DE102011088234A1 - Bauteil - Google Patents

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Abstract

Ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils (100) umfasst wenigstens einen Abschnitt (110), der einen Stahl umfasst, wobei sich der Abschnitt (110) von einer Oberfläche (120) des Bauteils (100) in ein Inneres des Bauteils (100) erstreckt, und eine Randzone (130) in dem Abschnitt (110), die sich unmittelbar an die Oberfläche (120) des Bauteils (100) anschließt, und in der sich ein Anteil eines chemischen Elements in dem Stahl messbar ändert. Der Stahl in der Randzone (130) weist wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) auf, wobei der Stahl einen Chromanteil aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt, und wobei der Stahl ferner Tantal mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent aufweist. Ein solches Bauteil (100) kann so eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen seiner Herstellung aufweisen.

Description

  • Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Bauteil, beispielweise auf eine Wälzlagerkomponente, beispielsweise eine Wälzlagerkomponente einer Großmaschine, wie etwa einer Windturbine oder eines Industriegetriebes.
  • Bei vielen Maschinen und Anlagen treten hohe mechanische Belastungen in unterschiedlichen Formen und Ausprägungen auf. Häufig, aber bei Weitem nicht ausschließlich, sind hier gerade Bauteile betroffen, die zueinander Relativbewegungen ausführen, also beispielsweise translatorische oder rotatorische Bewegungen. Hierbei können neben Dauerbelastungen auch kurzzeitige und/oder lokale Belastungen auftreten, die zu Werkstoffermüdung oder einer statischen Überbeanspruchung der betreffenden Bauteile führen können.
  • Gerade für solche Bauteile (z. B. Maschinenteile) findet Stahl aufgrund seiner weitreichenden Konfektionierbarkeit, seiner Festigkeit, seiner Verformbarkeit, seiner Schweißeignung und vieler anderer Eigenschaften Anwendung. Zu den wichtigen technologischen Eigenschaften zählt auch, dass Stahl vollständig oder auch teilweise gehärtet oder mit Hilfe anderer Verfahren oberflächenbehandelt werden kann. Wird beispielsweise nur eine Randschichthärtung oder Oberflächenhärtung durchgeführt, wird so die entsprechend behandelte Randschicht oder Oberfläche härter und daher mechanisch und tribologisch widerstandsfähiger, während tiefer liegende Bereiche des Bauteils eine geringere Härte und daher eine größere Zähigkeit aufweisen, wodurch das Bauteil insgesamt zyklisch und statisch höher belastbarer wird.
  • Dynamische Belastungen werden häufig über die Oberfläche der Bauteile in diese eingeleitet, wirken also gerade auf die typischerweise gehärteten Bereiche stark ein. Durch diese Spannungen können Versetzungsbewegungen im Material hervorgerufen werden, die letztendlich zu plastischen Verformungen im Inneren des Bauteils führen können. Die damit verbundene Beanspruchung des Bereichs von Korngrenzen im Gefüge von Stahl kann bei anfälligem Werkstoffzustand zu einem interkristallinen Bruch vor Erreichen der Festigkeit im Volumen führen.
  • Um Korngrenzenversagen entgegenzuwirken, werden bevorzugt Stähle eingesetzt, die über eine große 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.
  • Die Härtung des Stahls erfolgt typischerweise thermisch, wobei der Stahl des Bauteils wenigstens teilweise entsprechend stark erhitzt wird. Zu den hier beispielsweise eingesetzten Verfahren zählen das martensitische oder bainitische Durchhärten und das Induktionshärten.
  • Zu den thermochemischen Verfahren, mit deren Hilfe die Randschicht des Stahls chemisch modifiziert werden kann, zählen Verfahren, mit deren Hilfe eine Gefügestabilität des Stahls verbessert werden kann. Zu diesem Zweck können beispielsweise im Rahmen des Carbonitrierens oder Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten eines Stahls Kohlenstoff und Stickstoff in diesen eingebracht werden, wobei der Stahl im Rahmen dieses Verfahrens ebenfalls erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Hierbei besitzt der z. B. un- oder niedriglegierte Stahl, z. B. ein Einsatzstahl, typischerweise einen Kohlenstoffgehalt um 0,05 bis 0,3 Gew.-%. Die Behandlung eines durchhärtenden Stahls in einer Kohlenstoff und Stickstoff spendenden Atmosphäre, der typischerweise einen Kohlenstoffgehalt von etwa 1 Gewichtsprozent (Gew.-% oder %), wie etwa 100Cr6, seine Derivate und ähnliche Stähle, aufweist, wird häufig auch als Carbonitrieren bezeichnet. Das Carbonitrieren umfasst so sowohl das Stickstoffanreichern der Randschicht durchhärtender Stähle als auch eine Variante des Einsatzhärtens, das sogenannte Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten, auf Basis konventioneller einsatzhärtbarer Stähle, bei dem typischerweise Stähle mit einem Kohlenstoffanteil zwischen etwa 0,05 und 0,3 Gew.-% verwendet werden.
  • Diese Verfahren stellen thermische Prozesse dar, sodass bei diesen die Gefahr besteht, dass es oberhalb der Austenittemperatur des Stahls zu einer unerwünschten Erwärmung und damit zu einem Überhitzen des Gefüges kommen kann. Infolge dessen kann ein verstärktes Kornwachstum, also eine Grobkornbildung auftreten. 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.
  • Bisher werden hier konventionelle Stähle, beispielsweise konventionelle Einsatzstähle oder durchhärtende Wälzlagerstähle, verwendet. Bei der Prozessführung wird dann versucht, den Härtungsprozess derart zu führen, dass ein übermäßiges Kornwachstum vermieden wird.
  • Ausgehend hiervon besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Bauteil zu schaffen, das eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen seiner Herstellung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst wenigstens einen Abschnitt, der einen Stahl umfasst, wobei sich der Abschnitt von einer Oberfläche des Bauteils in ein Inneres des Bauteils erstreckt, und eine Randzone in dem Abschnitt, die sich unmittelbar an die Oberfläche des Bauteils anschließt, und in der sich ein Anteil eines chemischen Elements in dem Stahl messbar ändert. Der Stahl in der Randzone weist hierbei wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) (ASTM = American Society for Testing Materials) auf, wobei der Stahl einen Chromanteil (Cr) aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt. Der Stahl weist ferner Tantal (Ta) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob (Nb) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan (Ti) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium (V) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent auf.
