DE102011079955B4 - Steel, component and process for producing steel - Google Patents

Abstract

Stahl, der Tantal mit einem Anteil zwischen höher als 0,5 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.Steel containing tantalum in a proportion of between 0.5 and 2% by weight and a carbon content of at least 0.25% by weight and at most 1.55% by weight.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen Stahl, ein Bauteil, das den Stahl aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen des Stahls.Embodiments of the present invention relate to steel, a component comprising the steel, and a method for producing the steel.

Bei vielen Maschinen und Anlagen treten hohe mechanische Belastungen in unterschiedlichen Formen und Ausprägungen auf. Häufig, aber bei Weitem nicht ausschließlich, sind hier gerade Maschinenteile betroffen, die zueinander Relativbewegungen ausführen, also beispielsweise translatorische oder rotatorische Bewegungen. Hierbei können neben Dauerbelastungen auch kurzzeitige und/oder lokale Belastungen auftreten, die zu einer Ermüdung oder statischen Überbeanspruchung der betreffenden Maschinenteile führen können.Many machines and systems experience high mechanical loads in different forms and characteristics. Frequently, but by no means exclusively, machine parts that carry out relative movements to one another, for example translational or rotational movements, are affected here. In addition to long-term loads, short-term and/or local loads can also occur, which can lead to fatigue or static overstressing of the relevant machine parts.

Gerade für solche Maschinenteile findet Stahl aufgrund seiner weitreichenden Konfektionierbarkeit, seiner Festigkeit, seiner Verformbarkeit, seiner Schweißeignung und vieler anderer Eigenschaften Anwendung. Zu den wichtigsten technologischen Eigenschaften zählt auch, dass Stahl vollständig oder auch teilweise gehärtet werden kann. Wird beispielsweise nur eine Randhärtung oder Oberflächenhärtung durchgeführt, wird so die entsprechend behandelte Oberfläche härter und damit mechanisch und tribologisch widerstandsfähiger, während tiefer liegende Bereiche des Maschinenteils eine geringere Härte und damit eine größere Zähigkeit aufweisen, wodurch das Maschinenteil insgesamt zyklisch und statisch höher belastbar wird. Steel is particularly used for such machine parts due to its extensive customizability, strength, formability, weldability and many other properties. One of the most important technological properties is that steel can be hardened completely or partially. For example, if only edge hardening or surface hardening is carried out, the correspondingly treated surface becomes harder and therefore more mechanically and tribologically resistant, while deeper areas of the machine part have a lower hardness and therefore greater toughness, which means that the machine part as a whole can withstand higher cyclic and static loads.

Dynamische Belastungen werden häufig über die Oberfläche der Maschinenteile in diese eingeleitet, wirken also gerade auf die typischerweise gehärteten Bereiche stark ein. Durch diese können Versetzungsbewegungen im Material hervorgerufen werden, die letztendlich zu plastischen Verformungen im Inneren des Maschinenteils führen können. Diese beanspruchen häufig gerade den Bereich von Korngrenzen im Gefüge von Stahl, was bei anfälligem Werkstoffzustand zu einem interkristallinen Bruch vor Erreichen der Festigkeit im Volumen führen kann.Dynamic loads are often introduced into the machine parts via the surface and therefore have a strong impact on the typically hardened areas. This can cause dislocation movements in the material, which can ultimately lead to plastic deformations inside the machine part. These often stress the area of grain boundaries in the structure of steel, which can lead to an intercrystalline fracture before the strength in the volume is achieved if the material is in a vulnerable state.

Um dem entgegenzuwirken, werden bevorzugt Stähle eingesetzt, die über eine gro-ße Anzahl von Korngrenzen verfügen, also kleine Kristalle im Gefüge aufweisen, da hierdurch die mechanischen Belastungen und Belegung (Segregation) mit schwächenden Elementen (z. B. Phosphor, Schwefel) oder auch Verbindungen (z. B. Karbide) auf eine größere Anzahl und damit Fläche von Korngrenzen verteilt werden und die Beanspruchung der einzelnen Korngrenzen abnimmt.To counteract this, preference is given to using steels that have a large number of grain boundaries, i.e. small crystals in the structure, as this reduces mechanical stress and segregation with weakening elements (e.g. phosphorus, sulfur) or Compounds (e.g. carbides) are also distributed over a larger number and thus area of grain boundaries and the stress on the individual grain boundaries decreases.

Allerdings erfolgt die Härtung des Stahls im Randbereich typischerweise thermisch, wobei der Stahl des Maschinenteils entsprechend stark erhitzt wird. Dies kann beispielsweise durch Flamm- oder Induktionshärtung erfolgen, also beispielsweise durch eine induktive Erwärmung des Werkstücks.However, the hardening of the steel in the edge area typically takes place thermally, with the steel of the machine part being heated accordingly. This can be done, for example, by flame or induction hardening, for example by inductive heating of the workpiece.

Das Härten stellt einen thermisch induzierten Prozess dar, sodass es insbesondere bei größeren Randhärtungstiefen zu einer unerwünschten Erwärmung oberhalb der Austenittemperatur des Stahls und damit zu einem Überhitzen des Gefüges kommen kann. Infolge dessen tritt ein verstärktes Kornwachstum, also eine Grobkornbildung auf. Dies kann im späteren Einsatzgefüge zu einer verminderten Festigkeit durch eine Schwächung der Korngrenzen (z. B. durch Segregation, d. h. Anlagerung schädlicher Elemente), mit einer Tendenz zum interkristallinen Bruch führen.Hardening is a thermally induced process, so that undesirable heating above the austenite temperature of the steel and thus overheating of the structure can occur, especially with greater edge hardening depths. As a result, increased grain growth occurs, i.e. coarse grain formation. This can lead to reduced strength in the later use structure due to a weakening of the grain boundaries (e.g. through segregation, i.e. accumulation of harmful elements), with a tendency towards intergranular fracture.

Bisher wurden hierzu Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 1,1 Gewichtsprozent (Gew.-%) und einer hinreichenden Randschichthärtbarkeit verwendet, die durch die Legierungszusammensetzung beeinflusst wird. Ferner wird versucht, den Härtungsprozess so zu führen, dass ein übermäßiges Kornwachstum vermieden wird.To date, steels with a carbon content of a maximum of 1.1 percent by weight (wt.%) and sufficient surface hardenability, which is influenced by the alloy composition, have been used. Furthermore, attempts are made to carry out the hardening process in such a way that excessive grain growth is avoided.

Die DE 10 2004 003 541 A1 bezieht sich auf einen Stahl zur Verwendung in einer hochfesten Ritzelwelle sowie auf ein Herstellungsverfahren hierfür. Die deutsche Offenlegungsschrift 1 927 381 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von rostfreiem, härtbarem Chromstahlband und einem entsprechenden Blech. Die deutsche Offenlegungsschrift 24 56 530 beschreibt überhartes Martensit und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die JP 2000 - 26 939 A und JP H07 - 278 750 A beschreiben jeweils Lagerstahle mit speziellen Legierungen.The DE 10 2004 003 541 A1 refers to a steel for use in a high-strength pinion shaft and a manufacturing process therefor. The German disclosure document 1,927,381 describes a process for producing stainless, hardenable chrome steel strip and a corresponding sheet. The German disclosure document 24 56 530 describes superhard martensite and a process for its production. The JP 2000 - 26 939 A and JP H07 - 278 750 A describe bearing steels with special alloys.

Ausgehend hiervon besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Stahl zu schaffen, der eine verbesserte Härtbarkeit und/oder eine verbesserte Kornstabilität und/oder statische Festigkeit aufweist.Proceeding from this, the object of the present invention is to create a steel which has improved hardenability and/or improved grain stability and/or static strength.

Diese Aufgabe wird durch einen Stahl gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zum Herstellen von Stahl gemäß Anspruch 6 gelöst.This object is achieved by a steel according to claim 1 or a method for producing steel according to claim 6.

Ein Ausführungsbeispiel eines Stahls weist Tantal mit einem Anteil zwischen höher als 0,5 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil auf, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.One embodiment of a steel has tantalum in a proportion of between greater than 0.5 and 2 percent by weight and a carbon content that is at least 0.25 percent by weight and at most 1.55 percent by weight.

Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen von Stahl umfasst ein Bereitstellen einer Basislegierung des Stahls und ein Legieren der Basislegierung mit Tantal, sodass der Stahl Tantal mit einem Anteil zwischen höher als 0,5 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent ist und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.One embodiment of a method for producing steel includes providing a base alloy of the steel and alloying the base alloy with tantalum so that the steel is tan tal with a proportion between higher than 0.5 and 2 percent by weight and a carbon content that is at least 0.25 percent by weight and is at most 1.55 percent by weight.

Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte Härtbarkeit und/oder eine verbesserte Kornstabilität und/oder statische Festigkeit dadurch erzielbar ist, dass einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent Tantal als (Mikro-) Legierungselement hinzugefügt wird. Hierbei haben Untersuchungen gezeigt, dass bereits sehr geringe Tantalanteile von etwa 0,01 Gewichtsprozent zu einer verbesserten Härtbarkeit bzw. zu einer verbesserten Kornstabilität führen. Mit wachsendem Tantalanteil wird im Bereich zwischen 0,01 bis einschließlich 2,0 Gewichtsprozent eine entsprechende Verbesserung der vorgenannten Eigenschaften gegenüber unlegiertem Stahl erzielt. Die Beimischung von Tantal ermöglicht hierbei eine Erhöhung der Austenitisierungstemperatur beim Randhärten. Hierdurch können die zugänglichen Prozesstemperaturen auf über 1000 °C, beispielsweise auf bis zu 1150 °C, erhöht werden, während konventionelle Stähle deutlich niedrigere Temperaturen erfordern.Embodiments of the invention are based on the knowledge that improved hardenability and/or improved grain stability and/or static strength can be achieved by using tantalum as (micro- ) alloying element is added. Studies have shown that even very low tantalum contents of around 0.01 percent by weight lead to improved hardenability and improved grain stability. As the tantalum content increases, a corresponding improvement in the aforementioned properties compared to unalloyed steel is achieved in the range between 0.01 and 2.0 percent by weight. The addition of tantalum enables the austenitization temperature to be increased during edge hardening. This allows the accessible process temperatures to be increased to over 1000 °C, for example up to 1150 °C, while conventional steels require significantly lower temperatures.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zu schaffen, welches wenigstens in einem Abschnitt eine verbesserte Ermüdungsresistenz aufweist.Embodiments of the present invention are also based on the object of creating a component which has improved fatigue resistance at least in one section.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 10 gelöst.This task is solved by a component according to claim 10.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines Bauteils weist so wenigstens in einem Abschnitt den zuvor genannten Stahl auf, wobei sich der Abschnitt von einer Oberfläche des Bauteils in ein Inneres des Bauteils erstreckt, und wobei das Bauteil in dem Abschnitt eine Randhärtung aufweist.An exemplary embodiment of the present invention in the form of a component has the aforementioned steel in at least one section, the section extending from a surface of the component into an interior of the component, and the component having edge hardening in the section.

Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann sich diese beispielsweise wenigstens 5 mm in das Innere des Bauteils erstrecken, während bei anderen Ausführungsbeispielen auch geringere oder größere Randhärtungstiefen realisierbar sind.In some exemplary embodiments of the present invention, this can extend, for example, at least 5 mm into the interior of the component, while in other exemplary embodiments smaller or larger edge hardening depths can also be achieved.

Als Randhärtungstiefe soll der senkrechte Abstand zur Oberfläche bis zum Erreichen einer Grenzhärte von 550 HV1 (52,5 HRC) verstanden werden.The edge hardening depth should be understood as the vertical distance to the surface until a limit hardness of 550 HV1 (52.5 HRC) is reached.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bezüglich dieses Aspekts liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung des zuvor beschriebenen Stahls eine verbesserte Härtbarkeit und/oder statische Festigkeit und/oder verbesserte Kornstabilität während der Wärmebehandlung beim Härten erzielbar ist, oder dass hierdurch ein Prozess zur Härtung eines Bauteils vereinfacht werden kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann so eine Randhärtung mit einer größeren Randhärtungstiefe von wenigstens 5 mm in wenigstens einem Abschnitt des Bauteils durch eine (z. B. induktive) Härtung erzielt werden, ohne dass hierbei eine verstärkte Grobkornbildung einsetzt, die die Ermüdungsresistenz und statische Festigkeit des Werkstoffs nachteilig beeinflussen könnte. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind jedoch bei weitem nicht auf Bauteile mit einer Randhärtungstiefe von 5 mm oder darüber beschränkt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen ebenso Bauteile mit einer geringeren Randhärtungstiefe als 5 mm, also beispielsweise solche mit Randhärtungstiefen von wenigstens 100 µm, wenigstens 200 µm, wenigstens 500 µm, wenigstens 1 mm oder wenigstens 2 mm.Embodiments of the present invention with regard to this aspect are based on the knowledge that through the use of the steel described above, improved hardenability and/or static strength and/or improved grain stability during the heat treatment during hardening can be achieved, or that this results in a process for hardening a component can be simplified. In some exemplary embodiments of the present invention, edge hardening with a greater edge hardening depth of at least 5 mm can be achieved in at least one section of the component by (e.g. inductive) hardening, without increased coarse grain formation, which increases fatigue resistance and static could adversely affect the strength of the material. However, embodiments of the present invention are by no means limited to components with an edge hardening depth of 5 mm or more. Embodiments of the present invention also include components with a lower edge hardening depth than 5 mm, for example those with edge hardening depths of at least 100 μm, at least 200 μm, at least 500 μm, at least 1 mm or at least 2 mm.

Hierbei werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Angaben nomineller Gewichtsprozente bezüglich der einzelnen Anteile verwendet. Bei Stählen können aufgrund der produktionsbedingten Abläufe der Stahlherstellung Abweichungen von den nominellen Anteilen auftreten. Der Anteil eines Legierungselements oder einer anderen Komponente (z. B. Kohlenstoff) eines Stahls eines konkreten Ausführungsbeispiels kann also die nominellen Werte im Rahmen der üblichen Fertigungs- und Herstellungstoleranzen gegebenenfalls unter- oder überschreiten.In the context of this description, nominal weight percentages with regard to the individual shares are used. For steels, deviations from the nominal proportions may occur due to the production processes involved in steel production. The proportion of an alloying element or another component (e.g. carbon) of a steel of a specific exemplary embodiment can therefore possibly be lower or higher than the nominal values within the scope of the usual manufacturing and manufacturing tolerances.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert.

• 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager mit Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
• 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung während der Randhärtung; und
• 3 illustriert einen Verlauf einer Härte durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Funktion eines Abstands von der Oberfläche des Bauteils.

Embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying figures.

• 1 shows a cross section through a tapered roller bearing with components according to embodiments of the present invention;
• 2 shows a schematic cross-sectional representation through a component according to an embodiment of the present invention during edge hardening; and
• 3 illustrates a course of hardness through a component according to an embodiment of the present invention as a function of a distance from the surface of the component.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben und erläutert.The following is with reference to the 1 until 3 Embodiments of the present invention are described and explained in more detail.

Wie einleitend bereits beschrieben wurde, treten bei vielen Anwendungen starke mechanische Belastungen auf, die zu einer Ermüdung des betreffenden Bauteils führen. Häufig handelt es sich bei diesen Belastungen um kurzzeitig, intermittierend oder periodisch auftretende dynamische Belastungen, die häufig auch nur auf kleine Gebiete des Bauteils einwirken, also beispielsweise über einen punkt- oder linienförmigen Kontakt.As already described in the introduction, strong mechanical loads occur in many applications, which lead to fatigue of the subject the end of the component. These loads are often short-term, intermittent or periodic dynamic loads that often only affect small areas of the component, for example via point or line contact.

Um die entsprechenden Bauteile resistenter gegen Ermüdungserscheinungen auszulegen, werden daher häufig gehärtete Stähle eingesetzt, insbesondere oberflächengehärtete Stähle. Wie eingangs ebenfalls beschrieben wurde, werden hier insbesondere Stähle bevorzugt, die geringe Korngrößen aufweisen, um auftretende mechanische Belastungen und schwächende Segregations- bzw. Ausscheidungsbelegungen auf eine große Anzahl und damit Fläche von Korngrenzen zu verteilen.In order to make the corresponding components more resistant to fatigue, hardened steels are often used, in particular surface-hardened steels. As was also described at the beginning, steels that have small grain sizes are particularly preferred here in order to distribute occurring mechanical loads and weakening segregation or precipitation deposits over a large number and thus area of grain boundaries.

Beim Induktionshärten oder auch beim Flammhärten wird daher ein Werkstück lokal häufig auf eine Temperatur von mehr als 1000 °C erwärmt, indem es von außen (Flammhärten) oder durch in einer äußeren Schicht des Werkstücks nahe der Oberfläche erzeugte Wirbelströme (Induktionshärten) erhitzt wird. Typischerweise werden hierbei lokal Temperaturen von bis 1150 °C erreicht. Hierbei kann es jedoch leicht zu einem Überhitzen des Gefüges kommen, was wiederum zu der eingangs beschriebenen Grobkornbildung und damit häufig verbundenen Komgrenzensegregationen und so zu einer Reduzierung der Ermüdungsresistenz und statischen Festigkeit des Werkstoffs und Bauteils führen kann.During induction hardening or flame hardening, a workpiece is often heated locally to a temperature of more than 1000 ° C by heating it from the outside (flame hardening) or by eddy currents generated in an outer layer of the workpiece near the surface (induction hardening). Typically, local temperatures of up to 1150 °C are reached. However, this can easily lead to the structure overheating, which in turn can lead to the coarse grain formation described above and the often associated grain boundary segregation and thus to a reduction in the fatigue resistance and static strength of the material and component.

Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine Verbesserung der Kornstabilität und/oder der Härtbarkeit bei der Wärmebehandlung durch den Einsatz eines Stahls erzielt werden, der neben einem Anteil an Kohlenstoff (C) von wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent einen Anteil an Tantal (Ta) aufweist, der zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent liegt.According to embodiments of the present invention, however, an improvement in grain stability and/or hardenability during heat treatment can be achieved by using a steel which, in addition to a proportion of carbon (C) of at least 0.25 percent by weight and at most 1.55 percent by weight of tantalum (Ta), which is between 0.01 and 2 percent by weight.

Durch die Verwendung dieses Stahls als Werkstoff kann es beispielsweise auch möglich sein, eine Randhärtungstiefe von mehr als 5 mm zu erzielen und dabei das Gefüge während der Randhärtung kornstabiler zu halten, was beispielsweise im Wälzlagerbereich bei Großlagerringen, aber auch bei Wälzkörpern vorteilhaft sein kann. Je nach konkreter Zusammensetzung eines Stahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können so Randhärtungstiefen von 10 mm und gegebenenfalls darüber erzielt werden.By using this steel as a material, it may also be possible, for example, to achieve an edge hardening depth of more than 5 mm and to keep the structure more grain-stable during edge hardening, which can be advantageous, for example, in the rolling bearing area for large bearing rings, but also for rolling elements. Depending on the specific composition of a steel according to an exemplary embodiment of the present invention, edge hardening depths of 10 mm and possibly more can be achieved.

Allerdings sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf solche Bauteile mit einer Randhärtungstiefe von wenigstens 5 mm beschränkt. Es können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ebenso Bauteile mit geringeren oder größeren Randhärtungstiefen realisiert werden, also beispielsweise von wenigstens 100 µm, wenigstens 1 mm oder von wenigstens einer der weiteren, hier im Rahmen der vorliegenden Beschreibung genannten möglichen Randhärtungstiefen. Wird bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Kohlenstoffanteil des Stahls auf Werte von wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,1 Gewichtsprozent oder sogar höchstens 0,6 Gewichtsprozent reduziert, kann dies gegebenenfalls zu einer weiter verbesserten Randhärtbarkeit führen, die größere Randhärtungstiefen erlaubt und die Gefahr des Aufschmelzens des Gefüges verringert.However, embodiments of the present invention are not limited to such components with an edge hardening depth of at least 5 mm. According to exemplary embodiments of the present invention, components with smaller or larger edge hardening depths can also be realized, for example of at least 100 μm, at least 1 mm or at least one of the other possible edge hardening depths mentioned here in the context of the present description. If, in exemplary embodiments of the present invention, the carbon content of the steel is reduced to values of at least 0.25 percent by weight and at most 1.1 percent by weight or even at most 0.6 percent by weight, this can possibly lead to further improved edge hardenability, which allows greater edge hardening depths and the danger the melting of the structure is reduced.

