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TECHNISCHES UMFELD
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagerkomponente mit einem unbeeinflussten Material, wie beispielsweise Stahl, Eisen oder ein eisenbasiertes Metall mit beispielsweise einer Härte von mindestens 45 HRC, das einem maschinellen Bearbeitungsprozess ausgesetzt wurde, wie beispielsweise einer Hartbearbeitung, z.B. einem Drehen oder einem Hartdrehen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Lagerkomponente.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Hartdrehen ist ein maschineller Bearbeitungsprozess, der bei Metallmaterialien mit einer größeren Härte als 45 HRC (was ungefähr 450 HV1 entspricht) angewandt wird, und wird üblicherweise durchgeführt, nachdem ein Werkstück wärmebehandelt wurde. Beim Hartdrehen beschreibt ein Schneidwerkzeug einen Werkzeugpfad während sich das Werkstück dreht. Die Achsen der Bewegung des Werkzeugs können eine gerade Linie sein, oder sie können entlang eines Satzes von Kurven oder Winkeln sein. Üblicherweise ist der Begriff „Drehen“ reserviert für die Erzeugung von äußeren Flächen durch diese Schneidaktion, während die im Wesentlichen gleiche Schneidaktion „Bohren“ genannt wird, wenn sie auf innere Flächen (wie beispielsweise Löcher) angewandt wird. Demnach kategorisieren die Phrasen „Drehen und Bohren“ eine größere Familie von im Wesentlichen ähnlichen Prozessen. Beim Drehen wird ein Stück eines relativ harten Materials (wie beispielsweise Metall) gedreht und ein Schneidwerkzeug wird entlang an zwei oder drei Bewegungsachsen entlanggeführt, um beispielsweise präzise Durchmesser und Toleranzen zu produzieren.
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Eine signifikante Limitierung der weit verbreiteten Verwendung von einer Hartbearbeitung von Metallmaterialien ist der sogenannte „weiße Schicht“-Effekt, der eine mikroskopische Veränderung der maschinell bearbeiteten Fläche des Werkstücks ist, die weiß unter einem optischen Lichtmikroskop (LOM) erscheint, wobei der Effekt in Reaktion auf eine extrem hohe thermomechanische Last, die auf die maschinell bearbeitete Fläche eines Werkstücks durch das Schneidwerkzeug aufgebracht wird, produziert wird. Derartige weiße Schichten haben eine hohe Härte und sind verglichen mit dem Hauptmaterial des Werkstücks spröde. Eine dunklere Region, oder „dunkle Schicht“ ist ebenfalls unterhalb der spröden und harten weißen Schicht durch die Wirkung der thermomechanischen Lasten auf das Werkstück ausgebildet. Die dunkle Schicht ist weicher als sowohl die weiße Schicht als auch das unbeeinflusste Material. Wenn hohe externe Lasten auf eine solche dreifach geschichtete Struktur (das heißt eine harte oder sehr harte weiße Schicht, eine weiche dunkle Schicht und das harte unbeeinflusste Material) angewandt werden, können sich Risse in der weißen Schicht, zwischen der weißen Schicht und der dunklen Schicht oder zwischen der dunklen Schicht und dem unbeeinflussten Material entwickeln. Wenn sich diese Risse ausbreiten und sich miteinander verbinden, kann ein Abplatzen auftreten.
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Eine thermomechanisch beeinflusste Werkstückfläche mit einer ätz-resistenten weißen Schicht war üblicherweise unerwünscht aufgrund der hohen Zug- und Oberflächenspannungen, die ihr zugeordnet sind, wie beispielsweise eine reduzierte Ermüdungswiderstandsfähigkeit, eine geringere Risszähigkeit, und/oder eine reduzierte Verschleißwiderstandsfähigkeit der hergestellten Teile.
