Mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil aus mechanisch gehärtetem Stahl

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil, be¬ stehend aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 - 2,2%, mit wenigstens einer im Ein¬ satz mechanisch belasteten Fläche.

Hintergrund der Erfindung

Solche Stell- oder Lagerbauteile sind in unterschiedlicher Bauweise bekannt und kommen in verschiedenartigsten Anwendungen zum Einsatz. Als Stellele¬ ment sind insbesondere Motoreneiemente wie Schlepp- oder Kipphebel zu nennen, also mechanisch betätigte Bauteile, die ihrerseits andere Bauteile stel¬ len. Als Lagerbauteil ist beispielsweise ein Wälzlager beziehungsweise dessen Teile oder ein Gleitlager und dessen Teile wie Lagerbüchse, Lagerring etc. zu nennen. All diesen Stell- oder Lagerbauteilen ist gemeinsam, dass sie wenigs¬ tens eine im Einsatz mechanisch belastete Funktionsfläche aufweisen, über die beispielsweise ein Stellelement in Form eines Kipphebels an einem Stößel oder dergleichen angreift, oder auf der im Falle eines Wälzlagers die Wälzkör¬ per laufen. Die Bauteile sind dabei hohen mechanischen und tribologischen Belastungen ausgesetzt, weshalb es nötig ist, diese Bauteile nach der mecha¬ nischen Bearbeitung zu härten. Um die Maß- und Formgenauigkeit zu errei¬ chen, wird eine Endbearbeitung wie Schleifen oder Hartdrehen durchgeführt. Die Wärmebehandlung selbst erfolgt einmal je nach Stahlqualität durchhär¬ tend, z.B. bei 100Cr6, oder mittels Einsatzhärtung, z.B. bei 16MnCr5, oder durch verschiedene Varianten von Nitrierbehandlungen beziehungsweise Be-

Schichtungen.

Der Hauptnachteil der meisten derartigen Behandlungen ist der sogenannte Härteverzug und die sich einstellende Maßänderung. Die Bauteildimension variiert also in Folge der verschiedenen insbesondere thermischen Behandlun¬ gen zwischen der ursprünglich vor der Behandlung vorhandenen Form bezie¬ hungsweise Bemaßung und der letztendlich nach der Durchführung der jeweili¬ gen Behandlungen gegebenen Parameter. Dabei werden die Bauteile in best¬ möglichen Gefüge- und Härtezustand spanend oder spanlos bearbeitet, an¬ schließend bei hoher Temperatur gehärtet und schließlich mechanisch, also spanend endbearbeitet und beispielsweise durch Kugelstrahlen oder Rollieren kaltverfestigt. Neben dem in Folge der thermischen Härtebehandlung sich ein¬ stellenden Maß- und Härteverzug ist die Durchführung des separaten Härte¬ schrittes darüber hinaus auch zeit- und kostenaufwendig.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Stell- oder Lagerelement der eingangs genannten Art anzugeben das einfach und ohne die eingangs genannten Probleme hinsichtlich der Maß- und Formhaltigkeit herzustellen ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem mechanisch belastbaren Stell- oder Lagerelement bestehend aus dem oben genannten Stahl erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche ein metastabi¬ ler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% vorliegt, der durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche zumindest teil weise in Mar- tensit überführt ist.

Zur Herstellung des Stell- oder Lagerbauteils wird erfindungsgernäß ein Stahl verwendet, der eine metastabile Austenitphase ausbildet. Diese metastabile Austenitphase kann durch eine mechanische Bearbeitung der Fu nktionsfläche selbst, also beispielsweise der Auflagefläche eines Schlepp- oder Kipphebels oder der Lauffläche eines Gleitlagers aufgrund der mechanisch induzierten

Energie lokal in Martensit gewandelt werden. Es erfolgt also eine mechanisch induzierte Gefügeveränderung und damit Härtung unmittelbar im Bereich der Funktionsfläche.