Eine Variation des Kohlenstoffanteils im Bereich zwischen etwa 0,4 und etwa 0,55 Gew.-%, also beispielsweise von etwa 0,45 Gew.-%, kann dem Stahl zusätzlich vorteilhafte Eigenschaften verleihen, wie etwa eine verbesserte induktive Lötbarkeit.A variation of the carbon content in the range between about 0.4 and about 0.55% by weight, for example about 0.45% by weight, can give the steel additional advantageous properties, such as improved inductive solderability.

So ermöglichen es Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die zur Randhärtung verwendeten Temperaturen zu erhöhen und so die zuvor genannte Gefahr der Grobkornbildung zu vermindern. Durch den Einsatz von Stählen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann so gegebenenfalls die zur Härtung erforderliche Temperatur in den Bereich oberhalb von 1000 °C erhöht werden.Embodiments of the present invention thus make it possible to increase the temperatures used for edge hardening and thus reduce the aforementioned risk of coarse grain formation. By using steels according to exemplary embodiments of the present invention, the temperature required for hardening can be increased to a range above 1000 ° C.

Je nach Menge des hinzulegierten Tantals spricht man von einer Legierung oder auch einer Mikrolegierung. Im Bereich der so genannten Mikrolegierung liegt der Anteil des Legierungsmetalls in einem Bereich, der typischerweise nicht spezifiziert wird. Im Fall von Tantal ist dies im Allgemeinen der Bereich unterhalb von 0,1 Gew.-%. Im Bereich des Anteils von Tantal von 0,1 Gew.-% und darüber wird dieser gewöhnlich spezifiziert, sodass das Hinzufügen des Legierungselements in diesem Bereich als Legieren bezeichnet wird. Unabhängig hiervon wird jedoch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff des Legierens sowohl der des Mikrolegierens wie auch der des Legierens verstanden.Depending on the amount of tantalum alloyed, it is referred to as an alloy or a microalloy. In the area of so-called microalloys, the proportion of alloy metal is in a range that is typically not specified. In the case of tantalum, this is generally the range below 0.1% by weight. In the range of tantalum content of 0.1% by weight and above, it is usually specified, so adding the alloying element in this range is called alloying. Regardless of this, however, in the context of the present description, the term alloying is understood to mean both microalloying and alloying.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ferner ein Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweisen, bei dem es sich um Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr) handeln kann. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt der Gewichtsanteil häufig im Bereich zwischen 0,8 Gew.-% und 1,5 Gew.-%. So kann beispielsweise Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf Basis von 50CrMo4 oder 43CrMo4 als Basislegierung erzeugt werden. Wie diese Basislegierungen zum Teil ebenfalls zeigen, kann bei Ausführungsbeispielen auch eine Mehrzahl der vorgenannten Legierungselemente zum Einsatz kommen.Embodiments of the present invention may further comprise an alloying element with a weight proportion between 0.1 and 5 weight percent, which is molybdenum (Mo), nickel (Ni), silicon (Si), manganese (Mn) or chromium (Cr). can. In embodiments of the present invention, the weight proportion is often in the range between 0.8% by weight and 1.5% by weight. For example, steel can be produced according to an exemplary embodiment of the present invention based on 50CrMo4 or 43CrMo4 as the base alloy. Like these base alloys Also show in some cases, a majority of the aforementioned alloying elements can also be used in exemplary embodiments.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist der Stahl ferner ein weiteres Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent auf, wobei das weitere Legierungselement Niob (Nb), Titan (Ti) oder Vanadium (V) ist. Der Gewichtsanteil dieses weiteren Legierungselements liegt häufig im Bereich zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent. Ein Beispiel sind Stähle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auf Basis von 50CrV4.In further exemplary embodiments of the present invention, the steel also has a further alloying element with a weight proportion of between 0.01 and 2 percent by weight, the further alloying element being niobium (Nb), titanium (Ti) or vanadium (V). The weight proportion of this additional alloying element is often in the range between 0.1 and 1 percent by weight. An example is steels according to embodiments of the present invention based on 50CrV4.

Häufig ist bei Stählen mit Niobanteil (Nb) der Gewichtsanteil des Tantals (Ta) wenigstens das 1-fache, wenigstens das 5-fache, wenigstens das 10-fache, wenigstens das 20-fache, wenigstens das 50-fache oder wenigstens das 100-fache des Gewichtsanteils von Niob (Nb). In diesen Verhältnissen der Massen von Niob (Nb) und Tantal (Ta) kommt zum Ausdruck, dass Niob sehr häufig als Kontamination bzw. zusätzliches Element von Tantal auftritt. Gerade im Hinblick auf die verbesserte Härtbarkeit und die damit möglichen positiven Auswirkungen auf den Stahl und die diesen umfassende Bauteile deuten Untersuchungen daraufhin, dass Tantal (Ta) zu einer besseren Härtbarkeit des Stahls als Niob führt. Auch wenn Niob scheinbar keine gravierend negativen Auswirkungen zeigt, deuten die Untersuchungen daraufhin, dass Tantal Niob gegenüber zu einer besseren Härtbarkeit führen könnte. In diesem Zusammenhang wird die Möglichkeit erörtert, ob dies gegebenenfalls auf eine Bildung von Tantalkarbid (TaC) im Gefüge zurückzuführen sein könnte. So besteht zunächst das Bestreben, den Niobanteil im Vergleich zu dem Tantalanteil zu beschränken. Bei besonders hochwertigen Anwendungen kann daher auch ein Tantalanteil von wenigstens einem 120-fachen, wenigstens einem 150-fachen oder wenigstens einem 200-fachen des Niobanteils entsprechen, wobei diese Verhältnisse bereits stark an der Grenze der technischen Separationsmöglichkeit der beiden Elemente angesiedelt sind. Aufgrund der scheinbar nicht stark nachteiligen Wirkung des Niobs (Nb) kann es daher aus ökonomischen und beschaffungstechnischen Gründen, sowie aus Gründen der eigentlichen Stahlherstellung geeigneter sein, einen gewissen Niobanteil zu tolerieren, um den Prozess der Stahlherstellung zu vereinfachen und/oder technisch stabiler zu halten.In steels with niobium content (Nb), the weight proportion of tantalum (Ta) is often at least 1 times, at least 5 times, at least 10 times, at least 20 times, at least 50 times or at least 100 times. times the weight fraction of niobium (Nb). These ratios of the masses of niobium (Nb) and tantalum (Ta) show that niobium very often occurs as a contamination or additional element of tantalum. Especially with regard to the improved hardenability and the possible positive effects on the steel and the components comprising it, studies indicate that tantalum (Ta) leads to better hardenability of the steel than niobium. Even if niobium does not appear to have any serious negative effects, research suggests that tantalum could lead to better hardenability compared to niobium. In this context, the possibility is discussed as to whether this could be due to the formation of tantalum carbide (TaC) in the structure. The initial aim is to limit the niobium content in comparison to the tantalum content. In particularly high-quality applications, a tantalum content of at least 120 times, at least 150 times or at least 200 times the niobium content can correspond, although these ratios are already close to the limit of the technical separation possibility of the two elements. Due to the apparently not very negative effect of niobium (Nb), it may therefore be more suitable for economic and procurement reasons, as well as for reasons of the actual steel production, to tolerate a certain amount of niobium in order to simplify the steel production process and/or to keep it technically more stable .

Im Hinblick auf Chrom (Cr) kann es gegebenenfalls ratsam sein, bei Ausführungsbeispielen den Chromanteil auf maximal 5 Gewichtsprozent, auf maximal 3,8 Gewichtsprozent oder auf maximal 2,1 Gewichtsprozent zu begrenzen. So kann hierdurch gegebenenfalls eine Konkurrenzsituation bei der Bildung von Karbiden oder anderen kohlenstoffhaltigen Verbindungen, Komplexen oder Anlagerungen zwischen Tantal und Chrom unterbunden werden. Auch kann es ratsam sein, Molybdän (Mo) mit einem Gewichtsanteil von bis zu 0,6 Gewichtsprozent beizufügen.With regard to chromium (Cr), it may be advisable to limit the chromium content in exemplary embodiments to a maximum of 5 percent by weight, a maximum of 3.8 percent by weight or a maximum of 2.1 percent by weight. In this way, a competitive situation in the formation of carbides or other carbon-containing compounds, complexes or deposits between tantalum and chromium can be prevented. It may also be advisable to add molybdenum (Mo) in a weight proportion of up to 0.6 percent by weight.

Im Hinblick auf weitere Elemente umfasst ein Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung häufig außer Eisen (Fe) keine weiteren Legierungselemente (d. h. Kohlenstoff ausgenommen) mit einem jeweiligen Anteil von mehr als 0,2 Gew.-%, wobei ein Gesamtanteil der weiteren Elemente insgesamt 10 Gew.-% nicht übersteigt. Bei reineren Ausführungen von Stählen können diese Grenzen auch bei 0,1 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% liegen.With regard to further elements, a steel according to an exemplary embodiment of the present invention often includes no other alloying elements apart from iron (Fe) (i.e. with the exception of carbon) with a respective proportion of more than 0.2% by weight, with a total proportion of the further elements in total Does not exceed 10% by weight. For purer versions of steel, these limits can also be 0.1% by weight or 5% by weight.

