DE112014001875T5

DE112014001875T5 - Lagerteil und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112014001875T5
Application number: DE112014001875.9T
Authority: DE
Inventors: Ingemar Strandell
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-12-24
Also published as: US20160303683A1; CN105264245B; WO2014168545A1; CN105264245A; US9878396B2; US10737354B2; US20180099351A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagerteil (1) und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils. Das Lagerteil enthält einen ersten (2) und einen zweiten metallischen Werkstoff (3), wobei der erste Werkstoff (2) einen ersten Kohlenstoffgehalt (4) aufweist und der zweite (3) Werkstoff einen zweiten Kohlenstoffgehalt (5) aufweist, wobei – der erste (2) und der zweite Werkstoff (3) durch ein Diffusionsschweißverfahren gefügt wurden. Das Diffusionsschweißverfahren hatte eine Übergangszone (6) mit einem variierenden Kohlenstoffgehalt zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Werkstoff (3) zur Folge. Der variierende Kohlenstoffgehalt in der Übergangszone (6) liegt im Wesentlichen innerhalb eines Intervalls (7), wobei die Endpunkte des Intervalls durch den Kohlenstoffgehalt des ersten (2) und des zweiten Werkstoffs (3) definiert sind.

Description

Technisches Gebiet
Gemäß einem ersten Aspekt präsentiert die Erfindung ein Lagerteil, zum Beispiel einen Außenring, einen Innenring oder eine Walze eines Wälzlagers. Gemäß einem zweiten Aspekt präsentiert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Lagerteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Herstellung eines Lagerteils durch das Fügen von zwei Werkstoffen durch Diffusionsschweißen und heißisostatisches Pressen ist bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Lagerteil und sein Herstellungsverfahren bereitzustellen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wurde die Aufgabe durch das Bereitstellen eines Lagerteils gelöst, das einen ersten und einen zweiten metallischen Werkstoff hat, wobei der erste Werkstoff einen ersten Kohlenstoffgehalt aufweist und der zweite Werkstoff einen zweiten Kohlenstoffgehalt aufweist. Der erste und zweite Werkstoff wurden durch ein Diffusionsschweißverfahren gefügt, wobei das Diffusionsschweißverfahren eine Übergangszone zwischen dem ersten und zweiten Werkstoff mit einem variierenden Kohlenstoffgehalt zur Folge hatte. Der variierende Kohlenstoffgehalt in der Übergangszone liegt im Wesentlichen innerhalb eines Intervalls, dessen Endpunkte durch den Kohlenstoffgehalt des ersten und zweiten Werkstoffs definiert sind. Er könnte ohne Weiteres eine kleine Zunahme / Abnahme des Kohlenstoffgehalts an den Kanten der Übergangszone sein, aber er sollte die Endpunkte des Intervalls nicht um mehr als 5 % des Gesamtintervalls überschreiten. Wenn der Kohlenstoffgehalt nicht deutlich über oder unter dem Gehalt des ersten und des zweiten Werkstoffs liegt, ist dies ein Hinweis darauf, dass der Kohlenstoff nicht reagiert hat, um Zementite oder andere komplexe Metall- oder Eisencarbide zu bilden, die hart und spröde sind. Die Festigkeit der Übergangszone ist somit gewährleistet.
