DE102017115803A1

DE102017115803A1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils

Info

Publication number: DE102017115803A1
Application number: DE102017115803.0A
Authority: DE
Inventors: Oskar Beer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils bestehend aus zwei Bauteilabschnitten aus unterschiedlichen Metallmaterialen, wobei eines dieser Metallmaterialien eine Hochtemperaturlegierung ist, wobei auf einen den ersten Bauteilabschnitt (2) bildenden Träger aus einer Hochtemperaturlegierung (3) durch Auftragsschweißen eine den zweiten Bauteilabschnitt (9) bildende Schicht (5) aus einem mindestens warmfesten Stahl (6) aufgebracht wird, an der eine Wälzlaufbahn (7) für Wälzkörper ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils bestehend aus zwei Bauteilabschnitten aus unterschiedlichen Metallmaterialien, wobei eines dieser Metallmaterialen eine Hochtemperaturlegierung ist.
Derartige Hybridbauteile, die aus zwei Bauteilabschnitten aus verschiedenen Metallmaterialien bestehen, von denen eines eine Hochtemperaturlegierung beispielsweise in Form einer Nickel-Basislegierung oder Cobalt-Basislegierung ist, kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel ist die Anwendung in Flugtriebwerken, wo ein solches Metallbauteil in Form eines Flansches, der aus der Hochtemperaturlegierung besteht, und der über ein Wälzlager drehgelagert ist, vorgesehen ist. Bei diesem Anwendungsfall wird beispielsweise an dem aus der Hochtemperaturlegierung bestehenden Flanschbauteil für die Wälzlagerung ein Wälzlagerring aus einem warmfesten Stahl, beispielsweise aus M50NiL, durch Fügen mittels Elektronenstrahlschweißen oder Reibschweißen angebracht. Das heißt, dass der Wälzlagerring unmittelbar am drehzulagernden Bauteil vorgesehen ist, er besteht jedoch aus einem anderen Material, nämlich einem warmfesten Stahl. Der Bauteilabschnitt aus der Hochtemperaturlegierung, im beschriebenen Beispiel also der Flansch, liefert eine hohe Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, während der warmfeste Lagerstahl eine hohe Härte und Überrollfestigkeit aufweist. Diese entsprechenden Eigenschaften sind jeweils an den benötigten Stellen gegeben.
Für die Herstellung eines derartigen Materialverbundes müssen jedoch zwei Teile aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt und gefügt werden. Besonders der Fügeprozess ist mit hohem Aufwand verbunden, außerdem begrenzt die Anlassbeständigkeit der Stahlkomponente die Wärmeeinbringung beim Fügen.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf einen den ersten Bauteilabschnitt bildenden Träger aus einer Hochtemperaturlegierung durch Auftragsschweißen eine den zweiten Bauteilabschnitt bildende Schicht aus einem mindestens warmfesten Stahl aufgebracht wird, an der eine Wälzlaufbahn für Wälzkörper ausgebildet wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein Hybridmetallbauteil dadurch zu bilden, dass auf einen Träger aus einer Hochtemperaturlegierung durch Auftragsschweißen eine Schicht aus einem zumindest warmfesten, gegebenenfalls auch hochwarmfesten Stahl aufgebracht wird, das heißt, dass lokal eine definierte Schicht additiv aufgeschweißt wird. Diese aus dem zweiten Metallmaterial bestehende Schicht dient als Basis für die nachfolgende Ausbildung einer Wälzlaufbahn für Wälzkörper, um also das Metallbauteil drehzulagern, wobei die Wälzkörperlaufbahn beispielsweise durch entsprechende spanende Bearbeitung ausgebildet respektive herausgearbeitet wird.
Das zumindest warmfeste Stahlmaterial bildet damit die überrollfeste Zone, die durch die Wälzlagerung entsprechend belastet wird, während der erste Bauteilabschnitt aus der Hochtemperaturlegierung die entsprechende Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet. Das heißt, dass durch das Auftragsschweißen eine lokale Oberflächenmodifikation des Hochtemperaturwerkstoffs derart erfolgt, dass im Bereich der nachfolgend ausgebildeten Wälzkörperlaufbahn eine für die Überrollbeanspruchung hinreichende Härte realisiert werden kann. Denn der aufgebrachte warmfeste Stahl ermöglicht dies.
Erfindungsgemäß erfolgt das Aufbringen der Schicht durch Auftragsschweißen, wozu sich insbesondere Laserauftragsschweißen eignet.
Die aufgebrachte Schicht sollte dabei eine Randschichthärte von wenigstens 650 HV aufweisen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht die Härte unmittelbar nach dem Aufbringen, also dem Aufschweißen aufweist. Das heißt, dass keine separate Wärmebehandlung erforderlich ist, um den erforderlichen Schichthärtewert einzustellen. Vielmehr wird ein derartiger zumindest warmfester Stahl, vorzugsweise ein legierter Stahl, verwendet, der diese Härte unmittelbar nach der Schichtaufbringung aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass keine zusätzliche Wärmebehandlung, die ansonsten gegebenenfalls die Eigenschaften der Hochtemperaturlegierung negativ beeinflussen würde, erforderlich ist.
Wie beschrieben bietet die additiv aufgebrachte Schicht eine hinreichend hohe Härte nebst Überrollfestigkeit. Bevorzugt wird ein zumindest warmfester legierter Stahl verwendet. Im Rahmen dessen ist es darüber hinaus auch denkbar, dass ein Metallmaterial verwendet wird, das zusätzlich korrosionsbeständig ist, mithin also einen hinreichenden Chromanteil aufweist.