Lediglich der Vollständigkeit halber bietet es sich an dieser Stelle an, darauf hinzuweisen, dass unter einem Stahl ein Werkstoff zu verstehen ist, dessen Massenanteil an Eisen (Fe) größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% ist und andere Elemente enthalten kann. Ausführungsbeispiele des Stahls weisen einen Kohlenstoffanteil auf, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent beträgt, 1,55 Gewichtsprozent jedoch nicht übersteigt. So kann gegebenenfalls eine ausreichende Menge Kohlenstoff zur Karbidbildung bereitgestellt werden. Insbesondere kann bei Stählen gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Erhöhung des Kohlenstoffanteils so gegebenenfalls vermieden werden. Unabhängig hiervon kann es jedoch bei Ausführungsbeispielen ebenso ratsam sein, den Kohlenstoffanteil auf höchstens 1,1 Gewichtsprozent oder auf 0,6 Gewichtsprozent zu beschränken. Hierdurch kann gegebenenfalls eine gezieltere Karbidbildung bewirkt werden.For the sake of completeness, it is advisable to point out at this point that steel is a material whose mass fraction of iron (Fe) is greater than that of any other element, and whose carbon content is generally less than 2% by weight. % and may contain other elements. Embodiments of the steel have a carbon content that is at least 0.25 percent by weight, but does not exceed 1.55 percent by weight. If necessary, a sufficient amount of carbon can be provided for carbide formation. In particular, in the case of steels according to one exemplary embodiment, an increase in the carbon content can possibly be avoided. Regardless of this, however, in exemplary embodiments it may also be advisable to limit the carbon content to a maximum of 1.1 percent by weight or to 0.6 percent by weight. This can, if necessary, bring about a more targeted formation of carbide.

Ein Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel kann als Wälzlagerstahl ausgeführt sein, wie er beispielsweise in der ISO 683-17:1999 definiert ist. Ein solcher induktionshärtbarer Stahl auf Basis einer 43CrMo4-Basislegierung gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise eine oder mehrere Härtewerte erreichen, wie sie in nachfolgend wiedergegebenen Tabelle 1 aufgeführt sind. Tabelle 1 stellt hierbei einen für eine typische Stahllegierung minimalen HRC-Wert (HRC_min) und einen für eine typische Stahllegierung maximalen HRC-Wert (HRC_max) in Abhängigkeit eines Abstands d von einer abgeschreckten Stirnfläche in mm einander gegenüber. Die Härtbarkeit kann hierbei durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirnflächenabständen gemessen werden. Tabelle 1: d [mm] HRC _max HRC _min 1,5 61 53 3 61 53 5 61 52 7 60 51 9 60 49 11 59 43 13 59 40 15 58 37 20 56 34 25 53 32 30 51 31 35 48 30 40 47 30 45 46 29 50 45 29 A steel according to an exemplary embodiment can be designed as rolling bearing steel, as defined, for example, in ISO 683-17:1999. Such an induction hardenable steel based on a 43CrMo4 base alloy according to an exemplary embodiment can, for example, achieve one or more hardness values as listed in Table 1 below. Table 1 compares a minimum HRC value (HRC _min ) for a typical steel alloy and a maximum HRC value (HRC _max ) for a typical steel alloy depending on a distance d from a quenched end face in mm. The hardenability can be measured using Jominy face quenching tests at different face distances. Table 1: d [mm] HRC _max HRC _min 1.5 61 53 3 61 53 5 61 52 7 60 51 9 60 49 11 59 43 13 59 40 15 58 37 20 56 34 25 53 32 30 51 31 35 48 30 40 47 30 45 46 29 50 45 29

Die Härtewerte sind hierbei nach Rockwell gemäß der HRC-Skala angegeben werden. Je nach genauer Legierungszusammensetzung können auch hiervon abweichende HRC-Werte erzielbar sein. So können gegebenenfalls auf Basis der genannten Basislegierung 43CrMo4 auch HRC-Werte erzielbar sein, die 2 oder 3 HRC-Werte über oder unter den genannten minimalen und/oder maximalen HRC-Werten HRC_max bzw. HRC_min liegen.The hardness values are given according to Rockwell according to the HRC scale. Depending on the exact alloy composition, different HRC values can also be achieved. HRC values that are 2 or 3 HRC values above or below the stated minimum and/or maximum HRC values HRC _max or HRC _min can also be achieved based on the base alloy 43CrMo4 mentioned.

Je nach verwendetem Stahl gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so Härten beginnend bei 20 HRC im Falle eines Stahls mit einem Kohlenstoffanteil von 0,25 Gew.-% bis hin zu 70 HRC bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 1,55 Gew.-% erzielt werden.Depending on the steel used according to exemplary embodiments of the present invention, hardening can start at 20 HRC in the case of a steel with a carbon content of 0.25% by weight up to 70 HRC for a steel with a carbon content of 1.55% by weight. be achieved.

So kann bei einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel - beispielsweise auf Basis einer 50CrMo4-Basislegierung - ein oder mehrere Härtewerte gemäß der folgenden, in Tabelle 2 angegebenen minimalen und maximalen HRC-Werte HRC_min bzw. HRC_max in Abhängigkeit des Abstands d von der abgeschreckten Stirnfläche in mm erzielbar sein. Tabelle 2: d [mm] HRC _max HRC _min 1,5 65 60 3 65 60 5 64 59 7 64 58 9 63 57 11 63 56 13 63 55 15 62 53 20 61 50 25 60 47 30 58 45 35 57 44 40 55 43 45 54 42 50 54 42 For a steel according to an exemplary embodiment - for example based on a 50CrMo4 base alloy - one or more hardness values according to the following minimum and maximum HRC values specified in Table 2 can be HRC _min or HRC _max depending on the distance d from the quenched end face can be achieved in mm. Table 2: d [mm] HRC _max HRC _min 1.5 65 60 3 65 60 5 64 59 7 64 58 9 63 57 11 63 56 13 63 55 15 62 53 20 61 50 25 60 47 30 58 45 35 57 44 40 55 43 45 54 42 50 54 42

Auch hier können in Abhängigkeit der genauen Legierungszusammensetzung und auch gegebenenfalls auf Basis anderer Basislegierungen entsprechende minimale und maximale HRC-Werte HRC_min- bzw. HRC_max-Werte erzielbar sein, die 2 oder 3 HRC-Stufen bzw. -Werte über oder unter den in Tabelle 2 angegebenen Werten liegen. Die Härtbarkeit kann auch hier durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirnflächenabständen gemessen werden.Here too, depending on the exact alloy composition and also possibly based on other base alloys, corresponding minimum and maximum HRC values HRC _min or HRC _max values can be achieved which are 2 or 3 HRC levels or values above or below those in Values given in Table 2. The hardenability can also be measured here using Jominy face quenching tests at different face distances.

Wie bereits zuvor erläutert, weisen Stähle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein vermindertes Kornwachstum bei der Wärmebehandlung und damit (im Allgemeinen) eine geringe Korngröße auf. Gemäß ASTM-Standard E 112 (ASTM = American Society for Testing Materials) weisen sie Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5, 6, 7 oder darüber auf. Hierbei wird nach der Präparation eines Schliffs ein Foto in einer Vergrößerung von 100: 1 mit verschiedenen Standardbildern verglichen. Der Klasse 5 entsprechen hierbei Körner mit einem mittleren Durchmesser von etwa 60 µm, denen der Klasse 6 solchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 45 µm, denen der Klasse 7 solchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 35 µm und denen der Klasse 8 solchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 22 µm. Als Korngröße und Korngrenzen werden bei Stählen die Größe bzw. Korngrenzen der ehemaligen Austenitkörner bezeichnet.As already explained above, steels according to embodiments of the present invention have reduced grain growth during heat treatment and thus (generally) a small grain size. According to ASTM standard E 112 (ASTM = American Society for Testing Materials), they have structures with grains with a number of 5, 6, 7 or above. After preparing a section, a photo at a magnification of 100: 1 is compared with various standard images. Class 5 corresponds to grains with an average diameter of around 60 µm, those in class 6 to those with an average diameter of around 45 µm, those to class 7 to those with an average diameter of around 35 µm and those to class 8 to those with one average diameter of about 22 µm. In steels, the size or grain boundaries of the former austenite grains are referred to as grain size and grain boundaries.

Hinsichtlich der Mikrostruktur nichtmetallischer Einschlüsse können Ausführungsbeispiele von Stählen beispielsweise unter Ausnutzung der in den Standards ASTM E45 und ISO 4967 sowie DIN 50602:1985 definierten Messmethoden quantifiziert werden. Auch bei diesen Verfahren werden Schliffe angefertigt, und in einer 100:1-fachen Vergrößerung mit Standardbildern verglichen. Ausführungsbeispiele können gemäß der folgenden Mikrostrukturklassen oder besser bereitgestellt werden. Tabelle 3 zeigt hierbei nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 und ISO 4967, die Ausführungsbeispiele erreichen können. Tabelle 3: Jernkontoret Standarddiagramm A (fein bzw. dünn) 2,5 A (dick) 1,5 B (fein bzw. dünn) 2,0 B (dick) 1,0 C (fein bzw. dünn) 0,5 C (dick) 0,5 D (fein bzw. dünn) 1,0 D (dick) 1,0 With regard to the microstructure of non-metallic inclusions, examples of steels can be quantified, for example, using the measurement methods defined in the standards ASTM E45 and ISO 4967 as well as DIN 50602:1985. With these procedures, micrographs are also made and compared with standard images at a 100:1 magnification. Embodiments may be provided according to the following microstructure classes or better. Table 3 shows non-metallic inclusions according to ASTM E45 and ISO 4967 that exemplary embodiments can achieve. Table 3: Jernkontoret standard diagram A (fine or thin) 2.5 A (thick) 1.5 B (fine or thin) 2.0 B (thick) 1.0 C (fine or thin) 0.5 C (thick) 0.5 D (fine or thin) 1.0 D (thick) 1.0

