WO2006050696A1 - Verfahren zur wärmebehandlung eines bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten stahl und bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten stahl - Google Patents

Verfahren zur wärmebehandlung eines bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten stahl und bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten stahl Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, wobei die Wärmebehandlung ein Durchhärten des Bauteils, eine Randschichtaufhärtung des Bauteils und ein Anlassen des Bauteils sowie ein optionales Tiefkühlen umfasst. Um unter Vermeidung einer zu starken Anreicherung der Randschicht bei der Randschichtaufhärtung des Bauteils eine höhere Eindringtiefe des Diffusionselementes verbunden mit einer tieferen Aufhärtung der Randschicht sowie eine höhere Randschichthärte zu erreichen und infolgedessen eine erhöhte Dauerfestigkeit des Bauteils zu erzielen, werden das Durchhärten des Bauteils sowie die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt (1) durchgeführt, indem das Bauteil auf eine gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur T<SUB>H+D</SUB> oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur A<SUB>C3 </SUB>erhitzt wird, indem das Bauteil bis zur vollständigen Austenitisierung und Lösung des enthaltenen Kohlenstoffs sowie bis zur gewünschten Anreicherung der Randschicht mit dem Diffusionselement auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur T<SUB>H+D</SUB> gehalten wird, und indem das Bauteil anschließend abgeschreckt wird.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl und Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, wobei die Wärmebehandlung ein Durchhärten des Bauteils, eine Randschichtaufhärtung des Bauteils, und ein Anlassen des Bau¬ teils umfasst, wobei das Durchhärten in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Här¬ tungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur AQ3, einem Halten des Bauteils auf der Härtungstemperatur, und einem Abschrecken des Bauteils besteht, wobei die Randschichtaufhärtung unter Einwirkung mindestens eines Diffu¬ sionselementes erfolgt, in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Diffusionstempera¬ tur, einem Halten des Bauteils auf der Diffusionstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils besteht, und als Plasma-lonen-härtung durchgeführt wird, und wobei das Anlassen in einem einmaligen oder mehrmaligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur ACi, einem Halten des Bauteils auf der Anlasstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils sowie einem optionalem Tiefkühlen besteht.
Die Erfindung betrifft des weiteren ein Bauteil aus einem durchhärtenden warm¬ festen Stahl, das eine Wärmebehandlung erfahren hat, die ein Durchhärten des Bauteils, eine Randschichtaufhärtung des Bauteils, und ein Anlassen des Bau¬ teils umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Thermisch und mechanisch hochbelastete Bauteile, wie z.B. die Lagerkompo¬ nenten von Wälzlagern, die zur Lagerung der Hauptwelle eines Strahltriebwerks oder einer Gasturbine verwendet werden, bestehen zumeist aus einem durch¬ härtenden warmfesten Stahl und werden bei der Herstellung mit einer geeigne¬ ten Wärmebehandlung auf den späteren Einsatzzweck eingestellt. Die jeweili¬ gen Werkstücke, nachfolgend Bauteile genannt, sollen bei hoher Festigkeit sowohl eine hohe Zähigkeit als auch eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Um dies zu erreichen umfasst die Wärmebehandlung derartiger Bauteile übli¬ cherweise ein Durchhärten, eine Randschichtaufhärtung und ein nachfolgendes Anlassen der Bauteile, wobei die Reihenfolge des Durchhärtens und der Rand¬ schichtaufhärtung unterschiedlich sein kann.
Bei dem allgemein als Härten bezeichneten Durchhärten eines Bauteils handelt es sich um ein rein thermisches Verfahren. Das Härten bzw. Durchhärten be¬ steht in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur AC3 des Stahls von 911 ° C, einem Halten des Bauteils auf dieser Härtungstemperatur und einem anschließenden Abschre¬ cken des Bauteils. Das Erhitzen des Bauteils wird dabei zeitlich derart gesteu¬ ert, dass sich im gesamten Bauteil ein möglichst gleichmäßiger Temperaturan¬ stieg einstellt und somit eine Verformung des Bauteils vermieden wird.
