DE19849681C1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen

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    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen, insbesondere Bauteilen aus durchhärtendem Wälzlagerstahl, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: DOLLAR A a) Erwärmen der Bauteile auf Austenitisierungstemperatur, DOLLAR A b) Austenitisieren durch Halten auf dieser Temperatur, DOLLAR A c) rasches Abschrecken bis etwa zum Martensit-Startpunkt (M¶S¶-Temperatur), DOLLAR A d) Halten auf Bainit-Umwandlungstemperatur bis zur Teilumwandlung, DOLLAR A e) rasches Abkühlen nach Teilumwandlung bis auf Raumtemperatur, DOLLAR A f) kurzes Halten auf Raumtemperatur und anschließendes DOLLAR A g) Kurzzeitanlassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen, insbesondere von Bauteilen aus durchhärtendem Wälzlagerstahl.
Je nach Anwendungsfall bzw. bezogen auf Typen und Abmessungen von Wälzlagern legt der Hersteller fest, welche Art von Wärmebehandlung für Wälzlagerbauteile vorgesehen werden soll. Für durchhärtende Wälzlagerstähle stehen dazu
  • - Martensithärten oder
  • - Bainitisieren
als Wärmebehandlungsverfahren zur Verfügung. Mit der Art der Wärmebehandlung verbunden sind entsprechende Bauteileigenschaften, wie z. B.
  • - Härte
  • - Gefüge
  • - Restaustenitgehalt
  • - Maßstabilität.
Als Übersicht und Vergleich dazu dient nachstehende Tabelle:
Bainit und Martensit (stabilisiert) unterscheiden sich hinsichtlich Härte, Restaustenit und Maßstabilität nicht. Bainit weist allerdings bessere Zähigkeitseigenschaften auf als Martensit und auch einen anderen Eigenspannungszustand. Beide Verfahren haben zudem folgende Nachteile:
  • - sie werden z. Z. stets vollständig ausgeführt, d. h. es findet entweder eine komplette Martensit- oder eine komplette Bainitumwandlung statt, wobei Zeit-Temperatur-Kombinationen, Abschrecken bzw. Umwandeln in der Bainitstufe so vorgenommen werden, wie es in ZTU-Schaubildern vorgegeben ist (siehe Fig. 1 nach "Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle")
  • - die Zeit zur Erzielung der gewünschten Bauteileigenschaften ist relativ lang; sie liegt bei durchhärtenden Wälzlagerstählen bei mehr als 4 h, sowohl beim Bainitisieren als auch beim Stabilisieren martensitisch gehärteter Bauteile
  • - aufgrund der Ausschließlichkeit der bisher bekannten Verfahren ist weder eine Kombination von Eigenschaften aus Bainit und Martensit möglich, noch eine Reduzierung der Gesamtprozeßdauer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus Stahl, insbesondere von Bauteilen aus durchhärtendem Wälzlagerstahl zu schaffen, mit dem es möglich ist, beliebige Zwischenzustände des Gefüges zwischen Martensit und Bainit einzustellen und die Produkteigenschaften der Bauteile den Anforderungen entsprechend anzupassen, wobei gleichzeitig eine Reduzierung der Behandlungsdauer erzielt wird.
Diese Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Verfahren gelöst.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich folgende Prozeßparameter verändern und einstellen:
  • - Austenitisierung
  • - Abschreckgeschwindigkeit aus der Austenitisierungstemperatur,
  • - Temperatur des Beginns der Bainitumwandlung,
  • - Haltedauer im Bereich der Bainitstufe
  • - Art und Weise der Abkühlung nach dieser Behandlung (Geschwindigkeit, Endtemperatur)
  • - Haltedauer bis zur Anlaßbehandlung
  • - Kurzzeitanlassen
Der Einstellung dieser Parameter liegen folgende Überlegungen zugrunde:
  • - Austenitisierung
    Der Matrix-Kohlenstoffgehalt läßt sich über entsprechende Zeit-Temperatur-Kombinationen (siehe Zeit-Temperatur-Austenitisierungs- Schaubilder) einstellen. Dieser bedingt auch den Martensit-Startpunkt, die Dauer bis zum Beginn der Bainitumwandlung und die Dauer derselben.
