DE102016215662A1

DE102016215662A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils

Info

Publication number: DE102016215662A1
Application number: DE102016215662.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Birkner; Peter Gebauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, wobei ein zumindest endgeometrienaher Bauteilrohling aus 100CrMnSi6-4-Stahl oder 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl verwendet wird, der einer Wärmebehandlung unterzogen wird, im Rahmen welcher er carbonitriert wird, anschließend gehärtet wird, anschließend tiefgekühlt wird und anschließend angelassen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils.
Wälzlager sind in unterschiedlichsten Bauformen bekannt, wobei die konkrete Ausführungsform mitunter in Abhängigkeit der gegebenen Umgebungsbedingungen, in denen ein Wälzlager eingesetzt wird, gewählt wird respektive ausgelegt ist. Bei Wälzlageranwendungen mit erhöhter Temperaturanforderung werden bisher hochlegierte Stähle wie beispielsweise ASTM-M50 verwendet, aus denen das jeweilige Wälzlagerbauteil, beispielsweise ein Lagerring, hergestellt wird. Das Bauteil wird vakuumgehärtet und mehrfach angelassen, so dass sich eine ausgeprägte Sekundärhärte einstellt. Ein Wälzlagerbauteil aus einem solchen hochlegierten und damit behandelten Stahl zeichnet sich durch eine sehr gute Temperaturstabilität bis zur Sekundärhärte aus, wobei die Sekundärhärte in manchen Anwendungsfällen deutlich über den Bedürfnissen liegt. Darüber hinaus ist die Herstellung eines solchen Wälzlagerbauteils aus einem hochlegierten Stahl aufwendig und aufgrund des verwendeten hochlegierten Stahls teuer.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, das sich dadurch auszeichnet, dass ein zumindest ein endgeometrienaher Bauteilrohling aus 100CrMnSi6-4-Stahl oder 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl verwendet wird, der einer Wärmebehandlung unterzogen wird, im Rahmen welcher er carbonitriert wird, anschließend gehärtet wird, anschließend tiefgekühlt wird und anschließend angelassen wird.
Erfindungsgemäß wird ein üblicher Wälzlagerstahl, nämlich entweder 100CrMnSi6-4 oder 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl, verwendet, der durch eine besondere Wärmebehandlung derart aufbereitet wird, dass er einerseits die gewünschten mechanischen Parameter, insbesondere hinsichtlich der Härte aufweist, und andererseits diese Parameter mit hoher Temperaturstabilität bietet.
Hierzu ist nach Herstellung des Bauteilrohlings aus dem genannten Stahl eine spezifische Wärmebehandlung vorgesehen, im Rahmen in welcher er zunächst carbonitriert wird, also einsatzgehärtet wird. Im Rahmen des Carbonitrierens wird Kohlenstoff und Stickstoff in den Randbereich des Wälzlagerbauteilrohlings eindiffundiert. Hierdurch wird die Randhärtbarkeit verbessert.
Nach dem Carbonitrieren wird der Wälzlagerbauteilrohling gehärtet, wozu die Bauteiltemperatur reduziert wird, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
Dem Härteschritt schließt sich ein Tiefkühlschritt an, das heißt, dass der carbonitrierte und gehärtete Bauteilrohling tiefgekühlt wird. Unter Tiefkühlen wird verstanden, dass er auf eine Temperatur gekühlt wird, die deutlich unterhalb der Raumtemperatur liegt, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
Nach dem Tiefkühlen wird der Bauteilrohling schließlich angelassen, um Restspannungen im Gefüge abzubauen. Nach dem Anlassen ist die Wärmebehandlung beendet. Der Bauteilrohling kühlt auf Raumtemperatur ab.
Ein derart behandelter Bauteilrohling aus 100CrMnSi6-4 oder 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl weist eine sehr gute Temperaturstabilität auf, bei gleichzeitig hinreichender Randhärte, so dass das Wälzlagerbauteil auch in Bereichen eingesetzt werden kann, wo bisher nur hochlegierte Stähle verwendet wurden. Da der 100CrMnSi6-4-Stahl oder der 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl als üblicher Wälzlagerstahl deutlich günstiger ist als hochlegierter Stahl, kann folglich über das erfindungsgemäße Verfahren ein Wälzlagerbauteil hergestellt werden, das bei hinreichenden mechanischen und hinreichend stabilen Eigenschaften deutlich günstiger hergestellt werden kann, wie auch die Herstellung selbst einfach ist.