Die Härtungstemperatur ist eine so genannte Austenitisierungstemperatur, bei der eine weitgehend vollständige Umwandlung des kubisch-raumzentrierten Ferrits in den kubisch-flächenzentrierten Austenit sowie eine Auflösung des im Ausgangsmaterial in Form von Carbiden gebundenen Kohlenstoffs in atomaren Kohlenstoff erfolgt. Bei hochlegierten Stählen liegt die Härtungstemperatur üblicherweise zwischen 1050° und 1230° C, und die Haltedauer auf der Här¬ tungstemperatur kann von 0,5 bis 3 Stunden betragen. Das Abschrecken des Bauteils erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Abkühlgeschwindigkeit der jeweiligen Stahlsorte liegt. Hierdurch nimmt das gesamte Bauteil ein martensitisches Gefüge an, was mit einer deut¬ lichen Zunahme der Härte auf über 60 HRC bis üblicherweise maximal 64 HRC verbunden ist.
An das Härten kann sich gegebenenfalls noch eine Tieftemperaturbehandlung, z.B. in Form einer Abkühlung des Bauteils auf bis zu -190° C, anschließen, wodurch vorhandener Restaustenit in Martensit umgewandelt wird. Durch das Härten entstehen Eigenspannungen in dem Bauteil, im Normalfall Zugspannun¬ gen am Rand und Druckspannungen im Kern des Bauteils. Zugspannungen in der Randschicht eines Bauteils sind allerdings von Nachteil, da diese durch im Betrieb auftretende Zugspannungen verstärkt werden, so dass eine Rissbildung und ein Rissfortschritt unterstützt werden, und somit die Dauerfestigkeit des Bauteils, insbesondere bei schwingender Belastung, reduziert wird.
Bei der Randschichtaufhärtung eines Bauteils handelt es sich dagegen um ein thermochemisches Verfahren. Dabei wird das betreffende Bauteil unter Erhitzen und Halten auf einer Diffusionstemperatur einem festen, flüssigen oder gasför¬ migen Mittel oder Plasma ausgesetzt, das ein Diffusionselement, wie etwa Kohlenstoff, Stickstoff, oder ein Gemisch aus beiden Elementen, enthält, wel¬ ches unter diesen Bedingungen in die Randschicht des Bauteils eindiffundiert und in Verbindung mit der nachfolgenden Abkühlung zu einer Aufhärtung der Randschicht des Bauteils führt.
Bei einer Verwendung von Kohlenstoff (Aufkohlung, Carburierung) und einem Gemisch aus Kohlenstoff und Stickstoff mit überwiegend Kohlenstoff (Carbo- nitrierung) als Diffusionselement liegt die Diffusionstemperatur im Bereich zwi¬ schen 850° und 980° C, bei einer Verwendung von Stickstoff (Nitrierung) und einem Gemisch aus Stickstoff sowie Kohlenstoff mit überwiegend Stickstoff (Nitrocarburierung) als Diffusionselement liegt die Diffusionstemperatur dage¬ gen im Bereich zwischen 500° und 580° C. Bei einer Randschichtaufhärtung in Form einer Plasma-Ionenhärtung wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Gehäuse des Behandlungs¬ ofens und dem Bauteil in Verbindung mit einer Glimmentladung ein Plasma aus positiv geladenen Ionen des Diffusionselementes erzeugt und auf die Oberfläche des Bauteils geschossen. Hierdurch wird zunächst die Oberfläche des Bauteils gereinigt, anschließend die Randschicht des Bauteils zusätzlich aufgeheizt, und das Eindiffundieren des Diffusionselementes in die Randschicht verstärkt. Durch eine Steuerung der elektrischen Spannung der Glimmentladung ist die Anreiche¬ rung der Randschicht mit dem Diffusionselement genau dosierbar. Dies ist insofern von Bedeutung, als eine zu starke Anreicherung der Randschicht zur Bildung von Fremdcarbiden bzw. Fremdnitriden führt, die eine Verringerung der Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit des Bauteils zur Folge haben.
