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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der ertragbaren Flächenpressung der Wälzlager-Laufbahn eines Bauteils aus schwefellegiertem Stahl.
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Ein solches Bauteil stellt beispielsweise die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors dar, bei der die Hauptlager und/oder die Hublager die Innenlaufbahn für ein Wälzlager bilden.
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Zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit, wie Zerspanbarkeit, werden z. B. für Kurbelwellen Stähle verwendet, die schwefellegiert sind. Die tribologischen Verhältnisse in Verbindung mit hohen Flächenpressungen bei Hauptlagern und Hublagern lassen jedoch deren Einsatz als Innenlaufbahn für Wälzlager nicht zu.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die ertragbare Flächenpressung der Wälzlager-Laufbahn eines Bauteils aus schwefellegiertem Stahl wesentlich zu verbessern.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Randschicht der Wälzlagerlaufbahn mit einem Energiestrahl, vorzugsweise einem Elektronenstrahl (EB), umgeschmolzen wird.
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Es ist bekannt, dass die ertragbare Flächenpressung bzw. Wälzfestigkeit der Wälzlagerlaufbahn eines Bauteiles aus schwefellegiertem Stahl wesentlich verbessert wird, wenn intermetallische Sulfid-Einschlüsse aus der oberflächennahen Randschicht der Wälzlager-Laufbahn beseitigt werden.
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Durch das Umschmelzen können diese Einschlüsse aus der Randschicht der Wälzlager-Laufbahn nahezu vollständig entfernt werden. Bei der hohen Schmelztemperatur des Stahls werden die Einschlüsse aufgeschmolzen und thermisch zersetzt, wobei Schwefel ausdampft.
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Der Energiestrahl kann z. B. ein Plasmastrahl oder ein Laserstrahl sein. Vorzugsweise wird jedoch ein Elektronenstrahl verwendet, da sich mit entsprechender Strahlführungstechnik mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Umschmelzzone mit nahezu rechteckigem Querschnitt herstellen lässt (vergleiche
DE 199 27 095 A1 ). Das Vakuum, das für derartige Elektronenstrahl-Prozesse erforderlich ist, fördert zudem die Entschwefelung in der Randschicht.
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Die ertragbare Flächenpressung der Wälzlager-Laufbahn wird insbesondere dann erheblich gesteigert, wenn es sich um ein geschmiedetes Bauteil, also beispielsweise eine geschmiedete Kurbelwelle handelt. Wie festgestellt werden konnte, werden nämlich durch das Schmieden zeilenförmige Sulfid-Einschlüsse, insbesondere aus Mangansulfid, gebildet, die bei dynamischer Belastung zur Rissbildung führen können.
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Damit eine hinreichende Erhöhung der ertragbaren Flächenpressung erreicht wird, weist die umgeschmolzene Randschicht der Wälzlager-Laufbahn eine Tiefe von mindestens 50 μm auf, insbesondere von mehr als 0,2 mm, ganz besonders bevorzugt von 0,4 bis 0,8 mm und normalerweise nicht mehr als 1 mm.
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Die Oberflächenhärte der aus der umgeschmolzenen Randschicht gebildeten Wälzlager-Laufbahn sollte etwa das Doppelte der Härte des Grundwerkstoffes betragen, also beispielsweise mindestens 600 HV 0,1 bei einer Oberflächenhärte des Grundwerkstoffs von z. B. 300 HV 0,1, also des schwefellegierten Stahls.
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Zum Umschmelzen der Wälzlager-Laufbahn wird vorzugsweise ein stationärer Elektronenstrahlgenerator verwendet, während das Bauteil, dessen Wälzlager-Laufbahn in der Randschicht umgeschmolzen wird, sich um die Rotationsachse des jeweiligen Lagers (Haupt- und/oder Hublager) dreht.
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Dabei kann der Elektronenstrahl mit einem Funktionsgenerator derart abgelenkt werden, dass er parallel zur Rotationsachse über die gesamte Breite der umzuschmelzenden Randschicht der Wälzlager-Laufbahn oszilliert (vergleiche
DE 199 27 095 A1 ), und z. B. ein Linienscan generiert wird.