Die Dicke der Schicht sollte je nach Anwendungsfall wenigstens 1,5 mm, insbesondere wenigstens 2 mm aufweisen. Die tatsächliche Schichtdicke ist letztlich in Anbetracht des Anwendungsfalles, insbesondere der Größe respektive dem Radius des auszubildenden Wälzkörpers, sowie dem Wälzlagertyp bzw. der Geometrie der Wälzkörper zu wählen. Handelt es sich bei den Wälzkörpern beispielsweise um Zylinderrollen, so ist die entsprechend auszubildende Wälzlaufbahn ebenfalls zylindrisch. In diesem Fall kann beispielsweise eine Schichtdicke von 1,5 mm oder 2 mm ausreichen, so dass nachfolgend durch die entsprechende spanende Bearbeitung und einen entsprechenden Schichtdickenabtrag von beispielsweise 0,5 mm immer noch eine hinreichende dicke, die Wälzlaufbahn definierende Schicht verbleibt.
Handelt es sich bei den Wälzkörpern jedoch um Kugeln, bei denen eine Kugellaufbahn einzuarbeiten ist, so wird eine entsprechend dickere Schicht, beispielsweise von 4 - 5 mm aufgebracht, in der dann die entsprechende rillenförmige Kugellaufbahn ausgearbeitet werden kann. Die Schichtdicke sollte jedoch grundsätzlich bevorzugt maximal 10 mm betragen.
Als verwendbare warmfeste oder hochwarmfeste Lagerstahlsorten, die zur Ausbildung der Schicht dienen können, sind lediglich beispielhaft M50 oder S6-5-3 oder die unter der Bezeichnung CPM^®420V erhältliche Stahlsorte zu nennen. Verwendbar sind jedoch wie beschrieben auch andere wenigstens warmfeste Stähle, insbesondere solche, die einerseits eine hinreichend hohe Überrollfestigkeit bieten, und die andererseits ihre Zielhärte unmittelbar mit dem Aufschweißen bzw. nach erfolgtem Abkühlen aufweisen, so dass keine zusätzliche Wärmebehandlung erforderlich ist.
Der Träger selbst ist aus einer Hochtemperaturlegierung, wobei sich hierfür insbesondere eine Nickel-Basis-Hochtemperaturlegierung oder eine Cobalt-Basis-Hochtemperaturlegierung eignet. Beispiele hierfür sind unter den Bezeichnungen Inconel®718 oder Waspaloy^® bekannt.
Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner ein Metallbauteil, hergestellt gemäß dem beschriebenen Verfahren.
Bei dem Metallbauteil handelt es sich bevorzugt um ein Bauteil eines Flugtriebwerks.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Teilansicht, geschnitten, eines erfindungsgemäßen Metallbauteils einer ersten Ausführungsform, und
2 eine entsprechende Ansicht eines erfindungsgemäßen zweiten Metallbauteils.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Metallbauteil 1, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Das Metallbauteil 1 umfasst einen ersten Bauteilabschnitt 2, der aus einer Hochtemperaturlegierung 3, beispielsweise einer Nickel-Basis-Hochtemperaturlegierung wie z.B. Inconel^®718 oder Waspaloy^® besteht. Es handelt sich beim Bauteilabschnitt 2 beispielsweise um einen Flansch für ein Flugtriebwerk, wobei der Flansch über einen zylindrischen Lagerabschnitt 4 drehgelagert wird. Zu diesem Zweck wird auf dem Bauteilabschnitt 2 bzw. an der Außenseite des zylindrischen Lagerabschnitts 4 eine Schicht 5 auf einem zumindest warmfesten Stahl durch Auftragsschweißen, insbesondere Laserauftragsschweißen aufgebracht. Diese Schicht besteht beispielsweise aus M50, S6-5-3 oder CPM^®420V und bildet einen zweiten Bauteilabschnitt 9.
Im Rahmen des Auftragsschweißens wird die Schicht 5 aus dem warmfesten Stahl 6 mit einer möglichst homogenen Schichtdicke von beispielsweise 2 mm aufgetragen. Hieran schließt sich eine abtragende Bearbeitung zur Ausbildung einer Wälzlauffläche 7 an, auf der Wälzkörper, die zur Drehlagerung des Metallbauteils 1 dienen, wälzen. Exemplarisch handelt es sich bei der Schicht 5 um eine zylindrische Schicht, demzufolge ist auch die Wälzlaufbahn 7 zylindrisch. Auf ihr laufen Wälzkörper in Form von Zylinderrollen. Wie hier dargestellt, ist es denkbar, die Wälzlaufbahn 7 über seitliche Borde 8 zu begrenzen, was aber nicht zwingend erforderlich ist.
2 zeigt ein vergleichbares Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metallbauteils 1, wiederum umfassend den ersten Bauteilabschnitt 2 aus der Hochtemperaturlegierung 3 sowie die auf den Lagerflansch 4 aufgebrachte Schicht 5 aus dem zumindest warmfesten Stahl 6, die den zweiten Bauteilabschnitt 9 bilden.
Hier ist die Schicht 5 deutlich dicker, nachdem die ausgebildete Wälzlaufbahn 7 hier als Kugellaufbahn ausgeführt ist, in der als Wälzkörper Kugeln laufen. Da hier eine geometrisch eingetiefte Wälzlaufbahn 7 ausgebildet wird, ist die Schichtdicke 5 entsprechend größer als im Vergleichsbeispiel gemäß 1.
Unabhängig davon wird die Schicht aus einem zumindest warmfesten, gegebenenfalls hochwarmfesten Lagerstahl durch Auftragsschweißen ausgebildet, der sich dadurch auszeichnet, dass er die geforderte Randschichthärte zumindest im Bereich der jeweiligen Wälzlaufbahn 7 bereits unmittelbar nach dem Auftragen aufweist, das heißt, dass es nicht erforderlich ist, eine zusätzliche Wärmebehandlung nach der Ausbildung der Wälzlaufbahn 7 durchzuführen, um eben an der Wälzlaufbahn 7 die gewünschte Härte von wenigstens 650 HV einzustellen. Vielmehr weist die Schicht 5 bzw. der verwendete Stahl diese gewünschte Härte bereits auf, resultierend aus dem Umstand, dass er durch das Auftragsschweißen bereits beim Aufbringen eine entsprechend hohe Temperatur und durch das Abkühlen (auf dem Trägermatieral) eine hinreichend hohe Abkühlgeschwindigkeit erfährt, um unmittelbar die entsprechende Randschichthärte aufzuweisen.
Der geforderte Härtewert von wenigstens 650 HV, vorzugsweise von wenigstens 700 HV, insbesondere im Bereich von ca. 750 HV, sollte im Bereich der Randschicht respektive der Wälzlaufbahn 7 bis zu einer Tiefe von wenigstens 0,25 mm, vorzugsweise von 0,5 mm vorliegen, woran sie üblicherweise eine Zone mit sich reduzierender Schichthärte anschließt.
Bezugszeichenliste