Bei einer Plasma-Ionenhärtung mit Stickstoff (Plasmanitrierung) liegt die Diffu¬ sionstemperatur typischerweise zwischen 350° und 600° C, bei der Verwen¬ dung von Kohlenstoff als Diffusionselement liegt die Diffusionstemperatur da¬ gegen zwischen 700° und 1000° C. Die durch die Einsatzhärtung erzielbare Härte liegt bei bis zu 66 HRC. Im Normalfall liegen nach der Randschichtaufhär¬ tung im Randbereich des Bauteils Druckeigenspannungen und im Kern des Bauteils Zugeigenspannungen vor, woraus sich eine höhere Belastbarkeit bei schwingender Beanspruchung ergibt. Allerdings ist die Tiefe der bislang erziel¬ baren Aufhärtung der Randschicht mit maximal 0,2 mm relativ gering, wobei diese durch eine zumeist durchgeführte mechanische Endbearbeitung, wie z.B. Schleifen, noch weiter reduziert wird. Die Haltedauer auf der Diffusionstempera¬ tur kann zwischen 0,5 und 4 Stunden betragen.
Das Anlassen des Bauteils erfolgt zumeist als abschließender Arbeitsschritt nach dem Durchhärten und der Randschichtaufhärtung und besteht in einem gegebenenfalls mehrmaligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur ACi des Stahls, einem Halten des Bauteils auf dieser Anlasstemperatur, und einem anschließenden Abkühlen des Bauteils. Hierdurch werden Veränderungen des Martensitgefüges hervor¬ gerufen, die zu einer Reduzierung der im Wesentlichen bei der Durchhärtung entstandenen Sprödigkeit und Eigenspannungen, und somit zur Erhöhung der Zähigkeit des Bauteils führen. Bei hochlegiertem Stahl liegt die Anlasstempera¬ tur im Bereich von 500° bis 600° C. Die Haltedauer auf der Anlasstemperatur beträgt etwa 1 bis 2 Stunden. Die durch das Anlassen bewirkte Reduzierung der Härte beträgt je nach Stahlsorte zwischen 1 und 5 HRC.
Weitere Informationen über thermische und thermochemische Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl sind den einschlägigen DIN-Normen und dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch von BOSCH, 24. Auflage, S. 304 ff., Kapitel Wärmebehandlung zu entnehmen.
In der DE 40 33 706 C2, die zur Steigerung des Korrosionswiderstands den Ersatz von Kohlenstoff durch Stickstoff bei der Einsatzhärtung eines Bauteils aus Stahl zum Gegenstand hat, wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung beschrieben, das aus einer Einsatzhärtung der Randschicht mit Stickstoff bei einer Diffusionstemperatur oberhalb der unteren Umwandlungstemperatur ACi, einem nachfolgenden Direkthärten und einem abschließenden Anlassen be¬ steht. Direkthärten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen der Einsatzhärtung und dem Härten keine Abkühlung erfolgt, sondern die Behand¬ lungstemperatur direkt von der Diffusionstemperatur auf die Härtungstempera¬ tur erhöht wird. In einer Verfahrensvariante ist die Durchführung der Einsatzhär¬ tung als Plasma-Ionenhärtung vorgesehen. Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist, dass die durch die Einsatzhärtung bewirkte Aufhärtung der Rand¬ schicht durch das nachfolgende Direkthärten teilweise wieder rückgängig ge¬ macht wird, und dass durch die beschriebene Einsatzhärtung nur eine geringe Eindringtiefe des Diffusionselementes erzielbar ist.