  • Ausführungsbeispielen eines Bauteils liegt so die Erkenntnis zu Grunde, dass eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen der Herstellung des Bauteils dadurch erzielbar ist, dass dem Stahl des Bauteils ein Legierungselement zugefügt wird, welches das Kornwachstum unterbindet, zumindest jedoch hemmt. Als wirksam haben sich in diesem Zusammenhang Tantal, Niob, Titan und Vanadium herausgestellt, die jedoch aufgrund einer unterschiedlichen Eignung zur Hemmung des Kornwachstums mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen in dem Stahl vorliegen. Der Chromanteil des Stahls sollte hierbei bei höchstens 7 Gewichtsprozent liegen, um eine Konkurrenz mit den oben genannten Legierungselementen in Bezug auf den ebenfalls in dem Stahl enthaltenen Kohlenstoff zu reduzieren. So besteht die Vermutung, dass die Bildung entsprechender Ausscheidungen, etwa von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden, auf Basis der entsprechenden Legierungselemente und entsprechender Mischkristalle, die hemmende Wirkung auf das Kornwachstum durch eine Stabilisierung der Korngrenzen wenigstens teilweise bewirkt.
  • So können mithilfe eines Einsatzhärtungsverfahrens oder eines Carbonitrierverfahrens Bauteile geschaffen werden, bei denen der Stahl in der Randzone wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM aufweist. Die Wärmebehandlung bewirkt hierbei in der Randzone eine messbare Änderung eines chemischen Elements des Stahls. Der Werkstoff des Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel wird so durch ein Legieren bzw. Mikrolegieren mit den genannten Legierungselementen weniger anfällig für Kornwachstum und Grobkornbildung beim Aufkohlen bzw. Carbonitrieren und einem gegebenenfalls nachfolgenden Härten.
  • Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Änderung des Kohlenstoffanteils oder auch um eine Änderung des Stickstoffanteils handeln. So kann beispielsweise im Rahmen des Einsatzhärtungsverfahrens oder im Rahmen des Carbonitrierverfahrens aufgrund eines von der Oberfläche her auf das Bauteil einwirkenden Mediums Kohlenstoff und/oder Stickstoff an das Bauteil abgeben bzw. mit diesem ausgetauscht werden. Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich so in der Randzone der Anteil des chemischen Elements um wenigstens 0,1 Gewichtsprozent ändern. Bei anderen Ausführungsbeispielen eines Bauteils können jedoch bereits geringere Änderungen des Anteils des chemischen Elements an dem Stahl messbar sein. So sind typischerweise für Stickstoff bereits Änderungen des Anteils ab etwa 10 ppm (engl. Parts Per Million, Teile von einer Million), für Kohlenstoff im Bereich ab etwa 0,01 Gewichtsprozent nachweisbar und messbar. In unbehandeltem Stahl liegt beispielsweise der Stickstoffanteil im Bereich einiger 10 bis einiger 100 ppm.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann es so möglich sein, dass der Stahl in der Randzone im Wesentlichen vollständig ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM aufweist. Die Randzone umfasst hierbei die Zone, in der sich – ausgehend von der Oberfläche des Bauteils – durch das Herstellungsverfahren des Bauteils eine Änderung der chemischen Zusammensetzung des Stahls ergibt. Diese erstreckt sich typischerweise wenigstens 0,1 Millimeter in das Bauteil hinein, bevorzugt wenigstens 1 mm oder bis zu mehr als 10 mm. So ändert sich beispielsweise im Rahmen des Einsatzhärtens in der Randzone der Kohlenstoffanteil des Stahls messbar und für die Materialeigenschaften des Stahls in erheblichem Maße. Im Falle des Carbonitrierens ändert sich in der Randzone ferner der Stickstoffanteil, wobei – je nach Ausgangszusammensetzung des Stahls – sich lokal eine Erhöhung, ein Maximum oder auch eine zumindest abschnittsweise Reduzierung des Kohlenstoffanteils ausbilden kann. So können grundsätzlich, beispielsweise bei sehr dünnen Bauteilen, die Randzone und der Abschnitt des Bauteils, der den Stahl umfasst bzw. aus diesem besteht, identisch sein. Sind sie nicht identisch, liegt in einem Teil des Abschnitts des Bauteils, der nicht der Randzone angehört, der Stahl im Wesentlichen in seiner ursprünglichen chemischen Zusammensetzung vor dem Einsatzhärten oder Carbonitrieren vor.
  • Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel baut so auf einem (mikro-) legierten, kornstabilen Stahl für ein Wärmebehandlungsverfahren auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Einsatzhärten oder Carbonitrieren handeln kann. Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt daher häufig ein einsatzgehärtetes oder carbonitriertes Bauteil bzw. ein durch ein Einsatzhärten bzw. Carbonitrieren hergestelltes Bauteil dar.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gewichtsanteil des Tantals, des Niobs, des Titans oder des Vanadiums höchstens 2 Gewichtsprozent betragen. So verstärkt sich zwar tendenziell mit wachsendem Anteil eines der Legierungselemente Tantal, Niob, Titan oder Vanadium an dem Stahl auch die hemmende Wirkung im Hinblick auf das Kornwachstum, ein über einen Anteil von etwa 2 Gewichtsprozent hinausgehender Anteil kann jedoch zu weniger vorteilhaften Konkurrenzreaktionen führen. Durch den Einsatz der Legierungselemente Tantal, Niob, Titan oder Vanadium kann hierbei beispielsweise eine Erhöhung der zugänglichen Prozesstemperaturen auf über 1000 °C, beispielsweise auf bis zu 1150 °C, erzielt werden, die mit konventionellen Stählen häufig nur unter Inkaufnahme einer verstärkten Grobkornbildung erzielbar sind.
