DE102014012053A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung sowie zur spanenden Bearbeitung eines Bauteils aus Stahl - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung sowie zur spanenden Bearbeitung eines Bauteils aus Stahl Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus Stahl, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Erwärmen und Warmumformen des Bauteils, b) Abschrecken des Bauteils, c) Temperieren des Bauteils auf 200°C bis 500°C für 0,5 bis 4 Stunden, d) Abkühlen des Bauteils.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung sowie zur spanenden Bearbeitung eines Bauteils aus Stahl.
  • Typische Herstellverfahren, insbesondere von hoch beanspruchten massiven Warmumformteilen, umfassen in der Regel bis zu drei getrennte Arbeitsschritte für das Schmieden und die Wärmebehandlung.
    Schritt 1: Erwärmen des Rohwerkstoffs auf bis zu 1.200°C und Warmumformen, bspw. Schmieden eines Bauteils, welches anschließend auf Raumtemperatur abkühlt.
    Schritt 2: Glühen des Bauteils durch Erwärmen auf ca. 700°C bis 800°C für eine Dauer von bis zu 24 Stunden und anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur. Dieser Schritt wird außer zur Erzielung eines für die anschließende Härtung vorteilhaften Gefügezustands auch durchgeführt, falls entweder ein spanendes Bearbeiten im weichen Zustand erforderlich oder anschließend nur partiell gehärtet werden soll und ein Teil des Bauteils ein zäheres Gefüge haben soll.
    Schritt 3: Härten bzw. Vergüten des bearbeiteten Bauteils durch Erwärmen auf eine Härtetemperatur je nach Stahllegierung im Bereich von 900°C mit anschließendem Abschrecken und ggf. zusätzlichem Anlassen.
  • Anschließend wird das Bauteil ggf. fertig bearbeitet.
  • Das bedeutet, dass der Werkstoff insgesamt bis zu dreimal erwärmt und wieder abgekühlt werden muss. Dies macht einen hohen Zeit- und Energieaufwand erforderlich und ist damit kostenintensiv.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzuentwickeln, dass unter Reduzierung des Zeit- und Energieaufwands Bauteile vergleichbarer Qualität hergestellt werden können.
  • Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
    • a) Erwärmen und Warmumformen des Bauteils,
    • b) Abschrecken des Bauteils,
    • c) Temperieren des Bauteils je nach Stahllegierung auf 200°C bis 500°C für 0,5 bis 4 Stunden,
    • d) Abkühlen des Bauteils.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbares Bauteil.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren entfällt der Verfahrensschritt des Glühens (Schritt 2 im oben erläuterten Stand der Technik). Die Verfahrensschritte des Warmumformens und Härtens werden erfindungsgemäß zu einem einzigen Verfahrensschritt zusammengefasst, bei dem das Bauteil zuerst warmumgeformt und dann so schnell wie möglich auf die Umwandlungstemperatur von 200°C bis 500°C (je nach Stahllegierung) abgeschreckt wird.
  • Im Ergebnis ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik erheblich verkürzt, weil das zeitintensive Glühen entfällt und das Härten kein separater Arbeitsschritt mehr ist. Ferner ist der Energiebedarf erheblich reduziert, weil das Bauteil nicht mehr bis zu dreimal, sondern nur einmal von Raumtemperatur auf die jeweilige Warmumformtemperatur erwärmt werden muss. Nach dem Warmumformen wird das Bauteil nicht mehr auf Raumtemperatur abgekühlt, sondern bei der Umwandlungstemperatur gehalten, um in einem einzigen Schritt die gewünschte Werkstofffestigkeit einzustellen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Umwandlungstemperatur wesentlich niedriger als im Stand der Technik, was eine weitere Energieeinsparung bewirkt. Die Reduktion von Fertigungszeit und Energieeinsatz führt zu beträchtlichen Kosteneinsparungen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • In Schritt a) wird das Bauteil vorzugsweise bei einer Temperatur bis zu 1.200°C warmumgeformt, insbesondere geschmiedet. Nach dem Schmieden wird das Bauteil so schnell wie möglich auf die erfindungsgemäße Umwandlungstemperatur von je nach Stahllegierung 200°C bis 500°C abgeschreckt. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass das Bauteil vor dem Abschrecken im Austenitisierungs-Temperaturbereich gehalten wird, um vorzeitige Gefügeveränderungen zu vermeiden.
