DE4007487A1

DE4007487A1 - Verfahren zur herstellung von maschinenelementen aus stahl

Info

Publication number: DE4007487A1
Application number: DE4007487A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Hengerer; Johann Volkmuth
Original assignee: SKF GmbH
Current assignee: SKF GmbH
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-09-12
Also published as: GB2241959B; ITTO910033A0; GB9027386D0; DE4007487C2; ITTO910033A1; FR2659353A1; IT1244628B; JPH04221014A; GB2241959A; FR2659353B1; US5672217A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenelementen aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem bekannten Verfahren der genannten Art wird der Rohling austenitisiert, abgeschreckt und mit einer Haltezeit von mindestens zwei Stunden bei einer Temperatur von etwa 230°C angelassen, damit der Rohling nach dem Abkühlen ein stabilisiertes Gefüge mit einer Härte von über 60 HRC erhält (US-PS 31 31 097). Wegen der langen Haltezeit beim Anlassen ist dieses bekannte Verfahren aufwendig. Insbesondere kann das bekannte Verfahren in einer Fertigungslinie nicht verkettet werden, weil die Haltezeit die laufende Zuführung der Rohlinge zu den Maschinen der Fertigbearbeitung nicht zuläßt.

Der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenelementen aus Stahl der genannten Art zu schaffen, bei dem die Anlaßwärmebehandlung der Rohlinge kontinuierlich und in einer verhältnismäßig kurzen Durchlaufzeit durchgeführt werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der martensitisch gehärtete Rohling innerhalb einer bestimmten Anwärmzeit auf eine Anlaßtemperatur gebrannt, die etwa bis 100 K über der normalen Anlaßtemperatur der betreffenden Stahlsorte liegt. Dabei beträgt die mittlere Anwärmgeschwindigkeit mindestens 0,2 und höchstens 2,5 K/s. Sofort nach dem Erreichen dieser Anlaßtemperatur werden die Rohlinge abgekühlt. Damit entfällt also die normalerweise zum Anlassen oder Vergüten des Härtegefüges vorgeschriebene Anlaßhaltezeit. Es ergibt sich eine Anlaßwärmebehandlung, die in einer verhältnismäßig kurzen Zeit durchgeführt werden kann. Das Anwärmen des Rohlings kann dabei in einem Rollenherdofen im Durchlaufverfahren erfolgen, so daß die einzelnen Rohlinge der Reihe nach den Anwärmofen durchlaufen, anschließend abgekühlt werden und dann den Bearbeitungsmaschinen einer Fertigungslinie zugeführt werden können.

Nach dem Abkühlen besitzt jeder Rohling ein Härtegefüge, dessen Härte umso kleiner ist, je länger die Anwärmdauer oder Durchlaufdauer im Ofen eingestellt wird und je höher die Anlaßtemperatur der Rohlinge dementsprechend wächst. Im übrigen ist das ordentliche Anlassen von der den Wärmestrom aufnehmenden Wandung des Rohlings abhängig: je größer die Wanddicke desto länger ist die erforderliche Anwärmdauer.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet.

Mit der Maßnahme nach Anspruch 2 läßt sich das erfindunsgemäße Verfahren besonders wirtschaftlich zum Herstellen von Wälzlagerelementen aus einem übereutektoidischen Stahl anwenden.

Mit der Maßnahme nach Anspruch 3 wird erreicht, daß sich der Rohling auch beim Abkühlen relativ lange in einem Bereich hoher Temperaturen, die über 200°C liegen, befindet und somit in diesem Bereich zusätzlich angelassen wird. Nach dem Abkühlen hat jeder Rohling ein bestimmtes, dem vorliegenden Anwendungsfall des Maschinenelementes angepaßtes Härtegefüge, das z. B. einen besonders kleinen Gehalt an Restaustenit haben kann.

Die Maßnahme nach Anspruch 4 hat zur Folge, daß der Rohling immer eine relativ kleine Wärmemenge je Zeiteinheit beim Anwärmen auf Anlaßtemperatur aufnimmt. Dadurch werden schädliche Eigenspannungen im Rohling vermieden, die durch unterschiedliche Wärmedehnung und Gefügeumwandlung im Innern des Rohlings entstehen und zu Mikroanrissen im Härtegefüge führen können.

Die Maßnahme nach Anspruch 5 bewirkt, daß auch beim Abkühlen des Rohlings sich schädliche Eigenspannungen im Rohling nicht bilden können.

Die Maßnahme nach Anspruch 6 zeigt, daß das Anwärmen des Rohlings durch eine im wesentlichen konvektive Wärmeübertragung eines mit Gas beheizten Ofens erfolgen kann. Der Rohling kann dabei den Ofen mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen. Als Gassorte kommen Luft, Schutzgas, Reaktionsgas und in manchen Fällen auch Brenngas in Betracht.

Die zusätzliche Maßnahme nach Anspruch 7 bewirkt, daß die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung des Rohlings, z. B. vor dem Erreichen der gewünschten Anlaßtemperatur, mit einem Gebläse vergrößert werden kann, welches das beheizte Gas im Ofen bewegt. Dazu können berührungslose Infrarotsonden im Ofen eingebaut sein, welche die Temperatur des bzw. der Rohlinge laufend messen und entsprechende elektrische Schalt- oder Steuerimpulse an den antreibenden Motor des Gebläses liefern.