Der Erfinder hat erkannt, dass die bekannten Verfahren zum Fügen von zwei Werkstoffen, um durch Diffusionsschweißen oder heißisostatisches Pressen ein Lagerteil herzustellen, häufig Schwachzonen in der Übergangszone erzeugen, wo die Werkstoffe aneinanderstoßen, insbesondere beim Fügen von Werkstoffen unterschiedlicher Qualitäten, zum Beispiel ein preiswerterer Gussstahl mit einem hochwertigen Werkzeugstahl. Einer der beiden gefügten Werkstoffe gewinnt möglicherweise in dem Fügeprozess Kohlenstoff hinzu, während der andere Werkstoff möglicherweise Kohlenstoff verliert. Die Kohlenstoffgradienten in den zwei Werkstoffen können zu schwachen und spröden Phasen während einer anschließenden Wärmebehandlung führen. Eine Übergangszone mit einem größeren Anteil an schwächeren spröden Gefügephasen wie Zementitnetzwerke oder andere komplexe Metallcarbide kann die Festigkeit von einem oder beiden der zwei gefügten Werkstoffe deutlich reduzieren. Durch Auswahl des Legierungsgehalts der beiden Fügewerkstoffe und/oder Anpassung der Verfahrenstemperatur kann die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff zwischen den Werkstoffen reduziert werden. Die Härtungseigenschaften von beiden Legierungen bleiben dann weitgehend erhalten, und die Volumina um die Übergangszone werden nicht viele schwache oder spröde Phasen haben. Die beiden Werkstoffe behalten ihre Fähigkeit und ihr Gefüge bis hin zu der Übergangszone. Die Größe der Übergangszone wird reduziert und die potenziellen Probleme der Werkstoffversprödung etc. werden verringert. Die tatsächliche Schnittstelle kann möglicherweise dennoch eine geringere Festigkeit haben als die beiden gefügten Werkstoffe. Die ursprünglichen Oberflächenoxide und Oberflächenverunreinigungen können dennoch zu einer Verringerung der Festigkeit in der Fügenaht beitragen. Dies stellt zusätzliche Anforderungen an die Prozesskompetenz und die Oberflächenvorbereitungen vor Prozessbeginn. Das Problem mit Oberflächenverunreinigungen kann zum Beispiel durch sorgfältige Oberflächenreinigung und Oberflächenaktivierung durch die zuvor zu fügenden Oberflächen verringert werden, zum Beispiel durch Ätzen oder andere Mittel wie mechanische Bearbeitung, Schleifen oder Strahlen.
Kohlenstoffaktivität ist ein zentraler Begriff, der zur Beschreibung der Erfindung verwendet wird. Ein Kohlenstoffpotenzial erklärt sich aus der Fähigkeit einer Umgebung, die Aktivkohle enthält, den Kohlenstoffgehalt eines Stahls unter vorgeschriebenen Bedingungen zu verändern oder zu bewahren. In einer bestimmten Umgebung wird der erreichte Kohlenstoffpegel von solchen Faktoren wie Temperatur, Zeit und Stahlzusammensetzung abhängen. Ein Kohlenstoffpotenzial ist also eine Differenz in der Kohlenstoffaktivität zwischen z. B. zwei Werkstoffen. Demnach wird der Kohlenstoff, wenn eine Differenz in der Kohlenstoffaktivität vorliegt, d. h., wenn das Kohlenstoffpotenzial nicht Null ist, von einem Werkstoff in den anderen diffundieren.
Die beiden zu fügenden Werkstoffe haben unterschiedliche Kohlenstoffgehalte. Diese Kohlenstoffgehalte definieren die Endpunkte des dazwischenliegenden Kohlenstoffintervalls. Mit Kohlenstoffgehalt ist der mittlere Wert in dem Werkstoff gemeint. Der Kohlenstoffgehalt kann naturgemäß variieren und sowohl in dem Werkstoff an sich als auch insbesondere um die Umfangsfläche des Lagerteils herum lokale Abweichungen haben, doch gemeint ist der mittlere Gesamtwert des Werkstoffs. Beispiel: Beim Fügen eines Werkstoffs mit 3 Gewichtsprozent (Gew.%) Kohlenstoff und einem Werkstoff mit 1 Gew.% Kohlenstoff beträgt das Intervall 2 Gew.% Kohlenstoff und die Endpunkte des Intervalls sind 3 und 1 Gew.% Kohlenstoff, d. h. sie sind mit dem mittleren Kohlenstoffwert des ersten und des zweiten Werkstoffs identisch. Die Übergangszone ist der Bereich, wo die Änderung des Kohlenstoffgehalts aufgrund des Fügeprozesses in den Werkstoffen beobachtet werden kann.
