DE69808916T2 - Verfahren und vorrichtung zum wärmebehandeln von metallische ringen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum wärmebehandeln von metallische ringen

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Wärmebehandlung bei Stahlringen insbesondere für Lager, bei dem die äußere Oberfläche und die innere Oberfläche eines vorerwärmten Rings verschiedenen Strömen eines Kühlmediums ausgesetzt werden, so dass die Bereiche von diesen Oberflächen unterschiedlichen Abkühlungsprozessen unterzogen werden, und die Stromzuführung auf eine solche Weise gesteuert wird, dass ein gewünschtes Eigenspannungsmuster in dem Ring erhalten wird, indem man die Ausbreitung einer Phasenumwandlung von Austenit- zur Martensit-Materialstruktur steuert.
  • Ein solches Verfahren ist in der DE-C-42 08 485 offenbart. Mittels dieses Verfahrens kann ein Lagerring hergestellt werden, dessen innere und äußere Oberfläche unterschiedliche Härten aufweisen.
  • Der Zweck der Erfindung besteht darin, ein allgemeines Wärmebehandlungsverfahren zur Erzeugung von Ringen insbesondere für Lager von jeglichem Typ anzubieten, die eine breite Anwendung aufweisen. Beim normalen Prozess einer Herstellung von solchen Lagerringen wird in einem ersten Schritt ein Ring aus einem Rohr geschnitten oder aus einem geeigneten Stahlmaterial geschmiedet. Entsprechend einer weiteren Möglichkeit kann ein solcher Ring durch einen Kaltwalz- oder Warmformgebungsprozess gebildet werden. Anschließend werden die Ringe einer Drehbearbeitung unterzogen und dann werden sie wärmebehandelt.
  • Die Wärmebehandlung zieht das Erwärmen der Ringe auf eine Temperatur von etwa der Austenitisierungstemperatur und dann die Durchführung eines Abschreckvorgangs, um eine Martensitstruktur zu erhalten, und schließlich ein Tempern nach sich.
  • Bei diesem Prozess wird der fragliche Ring verzogen, was zur Folge hat, dass sich die Form und die Größe der Ringe ändert und z. B. seine Unrundheit zunimmt. Um den Ring zur Verwendung in einem Lager geeignet zu machen, sollten seine Abmessungen innerhalb enger Toleranzen wiederhergestellt werden, was einen kostspieligen Schleifvorgang nach sich zieht.
  • Die Änderungen in der Größe des Stahlmaterials können auf Grundlage von Erfahrung auf eine vernünftige Weise vorhergesagt werden. Diese Änderungen resultieren unter anderem aus der Volumenänderung, die während des Martensitübergangsprozesses beim Abschrecken auftritt. Im Gegensatz dazu sind die Änderungen in der Form der Ringe weniger vorhersagbar. Diese Änderungen resultieren aus "Inhomogenitäten" in den Ringen, wie z. B. in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihren Mikrostrukturen, ihrer möglichen Entkohlung und ihren Verformungen.
  • Jedoch resultieren die hauptsächlichen Variationen in der Form aus Unterschieden in Restspannungen. Schließlich wird die Form der Ringe durch plastische Verformungen vor und während einer Wärmebehandlung und nach dem Abschrecken beeinflusst.
  • Das Ziel der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereitzustellen, mittels dessen die Variationen in der Form der Ringe auf eine zuverlässigere Weise gesteuert werden können. Dieses Ziel wird erreicht, indem man ein aus einer Kombination von Flüssigkeit und Gas bestehendes Kühlmedium anwendet und den Ring in axialer Richtung in seinen Innendurchmessern festklemmt, wobei die Klemmkraft auf eine solche Weise gesteuert wird, dass Unrundheit infolge der Abkühlungsprozesse auf ein Minimum beschränkt wird, und wobei die in axialer Richtung ausgeübte Klemmkraft in Bezug zur Temperaturabnahme des Rings bis unter die Martensitübergangstemperatur gesteuert wird.
  • Die Ströme des Kühl-Sprühmittels oder -Nebels, die beide genau gesteuert werden, werden nun verwendet, um ein Spannungsmuster im Ring zu erstellen, das weniger Verziehungen hervorruft. Insbesondere wird zur Herstellung eines Rings für ein Lager mit einem Laufring auf einer von seinen Oberflächen die Sprühmittel- oder Nebelzufuhr zu den Oberflächen auf eine solche Weise gesteuert, dass Druckspannungen in der Oberflächenzone am Laufring erhalten werden.
