DE4303884A1

DE4303884A1 - Verfahren zur Herstellung von Maschinenbauteilen, insbesondere Wälzlagerelementen

Info

Publication number: DE4303884A1
Application number: DE19934303884
Authority: DE
Inventors: Karl-Ludwig Dipl Ing Grell
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenbau teilen, insbesondere Wälzlagerelementen, deren mechanisch beanspruchte Flächen aus einem Stahl mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt und deren tragende Teile aus einem niedrig legierten Stahl mit geringem Kohlen stoffgehalt bestehen.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 39 19 199 bekannt. Ringför mige Wälzlagerelemente werden danach wie folgt hergestellt:

- Aufpressen und/oder Umformen eines Tragkörpers mit einem Laufring zu einem einstückigen Wälzlagerelement
- Erwärmen des Wälzlagerelementes auf Härtetemperatur von 850°C
- Halten des Wälzlagerelementes auf Härtetemperatur zum Austeniti sieren
- Abschrecken des Wälzlagerelementes in Öl, Salz oder Wasser
- Erwärmen des Wälzlagerelementes auf eine Anlaßtemperatur von 160 bis 240°C
- 1 bis 4 Stunden Halten auf Anlaßtemperatur
- Fertigschleifen der Wälzlagerelemente
- Hohnen und Polieren der Laufflächen der Wälzlagerelemente.

Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß zur Herstellung eines derartigen Wälzlagerelementes eine Vielzahl von Arbeitsgängen erforderlich ist. So sind beispielsweise der Lauf ring und der den Laufring aufnehmende Tragkörper einzeln zu fertigen und zu einem Ganzen zusammenzufügen. Hinzu kommt, daß die so gefertig ten Teile einen Härteverzug erleiden und daher zur Erzielung der geforderten Genauigkeit nachgeschliffen und nachpoliert werden müssen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenbauteilen zu schaffen, das einfach und kostengünstig ist und deren Herstellung auch ohne Härteverzug erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kernmaterial mit einem geringen Kohlenstoffgehalt wenigstens einseitig mit einem Auflagematerial mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt im Kaltwalzverfahren walzplattiert wird, dieser Werkstoffverbund gehärtet und angelassen wird, so daß das Auflagematerial eine Härte von 300 bis 550 HV und das Kernmaterial eine Härte bis 250 HV aufweist und anschließend der Werkstoffverbund durch eine ein- oder mehrstufige Kaltumformung umge formt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß durch die Plattierung des Bandes und die anschließende Vergütung einerseits ein Synergie-Effekt entsteht, das heißt die Werkstoffe beeinflussen sich gegenseitig und ermöglichen so eine gute Umformfähigkeit des Bandes, während andererseits durch den Umformvorgang bzw. die Umformvorgänge in den einzelnen Kalibrierstufen eine kaltverfestigte, geglättete Laufbahn bzw. Oberfläche entsteht, die eine hinreichende Härte und somit Tragfähigkeit beispielsweise für Wälzkörper besitzt oder Ver schleißbeanspruchungen allgemeiner Art standhält.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung nach Anspruch 2 sieht vor, daß das Kernmaterial aus einem Stahl mit 0,05 bis 0,25% Kohlenstoff und das Auflagematerial aus einem Stahl mit 0,45 bis 1,1% Kohlenstoff besteht. Diese Werkstoffkombination erlaubt durch Vergüten eine pro blemlose Einstellung der gewünschten Härtewerte von 300 bis 550 HV im Randbereich und 140 bis 250 HV im Kernbereich, so daß durch das weiche Kernmaterial die Tiefziehfähigkeit und durch das Auflagematerial die entsprechende Verfestigung gegeben ist. Bedingt durch die Kaltver festigung kann die Härte im Randbereich auch bis auf 650 HV ansteigen.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 und 4 sollen das Kern material aus einem Stahl der Sorte St 4, C 10, C 22 oder 15 Cr 3 und das Auflagematerial aus einem Stahl der Sorte Ck 67 bestehen. Welche entsprechende Stahlsorte als Kernmaterial verwendet wird, ist anwen dungsspezifisch und hängt von der geforderten Tragfähigkeit im Kern- bzw. im Außendurchmesserbereich ab.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 sollen die Maschinenbauteile zwischen 150 und 350°C einem Anlassen mit dem Ziel einer Ausscheidungshärtung unterworfen werden. Darunter ist ein Erwär men und Halten bei einer von der Legierungskombination abhängigen Temperatur sowie ein Abkühlen zu verstehen, um bei legierten Stählen durch disperse Ausscheidungen von Sonderkarbiden und intermetallischen Phasen eine hohe, bis nahe zur angewandten Anlaßtemperatur beständige "Warmhärte" zu erzielen. Durch eine derartige zusätzliche Wärmebehand lung wird neben der Härtesteigerung auch eine Steigerung der Streck grenze des kaltverfestigten Werkstoffes erreicht, so daß ein solches Lager auch für höhere Betriebstemperaturen, z. B. 350°C noch geeignet ist.

