DE102004051885A1 - Mechanically load-bearing actuator or bearing component made of mechanically hardened steel - Google Patents
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Abstract
Mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil, bestehend aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5-2,2%, mit wenigstens einer im Einsatz mechanisch belasteten Funktionsfläche, wobei wenigstens im Bereich einer Funktionsfläche (4) ein metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% vorliegt, der durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche (4) zumindest teilweise in Martensit überführt ist.Mechanically resilient actuating or bearing component, consisting of an alloyed steel with an alloying fraction of at least 7% and a carbon content of 0.5-2.2%, with at least one functional surface mechanically loaded in use, at least in the region of a functional surface (4) a metastable austenite having a microstructural content of at least 80% is present, which is at least partially converted into martensite by a mechanical treatment of the functional surface (4).
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die Erfindung betrifft ein mechanisch belastbares Stell- oder Lagerbauteil, bestehend aus einem legierten Stahl mit einem Legierungsanteil von wenigstens 7% und einem Kohlenstoffgehalt von 0,5 – 2,2%, mit wenigstens einer im Einsatz mechanisch belasteten Fläche.The Invention relates to a mechanically loadable positioning or bearing component, consisting of an alloyed steel with an alloy content of at least 7% and a carbon content of 0.5 - 2.2%, with at least one mechanically loaded surface in use.
Hintergrund der Erfindungbackground the invention
Solche Stell- oder Lagerbauteile sind in unterschiedlicher Bauweise bekannt und kommen in verschiedenartigsten Anwendungen zum Einsatz. Als Stellelement sind insbesondere Motorenelemente wie Schlepp- oder Kipphebel zu nennen, also mechanisch betätigte Bauteile, die ihrerseits andere Bauteile stellen. 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 wenigstens 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 Wälzkörper laufen. Die Bauteile sind dabei hohen mechanischen und tribologischen Belastungen ausgesetzt, weshalb es nötig ist, diese Bauteile nach der mechanischen Bearbeitung zu härten. Um die Maß- und Formgenauigkeit zu erreichen, wird eine Endbearbeitung wie Schleifen oder Hartdrehen durchgeführt. Die Wärmebehandlung selbst erfolgt einmal je nach Stahlqualität durchhärtend, z.B. bei 100Cr6, oder mittels Einsatzhärtung, z.B. bei 16MnCr5, oder durch verschiedene Varianten von Nitrierbehandlungen beziehungsweise Beschichtungen.Such Stell- or bearing components are known in different construction and are used in a wide variety of applications. When Stellelement are in particular engine elements such as drag or To call rocker arm, so mechanically actuated components, in turn put other components. As a bearing component is for example a roller bearing or its parts or a plain bearing and its parts like bearing bush, Bearing ring etc. to call. All these positioning or bearing components is common that at least one mechanically loaded in use Have functional surface over the For example, an actuating element in the form of a rocker arm on a Pestle or the like attacks, or in the case of a rolling bearing the rolling elements are running. The components are subject to high mechanical and tribological loads exposed, which is why it needed is to cure these components after mechanical processing. To the Dimensional and To achieve dimensional accuracy, finishing such as grinding or hard turning performed. The heat treatment itself takes place once, depending on the steel quality through hardening, e.g. at 100Cr6, or by case hardening, e.g. at 16MnCr5, or by various variants of nitriding treatments or coatings.
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 Behandlungen zwischen der ursprünglich vor der Behandlung vorhandenen Form beziehungsweise Bemaßung und der letztendlich nach der Durchführung der jeweiligen Behandlungen gegebenen Parameter. Dabei werden die Bauteile in bestmöglichen Gefüge- und Härtezustand spanend oder spanlos bearbeitet, anschließend 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 einstellenden Maß- und Härteverzug ist die Durchführung des separaten Härteschrittes darüber hinaus auch zeit- und kostenaufwendig.Of the The main disadvantage of most such treatments is the so-called hardening distortion and the resulting dimensional change. The component dimension thus varies as a result of the various particular thermal treatments between those originally present before treatment Shape or dimension and ultimately given after performing each treatment Parameter. The components are machined or chipless in the best possible microstructure and hardness conditions edited, then cured at high temperature and finally mechanically, so machined finished and, for example, by Shot blasting or rolling cold worked. Next to that in a row the thermal hardening treatment itself adjusting measure and hardness delay is the implementation the separate hardening step Furthermore also time consuming and expensive.
Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention
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.Of the The invention is therefore based on the problem, an actuating or bearing element specify the type mentioned above, the simple and without the beginning produce dimensional and dimensional problems mentioned above is.
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 metastabiler Austenit mit einem Gefügeanteil von wenigstens 80% vorliegt, der durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche zumindest teilweise in Martensit überführt ist.to solution This problem is with a mechanically strong Stell- or Bearing element consisting of the above-mentioned steel provided according to the invention, that at least in the area of a functional surface with a metastable austenite a structural component of at least 80% is present, through mechanical processing the functional area at least partially converted into martensite.
Zur Herstellung des Stell- oder Lagerbauteils wird erfindungsgemäß ein Stahl verwendet, der eine metastabile Austenitphase ausbildet. Diese metastabile Austenitphase kann durch eine mechanische Bearbeitung der Funktionsfläche 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.to Production of the actuator or bearing component according to the invention is a steel used, which forms a metastable austenite phase. This metastable Austenitic phase can be achieved by mechanical processing of the functional surface itself, So for example, the bearing surface of a towing or rocker arm or the tread a sliding bearing due to the mechanically induced energy locally be transformed into martensite. So there is a mechanically induced structural change and thus hardening directly in the area of the functional area.
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 hinreichend 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 Wärmebehandlungstemperaturen gegeben sein, und schließlich muss eine hinreichende Feinkörnigkeit des Gefüges realisiert werden können.These Properties become when using an alloyed steel with a Alloy content of at least 7% and a carbon content of 0,5 - 2,2% allows wherein the concrete steel used on the one hand a sufficiently high Has to have carbon in order to have a high martensitic hardness of more than 55 HRC, in particular from about 58 HRC. Furthermore, a corresponding "manganese nickel equivalent" (Cr-Ni) must be produced of metastable austenite at correspondingly high heat treatment temperatures be given, and finally must have a sufficient fine grain of the structure can be realized.
Hierzu werden wie beschrieben vorzugsweise Stähle mit 0,5 – 2,2% Kohlenstoff, 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 beispielsweise Molybdän, Aluminium, Titan oder sonstiger Legierungselemente zu gewährleisten. Verwendet werden können auch herkömmliche Werkzeugstähle wie z.B. X210Cr12 oder X165CrMoV121, wie sie insbesondere bei Motorenelementen wie Schlepp- oder Kipphebel verwendet werden.For this purpose, as described preferably steels with 0.5 to 2.2% carbon, an alloy content of chromium between 5 to 20%, a manganese content of 2 to 8% and a nickel content of not more than 6% used. The fine grain and corresponding microstructural characteristics are to be ensured by the addition of, for example, molybdenum, aluminum, titanium or other alloying elements. It is also possible to use conventional tool steels such as X210Cr12 or X165CrMoV121, as used in particular for engine elements such as drag or rocker arms become.
Eine zweite Werkstoffklasse stellt der Bereich der Einsatz- und Vergütungsstähle dar. Diese hochlegierten Einsatzstähle wie z.B. 14NiCrMo14 oder noch höhere Legierungsbestandteile mit Summenwerten Nickel-Mangan-Chrom größer 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 metastabile Austenitphase, die durch mechanischen Energieeintrag lokal in Martensit 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 unterschritten wird, so dass eine Zwischenstufenumwandlung oder ein Perlitzerfall unterbleibt.A The second class of materials is the field of insert and tempering steels. These high-alloyed case-hardened steels such as. 14NiCrMo14 or even higher Alloy components with sums nickel-manganese-chromium greater than 7% and a Randkohlenstoffgehalt / Randstickstoffgehalt, produced by the usual case hardening or Carbonation, from 0,5 - 1,5% Carbon or 0.1-0.6% nitrogen also form a metastable austenite phase due to mechanical energy input locally converted into martensite. requirement is, that the alloying elements must be adjusted so that the martensite formation temperature after carburizing and / or nitriding during quenching not or only just below, so that an intermediate stage conversion or a Perlitzerfall falls short.