  • Die Druckspannungen in der Nähe des Laufrings, die durch Zugspannungen in der Nähe der anderen Oberfläche des Rings kompensiert werden, weisen auch einen positiven Einfluss auf das Verhalten des Rings unter Rollberührung mit den Rollen auf, insofern als die Entwicklung von Rissen, die sich aus einer Rollberührungsermüdung ergeben würden, dadurch gehemmt wird.
  • Um den Herstellungsprozess genau zu steuern, wird die Oberflächentemperatur von mindestens einer Oberfläche gemessen.
  • Das Kühlmedium, wie z. B. ein Sprühmittel oder Nebel, kann durch Wasser und Luft bei einer geeigneten Temperatur, z. B. im Bereich von 0-50 Grad C, und mit einem Überdruck gebildet werden. Beide Oberflächen der Ringe können gleichzeitig durch eine Mischung eines Kühlmittels, wie z. B. Wasser und Luft, behandelt werden.
  • Während dieses Prozesses kann der Ring mit einer Winkelgeschwindigkeit im Bereich von 0-200 Umdrehungen pro Minute um seine Achse gedreht werden.
  • Wie erwähnt, wird die Sprühmittel- oder Nebelzufuhr auf eine solche Weise gesteuert, dass eine Martensitmikrostruktur des Stahlmaterials erhalten wird; gleichzeitig wird die in axialer Richtung ausgeübte Klemmkraft in Bezug zur Temperaturabnahme des Rings bis unter die Martensitübergangstemperatur gesteuert. Folglich werden die Ströme von Sprühmittel oder Nebel entsprechend einer vorbestimmte Abkühlungskurve im Phasendiagramm gesteuert.
  • Ein weiteres Verfahren zur Durchführung einer Wärmebehandlung bei Stahlringen ist in der JP-A-57174415 offenbart. Entsprechend diesem Verfahren werden die äußeren und inneren Ringoberflächen durch ein Raumunterteilungselement in einem separaten Abstandshalter aufgenommen. Anschließend wird die innere Ringoberfläche einer Wasserkühlbehandlung, die äußere Ringoberfläche einer Luftkühlbehandlung unterzogen.
  • Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmebehandlung bei Stahlringen, umfassend eine Trageeinrichtung für einen zu behandelnden Ring, erste und zweite Zufuhreinrichtungen zur Zufuhr eines Kühlmediums zur äußeren Oberfläche respektive zur inneren Oberfläche des Rings und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Zufuhr von Kühlmedium, um ein gewünschtes Eigenspannungsmuster im Ring bei Umgebungstemperatur zu erhalten.
  • Eine Vorrichtung dieses Typs ist in der FR-A-2593197 offenbart. Gemäß der Erfindung sind die Zufuhreinrichtungen verwirklicht, um ein Sprühmittel oder Nebel einer Kombination von einer Flüssigkeit und einem Gas zuzuführen, und umfassen die Trageeinrichtungen eine Spannvorrichtung zum axialen Festklemmen des Rings, wobei die Spannvorrichtung einen oberen Stempel und einen unteren Stempel aufweist, die mittels Zylinder/Kolben-Vorrichtungen in Richtung aufeinander zu bewegt werden können, um einen Ring festzuklemmen, wobei der obere Stempel und der untere Stempel in Bezug zu ihren Achsen mittels Lagern drehbar getragen werden, wobei ein Antriebsmotor bereitgestellt ist, um die Stempel in Drehung zu versetzen, wobei die durch die Zylinder/Kolben-Vorrichtungen ausge¬ übte Klemmkraft und die Drehgeschwindigkeit der Stempel durch die Steuereinrichtung gesteuert werden.
  • Eine kurze Zusammenfassung der Erfindung wird unten gegeben.
  • Der Abkühlungsprozess wird durch einen Computer mit zwei einzeln arbeitenden geschlossenen Regelschleifen gesteuert.
  • Eine Schleife ist dem Steuern der Temperatur auf der äußeren Oberfläche dediziert, und eine Schleife ist der Steuerung der Innenoberflächentemperatur des Rings dediziert.
  • Bevor mit dem tatsächlichen Abkühlungsprozess begonnen wird, werden die erforderlichen Temperatur-Zeit-Kurven für den Innen- und Außendurchmesser des Rings als einige typische Temperatur-Zeit-Sollwerte in den Computer eingegeben. Die Kurven zwischen diesen Sollwerten werden durch den Computer berechnet, so dass die zwei Kurven erhalten werden, die die Abkühlungskurven für den Innen- und Außendurchmesser des Rings vollständig beschreiben. Während des Abkühlungsprozesses wird die Temperatur des Rings sowohl auf dem Innen- als auch dem Außendurchmesser mittels zwei berührungsfreier Temperaturmessvorrichtungen gemessen. Die Signale dieser Vorrichtungen werden zur Rückführung zu den Steuerungen verwendet. Die Steuerungen stellen ihrerseits den Wasserstrom zu den Innen- und Außendüsen ein, abhängig von Unterschieden zwischen den tatsächlich gemessenen Temperaturen verglichen mit der entsprechend den Temperatursollwertkurven erforderlichen Temperatur. Der Luftstrom zu den Düsen kann auf einem konstanten Niveau gehalten werden oder kann vom Wasserstrom abhängig gemacht sein.