  • Bei Ausführungsbeispielen eines Bauteils kann andererseits bei dem entsprechenden Stahl mit einem Niobanteil (Nb) der Anteil 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 Anteils von Niob (Nb) betragen. 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. Anders ausgedrückt kann bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Stahl gegebenenfalls Tantal mit einem (Gewichts-) Anteil aufweisen, der größer als der 1-fache, 5-fache, der 10-fache, der 20-fache, der 50-fache oder der 100-fache (Gewichts-) Anteil von Niob ist.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Chromanteil höchstens 5 Gewichtsprozent betragen. Hierdurch kann es möglich sein, Konkurrenzreaktionen der Legierungselemente Tantal, Niob, Titan oder Vanadium mit dem Kohlenstoff des Stahls, gegebenenfalls mit Stickstoff oder anderen chemischen Elementen oder Verbindungen zu reduzieren, die in Konkurrenz zu diesen Legierungselementen und ihrer stabilisierenden Wirkung auf die Korngröße stehen können. In den genannten Grenzen kann Chrom jedoch die Härtbarkeit des Stahls unterstützen oder verbessern.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl ferner ein Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweisen, wobei es sich bei dem Legierungselement um Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr) handelt. Der Einsatz dieser Elemente als (zusätzliches) Legierungselement kann zu einer weiteren Verbesserung der Kornstabilität, der statischen Festigkeit und/oder der Härtbarkeit bei der Wärmebehandlung des Stahls führen, sodass ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgehend von der Oberfläche in der Randzone bis zu einer Einsatzhärtungstiefe von wenigstens 5 mm eine Härte von wenigstens 52,5 HRC aufweisen kann, ohne dass hierbei eine verstärkte Grobkornbildung auftritt. Es kann so gegebenenfalls eine Ermüdungsresistenz und/oder eine statische Festigkeit des Werkstoffs verbessert werden. Dies kann gegebenenfalls durch eine Erhöhung des Anteils dieser (zusätzlichen) Legierungselemente weiter gesteigert werden. Es kann daher bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel sinnvoll sein, den Gewichtsanteil des (zusätzlichen) Legierungselements auf Werte zwischen 1 und 5 Gewichtsprozent zu erhöhen. Ergänzend oder alternativ kann der Mangananteil desoxidierend und/oder der Molybdänanteil die Anlassbeständigkeit verbessernd wirken.
  • Als Einsatzhärtungstiefe soll beim Einsatzhärten der senkrechte Abstand zur Oberfläche bis zum Erreichen einer Grenzhärte von 550 HV1 oder 52,5 HRC verstanden werden. 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.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl so wenigstens abschnittsweise in der Randzone, optional auch im Wesentlichen vollständig in der Randzone und/oder in dem Abschnitt des Bauteils, eine Härte oder Härtbarkeit mit wenigstens einem Härtewert bei wenigstens einem Abstandswert von der Oberfläche aufweisen, wobei der wenigstens eine Härtewert in einem durch einen HRCmax-Wert und einem HRCmin-Wert gegebenen Intervall liegt, wobei die HRCmax- und HRCmin-Werte gegenüber den in Tabelle 2 angegebenen HRCmax- und HRCmin-Werten um bis zu 1, 2 oder 3 HRC unteroder überschritten werden dürfen.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl in der Randzone eine Aufkohlungstiefe von wenigstens 5 mm und/oder eine Carbonitriertiefe von wenigstens 0,1 mm aufweisen, wobei die Aufkohlungstiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Kohlenstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Kohlenstoffanteil, beispielsweise 0,35 Gewichtsprozent, fällt, und wobei die Carbonitriertiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Stickstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Stickstoffanteil, beispielsweise 0,05 Gewichtsprozent, fällt. Grundsätzlich können die Werte des vorbestimmten Kohlenstoffanteils und des vorbestimmten Stickstoffanteils beliebig festgelegt werden. Im Bereich des Kohlenstoffs ist die oben genannte Festlegung auf 0,35 Gewichtsprozent weit verbreitet. Für den vorbestimmten Stickstoffanteil werden auch andere Werte verwendet. So kann der vorbestimmte Stickstoffanteil beispielsweise auch 0,5 Gewichtsprozent, 0,35 Gewichtsprozent, 0,25 Gewichtsprozent, 0,2 Gewichtsprozent, 0,15 Gewichtsprozent oder 0,1 Gewichtsprozent betragen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Carbonitriertiefe auch bei wenigstens 0,4 mm, wenigstens 0,5 mm oder wenigstens 0,75 mm liegen.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Aufkohlungstiefe und/oder die Carbonitriertiefe auch Werte von weniger als 5 mm bzw. weniger als 0,1 mm betragen. Ebenso können diese Tiefen jedoch auch größere Werte annehmen.
  • So kann bei einem Ausführungsbeispiel das Bauteil in der Randzone wenigstens abschnittsweise, gegebenenfalls aber auch durchgängig, einen Kohlenstoffanteil von wenigstens 0,35 Gewichtsprozent und einen Härtewert von wenigstens 52,5 HRC aufweisen.
  • Bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Stahl nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10)  aufweisen, die maximal den in Tabelle 3 definierten Werten entsprechen. Alternativ oder ergänzend kann der Stahl auch nichtmetallische Einschlüsse gemäß DIN 50602:1985 aufweisen, die maximal den in Tabelle 4 definierten Werten entsprechen.
  • Ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Wälzlagerkomponente, beispielsweise eine Wälzlagerkomponente einer Großmaschine, beispielsweise einer Windkraftanlage, einer Gezeitenkraftanlage, eines Generators, einer Baumaschine, eines Transporters, eines Zugs, eines Walzwerks, eines Schiffsantriebs, einer Papiermaschine oder eines Flugzeugs sein.
  • Die Verwendung eines solchen Stahls bei einem Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel kann so gegebenenfalls eine verbesserte Härtbarkeit und/oder eine verbesserte Kornstabilität und/oder statische Festigkeit ermöglichen, sodass eine Härtung mit einer größeren Einsatzhärtungstiefe von z. B. wenigstens 5 mm erzielt werden kann, ohne dass hierbei eine verstärkte Grobkornbildung einsetzt. Natürlich können bei anderen Ausführungsbeispielen auch geringere Einsatzhärtungstiefen erzielt werden.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager mit Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen;
  • 3 illustriert einen Verlauf einer Härte und eines Kohlenstoffanteils entlang einer Linie senkrecht zu einer Oberfläche eines Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel, das durch einen Einsatzhärtprozess hergestellt wurde; und
  • 4 illustriert einen Verlauf einer Härte, eines Kohlenstoffanteils und eines Stickstoffanteils entlang einer Linie senkrecht zu einer Oberfläche eines Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel, das durch einen Carbonitrierprozess hergestellt wurde und auf Basis eines durchhärtbaren Stahls.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und andere Komponenten verwendet, wenn die betreffende Komponente an sich oder mehrerer entsprechende Komponenten innerhalb eines Ausführungsbeispiels oder innerhalb mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Passagen der Beschreibung, die sich auf eine Komponente beziehen, sind daher auch auf andere Komponenten in anderen Ausführungsbeispielen übertragbar, soweit dies nicht explizit ausgeschlossen ist oder sich dies aus dem Zusammenhang ergibt. Werden einzelne Komponenten bezeichnet, werden individuelle Bezugszeichen verwendet, die auf den entsprechenden zusammenfassenden Bezugszeichen basieren. Bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen bezeichnen daher gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • Komponenten, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen auftreten, können hierbei bezüglich einiger ihrer technischen Parameter identisch und/oder unterschiedlich ausgeführt oder implementiert werden. Es ist so beispielsweise möglich, dass mehrere Komponenten innerhalb eines Ausführungsbeispiels bezüglich eines Parameters identisch, bezüglich eines anderen Parameters jedoch unterschiedlich ausgeführt sein können.
