Verfahren zur Herstellung von gehärteten Bauteilen aus Stahl

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gehärteten, insbesondere wälzbeanspruchten, Bauteilen aus Stahl, beispielsweise zur Herstellung von Muttern von Wälzkörpergewindetrieben.

[0002] Herkömmlich wird bei derartigen Herstellungsverfahren ein Halbzeug aus Wälzlagerstahl, beispielsweise 100 Cr 6, im weichen Zustand vorgeformt. Anschließend werden entweder das komplette Bauteil oder zumindest dessen Funktionsflächen wärmetechnisch behandelt, um eine geforderte Oberflächenhärte von ≥ 58 HRC zu erhalten, sowie die für die Belastung im Betrieb erforderliche Einhärtetiefe zu erzielen. Mittels der Wärmebehandlung werden dabei üblicherweise martensitische Gefügestrukturen erzeugt, die den genannten Bedingungen genügen. Auf Grund der komplexen, nicht-monokausalen Wechselwirkungen zwischen den inneren Spannungen des Bauteils im ungehärteten Zustand, den durch die Wärmbehandlung induzierten Thermospannungen auf Grund von Temperaturgradienten als auch den phasenumwandlungsbedingten Umwandlungsspannungen ergeben sich Form- und Maßänderungen des Bauteils (Härteverzug). Diese Form- und Maßänderungen sind zum großen Teil stochastischer Natur und können durch Optimierung des Vormaterials, der Weichteilbearbeitung sowie der Wärmebehandlung nur unzureichend berücksichtigt werden. Die für die Funktion von wälzbeanspruchten Bauteilen, beispielsweise Muttern von Wälzkörpergewindetrieben, benötigten hochgenauen Geometrien können daher nur dadurch erzielt werden, dass man das Bauteil im weichen Zustand mit einem entsprechenden Aufmaß vorformt und im Anschluss an die Wärmebehandlung im gehärteten Zustand zur Ausbildung der geforderten Geometrie mit definierter oder undefinierter Schneide nachbearbeitet. Dies ist äußerst aufwendig.

[0003] Es wurden daher bereits verschiedene alternative Herstellungsverfahren vorgeschlagen, welche das Ziel hatten, den Hartbearbeitungsprozess entfallen lassen zu können. Hierzu sei beispielsweise auf die US 6,334,370 B1 verwiesen. Diese Ansätze führten jedoch entweder dazu, dass die geforderten Maßgenauigkeiten nicht erfüllt werden konnten, oder dazu, dass durch das gleichzeitige Entfallen der Wärmebehandlung die allgemeinen Anforderungen an wälzbeanspruchte Bauteile nicht erfüllt werden konnten.

[0004] Aus der DE 198 21 797 C1 ist aber auch ein Verfahren zur Herstellung von gehärteten Bauteilen aus Stahl bekannt, bei welchem ein als lufthärtender Stahl bezeichneter Werkstoff eingesetzt wird. Dabei versteht diese Druckschrift, ebenso wie die vorliegende Erfindung, unter lufthärtenden Stählen eine Klasse von Werkstoffen, deren Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten nach einer Austenitisierung unter der Annahme der Wärmeübergangskoeffizienten von Luft Abkühlgeschwindigkeiten ergibt, die ausreichen, um eine martensitische Phasenumwandlung zu initiieren. Bei dem bekannten Verfahren wird der Stahl auf über 1100°C erwärmt, bei dieser Temperatur erfolgt eine Warmumformung der Bauteile und die Bauteile werden anschließend unter gleichzeitiger thermomechanischer Behandlung in Luft abgekühlt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die bei der Warmumformung und der thermomechanischen Behandlung eingesetzten Werkzeuge den jeweils herrschenden Temperaturen von bis zu 1100°C widerstehen können müssen. Es ist also der Einsatz von Spezialwerkzeugen erforderlich. Darüber hinaus muss die Bearbeitung der Bauteile temperaturgesteuert erfolgen, d.h. unter räumlich und/oder anlagentechnisch eingeschränkten Bedingungen.

[0005] Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von gehärteten Bauteilen aus Stahl, insbesondere wälzbeanspruchten Bauteilen, wie Muttern von Wälzkörpergewindetrieben, anzugeben, welches ohne spanabhebende Hartbearbeitung der Bauteile und ohne den Einsatz von Spezialwerkzeugen auskommt.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von gehärteten Bauteilen aus Stahl, umfassend die Schritte:

• Herstellen eines Halbzeugs aus lufthärtendem Stahl,
• Kaltumformen des Halbzeugs in das fertig geformte Bauteil,
• Härten des fertig geformten Bauteils mittels einer Wärmebehandlung.