  • Da die Temperatursollwertkurve für den Innendurchmesser und Außendurchmesser vollständig unabhängig voneinander sind, ist es möglich, während des Verlaufs des Abkühlungsprozesses die Abkühlungsgeschwindigkeit auf dem Innendurchmesser unabhängig vom Außendurchmesser zu variieren. Dies ist wesentlich dafür, dass man das Spannungsprofilmuster durch den Ringquerschnitt auf eine reproduzierbare Weise steuern kann.
  • Die Erfindung wird weiter mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
  • Fig. 1 stellt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Zeitpunkt eines Positionierens eines Rings dar.
  • Fig. 2 stellt die Vorrichtung entsprechend Fig. 1 im Betrieb dar.
  • Fig. 3 gibt eine Übersicht über das Steuersystem für die Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • Die Vorrichtung in den Fig. 1 und 2 umfasst eine Basis 1, die Druckluft-Zylinder/Kolben-Vorrichtungen 2 sowie festangebrachte Säulen 16 trägt. Oben auf den Zylinder/Kolben- Vorrichtungen 2 ist ein unterer Rahmen 3 montiert, der einen unteren Stempel 17 trägt, der mittels einer weiteren Zylinder/Kolben-Vorrichtung 10 in Bezug zum Rahmen 3 nach oben und nach unten bewegbar ist.
  • Am oberen Ende der Säulen 16 ist ein oberer Rahmen 7 montiert, der einen festangebrachten oberen Stempel 14 trägt. Die Säulen 16 tragen weiter einen Zufuhrring 6, der mit einer Anzahl von radial nach innen gerichteten Sprühdüsen 5 versehen ist. Durch den oberen Rahmen 7 und den oberen Stempel 14 erstreckt sich ein Zufuhrrohr 8, dessen unteres Ende mit einer radial nach außen gerichteten Sprühdüse 13 versehen ist.
  • Im Betrieb ist ein Ring von Stahlmaterial 12 auf dem unteren Stempel 17 platziert, der sich noch in seiner unteren Position befindet. Anschließend werden die Hydraulik-Kolben/Zylinder-Vorrichtungen 2 und 10 auf eine solche Weise betrieben, dass der obere Rand des Rings 12 zwischen dem unteren Stempel 17 und dem oberen Stempel 14 festgeklemmt wird. Mittels eines Drucksensors 9, der zwischen dem unteren Ende der Kolben/Zylinder-Vorrichtung 10 und einem Rahmenteil 11 des unteren Rahmens 3 positioniert ist, kann die auf den Ring 12 ausgeübte Klemmkraft gesteuert werden.
  • Der untere Stempel 17 und der obere Stempel 14 sind in Lagern 11, 15 aufgenommen, so dass nach Aktivierung eines Antriebsmotors (nicht dargestellt), diese Stempel 17, 14 zusammen mit dem Ring 12 in Drehung versetzt werden. Weiter wird eine Mischung aus Wasser und Luft unter Druck dem Rohr 6 und 8 auf eine solche Weise zugeführt, dass ein gesteuerter Strom von Kühl-Wasser/Luft-Mischung auf die äußere Oberfläche und die innere Oberfläche des Rings 12 gesprüht wird.
  • Wie in der schematischen Darstellung von Fig. 3 dargestellt, wird die Vorrichtung entsprechend den Fig. 1 und 2 unter Computersteuerung eines Computers 18 betrieben. Dieser Computer enthält geeignete Programme zum Besprühen der inneren und äußeren Oberfläche des Rings 12. Information über die Temperatur des Rings 12 wird der Steuereinheit 18 zugeführt, wie durch ein Berührungsthermoelement 19 oder einen berührungsfreien Sensor 20 gemessen.