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Die Anordnung einer derartigen thermomechanisch beeinflussten Schicht an einer maschinell hergestellten Fläche eines Werkstücks ist in 1 illustriert. Das Gefügebild, das in 1 gezeigt ist, zeigt nämlich eine chemisch geätzte, polierte Querschnittsansicht des typischen Gefüges unter der Oberfläche eines maschinell bearbeiteten Werkstücks, das unter einem optischen Lichtmikroskop (LOM) mit einer ungefähr 1000-fachen Vergrößerung betrachtet wurde. Das Gefüge zeigt eine äußere Oberfläche oder „weiße Schicht“ (10), die während des Hartdrehens in direktem Kontakt mit dem Schneidwerkzeug war. Zusätzlich zeigt das Gefüge eine „dunkle Schicht“ (12) unterhalb der weißen Schicht (10). Die dunkle Schicht (12) ist eine übermäßig angelassene Zone, die einer hohen Temperatur während des Hartdrehens ausgesetzt war. Unter der dunklen Schicht (12) liegt unbeeinflusstes Material, das das Ausgangsmaterial ist, das von dem maschinellen Bearbeitungsprozess unbeeinflusst ist.
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Eine weiße Schicht (10), wie sie in 1 illustriert ist, wird während des maschinellen Bearbeitungsprozesses, wie beispielsweise einem Hartdrehen, ausgebildet ist, hat negative Effekte auf ein Oberflächenfinish und die Ermüdungsstärke von Produkten. Die weiße Schicht (10) ist üblicherweise eine harte Phase und führt dazu, dass die Oberfläche spröde wird, was eine Rissdurchdringung und einen Produktausfall verursacht. Dies ist eine Hauptsorge hinsichtlich der Dienstleistungsfähigkeit insbesondere in der Flugzeug- und Automobilindustrie. Aufgrund der unerwünschten Eigenschaften der weißen Schicht (10), wie sie in 1 gezeigt ist, sind Verfahren zum Entfernen, Reduzieren oder Eliminieren der weißen Schicht (10) und der dunklen Schicht (12) im Stand der Technik bekannt.
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Beispielsweise offenbart die US-Patentanmeldung
US 2003/0145694 , eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren einer Dicke einer thermomechanisch beeinträchtigten Schicht auf einer maschinell bearbeiteten Fläche eines Hartmetallwerkstücks, das maschinell durch ein Hartschneidwerkzeug bearbeitet wurde, das eine thermomechanische Last auf eine Oberfläche des Werkstücks ausübt. Das Verfahren beinhaltet ein Reduzieren der thermomechanischen Last auf die Fläche des Werkstücks, und die Vorrichtung umfasst ein Mittel zum Reduzieren der thermomechanischen Last auf die Fläche des Werkstücks.
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Die US-Patentanmeldung
US 2013/0016938 betrifft ein Wälzlager, dessen Lebensdauer vergrößert wird, indem eine Sprödigkeitsabplatzung und eine eindellungsinduzierte Abplatzung auf den Laufflächen von inneren und äußeren Laufringen und Wälzkörpern reduziert wird. Ein Stahl mit 1,80 bis 1,89 Gew.-% Chrom (sprödigkeitsabplatzungsresistenter Stahl) wird einem Carbonitrieren und dann einem Härten und Anlassen ausgesetzt. Der Chrom reduziert die Erzeugung von weißen Schichten, die Aggregate von Kohlenstoff sind, wodurch die Sprödigkeitsabplatzung an beispielsweise den Laufflächen aufgrund der weißen Schichten reduziert wird. Ein Restaustenitbereich, der sich bildet, wenn der Stahl gehärtet und angelassen wird, vergrößert die Zähigkeit der Stahloberfläche, wodurch ein eindellungsinduziertes Abplatzen aufgrund von fremder Materie, wie beispielsweise