  • In Schritt b) wird das Abschrecken vorzugsweise in einem auf die erfindungsgemäße Umwandlungstemperatur von je nach Stahllegierung 200°C bis 500°C temperierten Ölbad oder Salzbad vorgenommen. Zweckmäßigerweise ist dieses Ölbad oder Salzbad in unmittelbarer Nähe der Schmiedevorrichtung aus Schritt a) angeordnet, um den Zeitabstand zwischen Schritt a) und Schritt b) so kurz wie möglich zu halten. Die Verwendung eines Ölbades oder Salzbades hat ferner den Vorteil, dass das Bauteil während des Härtungsvorgangs in Schritt c) im Salzbad oder Ölbad verbleiben kann. Alternativ kann aber auch eine dem Fachmann grundsätzlich bekannte Hochdruck-Gasabschreckung oder ein anderes gebräuchliches Verfahren zum Einsatz kommen und der Härtungsvorgang in Schritt c) in einem konventionellen Ofen durchgeführt werden.
  • In Schritt b) bzw. c) wird insbesondere zur Bearbeitung von Wälzlagerstählen wie 100Cr6, 58CrV4 oder Cf53 und ähnlichen Stahltypen besonders bevorzugt in Schritt b) auf eine Temperatur von 200°C bis 250°C abgeschreckt und in Schritt c) über 2 Stunden bis 4 Stunden temperiert.
  • In Schritt c) kann das Temperieren in an sich bekannter Weise in einem konventionellen Ofen durchgeführt werden.
  • Nach dem Abkühlen in Schritt d) kann das Bauteil ggf. fertig bearbeitet werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein bainitisch gehärtetes Bauteil erhalten. Im Stand der Technik erfolgt dagegen in der Regel eine martensitische Randschichthärtung oder eine Durchhärtung mit martensitischem oder bainitischem Gefüge.
  • Das bainitische Durchhärten des Bauteils zeichnet sich im Vergleich zum Stand der Technik durch folgende vorteilhafte Werkstoffeigenschaften aus: höhere Zähigkeit, hohe Verschleiß- und Schwingungsfestigkeit, geringerer Verzug, geringere Maß- und Formänderung, verminderte Gefahr einer Härterissbildung und sehr niedrige Eigenspannungen.
  • Geeignete Werkstoffe für das Bauteil sind bspw. legierte oder hochlegierte Stähle. Dazu zählen insbesondere Stähle vom Typ 100Cr6, 58CrV4 und CF53 oder ähnliche Stahlsorten. Bei anderen Stahlsorten können die angegebenen Behandlungszeiten und Temperaturen den jeweiligen Erfordernissen und/oder Werkstoffeigenschaften angepasst werden.
  • Bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren, insbesondere hoch beanspruchten, Bauteilen handelt es sich bspw. um Nocken für die Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs oder um Lagerringe für Kugellager. Es sind aber auch beliebige andere Bauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen denkbar.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
  • 1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines Verfahrens gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Das Verfahren gemäß dem Stand der Technik wird, wie es in 1 dargestellt ist, wie folgt durchgeführt. In Schritt 1 wird das Bauteil auf eine Warmumformtemperatur von in der Regel bis zu 1.200°C erwärmt, umgeformt, bspw. geschmiedet, und abgekühlt. In Schritt 2 wird das Bauteil von neuem auf eine Glühtemperatur von etwa 700°C bis 800°C erwärmt und bis zu 24 Stunden bei dieser Temperatur belassen, was mittels durchbrochener Linien dargestellt ist. Anschließend wird das Bauteil abgekühlt. In Schritt 3 wird das Bauteil noch einmal auf eine Härtungstemperatur im Bereich von etwa 900°C bis 950°C erwärmt und anschließend abgeschreckt. Dabei erfolgt eine martensitische oder bainitische Härtung des Bauteils. Bei Bedarf wird das Bauteil in sich bekannter Weise abschließend angelassen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht gemäß 2 die folgenden Verfahrensschritte vor. In Schritt a) wird das Bauteil auf eine Warmumformtemperatur von bis zu 1.200°C erwärmt und umgeformt, bspw. geschmiedet. In Schritt b) wird das warmumgeformte Bauteil so schnell wie möglich auf eine Umwandlungstemperatur von je nach Stahllegierung 200°C bis 500°C abgeschreckt, bspw. durch Eintauchen in ein entsprechend temperiertes Ölbad oder Salzbad oder durch Hochdruck-Gasabschreckung. In Schritt c) wird das Bauteil je nach Stahllegierung für 0,5 bis 4 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, bspw. indem es im entsprechend temperierten Salzbad oder Ölbad verbleibt. Während dieser Zeit erfolgt das bainitische Härten des Bauteils. In Schritt d) wird das Bauteil abgekühlt.