Auch sollen nach Anspruch 6 die Maschinenbauteile einer Nitrierung unterworfen werden. Dies kann beispielsweise in einem Gasstrom oder in einem Bad erfolgen. Bei der Nitrierung wird ein Wälzlagerelement einer Stickstoffatmosphäre in statu nascendi ausgesetzt, so daß der Stick stoff in die Stahloberfläche eindiffundieren kann. Es entstehen harte Metallnitride, die die Verschleißfestigkeit, die Wechselfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit eines derartig behandelten Stahles ent scheidend verbessern ohne die Maßhaltigkeit wesentlich zu verändern.

Schließlich ist es nach Anspruch 7 auch möglich, daß das Kernmaterial auf der einen Seite mit einem Auflagematerial mit erhöhtem Kohlen stoffgehalt und auf der anderen Seite mit einem Auflagematerial aus Kupfer oder einer Kupferlegierung plattiert ist. Dadurch wird einer seits erreicht, daß die Gleiteigenschaften während des Kaltumform prozesses verbessert werden und andererseits die Korrosionsbeständig keit eines entsprechenden Bauteiles von außen her erhöht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an nachfolgenden Ausführungsbei spielen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Nadelhülse, das heißt ein Nadellager kleinster radialer Bauhöhe. Lager dieser Ausführung bestehen aus einem dünnwandigen, spanlos geformten Außenring 1 und Nadelrollen 2, die zusammen eine Baueinheit bilden. Die exakte Führung der Nadelrollen 2 in einem Käfig 3 sichert die einwandfreie Funktion eines derartigen Lagers auch bei hohen Drehzahlen. Die Nadelrollen 2 laufen dabei entweder auf einer nicht dargestellten gehärteten Welle oder werden mit einem ebenfalls nicht dargestellten Innenring kom biniert.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, besteht der Außenring 1 aus einem Kernmaterial 1.1, das beidseitig mit einem Auflagematerial 1.2 bzw. einem Auflagematerial 1.3 verbunden ist.

Dieses ringförmige Wälzlagerelement in Form einer Nadelhülse bzw. eines Lageraußenringes 1 ist nach folgendem Verfahren hergestellt:

Ein Stahlband der Kennung St 4 wird auf der einen Seite mit einer Kupferplattierung 1.3 und auf der anderen Seite mit einem Auflagemate rial 1.2 - Ck 67 -, das heißt einem Stahl mit 0,67% Kohlenstoff versehen. Die Dicke des Auflagematerials 1.2 ist dabei so gewählt, daß sie bis zu 20% der Gesamtstärke des Werkstoffverbundes ausmacht bzw. einer üblichen Einhärtetiefe entspricht, falls eine Einsatzhärtung erfolgt.

Nach Passieren des Kaltwalzgerüstes wird der Werkstoffverbund in einer üblichen Vergütungsanlage wärmebehandelt und dabei zunächst oberhalb der GOSK-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm über 830°C so lange belassen, daß mit Sicherheit eine Durchwärmung des plattierten Bandes erfolgt. Im vorliegenden Fall beträgt die Haltezeit dafür etwa bis zu fünf Minuten.