  • 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Bauteil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Bauteil 100 kann es sich beispielsweise um eine Wälzlagerkomponente, also beispielsweise um einen Wälzlagerring (u. a. Außen- oder Innenring) oder auch um einen Wälzkörper (u. a. eine Zylinderrolle, Kugel und Kegelrolle) handeln. Das Bauteil 100 weist hierbei einen Abschnitt 110 auf, der sich von einer Oberfläche 120 des Bauteils in ein Inneres des Bauteils 100 erstreckt. Der Abschnitt 110 weist hierbei einen Stahl auf, der weiter unten näher beschrieben wird.
  • Durch ein Herstellungsverfahren, das beispielsweise ein Einsatzhärten oder eine Carbonitrieren umfassen kann, weist der Abschnitt 110 ferner eine in 1 nur schematisch eingezeichnete Randzone 130 auf, die sich von der Oberfläche 120 des Bauteils 100 ausgehend in das Innere des Bauteils 100 hinein erstreckt. In der Randzone ändert sich ein Anteil eines chemischen Elements des Stahls messbar gegenüber seinem Ausgangswert, beispielsweise um wenigstens 0,1 Gewichtsprozent.
  • Bei dem in 1 gezeigten Bauteil erstreckt sich die Randzone in der dort gezeigten Schnittebene entlang dreier Seiten in das Innere des Bauteils 100 hinein. So weist das Bauteil 100 ferner einen weiteren Abschnitt 140 auf, in den sich die Randzone 130 nicht hinein erstreckt. Der genaue Verlauf der Randzone 130 kann in diesem Fall von dem in 1 eingezeichneten Verlauf selbstverständlich abweichen.
  • Ist der weitere Abschnitt 140 beispielsweise ebenfalls aus dem Stahl gefertigt, das Bauteil 100 also beispielsweise einstückig oder einteilig ausgebildet, kann der weitere Abschnitt 140 bei einem Einsatzhärten oder einem Carbonitrieren dem hierbei eingesetzten, meist gasförmigen Medium gegebenenfalls nicht ausgesetzt worden sein. Gerade in einem solchen Fall können Abweichungen hinsichtlich der Kontur der Randzone 130 von der in 1 dargestellten Fassung auftreten.
  • Ebenso kann das Bauteil 100 mehrzeilig oder mehrstückig ausgeführt sein. In einem solchen Fall kann der weitere Abschnitt 140 gegebenenfalls während eines Einsatzhärtens oder eines Carbonitrierens bereits mit dem Abschnitt 110 verbunden sein. Die Abschnitte 110 und 140 können sich so beispielsweise hinsichtlich ihrer Zusammensetzung derart voneinander unterscheiden, dass das Material des weiteren Abschnitts 140 nicht durch einen der vorgenannten Prozesse veränderbar ist, beide Abschnitte 110, 140 jedoch stoffschlüssig, also auf molekularer Ebene, miteinander verbunden sind. Gegebenenfalls können die beiden Abschnitte jedoch auch mit Hilfe anderer z. B. form- und/oder kraftschlüssige Verbindungstechniken (z. B. Verschraubung, Verklemmung, Aufschrumpfen, etc.) miteinander verbunden sein.
  • Bei vielen Anwendungen treten starke mechanische Beanspruchungen auf, die zu einer Werkstoffermüdung 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.
  • Um die entsprechenden Bauteile resistenter gegen Ermüdungserscheinungen auszulegen, werden daher häufig gehärtete Stähle eingesetzt. Hier werden insbesondere Stähle bevorzugt, die geringe Korngrößen aufweisen, um auftretende mechanische Beanspruchungen auf eine große Anzahl von Körnern und schwächende Segregations- bzw. Ausscheidungsbelegungen zur Verminderung der Belegung (Flächendichte) auf eine große Anzahl und damit Fläche von Korngrenzen zu verteilen.
  • Beim Einsatzhärten wie auch beim Carbonitrieren wird das zu bearbeitende Bauteil 100 bei einer erhöhten Temperatur einem Medium ausgesetzt, das an das Bauteil 100 bzw. den in ihm umfassten Stahl Kohlenstoff (C) und gegebenenfalls Stickstoff (N) abgibt. Als Medium können hier grundsätzlich sowohl feste, flüssige wie auch gasförmige Medien zum Einsatz kommen, wobei in der heutigen Technik zumeist gasförmige Medien zum Einsatz kommen. So wird häufig beim Einsatzhärten Kohlenmonoxidgas (CO-Gas) verwendet, wobei beim Carbonitrieren das Medium häufig ein Kohlenwasserstoffgemisch (CHx-Gas) und Ammoniak (NH3) umfasst. Die verwendeten Temperaturen liegen hier im Bereich zwischen etwa 750°C und 1100°C bzw. 1200°C.
  • Sowohl bei der Abgabe an bzw. des Austauschs des Kohlenstoffs mit dem Bauteil als auch bei der Abgabe des Stickstoffs an das Bauteil 100 während seiner Herstellung handelt es sich um einen thermisch aktivierten Prozess. Dies bedeutet, dass der Prozess bei steigender Temperatur und mit längerer Prozessdauer effektiver abläuft. Gleiches gilt auch für die mit dem Härten verbundene Umwandlung des Gefüges des Stahls, sowie der Wanderung bzw. der Diffusion der Legierungselemente und der anderen genannten Elemente (insbesondere Kohlenstoff und Stickstoff).
  • Hierbei kann es jedoch leicht zu einem Überhitzen des Gefüges kommen, was wiederum zu der eingangs beschriebenen Grobkornbildung und damit häufig verbundenen materialschwächenden Korngrenzensegregationen und so zu einer Reduzierung der Ermüdungsresistenz und statischen Festigkeit des Werkstoffs und Bauteils führen kann.
