WO2018036590A1

WO2018036590A1 - Verfahren zum verarbeiten eines einsatzstahls unter ausbildung eines bauteils

Info

Publication number: WO2018036590A1
Application number: PCT/DE2017/100703
Authority: WO
Inventors: Oskar Beer; Carsten Merklein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-03-01
Also published as: DE102016215812A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verarbeiten eines legierten Einsatzstahls unter Ausbildung eines Bauteils, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Pulvers aus einem metallischen Werkstoff; und b) Formen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus dem bereitgestellten Pulver; wobei der metallische Werkstoff den Einsatzstahl umfasst, und wobei das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt aufweist: c) Durchführen eines Niederdruckaufkohlens mit anschließendem Härten des geformten Bauteils.

Description

Verfahren zum Verarbeiten eines Einsatzstahls unter Ausbildung eines Bauteils

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten eines Einsatzstahls unter Ausbildung eines Bauteils. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Einsatzstahl, insbesondere aus einem M50NiL-Stahl, mittels additiver Fertigung.

Werkzeuge oder Bauteile mit komplizierter Geometrie und harter Oberfläche werden derzeit durch Zerspanen von Werkzeugstählen, Einsatz- oder Vergütungsstählen, und gegebenenfalls anschließender Veredlung durchgeführt. Die Zerspanung derartiger Werkzeuge ist meist sehr zeitintensiv und kostenaufwändig und ferner gerade bei Einsatzstählen oftmals nicht problemlos durchführbar. Es ist ferner bekannt, Bauteile mittels sogenannter additiver beziehungsweise generativer Verfahren zu erzeugen. So beschreibt das Dokument DE 10 2014 214 957 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerrings, bei dem Kühlkanäle in unmittelbarer Nähe der Kontaktzone beziehungsweise der Lauffläche eingebracht werden. Um eine derartige Struktur zu erzeugen, wird gemäß diesem Dokument der Lagerring durch ein generatives Fertigungsverfahren erzeugt. Über die spezifische Art der Härtung des Lagerrings oder etwaige nach dem Härten durchgeführte Nachbehandlungsprozesse macht dieses Dokument jedoch keine Aussage.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen können noch weiteres Verbes- serungspotential bieten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche auf einfa- che Weise auch hochbeanspruchbare Bauteile aus Einsatzstählen gefertigt werden können. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen o- der in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.

Es wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Verarbeiten eines Einsatzstahls unter Aus- bildung eines Bauteils, aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines Pulvers aus einem metallischen Werkstoff; und

b) Formen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus dem bereitgestellten Pulver;

wobei

der metallische Werkstoff den Einsatzstahl umfasst, und wobei

das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt aufweist:

c) Durchführen eines Niederdruckaufkohlens mit anschließendem Härten des geformten Bauteils. Der Einsatzstahl ist zumindest mit Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) legiert.

Durch das vorbeschriebene Verfahren kann auf einfache Weise ein hochbeanspruchtes Bauteil aus einem Einsatzstahl auch mit komplizierter Geometrie erzeugt werden. Unter einem Einsatzstahl kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein solcher Stahl verstanden werden, der einen Kohlenstoffgehalt von > 0, 10 Gew.-% bis < 0,20 Gew.-% aufweist. Insbesondere kann ein Einsatzstahl definiert sein nach DIN EN 10084. Besonders vorteilhaft kann der Einsatzstahl ein M50Nil_-Stahl sein.

Das vorbeschriebene Verfahren beschreibt somit die Verarbeitung eines Einsatzstahls um aus diesem ein Bauteil zu erzeugen. Hierzu wird gemäß Verfahrensschritt a) ein Pulver aus dem metallischen Werkstoff bereitgestellt, aus welchem gemäß Verfahrensschritt b) ein Bauteil mittels eines additiven Fertigungsverfahrens geformt wird. Das bereitgestellte Pulver aus dem metallischen Werkstoff kann eine Partikelgröße aufweisen, die an das zu formende Bauteil sowie das verwendete additive Fertigungsverfahren angepasst ist. Grundsätzlich kann durch eine feinere Partikelgröße eine höhere Auflösung der zu erzeugenden Bauteile ermöglich werden.

