DE102008031107B4 - Steel element with claimable surface and method for its production - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Stahlbauteils (12,14), ausgehend von einem Rohbauteil mit einem Schwefelgehalt von weniger als 0,01 Gewichtsprozent Schwefel und einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,8 und 1,1 Gewichtsprozent, bei dem wenigstens ein Oberflächenbereich (13, 15) des Rohbauteils carbonitriert wird, danach das Bauteil mindestens mit der ersten kritischen Abkühltemperatur abgeschreckt und danach bei einer Niedrigtemperatur unterhalb von 0°C gelagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohbauteil zwischen der Carbonitrierung und dem folgenden Behandlungsschritt auf Raumtemperatur abgekühlt wird.Process for producing a steel component (12, 14) starting from a structural component with a sulfur content of less than 0.01% by weight sulfur and a carbon fraction between 0.8 and 1.1% by weight, wherein at least one surface area (13, 15) of the Carbon component is carbonitrided, then the component is quenched at least at the first critical cooling temperature and then stored at a low temperature below 0 ° C, characterized in that the green component between the carbonitriding and the subsequent treatment step is cooled to room temperature.
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 more specifically in the field of tribology, that is, the design of components with the aim to increase the stability, durability and durability of components against surface wear and to optimize friction parameters.
Speziell befasst sich die Erfindung mit Stahlbauteilen, die einer erhöhten Oberflächenbelastung, beispielsweise bei der Verwendung in Wälzlagern ausgesetzt sind.Specifically, the invention is concerned with steel components which are subject to increased surface loading, for example when used in rolling bearings.
Grundsätzlich können derartige Bauteile aus möglichst widerstandsfähigen Stahlsorten oder ähnlichen Legierungen hergestellt werden, um sowohl Reibungskoeffizienten 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 can be made of highly resistant steel grades or similar alloys in order to optimize both friction coefficients and hardness and abrasion. However, this is often not possible because of the cost of materials or, for example, because the components can not or should not be made homogeneous for various reasons.
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.Alternatively, various types of surface designs and treatments have been developed that can specifically treat surfaces of steels and other alloys to alter the surface properties to the properties of the particular component core.
Die
Die
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.The present invention has for its object to provide a steel component and a method for its production, which combine a high material hardness with a low tendency to cracking and high wear resistance to abrasion with the lowest possible production costs in the area of a particularly loaded surface.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The object is achieved according to the invention with the features of
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.In this case, a shell component is carbonitrided in a basically known method, that is, exposed at elevated temperatures carbon and nitrogen, so that corresponding atoms can diffuse in the surface region.
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 can be done, for example, in an ammonia-enriched hydrocarbon gas, advantageously at a temperature between 820 ° C and 930 ° C. The duration of such treatment may vary between two and twelve hours depending on the choice of temperature and composition of the gas as well as gas pressure.
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.Then the shell component can be stored even further at a corresponding temperature, for example, between 820 ° C and 880 ° C (hardening temperature) in order to achieve a substantial conversion of ferrite to austenite (austenitizing). This is followed by quenching, ie rapid cooling, for example to room temperature (20 ° C.), at least at a cooling rate which corresponds to the so-called first critical cooling rate, which is decisive for martensitic hardening.
Entsprechend wird bei dem Abschreckvorgang wenigstens ein Teil des Austenits in Martensit umgewandelt, der wenigstens im Oberflächenbereich eine gewünschte große Härte aufweist.Accordingly, in the quenching process, at least a portion of the austenite is converted to martensite, which has a desired high hardness at least in the surface region.
Darauf wird das Bauteil eine Zeit lang bei einer Niedrigtemperatur gelagert, die wenigstens unterhalb von 0°C liegt, um Restaustenit zu reduzieren.The component is then stored for a time at a low temperature that is at least below 0 ° C to reduce retained 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.Since the shell part has a carbon content of between 0.8% and 1.1% in parts by weight, a high hardness can be achieved with the correspondingly formed martensitic part if a corresponding deep cooling takes place. Due to the preceding carbonitriding, the carbon content is particularly high in the surface area, so that the achievable by the storage at low temperature outside hardness particularly high values (62 to 67 HRC), while below the surface layer has a hardness of at least 60 HRC and a Austenithaltsgehalt 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, the conversion of retained austenite into martensite is not as pronounced as that due to the increased carbon content Core area and must be supported by cold storage.
Insbesondere durch die Begrenzung des Schwefelgehalts auf weniger als 0,01 Gewichtsprozent ergibt sich im Oberflächenbereich eine gute Zähigkeit gegen belastungsbedingte Rissbildung.In particular, by limiting the sulfur content to less than 0.01 percent by weight results in the surface area a good toughness against stress-induced cracking.