Die genannten Werkstoffe sind also prinzipiell in der Lage, bei hohen Einsatzhärtetemperaturen (Direkt- oder Einfachhärtung), z.B. über 1000°C und einem schnellen Abschrecken ein quasi 80%iges oder noch höheres Austenitgefüge in der kohlenstoffreichen Randzone ausbilden, wobei der eingangs genannte Kohlenstoffanteil zumindest in dieser Randzone vorliegt, im Falle einer Aufstickung sollte die Summe an Stickstoff und Kohlenstoff ebenfalls in diesem Bereich liegen. Der gebildete metastabile Austenit liegt damit auch bei Raumtemperatur vor, ist jedoch bei hinreichender Energiezufuhr in Martensit umwandelbar, wobei die Umwandlungsfähigkeit erfindungsgemäß von der mechanischen Bearbeitung abhängt.The These materials are therefore in principle capable of high Case hardening temperatures (direct or single hardening), e.g. above 1000 ° C and one fast quenching a quasi 80% or even higher austenite in the form carbon-rich edge zone, the aforementioned Carbon content is present at least in this peripheral zone, in the case Nitrous oxide should be the sum of nitrogen and carbon also lie in this area. The formed metastable austenite is therefore also available at room temperature, but is sufficient Energy input into martensite convertible, the conversion ability According to the invention of the mechanical processing depends.
Die Wärmebehandlung bei durchhärtenden Stählen, im Rahmen welcher bevorzugt bereits die Umformung zum fertigen Endbauteil erfolgt, sieht zum einen die Hochtemperaturaustenitisierung und gegebenenfalls Aufkohlung bei ca. 1000 – 1250°C und anschließend ein Abschrecken im Salzbad bis ca. 150°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 ausgeschieden sind und gegebenenfalls Spuren von Martensit vorliegen. Anschließend erfolgt die mechanische Endbearbeitung des bereits umgeformten, jedoch metastabilen 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.The heat treatment for through hardening steels, in Frame which prefers already the transformation to the finished end component takes place, sees on the one hand the Hochtemperaturaustenitisierung and if necessary Carburizing at about 1000 - 1250 ° C and then a Quenching in salt bath until about 150 ° C or at room temperature before. Subsequently can be another cooling to room temperature in air, if still necessary. in the Result forms in the margins (if only there the sufficient high carbon content is present) or in the entire cross section an austenite portion of over 80%, preferably from above 90%, with optionally precipitated carbides and optionally Traces of martensite are present. Subsequently, the mechanical Finishing of the already formed but metastable austenite component by turning, milling or sleeping. Due to this type of structural stress on the functional surface arises in the corre sponding effective depths a mechanically induced martensitic Transformation of metastable austenite. Basically, the depth of the transformation zone depends on tool contact geometry (e.g., rake adjustment); To be generated contour, the duration and the amount of applied force and the prevailing temperature during mechanical processing.
Insgesamt kann auf diese Weise ein sehr maßhaltiges Bauteil mit einer hinreichenden Härte im relevanten Bauteilbereich erreicht werden. Die Umformung des verwendeten Stahls zur Bauteilherstellung erfolgt bevorzugt während der Wärmebehandlung zur Hochtemperaturaustenitisierung. Ein zusätzlicher Hochtemperaturschritt zur Härtung des Materials, wie im Stand der Technik vorgesehen, entfällt, nachdem die Härtung durch martensitische Umwandlung bei dem erfindungsgemäßen Bauteil allein durch die mechanisch induzierte Energie erfolgt.All in all can in this way a very dimensionally stable component with a sufficient hardness be achieved in the relevant component area. The transformation of the used steel for component production is preferably carried out during the heat treatment for high-temperature austenitization. An additional high-temperature step for hardening of the material, as provided for in the prior art, is omitted after the hardening by martensitic transformation in the component according to the invention solely by the mechanically induced energy.
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 aufweisende Schmelzlegierung sein, er kann aber auch durch eine separate Nitrierung erzeugt werden, also im Rahmen einer elektro-chemischen Behandlung.The functional surface should have a martensitic hardness of at least 55 HRC, in particular of at least 58 HRC, for which a sufficiently high carbon content claimed in the invention Range is necessary is. The steel itself can, as described, have the metastable austenite be exhibiting melting alloy, but he can also by a separate nitration are generated, ie in the context of an electro-chemical Treatment.
Neben dem Stell- oder Lagerbauteil selbst trifft die Erfindung selber ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stell- 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 Temperaturbehandlung 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.Next the actuator or bearing component itself meets the invention itself a method for producing such a positioning or bearing component, which is characterized in that the component initially from a alloyed steel with an alloy content of at least 7% and a carbon content of 0.5 - 2.2% is formed during or after which the component is subjected to a temperature treatment, and then the component afterwards is quenched so that it is at least in the area of a functional surface of Component of a metastable austenite with a microstructural content of at least 80% forms, after which the functional area is mechanically processed, so that forms a border zone, the at least partially martensite has.