Bezüglich des additiven beziehungsweise generativen Fertigungsverfahrens kann darunter insbesondere verstanden werden ein Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern beziehungsweise Aufbauen von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Beispiele für derartige Prozesse umfassen etwa den 3D-Druck, unter welchem oftmals auch Lasersintern beziehungsweise Laserschmelzen verstanden werden. Ein additives Fertigungsverfahren unterscheidet sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden. Anstatt, wie bei abtragenden Verfahren bekannt, zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block herauszufräsen, werden die Bauteile bei additiven Fertigungsverfahren Schicht für Schicht aus Werkstoffen aufgebaut, die als Ausgangsmaterial als insbesondere feines Pulver vorliegen. Anwendung finden derartige Verfahren etwa beim sogenannten Rapid Prototyping oder auch in der Massenproduktion.

Somit kann das additive Fertigungsverfahren in an sich bekannter Weise basieren auf insbesondere digitalen Formdaten, welche die herzustellende Form definieren und basierend auf welchen beispielsweise einen Laser oder eine Elektronenstrahlquelle zum schichtweisen Aufschmelzen des pulverförmigen Rohmaterials gesteuert werden kann, um so das Bauteil schichtweise aufzubauen.

Meist kommt zur Bearbeitung, wie etwa zum Aufschmelzen des Rohmaterials, ein La- ser, wie etwa ein C02-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser, oder auch eine Elektronenstrahlquelle zum Einsatz, wobei eine Auswahl insbesondere auf dem verwendeten Pulver als Rohmaterial zu treffen ist, wie etwa insbesondere dem Schmelzpunkt des Pulvers. Durch das Verwenden eines additiven beziehungsweise generativen Fertigungsverfahrens können Bauteile einer beliebigen Form beziehungsweise Geometrie erzeugbar sein. Als metallischer Werkstoff wird dabei ein Einsatzstahl verwendet. Da ein Einsatzstahl oftmals bedingt durch einen vergleichsweise geringen Gehalt an Kohlenstoff eine geringe Härte aufweist, sollte dieser gehärtet werden. Ein Einsatzstahl sollte dabei vor dem eigentlichen Härten im Randbereich mit Kohlenstoff angereichert werden. Somit erfolgt gemäß Verfahrensschritt c) das Durchführen eines Niederdruckaufkohlens mit anschließendem Härten des geformten Bauteils. Bei diesem Verfahrensschritt wird das erzeugte Bauteil somit erst im Randbereich mit Kohlenstoff angereichert und anschließend gehärtet. Im Detail erfolgt eine Anreicherung mit Kohlenstoff bei dem vorbeschriebenen Verfahren durch ein Niederdruckaufkohlen. Insbesondere ein derartiger Wärmebehandlungsvorgang in Verbindung mit einem anschließenden Härten nach einer additiven Fertigung kann in Verbindung mit der Verwendung eines Einsatzstahls gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik signifikante Vorteile bringen.

Denn eine Wärmebehandlung des geformten Bauteils durch ein Niederdruckaufkohlen mit nachfolgendem Härten kann eine effektive Härtesteigerung durch eine Kohlenstoffanreicherung ermöglichen, wobei die Anreicherung insbesondere in einer Randzone an der äußeren Oberfläche des Bauteils erfolgen kann. Beispielsweise kann eine besonders effektive Härtesteigerung mit einer guten Härtetiefe, etwa in einer Tiefe von der Oberfläche von wenigstens 1 mm, ermöglicht werden. Bis zu einer Tiefe von 0,75mm kann eine besonders hohe Härte erzielbar sein.

