DE10216492A1 - Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall. Zur Erhöhung der Lebensdauer des Wälzlager-Bauteils ist die Abfolge folgender Verfahrensschritte vorgesehen: a) Durchführung einer Wärmbehandlung zur Härtung des Bauteils, die mit einem Erwärmungsvorgang, insbesondere mit einem Anlass- oder Gefügeumwandlungsvorgang, bei vorgegebener Temperatur endet; b) Durchführung einer spanenden und/oder spanlosen Bearbeitung des Bauteils bei Raumtemperatur, um im Wesentlichen seine Endgeometrie und den gewünschten Oberflächenzustand herzustellen; c) anschließendes Gleitschleifen des Bauteils unter äußerer Wärmezufuhr bei einer Temperatur oberhalb 80 DEG C und unterhalb der Anlass- oder Gefügeumwandlungstemperatur.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall.
  • Bei der Herstellung von Wälzlager-Bauteilen wird das metallische Material zunächst in der Regel einer Wärmebehandlung zur Härtung des Werkstücks unterzogen, die mit einem Wärmungsvorgang endet, wobei es sich insbesondere um einen Anlass- oder Gefügeumwandlungsvorgang handelt. Anschließend erfolgt eine spanende und/oder spanlose Bearbeitung des Bauteils, um die gewünschte Endgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils herzustellen.
  • Wälzlager-Bauteile sind einer besonders hohen Belastung während ihres Einsatzes ausgesetzt. Bei der zyklischen Beanspruchung des Materials im Betrieb (Überrollung der Lagerringlaufbahnen durch die Wälzkörper des Lagers) setzt Versetzungsbeweglichkeit im Material ein, die einen Mechanismus zur Materialermüdung darstellt (vergleiche sogenannte Versetzungsdämpfung); dies trägt zur Werkstoffentfestigung und damit zum Ausfall der Wälzlager-Bauteile bei. Speziell bei Versagen von der Oberfläche aus, kommt es dort dabei im Schädigungsverlauf zu einem mechanisch induzierten Abbau der Druckeigenspannungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall vorzuschlagen, das zu einem Bauteil führt, das verbesserte Werkstoffeigenschaften aufweist. Es soll insbesondere eine höhere Lebensdauer aufweisen und in der Lage sein, erhöhte Belastung ohne vorzeitigen Bauteilausfall aufnehmen zu können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Abfolge folgender Schritte vorsieht:
    • a) Durchführung einer Wärmebehandlung zur Härtung des Bauteils, die mit einem Erwärmungsvorgang, insbesondere mit einem Anlass- oder Gefügeumwandlungsvorgang, bei vorgegebener Temperatur endet;
    • b) Durchführung einer spanenden und/oder spanlosen Bearbeitung des Bauteils bei Raumtemperatur, um im wesentlichen seine Endgeometrie und den gewünschten Oberflächenzustand herzustellen;
    • c) anschließendes Gleitschleifen des Bauteils unter äußerer Wärmezufuhr bei einer Temperatur oberhalb 80°C und unterhalb der Anlass- oder Gefügeumwandlungstemperatur.
  • Bevorzugt liegt die Temperatur bei der Durchführung des Schritts c) zwischen 80°C und 400°C. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Temperatur in einem Bereich zwischen 80°C und 150°C zu halten. Die äußere Wärmezufuhr, die dem Zweck der Erwärmung des Bauteils während der Gleitschleifbehandlung dient, kann beispielsweise über das Medium oder den Behälter erfolgen.
  • Das Bauteil wird bei der Durchführung des obigen Schritts c) bevorzugt für eine Zeit von mindestens 10 Minuten auf der Temperatur gehalten; besonders bewährt hat sich eine Behandlungszeit von mindestens 15 Minuten und höchstens 2 Stunden. Dabei kann die Dauer mit zunehmender Temperatur kürzer gewählt werden.