[0007] Die in der vorliegenden Anmeldung als "lufthärtende" Stähle bezeichneten Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Homogenität, sehr gute plastische Kaltbearbeitungseigenschaften, gute Zerspaneigenschaften im weichen Zustand sowie hervorragende Zerspaneigenschaften im gehärteten Zustand aus. Der Mindestkohlenstoffgehalt ist so gewählt, dass sichergestellt ist, dass die für den Verwendungszweck als wälzbelastetes Bauteil erforderliche Mindesthärte sicher eingestellt werden kann. Wie bereits erwähnt, erlaubt das spezielle Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten dieser Stähle zur Ausbildung von martensitischen Strukturen eine derart genügend langsame Abkühlung, dass keine forcierte Abkühlung mittels Wasser, Polymerlösungen, Ölen, Salzschmelzen oder über eine Gashochdruckabschreckung oder dergleichen durchgeführt werden muss.

[0008] In Folge der hierdurch möglichen Minimierung von Abkühlungseigenspannungen zeigt das Material im Rahmen einer Wärmebehandlung zur erzeugung martensitischer und/oder bainitischer Gefüge nur geringe Form- und Maßänderungen. Diese Werkstoffe zeigen ein hoch- und höchstlegierten Güten analoges Abkühlverhalten, ohne jedoch die bei diesen durch die hohen Anteile von Legierungselementen bedingten hohen Rohmaterialkosten zu verursachen. Im Unterschied zu hochlegierten Güten können die bei diesen auf Grund deren spezieller Mischphasenthermodynamik erforderlichen, kostenintensiven sekundärmetallischen Prozesse, wie ESR und VAR, entfallen. Insbesondere kann bei Einsatz lufthärtender Stähle durch eine langsame Abkühlung, beispielsweise eine Abkühlung an ruhender bzw. inerter Luft, die martensitische Gefügeumwandlung induziert werden, ohne dass kostenintensive Legierungselemente in entsprechend hoher Konzentration vorhanden sein müssen.

[0009] Insgesamt hat sich gezeigt, dass lufthärtende Stähle die für gehärtete Bauteile, insbesondere die für wälzbeanspruchte Bauteile, erforderliche Maßhaltigkeit auch dann aufweisen, wenn sie bereits im kalten Zustand in ihre endgültige Form gebracht werden, und die Wärmebehandlung tatsächlich nur noch dem Härten des fertig geformten Bauteils dient. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit nicht nur möglich geworden, auf eine spanabhebende Hartbearbeitung nach der Wärmebehandlung zu verzichten, sondern auch die formgebende Bearbeitung des Bauteils im kalten Zustand und somit mit herkömmlichen Werkzeugen durchzuführen. Beides zusammen führt zu erheblichen Kosteneinsparungen und Vereinfachungen bei der Herstellung der Bauteile.

[0010] Unabhängig von der genauen Art der Wärmebehandlung kann ein geeigneter lufthärtender Stahl die folgende Zusammensetzung aufweisen:

etwa 0,31 Gew.-% bis etwa 0,85 Gew.-% Kohlenstoff (C),

etwa 0,95 Gew.-% bis etwa 2,10 Gew.-% Silizium (Si),

etwa 1,15 Gew.-% bis etwa 1,85 Gew.-% Mangan (Mn),

etwa 0,00 Gew.-% bis etwa 1,65 Gew.-% Chrom (Cr),

etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Nickel (Ni),

etwa 0,10 Gew.-% bis etwa 0,70 Gew.-% Molybdän (Mo),

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, wobei die üblichen Verunreinigungen beispielsweise Sauerstoff (O) in einer Konzentration von bis zu 10 ppm und Titan (Ti) in einer Konzentration von bis zu 30 ppm sein können.

[0011] Vorzugsweise gelangt ein Stahl mit

etwa 0,67 Gew.-% Kohlenstoff (C),

etwa 1,50 Gew.-% Silizium (Si),

etwa 1,50 Gew.-% Mangan (Mn),

etwa 1,00 Gew.-% Chrom (Cr),

etwa 0,10 Gew.-% Nickel (Ni),

etwa 0,25 Gew.-% Molybdän (Mo),

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen zur Anwendung.

[0012] Die Formgebung des Bauteils kann beispielsweise durch Hämmern erfolgen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das Halbzeug durch Gewindebohren und Drücken kaltumzuformen. Diese beiden an sich bekannten Kaltumformungs-Varianten sollen nachfolgend am Beispiel der Herstellung der Mutter eines Wälzkörpergewindetriebs näher erläutert werden:

[0013] Beim Hämmern bzw. Rundkneten wird ein zylindrisches Halbzeug auf einen Profildorn aufgeschoben, der die Innenkontur der Wälzkörperlaufbahn aufweist. Durch eine Mehrzahl von Stößel, die drehend und durch Fliehkraft eine Schlagbewegung ausführen, wird das Material des Halbzeugs auf den Profildorn geformt. Das Werkstück führt dabei eine Axialbewegung und damit einen Vorschub aus. Nach der Kaltverformung wird der Profildorn aus dem Bauteil herausgedreht und es folgt eine spanabhebende Bearbeitung der Außenkontur.