Grundsätzlich können durch das vorbeschriebene Verfahren Bauteile hoher Randhärte, etwa einer Rockwellhärte von bis zu mehr als 58 HRC nach EN ISO 6508-1 und darüber hinaus mit einer hohen Kernhärte von beispielsweise einer Rockwellhärte von wenigstens 40 HRC nach EN ISO 6508-1 auch bei Bauteilen mit großen Querschnitten erzeugbar sein. Dadurch wird das Erzeugen von Bauteilen ermöglicht, welche eine besonders hohe mechanische Stabilität, hohe Warmhärte und Verschleißfestigkeit der Randzone aufweisen. Das vorbeschriebene Verfahren erlaubt dabei einen Prozess, der im Wesentlichen frei ist von einer formändernden Nachbehandlung nach dem Härten, wie etwa dem Entfernen einer Rauigkeit oder Formänderungen, also beispielsweise einem Glätten, Schleifen, Fräsen usw. Denn durch das vorbeschriebene Verfahren und insbesondere durch das Verwenden eines Niederdruckaufkohlens und nachfolgendem Härten im Vakuum kann das Bauteil auch nach dem Härten in einer besonders hohen Maßhaltigkeit und exakten Form und Größe vorliegen, so dass Nachbehandlungsschritte nicht notwendig sind. In anderen Worten wird die Form und Größe des additiv gefertigten Bauteils durch das Niederdruckaufkohlen nicht derart verändert, dass eine Nachbehandlung zum Wiederherstellen der gefertigten Form und/oder Größe notwen- dig ist. Insbesondere dadurch kann ein signifikanter Vorteil gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik ermöglicht werden, bei denen nach der Härtung oftmals eine Nachbehandlung zwingend war.

Denn bei einer Anreicherung der Randzone mit Kohlenstoff durch Niederdruckauf koh- len, entsteht keine Beeinflussung, wie etwa Aufrauhung oder Randoxidation der Oberfläche oder Korngrenzenangriff und wird die Maßhaltigkeit der erzeugten Bauteile ferner nicht oder zumindest nur in einem tolerierbaren Ausmaß beeinflusst.

Daher ermöglicht das vorbeschriebene Verfahren auf überraschende Weise durch ei- ne Kombination der Verarbeitung eines Einsatzstahls mit einem additiven Fertigungsverfahren und einem Wärmebehandeln durch ein Niederdruckaufkohlen mit anschließendem Härten, insbesondere Vakuumhärten, die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Bezüglich des Wärmebehandeins kann es von Vorteil sein, dass der Niederdruckauf - kohlungsprozess erfolgt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 850°C bis kleiner oder gleich 1000°C, etwa in einer Acetylen-Atmosphäre als kohlenstoffhaltiger Atmosphäre. Die kohlenstoffhaltige Atmosphäre kann dabei in einem Druck von beispielsweise 2 bis 25 Millibar vorliegen. Das Niederdruckaufkohlen kann dabei für eine beispielhafte Zeitdauer von > 10 h bis < 50 h erfolgen.

Bezüglich des nachfolgenden Härtens erfolgt anschließend gegebenenfalls zunächst ein weiteres Erhitzen, etwa bei vielen Einsatzstählen auf eine Temperatur von >

800°C bis < 1 150°C, wobei etwa für den bevorzugten Stahl M50Nil_ ein weiteres Erhitzen, etwa auf eine Temperatur von > 1050°C bis < 1 150°C, vorteilhaft sein kann. Anschließend erfolgt ein Härtungsprozess unter reduziertem Druck, wie etwa im Vakuum, mit nachfolgender Gasabschreckung, vorzugsweise mit Stickstoff oder Helium, mit hohem Druck, wie etwa bis ungefähr 15 bar. Im Detail kann das insbesondere bei reduziertem Druck im Vakuum kohlenstoffangereicherte und erhitzte Bauteil auf die vorbeschriebene Temperatur geheizt werden und anschließend der Druck auf einen Überdruck von beispielsweise > 5 bis < 15 bar erhöht werden. Dabei kann Schutzgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Helium, Verwendung finden. Somit erfolgt das Här- ten bevorzugt unter reduziertem Druck mit anschließender Hochdruckgasabschreckung.