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Bei einem solchen Linienscan kann sich jedoch über die Breite der umgeschmolzenen Randschicht eine Aufwölbung bilden, die auf eine Oberflächendeformation durch Schmelzprozesse zurückzuführen ist. Da diese Aufwölbung an der Wälzlager-Laufbahn beispielsweise durch Abschleifen entfernt werden muss, kann dies dazu führen, dass die umgeschmolzene Randschicht wieder weitgehend zu entfernen ist.
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Vorzugsweise wird der Elektronenstrahl deshalb derart abgelenkt, dass er auf mehrere nebeneinander angeordnete Bereiche (Spots) der Wälzlager-Laufbahn auftrifft, so dass die Randschicht der Laufbahn in mehreren nebeneinander angeordneten Bahnen aufgeschmolzen wird, die sich durch Rotation des Bauteils jeweils um den gesamten Umfang der Wälzlager-Laufbahn erstrecken. Diese Technologie, bei der der Elektronenstrahl auf mehrere nebeneinander angeordnete Bereiche abgelenkt wird, ist z. B. aus
DE 10 2004 023 021 B4 bekannt.
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Der Elektronenstrahl kann dabei derart abgelenkt werden, dass er die Einwirkorte (Spots) auf der Wälzlager-Laufbahn nacheinander mit Energie beaufschlagt, um an jedem Einwirkort eine Bahn aufzuschmelzen (sogenannte Mehrspottechnik). Die Einwirkorte können dabei in einer parallel zur Rotationsachse der Wälzlager-Laufbahn verlaufenden Linie angeordnet sein, oder beispielsweise in zwei oder mehr aufeinanderfolgenden parallelen Linien, wobei die Einwirkorte (Spots) in einer Linie zu den Einwirkorten der nachfolgenden Linie auf Lücke versetzt angeordnet sein können.
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Auf diese Weise kann die Randschicht der Wälzlager-Laufbahn in unterschiedlicher Anzahl, vorzugsweise in 11, 17 und mehr Bahnen aufgeschmolzen werden, wobei beispielsweise bei 17 Bahnen der Elektrodenstrahl z. B. auf 9 Einwirkorte (Spots) in einer Reihe oder Linie und 8 dazu auf Lücke versetzte Einwirkorte in der zweiten Reihe oder Linie abgelenkt und fokussiert sein kann.
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Die Deformation der umgeschmolzenen Randschicht kann dadurch weitgehend verhindert werden, so dass allenfalls nur ein geringfügiger Teil der umgeschmolzenen Randschicht für die Wälzlager-Laufbahn beispielsweise durch Schleifen abzutragen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Erhöhung der ertragbaren Flächenpressung beliebiger wälzlagerfähiger Laufbahnen eingesetzt werden, also beispielsweise für Radlager, Ausgleichswellen und dergleichen. Dabei können beliebige Wälzlager-Bauformen zur Anwendung kommen.
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Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch zur Erhöhung der ertragbaren Flächenpressung der Haupt- und/oder Hublager einer Kurbelwelle einsetzbar, wobei die Wälzlager-Laufbahnen an den Hauptlagerzapfen und/oder Hublagerzapfen vorgesehen sein können und damit eine Hauptlager- und/oder Hublager-Laufbahn bilden. Dabei können sich kreiszylindrische Wälzkörper an der Hauptlager- bzw. Hublagerlaufbahn abwälzen, d. h. das Wälzlager kann beispielsweise durch einen Nadellager gebildet sein.
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In dem Bereich zwischen der Hauptlager-Laufbahn und der Hublager-Laufbahn einerseits und den benachbarten Kurbelwangen der Kurbelwelle andererseits ist die Kurbelwelle der höchsten Biegebeanspruchung ausgesetzt. In diesem Bereich sind die Hauptlager- und Hublagerzapfen z. B. mit einem Einstich oder eine Kehle versehen, die die Hauptlager- bzw. Hublager-Laufbahnen von der benachbarten Kurbelwange trennt.
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Dieser Bereich wird vorzugsweise nicht umgeschmolzen, sondern mit einer elektronenstrahlgehärteten Randschicht versehen. D. h. dieser Bereich wird mit dem Elektronenstrahl nicht auf Schmelztemperatur sondern lediglich über die AC3-Temperatur des Stahls erwärmt, wobei in der austenitisierten Zone durch Selbstabschreckung Martensit erzeugt wird.
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Dazu wird der Elektronenstrahl in Form eines Energieübertragungsfeldes nach dem Umschmelzen der Randschicht der Wälzlager-Laufbahn auf den Bereich der Kehlen abgelenkt.
