DE112014001877T5

DE112014001877T5 - Verfahren zum Erzeugen eines mechanischen Bauteils

Info

Publication number: DE112014001877T5
Application number: DE112014001877.5T
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: 2016-01-07
Also published as: US20160318119A1; CN105263664B; US9555501B2; WO2014168542A1; SE1300257A1; CN105263664A; SE537455C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines mechanischen Bauteils (1) durch Fügen eines ersten (11) und eines zweiten (12) metallischen Werkstoffs. Das Verfahren umfasst – (A) das Miteinander-in-Kontakt-Bringen des ersten (11) und des zweiten (12) Werkstoffs, – (B) das Befestigen eines Blechelements (2) auf dem ersten Werkstoff (11), um den zweiten Werkstoff (12) zumindest teilweise zu umschließen, und sodass das Blechelement (2) zumindest teilweise in Kontakt mit dem zweiten Werkstoff (12) ist, wobei das Blechelement (2) Kohlenstoff enthält, – (C) das Fügen des ersten (11) und zweiten Werkstoffs (12) mittels Diffusionsschweißens, und wobei die Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (12) Ca2 und die Kohlenstoffaktivität des Blechelements (2) Cam bei Fügetemperatur die Beziehung Ca2 ≤ Cam erfüllen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines mechanischen Bauteils, das mindestens zwei verschiedene Werkstoffe enthält. Das mechanische Bauteil kann zum Beispiel ein Lagerteil sein, beispielsweise ein Ring für ein Wälzlager.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Fügen zweier Werkstoffe mittels Diffusionsschweißens ist in der Technik bekannt. Ein Zweck des Fügens von zwei Werkstoffen kann die Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften für jegliche Art von mechanischen Bauteilen, zum Beispiel Wälzlagern, sein. In Hinblick auf Ringe von Wälzlagern kann es vorteilhaft sein, einen Werkstoff für die Lauffläche, auf der die Wälzkörper rollen, und einen anderen Werkstoff für den Kern des Rings zu verwenden. Ein solcher Verbundlagerring ist in EP1882109B1 präsentiert und umfasst einen Verbundring eines Wälzlagers für ein Flugzeugtriebwerk, dessen Ring einem Diffusionsschweißen unterzogen wurde.
KURZDARTSELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines mechanischen Bauteils bereitzustellen, das verbesserte Eigenschaften des mechanischen Bauteils zur Folge hat.
Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines mechanischen Bauteils durch das Fügen eines ersten und eines zweiten metallischen Werkstoffs. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– das Miteinander-in-Kontakt-Bringen des ersten und des zweiten Werkstoffs,
– das Befestigen eines Blechelements an dem ersten Werkstoff, um den zweiten Werkstoff zumindest teilweise zu umschließen, und sodass das Blechelement zumindest teilweise in Kontakt mit dem zweiten Werkstoff ist, wobei das Blechelement Kohlenstoff enthält,
– das Fügen des ersten und zweiten Werkstoffs mittels Diffusionsschweißens, und wobei die Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs Ca₂ und die Kohlenstoffaktivität des Blechelements Ca_m bei Fügetemperatur die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m erfüllen. Durch den Erfinder wurde verwirklicht, dass ein verbessertes Diffusionsschweißverfahren und Fügen des ersten und zweiten Werkstoffs erzielt werden, wenn man ein Blechelement und einen zweiten Werkstoff wie vorstehend definiert in einem Diffusionsschweißverfahren hat, welche die vorstehende Beziehung erfüllen. Wenn die Kohlenstoffaktivität des Blechelements und des zweiten Werkstoffs die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_M erfüllt, wird kein oder praktisch kein Kohlenstoff aus dem zweiten Werkstoff in das Blechelement eindiffundiert werden. Ferner wird bei einer Ausführungsform, wenn die Beziehung Ca₂ < Ca_M erfüllt ist, Kohlenstoff aus dem Blechelement in den zweiten Werkstoff eindiffundiert werden, was zu einer Anreicherung der Oberfläche des zweiten Werkstoffs mit Kohlenstoff führt. Wenn die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m nicht erfüllt ist, besteht eindeutig die Gefahr, dass Kohlenstoff aus dem zweiten Werkstoff in das Blechelement eindiffundiert wird, was nicht gewollt ist und was zu einer verringerten Leistung der resultierenden Oberfläche des zweiten Werkstoffs führen könnte, zum Beispiel reduzierte Oberflächenhärte und auch reduzierte Verschleißbeständigkeit.