Entsprechend zeigt Tabelle 4 nichtmetallische Einschlüsse gemäß DIN 50602:1985 , die Ausführungsbeispiele erreichen können. Hierbei werden Stabdurchmesser d in mm charakteristischen kumulierten K-Werten gegenüber gestellt. Tabelle 4: d [mm] K-Faktor 200 < d K4 ≤ 20 140 < d ≤ 200 K4 ≤ 18 100 < d ≤ 140 K4 ≤ 16 70 < d ≤ 100 K4 ≤ 14 35 < d ≤ 70 K4 ≤ 12 17 < d ≤ 35 K3 ≤ 15 8 < d ≤ 17 K3 ≤ 10 d ≤ 8 K2 ≤ 12 Accordingly, Table 4 shows non-metallic inclusions DIN 50602:1985 , which embodiments can achieve. Here, rod diameters d in mm are compared with characteristic cumulative K values. Table 4: d [mm] K factor 200 < d K4 ≤ 20 140 < d ≤ 200 K4 ≤ 18 100 < d ≤ 140 K4 ≤ 16 70 < d ≤ 100 K4 ≤ 14 35 < d ≤ 70 K4 ≤ 12 17 < d ≤ 35 K3 ≤ 15 8 < d ≤ 17 K3 ≤ 10 d ≤ 8 K2 ≤ 12

Stähle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden in einem Verfahren hergestellt, das zwei Schritte umfasst, die gleichzeitig oder auch aufeinanderfolgend ausgeführt werden können. Hierbei wird in einem ersten Schritt eine Basislegierung des Stahls bereitgestellt, die dann in einem zweiten Schritt mit Tantal legiert wird.Steels according to embodiments of the present invention are produced in a process that includes two steps that can be carried out simultaneously or sequentially. In a first step, a base alloy of steel is provided, which is then alloyed with tantalum in a second step.

Grundsätzlich können Stähle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mithilfe aller Verfahren hergestellt werden, auch wenn aufgrund ökonomischer und/oder prozessbedingter Eigenschaften einzelne Verfahren eher in Randgebieten zum Einsatz kommen. So ist es möglich, beide Verfahrensschritte beispielsweise im Fall nur geringer zu produzierenden Tonnagen im Rahmen des Tiegelstahlverfahrens oder des Elektrostahlverfahrens durchzuführen, wobei das Tantal in metallischer Form, beispielsweise in Pulverform oder als Granulat (Stückchen), oder als chemische Verbindung hinzugegeben wird. Als chemische Verbindung kann Tantal beispielsweise als Tantalkarbid (TaC), Tantalborid (TaB₂), Tantalsilizid (TaSi₂) oder Tantaloxid (Ta₂O₅) beigegeben werden.In principle, steels according to exemplary embodiments of the present invention can be produced using all processes, even if individual processes are more likely to be used in peripheral areas due to economic and/or process-related properties. It is therefore possible to carry out both process steps, for example in the case of only small tonnages to be produced, as part of the crucible steel process or the electric steel process, with the tantalum being added in metallic form, for example in powder form or as granules (pieces), or as a chemical compound. As a chemical compound, tantalum can be added, for example, as tantalum carbide (TaC), tantalum boride (TaB ₂ ), tantalum silicide (TaSi ₂ ) or tantalum oxide (Ta ₂ O ₅ ).

Die Verfahrensschritte können jedoch auch sequenziell erfolgen. So kann der Schritt des Bereitstellens der Basislegierung beispielsweise die Bereitstellung von Roheisen in einer Hochofenroute, aber auch mittels anderer Verfahren umfassen. Das Roheisen kann dann im Rahmen eines Blasverfahrens (z. B. LD-Verfahren oder Linz-Donawitz-Verfahren) oder eines Herdfrischverfahrens (z. B. Siemens-Martin-Verfahren) zu Stahl weiterverarbeitet werden. Als optionalen weiteren Schritt kann das Bereitstellen der Basislegierung ferner ein Frischen umfassen, das zu einer Anpassung (im Allgemeinen einer Senkung) des Gehalts von Elementen wie Silizium (Si), Mangan (Mn), Schwefel (S) oder auch Phosphor (P) führt. Auch können durch Zugabe weiterer Elemente die Eigenschaften der so erzeugten Basislegierung optional weiter verändert werden. Beispiele hierfür umfassen Vanadium (V), Chrom (Cr), Kalzium (Ca), Silizium (Si), Niob (Nb), Titan (Ti), Nickel (Ni) und Molybdän (Mo). So kann beispielsweise durch Zugabe von Aluminium (Al), Silizium (Si), Kalzium (Ca) oder Kalziumverbindungen eine Desoxidation erzielt werden.However, the process steps can also take place sequentially. For example, the step of providing the base alloy can include the provision of pig iron in a blast furnace route, but also by means of other methods. The pig iron can then be further processed into steel using a blowing process (e.g. LD process or Linz-Donawitz process) or a hearth-fresh process (e.g. Siemens-Martin process). As an optional further step, providing the base alloy may further include refining, which leads to an adjustment (generally a reduction) in the content of elements such as silicon (Si), manganese (Mn), sulfur (S) or even phosphorus (P). . The properties of the base alloy produced in this way can optionally be further changed by adding further elements. Examples include vanadium (V), chromium (Cr), calcium (Ca), silicon (Si), niobium (Nb), titanium (Ti), nickel (Ni) and molybdenum (Mo). For example, deoxidation can be achieved by adding aluminum (Al), silicon (Si), calcium (Ca) or calcium compounds.

In dem zweiten Schritt des Legierens mit Tantal kann dann das Tantal in metallischer oder in chemisch gebundener Form der Basislegierung zugesetzt werden. Das Tantal kann hierbei beispielsweise in Form der oben genannten chemischen Verbindungen der Basislegierung beigegeben werden. Der Schritt des Legierens mit Tantal ist hierbei ein typischer Schritt der Sekundärmetallurgie, der beispielsweise in einem Pfannenofenverfahren nach dem Frischen durchgeführt werden kann. Hierbei können optional weitere Legierungselemente beigegeben werden, wie etwa Vanadium (V), Chrom (Cr), Kalzium (Ca), Silizium (Si), Niob (Nb), Titan (Ti), Nickel (Ni), Molybdän (Mo) oder andere Elemente, soweit dies noch notwendig oder erwünscht wird. Chrom, Tantal und Molybdän können so beispielsweise korrosionshemmend wirken. Der Schritt des Legierens mit Tantal erfolgt hierbei bei einer Temperatur von weniger als 1600 °C, wobei gegebenenfalls die Temperatur auch auf Werte von unter 1550 °C oder von unter 1500 °C beschränkt werden kann.In the second step of alloying with tantalum, the tantalum can then be added to the base alloy in metallic or chemically bound form. The tantalum can be added to the base alloy, for example in the form of the chemical compounds mentioned above. The step of alloying with tantalum is a typical step of secondary metallurgy, which can be carried out, for example, in a ladle furnace process after refining. Additional alloying elements can optionally be added, such as vanadium (V), chromium (Cr), calcium (Ca), silicon (Si), niobium (Nb), titanium (Ti), nickel (Ni), molybdenum (Mo) or other elements if this is still necessary or desired. Chromium, tantalum and molybdenum, for example, can have a corrosion-inhibiting effect. The step of alloying with tantalum takes place at a temperature of less than 1600 ° C, although if necessary the temperature can also be limited to values of below 1550 ° C or below 1500 ° C.

Im Rahmen der Sekundärmetallurgie können weitere Verfahrensschritte umfasst sein, etwa eine Entgasung durch eine Vakuumentgasung oder durch andere Verfahren. Daran können optional weitere mechanische, thermische oder andere Weiterverarbeitungsschritte, also etwa ein Walzen des Stahls, folgen.Secondary metallurgy may include further process steps, such as degassing by vacuum degassing or by other methods. This can optionally be followed by further mechanical, thermal or other further processing steps, such as rolling the steel.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager 100 für eine Großanlage, beispielsweise eine Windkraftanlage, eine Gezeitenkraftanlage, ein Walzwerk oder eine Baumaschine. Das Kegelrollenlager 100 umfasst einen Außenring 110 und einen Innenring 120, die in 1 bezogen auf eine Symmetrielinie 130 gezeigt sind, wobei die Symmetrielinie 130 mit der Achse des Kegelrollenlagers 100 zusammenfällt. Zwischen dem Innenring 120 und dem Außenring 110 ist eine Mehrzahl von kegelstumpfförmigen Wälzkörpern 140 angeordnet, die von einem optionalen Käfig 150 geführt werden. 1 shows a cross section through a tapered roller bearing 100 for a large system, for example a wind turbine, a tidal turbine, a rolling mill or a construction machine. The tapered roller bearing 100 includes an outer ring 110 and an inner ring 120, which are in 1 related to a line of symmetry 130 is shown, the line of symmetry 130 coinciding with the axis of the tapered roller bearing 100. Between the inner ring 120 and the outer ring 110, a plurality of frustoconical rolling elements 140 are arranged, which are guided by an optional cage 150.

Durch eine Relativbewegung des Innenrings 120 zu dem Außenring 110 rollen sich die Wälzkörper 140 an einer Lauffläche 160 des Innenrings 120 und einer Lauffläche 170 des Außenrings 110 ab. Zur seitlichen Führung der Wälzkörper 140 weist das Kegelrollenlager 100 Führungsborde auf. Der Innenring umfasst so ein ersten Bord 180 und ein zweiten Bord 190, während der hier gezeigte Außenring keine seitlichen Führungsborde aufweist.Due to a relative movement of the inner ring 120 to the outer ring 110, the rolling elements 140 roll on a running surface 160 of the inner ring 120 and a running surface 170 of the outer ring 110. For lateral guidance of the rolling elements 140, the tapered roller bearing 100 has guide rims. The inner ring thus comprises a first rim 180 and a second rim 190, while the outer ring shown here has no side guide rims.