Die Niederdruckaufkohlung gemeinsam mit dem Härten kann dabei in einem Ofen als zusammenhängender Arbeitsschritt unter Änderung der Temperatur und des Drucks mit dem jeweiligen Gas durchgeführt werden.

Es hat sich in überraschender weise gezeigt, dass ein Niederdruckaufkohlen mit anschließendem Härten insbesondere unter Verwendung der vorbenannten Parameter ein ausreichendes Härten des Einsatzstahls, insbesondere des Stahls Stahl M50Nil_, erlaubt ohne eine insbesondere nachzubearbeitende beachtliche Änderung der Geometrie beziehungsweise der Oberflächeneigenschaften zu bedingen.

Wie vorstehend angedeutet kann es besonders bevorzugt sein, dass der Einsatzstahl einen M50Nil_-Stahl umfasst. Beispielsweise kann der Einsatzstahl aus einem

M50Nil_-Stahl bestehen. Insbesondere derartige Stähle weisen bevorzugte mechanische Eigenschaften auf und können für viele Anwendungen geeignet sein. Darüber hinaus kann insbesondere die Verarbeitung dieses Stahls durch herkömmliche Herstellungsverfahren von Bauteilen problematisch sein, so dass insbesondere die spezi- fische Kombination des Einsatzstahls M50Nil_ mit einem additiven Fertigungsverfahren und einem Niederdruckaufkohlen und Härten von Vorteil sein kann.

Da der Stahl M50Nil_ ein Lufthärtestahl ist, wird es insbesondere in dieser Ausgestal- tung ferner möglich, auch große Querschnitte durch zu härten. Ferner sind Maß- und Formänderungen bei der Wärmebehandlung, insbesondere bei Vakuumhärtung, insbesondere in dieser Ausgestaltung äußerst gering, so dass auf formerneuernde beziehungsweise formwiederherstellende Nachbehandlungsschritte nach dem Härten weitgehend verzichtet werden kann.

Unter einem Stahl M50Nil_ kann dabei insbesondere ein solcher Einsatzstahl verstanden werden, der die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von > 0, 1 1 Gew.-% bis < 0, 15 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 4,25 Gew.-%;

- Molybdän (Mo) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 4,5 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von > 1 ,1 Gew.-% bis < 1 ,3 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von > 3,2 Gew.-% bis < 3,6 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von > 0,15 Gew. -% bis < 0,35 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von > 0, 1 Gew.-% bis < 0,25 Gew.-%, und

- Eisen,

wobei sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren, wobei ein gegebenenfalls vorliegender Rest durch Verunreinigungen oder weitere Legierungsbestandteile gebildet sein kann. Beispielsweise kann ein Stahl M50NiL ein solcher Einsatzstahl sein, der die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von 0,13 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von 4,2 Gew.-%;

- Molybdän (Mo) in einem Gehalt von 4,25 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von 1 ,20 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von 3,40 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von 0,25 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von 0,2 Gew.-%, und

- Eisen, wobei sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren, wobei ein gegebenenfalls vorliegender Rest durch Verunreinigungen oder weitere Legierungsbestandteile gebildet sein kann. Unter dem erfindungsgemäßen Einsatzstahl kann auch ein Stahl verstanden werden, der die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von > 0, 1 1 Gew.-% bis < 0, 15 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 5,00 Gew.-%;

- Molybdän (Mo) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 6,0 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von > 1 ,0 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von > 3,0 Gew.-% bis < 4,0 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von > 0,15 Gew. -% bis < 0,35 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von > 0, 1 Gew.-% bis < 0,25 Gew.-%,

- Eisen, wobei

sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren, wobei ein gegebenenfalls vorliegender Rest durch Verunreinigungen oder weitere Legierungsbestandteile gebildet sein kann.