[0014] Beim Gewindebohren und Drücken wird das Bauteil bis auf die Wälzkörperlaufbahn durch spanende Bearbeitung hergestellt. Die Laufbahn wird zunächst durch Gewindebohren mit einem geringen Aufmaß in das Bauteil eingeformt. Anschließend wird sie durch einen Drückprozess auf Maß gebracht und ihre Oberfläche geglättet.

[0015] Als Beispiele für im Rahmen des erfindüngsgemäßen Herstellungsverfahrens geeignete Wärmebehandlungen seien hier das Durchhärten über das gesamte Bauteilvolumen mittels konventioneller Ofentechnik, sei es mit oder ohne spezielle Atmosphäre, mittels Vakuumhärteverfahren oder mittels magnetischer Erwärmung, das induktive Härten oder Flammhärten bestimmter Funktionsbereiche und das Nitrieren oder Karbonitrieren erwähnt. Als Eckdaten, die das Umwandlungsverhalten des Stahles und somit den Phasenraum einer thermo-mechanischen Bearbeitungsmöglichkeit beschreiben, sind zu nennen:

• Die Austenitisierung erfolgt bei einer Temperatur T_Austenit von mehr als 900°C, vorzugsweise zwischen etwa 920°C und etwa 950°C,
• Die Perlitbildung erfolgt bei Abkühlgeschwindigkeiten von weniger als etwa 0,1 K/sec in einem Temperaturbereich zwischen einer Starttemperatur T_Perlit,Start von etwa 680°C und einer Endtemperatur T_{Perlit,Finish} von etwa 650°C.
• Die Martensitbildung beginn bei einer Temperatur T_{Martensit,Start} von etwa 200°C.

[0016] Während im Fall herkömmlich durchhärtender Wälzlagerstähle, beispielsweise SAE 52100, die Bauteile in Sekunden auf eine T_{Martensit,Start} von etwa 290°C abgekühlt werden muss, stehen im Fall der vorliegenden Erfindung Stunden zur Verfügung. Bedingt durch die Legierungszusammensetzung sind jedoch im Rahmen einer industriellen Wärmebehandlung bzw. thermomechanischer Prozesse Abkohlungseffekte zu berücksichtigen.

[0017] Nach dem Härten kann das Bauteil dann noch einer Oberflächenveredelung unterzogen werden, wobei hierunter keine geometrieerzeugenden spanabhebenden Prozesse verstanden werden, sondern lediglich Prozesse wie beispielsweise Polieren, Schleifpolieren, Läppen oder dergleichen, die entscheidende Oberflächenkenngrößen beeinflussen, beispielsweise die Oberflächenrauhigkeit, ausgedrückt beispielsweise als arithmetischer Mittenrauhwert Ra, der Rauhtiefe Rz (arithmetischer Mittelwert der Einzelrauhtiefen Rzi aufeinanderfolgender Einzelstrecken), der maximalen Rauhtiefe Rmax innerhalb einer vorbestimmten Messstrecke, dem Verhältnis Rmr der Länge des materialerfüllten Streckenabschnitts zur Länge der Gesamtmessstrecke, oder der Spitzenzahl HSC, d.h. der Anzahl der Profilspitzen, die ein vorgegebenes Schnittniveau überschreiten (vgl. DIN 4762 bzw. ISO 4287/1).

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von gehärteten Bauteilen aus Stahl, umfassend die Schritte:

- Herstellen eines Halbzeugs aus lufthärtendem Stahl,

- Kaltumformen des Halbzeugs in das fertig geformte Bauteil,

- Härten des fertig geformten Bauteils mittels einer Wärmebehandlung.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein lufthärtender Stahl mit folgender Zusammensetzung verwendet wird:

etwa 0,31 Gew.-% bis etwa 0,85 Gew.-% Kohlenstoff (C),

etwa 0,95 Gew.-% bis etwa 2,10 Gew.-% Silizium (Si),

etwa 1,15 Gew.-% bis etwa 1,85 Gew.-% Mangan (Mn),

etwa 0,00 Gew.-% bis etwa 1,65 Gew.-% Chrom (Cr),

etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 0,20 Gew.-% Nickel (Ni),

etwa 0,10 Gew.-% bis etwa 0,70 Gew.-% Molybdän (Mo),

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,

vorzugsweise ein lufthärtender Stahl mit folgender Zusammensetzung:

etwa 0,67 Gew.-% Kohlenstoff (C),

etwa 1,50 Gew.-% Silizium (Si),

etwa 1,50 Gew.-% Mangan (Mn),

etwa 1,00 Gew.-% Chrom (Cr),

etwa 0,10 Gew.-% Nickel (Ni),

etwa 0,25 Gew.-% Molybdän (Mo),

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug durch Hämmern kaltumgeformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug durch Gewindebohren und Drücken kaltumgeformt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Härten allenfalls noch einer Oberflächenveredelung unterzogen wird.