Der Außenring 110 und der Innenring 120 sind hierbei vollständig aus einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gefertigt. Ausgehend von den Laufflächen 160, 170 der beiden Wälzlagerringe 110, 120 weisen diese jeweils einen Randhärtungsbereich 200, 210 auf, in dem der Stahl der beiden Wälzlagerringe 110, 120 einer Randhärtung unterworfen wurde. Beide Randhärtungsbereiche 200, 210 erstrecken sich hierbei ausgehend von den Oberflächen der beiden Bauteile, also den beiden Laufflächen 160, 170, bis zu einer durch die Prozessparameter und die Materialeigenschaften des verwendeten Stahls vorbestimmbaren Randhärtungstiefe in das Bauteil hinein. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können sich so die Randhärtungsbereiche ausgehend von den Oberflächen der Bauteile beispielsweise wenigstens 5 mm in diese hinein erstrecken, können jedoch auch geringere oder größere Randhärtungstiefen aufweisen. Je nach Bedarf kann auch ein dickerer Randhärtungsbereich von 10 mm oder darüber erzeugt werden, der gerade bei hoch belasteten Bauteilen, wie den Wälzlagerringen von Großmaschinen, einer vorzeitigen Ermüdung entgegenwirkt und auch dem bei größeren Wälzlagerringen höherem Aufmaß für die Hartbearbeitung (z. B. wegen Verzugs) Rechnung trägt. Aber auch im Bereich der Wälzkörper und anderer Bau- oder Maschinenteile sind Randhärtungsbereiche mit Randhärtungstiefen im beschriebenen Ausmaß aus unterschiedlichen Gründen häufig sehr willkommen.The outer ring 110 and the inner ring 120 are made entirely of steel according to an exemplary embodiment of the present invention. Starting from the running surfaces 160, 170 of the two rolling bearing rings 110, 120, these each have an edge hardening area 200, 210 in which the steel of the two rolling bearing rings 110, 120 was subjected to edge hardening. Both edge hardening areas 200, 210 extend from the surfaces of the two components, i.e. the two running surfaces 160, 170, into the component to an edge hardening depth that can be predetermined by the process parameters and the material properties of the steel used. In exemplary embodiments of the present invention, the edge hardening areas can extend from the surfaces of the components, for example at least 5 mm into them, but can also have smaller or larger edge hardening depths. Depending on requirements, a thicker edge hardening area of 10 mm or more can be created, which counteracts premature fatigue, especially on components subject to high loads, such as the rolling bearing rings of large machines, and also the higher allowance for hard machining on larger rolling bearing rings (e.g. due to default). But also in the area of rolling elements and other components or machine parts, edge hardening areas with edge hardening depths to the extent described are often very welcome for various reasons.

Sowohl der Außenring 110 als auch der Innenring 120 stellen daher Ausführungsbeispiele eines Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung dar.Both the outer ring 110 and the inner ring 120 therefore represent exemplary embodiments of a component according to the present invention.

2 illustriert am Beispiel des in 1 gezeigten Außenrings 110 die Erzeugung des Randhärtungsbereichs 200 mittels Induktionshärten. Zu diesem Zweck wird ein Induktor 220 über die zu härtende Oberfläche, also im vorliegenden Fall über die Lauffläche 170 geführt, während der Induktor 220 in dem Werkstück (Bauteil bzw. Außenring 110) über ein magnetisches Wechselfeld Wirbelströme erzeugt. Zu diesem Zweck umfasst der Induktor 220 eine in 2 nicht gezeigte Spule, durch die ein Wechselstrom mit einer vorbestimmten, einstellbaren oder auch programmierbaren Frequenz zuschaltbar ist. Durch die Einstellung der Stromstärke des Stroms, also im Wesentlichen der Leistung des Induktors 220, durch die Festlegung der Frequenz des Wechselstroms und durch die Festlegung der Dauer der Einwirkung des Wechselfeldes wird eine bestimmte Wärmemenge durch elektrischen Stromfluss und Wärmeleitung in eine Oberflächenschicht des Werkstücks 110 eingebracht, die zu einer Aufheizung des Werkstücks führt. Um eine Beschädigung des Induktors 220 durch hohe Temperaturen zu vermeiden, kann dieser optional auch ein in 2 nicht gezeigtes Kühlsystem umfassen, also etwa eine Wasserkühlung. 2 illustrated using the example of in 1 shown outer ring 110 the creation of the edge hardening area 200 by means of induction hardening. For this purpose, an inductor 220 is guided over the surface to be hardened, i.e. in the present case over the running surface 170, while the inductor 220 generates eddy currents in the workpiece (component or outer ring 110) via an alternating magnetic field. For this purpose, the inductor 220 includes an in 2 Coil, not shown, through which an alternating current with a predetermined, adjustable or programmable frequency can be switched on. By adjusting the current strength of the current, i.e. essentially the power of the inductor 220, by determining the frequency of the alternating current and by determining the duration of the action of the alternating field, a certain amount of heat is introduced into a surface layer of the workpiece 110 through electrical current flow and heat conduction , which leads to the workpiece heating up. In order to avoid damage to the inductor 220 due to high temperatures, it can optionally also have an in 2 include a cooling system, not shown, such as water cooling.

Über die Frequenz kann aufgrund des Skin-Effekts eine Eindringtiefe des Wechselfeldes und damit eine Dicke des zu erzeugenden Randhärtungsbereichs bestimmt werden. Hierdurch kann somit eine Wärmemenge in das Werkstück (Außenring 110) unter seine Oberfläche (Lauffläche 170) eingebracht werden, durch die es zu dem thermisch induzierten Härten des Stahls kommt. Aufgrund der Wärmeeinwirkung kommt es dann in dem Randhärtungsbereich 170 zu einer Gefügeneubildung, wobei jedoch aufgrund der Verwendung des Stahls gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Grobkornbildung im Austenit mit beim Abschrecken entstehenden großen Martensitnadeln bzw. -latten und entsprechenden ehemaligen Austenitkorngrenzen im Wesentlichen unterbunden, zumindest jedoch reduziert werden kann, sodass die zuvor genannten Dicken der Randhärtungsbereiche zumindest ohne übermäßige Werkstoffschädigung (z. B. Grobkorn mit Komgrenzensegregation) erzielbar sind.Due to the skin effect, a penetration depth of the alternating field and thus a thickness of the edge hardening area to be created can be determined via the frequency. As a result, a quantity of heat can be introduced into the workpiece (outer ring 110) below its surface (running surface 170), which leads to thermally induced hardening of the steel. Due to the effect of heat, a new structure is then formed in the edge hardening area 170, although due to the use of the steel according to exemplary embodiments of the present invention, coarse grain formation in the austenite with large martensite needles or slats formed during quenching and corresponding former austenite grain boundaries is essentially prevented, at least can be reduced so that the aforementioned thicknesses of the edge hardening areas can be achieved at least without excessive material damage (e.g. coarse grain with grain boundary segregation).

Durch den Induktor 220 können so beispielsweise Temperaturanstiege von mehr als 100 °C/s und darüber erzeugt werden. Untersuchungen haben hier gezeigt, dass bei Temperaturanstiegen zwischen 100 °C/s und 300 °C/s Körner mit einer ASTM-Kenngröße von 5 oder darüber, gegebenenfalls sogar von 6 oder 7 und darüber in dem Randhärtungsbereich 200 erzielbar sind.The inductor 220 can, for example, generate temperature increases of more than 100 ° C/s and above. Studies have shown here that with temperature increases between 100 °C/s and 300 °C/s, grains with an ASTM parameter of 5 or above, possibly even 6 or 7 and above, can be achieved in the edge hardening range 200.

Stähle gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind so induktiv härtbar und können durch eine solche Härtung zumindest im Randbereich hochfest ausgeführt werden. Sie eignen sich daher als Stähle für Wälzlager und für andere Anwendungsgebiete, bei denen die aus ihnen gefertigten Bauteile starken dynamischen und/oder statischen Belastungen unterworfen werden. Bei Wälzlagern handelt es sich hierbei typischerweise um eine zyklische und/oder statische Druckbeanspruchung, wobei die verbesserte Härtbarkeit und Kornstabilität dem Verschleiß, der Ermüdung und dem spontanen Versagen entgegenwirken. Das Fehlen kritischer Zugspannungen und der hohe hydrostatische Druck im Hertzschen Kontakt lassen den gehärteten Stahl mikroplastisch fließen und führen zu einer etwa gegenüber einer vergleichbaren zyklischen Zug-Druck- oder Umlaufbiegebeanspruchung um Größenordnungen höheren Lebensdauer bei Wälzermüdung durch Überrollung.Steels according to the exemplary embodiments of the present invention can be hardened inductively and can be made to have high strength at least in the edge area through such hardening. They are therefore suitable as steels for rolling bearings and for other areas of application in which the components made from them are subjected to strong dynamic and/or static loads. This is typical for rolling bearings usually involves cyclic and/or static compressive loading, with the improved hardenability and grain stability counteracting wear, fatigue and spontaneous failure. The absence of critical tensile stresses and the high hydrostatic pressure in the Hertzian contact allow the hardened steel to flow microplastically and lead to a service life in the event of rolling fatigue caused by overrolling that is orders of magnitude longer than a comparable cyclic tensile-compression or rotating bending stress.

Beim Induktionshärten kann optional auch ein Mehrfrequenzverfahren angewendet werden. Darüber hinaus kann die in 2 nicht gezeigte Aufnahme für das Werkstück (Außenring 110) optional geerdet sein, um die Aufheizung durch die im Werkstück angeworfenen Wirbelströme zu verbessern. Der Induktor 220 kann hierbei beispielsweise mit einer Frequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 5 kHz bei einem Abstand von weniger als 20 mm von der zu härtenden Oberfläche (Laufbahn bzw. Lauffläche 170 und 160) betrieben werden. Die zu verwendende Stromstärke bzw. Leistung hängt stark von der Geometrie und Größe des Bauteils ab.A multi-frequency process can optionally also be used for induction hardening. In addition, the in 2 Recording for the workpiece (outer ring 110), not shown, can optionally be grounded in order to improve the heating caused by the eddy currents generated in the workpiece. The inductor 220 can be operated, for example, with a frequency in the range between 1 kHz and 5 kHz at a distance of less than 20 mm from the surface to be hardened (raceway or tread 170 and 160). The current strength or power to be used depends heavily on the geometry and size of the component.