Durch gezielte Erhöhung der Legierungselemente Vanadium (V) und Molybdän (Mo) wird hier die Warmfestigkeit weiter verbessert.

Unter dem erfindungsgemäßen Einsatzstahl kann auch ein Stahl verstanden werden, der die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von > 0, 1 1 Gew.-% bis < 0, 15 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 5,00 Gew.-%;

- Molybdän (Mo) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 6,0 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von > 1 ,0 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von > 3,0 Gew.-% bis < 4,0 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von > 0,15 Gew. -% bis < 0,35 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von > 0, 1 Gew.-% bis < 0,25 Gew.-%,

- Wolfram (W) und/oder Kobalt (Co) von > 1 ,0 Gew.-%, und

- Eisen, wobei sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren, wobei ein gegebenenfalls vorliegender Rest durch Verunreinigungen oder weitere Legierungsbestandteile gebildet sein kann.

Durch Zugabe der Legierungselemente Wolfram (W) und Kobalt (Co) wird hier die Warmfestigkeit weiter verbessert.

Es kann vorteilhaft sein, dass nach Verfahrensschritt c) der weitere Verfahrensschritt erfolgt: d) Nitrieren des gehärteten Bauteils. In dieser Ausgestaltung kann die Härte und die mechanische Stabilität des Bauteils weiter verbessert werden, was die An- wendungsbreite weiter vergrößern kann.

Unter einem Nitrieren kann dabei in an sich bekannter Weise verstanden werden ein Behandeln des geformten und gehärteten Bauteils mit Stickstoff unter geeignetem Druck, für eine geeignete Zeitdauer und unter erhöhter Temperatur.

Beispielsweise kann das Bauteil plasmanitriert werden mit einem Gasgemisch aufweisend Stickstoff und Wasserstoff. Geeignete Prozessparameter umfassen beispielsweise einen Temperaturbereich von > 450°C bis < 600°C und/oder Prozessdauern von > 20h bis < 100h. Auch ein Gasnitrieren mit einem Gemisch aus Ammoniak und gegebenenfalls Anteilen von Wasserstoff oder Stickstoff bei ähnlichen Temperaturen und Prozesszeiten ist möglich.

Ferner kann es vorteilhaft sein, dass vor Verfahrensschritt c) oder vor Verfahrensschritt d) der weitere Verfahrensschritt erfolgt: d) Heißisostatisches Pressen des ge- formten Bauteils.

Dies kann insbesondere vorteilhaft sein für Materialien, welche durch ein additives Verfahren verarbeitet wurden beziehungsweise bei Bauteilen, die durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt sind. Denn insbesondere in diesem Fall weisen die Bauteile oftmals noch eine geringe Restporosität auf, die durch einen derartigen Pressvorgang zumindest signifikant reduziert werden kann, was die Stabilität beziehungsweise Beanspruchbarkeit verbessern kann. Durch einen derartigen Pressvorgang mittels heißisostatischem Pressen können ferner Bauteile mit besonders feiner und homogener Korngröße beziehungsweise Struktur und nahezu ohne Porosität erzeugt werden. Diese Ausgestaltung kann somit auch deshalb von Vorteil sein, da sich zwar bei Überrollbeanspruchung mit ausgeprägtem dreiachsigen Spannungszustand eine hohe Korngröße meist nicht kritisch ist, bei überwiegender Biegebeanspruchung mit einachsigem Spannungszustand mit Maximum an der Oberfläche ein vergleichsweise grobes Korn jedoch zu einer deutlichen Verringerung der Beanspruchbarkeit führen kann. Derartige Beanspruchungen können beispielsweise bei Anwendungen in Hochleistungsgetrieben mit integrierten La- ger- und Zahnradfunktionen auftreten.