  • Es ist darauf zu achten, dass vor dem Abschrecken das Bauteil im Austenitisierungs-Temperaturbereich gehalten wird, um vorzeitige und unerwünschte Gefügeveränderungen zu vermeiden. Dies ist in 2 mit der gestrichelten Linie L dargestellt.
  • Wenn als Werkstoff ein Wälzlagerstahl vom Typ 100Cr6, 58CrV4, Cf53 oder ein ähnlicher Werkstoff verwendet wird, bei mindestens 850°C gehalten wird, erfolgt das Abschrecken in Schritt b) auf eine Temperatur von 200°C bis 250°C. In Schritt c) wird das Bauteil vorzugsweise 2 bis 4 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Austenitisierungs-Temperatur beträgt mindestens 850°C.
  • Erfindungsgemäß wird das Bauteil nur ein einziges Mal ausgehend von der Raumtemperatur erwärmt, und zwar auf seine Warmumformtemperatur. Das Bauteil wird erfindungsgemäß auch nur ein einziges Mal auf Raumtemperatur abgekühlt, und zwar nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich nach dem bainitischen Härten. Der zeit- und energieaufwändige Schritt des Glühens entfällt ganz. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Zeit- und Energieersparnis und daraus folgend eine beträchtliche Kostenreduktion.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat ferner den Vorteil, dass es problemlos in bereits bestehende und im Stand der Technik bekannte Fertigungslinien für unterschiedliche Bauteile integriert werden kann.
  • Wie sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft für die Verkürzung von Fertigungsprozessketten nutzen lässt, wird im Folgenden an Beispielen von Nocken für gebaute Nockenwellen von Kraftfahrzeugen und Kugellagerringen dargestellt.
  • Ein erstes mögliches Verfahren zur Herstellung von Nocken für gebaute Nockenwellen von Kraftfahrzeugen besteht in der Regel aus den folgenden Schritten:
    1. Verfahren für Nocken Erfindungsgemäßes Verfahren
    Schmieden Schmieden und bainitisches Härten in einem Schritt
    Glühen ./.
    Induktionshärten der Randschicht (martensitisch) Bearbeiten der Innenkontur Ggf. Anlassen im Bereich der Bohrung Bearbeiten der Innenkontur
    Montage der Nockenwelle Montage der Nockenwelle
    Konturschleifen Konturschleifen
  • Die Trennlinien begrenzen zusammengehörige Prozessschritte.
  • Erfindungsgemäß fallen die Schritte „Glühen” und „Induktionshärten” weg und werden durch den einzigen Verfahrensschritt „Schmieden und bainitisches Härten” ersetzt. Daraus ergibt sich eine optimierte Verfahrensführung, da nach dem einzigen Verfahrensschritt „Schmieden und bainitisches Härten” und ggf. einem Anlassen zur Verbesserung der spanenden Bearbeitbarkeit sofort mit der Endbearbeitung begonnen werden kann.
  • Ein zweites mögliches Verfahren zur Herstellung von Nocken für Nockenwellen von Kraftfahrzeugen, bei dem die Nocken vor der Montage allseitig geschliffen werden, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls wesentlich vereinfacht werden:
    2. Verfahren für Nocken Erfindungsgemäßes Verfahren
    Schmieden Schmieden und bainitisches Härten in einem Schritt
    Glühen ./.
    ggf. Planschleifen Planschleifen
    Induktionshärten (martensitisch) Bearbeiten der Innenkontur Ggf. Anlassen im Bereich der Bohrung Bearbeiten der Innenkontur Konturschleifen
    Planschleifen ./.
    Konturschleifen ./.
    Montage Montage
  • Die Trennlinien begrenzen zusammengehörige Prozessschritte.