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 zu verändern oder, unter vorgeschriebenen Bedingungen, zu bewahren. In einer bestimmten Umgebung wird der erreichte Kohlenstoffpegel von solchen Faktoren wie Temperatur, Zeit und Stahlzusammensetzung abhängen. 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.
In einem Verfahren zur Anreicherung der Oberfläche, zum Beispiel einem Aufkohlungsverfahren für ein Stahlteil, wird ein Kohlenstoffpotenzial in der Ofenatmosphäre Kohlenstoff in die Stahloberfläche des Teils einbringen. Wenn die Kohlenstoffaktivität in der Atmosphäre größer ist als die Kohlenstoffaktivität im Stahl, wird Kohlenstoff durch das Potenzial = Differenz der Kohlenstoffaktivität zwischen Ofenatmosphäre und Stahl beeinflusst. In dem Stahlteil kann auch eine Differenz der Kohlenstoffkonzentration zwischen der Oberfläche und dem Volumen (oder dem Innenbereich) des Stahlteils herrschen. Wenn der Stahl vor dem Beginn des Verfahrens zur Anreicherung der Oberfläche homogen war, wären die Differenzen der Kohlenstoffkonzentration die treibende Kraft für den Diffusionsprozess. Die Differenz des Kohlenstoffpotenzials oder der Kohlenstoffaktivität zwischen Oberfläche und Volumen ist in diesem Fall proportional zu den Differenzen der Kohlenstoffkonzentration zwischen Oberfläche und Volumen. Der Diffusionsvorgang wird fortgesetzt, so lange eine Potenzialdifferenz zwischen der Atmosphäre und der Oberfläche und zwischen der Oberfläche und dem Volumen vorliegt. Kohlenstoffdiffusion in einem Werkstoff, in dem die Mikrostruktur und/oder der Legierungsgehalt in Abhängigkeit von der Tiefe von der Oberfläche variiert, wird als Differenz in der Kohlenstoffaktivität beschrieben. Die Diffusion wird auftreten, bis die Kohlenstoffaktivitäten identisch sind. Die treibende Kraft für die Kohlenstoffdiffusion wird mit Differenzen in den Kohlenstoffaktivitäten und nicht mit den Differenzen in den Kohlenstoffkonzentrationen für den Werkstoff bestimmt. Wenn ein System, das aus zwei Werkstoffen besteht, keine Kohlenstoffdiffusion hat, bedeutet das, dass es kein Kohlenstoffpotenzial für das System gibt. Beide Werkstoffe haben dieselben Kohlenstoffaktivitäten und es gibt keine treibende Kraft für den Kohlenstofftransport. Durch diese Erkenntnis, die durch den Erfinder gewonnen wurde, würde der Fachmann es verstehen, wenn ein erster und ein zweiter Werkstoff bei einer bestimmten Temperatur eine Differenz in der Kohlenstoffaktivität aufweisen, und dass folglich ein Kohlenstoffpotenzial für die beiden Werkstoffe bei der bestimmten Temperatur vorliegt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umschließt das Blechelement den zweiten Werkstoff und erzeugt einen geschlossenen Raum für den zweiten Werkstoff. Bei der Durchführung eines Diffusionsschweißverfahrens kann es notwendig sein, den zweiten Werkstoff zu umschließen und dadurch einen geschlossenen Raum für den zweiten Werkstoff zu erzeugen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Diffusionsschweißen durch heißisostatisches Pressen (HIP). Das heißisostatische Pressen ist eine effektive Methode zum Fügen von zwei Werkstoffen. In einer Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur zwischen 1.000–1.300 Grad Celsius durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur zwischen 1.050–1.250 Grad Celsius durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur von 1.100–1.200 Grad Celsius durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur von 1.150 Grad Celsius durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen während 1 bis 6 Stunden durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen während 2 bis 4 Stunden durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen mit einem Druck von 80–310 MPa