Es werden nun beispielhafte und vorteilhafte Ausführungsformen des Lagerteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des Lagerteils ist der variierende Kohlenstoffgehalt in der Übergangszone zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff im Wesentlichen linear. Mit linearer Änderung des Kohlenstoffgehalts ist gemeint, dass der gemessene Kohlenstoffgehalt in der Übergangszone nicht dadurch variiert, dass ein niedriger Kohlenstoffgehalt plötzlich stark ansteigt, d. h. das aufgetragene Profil des Kohlenstoffgehalts sollte keinen starken Schwankungen zwischen einem positiven und einem negativen Ableitungswert unterworfen sein. Mit linear ist also auch eine plötzliche Änderung von dem Kohlenstoffgehalt von einem Werkstoff zu dem anderen gemeint, die das bevorzugte Profil darstellt, solange er nicht währenddessen stark schwankt. Der Kohlenstoffgehalt ist entlang des Querschnitts eines Lagerteils zu messen, wobei der Querschnitt senkrecht zu der Fläche gebildet wird, wo die zwei Werkstoffe aneinandergrenzen. In diesem Sinne muss die zu fügende Fläche keinesfalls flach sein, da auch abgerundete Flächen eine senkrechte Richtung haben. Das Vorhandensein eines linearen Übergangs des variierenden Kohlenstoffgehalts ist ein noch deutlicherer Hinweis darauf, dass der Kohlenstoff nicht reagiert hat, um Zementite oder andere komplexe Metall- oder Eisencarbide zu bilden, die hart und spröde sind. Kleine Schwankungen können auftreten, aber jede in der Übergangszone auftretende nicht-lineare Änderung des Kohlenstoffgehalts, das heißt, wenn die aufgetragene Kurve des Kohlenstoffgehalts von positiv zu negativ und dann wieder zu positiv führt oder umgekehrt, sollte weniger als 50 % des Intervalls des Kohlenstoffgehalts, vorzugsweise weniger als 25 % als das durch den Kohlenstoffgehalt der beiden Werkstoffe definierte Gesamtintervall betragen. Dies erzeugt eine Übergangszone, die das Potenzial hat, fest zu sein.
In einer Ausführungsform des Lagerteils erfolgen mindestens 80 % der Änderung des Kohlenstoffgehalts zwischen dem ersten und zweiten Werkstoff in einem Abstand von weniger als 200 µm, wobei die Messung senkrecht zu der Fügefläche erfolgt. In einer anderen Ausführungsform des Lagerteils erfolgen mindestens 80 % der gesamten Änderung des Kohlenstoffgehalts in einem Abstand von 100 µm, wobei die Messung senkrecht zu der Fügefläche erfolgt. Dies beschreibt eine plötzliche Änderung von dem Kohlenstoffgehalt von einem Werkstoff zum anderen, die das bevorzugte Profil darstellt, da der Fügevorgang die Eigenschaften der Werkstoffe nicht in hohem Maße beeinflusst hat, ist aber auf einen kleinen Bereich, des gesamten Teils beschränkt. Dies festigt die Übergangszone noch weiter und verbessert die Gesamtqualität des Lagerteils.
In einer Ausführungsform des Lagerteils ist einer der Werkstoffe ein Lagerstahl. Von besonderem Interesse sind korrosionsbeständige und/oder verschleißfeste Stähle. In einer Ausführungsform ist einer der Werkstoffe ein M50 Stahl. In einer weiteren Ausführungsform ist einer der Werkstoffe ein M50NIL Stahl. In noch einer weiteren Ausführungsform ist einer der Werkstoffe ein beliebiger der herkömmlichen Lagerstähle, wie sie in ISO 683-17:1999 (E), Seiten 9–10 gezeigt sind. Alle anderen Stähle, die die Anforderungen hinsichtlich Stahlreinheit und Härte eines Lagerteils erfüllen, könnten verwendet werden, zum Beispiel rostfreie Werkzeugstähle. In einer weiteren Ausführungsform ist der verwendete Werkstoff ein martensitisch härtbarer rostfreier N-legierter Stahl wie XD15NW oder ein rostfreier martensitisch gehärteter Stahl mit hoher Stahlreinheit, der zur Oberflächenanreicherung geeignet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Stähle beschränkt. Der Vorteil der Verwendung dieser Arten von Stahl ist, dass der Bereich, der aus diesem Werkstoff besteht, zum Beispiel sehr robust gegenüber Verschleiß und Korrosion sein wird. Hochwertiger Lagerstahl befindet sich daher vorzugsweise um die stark beanspruchten Bereiche der Lagerteile, zum Beispiel um die Laufbahn der Ringe oder die Lauffläche der Walze. Er könnte sich zum Beispiel auch an einem Flansch oder einem beliebigen anderen Teil oder Bereich des Lagerteils oder an Kombinationen aus Flansch, Laufbahnen und Laufflächen befinden.