  • Durch den Einsatz eines Stahls, der einen Chromanteil aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt, und der ferner eines der Legierungselemente Tantal (Ta) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob (Nb) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan (Ti) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium (V) mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent aufweist, können so die Prozesstemperaturen gegenüber konventionellen Stählen deutlich gesteigert werden. Durch den Einsatz eines solchen Stahls ist es möglich, die Prozesstemperaturen auch in den Bereich von mehr als 1000°C bzw. 1100°C anzuheben, um in kürzerer Zeit eine ausreichende Härtung zu erzielen und trotzdem die Körner des Gefüges nicht zu stark wachsen zu lassen. So kann es möglich sein, in der Randzone 130 wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM zu erzielen, wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird.
  • Wird beispielsweise ausgehend von einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,15 und 0,2 Gewichtsprozent und einem Chromanteil von weniger als 7 Gewichtsprozent, und gegebenenfalls von weniger als 5 Gewichtsprozent, dem Stahl als weiteres Legierungselement Tantal mit 0,5 Gewichtsprozent hinzugefügt, können bereits die beim Einsatzhärten oder Carbonitrieren eingesetzten Temperaturen gegebenenfalls zu deutlich höheren Werten verschoben werden. Hinsichtlich des Chromanteils (Cr) wird hierbei zur Zeit vermutet, dass dieser gegebenenfalls zu den anderen Legierungselementen in unerwünschte Konkurrenzreaktionen tritt und eine Bildung von Ausscheidungen, insbesondere in Form von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden, und/oder Mischkristallen zur Stabilisierung der Korngrenzen durch Verminderung der Korngrenzenbeweglichkeit erschwert.
  • Dies trifft sowohl für das Einsatzhärten oder das Carbonitrieren, wie auch einen gegebenenfalls ergänzend durchgeführten Härtungsschritt zu. Die Prozessdauern für das Einsatzhärten und das Carbonitrieren variieren typischerweise zwischen einigen 10 Sekunden und mehreren Tagen, beispielsweise zwischen 11 s und 4 h oder auch bis zu 70 h und darüber. Die genauen Prozessparameter können beispielsweise numerisch ermittelt werden. Hierfür kann beispielsweise die Software „SimCarb“ angewandt werden, wie sie in den Veröffentlichungen HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 53, HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 115 und HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 186 beschrieben ist.
  • Durch die Verwendung dieses Stahls als Werkstoff kann es beispielsweise auch möglich sein, Aufkohlungs- bzw. Einsatzhärtungstiefen von mehr als 5 mm zu erzielen und dabei das Gefüge während des Aufkohlens und Härtens 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 Einsatzhärtungstiefen von 10 mm und gegebenenfalls darüber erzielt werden.
  • Allerdings sind Ausführungsbeispiele nicht auf solche Bauteile mit einer Einsatzhärtungstiefe von wenigstens 5 mm beschränkt. Es können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ebenso Bauteile mit geringeren oder größeren Einsatzhärtungstiefen 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 Einsatzhärtungstiefen. Ebenso können aber auch durchgehärtete Bauteile 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt werden.
  • Selbstverständlich können durch eine Anpassung von Parametern, etwa der genauen Prozessbedingungen oder der Zusammensetzung des Stahls, andere Parameter positiv beeinflusst werden. So kann beispielsweise durch eine Anpassung des Drucks des gasförmigen Mediums, der eingesetzten Temperaturen und/oder eines Ausgangskohlenstoffanteils eine Verbesserung der induktiven Lötbarkeit des Stahls erzielt werden.
  • So ermöglichen es Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die bei einer Wärmebehandlung 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 zum konventionellen Kohlenstoff-Einsatzhärten oder zum Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten gewünschte Temperatur in den Bereich oberhalb von 1000 °C erhöht werden.
  • Je nach Menge des hinzulegierten Legierungsmaterials spricht man von einer Legierung oder auch einer Mikrolegierung. Im Bereich der so genannten Mikrolegierung liegt der Anteil des Legierungsmaterials (häufig ein Legierungsmetall) in einem Bereich, der typischerweise nicht spezifiziert 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.
  • Bei einem Bauteil 100 kann der Stahl als zusätzliches Legierungselement ferner mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr) aufweisen. Hierdurch scheint es möglich zu sein, das Bauteil 100 höheren Temperaturen auszusetzen. So konnte beispielweise durch den Zusatz von etwa 1 Gew.-% Molybdän bei einer Probe und einer Probe ohne einen solchen Molybdänzusatz bei ansonsten identischen Prozessparametern ein feineres Gefüge erzielt werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt der Gewichtsanteil für dieses Legierungselement 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. Weitere Beispiele sind Stähle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auf Basis von 50CrV4. Wie diese Basislegierungen zum Teil also ebenfalls zeigen, kann bei Ausführungsbeispielen auch eine Mehrzahl der vorgenannten Legierungselemente zum Einsatz kommen.
  • 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 Möglichkeit einer verbesserten Härtbarkeit und die damit möglichen positiven Auswirkungen auf den Stahl und die diesen umfassende Bauteile deuten Untersuchungen darauf hin, dass Tantal (Ta) zu einer besseren Härtbarkeit des Stahls als Niob (Nb) führen kann. Auch wenn Niob scheinbar keine gravierend negativen Auswirkungen zeigt, deuten die Untersuchungen darauf hin, 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 nahe an der Grenze der technischen Separationsmöglichkeit der beiden Elemente liegen. 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Stahl, wie er bei einem Bauteil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommen kann, kann als Wälzlagerstahl ausgeführt sein, wie er beispielsweise in der ISO 683-17:1999 definiert ist. Ein solcher Stahl auf Basis einer 43CrMo4-Basislegierung gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise einen oder mehrere Härtewerte erreichen, wie sie in nachfolgend wiedergegebener Tabelle 1 aufgeführt sind. Tabelle 1 stellt hierbei einen für eine typische Stahllegierung minimalen HRC-Wert (HRCmin) und einen für eine typische Stahllegierung maximalen HRC-Wert (HRCmax) 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] HRCmax HRCmin
    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. 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 HRCmax bzw. HRCmin liegen.
  • Je nach verwendetem Stahl gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so Härten beginnend bei etwa 40 HRC im Falle eines Stahls mit einem Kohlenstoffanteil von 0,25 Gew.-% bis hin zu fast 70 HRC bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,6 Gew.-% oder höher erzielt werden.