  • Der Computer 18 steuert die Ventile 21, 22 bzw. 23, 24 zum Steuern der Zufuhr von Wasser bzw. Luft in Richtung auf die Düsen 5 und 13. Die Ventile 21, 23 werden über eine Leitung 25 von einem Luftpuffer 26 gespeist; die Ventile 22, 24 werden über eine Leitung 27 von einem Wasserpuffer 28 gespeist.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 18 ein Ventil 29, um den Druck in der Kolben/Zylinder-Vorrichtung 10 zu steuern und dadurch die auf den Ring 12 durch den unteren Stempel 17 und oberen Stempel 14 ausgeübte Klemmkraft zu steuern.
  • Durch Programmieren der Steuereinheit 18 auf eine geeignete Weise kann jegliche Abkühlungs/Abschreck-Prozedur für den Ring 12 simuliert werden. Z. B. kann selbst, wenn Wasser und Luft als (umgebungsfreundliches) Kühlmedium verwendet werden, eine Ölabkühlungskurve erhalten werden, indem man einfach die Ventile 21-24 auf die gewünschte Weise steuert.
  • Während dieses Prozesses werden Verziehungen des Rings minimiert, indem man die gewünschte axiale Klemmkraft des Rings 12 mittels des unteren Stempels 17 und des oberen Stempels 14 ebenfalls unter Steuerung der Steuereinheit 18 ausübt.
  • Wie erwähnt, kann die Sprühabschreckvorrichtung vordefinierten Abkühlungskurven auf der äußeren bzw. inneren Ringoberfläche folgen. Indem man die Abkühlungseigenschaften für den Außen- und Innendurchmesser des Rings sorgfältig auswählt, kann die resultierende Mikrostruktur und Restspannungsmuster gesteuert werden. Dies wird nun auch in Bezug zu dem CCT(Dauerkühlungs-Umwandlungs)-Diagramm in Fig. 4 erklärt.
  • In dieser Figur bezeichnet Bereich I Austenit + Bainit, II bezeichnet Austenit + Perlit, III bezeichnet Austenit + Carbid und IV bezeichnet Martensit + Carbid (+ Austenit).
  • Beispiel 1: Kurve M1 stellt die Abkühlungskurve für den Außendurchmesser und Kurve M2 für den Innendurchmesser eines Lagerinnenrings dar. Durch ein intensiveres Kühlen auf dem Innendurchmesser auf ein Temperaturniveau um die Martensitstarttemperatur (Ms), gefolgt von langsamem, aber gesteuertem Kühlen auf Raumtemperatur, schreitet die Martensitumwandlung auf eine gesteuerte Weise durch die Ringwand fort. Diese Abschreckprozedur ergibt ein vorteilhafteres Restspannungsmuster (weniger Zug- oder selbst Druckspannungen) im Laufringbereich des Innenrings, wodurch eine längere Lager-Betriebslebensdauer ermöglicht wird. Für Außenringe würde die Abkühlungsprozedur für die innere bzw. äußere Oberfläche umgekehrt sein.
  • Beispiel 2: Kurve B stellt einen Abkühlungspfad dar, um eine Bainitmikrostruktur zu erzeugen. Nach einer gesteuerten Abschreckung auf die Bainitumwandlungstemperatur wird eine ausgeglichene Wärmeübertragung (Kühlen, um Umwandlungswärme zu entfernen, oder Erwärmen, um Wärmeverluste an die Umgebung zu kompensieren, abhängig von den tatsächlichen Bedingungen) während einer Zeit aufrechterhalten, die ausreicht, um die Bainitumwandlung zu vervollständigen. Diese Abkühlungskurve erzeugt nur geringe Restspannungen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Durchführung einer Wärmebehandlung bei Stahlringen insbesondere für Lager, bei dem die äußere Oberfläche und die innere Oberfläche eines vorerwärmten Rings verschiedenen Strömen eines Kühlmediums ausgesetzt werden, so dass die Bereiche von diesen Oberflächen unterschiedlichen Abkühlungsprozessen unterzogen werden, und die Stromzuführung auf eine solche Weise gesteuert wird, dass ein gewünschtes Eigenspannungsmuster in dem Ring erhalten wird, indem die Ausbreitung einer Phasenumwandlung von Austenit- zu Martensit-Materialstruktur gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass man ein aus einer Kombination von Flüssigkeit und Gas bestehendes Kühlmedium anwendet und den Ring in axialer Richtung in seinen Innendurchmessern festklemmt, wobei die Klemmkraft auf eine solche Weise gesteuert wird, dass Unrundheit infolge der Abkühlungsprozesse auf ein Minimum beschränkt wird, und wobei die in axialer Richtung ausgeübte Klemmkraft in Bezug zur Temperaturabnahme des Rings bis unter die Martensitübergangstemperatur gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Rings für ein Lager mit einem Laufring auf einer von seinen Oberflächen, wobei die Kühlmediumzufuhr zu den Oberflächen auf eine solche Weise gesteuert wird, dass für den Lagerlaufring in der Nähe der Oberfläche Druckspannungen erhalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Klemmkraft in einem vorgeschriebenen Bereich gesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Oberflächentemperatur von mindestens einer Oberfläche gemessen wird, um den (die) Abkühlungsprozess(e) zu steuern.