durchgeführt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der zweite Werkstoff vor dem Fügen in Form eines metallischen Pulvers vor. Wenn der zweite Werkstoff vor dem Fügen in Form eines Pulvers vorliegt, kann es notwendig sein, den Werkstoff zu umschließen und einen geschlossenen Raum für den Werkstoff zu erzeugen. Somit hat der Erfinder erkannt, dass das Blechelement, das den geschlossenen Raum erzeugt, verwendet werden kann, um während des Fügeprozesses eine Anreicherung der Oberfläche des zweiten Werkstoffs mit Kohlenstoff durchzuführen. Somit besteht keine Notwendigkeit für spätere Schritte zur Anreichung der Oberfläche, nachdem der Fügeprozess durchgeführt wurde. Ferner stellt die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m immer sicher, dass keine wesentliche Diffusion aus dem zweiten Werkstoff in das Blechelement stattfindet.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Blechelement ferner Stickstoff. Auch Stickstoff kann aus dem Blechelement in den zweiten Werkstoff diffundieren. In einer Ausführungsform erfüllen die Stickstoffaktivität des zweiten Werkstoffs Ni₂ und die Stickstoffaktivität des Blechelements Ni_m die Beziehung Ni₂ ≤ Ni_m. Stickstoffaktivität und Stickstoffpotenzial haben dieselbe Definition und dieselbe Beziehung wie Kohlenstoffaktivität und Kohlenstoffpotenzial, die vorstehend beschrieben sind. In einigen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, Stickstoff in den zweiten Werkstoff einzudiffundieren.
In einer Ausführungsform ist das mechanische Bauteil ein Lagerteil. In einer weiteren Ausführungsform kann das Lagerteil entweder ein Innenring eines Lagers, ein Außenring eines Lagers oder eine Walze eines Wälzlagers sein.
In einer anderen Ausführungsform ist das mechanische Bauteil ein Walzenmantel einer Walzlinie für eine Stranggießmaschine.
Das mechanische Bauteil kann ein beliebiges Bauteil sein, das durch ein Diffusionsschweißverfahren, wie es in irgendeiner der Ausführungsformen beschrieben ist, gefügt wurde.
In einer Ausführungsform ist der zweite Werkstoff ein Hochleistungs-Lagerstahl. In einer weiteren Ausführungsform ist der Hochleistungs-Lagerstahl ein M50 Stahl. In einer weiteren Ausführungsform ist der Hochleistungs-Lagerstahl ein M50NIL Stahl. In noch einer anderen Ausführungsform ist der Hochleistungs-Lagerstahl einer der herkömmlichen Lagerstähle wie in ISO 683-17:1999 (E), Seiten 9–10 gezeigt. 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 N-legierter Edelstahl, der für Martensithärtung geeignet ist, oder XD15NW mit hoher Stahlreinheit. Ferner können rostfreie Stähle, die für die Oberflächenanreicherung und die Martensithärtung geeignet sind, verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Stähle beschränkt. Der Vorteil der Verwendung dieser Arten von Stahl ist, dass der Teil, der aus diesem Werkstoff besteht, zum Beispiel sehr robust gegenüber Verschleiß und Korrosion ist. Hochwertiger Lagerstahl befindet sich daher vorzugsweise in den stark beanspruchten Bereichen der Lagerteile, zum Beispiel an der Laufbahn der Ringe oder der Rollfläche der Walze. Er könnte sich zum Beispiel auch an einem Flansch oder einem anderen Teil oder Bereich des Lagerteils oder an Kombinationen aus Flansch, Laufbahnen und Rollflächen befinden. In der Ausführungsform, in der das mechanische Bauteil ein Walzenmantel ist, befindet sich der zweite Werkstoff vorzugsweise an der Außenfläche oder dem Walzenmantel, die bzw. der mit einer Stahlbramme in Kontakt kommen soll. In einer weiteren Ausführungsform des Walzenmantels ist der zweite Werkstoff ein Hochleistungsstahl, der für die harten Bedingungen beim Stranggießen geeignet ist.
In einer Ausführungsform ist der erste Werkstoff entweder ein Gusseisen, ein Gussstahl, ein warmgewalzter Stahl oder ein kaltgewalzter Stahl.