Das Carbonitrieren selbst erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 840–940 °C. Die Carbonitrierdauer beträgt 1–5 Stunden, wobei die Dauer von der gewählten Temperatur sowie der gewünschten Diffusionstiefe abhängt. Je niedriger die Carbonitriertemperatur desto höher die Carbonitrierdauer und umgekehrt. Abhängig von der benötigten Rand- respektive Diffusionstiefe wird die Dauer gewählt, da nicht tiefer zu härten ist als für den gewünschten Einsatzzweck erforderlich.
Nach dem Carbonitrieren folgt das Härten, wobei der Rohling zunächst bei einer Temperatur zwischen 820–880 °C für eine Dauer von 30–120 Minuten gehalten wird. Die Härtetemperatur liegt stets unterhalb der Carbonitriertemperatur, das heißt, dass zwingend nach dem Carbonitrieren eine gewisse Abkühlung einsetzt. Auf der gewünschten Temperatur wird der Bauteilrohling gehalten, wobei die Haltedauer wie beschrieben 30–120 Minuten beträgt. Die Wahl der Härtedauer hängt insbesondere von der Geometrie des Wälzlagerbauteilrohlings ab.
Nach dem Halten auf der Härtetemperatur von 820–870 °C erfolgt für den eigentlichen Härtevorgang eine Abkühlung des Bauteilrohlings. Bevorzugt erfolgt dies, indem das Wälzlagerbauteil in ein Kühlfluid gegeben und auf Raumtemperatur gekühlt wird. Als ein solches Kühlfluid kann beispielsweise Öl verwendet werden, das entsprechend temperiert ist. Durch diese rasche Abkühlung wird das sich beim Halten auf der Härtetemperatur einstellendes Gefüge quasi eingefroren, so dass sich im aufgekohlten und aufgestickten Randbereich die entsprechende Härte einstellt.
Im nächsten Schritt wird wie beschrieben das gehärtete und im Rahmen des Härtens bereits abgekühlte Bauteil einer Tiefkühlung unterworfen. Hierzu wird das Bauteil auf eine Temperatur von –60 bis –100 °C, vorzugsweise zwischen –70 bis –90 °c abgekühlt, wozu ein entsprechendes Kühlmedium verwendet wird. Die Abkühlung erfolgt solange, bis sichergestellt ist, dass der Bauteilrohling zumindest in einer hinreichenden Randschichttiefe, bevorzugt jedoch vollständig durchtemperiert ist. Dieser Tiefkühlschutz ist, wie sich herausgestellt hat, in Verbindung mit dem Carbonitrieren und dem vorgeschalteten Härten besonders wichtig, um die Temperaturstabilität des gehärteten Randschichtgefüges zu gewährleisten.
Um Spannungen im Material, resultierend aus den vorangegangenen Heiz- und Kühlschritten abzubauen, erfolgt sodann ein Anlassen, das bevorzugt bei einer Temperatur von 250–400 °C für eine Dauer von 2–4 Stunden erfolgt. Auch hier ist die Wahl der Anlasstemperatur sowie insbesondere der Anlassdauer von der Geometrie des Wälzlagerbauteils abhängig. Eine weitere Abhängigkeit kann von der Güte des verwendeten 100CrMnSi6-4-Stahls oder 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl gegeben sein, wie auch von etwaigen Randbedingungen hinsichtlich der Anwendung des Wälzlagers, das mit dem Wälzlagerbauteil hergestellt wird.
Das Wälzlagerbauteil selbst ist wie beschrieben bevorzugt ein Lagerring, insbesondere ein Innen- und ein Außenring eines Radiallagers.
Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner ein Wälzlagerbauteil, das nach dem Verfahren wie vorstehend beschrieben hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung.
Das in der Figur gezeigte Ablaufschema stellt die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Im Schritt S1 erfolgt die Herstellung des endkonturnahen oder die Endkontur aufweisenden Bauteilrohlings aus 100CrMnSi6-4-Stahl oder aus 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl, was beispielsweise spanend oder durch Stanzen oder ähnliches erfolgen kann.