  • 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 HRCmin bzw. HRCmax in Abhängigkeit des Abstands d von der abgeschreckten Stirnfläche in mm erzielbar sein. Tabelle 2:
    d [mm] HRCmax HRCmin
    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 von der genauen Legierungszusammensetzung und auch gegebenenfalls auf Basis anderer Basislegierungen entsprechende minimale und maximale HRC-Werte HRCmin- bzw. HRCmax-Werte erzielbar sein, die 1, 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.
  • Wie bereits zuvor erläutert, weisen Stähle, die bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, ein vermindertes Kornwachstum bei der Wärmebehandlung und damit (im Allgemeinen) eine geringe Korngröße auf. Gemäß ASTM-Standard E 112 (Ausgabe 2010) (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, gegebenenfalls ehemaligen, Austenitkörner bezeichnet.
  • Hinsichtlich der Mikrostruktur nichtmetallischer Einschlüsse können Ausführungsbeispiele von Stählen beispielsweise unter Ausnutzung der in den Standards ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) 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 den folgenden Mikrostrukturklassen oder besser bereitgestellt werden. Tabelle 3 zeigt hierbei nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10), die Ausführungsbeispiele erreichen können. Tabelle 3:
    Jernkontret
    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
  • 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
  • Diese Stähle können beispielsweise in einem Verfahren hergestellt werden, 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 dem ersten und dem zweiten Legierungselement legiert wird.
  • Grundsätzlich können sie 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 die Legierungselemente in chemisch reiner Form (z. B. metallischer Form), beispielsweise als Pulver oder als Granulat (Stückchen), als chemische Verbindung oder als Legierung hinzugegeben wird.
  • 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 Aluminium, (Al), 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.
  • In dem zweiten Schritt des Legierens mit den Legierungselementen können diese dann in metallischer oder in chemisch gebundener Form der Basislegierung zugesetzt werden. Der Schritt des Legierens mit den Legierungselementen 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, soweit dies noch notwendig oder erwünscht wird. Chrom, Tantal und Molybdän können so beispielsweise korrosionshemmend wirken. Der Schritt des Legierens mit den Legierungselementen 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.
  • 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.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager 200 für eine Großanlage, beispielsweise eine Windkraftanlage, eine Gezeitenkraftanlage, Walzwerk oder eine Baumaschine. Das Kegelrollenlager 200 umfasst einen Außenring 210 und einen Innenring 220, die in 2 bezogen auf eine Symmetrielinie 230 gezeigt sind, wobei die Symmetrielinie 230 mit der Achse des Kegelrollenlagers 200 zusammenfällt. Zwischen dem Innenring 220 und dem Außenring 210 ist eine Mehrzahl von kegelstumpfförmigen Wälzkörpern 240 angeordnet, die von einem optionalen Käfig 250 geführt werden.
  • Durch eine Relativbewegung des Innenrings 220 zu dem Außenring 210 rollen die Wälzkörper 240 an einer Lauffläche 260 des Innenrings 220 und einer Lauffläche 270 des Außenrings 210 ab. Zur seitlichen Führung der Wälzkörper 240 weist das Kegelrollenlager 200 Führungsborde auf. Der Innenring umfasst so einen ersten Bord 280 und einen zweiten Bord 290, während der hier gezeigte Außenring keine seitlichen Führungsborde aufweist.
  • Der Außenring 210 und der Innenring 220 stellen beide jeweils Bauteile gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar, wie es bereits als Bauteil 100 in 1 gezeigt wurde. Sie sind hierbei vollständig aus Stahl gefertigt, unterscheiden sich somit von dem in 1 gezeigten Bauteil 100 beispielsweise dadurch, dass das dort gezeigte Bauteil zumindest nur abschnittweise einen entsprechenden Stahl aufweist. Anders ausgedrückt stimmen das Bauteil 100-1, also der Außenring 210, und das Bauteil 100-2, also der Innenring 220, jeweils mit ihren entsprechenden Abschnitten 110-1 bzw. 110-2 der Bauteile 100 überein.
  • Der Außenring 210 und der Innenring 220 weisen entsprechend jeweils eine Randzone 130-1 bzw. 130-2 auf, die jeweils unmittelbar unter den Oberflächen 120-1 und 120-2 der beiden Bauteile 110 liegen. In diesen ändert sich – wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde – der Anteil eines chemischen Elements messbar, also beispielsweise um wenigstens 0,1 Gew.-%. Werden beispielsweise die beiden Bauteile 100 im Rahmen ihrer Herstellung einem Einsatzhärten unterworfen, ändert sich in den Randzonen 130-1 und 130-2 der Anteil des Kohlenstoffs (C), wie dies im Zusammenhang mit den 3 und 4 noch näher beschrieben wird. Hierbei ergibt sich auch eine Härtung des Stahls bis zu einer Einsatzhärtungstiefe, die häufig mit dem Formelzeichen CHD (engl. Case Hardening Depth) oder Eht („Einsatzhärtungstiefe“) bezeichnet und auf eine Grenzhärte von 550 HV1 oder 52,5 HRC bezogen wird.
  • Die Einsatzhärtungstiefe kann hier beispielsweise wenigstens 5 mm betragen. Je nach Bedarf kann auch ein tieferer Härtungsbereich 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 großen Wälzlagerringen höheren Aufmaß für die Hartbearbeitung (z. B. wegen Verzugs) Rechnung trägt. Aber auch im Bereich der Wälzkörper und anderer Bau- oder Maschinenteile sind Härtungsbereiche mit Einsatzhärtungstiefen im beschriebenen Ausmaß aus unterschiedlichen Gründen häufig sehr erwünscht.
  • Stähle, die bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen, sind so derart härtbar, dass sie zumindest abschnittsweise in der Randzone 130 hochfest ausgeführt werden können. 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 der Ermüdung, dem spontanen Versagen und dem Verschleiß, 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 (Werkstoffermüdung durch Überrollung).
  • Das konventionelle Kohlenstoff-Einsatzhärten, oft einfach Einsatzhärten genannt, beruht auf der kontrollierten Eindiffusion von Kohlenstoff meist aus regelbaren Kohlenwasserstoffatmosphären in die Randzone 130 eines Bauteils 100 und nachfolgendem Härten. Bauteilzuverlässigkeit, Ressourcenschonung und Produktionskosteneffizienz machen hohe Treffsicherheit der Prozesszielgrößen ratsam. Diese strengen Anforderungen werden in der Praxis jedoch häufig nicht erfüllt. Eine Erfolg versprechende Prozessoptimierung des Einsatzhärtens kann so mit Hilfe eines leistungsfähigen Computersimulationswerkzeug verbessert werden.