Gemäß der Maßnahme nach Anspruch 8 erfolgt das Anwärmen des Rohlings zumindest zum Teil elektroinduktiv. Die zugeführte Energie der induktiven Aufheizung kann der gewünschten Geschwindigkeit der Temperaturänderung angepaßt sein.

Mit der zusätzlichen Maßnahme nach Anspruch 9 können elektrische Induktionsimpulse angewendet werden, welche die Anwärmwirksamkeit des oder der Induktoren regeln. Dabei kann die Geschwindigkeit des Anwärmens mit Temperatursonden, welche entsprechende Istwert-Informationen liefern, elektronisch erfaßt und korrigiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Maschinenelementen aus Stahl wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaubild, das den Verlauf der Temperatur des Rohlings und des absoluten Wertes der Temperaturänderung während des Anwärmens und während des Anschließenden Abkühlens des Rohlings angibt, und

Fig. 2 ein Schaubild, das die Abhängigkeit der Anlaßtemperatur von der relativen Anwärmdauer in einem gasbeheizten Ofen und von der Größe der entsprechenden Härte des Rohlings nach dem Abkühlen angibt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden martensitisch gehärtete Maschinenelemente, z. B. Lagerringe, ausgehend von Rohlingen aus einem Stahl, der einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,3 bis 1,1% aufweist, hergestellt.

Bei Verwendung durchhärtender Stähle, z. B. Wälzlagerstahl 100 Cr6, ist dieser Kohlenstoffgehalt gleichmäßig über den gesamten Querschnitt jedes Rohlings vorhanden. Bei Verwendung von Einsatzstählen wird der Rohling in an sich bekannter Weise vor dem Austenitisieren aufgekohlt, damit dieser in seiner Randschicht den zur Härtung erforderlichen Kohlenstoffgehalt bekommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

- Erwärmen jedes Rohlings auf Austenitisierungstemperatur und Austenitisieren des Rohlings bei dieser Temperatur;
- Abschrecken des Rohlings von Austenitisierungstemperatur auf etwa Raumtemperatur, so daß in dem Rohling ein martensitisches Gefüge mit einer Härte entsteht, die mindestens so groß wie die gewünschte Härte des Rohlings nach dem Abkühlen ist. Das Abschrecken kann in Öl, Salz, Polymerlösung oder Wasser erfolgen;
- stetiges Anwärmen des Rohlings von Raumtemperatur auf eine Anlaßtemperatur von 250 bis 700°C in einem Ofen mit einer relativen Anwärmdauer (t/d) = 50 bis 210, wobei t = Anwärmdauer, s und d = Wanddicke des Rohlings, mm;
- kontinuierliches Abkühlen des Rohlings unmittelbar nach dem Erreichen dieser Anlaßtemperatur bis auf Raumtemperatur, so daß der Rohling in seinem Härtegefüge die gewünschte Härte im Bereich von 45 bis 65 HRC erreicht. Das Abkühlen des Rohlings erfolgt am besten nach dem Austritt des Rohlings aus dem Ofen an der ruhenden Luft der Umgebung, z. B. auf dem Transportweg des Rohlings von einem Durchlaufofen zur anschließenden Bearbeitungsstation. Dabei ist die Geschwindigkeit der Temperaturänderung so einzustellen, daß diese den Wert 6 K/s nicht überschreitet.
- Fertigbearbeiten, z. B. Fertigschleifen, der Rohlinge zu Maschinenelementen.

Beim Anwärmen des Rohlings wird am besten eine größte Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von 3 K/s nicht überschritten.

Das Anwärmen des Rohlings auf Anlaßtemperatur kann in einem Gas des Ofens erfolgen, dessen Temperatur bis 150 K über der Anlaßtemperatur liegt. Dabei kann das Gas zum Steuern der Geschwindigkeit der Anwärmung des Rohlings beim Durchgang durch den Ofen zumindest kurzzeitig entlang dem Rohling bewegt werden, so daß infolge erzwungener Konvektion eine größere Wärmemenge je Zeiteinheit vom Gas an den Rohling abgegeben wird.

Das Anwärmen des Rohlings kann auch zumindest zum Teil mit Hilfe eines an sich bekannten Induktionsverfahrens mit elektrischen Induktoren vorgenommen werden. Mindestens einer der Induktoren kann dann im Impulsverfahren arbeiten. Zum Steuern der Geschwindigkeit der Anwärmung auf Anlaßtemperatur können dabei die Zeitabstände, der Verlauf und/oder die Dauer der elektrischen Impulse des Induktors elektronisch verändert werden.