Diese Eigenschaften werden bei Verwendung eines legierten Stahls mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 - 2,2% ermöglicht, wobei der konkret verwendete Stahl zum einen einen hinrei¬ chend hohen Kohlenstoff aufweisen muss, um eben eine hohe martensitische Härte von über 55 HRC, insbesondere von über 58 HRC zu erzielen. Ferner muss ein entsprechendes „Mangan-Nickel-Äquivalent" (Cr-Ni) zur Erzeugung des metastabilen Austenit bei entsprechend hohen Wärmebehandlungstempe¬ raturen gegeben sein, und schließlich muss eine hinreichende Feinkörnigkeit des Gefüges realisiert werden können.

Hierzu werden wie beschrieben vorzugsweise Stähle mit 0,5 - 2,2% Kohlen¬ stoff, einem Legierungsanteil von Chrom zwischen 5 - 20%, einem Mangan- Anteil von 2 - 8% sowie einem Nickel-Anteil von maximal 6% verwendet. Die Feinkörnigkeit und entsprechende Gefügemerkmale sind von Zugabe von bei¬ spielsweise Molybdän, Aluminium, Titan oder sonstiger Legierungselemente zu gewährleisten. Verwendet werden können auch herkömmliche Werkzeugstähle wie z.B. X210Cr12 oder X165CrMoVI 21 , wie sie insbesondere bei Motoren¬ elementen wie Schlepp- oder Kipphebel verwendet werden.

Eine zweite Werkstoffklasse stellt der Bereich der Einsatz- und Vergütungs¬ stähle dar. Diese hochlegierten Einsatzstähle wie z.B. 14NiCrMo14 oder noch höhere Legierungsbestandteile mit Summenwerten Nickel-Mangan- Chrom grö¬ ßer 7% und einem Randkohlenstoffgehalt/Randstickstoffgehalt, erzeugt durch die übliche Einsatzhärtung beziehungsweise Carbonisierung, von 0,5 - 1 ,5% Kohlenstoff beziehungsweise 0,1 - 0,6% Stickstoff bilden ebenfalls eine meta¬ stabile Austenitphase, die durch mechanischen Energieeintrag lokal in Marten¬ sit gewandelt werden kann. Voraussetzung ist, dass die Legierungselemente so eingestellt werden müssen, dass die Martensitbildungstemperatur nach der Aufkohlung und/oder Aufstickung beim Abschrecken nicht oder nur knapp un-

terschritten wird, so dass eine Zwischenstufenumwandlung oder ein Perlitzer- fall unterbleibt.

Die genannten Werkstoffe sind also prinzipiell in der Lage, bei hohen Einsatz- härtetemperaturen (Direkt- oder Einfachhärtung), z.B. über 1000 ⁰ C und einem schnellen Abschrecken ein quasi 80%iges oder noch höheres Austenitgefüge in der kohlenstoffreichen Randzone ausbilden, wobei der eingangs genannte Kohlenstoff antei I zumindest in dieser Randzone vorliegt, im Falle einer Aufsti¬ ckung sollte die Summe an Stickstoff und Kohlenstoff ebenfalls in diesem Be¬ reich liegen. Der gebildete metastabile Austenit liegt damit auch bei Raumtem¬ peratur vor, ist jedoch bei hinreichender Energiezcufuhr in Martensit umwandel¬ bar, wobei die Umwandlungsfähigkeit erfindungsgemäß von der mechanischen Bearbeitung abhängt.