  • Insbesondere wenn die Temperatur bei der Durchführung des obigen Schrittes c) zwischen 80°C und etwa 120°C lag, lässt sich eine weitere Verbesserung der Materialeigenschaften dadurch erreichen, dass das Bauteil nach der Durchführung des obigen Schritts c) bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb der Anlass- oder Gefügeumwandlungstemperatur nacherwärmt wird. Bei der Nacherwärmung kann das Bauteil in der Gleitschleifanlage verbleiben. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Temperatur der Nacherwärmung gleich der Temperatur bei der Durchführung des obigen Schritts c) ist. Ferner hat es sich bewährt, wenn das Bauteil bei der Nacherwärmung eine Zeit von mindestens 5 Minuten auf der Temperatur gehalten wird; als maximale Nacherwärmungszeit hat sich ein Wert von 2 Stunden als günstig erwiesen. Wieder kann dabei die Dauer mit zunehmender Temperatur verkürzt werden. An der Oberfläche kann es durch die Nacherwärmung zu einem leichten Abbau der Druckeigenspannungen nach dem Gleitschleifen kommen, was aber beispielsweise bei Wälzlageranwendungen unbedeutend ist.
  • Die Wärmebehandlung gemäß obigen Schritt a) kann eine martensitische Durchhärtung, eine Einsatzhärtung oder eine Induktionshärtung eines Stahls mit abschließendem Kurzzeit- oder konventionellen Anlassvorgang sein. Es kann sich bei der Wärmebehandlung auch um eine bainitische Härtung eines Stahls handeln. Schließlich kann die Wärmebehandlung auch eine Härtung des Stahls in ein bainitisch-martensitisches bzw. martensitischbainitisches Mischgefüge sein.
  • Weiterhin kann vorgesehen werden, dass nach der Durchführung des obigen Schritts c) am Bauteil eine abschließende Feinbearbeitung durchgeführt wird, deren Einflusszone auf einen oberflächennahen Randbereich des Werkstoffs beschränkt ist. Bei der abschließenden Feinbearbeitung kann es sich um einen Honvorgang handeln.
  • Schließlich kann vorgesehen werden, dass der Werkstoff des Bauteils eine metallische Legierung mit interstitiell gelösten Atomen, insbesondere ein kohlenstoff- und/oder stickstofflegierter Stahl, ist. Der Werkstoff des Bauteils kann ein für Komponenten eines Wälz- oder Gleitlagers geeigneter Stahl, insbesondere Wälzlagerstahl oder Einsatzstahl sein.
  • In der Zeichnung sind für einen einsatz-, induktions- oder bainitisch gehärteten Stahl beispielhafte Eigenspannungs-Tiefenverläufe dargestellt, die röntgenographisch gemessen wurden. Es zeigen:
  • Fig. 1 den Eigenspannungs-Tiefenverlauf nach einer Gleitschleifbehandlung und
  • Fig. 2 den Eigenspannungs-Tiefenverlauf für Gleitschleifen nach Handrehen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall dient der Lebensdauersteigerung des Bauteils; das Bauteil besteht aus einem metallischen Werkstoff mit interstitiell gelösten Atomen (z. B. Kohlenstoff, Stickstoff). Die Steigerung der Lebensdauer wird erreicht durch eine Verminderung der Versetzungsbeweglichkeit in der hochbelasteten Randschicht bei gleichzeitiger Stabilisierung eines risshemmenden Druckeigenspannungszustands. Die Wirkung ist vergleichbar mit derjenigen einer Warmkugelstrahlbehandlung.
  • Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Warm-Gleitschleifen bei Temperaturen zwischen 80°C und 400°C, typischerweise zwischen 80°C und 150°C, als letzter Bearbeitungsschritt (geeignete Oberflächentopographie, z. B. für Wälzlagerlaufbahnen entsprechend Ra ≍ 0,1 µm) im Anschluss an die Wärmebehandlung (für Stähle, z. B. martensitisch, bainitisch) und eine Vorbearbeitung, wie etwa (Hochgeschwindigkeits-)Hartdrehen und/oder Vorschleifen, werden die Rissausbreitung hemmende Druckeigenspannungen mit Maximalwerten von mehreren 100 MPa und steilen Tiefenverläufen bis in den Bereich von 10 µm erzeugt (siehe Fig. 1; Überlagerung mit vorhergehenden Arbeitsschritten möglich, siehe Fig. 2) und es entsteht im Gebiet der (elastisch-plastischen) Randzone infolge bleibender Verformung ein versetzungsreiches und durch Substrukturen stabilisiertes Gefüge in der im Betrieb hoch beanspruchten oberflächennahen Schicht. Die erfindungsgemäße Erwärmung des betreffenden Bauteils während dieses Prozesses auf Temperaturen bis maximal zur Anlasstemperatur der vorangegangenen Wärmebehandlung, die die Verwendung eines geeigneten wärmebeständigen Mediums und die Beachtung von Maßstabilitäts- und Härteanforderungen verlangt, wird dank der mit der energetisch günstigen Segregation der gelösten Zwischengitteratome an die Versetzungskerne (Cottrell-Wolken, vergleiche dynamische Reckalterung) verbundenen Verminderung der Versetzungsbeweglichkeit in der Randschicht ein ermüdungsbeständiges Gefüge stabilisiert. Gleichzeitig erfolgt eine wünschenswerte Stabilisierung des Druckeigenspannungszustands, in der durch das Gleitschleifen beeinflussten Zone ohne betragsmäßige Abnahme, wie sie eine erst nachfolgende Erwärmung liefern würde. Bedeutsam ist ferner, dass durch die Diffusion der Zwischengitteratome an die Versetzungskerne auch der Versetzungszustand in größerer Tiefe, der auf eine geeignete Vorbearbeitung (z. B. nach Hartdrehen) zurückgeht, stabilisiert wird.
  • Die Stabilisierung des Versetzungszustands steigert die Lebensdauer des Bauteils. Dies kann im Unterschied zum konventionellen Gleitschleifen bei Raumtemperatur durch gleichzeitige Erwärmung des behandelten metallischen Bauteils (z. B. Wälzlagerring) über Diffusions- und Segregationsvorgänge von gelösten Zwischengitteratomen an die Versetzungskerne erreicht werden, wobei zugleich auch der dabei aufgebaute Druckeigenspannungszustand ohne betragsmäßige Abnahme stabilisiert wird. Das Gleitschleifen stellt eine nahezu spanlose Oberflächenbearbeitung dar.
  • Während das bekannte Gleitschleifen metallischer Bauteile bei Raumtemperatur keine Stabilisierung der vorliegenden Versetzungsstruktur und keine Stabilisierung des eingebrachten Druckeigenspannungszustands ermöglicht, wird dies erfindungsgemäß erreicht:
    Durch Erwärmen der Bauteile während des Gleitschleifens (Dauer typischerweise im Bereich 30 bis 45 Minuten) wird bei geeigneten metallischen Werkstoffen die erzeugte Versetzungsstruktur im Unterschied zur entsprechenden Raumtemperaturbehandlung durch thermisch aktivierte Diffusions- und Segregationsvorgänge von Zwischengitteratomen an die Versetzungskerne stabilisiert. Speziell wird in Stählen der interstitiell gelöste Kohlenstoff im Gitter beweglich und kann unter Bildung sogenannter Cottrell-Wolken an die Versetzungskerne diffundieren (Segregation, vergleiche dynamische Reckalterung). Diese Atomanordnung ist energetisch begünstigt und wirkt daher im Betrieb der einsetzenden Versetzungsbewegung entgegen. Dadurch wird die Lebensdauer gesteigert. Zusätzlich erfolgt eine Stabilisierung des Druckeigenspannungszustandes, der durch das Gleitschleifen in der im Betrieb hochbelasteten Randschicht eingebracht wird.
