liquid Nitrogen can lie. At this temperature Temp 1, the component stored over at time t6 a period of time that is complete Through-cooling and after that a storage period of at least half an hour is planned.
Darauf wird bis zum Zeitpunkt t7 das Bauteil wieder bis auf Raumtemperatur erwärmt, um später zum Zeitpunkt t8 angelassen zu werden. Das Anlassen zur Erhöhung der Zähigkeit findet typischerweise bei der ersten Anlasstemperatur Temp 3 im Bereich zwischen 120°C und 200°C statt.Thereon until the time t7, the component is again up to room temperature heated to later to Time t8 to be started. The tempering to increase the toughness typically occurs at the first tempering Temp 3 in Range between 120 ° C and 200 ° C instead of.
Danach wird das Stahlbauteil wieder abgekühlt und steht zum Einsatz bereit.After that the steel component is cooled down again and ready for use.
Durch die beschriebene Behandlung wird ein Stahlbauteil mit einer außerordentlichen Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Belastungsrisse im Oberflächenbereich sowie einer großen Härte zwischen 62 und 67 HRC im Oberflächenbereich geschaffen.By The treatment described becomes a steel component with an extraordinary wear resistance and resilience against stress cracks in the surface area as well as a big one Hardness between 62 and 67 HRC in the surface area created.
Die Einschränkung des Schwefelgehaltes führt dazu, dass die Ausscheidung von größeren Sulfiden vermieden wird, die andernfalls die durch die Behandlung erreichte Risszähigkeit zerstören.The restriction of the sulfur content to avoid the excretion of larger sulphides, otherwise, the fracture toughness achieved by the treatment to destroy.
- 11
- Spindelspindle
- 22
- Antriebdrive
- 3, 4, 6, 73, 4, 6, 7
- SchrägkugellagerAngular contact ball bearings
- 55
- Bewegungsrichtung der Spindelmovement direction the spindle
- 88th
- verhinderte Axialbewegung der Spindelprevented Axial movement of the spindle
- 9, 149 14
- Inneringinner ring
- 10, 1210 12
- Außenringouter ring
- 1111
- ZylinderrollenlagerCylindrical roller bearings
- 1313
- Lauffläche des AußenringsTread of the outer ring
- 1515
- Lauffläche des InnenringsTread of the inner ring
- 17, 1817 18
- verhinderte Relativbewegung der Laufflächenprevented Relative movement of the treads
- 1919
- Lagerkäfigbearing cage
- 20, 2120 21
- Lagerschildend shield
- 2222
- direkter Übergang zwischen Carbonisierungs- und Härtetemperaturdirect transition between carbonation and hardening temperature
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