In der WO 98/01597 A1 wird dagegen ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Wälzlagerkomponente aus einem hochlegierten Stahl vorgestellt, bei dem die Einsatzhärtung, die als Plasma-Ionenhärtung mit Stickstoff als Diffusions¬ element (Plasma-Ionennitrierung) durchgeführt wird, erst nach der mechani¬ schen Endbearbeitung des Bauteils, also nach dem Härten und Anlassen er¬ folgt. Die Diffusionstemperatur liegt zwischen 375° und 592° C, bevorzugt bei 460 °C. Die Diffusions-Haltedauer beträgt zwischen 1 und 2 Stunden. Die ma¬ ximal erreichte Tiefe der gehärteten Randschicht liegt bei 0,5 mm. Eine gleich¬ mäßig gehärtete Randschicht ist aber nur bis in eine Tiefe von etwa 0,15 mm zu erreichen, was nachteilig relativ dünn ist.
In dem in der DE 697 19 046 T2 offenbarten Verfahren zur Herstellung einsatz¬ gehärteter Lagerkomponenten erfolgt die Einsatzhärtung in Form einer Plasma- lonencarburierung bei einer Diffusionstemperatur von über 482° C zu Beginn der Wärmebehandlung. Daran anschließend wird das Härten in Form eines Direkthärtens bei einer Härtungstemperatur zwischen 982° und 1200° C durch¬ geführt. Auch bei diesem bekannten Verfahren wird die durch die Einsatzhär¬ tung bewirkte Aufhärtung der Randschicht durch das nachfolgende Direkthärten teilweise wieder rückgängig gemacht, so dass im Ergebnis eine Härte der Randschicht des Bauteils von maximal 60 HRC erzielt wird.
In einem ähnlichen Verfahren zur Herstellung von Wälzlagerkomponenten, das in der DE 197 07 033 A1 beschrieben ist, werden die jeweiligen Bauteile zu Beginn der Wärmebehandlung durch eine Plasma-Ionennitrierung oder Plasma- lonencarbonitrierung bei einer Diffusionstemperatur zwischen 530° und maxi¬ mal 780° C einsatzgehärtet, daraufhin mit einer Härtungstemperatur von 1020° bis 1120° C gehärtet, nachfolgend bei einer Temperatur von -190° C tieftempe- raturbehandelt, und abschließend bei einer Anlasstemperatur von 180° C oder 450° bis 520° C angelassen. Auch dieses Verfahren weist die zuvor schon benannten Nachteile auf, und die maximal erreichbare Härte der Randschicht des Bauteils beträgt 62 HRC.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genann¬ ten Art zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhärtenden warm¬ festen Stahl anzugeben, mit dem unter Vermeidung einer zu starken Anreiche¬ rung der Randschicht bei der Randschichtaufhärtung des Bauteils eine höhere Eindringtiefe des Diffusionselementes verbunden mit einer tieferen Aufhärtung der Randschicht sowie eine höhere Randschichthärte erreicht, und infolgedes¬ sen eine erhöhte Dauerfestigkeit des Bauteils, insbesondere bei schwellender und wechselnder Belastung, erzielt wird.
Des Weiteren soll ein Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl angegeben werden, das eine erhöhte Dauerfestigkeit aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine tiefere und stärke¬ re Aufhärtung der Randzone eines Bauteils höhere und tiefer reichende Druck¬ eigenspannungen erzeugt werden, die zu einer deutlichen Erhöhung der Dauer¬ festigkeit des Bauteils führen.
Demzufolge wird die Aufgabe das Verfahren betreffend erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Durchhärten des Bauteils und die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt durchgeführt werden, indem das Bauteil auf eine gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur Ac3 erhitzt wird, indem das Bauteil bis zur vollständigen Durchhärtung und bis zur gewünschten Anreicherung der Rand¬ zone mit dem Diffusionselement auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusi¬ onstemperatur gehalten wird, und indem das Bauteil anschließend abge¬ schreckt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegens¬ tand der Unteransprüche 2 bis 10.