  • Das Einsatzhärten umfasst typischerweise die Teilschritte des Aufkohlens, des Abschreckens und des Anlassens. Die Produkte zeichnen sich durch hohe Härte, Festigkeit (Streckgrenze) und risshemmende Druckeigenspannungen in der beanspruchten Randschicht sowie gute Kernzähigkeit und damit erhöhte Sicherheit gegen Spaltbruch und Stoßbelastung aus. Behandelt werden konventionell un- bzw. niedriglegierte Stähle mit Kohlenstoffgehalten von etwa 0,05 bis 0,30 Gew.-%, was Grundhärten im Bereich zwischen 30 HRC und 50 HRC entspricht. Das Verfahren wird besonders für mechanisch, durch Werkstoffermüdung oder Verschleiß, stark beanspruchte Bauteile angewandt, die zusätzlich Stoßlasten aufnehmen müssen. Hierzu zählen etwa Werkzeuge, Zahnräder und Verzahnungen, Lager, Antriebs-, Nocken- und Kurbelwellen, Zapfen, Spindeln, Kolben, Bolzen, Schrauben und Stahlkäfige. Unter bestimmten Beanspruchungs- bzw. Betriebsbedingungen kann sich ein höherer Restaustenitgehalt in der Randzone 130 günstig auf die Lebensdauer auswirken.
  • Die thermochemische Kohlenstoffanreicherung der oberflächennahen Randzone 130 erfolgt durch Diffusion, die industriell überwiegend aus der Gasphase eingeleitet wird. Die trägheitsarm regelbaren, sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffgemische bezeichnet man wegen der erzielbaren Aufkohlungsgeschwindigkeiten (Kohlenstoffübergangszahlen) häufig auch als schnell. Die Prozesstemperaturen liegen konventionell zwischen 850 °C und 980 °C, können jedoch bei Stählen, wie sie im Rahmen von Bauteilen 100 gemäß Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen, auch deutlich darüber liegen.
  • Die Bauteile 100 werden hierbei zunächst, z. B. in einer Schutzatmosphäre, erwärmt. Obwohl die heutige Ofentechnik weitgehend beliebige Verfahrensführung gestattet, besteht konventionelles isothermes Normaldruck-Gasaufkohlen nur aus zwei Prozessschritten: der Sättigungs- und der Ausgleichsstufe. Üblicherweise liefern Industrieanlagen in beiden Phasen vergleichbare Kohlenstoffübergangszahlen.
  • Die jeweiligen Anteile an der Gesamtbehandlungsdauer betragen grob 80% und 20%. In der Sättigungs- oder Kohlungsstufe wird mit Kohlenstoffpegeln um 0,8 bis 1,3 Gew.-% für den Kohlenstoff gearbeitet. Dieser Wert liegt möglichst nahe an der Carbid- bzw. Rußgrenze des verwendeten Stahls bzw. der Anlage. Die Kohlenstoffaufnahme in der Randzone 130 wird dadurch maximal beschleunigt.
  • Die anschließende Ausgleichs- oder Diffusionsphase eines solchen zweistufigen Prozesses zur Glättung des steilen oberflächennahen Konzentrationsgradienten erfolgt unter abgesenktem Kohlenstoffpegel zwischen 0,55 und 0,95 Gew.-%. Der angestrebte Randkohlenstoffgehalt beträgt häufig zwischen 0,6 und 0,85 Gew.-%. Hierbei sollen Oberflächenhärten von etwa 58 bis 65 HRC erreicht werden.
  • Als Abschreckmittel mit unterschiedlicher Intensität und Abkühlgeschwindigkeit eignen sich Wasser, was oft einen starken Verzug und erhöhte Rissgefahr bewirkt, bzw. Tensidgemische, Härteemulsionen, Öle, Salzschmelzen oder Kühlgase, beispielsweise Helium (He), welches unter Hochdruck mit bis zu 40 bar eingeblasen wird.
  • Industriell werden häufig Direkthärten, das besonders wirtschaftlich aus der Aufkohlungshitze erfolgen kann, Einfachhärten bei Austenitisierungstemperaturen um etwa 800 °C mit einem Zwischenabkühlen und Doppelhärten angewandt, was eine besonders hohe Kernzähigkeit ergibt.
  • Angelassen wird typischerweise bei 150 bis 200 °C für 2 bis 4 Stunden. Die wichtigsten Prozesszielgrößen des Aufkohlens und Härtens sind die Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefe, die zumeist zwischen 0,05 mm für die Feinwerktechnik und 10 mm und darüber z. B. für große Getrieberäder oder Wälzlager und den Schwermaschinenbau liegen. Technisch werden meist Werte zwischen 0,5 und 4 mm gefordert. Hinzu kommen der Randkohlenstoffgehalt und die Oberflächenhärte als zum Teil wichtige Parameter. Zusätzlich können etwa im äußeren Werkstückbereich anwendungsbedingte Sollwertgrenzen oder bestimmte Profilformen gefordert werden.
  • Für die Prozessregelung ist die mathematische Vorhersage des Kohlenstoff- und Härtetiefenverlaufs in Echtzeit zur ständigen Stellgrößenansteuerung ratsam. Auch der resultierenden Restaustenitverteilung kommt Bedeutung zu.
  • Bauteile 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel können beispielsweise mit stickstoffverdünntes Methanol-Spaltgas als Trägergas hergestellt werden, wobei auch aus Sicherheitsgründen ein vergleichsweise geringer Überdruck von 6 mbar verwendet wird. Zugesetztes Erdgas kann dann als Kohlenstoffspender dienen, wobei eine C-Stromsonde zur Überwachung der Prozessparameter verwendet werden kann.
  • 3 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Verlaufs des Kohlenstoffanteils 300 (c(C)) und einen Härteverlauf 310 (H = hardness) als Funktion einer Tiefe (d = depth) von der Oberfläche 120 des Bauteils 100 aus, das im Rahmen eines Einsatzhärtungsverfahrens hergestellt wurde. Ausgehend von der Oberfläche 120 des Bauteils (d = 0) weist der Kohlenstoffanteil im Wesentlichen einen ersten konstanten Wert auf, bevor er abnimmt und im Inneren des Werkstücks einem zweiten Wert c0(C) zustrebt. Der erste Wert des Kohlenstoffanteils c(C) liegt hierbei über dem zweiten Wert c0(C), der im Wesentlichen dem Kohlenstoffanteil des Stahls vor dem Einsatzhärten entspricht. 3 zeigt ferner eine punktierte Linie 320, die die Randzone 130 des Bauteils 100 von dem Rest des Bauteils 100 bzw. des Abschnitts 110 (nicht gezeigt in 3) bei Erreichen der Kern- bzw. Ausgangszusammensetzung des Stahls trennt.
