DE102004051885A1

DE102004051885A1 - Mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil aus mechanisch gehärtetem Stahl

Info

Publication number: DE102004051885A1
Application number: DE102004051885A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. Strian; Karl-Ludwig Dipl.-Ing. Grell; Werner Dr.-Ing. Trojahn
Original assignee: FAG Kugelfischer AG and Co OHG; INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-04-27
Also published as: WO2006045461A1; EP1805331A1

Abstract

Mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil, bestehend aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5-2,2%, mit wenigstens einer im Einsatz mechanisch belasteten Funktionsfläche, wobei wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche (4) ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% vorliegt, der durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche (4) zumindest teilweise in Martensit überführt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil, bestehend aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 – 2,2%, mit wenigstens einer im Einsatz mechanisch belasteten Fläche.
Hintergrund der Erfindung

Solche Stell- oder Lagerbauteile sind in unterschiedlicher Bauweise bekannt und kommen in verschiedenartigsten Anwendungen zum Einsatz. Als Stellelement sind insbesondere Motorenelemente wie Schlepp- oder Kipphebel zu nennen, also mechanisch betätigte Bauteile, die ihrerseits andere Bauteile stellen. Als Lagerbauteil ist beispielsweise ein Wälzlager beziehungsweise dessen Teile oder ein Gleitlager und dessen Teile wie Lagerbüchse, Lagerring etc. zu nennen. All diesen Stell- oder Lagerbauteilen ist gemeinsam, dass sie wenigstens eine im Einsatz mechanisch belastete Funktionsfläche aufweisen, über die beispielsweise ein Stellelement in Form eines Kipphebels an einem Stößel oder dergleichen angreift, oder auf der im Falle eines Wälzlagers die Wälzkörper laufen. Die Bauteile sind dabei hohen mechanischen und tribologischen Belastungen ausgesetzt, weshalb es nötig ist, diese Bauteile nach der mechanischen Bearbeitung zu härten. Um die Maß- und Formgenauigkeit zu erreichen, wird eine Endbearbeitung wie Schleifen oder Hartdrehen durchgeführt. Die Wärmebehandlung selbst erfolgt einmal je nach Stahlqualität durchhärtend, z.B. bei 100Cr6, oder mittels Einsatzhärtung, z.B. bei 16MnCr5, oder durch verschiedene Varianten von Nitrierbehandlungen beziehungsweise Beschichtungen.

Der Hauptnachteil der meisten derartigen Behandlungen ist der sogenannte Härteverzug und die sich einstellende Maßänderung. Die Bauteildimension variiert also in Folge der verschiedenen insbesondere thermischen Behandlungen zwischen der ursprünglich vor der Behandlung vorhandenen Form beziehungsweise Bemaßung und der letztendlich nach der Durchführung der jeweiligen Behandlungen gegebenen Parameter. Dabei werden die Bauteile in bestmöglichen Gefüge- und Härtezustand spanend oder spanlos bearbeitet, anschließend bei hoher Temperatur gehärtet und schließlich mechanisch, also spanend endbearbeitet und beispielsweise durch Kugelstrahlen oder Rollieren kaltverfestigt. Neben dem in Folge der thermischen Härtebehandlung sich einstellenden Maß- und Härteverzug ist die Durchführung des separaten Härteschrittes darüber hinaus auch zeit- und kostenaufwendig.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Stell- oder Lagerelement der eingangs genannten Art anzugeben das einfach und ohne die eingangs genannten Probleme hinsichtlich der Maß- und Formhaltigkeit herzustellen ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem mechanisch belastbaren Stell- oder Lagerelement bestehend aus dem oben genannten Stahl erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% vorliegt, der durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche zumindest teilweise in Martensit überführt ist.

Zur Herstellung des Stell- oder Lagerbauteils wird erfindungsgemäß ein Stahl verwendet, der eine metastabile Austenitphase ausbildet. Diese metastabile Austenitphase kann durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche selbst, also beispielsweise der Auflagefläche eines Schlepp- oder Kipphebels oder der Lauffläche eines Gleitlagers aufgrund der mechanisch induzierten Energie lokal in Martensit gewandelt werden. Es erfolgt also eine mechanisch induzierte Gefügeveränderung und damit Härtung unmittelbar im Bereich der Funktionsfläche.

