Randschichtfunktionalisierung durch verformungsinduzierten Martensit an Kugellagerringen

Aufgrund des weltweiten ökonomischen und ökologischen Wandels wird zunehmend die Verwendung innovativer umwelt- und ressourcenschonender Technologien gefordert. Neben dem Einsatz von Leichtmetallen finden immer öfter höchstfeste Stahllegierungen und belastungsangepasste Bauteilstrukturen Verwendung. Durch die Zugabe von Legierungselementen und eine gezielte Wärmebehandlung lassen sich Eigenschaften wie Härte, Eigenspannungen, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Zähigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Warmfestigkeit, Zerspanbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des Stahls vielseitig variieren und an die jeweils gestellten Anforderungen anpassen. Für die Herstellung hoch belastbarer Komponenten werden häufig Fertigungsverfahren der Umformtechnik angewendet. Im Allgemeinen werden durch eine Umformung bei niedrigen Temperaturen, bedingt durch die Kaltverfestigung, höhere Werkstofffestigkeiten im Bauteil eingestellt. Bei der Umformung metastabiler austenitischer Stähle wird die entstehende Verfestigung durch eine zusätzliche verformungsinduzierte martensitische Phasenumwandlung deutlich erhöht (siehe Abb. 1 links). Einher mit der Phasenumwandlung geht die Einbringung von Druckspannungen aufgrund der Volumenvergrößerung der martensitischen Phase.

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die gezielte Nutzung der umformtechnisch induzierten Phasenumwandlung in der Randschicht komplexer massivumgeformter Bauteile aus metastabilen austenitischen Stählen am Beispiel eines Wälzlagerinnenrings. Durch die Umformung soll eine gezielte Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften im oberflächennahen Bereich und somit eine Optimierung der Bauteileigenschaften erfolgen. Diese Bauteileigenschaften in Form von Eigenspannungen haben positiven Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer von Wälzkontakten. Insbesondere sind weitere Kenntnisse zur lokalen Kaltverfestigung und martensitischen Phasenumwandlung im Bereich der Randschicht, in der Herstellungs- sowie Nutzungsphase, notwendig. Für die Beeinflussung der Phasenumwandlung in der Randschicht ist eine Berücksichtigung der tribologischen Beziehung zwischen Werkzeug (Oberfläche) und Werkstück (Schmierung) erforderlich. Untersucht wird im Rahmen dieses Projekts der metastabile austenitische Werkstoff 1.4404. Ein Kugellagerinnenring eignet sich hier in besonderem Maße als Demonstratorbauteil, da die Wirkflächen zum einen im Umformprozess kaltverfestigen (Herstellungsphase) und zum anderen zusätzlich durch den Einlaufprozess nachverfestigt (Nutzungsphase) werden.