  • Geeignete Temperaturen liegen je nach Behandlungsdauer, verwendetem Werkstoff und durchgeführter Wärmebehandlung im Bereich zwischen 80°C und 400°C, z. B. für Wälzlager-Bauteile typischerweise zwischen 80°C und 150°C.
  • Die Erfindung hat sich besonders für die Behandlung metallischer Bauteile (z. B. Wälzlagerkomponenten) aus Werkstoffen mit interstitiell gelösten Atomen (z. B. Kohlenstoff, Stickstoff) nach der Wärmebehandlung und Vorbearbeitung bewährt. Die Vorbearbeitung muss dabei in der Tiefe unter der Einflusszone des Gleitschleifens (um 10 µm) einen geeigneten Eigenspannungszustand gewährleisten, wobei durch die während des Warmgleitschleifens ablaufenden Diffusions- und Segregationsvorgänge der gelösten Zwischengitteratome an die Versetzungskerne zugleich der Versetzungszustand in größeren Abständen von der Oberfläche (bei nur geringem, temperatur- und zeitabhängigem Verlust an maximaler Druckeigenspannung typischerweise um 10% bis 20%) stabilisiert werden kann.

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen eines Wälzlager-Bauteils aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass es die Abfolge folgender Schritte aufweist:
a) Durchführung einer Wärmebehandlung zur Härtung des Bauteils, die mit einem Erwärmungsvorgang, insbesondere mit einem Anlass- oder Gefügeumwandlungsvorgang, bei vorgegebener Temperatur (TE) endet;
b) Durchführung einer spanender und/oder spanloser Bearbeitung des Bauteils bei Raumtemperatur, um im wesentlichen seine Endgeometrie und den gewünschten Oberflächenzustand herzustellen;
c) anschließendes Gleitschleifen des Bauteils unter äußerer Wärmezufuhr bei einer Temperatur (T) oberhalb 80°C und unterhalb der Anlass- oder Gefügeumwandlungstemperatur (TE).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) bei der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 zwischen 80°C und 400°C liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) bei der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 zwischen 80°C und 150°C liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bei der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 für eine Zeit von mindestens 10 Minuten auf der Temperatur (T) gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bei der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 für eine Zeit von mindestens 15 Minuten und höchstens 2 Stunden auf der Temperatur (T) gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 bei einer Temperatur (TN) oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb der Anlass- oder Gefügeumwandlungstemperatur (TE) nacherwärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bei Durchführung der Nacherwärmung in der Gleitschleifanlage verbleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TN) der Nacherwärmung gleich ist der Temperatur (T) bei der Durchführung von Schritt c) gemäß Anspruch 1.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bei der Nacherwärmung für eine Zeit von mindestens 5 Minuten auf der Temperatur (TN) gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bei der Nacherwärmung für eine Zeit von höchstens 2 Stunden auf der Temperatur (TN) gehalten wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung nach Schritt a) gemäß Anspruch 1 eine martensitische Durchhärtung, eine Einsatzhärtung oder eine Induktionshärtung eines Stahls mit abschließendem Kurzzeit- oder konventionellen Anlassvorgang ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung nach Schritt a) gemäß Anspruch 1 eine bainitische Härtung eines Stahls ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung nach Schritt a) gemäß Anspruch 1 eine Härtung des Stahls in ein bainitisch-martensitisches bzw. martensitisch- bainitisches Mischgefüge ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung des Schritts c) gemäß Anspruch 1 am Bauteil eine abschließende Feinbearbeitung durchgeführt wird, deren Einflusszone auf einen oberflächennahen Randbereich des Werkstoffs beschränkt ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der abschließenden Feinbearbeitung um einen Honvorgang handelt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Bauteils eine metallische Legierung mit interstitiell gelösten Atomen, insbesondere ein kohlenstoff- und/oder stickstofflegierter Stahl, ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Bauteils ein für Komponenten eines Wälz- oder Gleitlagers geeigneter Stahl, insbesondere Wälzlagerstahl oder Einsatzstahl, ist.
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