Die mechanische Bearbeitung zur Martensitbildung kann bei erhöhter Temperatur bis vorzugsweise ca. 500°C, bei Raumtemperatur oder bei erniedrigter Temperatur bis vorzugsweise maximal –200°C erfolgen. Insbesondere die Tieftemperaturbehandlung ist für die Martensitbildung vorteilhaft.The Machining for martensite formation may be at elevated temperature preferably about 500 ° C, at room temperature or at reduced temperature to preferably a maximum of -200 ° C. In particular, the low temperature treatment is advantageous for martensite formation.
Sofern die mechanische Behandlung bei erhöhter Temperatur oder bei Raumtemperatur erfolgt, ist es zweckmäßig, zur Verbesserung der Martensitbildung eine Tiefkühlbehandlung bis vorzugsweise maximal –200°C anzuschließen. Generell kann nach einer Tiefkühlbehandlung eine Temperaturbehandlung zum Anlassen des Bauteils bis maximal 600°C erfolgen.Provided the mechanical treatment at elevated temperature or at room temperature is done, it is appropriate to Improvement of the martensite formation to connect a deep-freeze treatment to preferably a maximum of -200 ° C. As a general rule can after a deep-freeze treatment a temperature treatment for starting the component up to a maximum 600 ° C done.
Auch ist es denkbar, unmittelbar nach der Bauteilformung, also vor der mechanischen Bearbeitung zur Martensitbildung, eine Tiefkühlbehandlung bis vorzugsweise maximal –200°C gegebenenfalls danach eine Anlassbehandlung bis maximal 600°C zwischenzuschalten.Also It is conceivable immediately after the component forming, ie before the mechanical treatment for martensite formation, a deep-freeze treatment up to preferably at most -200 ° C optionally after a tempering treatment up to 600 ° C interposed.
Des Weiteren kann zur weiteren Festigkeitssteigerung die Funktionsfläche wie auch die übrigen Bauteilflächen nach der mechanischen Behandlung zur Martensitbildung mechanisch nachbehandelt werden, insbesondere durch Kugelstrahlen oder Rollieren. Auch ein finales Feinbearbeiten wie Einschleifen oder Honen kann gegebenenfalls vorgesehen sein.Of Furthermore, the functional surface can be used to further increase the strength also the other component surfaces after the mechanical treatment for martensite formation are post-treated mechanically, in particular by shot peening or rolling. Also a final Finishing such as grinding or honing can optionally be provided.
Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verfahren wie auch das erfindungsgemäße Stell- oder Lagerbauteil den Vorteil, dass der Härteverzug durch den Bearbeitungszustand einmalig aufgehoben wird und nicht wie im üblichen Verfahren durch Weichbearbeitung und Hartbearbeitung eine doppelte Bearbeitung erforderlich ist.All in all offers the method according to the invention as well as the Stell- or Bearing component has the advantage that the hardening distortion due to the processing state is lifted once and not as in the usual process by soft machining and hard machining a double machining is required.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
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 Stellelements in Form eines Kipphebels.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the embodiment described below and with reference to the Drawing. This shows a schematic representation of a mechanical Control element in the form of a rocker arm.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungdetailed Description of the drawing
Die
Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Stellelement
Um
die Funktionsfläche
Der mechanischen Behandlung zur Martensitbildung kann sich wie beschrieben eine Tieftemperaturbehandlung anschließen, im Rahmen welcher das Bauteil auf beispielsweise –200°C abgekühlt wird, wodurch die Ausbildung der martensitischen Struktur in der Bauteilrandzone M noch weiter gefördert wird. Alternativ kann die Bearbeitung selbst bei erniedrigter Temperatur erfolgen, so dass eine separate Tiefkühlung nicht nötig ist. Im Rahmen eines nachfolgenden Anlassens können etwaige Spannungen abgebaut werden.Of the Mechanical treatment for martensite formation can be as described connect a cryogenic treatment, in which the Component is cooled to, for example, -200 ° C, whereby the formation of the martensitic structure in the component edge zone M further promoted becomes. Alternatively, the processing can be carried out even at a reduced temperature done so that a separate freezing is not necessary. As part of a subsequent event, any tensions may be reduced become.
Der
in
- 11
- Stellelementactuator
- 22
- Kipphebelrocker arm
- 33
- Armpoor
- 44
- Funktionsflächefunctional surface
Claims (9)
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