Verschleißstaub, reduziert wird. Durch das Reduzieren sowohl des Versprödungsabplatzen und des eindellungsinduzierten Abplatzens ist es möglich, die Lebensdauer des Lagers zu verlängern, und die Wartungskosten, wie beispielsweise die Kosten für das Wechseln von Schmieröl, zu reduzieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Leistungsfähigkeit der Wälzkontakt-Ermüdung einer Lagerkomponente bereitzustellen, die ein Material, wie beispielsweise Stahl, Eisen oder ein eisenbasiertes Metall aufweist und eine Oberfläche hat, die einem Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt wurde. Eine solche Oberfläche kann eine Härte von 45 HRC (das heißt 450 HV1) oder höher haben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Sicherstellen, dass die Temperatur auf der Oberfläche der Lagerkomponente nicht die Austenisierungstemperatur des Materials, das heißt die kritische Phasentransformationstemperatur des Materials, während des Hartbearbeitungsprozesses während der Herstellung der Lagerkomponente überschreitet. Die Oberfläche der Lagerkomponente umfasst dadurch eine weiße Schicht, die während des Hartbearbeitungsprozesses ausgebildet ist, die ein nanokristallines Gefüge aufweist, mit Körnern mit einer maximalen Korngröße bis zu 500 nm, bis zu 300 nm oder bis zu 150 nm, das heißt, die maximalen Querschnittsdimension, wie beispielsweise ein Durchmesser, aller Körnern in der weißen Schicht übersteigt nicht 500 nm, 300 nm oder 150 nm. Das nanokristalline Gefüge kann beispielsweise Körner mit einer Durchschnittskorngröße von 10 bis 120 nm, oder 10 bis 100 nm oder 10 bis 80 nm aufweisen. Ein derartiges nanokristallines Gefüge kann unter einem scannenden Elektronenmikroskop (SEM) oder einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) mit einer Vergrößerung im Bereich von 10.000- bis 100.000-fach, beobachtet werden. Die weiße Schicht ist direkt auf dem unbeeinflussten Material der Lagerkomponente angeordnet, wobei keine dunkle Schicht während des maschinellen Bearbeitungsprozesses zwischen der weißen Schicht und dem unbeeinflussten Material ausgebildet ist, das heißt die Lagerkomponente weist eine zweischichtige Struktur auf, die lediglich aus einer weißen Schicht und einem unbeeinflussten Material besteht, statt einer dreischichtigen Struktur, wie in den Komponenten aus dem Stand der Technik gezeigt ist, bei der die dreischichtige Struktur eine weiße Schicht, eine dunkle Schicht und unbeeinflusstes Material (wie in 1 der angehängten Zeichnungen gezeigt) aufweist.
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Es sollte bemerkt werden, dass das Nichtvorhandensein der dunklen Schicht festgestellt werden kann, indem das Härteprofil eines Querschnitts der Lagerkomponente untersucht wird, das heißt durch das Messen der Härte der Lagerkomponente in Abhängigkeit der Tiefe unterhalb der maschinell hergestellten Oberfläche. Eine solche Untersuchung deckt auf, dass es kein Material gibt mit einer Härte, die geringer ist als die Härte des unbeeinflussten Materials. Stattdessen wird sich die Härte der weißen Schicht in einer Übergangszone sanft mit der Tiefe unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche von einem Maximalwert an der maschinell bearbeiteten Oberfläche auf einen Minimalwert des unbeeinflussten Materials verringern, das heißt es gibt keinen scharfen Übergang zwischen der Härte des weißen Materials und der Härte des unbeeinflussten Materials.