Die Wärmebehandlung bei durchhärtenden Stäh len, im Rahmen welcher be¬ vorzugt bereits die Umformung zum fertigen Endbsuteil erfolgt, sieht zum einen die Hochtemperaturaustenitisierung und gegebenenfalls Aufkohlung bei ca. 1000 - 1250°C und anschließend ein Abschrecken im Salzbad bis ca. 150 ⁰ C oder auf Raumtemperatur vor. Anschließend kann eine weitere Abkühlung auf Raumtemperatur an Luft erfolgen, sofern noch erforderlich. Im Ergebnis bildet sich in den Randzonen (sofern nur dort der hinreichend hohe Kohlenstoffgehalt vorliegt) beziehungsweise im gesamten Querschnitt ein Austenitanteil von über 80%, bevorzugt von über 90% aus, wobei gegebenenfalls Karbide ausgeschie¬ den sind und gegebenenfalls Spuren von Martensit vorliegen. Anschließend erfolgt die mechanische Endbearbeitung des bereits umgeformten, jedoch me¬ tastabilen Austenit-Bauteils durch Drehen, Fräsen oder Schliefen. Durch diese Art der Gefügebeanspruchung an der Funktionsfläche entsteht in den entspre¬ chenden Wirktiefen eine mechanisch induzierte martensitische Umwandlung des metastabilen Austenits. Grundsätzlich ist die Tiefe der Umwandlungszone abhängig von der Werkzeug- Kontaktgeometrie (z.B. Spanwinkelverstellung), der zu erzeugenden Kontur, der Dauer sowie der Höhe der aufgebrachten Kraft und der herrschenden Temperatur bei der mechanischen Bearbeitung.

Insgesamt kann auf diese Weise ein sehr maßhaltiges Bauteil mit einer hinrei¬ chenden Härte im relevanten Bauteil bereich erreicht werden. Die Umformung des verwendeten Stahls zur Bauteilherstellung erfolgt bevorzugt während der Wärmebehandlung zur Hochtemperaturaustenitisierung. Ein zusätzlicher Hoch- temperaturschritt zur Härtung des Materials, wie im Stand der Technik vorge¬ sehen, entfällt, nachdem die Härtung durch martensitische Umwandlung bei dem erfindungsgemäßen Bauteil allein durch die mechanisch induzierte Ener¬ gie erfolgt.

Die Funktionsfläche sollte eine martensitische Härte von wenigstens 55 HRC, insbesondere von wenigstens 58 HRC aufweisen, wozu ein hinreichend hoher Kohlenstoffgehalt, der im erfindungsgemäß beanspruchten Bereich liegt, nötig ist. Der Stahl selbst kann wie beschrieben eine den metastabilen Austenit auf¬ weisende Schmelzlegierung sein, er kann aber auch durch eine separate Nit¬ rierung erzeugt werden, also im Rahmen einer elektro-chemischen Behand¬ lung.

Neben dem Stell- oder Lagerbauteil selbst trifft die Erfindung selber ein Verfah¬ ren zur Herstellung eines solchen Stel I- oder Lagerbauteils, das sich dadurch auszeichnet, dass das Bauteil zunächst aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 - 2,2% geformt wird, während oder wonach das Bauteil einer Temperaturbe¬ handlung unterzogen wird, und wonach das Bauteil anschließend abgeschreckt wird, so dass es sich wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche des Bauteils ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% bildet, wonach die Funktionsfläche mechanisch bearbeitet wird, so dass sich eine Randzone bildet, die zumindest teilweise Martensit aufweist.

Die mechanische Bearbeitung zur Martensitbildung kann bei erhöhter Tempe¬ ratur bis vorzugsweise ca. 500 ⁰ C, bei Raumtemperatur oder bei erniedrigter Temperatur bis vorzugsweise maximal — 200°C erfolgen. Insbesondere die Tief¬ temperaturbehandlung ist für die Martensitbildung vorteilhaft.

Sofern die mechanische Behandlung bei erhöhter Temperatur oder bei Raum¬ temperatur erfolgt, ist es zweckmäßig, zur Verbesserung der Martensitbildung eine Tiefkühlbehandlung bis vorzugsweise maximal -20O°C anzuschließen. Generell kann nach einer Tiefkühlbehandlung eine Temperaturbehandlung zum Anlassen des Bauteils bis maximal 600 ⁰ C erfolgen.