Aufgrund der Durchführung der Randschichtaufhärtung in Form der Plasma- lonenhärtung bei der relativ hohen Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur ACΘ des Stahls wird gegenüber den bekannten Ver¬ fahren eine größere Eindringtiefe des Diffusionselementes und damit eine tiefe¬ re Aufhärtung der Randschicht des Bauteils erreicht. Da die Einsatzhärtung nunmehr gleichzeitig mit dem Durchhärten des Bauteils erfolgt, wird eine sonst übliche, bei einem nachfolgenden Durchhärten in einem separaten Arbeits¬ schritt auftretende Abschwächung der Randschichtaufhärtung durch Ausdiffun¬ dieren des Diffusionselementes vermieden. Hierdurch wird eine größere Härte der Randschicht von bis zu 68 HRC erzielt. Zusätzlich zu einer erhöhten Ver¬ schleißfestigkeit der Oberfläche des Bauteils führt dies zu einer vergrößerten Dauerfestigkeit des so behandelten Bauteils, die besonders bei schwingender Belastung von Vorteil ist. Als positiver Nebeneffekt des weitgehend zeitgleich durchgeführten Durchhärtens des Bauteils und der Randschichtaufhärtung des Bauteils ergibt sich eine Zeitersparnis der gesamten Wärmebehandlung von mehr als 2 Stunden.
Grundsätzlich wird die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstempe¬ ratur sowie die Haltedauer auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstem¬ peratur von der jeweiligen Stahlsorte sowie dem vorgesehenen Einsatzzweck des betreffenden Bauteils bestimmt. Die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur wird daher zweckmäßig im wesentlichen an die erforderli¬ che Härtungstemperatur der Stahlsorte des Bauteils angepasst, da sich bei zu geringer Temperatur eine unzureichende Durchhärtung und bei zu hoher Tem¬ peratur unerwünschte Gefügestrukturen einstellen würden. In experimentellen Untersuchungen hat sich für die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur ein Wert zwischen 1050° und 1150° C als besonders geeignet erwiesen.
Abhängig von der Stahlsorte und den gewünschten Eigenschaften des Bauteils können für das Durchhärten und die Randschichtaufhärtung jedoch unter¬ schiedliche Haltedauern auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstempe¬ ratur erforderlich sein. Um aber beide Behandlungsverfahren vollständig durch¬ führen zu können, richtet sich die Haltedauer auf der gemeinsamen Härtungs¬ und Diffusionstemperatur zweckmäßig nach der längeren der beiden erforderli¬ chen Haltedauem, der erforderlichen Härtungs-Haltedauer oder der erforderli¬ chen Diffusions-Haltedauer.
In dem Fall, in welchem die erforderliche Härtungs-Haltedauer größer ist als die erforderliche Diffusions-Haltedauer, kann die als Plasma-Ionenhärtung durchge- führte Randschichtaufhärtung vor dem Ende des Durchhärtens des Bauteils durch Abschalten der elektrischen Spannung der Glimmentladung und Absau¬ gen des Plasmagases auf einfache Weise beendet werden.
In dem häufig auftretenden Fall, dass die erforderliche Härtungs-Haltedauer kleiner ist als die erforderliche Diffusions-Haltedauer, wird die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur zur Vermeidung einer Vergröberung des Kerngefüges des Bauteils vorteilhaft abgesenkt. Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die für die Durchhärtung erforderliche Auflösung des in dem Stahl in Form von Carbiden enthaltenen Kohlenstoffs relativ stark mit steigender Temperatur und relativ schwach mit steigender Haltedauer auf der Härtungstemperatur gefördert wird, und dass ein Halten auf der Härtungstem¬ peratur nach der vollständigen Auflösung der Carbide aber zu einer Vergröbe¬ rung des Gefüges im Kernbereich des Bauteils führt, welches mit einer uner¬ wünschten Versprödung verbunden ist. Zur Vermeidung dieser negativen Aus¬ wirkungen hat sich eine Absenkung der gemeinsamen Härtungs- und Diffusi¬ onstemperatur gegenüber der sonst üblichen Härtungstemperatur um etwa 20° bis 40° C als zweckmäßig erwiesen.