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Es sollte weiterhin bemerkt werden, dass der Ausdruck „unbeeinflusstes Material“ wie in diesem Dokument verwendet, dazu gedacht ist, Material zu bezeichnen, das nicht von dem Hartbearbeitungsprozess beeinflusst ist, zum Beispiel durch plastische Deformation. Die Übergangszone und das unbeeinflusste Material können dennoch von einer vorherig ausgeführten Wärmebehandlung, wie beispielsweise einem Induktionshärten, Aufkohlen, Randschichtaufkohlen, Carbonitrieren, Nitro-Carburieren oder Nitrieren, beeinflusst sein. Eine äußerte Schicht des Materials (beispielsweise mit einer Dicke von 8 mm oder mehr, oder bis zu 8 mm, bis zu 7 mm, bis zu 6 mm, bis zu 5 mm, bis zu 3 mm, bis zu 2 mm oder bis zu 1 mm) kann nämlich gehärtet sein, um eine Härte von mindestens 450 HV1 oder mehr zu erreichen, beispielsweise bevor der Hartbearbeitungsprozess ausgeführt ist. Der Ausdruck „unbeeinflusstes Material“ wie er hierin verwendet wird, ist deshalb gedacht dazu, das gehärtete oder nicht gehärtete Ausgangsmaterial zu bezeichnen, bevor es einem Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt wurde. Das Material in einer Tiefe von zumindest als 300 µm unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche der Lagerkomponente kann als unbeeinflusstes Material betrachtet werden. Das unbeeinflusste Material kann eine Härte von mindestens 45 HRC (äquivalent zu 450 HV1) oder höher aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass, wenn die Temperatur der Oberfläche der Lagerkomponente nicht die Austenisierungstemperatur überschreitet, keine Phasentransformation auftritt und eine plastische Deformation der Werkstoffmaterialoberfläche gleichzeitig induziert wird. Eine vorherrschend mechanisch induzierte, statt einer thermal induzierten, weißen Schicht wird während des Hartbearbeitungsprozesses ausgebildet. Eine derartige mechanisch induzierte weiße Schicht hat ein signifikant unterschiedliches Gefüge und unterschiedliche mechanische Eigenschaften verglichen mit den thermal induzierten weißen Schichten der Komponenten, die einem Hartbearbeitungsprozess nach dem Stand der Technik ausgesetzt wurden, bei dem die Temperatur der Oberfläche eines Werkstücks nicht während des Hartbearbeitungsprozesses niedrig gehalten wird. Durch das Limitieren der Temperatur auf unterhalb der kritischen Austenisierungstemperatur des Materials während des Hartbearbeitens wird eine vorherrschend mechanisch induzierte weiße Schicht und keine dunkle Schicht, das heißt keine erkennbare dunkle Schicht mit einer Härte, die geringer ist als die Härte des unbeeinflussten Materials, erzeugt, wodurch die mechanisch induzierte weiße Schicht direkt auf dem unbeeinflussten Material angeordnet ist, und wodurch sich die Härte der weißen Schicht, in eine „Übergangszone“, mit der Tiefe unterhalb der maschinell bearbeiteten Schicht von einem Maximalwert an der maschinell bearbeiteten Oberfläche bis auf einen Minimalwert an dem unbeeinflussten Material sanft abschwächt. Die mechanisch induzierte weiße Schicht der Lagerkomponente gemäß vorliegender Erfindung umfasst nämlich ein homogenes nano-kristallines Gefüge mit Körnern mit einer maximalen Korngröße bis zu 500 nm. Eine derartige weiße Schicht hat eine verbesserte Ermüdungswiderstandsfähigkeit, eine höhere Bruchzähigkeit und/oder eine vergrößerte Verschleißwiderstandsfähigkeit verglichen mit einer thermal induzierten weißen Schicht, und dadurch eine verbesserte Wälzkontaktermüdungsleistung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die weiße Schicht den gleichen Betrag an Restaustenit auf wie das unbeeinflusste Material der Lagerkomponente. Alternativ weist die weiße Schicht weniger Restaustenit als das unbeeinflusste Material der Lagerkomponente auf.
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Es sollte bemerkt werden, dass der Ausdruck „Hartbearbeitungsprozess“, wie er hierin verwendet wird, sich auf einen oder eine Kombination der folgenden Prozesse bezieht: Drehen, Hartdrehen, Bohren, Brünieren, mechanisches Schleifen, Walzen oder Drillen.