Durch den insgesamt reduzierten Restaustenitgehalt ergibt sich zudem eine große Maßstabilität des Stahlbauteils, zumindest bis 135°C.Due to the overall reduced Austenitgehalt also results in a high dimensional stability of the steel component, at least up to 135 ° C.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner dadurch ausgestaltet, 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 is further configured in that between the carbonitriding and the quenching, the greenware is stored at a curing temperature between 820 ° C and 880 ° C for at least 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 advantageously at least 20 minutes after the heating, wherein in this hardening process a substantial austenitization takes place. This increases the rate of martensite achievable by deterrence.
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 the quenching the shell component is stored at a temperature between 600 ° C. and 750 ° C. for at least 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 the carbonitriding and quenching, the shell component is exposed to an annealing treatment at a temperature between 500 ° C and 750 ° C.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Rohbauteil zwischen der Carbonitrierung und dem folgenden Behandlungsschritt auf Raumtemperatur abgekühlt wird.An advantageous embodiment of the invention provides that the shell component between the carbonitriding and the subsequent treatment step is cooled to room temperature.
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.Due to the intermediate cooling to room temperature can take place in the core of the component partially a Martensitisierung, since there the carbon content is relatively low and the corresponding martensite start temperature is higher than 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.After quenching, the actual reduction of the residual austenite content takes place by further cooling and storage of the component at a low temperature which is advantageously below 0 ° C., particularly advantageously below -40 ° C., in particular -100 ° C. and occasionally advantageously even below -150 ° C is.
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 brought to its temperature by means of liquid nitrogen and stored there in order to achieve the greatest possible conversion of the retained austenite into martensite.
Diese Lagerung kann beispielsweise wenigstens eine Stunde andauern.This storage can last for example at least one hour.
Damit wird sicher gestellt, dass das Bauteil bis zum Kern durchgekühlt und entsprechend lange bei der Kühltemperatur gelagert wird.This ensures that the component is thoroughly cooled to the core and stored for a correspondingly long time at the cooling temperature.
Nach der Lagerung bei Niedrigtemperatur kann das Bauteil erwärmt und angelassen werden.After storage at low temperature, the component can be heated and tempered.
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.In this case, the tempering at different temperature levels is conceivable, wherein advantageously the first tempering stage is provided between 120 ° C and 200 ° C. On tempering at the first annealing stage, the martensite passes into a modification step called cubic martensite.
Zudem sind weitere Anlassstufen zwischen 200°C und 320°C zur Reduzierung des Restaustenits denkbar.In addition, additional tempering stages between 200 ° C and 320 ° C are conceivable for reducing the retained 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, in addition to a method for producing a steel component, to a steel component which is produced by the described method and which has a residual austenite content in the region of the surface of 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. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben.In the core area, the steel component has a much lower austenite content than in the surface area, for example less than 10%. As a result, the surface area becomes extremely wear-resistant as a result of a tough residual austenite content, high residual compressive stresses and high hardness, the component also having an outstanding resistance to stress-induced cracking and toughness due to the low sulfur content. In the following the invention will be shown with reference to an embodiment in a drawing and described below.
Dabei zeigtIt 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 high-speed spindles of machine tools or other fast-rotating and highly loaded components. With such elements are particularly high Requirements placed on the wear resistance of the steel in the rolling bearing. In the appropriate camps advantageously ceramic rolling elements (cylindrical rollers or balls) are used. Advantageously, lubrication with grease or oil takes place.
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.The process starts at a
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.At time t4, a quench is provided at a cooling rate exceeding the first critical cooling rate for martensitic transformation and typically up to room temperature Temp2. However, cooling may be provided to another lower temperature, also less than
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.After quenching, the component can be further cooled until time t5 up to a
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.Then, until the time t7, the component is heated again to room temperature to be started later at the time t8. The toughening to increase toughness typically takes place at the first
Danach wird das Stahlbauteil wieder abgekühlt und steht zum Einsatz bereit.Thereafter, the steel component is cooled 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.The described treatment provides a steel component with exceptional wear resistance and resistance to stress cracking in the surface area and a high hardness between 62 and 67 HRC in the surface area.
Die Einschränkung des Schwefelgehaltes führt dazu, dass die Ausscheidung von größeren Sulfiden vermieden wird, die andernfalls die durch die Behandlung erreichte Risszähigkeit zerstören.Limiting the sulfur content prevents the excretion of larger sulphides which would otherwise destroy the fracture toughness achieved by the treatment.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Spindelspindle
- 22
- Antriebdrive
- 3, 4, 6, 73, 4, 6, 7
- SchrägkugellagerAngular contact ball bearings
- 55
- Bewegungsrichtung der SpindelDirection of movement of 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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