  • - Abschreckgeschwindigkeit
    Die Abschreckgeschwindigkeit soll nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wie beim Standard-Martensithärten und auch Standard-Bainithärten so gewählt werden, daß Troostitbildung (Ausscheidung von feinstlamellarem Perlit im Umwandlungsgefüge) unterdrückt wird. Die Abschreckung kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung wie bisher üblich in Salzbädern oder Ölen als Abschreckmittel durchgeführt werden. Es können aber auch Wasser-Luft-Gemische (Spray) bzw. Gase verwendet werden. Die Abkühlung der Bauteile wird erfindungsgemäß gestoppt, bevor der Martensit-Startpunkt (MS-Temperatur) unterschritten ist. Für durchhärtenden Wälzlagerstahl bedeutet dies (entsprechende Austenitisierung vorausgesetzt): ca. 235°C. Eine kurzzeitige Absenkung der Bauteiltemperatur auf Werte unterhalb der MS-Temperatur kann sich als vorteilhaft erweisen. In einem solchen Fall würde sich in der Randschicht bereits Martensit gebildet haben, bevor für den Rest des Bauteilquerschnitts die weitere Umwandlung erfolgt.
  • - Temperatur des Beginns der Bainitumwandlung
    Sie bestimmt die Art des sich bildenden Bainits (untere/obere Bainitstufe) und damit auch die Eigenschaften dieses Gefügeanteils. Je höher diese Temperatur, desto niedriger ist die resultierende Härte, aber desto höher die Zähigkeit (zumindest in der unteren Bainitstufe). Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung soll sich die Temperatur im Bereich knapp oberhalb der MS-Temperatur bewegen, also ca. 225 bis ca. 270°C, da sonst aufgrund der niedrigen erzielbaren Härte auch eine Reduzierung der Lebens- und Gebrauchsdauer zu erwarten ist.
  • - Haltedauer auf Bainit-Umwandlungstemperatur
    Je länger die Haltedauer auf dieser Temperatur, desto größer der Mengenanteil des Bainitgefüges. Dabei ist die Menge des sich bildenden Bainits nicht proportional der Haltedauer im Umwandlungsbereich. Schon nach ca. 20% der zur kompletten Umwandlung benötigten Zeit sind ca. 50% des Gefüges in Bainit umgewandelt. Eine Variation der Haltedauer führt zu Veränderung der Anteile im Gefüge (Bainit, Martensit und Restaustenit) und damit zu geänderten Produkteigenschaften.
  • - Abkühlen nach Teilumwandlung
    Die Abkühlung soll möglichst rasch ablaufen. Dies geschieht nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zweckmäßig unter Verwendung von Wasser-Luft-Gemischen. Eine Abkühlung an ruhender Luft erscheint nicht empfehlenswert, weil
  • - sonst die gesamte Prozeßdauer verlängert wird
  • - sich wenigstens noch bis zum Erreichen der MS-Temperatur weitere Bainitanteile bilden und
  • - evtl. Spannungen entstehen können, die ggf. zu Rißbildung (Mikrorisse) führen können.
    Die Endtemperatur ist üblicherweise die Raumtemperatur. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann jedoch auch ein Nachkühlen, so wie bei Standard-Martensithärten üblich (5...10°C), zwischengeschaltet werden. Mit diesem Nachkühlen wird die Maßstabilität der Bauteile im Anwendungsfall verbessert.
  • - Halten vor dem Anlassen
    Die Haltedauer bis zum Beginn des Anlassens sollte möglichst kurz sein. Nach einem Merkmal der Erfindung soll sie bei max. 5 min. liegen. Aufgrund bestehender Erfahrungen, u. a. mit Kurzzeit-Härteanlagen, ist eine Begrenzung auf ≦ 3 min. auch technisch möglich.
  • - Kurzzeit-Anlassen
    Das Anlassen des sich beim Abkühlen von der Martensit-Starttemperatur aus gebildeten Martensits und ggfs. des bereits vorher vorhandenen Bainits wird nach dem Kurzzeit-Anlaßverfahren vorgenommen, wie im Patent DE 40 07 487 C2 beschrieben. Dabei kann sowohl die Anlagentemperatur als auch die Gesamt-Durchlaufzeit so gewählt werden, daß die erforderlichen Härtewerte, Restaustenitgehalte, Maßstabilitätsanforderungen etc. eingehalten werden können.
Je nach Wahl der vorstehend genannten Prozeßparameter wird bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gefüge vorliegen, in dem unterschiedliche Anteile von Bainit, Martensit und ggf. Restaustenit nebeneinander vorliegen. Die entsprechenden Anteile können zudem über den Querschnitt der Bauteile unterschiedlich sein.
Aufgrund der als notwendig erachteten strikten Einhaltung der vorgegebenen Verfahrensparameter, (wie z. B. Haltedauern, Temperaturen, Abschreckmitteleigenschaften) ist es unbedingt erforderlich, Anlagen zu verwenden, die hinsichtlich Prozeßsteuerbarkeit, Temperaturgleichmäßigkeit den Erfordernissen genügen.