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Die Ausdrücke „keine dunkle Schicht“ oder „nicht erkennbare dunkle Schicht“, wie sie hierin verwendet werden, sind dazu gedacht, zu bezeichnen, dass keine dunkle Schicht mit einem optischen Lichtmikroskop (LOM) mit einer konventionellen Auflösung detektierbar ist, das heißt, dass die Lagerkomponente gemäß vorliegender Erfindung keine dunkle Schicht mit einer Dicke größer als 5 nm aufweist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Lagerkomponente ein Härteprofil, bei dem die Härte der Lagerkomponente an der maschinell bearbeiteten Oberfläche der weißen Schicht am härtesten ist, und sich mit der Tiefe unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche abschwächt, und wobei die Härte der weißen Schicht größer als ist als die Härte des unbeeinflussten Materials der Lagerkomponente.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich die weiße Schicht bis zu 15 µm, bis zu 14 µm, bis zu 13 µm, bis zu 12 µm, bis zu 11 µm, bis zu 10 µm, bis zu 9 µm, bis zu 8 µm, bis zu 7 µm, bis zu 6 µm oder bis zu 5 µm unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche der Lagerkomponente. Die Dicke der weißen Schicht kann beispielsweise 1 bis 10 µm sein. Die weiße Schicht der Lagerkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich sein und sie muss nicht notwendigerweise eine gleichmäßige Dicke haben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die weiße Schicht eine Vickershärte von 450 bis 1.500 (HV1) oder mehr und das unbeeinflusste Material der Lagerkomponente hat eine Vickershärte von 450 (HV1) oder mehr.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat das unbeeinflusste Material eine Härte von größer oder gleich 450 HV1, das heißt dies ist die Härte des unbeeinflussten Materials bevor es einem Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt wird. Bevor das unbeeinflusste Material einem Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt wird, kann es beispielsweise austenisiert und nachfolgend auf Raumtemperatur abgeschreckt oder isothermal transformiert sein, wodurch sich ein martensitisches oder bainitisches Gefüge ausbildet. Das abgeschreckte martensitische unbeeinflusste Material kann dann angelassen werden, um ein angelassenes martensitisches Gefüge herzustellen, das beispielsweise weniger als 2 Vol.-% Restaustenit aufweist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die Lagerkomponente zumindest einen Teil des folgenden dar: Ein Kugellager, ein Rollenlager, ein Nadellager, ein Kegelrollenlager, ein Pendelrollenlager, ein Toroidalrollenlager, ein Axialkugellager, ein Axialrollenlager, ein Axialkegelrollenlager, ein Radlager, eine Radlagereinheit, ein Großwälzlager, eine Kugelrollspindel, ein Zylinderrollenlager, ein axiales Zylinderrollenlager, ein Axialpendelrollenlager, ein Kugelflächenlager, oder eine beliebige Komponente für eine Anwendung, die alternierenden Hertzschen Drücken ausgesetzt ist, wie beispielsweise einem Wälzkontakt oder einem kombiniertem Rollen und Gleiten. Die Lagerkomponente kann ein Zahnrad, eine Nockenwelle, ein Befestigungselement, ein Stift, eine Automobilkupplungsplatte, ein Werkzeug, oder ein Ausformwerkzeug aufweisen oder darstellen.