In Fig. 1 ist im Schaubild der Verlauf der Temperatur T mehrerer ringförmiger Rohlinge beim Durchlauf durch einen Rollenherdofen mit im wesentlichen konvektivem Anwärmen der Rohlinge auf eine Anlaßtemperatur T_o von etwa 300°C und der Verlauf der Temperatur T beim anschließenden Abkühlen an ruhender Luft der Umgebung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die Temperatur der ruhenden Luft im Ofen war 400°C. Die Wanddicke der Rohlinge aus übereutektoidischem Wälzlagerstahl 100 Cr 6 mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 1% betrug 4 mm. Vor dem Anwärmen hatten die martensitisch gehärteten Rohlinge eine Härte von 64 HRC und nach dem Abkühlen eine Härte von 60 HRC. Der Gehalt an Restaustenit im Härtegefüge war nach dem Abkühlen kleiner als 3%.

Aus dem Schaubild in Fig. 1 ist überdies zu ersehen, daß die größte Geschwindigkeit der Temperaturänderung v (Vergrößerung der Temperatur) am Anfang des Anwärmens am größten ist. Sie beträgt etwa 0,7 K/s. Am Ende des Anwärmens, also beim Erreichen der Anlaßtemperatur, geht diese Geschwindigkeit bis auf 0 zurück. Beim Abkühlen der Rohlinge an der ruhenden Luft der Umgebung wächst die Geschwindigkeit der Temperaturänderung (Verkleinerung der Temperatur) bis auf einen Größtwert von 1,6 K/s, um dann anschließend stetig abzunehmen.

In Fig. 2 ist ein Schaubild angegeben, das die Abhängigkeit der Härte H verschiedener Rohlinge nach dem Abkühlen in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur T_o (250 bis 360°C) und der relativen Anwärmdauer t/d der Rohlinge zeigt. Demnach ist eine Härte H im Bereich von 55 bis 65 HRC in einem Bereich von (t/d) = 50 bis 210 s/mm für Rohlinge erzielbar, die Wanddicken d im Bereich von etwa 2 bis 10 mm aufweisen.

Ähnliche Ergebnisse wurden mit Rohlingen erhalten, die aus einem untereutektoidischen Vergütungsstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8% hergestellt waren. Die Rohlinge wurden nach dem Abschrecken von Raumtemperatur auf eine Anlaßtemperatur bis höchstens 700°C stetig angewärmt und unmittelbar nach dem Erreichen dieser Temperatur an Luft der Umgebung auf Raumtemperatur angekühlt, so daß diese eine Härte von 45 bis 62 HRC erreichten. Das Anwärmen der Rohlinge erfolgte dabei wiederum mit einer relativen Anwärmdauer t/d = 50 bis 210 s/mm. Die Wanddicke d der Rohlinge betrug 3 bis 8 mm.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Maschinenelementen aus Stahl ausgehend von Rohlingen, die zumindest in ihrer Randschicht einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 1,1% aufweisen, bei dem die Rohlinge auf Austentisierungstemperatur erwärmt und austenitisiert, zur Martensitbildung abgeschreckt, von Raumtemperatur auf Anlaßtemperatur erwärmt, zum Erreichen einer Härte von 45 bis 65 HRC auf Raumtemperatur abgekühlt und zu Maschinenelementen fertigbearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rohling mit einer relativen Anwärmdauer
t/d = 50 bis 210
von Raumtemperatur auf eine Anlaßtemperatur von 250 bis 700°C stetig angewärmt und unmittelbar nach dem Erreichen dieser Temperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird, wobei
t = Anwärmdauer, s
d = Wanddicke des Rohlings, mm

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Maschinenelementen aus einem übereutektoidischen Stahl ausgehend von Rohlingen, die zumindest in ihrer Randschicht einen Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1,1% aufweisen, bei dem die Rohlinge auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und austenitisiert, zur Martensitbildung angeschreckt, auf Anlaßtemperatur angewärmt, zum Erreichen einer Härte von 55 bis 65 HRC auf Raumtemperatur abgekühlt und zu Maschinenelementen fertigbearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rohling mit einer relativen Anwärmdauer
t/d = 50 bis 210
von Raumtemperatur auf eine Anlaßtemperatur von 250 bis 500°C stetig angewärmt und unmittelbar nach dem Erreichen dieser Anlaßtemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird, wobei
t = Anwärmdauer, s
d = Wanddicke des Rohlings, mm

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling an ruhender Luft mit Raumtemperatur kontinuierlich abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Temperaturänderung beim Anwärmen des Rohlings 3 K/s nicht überschreitet.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Temperaturänderung beim Abkühlen des Rohlings 6 K/s nicht überschreitet.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anwärmen des Rohlings auf Anlaßtemperatur in Gas, dessen Temperatur bis 150 K über der Anlaßtemperatur liegt, vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zum Steuern der Geschwindigkeit der Anwärmung des Rohlings auf Anlaßtemperatur zumindest kurzzeitig entlang dem Rohling bewegt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anwärmen des Rohlings auf Anlaßtemperatur zumindest zum Teil im Induktionsverfahren mit elektrischen Induktoren vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Induktoren zum Steuern der Geschwindigkeit der Anwärmung des Rohlings auf Anlaßtemperatur im Impulsverfahren arbeitet, wobei die Zeitabstände, der Verlauf und/oder die Dauer der elektrischen Impulse verändert werden.