Diese Eigenschaften werden bei Verwendung eines legierten Stahls mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 – 2,2% ermöglicht, wobei der konkret verwendete Stahl zum einen einen hinreichend hohen Kohlenstoff aufweisen muss, um eben eine hohe martensitische Härte von über 55 HRC, insbesondere von über 58 HRC zu erzielen. Ferner muss ein entsprechendes „Mangan-Nickel-Äquivalent" (Cr-Ni) zur Erzeugung des metastabilen Austenit bei entsprechend hohen Wärmebehandlungstemperaturen gegeben sein, und schließlich muss eine hinreichende Feinkörnigkeit des Gefüges realisiert werden können.

Hierzu werden wie beschrieben vorzugsweise Stähle mit 0,5 – 2,2% Kohlenstoff, einem Legierungsanteil von Chrom zwischen 5 – 20%, einem Mangan-Anteil von 2 – 8% sowie einem Nickel-Anteil von maximal 6% verwendet. Die Feinkörnigkeit und entsprechende Gefügemerkmale sind von Zugabe von beispielsweise Molybdän, Aluminium, Titan oder sonstiger Legierungselemente zu gewährleisten. Verwendet werden können auch herkömmliche Werkzeugstähle wie z.B. X210Cr12 oder X165CrMoV121, wie sie insbesondere bei Motorenelementen wie Schlepp- oder Kipphebel verwendet werden.

Eine zweite Werkstoffklasse stellt der Bereich der Einsatz- und Vergütungsstähle dar. Diese hochlegierten Einsatzstähle wie z.B. 14NiCrMo14 oder noch höhere Legierungsbestandteile mit Summenwerten Nickel-Mangan-Chrom größer 7% und einem Randkohlenstoffgehalt/Randstickstoffgehalt, erzeugt durch die übliche Einsatzhärtung beziehungsweise Carbonisierung, von 0,5 – 1,5% Kohlenstoff beziehungsweise 0,1 – 0,6% Stickstoff bilden ebenfalls eine metastabile Austenitphase, die durch mechanischen Energieeintrag lokal in Martensit gewandelt werden kann. Voraussetzung ist, dass die Legierungselemente so eingestellt werden müssen, dass die Martensitbildungstemperatur nach der Aufkohlung und/oder Aufstickung beim Abschrecken nicht oder nur knapp unterschritten wird, so dass eine Zwischenstufenumwandlung oder ein Perlitzerfall unterbleibt.

Die genannten Werkstoffe sind also prinzipiell in der Lage, bei hohen Einsatzhärtetemperaturen (Direkt- oder Einfachhärtung), z.B. über 1000°C und einem schnellen Abschrecken ein quasi 80%iges oder noch höheres Austenitgefüge in der kohlenstoffreichen Randzone ausbilden, wobei der eingangs genannte Kohlenstoffanteil zumindest in dieser Randzone vorliegt, im Falle einer Aufstickung sollte die Summe an Stickstoff und Kohlenstoff ebenfalls in diesem Bereich liegen. Der gebildete metastabile Austenit liegt damit auch bei Raumtemperatur vor, ist jedoch bei hinreichender Energiezufuhr in Martensit umwandelbar, wobei die Umwandlungsfähigkeit erfindungsgemäß von der mechanischen Bearbeitung abhängt.

Die Wärmebehandlung bei durchhärtenden Stählen, im Rahmen welcher bevorzugt bereits die Umformung zum fertigen Endbauteil erfolgt, sieht zum einen die Hochtemperaturaustenitisierung und gegebenenfalls Aufkohlung bei ca. 1000 – 1250°C und anschließend ein Abschrecken im Salzbad bis ca. 150°C oder auf Raumtemperatur vor. Anschließend kann eine weitere Abkühlung auf Raumtemperatur an Luft erfolgen, sofern noch erforderlich. Im Ergebnis bildet sich in den Randzonen (sofern nur dort der hinreichend hohe Kohlenstoffgehalt vorliegt) beziehungsweise im gesamten Querschnitt ein Austenitanteil von über 80%, bevorzugt von über 90% aus, wobei gegebenenfalls Karbide ausgeschieden sind und gegebenenfalls Spuren von Martensit vorliegen. Anschließend erfolgt die mechanische Endbearbeitung des bereits umgeformten, jedoch metastabilen Austenit-Bauteils durch Drehen, Fräsen oder Schliefen. Durch diese Art der Gefügebeanspruchung an der Funktionsfläche entsteht in den entspre chenden Wirktiefen eine mechanisch induzierte martensitische Umwandlung des metastabilen Austenits. Grundsätzlich ist die Tiefe der Umwandlungszone abhängig von der Werkzeug-Kontaktgeometrie (z.B. Spanwinkelverstellung), der zu erzeugenden Kontur, der Dauer sowie der Höhe der aufgebrachten Kraft und der herrschenden Temperatur bei der mechanischen Bearbeitung.