Dies ist auch die Voraussetzung dafür, daß bestehende Produktanforderungen gezielt einstellbar werden und auch erreicht werden können. Die bisher üblichen Toleranzen, z. B. für Härte, können eingeengt werden. Statt der Forderung nach 58...62 HRC als Härte nach Martensithärten (stabilisiert) bzw. Bainithärten können z. B. 58...60 HRC, 59...61 HRC oder ggf. auch 62...63 HRC vorgegeben werden. Zur gezielten Einstellung der Verfahrensparameter ist die Verwendung geeigneter PC-Programme empfehlenswert, die u. a. aus der chemischen Zusammensetzung der verwendeten Schmelze und den Austenitisierungs-, sowie Abschreck- und Umwandlungsbedingungen die zu erwartenden Produkteigenschaften berechnen. Damit ist eine Art Selbstoptimierung des Prozesses möglich.
Ein Flußdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Bauteile werden zunächst auf Austenitisierungstemperatur (ca. 860-1050°C) erwärmt und dort je nach Wanddicke ca. 0,01 bis ca. 0,5 Stunden gehalten (1). Von dieser Austenitisierungstemperatur werden die Bauteile in kürzester Zeit in einem Salzbad auf eine Temperatur von ca. 225 bis 270°C knapp oberhalb der Ms-Temperatur abgeschreckt (2), wobei die Abschreckgeschwindigkeit so gewählt wird, daß die Troostitbildung unterdrückt wird. Auf dieser Temperatur werden die Bauteile gehalten (3), bis der gewünschte Mengenanteil des Bainitgefüges gegenüber Martensit und Restaustenit erreicht wird. Im dargestellten Beispiel beträgt die Haltedauer etwa 1 Stunde. Im Anschluß daran findet ein rasches Abkühlen (4) der Bauteile, z. B. unter Verwendung eines Wasser-Luft-Gemisches, auf Raumtemperatur statt. Nach einem kurzen Halten (5) von max. 3 Minuten findet ein Kurzzeitanlassen (6) statt. Dieses Kurzzeitanlassen kann nach DE 40 07 487 erfolgen, bei dem die Bauteile innerhalb einer durch die Formel
t/d = 50 bis 210
(t = Anwärmtemperatur in Sekunden, d = Wanddicke des Bauteils in mm) begrenzten Anwärmdauer bei einer Temperatur, die bis zu 100 K über der Anlaßtemperatur von 200 bis 260°C liegt, angelassen werden, wobei die angewendete Temperatur so gewählt wird, daß sich bei der vorgegebenen Anwärmdauer eine Härte in den Bauteilen von 55 bis 65 HRC ergibt und diese danach unmittelbar auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Wie bereits erwähnt kann zwischen der Abkühlung nach der Teilumwandlung und dem Halten vor dem Kurzzeitanlassen ein Nachkühlen zwischengeschaltet werden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist wie Fig. 3 zeigt wesentlich kürzer als das übliche Bainithärten.

Claims (12)

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen aus Stahl oder Gußeisen, insbesondere Bauteilen aus durchhärtendem Wälzlagerstahl, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • a) Erwärmen der Bauteile auf Austenitisierungstemperatur,
  • b) Austenitisieren durch Halten auf dieser Temperatur,
  • c) rasches Abschrecken bis etwa zum Martensit-Startpunkt (MS-Temperatur),
  • d) Halten auf Bainit-Umwandlungstemperatur bis zur Teilumwandlung,
  • e) rasches Abkühlen nach Teilumwandlung bis auf Raumtemperatur,
  • f) kurzes Halten auf Raumtemperatur und anschließendes
  • g) Kurzzeitanlassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckgeschwindigkeit in der Verfahrensstufe c) so gewählt wird, daß Troostitbildung unterdrückt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken gestoppt wird, bevor der Martensit-Startpunkt unterschritten ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken im Salzbad durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken in Öl durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken in Wasser-Luft-Gemischen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken in Gas durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halten nach Verfahrensstufe d) bei Temperaturen knapp oberhalb der Ms-Temperatur erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen nach Verfahrensschritt e) in Wasser-Luft-Gemischen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verfahrensschritten e) und f) ein Nachkühlen eingeschaltet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer für das Halten nach Verfahrensschritt f) auf max. 5 min. begrenzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltedauer auf ≦ 3 min begrenzt wird.
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