Beispielsweise bei der herkömmlichen Verwendung des Einsatzstahls M50Nil_ weist dieser als Rohprodukt eine relativ hohe Korngröße auf, beispielsweise in einem Bereich von 3 bis kleiner als 5 gemäß der Norm ASTM E 1 12. Die Korngröße könnte zwar durch Schmiedeprozesse etwas verringert werden, während des Aufkohlens und Härtens findet jedoch wieder ein Kornwachstum statt, so dass an den gehärteten Bauteilen die Korngröße wieder in dem vorbestimmten Bereich liegen kann. Eine Kornfeinung durch Normalglühen ist insbesondere bei dem Einsatzstahl M50Nil_ aufgrund der Legierung nicht oder nur bedingt möglich.

Durch ein Verarbeiten eines Pulvers insbesondere des Stahls M50Nil_ durch ein additives Fertigungsverfahren kann die Korngröße deutlich verringert werden. Denn durch das als Rohprodukt gefertigte Pulver kann ein feineres Korn vorliegen. Dadurch wird es möglich, dass Bauteile aus einem Einsatzstahl, insbesondere aus dem Einsatzstahl M50Nil_, ein verglichen zu den Lösungen aus dem Stand der Technik feineres Korn aufweisen. Beispielsweise kann so eine geringe Korngröße bei dem fertigen Bauteil von größer oder gleich 5 gemäß der Norm ASTM E 1 12, etwa in einem Bereich von 5 bis 7 gemäß der Norm ASTM E 1 12 erreicht werden. Somit kann es bevorzugt sein, dass ein Bauteil erzeugt wird mit einer Korngröße von größer oder gleich 5 gemäß ASTM E 1 12, insbesondere in einem Bereich von größer oder gleich 5 bis kleiner oder gleich 7 gemäß ASTM E 1 12. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung eine verbesserte Dauerfestigkeit bei Biegebeanspruchungen aufgrund einer reduzierten Korngröße insbesondere bei Bauteilen aus dem Einsatzstahl M50Nil_ ermöglicht werden. Unter einem heißisostaischen Pressen kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden ein gleichzeitiges Pressen und Erhitzen. Beispielsweise kann das Bauteil bei Temperaturen von bis zu 1200°C und Drücken von beispielsweise 100MPa bis 200MPa unter Schutzgas verdichtet werden. Bezüglich des zu erzeugenden Bauteils kann es von Vorteil sein, dass als Bauteil ein solches geformt wird, das ausgewählt ist aus einem Lagerbauteil, einem Getriebebauteil, einem Federbauteil und einem Werkzeug. Insbesondere die vorgenannten Bauteile sind oftmals hohen mechanischen Beanspruchungen unterworfen und weisen dabei oftmals komplexe Formen auf, so dass insbesondere die vorgenannten Bauteile Vor- teile aufweisen, wenn sie durch das vorbeschriebene Verfahren aus einem Einsatzstahl ausgestaltet sind.

Beispielhafte spezifische Bauteile umfassen etwa Wälzlager- und Getriebekomponenten in Flugzeugtriebwerken, denn Komponenten für hochbeanspruchte Wälzlager in Flugtriebwerken werden derzeit häufig aus dem warmfesten Einsatzstahl M50Nil_ hergestellt. Dieser Werkstoff erreicht nach entsprechender Wärmebehandlung eine sehr hohe Überrollfestigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit im Kern und ermöglicht die Herstellung von Lagerringen mit integrierten Zusatzfunktionen, wie etwa Federelementen. Ferner sind beispielhaft verschiedenste hochbeanspruchbare Werkzeuge zu nennen. Solche können Umform- oder Spritzgusswerkzeuge oder Komponenten davon sein. Die spezifischen Werkstoffeigenschaften (Warmfestigkeit, Verschleißfestigkeit) bei gleichzeitig hoher Zähigkeit gepaart mit der Eignung der Werkstoffe für das Laserschmelzen eröffnen neue Gestaltungsmöglichkeiten, die nur durch diese Herstellungstechnologie realisiert werden können. Insbesondere lassen sich innenliegen- de, konturnahe Kühlstrukturen in Maschinenelemente und Werkzeuge einbringen, die sich im Einsatz positiv auf deren Performance auswirken, wie Erhöhung der Gebrauchsdauer oder Reduzierung der thermischen Systembelastung. Zusammenfassend schafft das vorbeschriebene Verfahren ein additives Fertigungsverfahren für Rohmaterial aus Einsatzstählen beziehungsweise zur Verarbeitung von legierten Einsatzstählen, besonders dem martensitisch härtbaren Hochleistungs- Einsatzstahl M50Nil_, beispielsweise mittels 3D-Druck, unter Ausbildung von Bauteilen vorzugsweise komplizierter Geometrie. Das Verfahren umfasst eine beispielsweise unmittelbar nach der Formgebung durchgeführte Wärmebehandlung durch Niederdruckaufkohlen und Härten und gegebenenfalls vorherigem heißisostatischem Pressen. Anschließend kann beispielsweise ein Nitrieren erfolgen. Gegebenenfalls anschließen kann sich ein Nacharbeiten von Passflächen im wärmebehandelten Zu- stand, wobei darauf bei dem vorbeschriebenen Verfahren auch verzichtet werden kann.