In einer Ausführungsform ist das Lagerteil ein Innenring, ein Außenring oder eine Walze eines Wälzlagers. Das Teil könnte zu einer beliebigen Art von Lager gehören, zum Beispiel einem Pendelrollenlager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Rillenkugellager. Es kann ein Radiallager oder ein Axiallager sein, und es kann ein Lager mit einer einzigen Reihe oder mehreren Reihen von Wälzkörpern sein. Es kann ein Axial- oder ein Radialkugellager mit einer einzigen Reihe oder mehreren Reihen von Kugeln sein.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wurde die Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst. Das Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils umfasst die Schritte des Erhitzens des ersten und zweiten Werkstoffs, des Gegeneinanderpressens dieser Werkstoffe unter bestimmten Druck-, Zeit- und Temperaturbedingungen, wodurch den Werkstoffen ermöglicht wird, ineinander zu diffundieren.
Des Weiteren weist der erste Werkstoff bei Fügetemperatur eine Kohlenstoffaktivität von 80–120 % der Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs auf. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils beträgt die Kohlenstoffaktivität von einem der zu fügenden Werkstoffe 90–110 % des anderen Werkstoffs. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils beträgt die Kohlenstoffaktivität von einem der zu fügenden Werkstoffe 95–105 % des anderen Werkstoffs. In noch einer anderen Ausführungsform ist die Kohlenstoffaktivität bei Fügetemperatur im Wesentlichen dieselbe wie bei dem anderen Werkstoff, aber sie könnte auch 99–101 %, 98–102 %, 97–103 % des anderen Werkstoffs betragen. Die Kohlenstoffaktivität kann sowohl durch Änderung des Kohlenstoffgehalts in dem Werkstoff beeinflusst werden, wobei die anderen Legierungsbestandteile konstant gehalten werden, und/oder durch Änderung der Temperatur des Werkstoffs. Beide Größen können manipuliert werden, um die Kohlenstoffaktivität anzupassen und dadurch das Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils zu optimieren.
Der Vorteil von Werkstoffen mit derselben oder einer ähnlichen Kohlenstoffaktivität besteht darin, dass das Phänomen, dass einer der beiden gefügten Werkstoffe im Fügevorgang Kohlenstoff hinzugewinnt, während der andere Werkstoff möglicherweise Kohlenstoff verliert, vermieden wird. Es gibt also in den beiden Werkstoffen keine aus dem Verfahren resultierenden Kohlenstoffgradienten, die zu schwachen und spröden Phasen während einer anschließenden Wärmebehandlung führen können. Da eine Übergangszone mit einem größeren Anteil an schwächeren spröden Gefügephasen wie Zementitnetzwerke oder andere komplexe Metallcarbide die Festigkeit von einem oder beiden der zu fügenden Werkstoffe erheblich verringern kann, gewährleistet dies, dass das Lagerteil robust und langlebig ist.