Für die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils kommt als Diffusi¬ onselement vorwiegend Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und eine Mischung aus beiden Elementen in Frage. Demzufolge wird das Bauteil während der Plasma- Ionenhärtung mit einem Kohlenstoff und/oder Stickstoff abgebenden ionisierten Gas beaufschlagt.
Durch die dadurch bewirkte Anreicherung der Randschicht reagiert der Stahl in der Randschicht anders auf die nachfolgende Anlassbehandlung als der Kern¬ bereich des Bauteils. Grundsätzlich erreicht die Härte mit steigender Anlass¬ temperatur bei 520° bis 560° C ein Maximum, um dann bei weiter zunehmender Anlasstemperatur wieder abzusinken. Die exakte Lage dieses Maximums ist dabei abhängig von den gelösten Anteilen an Kohlenstoff und/oder Stickstoff, wobei die erforderliche Anlasstemperatur mit zunehmendem Lösungsanteil des Diffusionselementes ansteigt. Zur Erzielung einer möglichst großen Härte in der Randschicht wird die Anlass¬ temperatur daher derart an die in dem Stahl gelösten Anteile des Diffusions¬ elementes angepasst, dass sich nach dem Abkühlen die größte Härte in der Randschicht des Bauteils einstellt. Hierzu hat es sich als günstig erwiesen, die Anlasstemperatur auf einen Wert im Bereich von 500° bis 600° C einzustellen. Die hierdurch erzielbare Randschichthärte liegt im Bereich von 60 bis 66 HRC, wogegen sich in der Kernzone des Bauteils eine Härte von 58 bis 63 HRC ein¬ stellt.
Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können als Ausgangsma¬ terial handelsübliche warmfeste Wälzlagerstähle, wie z.B. der Schnellarbeits- stahl M50 nach der AISI-Norm und der Schnellarbeitsstahl S 18-0-1 nach DIN 17350, verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt bei der Herstellung von La¬ gerkomponenten wie Innenlaufringen, Außenlaufringen und Wälzkörpern von Wälzlagern verwendet, die zur Lagerung einer mechanisch und thermisch hoch belasteten Welle einer Wärmekraftmaschine, wie z.B. der Rotorwelle eines Strahltriebwerkes, einer Propellerturbine, einer Gasturbine oder eines Abgas- Turboladers eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Zeich¬ nungen näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens;
Figur 2 ein Eigenspannungs-Tiefe-Diagramm;
Figur 3 ein durch Messungen ermitteltes Härte-Tiefe-Diagramm. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In Fig. 1 ist der zeitliche Ablauf einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung qualitativ dargestellt. In einem ersten Arbeitsschritt 1 erfolgt gemeinsam das Durchhärten und die Randschichtaufhärtung des betreffenden Bauteils. Hierzu wird das Bauteil zunächst gleichmäßig auf die gemeinsame Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D im Bereich zwischen 1030° und 1150° C oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur Ac3 erhitzt, dann unter Einwirkung eines Kohlenstoff- und/oder Stickstoffionen abgebenden Plasmas über die Haltedauer Δth+D auf dieser Temperatur gehalten, und nachfolgend abgeschreckt. Dabei ist die Haltedauer Δtm-D für das gemeinsame Durchhärten und die Randschichtauf¬ härtung des Bauteils länger als die Haltedauer ΔtH, die für ein separates Durch¬ härten 1' des Bauteils erforderlich wäre, dessen Temperaturverlauf gestrichelt angedeutet ist.
Zur Vermeidung einer durch die längere Haltedauer Δtm-D bewirkten Vergröbe¬ rung des Kemgefüges des Bauteils wird die gemeinsame Härtungs- und Diffu¬ sionstemperatur TH+D gegenüber der Härtungstemperatur TH bei separatem Durchhärten 1 ' um etwa 20° bis 40° C abgesenkt. Nach dem gemeinsamen Durchhärten und der Randschichtaufhärtung wird eine Tieftemperaturbehand¬ lung 2 des Bauteils bis auf etwa -190° C durchgeführt. Daran schließt sich das Anlassen 3 des Bauteils mit einer Anlasstemperatur TA in Höhe von 500° bis 600° C unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur Aa an.