Der Bauteilrohling wird sodann im Schritt S2 carbonitriert, was bei einer Temperatur zwischen 840–940 °C für eine Dauer von 1–5 Stunden erfolgt. Hierbei wird Kohlenstoff und Stickstoff in die Randschicht des Bauteilrohlings eindiffundiert, wobei die Diffusionstiefe von der Carbonitriertemperatur und der Carbonitrierdauer abhängt. Die beiden Parameter werden so gewählt, dass sich eine gewünschte Diffusionstiefe einstellt, die im Hinblick auf die Anwendung des Wälzlagers, in dem das Wälzlagerbauteil gebaut wird, ausreichend ist. Durch das Carbonitrieren wird die Randhärtbarkeit verbessert.
Im nächsten Schritt S3 wird der durch Carbonitrieren vorbereitete Bauteilrohling gehärtet. Hierzu wird er von der Carbonitriertemperatur etwas abgekühlt auf eine Temperatur zwischen 820–880 °C, auf der der Bauteilrohling für 30–120 Minuten gehalten wird. Nach Ablauf der Haltezeit erfolgt ein rasches Abkühlen auf eine Temperatur, die zwischen Raumtemperatur RT und 100 °C liegt. Das Abkühlen erfolgt bevorzugt durch Einbringen des Wälzlagerbauteils in ein Kühlfluid, das entsprechend temperiert ist.
Dieser Abkühlung schließt sich im Schritt S4 ein Tiefkühlschritt an. Hierbei wird der gehärtete Bauteilrohling auf eine Temperatur zwischen –60 bis –100 °C, bevorzugt zwischen –70 bis –90 °C abgekühlt, wozu ebenfalls ein entsprechendes Kühlfluid verwendet wird. Je nachdem, wie weit der Bauteilrohling durchtemperieren soll, wird die Haltezeit gewählt.
Dem Tiefkühlschritt erfolgt schließlich im Schritt S5 ein Anlassschritt, in dem der tiefgekühlte Bauteilrohling wieder auf eine Temperatur zwischen 250–400 °C erwärmt wird, auf der er für eine Dauer von 2–4 Stunden gehalten wird, um Bauteilspannungen abzubauen.
Sodann kühlt der Bauteilrohling im Schritt S6 auf Raumtemperatur RT ab.
Das hierdurch hergestellte Wälzlagerbauteil, beispielsweise ein Innen- oder ein Außenring eines Radiallagers, weist eine hinreichende Randschichthärte auf, die den Anwendungen, für die das Wälzlager, in dem das Wälzlagerbauteil verbaut wird, konzipiert ist, entsprechend ausgelegt ist. Darüber hinaus weist das Wälzlagerbauteil insbesondere resultierend aus dem Carbonitrieren in Verbindung mit dem Tiefkühlen auch eine sehr gute Temperaturstabilität auf, behält also auch bei höheren Einsatztemperaturen die mechanischen Parameter, insbesondere die Randschichthärte bei. Darüber hinaus besteht das Bauteil aus einem kostengünstigen, handelsüblichen Wälzlagerstahl, so dass die gesamten Gestehungskosten des Wälzlagerbauteils im Hinblick auf seine nunmehr gegebene Einsatzfähigkeit auch bei erhöhten Temperaturanforderungen sehr wirtschaftlich sind.
Bezugszeichenliste

S1–S6

Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM-M50 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass ein zumindest endgeometrienaher Bauteilrohling aus 100CrMnSi6-4-Stahl oder aus 100CrMnMoSi8-4-6-Stahl verwendet wird, der einer Wärmebehandlung unterzogen wird, im Rahmen welcher er carbonitriert wird, anschließend gehärtet wird, anschließend tiefgekühlt wird und anschließend angelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonitrieren bei 840–940°C für die Dauer von 1–5 h erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten bei 820–880°C für die Dauer von 30–120 min erfolgt, wonach der Bauteilrohling abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten als Direkthärten erfolgt, indem das Wälzlagerbauteil in ein Kühlfluid gegeben und auf eine Temperatur zwischen Raumtemperatur und 100°C gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefkühlen bei –60 bis –100°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen bei einer Temperatur von 250–400°C für eine Dauer von 2–4h erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wälzlagerbauteil ein Innen- oder ein Außenring eines Radiallagers ist.
Wälzlagerbauteil, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.