Alle Aspekte des ersten Aspekts der Erfindung sind auf alle Aspekte des zweiten Aspekts der Erfindung anwendbar und umgekehrt. Es werden nun beispielhafte und vorteilhafte Ausführungsformen des Lagerteils gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgestellt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils erfolgt das Herstellungsverfahren mittels heißisostatischen Drucks. Die Werkstoffe werden gefügt und unter den Temperatur-, Zeit- und Druckbedingungen, die in den anderen Ausführungsformen der Erfindung detaillierter beschrieben sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils beträgt die Fügetemperatur 1.000–1.300 Grad Celsius (C). In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils beträgt die Fügetemperatur 1.100–1.200 Grad C. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils beträgt die Fügetemperatur 1.140–1.160 Grad C, vorzugsweise 1.150 Grad C. Aber es könnten zum Beispiel auch 1.145–1.155 Grad C sein. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das heißisostatische Pressen während 1–6 Stunden durchgeführt, vorzugsweise während 2–4 Stunden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils beträgt der Druck 80–310 MPa.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils liegt mindestens einer des ersten und des zweiten Werkstoffs vor dem Erhitzen in Pulverform vor. In einer anderen Ausführungsform ist es der Lagerstahl, der vor dem Erhitzen in Pulverform vorliegt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils wird ein Blech verwendet, um das Pulver während des Fügeprozesses einzukapseln. Das Blech wird dann entfernt. Das in dieser Ausführungsform als Beispiel verwendete Blech kann gegen jeden anderen geeigneten Werkstoff ausgetauscht werden, der dem Fachmann bekannt ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils ist das Lagerteil ein Innenring, ein Außenring oder eine Walze eines Wälzlagers. Das Teil könnte zu einer beliebigen Art von Lager gehören, zum Beispiel einem Pendelrollenlager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Rillenkugellager. Es kann ein Radiallager oder ein Axiallager sein, und es kann ein Lager mit einer einzigen Reihe oder mehreren Reihen von Wälzkörpern sein. Es kann ein Axial- oder ein Radialkugellager mit einer einzigen Reihe oder mehreren Reihen von Kugeln sein.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Lagerteils ist das Lagerteil durch Fügen eines größeren Stücks gefertigt, das anschließend in kleinere Teile geschnitten wird. Um einen Ring herzustellen, könnte ein zylinderförmiges Element von einem der Werkstoffe mit einem anderen Werkstoff gefügt werden, wonach das zylinderförmige Element in Ringelemente geschnitten werden kann. Um eine Walze herzustellen, kann ein stabförmiges Element aus einem der Werkstoffe mit dem zweiten Werkstoff gefügt und dann in Wälzkörper geschnitten werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun beispielhafte Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen sowie auf Beispiele von unerwünschten Eigenschaften Bezug genommen wird, zu deren Vermeidung die Erfindung beiträgt, wobei
1a einen Querschnitt eines Lagerrings zeigt, der aus zwei Werkstoffen gemäß der Erfindung gefertigt ist.
1b einen Querschnitt einer Walze für ein Lager zeigt, die aus zwei Werkstoffen gemäß der Erfindung gefertigt ist.
2 ein Diagramm zeigt, das zwei Werkstoffe darstellt, die bei einer bestimmten Temperatur dieselbe Kohlenstoffaktivität haben. Die Kohlenstoffaktivität des ersten Werkstoffs 2 ist aufgetragen, während sich sein Kohlenstoffgehalt gemäß der Erfindung erhöht.
3 ein Diagramm einer erwünschten plötzlichen Änderung des Kohlenstoffgehalts gemäß der Erfindung zeigt.
4 ein Diagramm der Übergangszone 6 von 3 in µm gemäß der Erfindung zeigt.
5 ein Diagramm zeigt, das eine unerwünschte Änderung des Kohlenstoffgehalts darstellt.
6 ein Diagramm zeigt, das einen Phasenanteil während der unerwünschten Änderung des Kohlenstoffgehalts von 5 darstellt.
Die Zeichnungen zeigen Beispiele der Erfindung und die unerwünschten Merkmale, zu deren Vermeidung die Erfindung beiträgt, in grafischen Darstellungen und Diagrammen. Sie sind beispielhafte Ausführungsformen und daher nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Einige Details und Eigenschaften sind möglicherweise sogar übertrieben dargestellt, um die Erfindung besser zu erklären. Die Erfindung ist nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen und Zeichnungen beschränkt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a zeigt einen Querschnitt eines Lagerteils 1 gemäß der Erfindung, wobei das Lagerteil 1 ein Ring ist. Der Lagerring enthält einen ersten 2 und einen zweiten 3 Werkstoff, wobei das Diffusionsschweißverfahren eine Übergangszone 6 zwischen dem ersten 2 und zweiten 3 Werkstoff zur Folge hatte. Die Figur zeigt einen Lagerring, in dem die Werkstoffe entlang der vollen Breite des Teils ausgerichtet sind, aber es könnte auch so sein, dass ein Werkstoff nur in einem ausgewählten Bereich des Teils verwendet ist, zum Beispiel in einer Laufbahn oder einem Flansch (in der Figur nicht gezeigt).