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Vorzugsweise wird das Umschmelzen der Randschicht der Hauptlager-Laufbahnen oder der Randschicht der Hublager-Laufbahnen und das Härten der Randschicht im Bereich der Kehlen ohne Änderung der Position der Kurbelwelle durchgeführt. Eine Neupositionierung der Kurbelwelle nach einer erfolgten Umschmelzung der Randschicht der Laufbahnen zur Elektronenstrahlhärtung im Bereich der Kehlen ist damit nicht notwendig. Das Umschmelzen der Randschicht der Laufbahnen und das Härten im Bereich der Kehlen kann also in einem Fertigungszyklus durchgeführt werden.
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Der Schwefelgehalt des schwefellegierten Stahls kann z. B. 0,01 bis 0,3 Masse-%, insbesondere 0,02 bis 0,15 Masse-% betragen, der Mangangehalt 0,3 bis 5 Masse-%, insbesondere 0,5–4 Masse-%.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
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Darin zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Draufsicht auf einen Teil eines Haupt- oder Hublagerzapfens einer Kurbelwelle; und
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2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1.
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Gemäß 1 und 2 wir ein Haupt- oder Hublagerzapfen 1 mit einer Umlaufbewegungsrichtung v einem Elektronenstrahl nach der Mehrspottechnik ausgesetzt, um die Randschicht 2 des Zapfens 1 über die Breite der Wälzlager-Laufbahn 3 mit einer Tiefe T von beispielsweise 0,4 bis 0,8 mm umzuschmelzen.
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Dabei beaufschlagt der Elektronenstrahl z. B. nacheinander Einwirkungsorte 4-1, 4-2, 4-3 und 5-1, 5-2, 5-3 und 5-4 mit Energie, so dass in Umlaufbewegungsrichtung v sieben Bahnen 6-1, 6-2, ... 6-7 umgeschmolzen werden. Die Punkte 4-1, 4-2 und 4-3 sind dabei in einer quer zur Bewegungsrichtung v, also parallel zur Rotationsachse der Wälzlager-Laufbahn 3, verlaufenden Linie angeordnet und die Punkte 5-1, 5-2, 5-3 und 5-4 in einer dazu parallelen Linie, wobei die Punkte in der einen Linie jeweils auf Lücke zu den Punkten in der anderen Linie angeordnet sind.
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Zwischen der Laufbahn 3 und den Kurbelwangen 8-1 und 8-2 ist ein Einstich oder eine Kehle 9-1, 9-2 vorgesehen, die mit einer elektronenstrahlgehärteten Randschicht 10-1, 10-2 versehen ist, welche durch je ein Energieübertragungsfeld in den Kehlen 9-1 und 9-2 erzeugt wird.
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Beispiel
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Eine geschmiedete Kurbelwelle aus einem Stahl folgender Zusammensetzung:
| Elementgehalt in Ma% |
| Fe | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | V | Cu |
| Rest | 0,360–0,400 | 0,500–0,650 | 1,300–1,450 | max.
0,015 | 0,050–0,065 | 0,100–0,200 | max.
0,150 | 0,080–0,120 | max.
0,250 |
wird im Bereich der Wälzlager-Laufbahnen nach der Mehrbahntechnik gemäß
1 mit insgesamt z. B. 7 Bahnen mit einer Tiefe T von 0,5 bis 0,55 mm mit einem Elektronenstrahl umgeschmolzen. Anschließend werden die Kehlen einer Elektronenstrahlhärtung unterzogen. Die Oberflächendeformation an der Wälzlager-Laufbahn beträgt etwa 150 μm. Die Oberflächenhärte der umgeschmolzenen Randschicht beträgt ca. 650 HV 10.
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Das metallografische Schliffbild zeigt vor der Elektronenstrahlbehandlung zahlreiche zeilenförmige Sulfideinschlüsse mit einer Länge von bis zu 20 μm. Nach dem Elektronenstrahlumschmelzen weist die umgeschmolzene Randschicht lediglich wenige sehr kleine, globular eingeformte Einschlüsse mit einem Durchmesser von maximal 2 μm auf, welche gleichmäßig in der gesamten umgeschmolzenen Randschicht verteilt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19927095 A1 [0008, 0013]
- DE 102004023021 B4 [0015]