3 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Härteverlaufs 230 (H = hardness) als Funktion einer Tiefe (d = depth) von der Oberfläche aus, also im Falle des in den 1 und 2 gezeigten Außenrings 110 von der Lauffläche 170 ausgehend vom Rand zum Kern. Ausgehend von der Oberfläche des Außenrings (d = 0) weist die Härte zunächst im Randhärtungsbereich 200 im Wesentlichen einen ersten konstanten Wert auf, bevor sie außerhalb des Randhärtungsbereichs 200 abnimmt und im Inneren des Werkstücks einem zweiten Wert zustrebt. Der erste Wert der Härte H liegt hierbei über dem des zweiten Werts, wobei der erste Wert auf die durchgeführte Randhärtung und der zweite Wert auf die Eigenschaften des zugrunde liegenden Stahls zurückzuführen sind. Der erste Wert wird also durch die Aufhärtbarkeit des Stahls bestimmt. 3 shows a schematically simplified representation of a hardness curve 230 (H = hardness) as a function of a depth (d = depth) from the surface, i.e. in the case of the 1 and 2 shown outer ring 110 from the tread 170 starting from the edge to the core. Starting from the surface of the outer ring (d = 0), the hardness initially has a substantially first constant value in the edge hardening area 200 before it decreases outside the edge hardening area 200 and tends to a second value inside the workpiece. The first value of the hardness H is above that of the second value, with the first value being due to the edge hardening carried out and the second value being due to the properties of the underlying steel. The first value is therefore determined by the hardenability of the steel.

Die Härte kann beispielsweise nach Rockwell gemäß der HRC-Skala angegeben werden. Je nach verwendetem Stahl gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so Härten beginnend bei 20 HRC im Falle eines Stahls mit einem Kohlenstoffanteil von 0,25 Gew.-% bis hin zu 70 HRC bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 1,55 Gew.-% erzielt werden. Die Härtbarkeit kann hierbei durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirnflächenabständen gemessen werden.The hardness can be specified, for example, according to Rockwell according to the HRC scale. Depending on the steel used according to exemplary embodiments of the present invention, hardening can start at 20 HRC in the case of a steel with a carbon content of 0.25% by weight up to 70 HRC for a steel with a carbon content of 1.55% by weight. be achieved. The hardenability can be measured using Jominy face quenching tests at different face distances.

Die resultierende Härte wird hierbei vorwiegend durch den Kohlenstoffanteil bewirkt, wobei der Bereich von 0,25 Gew.-% bis 1,55 Gew.-% für die Induktionshärtung und die Flammhärtung geeignet ist. Die weiteren Legierungsmetalle verbessern die Einhärtbarkeit und verhindern ein übermäßiges Kornwachstum, wobei bereits ein geringer Tantalanteil von 0,01 Gew.-% und darüber, der der Mikrolegierung zuzurechnen ist, kornstabilisierend wirkt. Dies gilt ebenso für höhere Tantalanteile im Bereich zwischen 0,1 Gew.-% und 2 Gew.-%. Durch das Zusammenwirken von Kohlenstoff und dem Legierungselement Tantal (Ta) kann so auch bei einer längeren und/oder höher temperierten Wärmebehandlung das Gefüge des Stahls bei hoher resultierender Härte weitgehend stabil gehalten werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der Tantalanteil auch wenigstens 0,2 Gewichtsprozent oder 0,25 Gewichtsprozent betragen.The resulting hardness is primarily caused by the carbon content, with the range from 0.25% by weight to 1.55% by weight being suitable for induction hardening and flame hardening. The other alloy metals improve hardenability and prevent excessive grain growth, with even a small tantalum content of 0.01% by weight and above, which can be attributed to the microalloy, having a grain-stabilizing effect. This also applies to higher tantalum contents in the range between 0.1% by weight and 2% by weight. Through the interaction of carbon and the alloying element tantalum (Ta), the structure of the steel can be kept largely stable with a high resulting hardness, even after a longer and/or higher temperature heat treatment. In further exemplary embodiments, the tantalum content can also be at least 0.2 percent by weight or 0.25 percent by weight.

Bei Ausführungsbeispielen kann der Tantalanteil auch über die vorgenannten Werte hinaus erhöht werden. Wird dieser beispielsweise auf Werte von wenigsten 0,5 Gewichtsprozent erhöht, kann zusätzlich zu der Kornfeinbildung auch die Karbidbildung oder Karbidausbildung gegebenenfalls positiv beeinflusst werden.In exemplary embodiments, the tantalum content can also be increased beyond the aforementioned values. If this is increased, for example, to values of at least 0.5 percent by weight, in addition to the formation of grain fines, the formation of carbide or carbide formation can also be positively influenced.

Auch durch ein geeignetes (Mikro-) Legieren mit weiteren Legierungselementen, also beispielsweise mit Niob (Nb), Titan (Ti) oder Vanadium (V), kann das Kornwachstum bei der Wärmebehandlung (weiter) behindert wird. Typische Gehalte dieser Legierungselemente liegen zwischen 0,01 und 2 Gew.-%. Erfindungsgemäß können hierbei konventionelle induktiv härtbare Stähle, z. B. 50CrMo4 oder 43CrMo4, als Basislegierungen in der beschriebenen Weise zusätzlich (mikro-) legiert werden, um so z. B. 50CrMo4 +Ta oder 43CrMo4 +Ta zu erhalten.Grain growth can also be (further) hindered during heat treatment through suitable (micro)alloying with other alloying elements, for example with niobium (Nb), titanium (Ti) or vanadium (V). Typical contents of these alloying elements are between 0.01 and 2% by weight. According to the invention, conventional inductively hardenable steels, e.g. B. 50CrMo4 or 43CrMo4, are additionally (micro-)alloyed as base alloys in the manner described, in order to e.g. B. to obtain 50CrMo4 +Ta or 43CrMo4 +Ta.

Es wird hierbei vermutet, dass eingelagerte Karbide das Kornwachstum behindern, da diese als Hindernisse für die Korngrenzenbewegung und bei der Umwandlung in Austenit als Keime wirken und so die Kornbildung unterstützen können. Daher sind diese Stähle mit steigendem Legierungszusatz überhitzungsunempfindlicher als unlegierte Stähle mit gleichem Kohlenstoffgehalt. Dabei verhindern die eingelagerten Karbide ein übermäßiges Kornwachstum. Gerade Tantalkarbid (TaC) ist hier besonders vorteilhaft, da sich dieses im Vergleich zu anderen Karbiden nicht so schnell aufzulösen scheint. Über das Mikrolegieren mit einem Legierungselement kann so das Austenitkornwachstum beim Erwärmen auf Schmiedetemperatur durch die Bildung von Metallkarbiden gebremst werden. Die Schmiedetemperatur liegt häufig im Bereich der relevanten Austenitisierungstemperaturen beim Induktionshärten mit Kurzzeitaustenitisieren.It is assumed that embedded carbides hinder grain growth because they act as obstacles to grain boundary movement and as nuclei during the transformation into austenite and can thus support grain formation. Therefore, with increasing alloy addition, these steels are less sensitive to overheating than unalloyed steels with the same carbon content. The embedded carbides prevent excessive grain growth. Tantalum carbide (TaC) is particularly advantageous here as it does not seem to dissolve as quickly as other carbides. By microalloying with an alloying element, austenite grain growth can be slowed down by the formation of metal carbides when heated to forging temperature. The forging temperature is often in the range of the relevant austenitization temperatures for induction hardening with short-term austenitization.

Insgesamt wird so der Werkstoff durch Mikrolegieren toleranter gegen Überhitzung beim Induktionshärten. Dadurch wird das verfügbare Prozessfenster erweitert und das Verfahren bezüglich Abweichungen unempfindlicher.Overall, microalloying makes the material more tolerant to overheating during induction hardening. This will make the process available The window is expanded and the procedure is less sensitive to deviations.

Als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für Bauteile sind bisher der in 1 auch gezeigte Innenring 110 und der Außenring 120 eines einreihigen Kegelrollenlagers beschrieben worden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind hierauf jedoch bei Weitem nicht beschränkt. Neben mehrreihigen (z. B. zweireihigen) Wälzlagerringen, Wälzkörpern (u. a. ein Zylinderrolle, Kugel und Kegelrolle) und anderen induktiv zu härtenden Wälzlagerkomponenten zählen zu den Ausführungsbeispielen ebenfalls andere Bauformen von Wälzlagern, also etwa Zylinderrollenlager, Tonnenlager, Kugellager, Vierpunktlager und Nadellager ebenso, wie Gleitlager, Zwischenringe und andere Bau- und Maschinenteile der rotativen und linearen Lagertechnik. Auch Bauteile anderer Disziplinen des Fahrzeug- und Maschinenbaus können als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden. Hierzu zählen grundsätzlich alle Bauteile, die wenigstens einen Bereich aufweisen, der einer erhöhten Belastung unterworfen ist, sodass es sinnvoll ist, dort eine entsprechende Randhärtung ausgehend vom Rand des betreffenden Bauteils vorzunehmen.The exemplary embodiments of the present invention for components have so far been in 1 Also shown inner ring 110 and the outer ring 120 of a single row tapered roller bearing have been described. However, exemplary embodiments of the present invention are far from being limited to this. In addition to multi-row (e.g. double-row) rolling bearing rings, rolling elements (including a cylindrical roller, ball and tapered roller) and other rolling bearing components that are to be hardened inductively, the exemplary embodiments also include other types of rolling bearings, such as cylindrical roller bearings, barrel bearings, ball bearings, four-point bearings and needle bearings, such as plain bearings, intermediate rings and other components and machine parts of rotary and linear bearing technology. Components from other disciplines of vehicle and mechanical engineering can also be implemented as exemplary embodiments of the present invention. This basically includes all components that have at least one area that is subject to increased stress, so that it makes sense to carry out appropriate edge hardening starting from the edge of the component in question.