1b zeigt einen Querschnitt eines Lagerteils 1 gemäß der Erfindung, wobei das Lagerteil 1 eine Walze ist. Die Walze enthält einen ersten 2 und einen zweiten 3 Werkstoff, wobei das Diffusionsschweißverfahren eine Übergangszone 6 zwischen dem ersten 2 und zweiten Werkstoff 3 zur Folge hatte. Die Figur zeigt eine Walze, in der die Werkstoffe entlang der vollen Breite des Teils ausgerichtet sind, aber es könnte auch so sein, dass ein Werkstoff nur in einem ausgewählten Bereich des Teils verwendet ist, zum Beispiel in der Hauptlauffläche oder an den Rändern der Walze etc.
2 zeigt eine Tabelle, die zwei Werkstoffe 2, 3 darstellt, die bei einer Temperatur von 1.150 Grad Celsius (C) dieselbe Kohlenstoffaktivität haben. Die Kohlenstoffaktivität des ersten Werkstoffs 2 ist aufgetragen, während sich der Kohlenstoffgehalt erhöht, bis dieselbe Kohlenstoffaktivität wie beim zweiten Werkstoff 3 erreicht ist. In diesem Fall muss der erste Werkstoff 2 einen Kohlenstoffgehalt von 0,30–0,35 Gew.% haben, um bei der Temperatur von 1.150 Grad C dieselbe Kohlenstoffaktivität von etwa 0,09 zu haben wie der zweite Werkstoff 3. Die Kohlenstoffaktivität kann sowohl durch Änderung des Legierungsgehalts in dem Werkstoff als auch durch Änderung der Temperatur des Werkstoffs beeinflusst werden. Beide Größen können manipuliert werden, um die Kohlenstoffaktivität anzupassen und somit das Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils 1 zu optimieren. Wenn der Kohlenstoffgehalt der zu fügenden Werkstoffe fix ist, zum Beispiel wenn beide Werkstoffe in fester Form vorliegen, anstatt einer von ihnen in Pulverform, oder wenn eine bestimmte Legierung erforderlich ist, kann stattdessen alternativ die Temperatur geändert werden, um die Kohlenstoffaktivität der beiden Werkstoffe zu optimieren. Die in diesem Beispiel genannten Werte für Temperaturen, Kohlenstoffgehalt und Kohlenstoffaktivitäten können selbstverständlich verschieden sein, je nach den gegebenen Umständen in Hinblick auf Temperaturen und zu fügende Werkstoffe etc.
3 zeigt ein Diagramm einer gewünschten plötzlichen Änderung des Kohlenstoffgehalts gemäß der Erfindung. Hier ist deutlich zu erkennen, dass sich der Kohlenstoffgehalt bei einer Tiefe, von 20 mm von der Oberfläche des Lagerteils plötzlich ändert, und es ist eindeutig innerhalb der Endpunkte 40, 50 des Intervalls 7, das von den Kohlenstoffgehalten 4, 5 des ersten 2 und zweiten 3 Werkstoffs definiert wird, in diesem Fall etwa 0,3 Gew.% und 0,8 Gew.%. Der Kohlenstoffgehalt hat sich an keiner Stelle erhöht, was darauf hinweist, dass der Kohlenstoff keine Zementite oder andere Formen von komplexen Metall- oder Eisencarbiden gebildet hat, die im Vergleich zu dem umgebenden Gefüge, zum Beispiel einem martensitischen Gefüge, größer sein können, also in der Regel schwächer als die umgebenden Werkstoffe. Dies ist bei leistungsstarken mechanischen Bauteilen, zum Beispiel qualitativ hochwertigen Lagerteilen 1, nicht akzeptabel.