Nach dem Abschrecken in einem Ölbad wurde das Band nochmals bei 300°C angelassen und gleichzeitig plangepreßt. Ein derartig wärmebehandeltes Band weist eine Ck 67-Schicht mit einer Härte von 450 HV, eine Kupfer schicht auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Härte von 80 HV und eine tragende Materialkernzone aus vergütetem St 4 mit einer Härte von 220 HV auf.

Ein derartig behandeltes Band wird nun durch Kaltumformung in Form von Fließpressen in einem mehrstufigen Verfahren zu einer Nadelhülse tiefgezogen. Das Tiefziehen ist ein Umformungsvorgang, bei dem der Werkstoff durch Drücken, Dehnen und Stauchen in einer oder mehreren Stufen in einen Hohlkörper verwandelt wird. Der Tiefziehvorgang ist dabei so zu gestalten, daß das Auflagematerial 1.2 innen liegt, das heißt, die Lauffläche der Nadelrollen 2 bildet. Nach jeder Verformung tritt eine Kaltverfestigung der Oberfläche ein, so daß ein derartig gefertigtes Wälzlagerelement 1 einerseits aufgrund der Härte des Auflagematerials 1.2 eine entsprechende Tragfähigkeit besitzt und andererseits eine an die Einbaubedingungen ausgezeichnet angepaßte Präzision aufweist.

Die Härte des Auflagematerials 1.2 des Wälzlagerelementes 1 wurde mit 550 HV ermittelt und damit lag dessen Tragfähigkeit bei ca. 80% der von herkömmlich hergestellten Wälzlagerelementen.

Die in Fig. 2 dargestellte Prallkappe 4 ist ein Beispiel für ein Maschinenbauteil, dessen Flächen einer hohen mechanischen Beanspru chung ausgesetzt werden. Die Prallkappe 4 besteht aus einem Grundkör per 5, der mit einer Platte 6 verbunden ist. Die Platte wiederum besteht aus einem Kernmaterial 1.1 aus St 4 und ist einseitig nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Auflagematerial 1.2 aus Ck 67 walzplattiert.

Anwendungsgebiet derartiger Prallkappen sind Einspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, bei denen aus einer Einspritzdüse austretender Kraftstoff zwecks feiner Verteilung unter hohen Druck auf das Auflage material 1.2 aufgespritzt wird.

Bezugszeichenliste

1 Wälzlagerelement
1.1 Kernmaterial
1.2 Auflagematerial
1.3 Auflagematerial
2 Nadelrollen
3 Käfig
4 Prallkappe
5 Grundkörper
6 Platte

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Maschinenbauteilen, insbesondere Wälzlagerelementen, deren mechanisch beanspruchte Flächen aus einem Stahl mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt und deren tragende Teile aus einem niedrig legiertem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kernmaterial (1.1) mit einem geringen Kohlenstoffgehalt wenigstens einseitig mit einem Auflagematerial (1.2) mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt im Kaltwalzverfahren walzplattiert wird, dieser Werkstoffverbund gehärtet und angelassen wird, so daß das Auflagematerial (1.2) eine Härte von 300 bis 550 HV und das Kernmate rial (1.1) eine Härte bis 250 HV aufweist und anschließend der Werk stoffverbund durch eine ein- oder mehrstufige Kaltumformung umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernma terial (1.1) aus einem Stahl mit 0,05 bis 0,25% Kohlenstoff und das Auflagematerial (1.2) aus einem Stahl mit 0,45 bis 1,1% Kohlenstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernma terial (1.1) aus einem Stahl der Sorte St 4, C 10, C 22 oder 15 Cr 3 besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflage material (1.2) aus einem Stahl der Sorte Ck 67 besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschi nenbauteile zwischen 150 und 350°C einem Ausscheidungsanlassen unter worfen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschi nenbauteile einer Nitrierung unterworfen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernma terial (1.1) auf der einen Seite mit einem Auflagematerial (1.2) mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt und auf der anderen Seite mit einem Aufla gematerial (1.3) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung plattiert ist.