Dadurch, dass das Durchhärten und die Randschichtaufhärtung des Bauteils in Form der Plasma-Ionenhärtung in einem gemeinsamen Arbeitsschritt bei der relativ hohen gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur Acβ durchgeführt wird, ergibt sich eine stärkere Aufhärtung, und wegen der größeren Eindringtiefe des Diffusionsele¬ mentes eine tiefere Aufhärtung der Randschicht des Bauteils. Hierdurch werden hohe Druckeigenspannungen in der Randzone erzeugt, welche die Dauerfes¬ tigkeit des Bauteils vorteilhaft stark erhöhen. In dem Diagramm von Fig. 2 sind die Eigenspannungen in der Randschicht eines Bauteils, das aus einem AISI M50 Schnellarbeitsstahl besteht, für zwei verschiedene Wärmebehandlungen einander gegenüber gestellt. Die Eigen- spannungswerte sind jeweils experimentell mittels einer Röntgendiffraktometrie (XRD) ermittelt worden.
Der Eigenspannungsverlauf der oberen Kurve 4 gilt für eine allgemein übliche Wärmebehandlung, die aus einem Durchhärten bei 1100° C über 1 Stunde, dreimaligem Anlassen bei 540° C über jeweils 2 Stunden, und einmaligem Anlassen bei 560° C über zwei Stunden besteht. Dies ergibt in der Randschicht des Bauteils eine nahezu konstante Zugeigenspannung von 50 MPa, welches relativ ungünstig für die Dauerfestigkeit des Bauteils ist.
Der Eigenspannungsverlauf der unteren Kurve 5 gilt dagegen für eine erfin¬ dungsgemäße Wärmebehandlung, die aus einem gleichzeitigen Durchhärten und einer Randschichtaufhärtung in Form einer Plasma-Carbonitrierung bei 1100° C über 3 Stunden, dreimaligem Anlassen bei 540° C über jeweils 2 Stun¬ den, und einmaligem Anlassen bei 560° C über 2 Stunden besteht. Dies ergibt in der Randschicht des Bauteils eine Druckeigenspannung in der Größenord¬ nung von -100 MPa mit Spitzenwerten von etwa -130 MPa in einer Tiefe von 0,2 bis 0,3 mm, welches zu einer deutlichen Erhöhung der Dauerfestigkeit des Bauteils führt.
Der entsprechende Verlauf der Härte über der Tiefe bzw. dem Oberflächenab¬ stand des Bauteils ist für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung für drei gleiche Behandlungsversuche in dem Diagramm gemäß Fig. 3 abgebildet. Die Härte weist in einer Tiefe von etwa 0,2 mm einen Maximalwert von 62 HRC auf und fällt zum Kern hin stetig auf einen Wert von etwa 59 HRC ab. Durch diesen Härteverlauf ist eine hohe Zähigkeit und Dauerfestigkeit des Bauteils bei gleich¬ zeitig hoher Verschleißfestigkeit der Oberfläche gewährleistet. Bezugszeichenliste
1 gemeinsames Durchhärten und Randschichtaufhärtung 1 ' separates Durchhärten
2 Tieftemperaturbehandlung
3 Anlassen
4 Eigenspannungsverlauf (bei konventioneller Wärmebehandlung)
5 Eigenspannungsverlauf (bei erfindungsgemäßer Wärmebehandlung) Ad untere Umwandlungstemperatur
AC3 obere Umwandlungstemperatur t Zeit
TA Anlasstemperatur
TH Härtungstemperatur
TH+D Härtungs- und Diffusionstemperatur
Δto Diffusions-Haltedauer, Haltedauer bei separater Randschichtaufhärtung
ΔtH Härtungs-Haltedauer, Haltedauer bei separatem Durchhärten
ΔtH+D Haltedauer bei gemeinsamem Durchhärten und Randschichtaufhärtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus einem durchhalten¬ den warmfesten Stahl, wobei die Wärmebehandlung ein Durchhärten, eine Randschichtaufhärtung und ein Anlassen des Bauteils umfasst, wobei das Durchhärten in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Härtungstemperatur oberhalb der oberen Umwandlungstemperatur AC3, einem Halten des Bau¬ teils auf der Härtungstemperatur und einem Abschrecken des Bauteils be¬ steht, bei dem die Randschichtaufhärtung unter Einwirkung eines Diffusi¬ onselementes erfolgt, in einem Erhitzen des Bauteils auf eine Diffusions¬ temperatur, einem Halten des Bauteils auf der Diffusionstemperatur und ei¬ nem Abkühlen des Bauteils besteht, und als Plasma-Ionenhärtung durch¬ geführt wird, und bei dem das Anlassen in einem einmaligen oder mehrma¬ ligen Erhitzen des Bauteils auf eine Anlasstemperatur unterhalb der unte¬ ren Umwandlungstemperatur ACi, einem Halten des Bauteils auf der An¬ lasstemperatur, und einem Abkühlen des Bauteils besteht, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Durchhärten des Bauteils und die Plasma- Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils in einem gemeinsamen Ar¬ beitsschritt (1 ) durchgeführt werden, indem das Bauteil auf eine gemeinsa¬ me Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D oberhalb der oberen Um¬ wandlungstemperatur AC3 erhitzt wird, indem das Bauteil bis zur vollständi¬ gen Austenitisierung und Lösung des enthaltenen Kohlenstoffs sowie bis zur gewünschten Anreicherung der Randschicht mit dem Diffusionselement auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D gehalten wird, und dass das Bauteil anschließend abgeschreckt wird und dadurch Druckeigenspannungen in der äußeren Randschicht ausgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D im Wesentlichen an die erforderliche Härtungstemperatur TH der Stahlsorte des Bauteils an- gepasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemein¬ same Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D in einem Temperaturbe¬ reich zwischen 1070° und 1150° C eingestellt wird.
4. Verfahren nach Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltedauer ΔtH+o auf der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D an die längere der beiden erforderlichen Haltedauern, der erforderli¬ chen Härtungs-Haltedauer Δtπ oder der erforderlichen Diffusions- Haltedauer ΔtD, angepasst wird.
5 Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer längeren erforderlichen Diffusions-Haltedauer Δto die gemeinsame Här¬ tungs- und Diffusionstemperatur TH+D zur Vermeidung einer Vergröberung des Kemgefüges des Bauteils abgesenkt wird.
6 Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absen¬ kung der gemeinsamen Härtungs- und Diffusionstemperatur TH+D um etwa 20° bis 40° C erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Plasma-Ionenhärtung der Randschicht des Bauteils Kohlen¬ stoff (C) und/oder Stickstoff (N) als Diffusionselement verwendet wird, und dass das Bauteil hierzu während der Plasma-Ionenhärtung mit einem Koh¬ lenstoff (C) und/oder Stickstoff (N) abgebenden ionisierbaren Gas beauf¬ schlagt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nachfolgenden Anlassen (3) des Bauteils die Anlasstemperatur TA derart an die in dem Stahl gelösten Anteile des Diffusionselementes angepasst wird, dass sich nach dem Abkühlen die größte Härte in der Randschicht des Bauteils einstellt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlass¬ temperatur TA auf einen Wert im Bereich von 500° bis 600° C eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial des Bauteils ein warmfester Stahl verwendet wird.
11. Bauteil aus einem durchhärtenden warmfesten Stahl, das eine Wärmebe¬ handlung erfahren hat, die ein Durchhärten des Bauteils, eine Rand¬ schichtaufhärtung des Bauteils, und ein Anlassen des Bauteils umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erfolgt ist.
12. Bauteil nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Lagerkomponente eines Wälzlagers bildet.
13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager zur Lagerung einer mechanisch und thermisch hoch belasteten Welle einer Wärmekraftmaschine ausgebildet ist.
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