4 zeigt ein Diagramm der wünschenswerten plötzlichen Änderung des Kohlenstoffgehalts von 3 in m·10^–5 gemäß der Erfindung. Dies zeigt, dass, obwohl die Änderung des Kohlenstoffgehalts in der Übergangszone 6 im Wesentlichen linear ist, was bedeutet, dass das Profil des gemessenen Kohlenstoffgehalts nicht zwischen einem positiven und negativen Ableitungswert variieren sollte, wenn man diese aufgetragene Kurve des Kohlenstoffgehalts in der Übergangszone 6 betrachtet, wenn senkrecht von der Oberfläche der beiden zu fügenden Werkstoffe gemessen wird, gemessene Abweichungen davon auftreten können. Naturgemäß treten in dem Werkstoff kleine Abweichungen auf, aber dies könnte auch auf die verwendeten Messgeräte zurückzuführen sein und natürlich darauf, wie filigran der Werkstoff ist. Unter diesem Vorbehalt sollte jede nicht-lineare Änderung des Kohlenstoffgehalts in der Übergangszone 6 weniger als 50 % des Intervalls des Kohlenstoffgehalts (7 in 3) betragen, das von dem Kohlenstoffgehalt 4, 5 der beiden Werkstoffe definiert ist, in diesem Fall etwa 0,3 Gew.% und 0,8 Gew.%.
Vorzugsweise beträgt jede nicht-lineare Änderung des Kohlenstoffgehalts weniger als 25 % des Intervalls des Kohlenstoffgehalts (7 in 3). Des Weiteren geht aus dem Diagramm hervor, dass mehr als 80 % der gesamten Änderung des Intervalls des Kohlenstoffgehalts (7 in 3) in der Übergangszone 6 innerhalb eines gemessenen Abstands von 50 µm in dem radialen Abstand des Querschnitts des Lagerteils 1 erfolgen, sogar innerhalb einer Abstands von 40 µm.
5 zeigt ein Diagramm, das eine unerwünschte Spitze 8 des Kohlenstoffgehalts darstellt. Der Kohlenstoff hat sich deutlich von einem Werkstoff zu dem anderen verschoben. Die Kurve ist nicht-linear und der Kohlenstoffgehalt überschreitet deutlich die Endpunkte 40, 50 des Intervalls 7, das von den Kohlenstoffgehalten 4, 5 der Werkstoffe definiert ist, in diesem Fall etwa 1 Gew.% und 3,5 Gew.%. Dies geschah bei einer Tiefe von 20 mm von der Oberfläche des Lagerteils.
6 zeigt ein Diagramm, das einen Phasenanteil während der unerwünschten Änderung des Kohlenstoffgehalts von 5 darstellt. Es ist klar ersichtlich, dass der Anstieg des Kohlenstoffgehalts, der auf nicht-lineare Weise über das Intervall (7 in 5) hinausging, einen Bereich zur Folge hatte, in dem das austenitische (fcc, d. h. kubisch-flächenzentrierte) Gefüge stark zugenommen hat, während sich gleichzeitig ein größerer Anteil an schwächeren spröden Gefügephasen wie Zementit- (cem) Netzwerke oder komplexere Metallcarbide gebildet hat/haben. Beide Gefüge änderten in einer Tiefe ab 20 mm von der Oberfläche des Lagerteils ihren Anteil am Gesamtgefüge von etwa 10 % auf etwa 90 %. Dies kann die Festigkeit von einem oder beiden der zwei gefügten Werkstoffe deutlich reduzieren. Das Zementitgefüge muss nicht zwingend während des Fügens als solches auftreten, aber der höhere Kohlenstoffgehalt könnte reagieren und während einer nachfolgenden Wärmebehandlung eine schwache und spröde Zementitphase bilden. In einer Tiefe ab 21 mm von der Oberfläche des Lagerteils kann man wieder die normalen Oberflächenanteile der Werkstoffe sehen, die zu einem großen Teil aus Zementit und austenitischem Gusseisen bestehen.