  • Erfindungsgemäß fallen die Schritte „Glühen” und „Induktionshärten” weg und werden durch den einzigen Verfahrensschritt „Schmieden und bainitisches Härten” ersetzt. Die Verfahrensschritte „Bearbeiten der Innenkontur” und „Konturschleifen” weisen lange Kontaktzeiten auf, d. h. der Ausstoß von bearbeiteten Bauteilen pro Stunde ist vergleichsweise gering. Beim bekannten Verfahren wechseln diese Verfahrensschritte mit dem Planschleifen ab, das nur eine kurze Taktzeit hat. Durch den Verzug der Bauteile beim Induktionshärten kann das Planschleifen erst nach diesem Arbeitsgang durchgeführt werden, wodurch die Bearbeitungsschritte nur sehr schwierig zeitlich aufeinander abgestimmt werden können. Dies macht das kostenintensive Vorhalten von Pufferzeiten und Lagerflächen für die teilweise bearbeiteten Bauteile notwendig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, den einzigen verbliebenen Verfahrensschritt mit kurzer Taktzeit, nämlich das Planschleifen der bainitisch gehärteten Nocken, direkt nach dem erfindungsgemäß kombinierten Schmiede-/Härtungsverfahren durchzuführen. Die anschließenden Verfahrensschritte „Bearbeitung der Innenkontur” und „Konturschleifen” weisen ausnahmslos lange Taktzeiten auf, können zeitlich gut aufeinander abgestimmt und verkettet durchgeführt werden (bspw. durch Übergabe von einer Bearbeitungsstation zur nächsten mit Hilfe von Robotern). Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Verfahrensablauf erzielt werden.
  • Ein drittes mögliches Verfahren zur Herstellung von Nocken für Nockenwellen von Kraftfahrzeugen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls vereinfacht werden.
    3. Verfahren für Nocken Erfindungsgemäßes Verfahren
    Schmieden Schmieden und bainitsches Härten in einem Schritt
    Härten (ggf. bainitisch) ./.
    ggf. Planschleifen ggf. Planschleifen
    Montage Montage
    Konturschleifen Konturschleifen
  • Die Trennlinien begrenzen zusammengehörige Prozessschritte.
  • Erfindungsgemäß fällt in diesem Fall der separate Arbeitsschritt „Härten” weg und wird durch den einzigen Verfahrensschritt „Schmieden und bainitsches Härten” ersetzt. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Verkürzung der Durchlaufzeit für die gesamte Fertigung.
  • Auch ein Standard-Verfahren zur Herstellung von Lagerringen für Kugellager kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich vereinfacht werden.
    Verfahren für Lagerringe Erfindungsgemäßes Verfahren
    Schmieden Schmieden und bainitisches Härten in einem Schritt
    Glühen ./.
    Weichbearbeitung (Drehen) ./.
    Härten (martensitisch o. bainitisch) ./.
    Hartbearbeitung (Schleifen u/o Honen) Hartbearbeitung (Drehen u/o Schleifen u/o Honen)
    Montage Montage
  • Die Trennlinien begrenzen auch hier zusammengehörige Prozessschritte.
  • Auch in diesem Fall ergibt sich eine beträchtliche Verkürzung der Durchlaufzeit für die gesamte Fertigung.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Bauteils aus Stahl, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Erwärmen und Warmumformen des Bauteils, b) Abschrecken des Bauteils, c) Temperieren des Bauteils auf 200°C bis 500°C für 0,5 bis 4 Stunden, d) Abkühlen des Bauteils.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) das Bauteil bei einer Temperatur bis zu 1.200°C warmumgeformt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zwischen Schritt a) und Schritt b) im Austenitisierungs-Temperaturbereich gehalten wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zwischen Schritt a) und Schritt b) oberhalb einer Temperatur von 850°C gehalten wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Abschrecken in einem Ölbad oder Salzbad vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Abschrecken mittels Hochdruck-Gasabschreckung vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil aus einem Gleitlagerstahl verwendet wird und in Schritt c) das Temperieren bei einer Temperatur von 200°C bis 250°C über 2 bis 4 Stunden erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Stähle vom Typ 100Cr6, 58CrV4 und CF53 oder ähnliche verwendet werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in Schritt c) in einem Ölbad oder Salzbad temperiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in Schritt c) in einem konventionellen Ofen temperiert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) das Bauteil fertig bearbeitet wird.
  12. Bauteil, herstellbar durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Bauteil nach Anspruch 12, nämlich ein Nocken für die Nockenwelle eines Kraftfahrzeugs.
  14. Bauteil nach Anspruch 12, nämlich ein Lagerring für ein Kugellager.
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