Weiterhin kann das Bauteil angelassen werden. Die so erzeugten Bauteile weisen eine große Oberflächenhärte, wie etwa einer Rock- well-Härte von 58 HRC oder mehr, auf. Dabei ermöglicht es das vorbeschriebene Verfahren, dass auch im Stand der Technik nicht oder nur problematisch zu verarbeitende Stähle mittels additiver Fertigungsverfahren verarbeitbar und im Wesentlichen nachbearbeitungsfrei härtbar sind. Insbesondere ist eine Verarbeitung von martensi- tisch härtenden Stählen nach heutigem Stand der Technik sehr problematisch und sind durchhärtende Werkzeugstähle derzeit mittels 3D Druck nicht prozesssicher verarbeitbar. Diese Probleme des Stands der Technik können erfindungsgemäß umgangen werden. Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des vorbeschriebenen Verfahrens wird auf die Beschreibung des Bauteils, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Bauteil aus einem Einsatzstahl, insbesondere aus einem M50Nil_-Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch ein additives Fertigungsverfahren erzeugt ist und eine Korngröße aufweist von 5 oder feiner gemäß ASTM E 1 12, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 7 gemäß ASTM E 1 12. Ein Bauteil, insbesondere aus einem M50Nil_-Stahl, mit einem derart feinen Korn war im Stand der Technik oftmals nicht erzeugbar, lässt sich jedoch ins- besondere durch ein additives Fertigungsverfahren erzeugen, wobei insbesondere eine Kombination mit einem Niederdruckaufkohlen und anschließendem Härten von Vorteil sein kann. Ein derartiges Bauteil kann eine besonders gute Stabilität und Beanspruchbarkeit aufweisen.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des vorbeschriebenen Bauteils wird auf die Beschreibung des Verfahrens, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.

Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf das beschriebene Ausführungsbei- spiel beschränkt ist. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Härteverlaufs von der Oberfläche in das Innere des Bauteils, wobei das Bauteil nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

In der Figur 1 ist ein Diagramm gezeigt, welches einen Härteverlauf von der Oberfläche eines Bauteils zeigt, welches nach einem Verfahren erzeugt ist, aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines Pulvers aus einem metallischen Werkstoff; und

b) Formen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus dem bereitgestellten Pulver; wobei

der metallische Werkstoff den Einsatzstahl umfasst, und wobei

das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt aufweist:

c) Durchführen eines Niederdruckaufkohlens mit anschließendem Härten des ge- formten Bauteils.