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Die Lagerkomponente kann in Automobil-, Flugzeug-, Wind-, Seefahrt-, metallherstellenden Anwendungen, beliebigen Maschinenanwendungen und/oder jeder Anwendung, die hohe Verschleißresistenzen und/oder vergrößerte Ermüdungs- und Zugstärken erfordert, angewandt werden. Beispielsweise kann die Lagerkomponente bei Papiermaschinen, Stranggießern, Ventilatoren und Gebläsen, Bruchmaschinen und Mahlanlagen, industriellen Getrieben, Förderbändern und hydraulischen Motoren und Pumpen verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Lagerkomponente gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Erfindung. Das Verfahren umfasst den Schritt des Aussetzens einer Oberfläche eines Werkstücks des unbeeinflussten Materials einem Hartbearbeitungsprozess, wodurch eine weiße Schicht während des Hartbearbeitungsprozesses ausgebildet wird. Das Verfahren umfasst den Schritt des Steuerns von zumindest eines Prozessparameters des Hartbearbeitungsprozesses, um sicherzustellen, dass die Temperatur der Oberfläche der Lagerkomponente nicht die Austenisierungstemperatur des unbeeinflussten Materials während des Hartbearbeitungsprozesses übersteigt, das heißt, wobei die Temperatur an der maschinell bearbeiteten Oberfläche während des maschinellen Bearbeitungsprozesses niedrig gehalten wird, und die plastische Deformation des Werkstückoberflächenmaterials gleichzeitig induziert wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zumindest eine Prozessparameter oder eine Kombination von mehreren Prozessparametern des Hartbearbeitungsprozesses einer oder mehrere der folgenden: Schneidgeschwindigkeit, Schneidkraft, Kühlung des Schneidwerkzeugs (beispielsweise unter Verwendung eines Kühlfluids), Kühlung der Oberfläche der Lagerkomponente, Schneidwerkzeugmaterial, Schneidwerkzeugzustand, Schneidrichtung, Vorschubrate, Tiefe.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird im Nachfolgenden weiter erklärt mittels nichtlimitierender Beispiele mit Bezug auf die angehängten schematischen Figuren, bei denen;
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Gefüges unter der Oberfläche eines maschinell hergestellten Werkstücks gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt ein Härteprofil und die Korngröße eines maschinell hergestellten Werkstücks gemäß dem Stand der Technik über eine Tiefe unterhalb der maschinell hergestellten Oberfläche;
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3 zeigt eine Lagerkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt die Temperatur an einer Oberfläche eines Werkstücks aufgetragen gegen die Schneidgeschwindigkeit;
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5 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Gefüges unter der Oberfläche einer maschinell bearbeiteten Lagerkomponente gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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6 zeigt das Härteprofil und die Korngröße einer Lagerkomponente gemäß vorliegender Erfindung über eine Tiefe unterhalb ihrer maschinell hergestellten Oberfläche.
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Es sollte bemerkt werden, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind und, dass die Dimensionen von bestimmten Eigenschaften der Klarheit halber übertrieben sein können.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Gefüges unterhalb der Oberfläche eines maschinell bearbeiteten Werkstücks, das einem Hartbearbeitungsprozess gemäß dem Stand der Technik ausgesetzt wurde. Das Werkstück weist eine weiße Schicht 10, direkt neben der weißen Schicht 10 eine darunterliegende dunkle Schicht 12, und direkt neben der dunklen Schicht 12 ein darunterliegendes unbeeinflusstes Material 14 auf.
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Die weiße Schicht 10 weist gleichverteilte Carbide auf. Die darunterliegende dunkle Schicht 12, die dicker ist als die weiße Schicht 12, beinhaltet auch gleichverteilte Carbide. Das unbeeinflusste Material 14, das durch den Hartbearbeitungsprozess unbeeinflusst ist, weist martensitische/bainitische Nadeln auf, die eine Länge von ungefähr 2 bis 3 µm und einer Breite von ungefähr 0,5 µm haben. Das martensitische/bainitische unbeeintflusste Material weist auch gleichverteilte Carbide auf.
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2 zeigt das Härteprofil 11 und die Korngröße 13 eines maschinell bearbeiteten Werkstücks gemäß dem Stand der Technik über eine Tiefe unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche, das heißt der allerobersten Oberfläche der thermal induzierten weißen Schicht 10. Es ist zu sehen, dass die Härte der dunklen Schicht 12 geringer ist als die Härte des unbeeinflussten Materials 14, was im Gebrauch für die Leistungsfähigkeit des Werkstücks verschlechternd sein kann. Die Härte der dunklen Schicht 12 kann bis zu 30 % geringer sein als die Härte des unbeeinflussten Materials 14.
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3 zeigt ein Beispiel einer Lagerkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich ein Wälzlager 16, das ist in Abmessungen von 10 mm bis zu einigen wenigen Metern Durchmesser rangieren kann und eine Lastkapazität von einigen wenigen zehnteln Gramm bis mehrere Tausendende von Tonnen aufweisen kann. Die Lagerkomponente 16 gemäß der vorliegenden Erfindung kann nämlich jede Größe und jede Lastaufnahmekapazität haben. Das illustrierte Lager 16 hat einen Innenring 18 und einen Außenring 20 und einen Satz von Wälzkörpern 22.