1: Metallbauteil
2: Bauteilabschnitt
3: Hochtemperaturlegierung
4: Lagerabschnitt
5: Schicht
6: Warmfester Stahl
7: Wälzlaufbahn
8: Borde
9: Bauteilabschnitt

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils bestehend aus zwei Bauteilabschnitten aus unterschiedlichen Metallmaterialen, wobei eines dieser Metallmaterialien eine Hochtemperaturlegierung ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen den ersten Bauteilabschnitt (2) bildenden Träger aus einer Hochtemperaturlegierung (3) durch Auftragsschweißen eine den zweiten Bauteilabschnitt (9) bildende Schicht (5) aus einem mindestens warmfesten Stahl (6) aufgebracht wird, an der eine Wälzlaufbahn (7) für Wälzkörper ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) durch Laserauftragsschweißen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (5) mit einer Härte an der Randschicht von wenigstens 650 HV aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) die Härte unmittelbar nach dem Aufbringen aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine korrosionsbeständige Schicht (5) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (5) wenigstens 1,5 mm, insbesondere wenigstens 2 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einer Nickel-Basis-Hochtemperaturlegierung oder aus einer Cobalt-Basis-Hochtemperaturlegierung ist.
Metallbauteil, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Metallbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Bauteil eines Flugtriebwerks ist.