Figur 1 zeigt dabei ein Diagramm, bei welchem auf der X-Achse der Abstand von der Oberfläche des Bauteils in [mm] und auf der Y-Achse die Vickers-Härte angegeben ist in [HV 1 ]. Dabei ist zu erkennen, dass das Bauteil eine große Einsatzhärtetiefe auf- weist und ein signifikanter Abfall der Härte erst bei ca. 0,75mm erfolgt. Die gemessenen Härtewerte von ca. 750 HV 1 nach EN ISO 6507-1 :2005 an der Oberfläche des Bauteils sind dabei ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen für hochbeanspruchte Bauteile. Das Bauteil ist dabei aus einem M50NiL-Stahl gefertigt, nieder- druckaufgekohlt und gehärtet und liegt insbesondere als feinnadeliger Martensit vor.

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zum Verarbeiten eines legierten Einsatzstahls, wobei der Einsatzstahl zumindest mit Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) legiert ist, unter Ausbildung eines Bauteils, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Pulvers aus einem metallischen Werkstoff; und b) Formen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus dem bereitgestellten Pulver; dadurch gekennzeichnet, dass

der metallische Werkstoff den Einsatzstahl umfasst, und dass

das Verfahren den weiteren Verfahrensschritt aufweist:

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederdruckaufkohlen erfolgt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 850°C bis kleiner oder gleich 1000°C.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten unter reduziertem Druck mit anschließender Hochdruckgasabschreckung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatzstahl einen M50NiL-Stahl umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallwerkstoff die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von > 0, 1 1 Gew.-% bis < 0, 15 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 4,25 Gew.-%; - Molybdän (Mo) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 4,5 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von > 1 ,1 Gew.-% bis < 1 ,3 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von > 3,2 Gew.-% bis < 3,6 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von > 0,15 Gew. -% bis < 0,35 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von > 0, 1 Gew.-% bis < 0,25 Gew.-%, und

- Eisen, wobei

sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren.

6. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall- Werkstoff die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von > 0, 1 1 Gew.-% bis < 0, 15 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 5,00 Gew.-%;

- Molybdän (Mo) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 6,0 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von > 1 ,0 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von > 3,0 Gew.-% bis < 4,0 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von > 0,15 Gew. -% bis < 0,35 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von > 0, 1 Gew.-% bis < 0,25 Gew.-%,

- Eisen, wobei

sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren.

7. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallwerkstoff die folgenden Legierungsbestandteile aufweist:

- Kohlenstoff (C) in einem Gehalt von > 0, 1 1 Gew.-% bis < 0, 15 Gew.-%;

- Chrom (Cr) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 5,00 Gew.-%;

- Molybdän (Mo) in einem Gehalt von > 4,0 Gew.-% bis < 6,0 Gew.-%;

- Vanadium (V) in einem Gehalt von > 1 ,0 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-%;

- Nickel (Ni) in einem Gehalt von > 3,0 Gew.-% bis < 4,0 Gew.-%;

- Mangan (Mn) in einem Gehalt von > 0,15 Gew. -% bis < 0,35 Gew.-%;

- Silizium (Si) in einem Gehalt von > 0, 1 Gew.-% bis < 0,25 Gew.-%,

- Wolfram und/oder Kobalt von > 1 ,0 Gew.-%, und

- Eisen, wobei

sich die vorgenannten Bestandeile auf einen Gehalt von < 100 Gew.-% addieren.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt c) der weitere Verfahrensschritt erfolgt: d) Nitrieren des gehärteten Bauteils.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt c) oder vor Verfahrensschritt d) der weitere Verfahrensschritt erfolgt: d) Heißisostatisches Pressen des geformten Bauteils.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil ein solches geformt wird, das ausgewählt ist aus einem Lagerbauteil, einem Getriebebauteil, einem Federbauteil und einem Werkzeug.

1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Werkzeug ein Umform- oder Spritzgusswerkzeug oder eine Komponente davon ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil erzeugt wird mit einer Korngröße von 5 oder feiner, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 7 gemäß ASTM E 1 12.

13. Bauteil aus einem Einsatzstahl, insbesondere aus einem Stahl aus dem Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch ein additives Fertigungsverfahren erzeugt ist und eine Korngröße aufweist von 5 oder feiner gemäß ASTM E 1 12, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 7 gemäß ASTM E 1 12.