Claims

Lagerteil (1), umfassend – einen ersten (2) und einen zweiten (3) metallischen Werkstoff, wobei der erste Werkstoff (2) einen ersten Kohlenstoffgehalt (4) und der zweite Werkstoff (3) einen zweiten Kohlenstoffgehalt (5) aufweist, – wobei der erste (2) und der zweite (3) Werkstoff durch ein Diffusionsschweißverfahren gefügt wurden, wobei das Diffusionsschweißverfahren eine Übergangszone (6) mit einem variierenden Kohlenstoffgehalt zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (3) Werkstoff zur Folge hatte, und – wobei der variierende Kohlenstoffgehalt in der Übergangszone (6) im Wesentlichen innerhalb eines Intervalls (7) liegt, und – wobei die Endpunkte (40, 50) des Intervalls durch die Kohlenstoffgehalte (4, 5) des ersten (2) und des zweiten (3) Werkstoffs definiert sind.
Lagerteil (1) nach Anspruch 1, wobei der variierende Kohlenstoffgehalt in der Übergangszone (6) zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (3) Werkstoff im Wesentlichen linear ist.
Lagerteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 80 % einer Gesamtänderung des Kohlenstoffgehalts zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (3) Werkstoff bei einem Abstand von weniger als 200 µm erfolgen, wobei die Messung senkrecht zu der Fügefläche erfolgt.
Lagerteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 80 % einer Gesamtänderung des Kohlenstoffgehalts zwischen dem ersten (2) und dem zweiten (3) Werkstoff bei einem Abstand von weniger als 100 µm erfolgen, wobei die Messung senkrecht zu der Fügefläche erfolgt.
Lagerteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entweder der erste (2) oder der zweite (3) Werkstoff ein Lagerstahl ist.
Lagerteil (1) nach Anspruch 5, wobei der Lagerstahl einer der folgenden Arten von Stahl ist: – M50, – M50 NIL, – XD15NW, – ein Lagerstahl, wie in ISO 683-17:1999(E) Seiten 9–10 gezeigt, – ein rostfreier Werkzeugstahl, – ein für Martensithärtung geeigneter rostfreier Stahl, – ein für Martensithärtung geeigneter rostfreier N-legierter Stahl oder – ein für Oberflächenanreicherung und Martensithärtung geeigneter rostfreier Stahl.
Lagerteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lagerteil (1) eines der folgenden Lagerteile ist: – ein Innenring eines Lagers oder – ein Außenring eines Lagers oder – eine Walze eines Wälzlagers.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: – Erhitzens eines ersten (2) und eines zweiten (3) Werkstoffs und Gegeneinanderpressen derselben unter bestimmten Druck-, Zeit- und Temperaturbedingungen, wodurch den Werkstoffen ermöglicht wird, ineinander zu diffundieren, – wobei der erste Werkstoff (2) bei Fügetemperatur eine Kohlenstoffaktivität von 80–120 % der Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (3) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach Anspruch 8, wobei der erste Werkstoff (2) bei Fügetemperatur eine Kohlenstoffaktivität von 90–110 % der Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (3) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der erste Werkstoff (2) bei Fügetemperatur eine Kohlenstoffaktivität von 95–105 % der Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (3) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der erste Werkstoff (2) bei Fügetemperatur eine Kohlenstoffaktivität aufweist, die im Wesentlichen mit der Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (3) ähnlich ist.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Herstellungsverfahren mittels heißisostatischen Pressens durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Temperatur 1.000–1.300 Grad C beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Temperatur 1.100–1.200 Grad C beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Temperatur 1.140–1.160 Grad C, vorzugsweise 1.150 Grad C beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei der Druck 80–310 MPa beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei mindestens einer des ersten (2) und des zweiten (3) Werkstoffs vor der Erhitzung in Pulverform vorliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei das Lagerteil (1) anschließend in mindestens zwei Stücke geschnitten wird, sodass mindestens zwei Lagerteile (1) geschaffen werden.
Verfahren zur Herstellung eines Lagerteils (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 18, wobei das Lagerteil (1) eines der folgenden Lagerteile ist: – ein Innenring eines Lagers oder – ein Außenring eines Lagers oder – eine Walze eines Wälzlagers.