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Zumindest ein Teil einer Oberfläche des Innenrings 18, des Außenrings 20 und/oder der Wälzkörper 22 des Wälzlagers 16, und vorzugsweise zumindest ein Teil der Oberfläche aller Teile mit Wälzkontakt des Wälzlagers 16 können einem oder mehreren Hartbearbeitungsprozessen ausgesetzt werden, während der die Temperatur von zumindest einem Teil(en) der Oberfläche(n) nicht die Austenisierungstemperatur des unbeeinflussten Materials übersteigt, wobei das Material ein Stahl sein kann mit einer Härte, die größer oder gleich 450 HV1 sein kann, wie beispielsweise ein AISI 52100-Stahl, wobei die Härte gemessen wird, indem ein konventioneller Vickerhärteneindruckkörper verwendet wird. Einer oder mehrere Laufflächen der Lagerkomponente 16 können beispielsweise einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgesetzt sein.
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Die Oberfläche(n) der Lagerkomponente 16, die einem Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt wird/werden, weisen eine weiße Schicht 15 auf, die ein nanokristallines Gefüge aufweist mit zufällig orientierten Körnern, die eine maximale Korngröße bis zu 500 nm aufweisen. Beispielsweise haben alle Körner in der weißen Schicht 15 eine maximale Querdimension von 5 bis 500 nm, die gemessen wird, indem beliebige konventionelle Korngrößenmesstechniken verwendet werden. Die weiße Schicht 15 ist direkt auf dem darunterliegenden unbeeinflussten Material 14 der Lagerkomponente 16 angeordnet, wobei keine dunkle Schicht 12 mit einer geringeren Härte als der Härte des unbeeinflussten Materials 14 während des Hartbearbeitungsprozesses ausgebildet wird.
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Die weiße Schicht 15 der Lagerkomponente 16 mit dem AISI 52100-Stahl, die einem derartigen Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt ist, umfasst bcc-(α)Ferrite und orthorhombische-(θ)-Zementitcarbide, wodurch die martensitischen/bainitischen Nadeln des unbeeinflussten Materials 14 entlang der Scherrichtung reorientiert wurden und durch die dynamische Regeneration in längliche Unterkörner zerbrochen werden. Eine thermal induzierte weiße Schicht 10 besteht stattdessen aus fcc-(γ)Austenit, bcc-(α)Martensit und orthorhombischen-(θ)-Zementitcarbiden.
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Falls das unbeeinflusste Material 14 der Lagerkomponente 16 0 Vol.-% Restaustenit aufweist, dann wird auch die weiße Schicht 15, die sich während des Hartbearbeitungsprozesses ausbildet, ebenfalls 0 Vol.-% Restaustenit aufweisen. Falls das unbeeinflusste Material 14 der Lagerkomponente 16 10 Vol.-% Restaustenit aufweist, dann wird die weiße Schicht 15, die sich während des Hartbearbeitungsprozesses ausbildet, weniger als 10 Vol.-% Restaustenit, beispielsweise 5 Vol.-% Restaustenit aufweisen.
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4 ist ein Graph der Temperatur der Oberfläche eines Werkstücks, die gegen die Schneidgeschwindigkeit aufgetragen ist. Der Graph zeigt die Phasentransformationstemperatur 24, das heißt die Austenisierungstemperatur des unbeeinflussten Materials 14 des Werkstücks. Es ist zu sehen, dass die höheren Schneidgeschwindigkeiten in der Temperatur auf der Oberfläche des Werkstücks resultieren, die die Phasentransformationstemperatur 24 überschreitet, worauf eine unerwünschte thermal induzierte weiße Schicht 10 ausgebildet wird. Bei geringeren Schneidgeschwindigkeiten wird die Temperatur niedrig gehalten, wie in 3 gezeigt, wodurch keine Phasentransformationstemperatur 24 des Oberflächenmaterials an der Oberfläche, die das Werkstück ausbildet, auftritt; eine erwünschte mechanisch induzierte weiße Schicht 50 wird sich demnach formen.