Auch ist es denkbar, unmittelbar nach der Bauteilformung, also vor der mecha¬ nischen Bearbeitung zur Martensitbildung, eine Tiefkühlbehandlung bis vor¬ zugsweise maximal -200 ⁰ C gegebenenfalls danach eine Anf assbehandlung bis maximal 600 ⁰ C zwischenzuschalten.

Des Weiteren kann zur weiteren Festigkeitssteigerung die Funktionsfläche wie auch die übrigen Bauteilflächen nach der mechanischen Behandlung zur Martensitbildung mechanisch nach¬ behandelt werden, insbesondere durch Kugelstrahlen oder Rollieren. Auch ein finales Feinbearbeiten wie Einschleifen oder Honen kann gegebenenfalls vor¬ gesehen sein.

Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verfahren wie auch das erfindungs¬ gemäße Stell- oder Lagerbauteil den Vorteil, dass der Härteverzug durch den Bearbeitungszustand einmalig aufgehoben wird und nicht wie im üblichen Ver¬ fahren durch Weichbearbeitung und Hartbearbeitung eine doppelte Bearbei¬ tung erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt eine Prinzipdarstellung eines mechanischen Stellele¬ ments in Form eines Kipphebels.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Stellelement 1 in Form eines um sein Lagerauge kippbaren Kipphebels 2, an dessen vorderem Arm 3 eine Funkti¬ onsfläche 4 vorgesehen ist, über die der Kipphebel beispielsweise an einem Stößel angreift. Der Kipphebel wurde aus einem Material hergestellt, das nach der Hochtemperaturaustenitisierung, im Rahmen welcher Temperaturbehand¬ lung der Kipphebel herausgearbeit wurde, im Rahmen der nachfolgenden Ab¬ schreckung eine metastabile Austenitphase bildet.

Um die Funktionsfläche 4 zu härten erfolgt nun, anders als irn Stand der Tech¬ nik, allein eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche, beispielsweise durch Drehen, Fräsen oder Schleifen, im Rahmen welcher Bearbeitung, die durch den Pfeil B dargestellt ist, unmittelbar an der Funktion sf lache mechani¬ sche Energie eingetragen wird, die die Umklappvorgänge, also die Umwand¬ lung des metastabilen Austenits in Martensit induziert. Es bildet sich, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, ein Bereich M aus, in dem ein hoher Ge¬ halt an Martensit vorliegt, während im restlichen Bauteilkörper metastabiler Austenit vorliegt. Infolge der mechanisch induzierten Martensitbildung erfolgt also keine weitere Temperaturbehandlung zur Härtung des Bauteils, die sich nachteilig auf die Maß- und Formgenauigkeit auswirken würde. Vielmehr behält das Bauteil die im Rahmen seiner ursprünglichen Umformung gegebenen Form und Maße sehr exakt.

Der mechanischen Behandlung zur Martensitbildung kann sich wie beschrie¬ ben eine Tieftemperaturbehandlung anschließen, im Rahmen welcher das Bau¬ teil auf beispielsweise -200 ⁰ C abgekühlt wird, wodurch die Ausbildung der martensitischen Struktur in der Bauteil randzone M noch weiter gefördert wird. Alternativ kann die Bearbeitung selbst bei erniedrigter Temperatur erfolgen, so dass eine separate Tiefkühlung nicht nötig ist. Im Rahmen ei nes nachfolgen¬ den Anlassens können etwaige Spannungen abgebaut werden.

Der in Fig. 1 gezeigte Kipphebel 2 stellt lediglich ein Ausführt! ngsbeispiel dar.

Denkbar ist es, auch andere Stell- oder Lagerbauteile durch mechanisch indu¬ zierte Martensitbildung zu härten. Zu nennen sind hier beispielsweise Gleitla¬ ger, bei denen die Laufflächen der GleitI ager, die ebenfalls aus metastabilem Austenit gebildet sind, mechanisch induziert in Martensit gewandelt werden.

Bezugszahlen

Stellelement Kipphebel Arm Funktionsfläche