In einer Ausführungsform wurde das Blechelement durch Schweißen an dem ersten Werkstoff befestigt. Dies führt zu einer zuverlässigen Befestigung des Blechs an dem ersten Werkstoff und auch zu einem hermetisch geschlossenen Raum für den zweiten Werkstoff, der für das Diffusionsschweißverfahren erforderlich sein kann, und insbesondere, wenn das Verfahren heißisostatisches Pressen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Veranschaulichende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun genauer beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1 eine Querschnittsansicht eines mechanischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
Die Zeichnungen zeigen schematische veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sind daher nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Es versteht sich, dass die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen als Beispiel dienen, und dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Es wird auch festgestellt, dass einige Details in den Zeichnungen übertrieben dargestellt sein können, um die Erfindung besser zu beschreiben und darzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Darstellung eines Querschnitts eines mechanischen Bauteils, das in dieser Darstellung ein Lagerteil 1 ist. Das Lagerteil 1 besteht aus einem ersten metallischen Werkstoff 11 und einem zweiten metallischen Werkstoff 12, die durch Diffusionsschweißen gefügt wurden. Das Diffusionsschweißen wird dazu führen, dass der erste Werkstoff 11 und der zweite Werkstoff 12 ineinander diffundieren, sodass eine feste Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen 11 und 12 entsteht. Für das Diffusionsschweißverfahren wurde ein Blechelement 2 an dem ersten Werkstoff 11 befestigt, in dieser Ausführungsform der Kern oder das Körperstück des Lagerteils 1. Das Lagerteil 1 ist in dieser Ausführungsform ein Innenring eines Lagers, wobei der zweite Werkstoff 12 zumindest teilweise eine Laufbahn an dem inneren Ring sein soll, auf dem die Wälzelemente rollen sollen. Ferner umfasst das Lagerteil eine Durchgangsöffnung 3, in die eine Welle (nicht dargestellt) eingesetzt werden kann. Das Blechelement 2 soll während des Diffusionsschweißverfahrens, das durch heißisostatisches Pressen erfolgen kann, einen geschlossenen Raum für den zweiten Werkstoff 12 erzeugen. Heißisostatisches Pressen erfordert, dass ein geschlossener Raum erzeugt wird, insbesondere dann, wenn der zweite Werkstoff 12 vor dem Fügen in Pulverform vorliegt. Das Blechelement 2 ist in dieser Ausführungsform mittels zweier Flansche 13 und 14 an dem ersten Werkstoff 11 befestigt. Die beiden Flansche 13 und 14 erzeugen auch eine Nut 15 für den zweiten Werkstoff 12. Dies ist eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Erzeugung des geschlossenen Raums für den zweiten Werkstoff 12 und für das heißisostatische Pressverfahren. Ferner ermöglicht die Gestaltung, dass der zweite Werkstoff 12 nur dort vorhanden ist, wo er benötigt wird, nämlich an der Rollkontaktfläche (der Laufbahn). Der zweite Werkstoff 12 kann ein Hochleistungs-Lagerstahl wie M50 oder M50 Nil sein. Der Stahl 12 kann ein beliebiger verschleißfester Stahl, korrosionsbeständiger Stahl oder ein beliebiger anderer geeigneter metallischer Werkstoff sein, je nach den Anforderungen des mechanischen Bauteils in seiner vorgesehenen Verwendung. Die Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs 12 Ca₂ und die Kohlenstoffaktivität des Blechelementes 2 Ca_m erfüllen bei Fügetemperatur die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m. Dies führt dazu, dass kein oder praktisch kein Kohlenstoff aus dem zweiten Werkstoff 12 in das Blechelement 2 diffundiert. Wie vorstehend beschrieben, ist es nicht gut für den zweiten Werkstoff 12, wenn während des Diffusionsschweißverfahrens, zum Beispiel mittels heißisostatischen Pressens, Kohlenstoff aus ihm in das Blechelement 2 diffundieren würde. Dies gilt insbesondere, wenn an den zweiten Werkstoff 12 hohe Anforderungen in Hinblick auf Verschleißfestigkeit etc. gestellt werden, wie zum Beispiel bei einem Wälzlagerteil. Außerdem wird Kohlenstoff in den zweiten Werkstoff 12 eindiffundiert, wenn bei Fügetemperatur die Kohlenstoffaktivität im Blech höher ist als in dem zweiten Werkstoff. Dies würde zu einer mit Kohlenstoff angereicherten Oberfläche führen, die eine größere Härte und bessere Verschleißfestigkeit der Außenfläche des zweiten Werkstoffs 12 zur Folge hätte. In Abhängigkeit von den Eigenschaften, die für das endgültige mechanische Bauteil 1 gewollt sind, können auch andere Elemente, zum Beispiel Stickstoff, während des Diffusionsschweißverfahrens aus dem Blechelement 2 in den zweiten Werkstoff 12 eindiffundiert werden.