Insgesamt kann auf diese Weise ein sehr maßhaltiges Bauteil mit einer hinreichenden Härte im relevanten Bauteilbereich erreicht werden. Die Umformung des verwendeten Stahls zur Bauteilherstellung erfolgt bevorzugt während der Wärmebehandlung zur Hochtemperaturaustenitisierung. Ein zusätzlicher Hochtemperaturschritt zur Härtung des Materials, wie im Stand der Technik vorgesehen, entfällt, nachdem die Härtung durch martensitische Umwandlung bei dem erfindungsgemäßen Bauteil allein durch die mechanisch induzierte Energie erfolgt.

Die Funktionsfläche sollte eine martensitische Härte von wenigstens 55 HRC, insbesondere von wenigstens 58 HRC aufweisen, wozu ein hinreichend hoher Kohlenstoffgehalt, der im erfindungsgemäß beanspruchten Bereich liegt, nötig ist. Der Stahl selbst kann wie beschrieben eine den metastabilen Austenit aufweisende Schmelzlegierung sein, er kann aber auch durch eine separate Nitrierung erzeugt werden, also im Rahmen einer elektro-chemischen Behandlung.

Neben dem Stell- oder Lagerbauteil selbst trifft die Erfindung selber ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stell- oder Lagerbauteils, das sich dadurch auszeichnet, dass das Bauteil zunächst aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 – 2,2% geformt wird, während oder wonach das Bauteil einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, und wonach das Bauteil anschließend abgeschreckt wird, so dass es sich wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche des Bauteils ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% bildet, wonach die Funktionsfläche mechanisch bearbeitet wird, so dass sich eine Randzone bildet, die zumindest teilweise Martensit aufweist.

Die mechanische Bearbeitung zur Martensitbildung kann bei erhöhter Temperatur bis vorzugsweise ca. 500°C, bei Raumtemperatur oder bei erniedrigter Temperatur bis vorzugsweise maximal –200°C erfolgen. Insbesondere die Tieftemperaturbehandlung ist für die Martensitbildung vorteilhaft.

Sofern die mechanische Behandlung bei erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur erfolgt, ist es zweckmäßig, zur Verbesserung der Martensitbildung eine Tiefkühlbehandlung bis vorzugsweise maximal –200°C anzuschließen. Generell kann nach einer Tiefkühlbehandlung eine Temperaturbehandlung zum Anlassen des Bauteils bis maximal 600°C erfolgen.

Auch ist es denkbar, unmittelbar nach der Bauteilformung, also vor der mechanischen Bearbeitung zur Martensitbildung, eine Tiefkühlbehandlung bis vorzugsweise maximal –200°C gegebenenfalls danach eine Anlassbehandlung bis maximal 600°C zwischenzuschalten.

Des Weiteren kann zur weiteren Festigkeitssteigerung die Funktionsfläche wie auch die übrigen Bauteilflächen nach der mechanischen Behandlung zur Martensitbildung mechanisch nachbehandelt werden, insbesondere durch Kugelstrahlen oder Rollieren. Auch ein finales Feinbearbeiten wie Einschleifen oder Honen kann gegebenenfalls vorgesehen sein.

Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verfahren wie auch das erfindungsgemäße Stell- oder Lagerbauteil den Vorteil, dass der Härteverzug durch den Bearbeitungszustand einmalig aufgehoben wird und nicht wie im üblichen Verfahren durch Weichbearbeitung und Hartbearbeitung eine doppelte Bearbeitung erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt eine Prinzipdarstellung eines mechanischen Stellelements in Form eines Kipphebels.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Stellelement 1 in Form eines um sein Lagerauge kippbaren Kipphebels 2, an dessen vorderem Arm 3 eine Funktionsfläche 4 vorgesehen ist, über die der Kipphebel beispielsweise an einem Stößel angreift. Der Kipphebel wurde aus einem Material hergestellt, das nach der Hochtemperaturaustenitisierung, im Rahmen welcher Temperaturbehandlung der Kipphebel herausgearbeit wurde, im Rahmen der nachfolgenden Abschreckung eine metastabile Austenitphase bildet.
Um die Funktionsfläche 4 zu härten erfolgt nun, anders als im Stand der Technik, allein eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche, beispielsweise durch Drehen, Fräsen oder Schleifen, im Rahmen welcher Bearbeitung, die durch den Pfeil B dargestellt ist, unmittelbar an der Funktionsfläche mechanische Energie eingetragen wird, die die Umklappvorgänge, also die Umwandlung des metastabilen Austenits in Martensit induziert. Es bildet sich, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, ein Bereich M aus, in dem ein hoher Gehalt an Martensit vorliegt, während im restlichen Bauteilkörper metastabiler Austenit vorliegt. Infolge der mechanisch induzierten Martensitbildung erfolgt also keine weitere Temperaturbehandlung zur Härtung des Bauteils, die sich nachteilig auf die Maß- und Formgenauigkeit auswirken würde. Vielmehr behält das Bauteil die im Rahmen seiner ursprünglichen Umformung gegebenen Form und Maße sehr exakt.
Der mechanischen Behandlung zur Martensitbildung kann sich wie beschrieben eine Tieftemperaturbehandlung anschließen, im Rahmen welcher das Bauteil auf beispielsweise –200°C abgekühlt wird, wodurch die Ausbildung der martensitischen Struktur in der Bauteilrandzone M noch weiter gefördert wird. Alternativ kann die Bearbeitung selbst bei erniedrigter Temperatur erfolgen, so dass eine separate Tiefkühlung nicht nötig ist. Im Rahmen eines nachfolgenden Anlassens können etwaige Spannungen abgebaut werden.
Der in 1 gezeigte Kipphebel 2 stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel dar. Denkbar ist es, auch andere Stell- oder Lagerbauteile durch mechanisch induzierte Martensitbildung zu härten. Zu nennen sind hier beispielsweise Gleitlager, bei denen die Laufflächen der Gleitlager, die ebenfalls aus metastabilem Austenit gebildet sind, mechanisch induziert in Martensit gewandelt werden.

1: Stellelement
2: Kipphebel
3: Arm
4: Funktionsfläche

Claims

Mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil, bestehend aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 –2,2%, mit wenigstens einer im Einsatz mechanisch belasteten Funktionsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche (4) ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% vorliegt, der durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche (4) zumindest teilweise in Martensit überführt ist.
Stell- oder Lagerbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche (4) eine martensitische Härte von wenigstens 55 HRC, insbesondere von wenigstens 58 HRC aufweist.
Stell- oder Lagerbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine den metastabilen Austenit aufweisende Schmelzlegierung ist, oder dass der metastabile Austenit durch eine separate Nitrierung erzeugt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stell- oder Lagerbauteils nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zunächst aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 – 2,2% geformt wird, während oder wonach das Bauteil einer Temperaturbehandlung unterzogen wird und wonach das Bauteil anschließend abgeschreckt wird, so dass sich wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche des Bauteils ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% bildet, wonach die Funktionsfläche mechanisch bearbeitet wird, so dass sich eine Randzone bildet, die zumindest teilweise Martensit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung bei erhöhter Temperatur bis 500°C, bei Raumtemperatur oder bei erniedrigter Temperatur bis maximal –200°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer mechanischen Bearbeitung bei erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur eine Tiefkühlbehandlung bis maximal –200°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Tiefkühlbehandlung eine Temperaturbehandlung zum Anlassen des Bauteils bis maximal 600°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bauteilformung eine Tiefkühlbehandlung bis maximal –200°C, und gegebenenfalls danach eine Temperaturbehandlung zum Anlassen des Bauteils bis maximal 600°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Festigkeitssteigerung die Funktionsfläche mechanisch nachbehandelt wird, insbesondere durch Kugelstrahlen oder Rollieren.