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kühlmedium ein Sprühmittel oder Nebel ist, das/der durch Wasser und Luft bei einer geeigneten Temperatur im Bereich von 0-50 Grad C und mit einem definierten Überdruck gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ring und die Düsen mit einer Relativgeschwindigkeit im Bereich von 0-200 Umdrehungen pro Minute um die Achse des Rings gedreht werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kühlmediumzufuhr auf eine solche Weise gesteuert wird, dass eine Martensitmikrostruktur des Stahlmaterials erhalten wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kühlmediumströme entsprechend einer vorbestimmten Abkühlungskurve im Umwandlungsdiagramm gesteuert werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Abkühlungsprozess auf eine solche Weise gesteuert wird, dass ein gewünschtes Eigenspannungsmuster erhalten wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte
- Auswählen einer ersten gewünschten Abkühlungskurve im Temperatur-Zeit-Gebiet für die innere Oberfläche eines Rings,
- Auswählen einer zweiten gewünschten Abkühlungskurve im Temperatur-Zeit-Gebiet für die äußere Oberfläche eines Rings,
- Messen der augenblicklichen Temperaturen der inneren und äußeren Oberfläche,
- Steuern des Stroms von Kühlmittel für die innere Oberfläche und des Stroms von Kühlmittel für die äußere Oberfläche auf Grundlage der ersten und zweiten gewünschten Abkühlungskurve und der gemessenen Temperaturen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Kühlmittel eine Mischung aus einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, und einem Gas, wie z. B. Luft, ist, umfassend den Schritt eines Variierens des Flüssigkeitsstroms.
12. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den Schritt eines Aufrechterhaltens des Gasstroms auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau.
13. Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmebehandlung bei Stahlringen gemäß dem Verfahren von einem der Ansprüche 1-12, umfassend eine Trageeinrichtung (1-3, 7, 9-11, 14-17) für einen zu behandelnden Ring (12), erste (5, 6, 23, 24) und zweite (8, 13, 21, 22) Zufuhreinrichtungen zur Zufuhr eines Kühlmediums zur äußeren Oberfläche respektive zur inneren Oberfläche des Rings (12) und eine Steuereinrichtung (18) zum Steuern der Zufuhr von Kühlmedium, um ein gewünschtes Eigenspannungsmuster im Ring (12) bei Umgebungstemperatur zu erhalten, wobei die Zufuhreinrichtungen verwirklicht sind, um ein Sprühmittel oder Nebel einer Kombination von einer Flüssigkeit und einem Gas zuzuführen und die Trageeinrichtungen eine Spannvorrichtung (14, 17) zum axialen Festklemmen des Rings umfassen, wobei die Spannvorrichtung einen oberen Stempel (14) und einen unteren Stempel (17) aufweist, die mittels Zylinder/Kolben-Vorrichtungen (2) in Richtung aufeinander zu bewegt werden können, um einen Ring (12) festzuklemmen, wobei der obere Stempel (14) und der untere Stempel (17) in Bezug zu ihren Achsen mittels Lagern (11, 15) drehbar getragen werden, wobei ein Antriebsmotor bereitgestellt wird, um die Stempel (14, 17) in Drehung zu versetzen, wobei die durch die Zylinder/Kolben-Vorrichtungen (2) ausgeübte Klemmkraft und die Drehgeschwindigkeit der Stempel (14, 17) durch die Steuereinrichtung (18) gesteuert werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der obere Stempel (14) eine feste Position aufweist und der untere Stempel (17) mit einer Zylinder/Kolben-Vorrichtung (10) verbunden ist, um den unteren Stempel (17) in Richtung auf den oberen Stempel (14) zu bewegen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Zylinder/Kolben-Vorrichtung (10) zum Bewegen des unteren Stempels (17) in einem Unterrahmen (3) getragen wird, welcher Unterrahmen (3) durch weitere Zylinder/Kolben-Vorrichtungen (2) getragen wird, um den Unterrahmen (3) in dieselbe Richtung wie den unteren Stempel (17) zu bewegen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Unterrahmen (3) einen Förderer (4) trägt, um einen Ring (12) über dem unteren Stempel (17) in die in einigem Abstand vom oberen Stempel (14) angeordnete Unterrahmen (3)-Position zu bewegen.
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