2 ist eine Darstellung, die ein Flussdiagramm zeigt, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In Schritt A werden der erste 11 und der zweite Werkstoff 12 miteinander in Kontakt gebracht. In Schritt B wird ein Blechelement 2 an dem ersten Werkstoff 11 befestigt, um den zweiten Werkstoff 12 zu umschließen, und sodass das Blechelement 2 zumindest teilweise in Kontakt mit dem zweiten Werkstoff 12 ist. Das Blechelement 2 enthält auch Kohlenstoff. In Schritt C werden der erste 11 und der zweite Werkstoff 12 mittels Diffusionsschweißens gefügt, beispielsweise mittels heißisostatischen Pressens. Ferner erfüllen die Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs 12 Ca₂ und die Kohlenstoffaktivität des Blechelements 2 Ca_m bei Fügetemperatur die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines mechanischen Bauteils (1) durch Fügen eines ersten (11) und eines zweiten (12) metallischen Werkstoffs, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – (A) ein Miteinander-in-Kontakt-Bringen des ersten (11) und des zweiten (12) Werkstoffs, – (B) ein Befestigen eines Blechelements (2) an dem ersten Werkstoff (11), um den zweiten Werkstoff (12) zumindest teilweise zu umschließen, sodass das Blechelement (2) zumindest teilweise in Kontakt mit dem zweiten Werkstoff (12) ist, wobei das Blechelement (2) Kohlenstoff enthält, – (C) ein Fügen des ersten (11) und zweiten (12) Werkstoffs mittels Diffusionsschweißens, – wobei die Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (12) Ca₂ und die Kohlenstoffaktivität des Blechelements (2) Ca_m bei Fügetemperatur die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 1, – wobei das Blechelement (2) den zweiten Werkstoff (12) umschließt und einen geschlossenen Raum für den zweiten Werkstoff (12) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der zweite Werkstoff (12) vor dem Fügen in Form eines metallischen Pulvers vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die Kohlenstoffaktivität des zweiten Werkstoffs (12) Ca₂ und die Kohlenstoffaktivität des Blechelements (2) Ca_m bei Fügetemperatur die Beziehung Ca₂ ≤ Ca_m erfüllen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei das Blechelement (2) ferner Stickstoff enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der zweite Werkstoff (12) ein Hochleistungs-Lagerstahl ist.
Verfahren nach Anspruch 6, – wobei der Hochleistungs-Lagerstahl entweder: – M50, – M50 NIL, – XD15NW, – ein Lagerstahl wie in ISO 683-17: 1999 (E), Seiten 9–10 gezeigt, – ein Edelstahl-Werkzeugstahl, – ein für Martensithärtung geeigneter Edelstahl, – ein für Martensithärtung geeigneter N-legierter Edelstahl oder – ein für Oberflächenanreicherung und Martensithärtung geeigneter Edelstahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei der erste Werkstoff (11) entweder: – ein Gusseisen, – ein Gussstahl, – ein warmgewalzter Stahl oder – ein kaltgewalzter Stahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei das mechanische Bauteil (1) ein Lagerteil ist.
Verfahren nach Anspruch 9, – wobei das Lagerteil (1) entweder: – ein Innenring eines Lagers, – ein Außenring eines Lagers oder – eine Walze eines Wälzlagers ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei das Diffusionsschweißen durch heißisostatisches Pressen (HIP) erfolgt.