Auch wenn bisher ausschließlich Bauteile beschrieben wurden, die vollständig aus Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gefertigt sind, sind Ausführungsbeispiele auch in dieser Beziehung nicht auf eine vollständige Ausführung aus einem Material beschränkt. Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist so wenigstens einen Abschnitt aus Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf. Der Abschnitt erstreckt sich von einer Oberfläche des Bauteils in ein Inneres des Bauteils, wobei das Bauteil in dem Abschnitt eine Randhärtung aufweist. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Randhärtung wenigstens 5 mm in das Innere des Bauteils. Allerdings können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch größere oder auch kleinere Randhärtungstiefen implementiert werden, wie dies zuvor bereits beschrieben wurde. Beispiele hierfür sind Verbundbauteile, die einen entsprechend ausgeformten Abschnitt aufweisen, in dem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem entsprechenden Randhärtungsbereich implementiert ist. Andere Bereiche des betreffenden Bauteils können beispielsweise aus einem anderen Metall, einer anderen Legierung oder einem anderen Stahl gefertigt sein. Eine Verbindung kann in diesen Fällen beispielsweise stoffschlüssig in Form einer Löt- oder Schweißverbindung hergestellt werden. Aber auch andere Verbindungsmethoden sind hier denkbar, beispielsweise eine kraft- oder formschlüssige Verbindung oder auch eine Verklebung als weitere Form der stoffschlüssigen Verbindung. Diese Methoden können beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn ein Verlöten oder Verschweißen nicht infrage kommt, wenn also die beteiligten Stoffe nicht löt- oder schweißbar sind. Beispiele können hierfür etwa Kunststoffe oder glasfaserverstärkte Werkstoffe sein. Bei Ausführungsbeispielen, die nicht vollständig aus einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel gefertigt sind, zumindest jedoch einen Abschnitt aufweisen, kann sich dieser ausgehend von der Oberfläche entlang einer Geraden derart erstrecken, dass die Gerade vollständig in dem Stahl verläuft, bis sie an einem (weiteren) Oberflächenabschnitt aus dem Bauteil austritt.Even if so far only components have been described that are made entirely of steel according to an exemplary embodiment of the present invention, exemplary embodiments are not limited in this respect to a complete version made of one material. A component according to an exemplary embodiment of the present invention thus has at least one section made of steel according to an exemplary embodiment of the present invention. The section extends from a surface of the component into an interior of the component, the component having edge hardening in the section. In some embodiments of the present invention, the edge hardening extends at least 5 mm into the interior of the component. However, according to exemplary embodiments of the present invention, larger or smaller edge hardening depths can also be implemented, as has already been described previously. Examples of this are composite components that have a correspondingly shaped section in which steel according to an embodiment of the present invention is implemented together with a corresponding edge hardening area. Other areas of the component in question can, for example, be made of a different metal, a different alloy or a different steel. In these cases, a connection can, for example, be made cohesively in the form of a soldered or welded connection. But other connection methods are also conceivable here, for example a non-positive or positive connection or adhesive bonding as a further form of material connection. These methods can be used, for example, when soldering or welding is out of the question, i.e. when the materials involved cannot be soldered or welded. Examples of this could be plastics or glass fiber reinforced materials. In exemplary embodiments that are not made entirely of steel according to an exemplary embodiment, but have at least one section, this can extend starting from the surface along a straight line in such a way that the straight line runs completely in the steel until it reaches a (further) Surface section emerges from the component.

Bei Ausführungsbeispielen können das Bauteil bzw. sein Abschnitt, der den Stahl aufweist, gegebenenfalls weitere Materialien umfasst sein. So kann ein solches Bauteil auch vollständig oder in einem entsprechenden Abschnitt aus einem Material gefertigt sein, welches den Stahl umfasst. Ein solches Material kann beispielsweise ein faserverstärkter Stahl oder eine andere hybride Materialkombination umfassen, bei der Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommt.In exemplary embodiments, the component or its section that has the steel may optionally include other materials. Such a component can also be made entirely or in a corresponding section from a material that includes steel. Such a material may include, for example, a fiber-reinforced steel or another hybrid material combination in which steel is used according to one embodiment.

Ein Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel kann also beispielsweise ein Stahl zur Flamm- oder Induktionshärtung sein. Es kann sich alternativ oder ergänzend hierzu auch um einen Wälzlagerstahl handeln. Bei einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel kann dieser außer Eisen und Kohlenstoff sowie den zuvor genannten Legierungsstoffen keine weiteren Elemente mit einem jeweiligen Anteil von mehr als 0,2 Gewichtsprozent aufweisen, wobei ein Gesamtanteil der weiteren Elemente 10 Gewichtsprozent nicht übersteigt. Durch die Implementierung eines Ausführungsbeispiels kann gegebenenfalls eine verbesserte und/oder leichtere Randhärtung erzielbar sein.A steel according to an exemplary embodiment can therefore, for example, be a steel for flame or induction hardening. Alternatively or additionally, it can also be a rolling bearing steel. In the case of a steel according to an exemplary embodiment, apart from iron and carbon and the aforementioned alloy materials, it cannot have any other elements with a respective proportion of more than 0.2 percent by weight, with a total proportion of the other elements not exceeding 10 percent by weight. By implementing an exemplary embodiment, improved and/or easier edge hardening may possibly be achieved.

Zu den möglichen Anwendungsgebieten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zählen zunächst alle Großanlagen, bei denen einzelne Bauteile einer entsprechenden mechanischen Belastung unterworfen sind, die eine Randhärtung ratsam macht. Hierzu zählen Wind- und Gezeitenkraftanlagen ebenso, wie Generatoren, Baumaschinen, Kräne, Bagger, Transporter, Züge, Flugzeuge, Walzwerke und andere Maschinen. Grundsätzlich kann es auch ratsam sein, Ausführungsbeispiele in kleineren Anlagen und ihren Komponenten einzusetzen, da auch bei solchen Anlagen beispielsweise durch plötzliche Stoßbelastungen hohe Beanspruchungen auftreten können. Mikrolegierte kornstabile Stähle für eine induktive Wärmebehandlung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, sowie entsprechende Bauteile sind daher in einem weiten Feld von Anwendungen einsetzbar. The possible areas of application of exemplary embodiments of the present invention include all large systems in which individual components are subject to a corresponding mechanical load, which makes edge hardening advisable. This includes wind and tidal turbines as well as generators, construction machinery, cranes, excavators, transporters, trains, airplanes, rolling mills and other machines. In principle, it may also be advisable to use exemplary embodiments in smaller systems and their components, since high stresses can also occur in such systems, for example due to sudden shock loads. Microalloyed grain-stable steels for inductive heat treatment according to exemplary embodiments of the present invention, as well as corresponding components, can therefore be used in a wide range of applications.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100

KegelrollenlagerTapered roller bearings

110110

AußenringOuter ring

120120

InnenringInner ring

130130

SymmetrielinieLine of symmetry

140140

Wälzkörperrolling elements

150150

KäfigCage

160160

Laufflächetread

170170

Laufflächetread

180180

erste Bordefirst boards

190190

zweite Bordesecond shelves

200200

RandhärtungsbereichEdge hardening area

210210

RandhärtungsbereichEdge hardening area

220220

Induktorinductor

230230

HärteverlaufHardness gradient

Claims (9)

Stahl, der Tantal mit einem Anteil zwischen höher als 0,5 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.Steel containing tantalum in a proportion of between 0.5 and 2% by weight and a carbon content of at least 0.25% by weight and at most 1.55% by weight. Stahl nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstoffanteil höchstens 1,1 Gewichtsprozent oder höchstens 0,6 Gewichtsprozent beträgt.Steel after Claim 1 , where the carbon content is at most 1.1 percent by weight or at most 0.6 percent by weight. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweist, wobei das Legierungselement Molybdän, Nickel, Silizium, Mangan oder Chrom ist.Steel according to any one of the preceding claims, further comprising an alloying element having a weight proportion of between 0.1 and 5 weight percent, said alloying element being molybdenum, nickel, silicon, manganese or chromium. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Tantal mit einem Gewichtsanteil aufweist, der größer als der 1-fache Gewichtsanteil von Niob ist.Steel according to one of the preceding claims, which comprises tantalum in a weight fraction which is greater than 1 times the weight fraction of niobium. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich um einen Stahl zur Flamm- oder Induktionshärtung handelt, und/oder wobei der Stahl ein Wälzlagerstahl ist.Steel according to one of the preceding claims, which is a steel for flame or induction hardening, and/or wherein the steel is a rolling bearing steel. Verfahren zum Herstellen von Stahl, umfassend: Bereitstellen einer Basislegierung des Stahls; und Legieren der Basislegierung mit Tantal, sodass der Stahl Tantal mit einem Anteil zwischen höher als 0,5 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.A method for producing steel, comprising: Providing a base alloy of the steel; and Alloying the base alloy with tantalum, so that the steel has tantalum in a proportion between higher than 0.5 and 2 percent by weight and a carbon content that is at least 0.25 percent by weight and at most 1.55 percent by weight. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Legieren ein Hinzufügen von Tantalkarbid, Tantalborid, Tantalsilizid, Tantaloxid oder Tantal zu der Basislegierung umfasst.Procedure according to Claim 6 , in which alloying includes adding tantalum carbide, tantalum boride, tantalum silicide, tantalum oxide or tantalum to the base alloy. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Kohlenstoffanteil höchstens 1,1 Gewichtsprozent oder höchstens 0,6 Gewichtsprozent beträgt.Procedure according to one of the Claims 6 or 7 , where the carbon content is at most 1.1 percent by weight or at most 0.6 percent by weight. Bauteil (110; 120), das wenigstens in einem Abschnitt Stahl gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, wobei sich der Abschnitt von einer Oberfläche (160; 170) des Bauteils (110; 120) in ein Inneres des Bauteils (110; 120) erstreckt, und wobei das Bauteil (110; 120) in dem Abschnitt eine Randhärtung (200; 210) aufweist.Component (110; 120), which is made of steel at least in one section according to one of Claims 1 until 5 has, wherein the section extends from a surface (160; 170) of the component (110; 120) into an interior of the component (110; 120), and wherein the component (110; 120) in the section has an edge hardening (200; 210).

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