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Derartige Informationen, die den Effekt jedes oder einer Kombination der Prozessparameter auf die Temperatur der Oberfläche eines Werkstücks, das einem Hartbearbeitungsprozess ausgesetzt ist, darstellen, können aus experimentellen Daten oder durch Berechnung erhalten werden. Die Prozessparameter können dann derart gesteuert werden, dass sie eine Lagerkomponente 16 mit einer weißen Schicht 15 mit dem erwünschten Gefüge und den erwünschten Eigenschaften produzieren.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Gefüges unter der Oberfläche einer maschinell bearbeiteten Lagerkomponente 16, die einem Hartbearbeitungsprozess gemäß der Erfindung ausgesetzt ist. Die Lagerkomponente 16 weist eine weiße Schicht 15 auf, die auf dem darunterliegenden unbeeinflussten Material 14 angeordnet ist, ohne eine dazwischenliegende erkennbare dunkle Schicht 12, mit einer geringeren Härte als der Härte des unbeeinflussten Materials. Die weiße Schicht 15 weist gleichverteilte Carbide auf. Das unbeeinflusste Material 14, das von dem Hartbearbeitungsprozess unbeeinflusst ist, weist martensitische/bainitische Nadeln auf mit einer Länge von ungefähr 2 bis 3 µm und einer Breite von ungefähr 0,5 µm. Das martensitisch/bainitisch unbeeinflusste Material 14 weist auch gleichverteilte Carbide auf.
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6 zeigt das Härteprofil 26 und die Korngröße 28 einer Lagerkomponente 16 gemäß vorliegender Erfindung über eine Tiefe unterhalb ihrer maschinell bearbeiteten Oberfläche. Es ist zu sehen, dass die Lagerkomponente 16 ein Härteprofil zeigt, bei dem die Härte am größten an der maschinell bearbeitete Oberfläche ihrer mechanisch induzierten weißen Schicht 15 ist. Die Härte der mechanisch induzierten weißen Schicht 15 ist größer als die Härte des unbeeinflussten Materials 14, (beispielsweise zwei- oder dreifach die Härte des unbeeinflussten Materials oder mehr) und die Härte verringert sich sanft mit der Tiefe unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche der Lagerkomponente 16. Die Härte der mechanisch induzierten weißen Schicht 15 ist nämlich niemals geringer als die Härte des unbeeinflussten Materials 14. Die Härte verringert sich sanft mit der Tiefe unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche der Lagerkomponente 16. Die Dicke der Übergangszone, in der die Härte von ihrem Maximalwert an der maschinell bearbeiteten Oberflächenseite der weißen Schicht 15 auf ihr Minimum auf der unbeeinflussten Materialseite der weißen Schicht 15 fällt, kann bis zu 500 µm betragen. Es gibt nämlich keine relativ weiche dunkle Schicht 12 zwischen der mechanisch induzierten weißen Schicht 15 und dem unbeeinflussten Material 14. Die Korngröße innerhalb der mechanisch induzierten weißen Schicht 15 ist viel geringer als die Körnergröße in dem unbeeinflussten Material 14. Es gibt einen abrupten und substantiellen Übergang in der Korngröße zwischen der mechanisch induzierten weißen Schicht 15 und dem unbeeinflussten Material 14.
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Eine derartige mechanisch induzierte weiße Schicht 15 kann sich von 1 bis 15 µm unterhalb der maschinell bearbeiteten Oberfläche der Lagerkomponente 16 erstrecken und kann eine Vickershärte von 450 bis 1.500 (HV1) aufweisen, wobei das unbeeinflusste Material 14 der Lagerkomponente 16 eine Vickershärte von 450 (HV1) oder mehr aufweisen kann, die gemessen wird, indem ein konventioneller Vickershärtetest verwendet wird.
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Weitere Modifikationen der Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche sind für einen Fachmann klar.