  • Der Härteverlauf 310 zeigt ein ähnliches Verhalten wie der Verlauf 300 des Kohlenstoffanteils c(C). Auch dieser weist – ausgehend von der Oberfläche 120 – zunächst im Wesentlichen einen konstanten Wert auf, der in einem Übergangsbereich auf einen zweiten Wert H0 fällt, der der Härte im Inneren des Bauteils 100 entspricht. Der Härteverlauf 310 folgt hierbei im Wesentlichen dem des Kohlenstoffanteils 300. Zwischen beiden treten, wie auch in 3 dargestellt ist, in der Realität häufig gewisse Abweichungen auf, die etwa auf mangelnde Einhärtbarkeit des Stahls zurückgehen können.
  • Die Härte kann beispielsweise nach Rockwell gemäß der HRC-Skala angegeben werden, eventuell nach Umwertung. Je nach verwendetem Stahl gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können so Härten beginnend bei etwa 40 HRC im Falle eines Stahls mit einem Kohlenstoffanteil von 0,25 Gew.-% bis hin zu nahezu 70 HRC bei einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,6 Gew.-% oder darüber erzielt werden. Die Härtbarkeit kann hierbei durch Stirnabschreckversuche nach Jominy bei verschiedenen Stirnflächenabständen ermittelt werden.
  • Die resultierende Härte wird hierbei vorwiegend durch den Kohlenstoffanteil bestimmt. Die weiteren Legierungsmetalle verbessern die Einhärtbarkeit (Härteannahme) und verhindern ein übermäßiges Kornwachstum, wobei bereits ein geringer, oben genannter Anteil des Legierungselements kornstabilisierend wirkt. Dies gilt ebenso für höhere Anteile.
  • Auch durch ein geeignetes optionales Legieren mit weiteren Legierungselementen, also beispielsweise mit Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr), kann das Kornwachstum bei der Wärmebehandlung (weiter) behindert wird. Typische Gehalte dieser Legierungselemente liegen zwischen 0,1 und 5 Gew.-%.
  • 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.
  • Die Aufkohlungstiefe kann nach DIN EN 10052:1994-01 (Begriffe der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen) in gebräuchlicher Weise als senkrechter Oberflächenabstand für eine Konzentration von 0,35 Gew.-% Kohlenstoff (C) definiert und mit At0,35 bezeichnet werden. Der Wahl des genannten Kohlenstoffgehalts liegt die Annahme zugrunde, dass vollständig martensitisches Gefüge an dieser Stelle einen Grenzwert 550 HV 1, entsprechend etwa 52,5 HRC, der Einsatzhärtungstiefe CHD (Case Hardening Depth, im deutschsprachigen Schrifttum oft Eht) nach DIN EN ISO 2639:2003-04 (Stahl-Bestimmung und Prüfung der Einsatzhärtungstiefe) erreicht. Allerdings können auch andere vorbestimmte Kohlenstoffanteile zur Definition einer Aufkohlungstiefe herangezogen werden. Diese können durch entsprechend geänderte, tiefgestellte Indizes im Symbol (z. B. At0,32) unterschieden werden.
  • Die Verläufe 300, 310, wie sie in 3 gezeigt sind, können beispielsweise nach einer 70-stündigen Aufkohlungsdauer, einem Abkühlen in einem Salzwarmbad bei 320 °C, einem Glühen für 20 Stunden zur Reduzierung des Wasserstoffs im Stahl und einem darauf folgenden Austenitisieren unter Schutzgas bei 805 °C für 70 min, bei dem die Änderung der Kohlenstoffverteilung häufig vernachlässigbar ist, erzielt werden (Einfachhärten). Als Abschreckmittel kann ein auf 100 °C erwärmtes Härteöl dienen. Das Bauteil 100 kann danach beispielsweise mehrere Minuten an Luft auskühlen.
  • So können beispielsweise bis in eine Tiefe von etwa 3,5 mm der Kohlenstoffgehalt über 0,6 Gew.-% liegen. Mit diesen Konzentrationen sind Härtewerte über 60 HRC möglich. Ebenso können Einsatzhärtungstiefen CHD von beispielsweise 6,4 bis über 10 mm erzielt werden.
  • 4 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Verlaufs des Kohlenstoffanteils 300 (c(C)), einen Härteverlauf 310 (H = hardness) und einen Verlauf eines Stickstoffanteils 330 (c(N)) als Funktion einer Tiefe (d = depth) von der Oberfläche 120 des Bauteils 100 aus, das im Rahmen eines Carbonitrierens mit einer optionalen Härtung hergestellt wurde. Der Verlauf des Stickstoffanteils 330 weist einen zumindest ähnlichen Verlauf wie der Verlauf des Kohlenstoffanteils 300 aus 3 auf, wobei allerdings die Änderung von einem ersten, an der Oberfläche 120 des Bauteils 100 vorliegenden Wert auf einen zweiten Wert c0(N) im Inneren des Bauteils auf einer deutlich kürzeren Distanz erfolgt. Typische Stickstoffanteile können so an der Oberfläche im Bereich weniger Zehntel bis einiger Gewichtsprozent, häufig mehrerer Zehntel Gewichtsprozent, liegen, während im Inneren des Bauteils der Wert c0(N) eher im Bereich einiger 10 bis einiger 100 ppm liegt.
  • Durch den im Bereich der Oberfläche 120 des Bauteils 100 auftretenden, erhöhten variierenden Stickstoffanteil, weist in 4 der Kohlenstoffanteil 300 (c(C)) einen im Vergleich zu einem maximalen Wert leicht reduzierten Wert auf. So bewirkt der Stickstoff an der Oberfläche 120 aufgrund von Diffusionsprozessen eine Änderung des Kohlenstoffanteils an der Oberfläche gegenüber einem Aufkohlen ohne eine gleichzeitige Stickstoffanreicherung, und damit einem variierenden Stickstoffgehalt in der Randschicht. Ebenso kommt es aufgrund der beim Carbonitrieren verwendeten Prozesstemperaturen zu einem Austritt von Kohlenstoff durch Diffusion aus der Oberfläche 120 des Bauteils, der jedoch durch eine zumindest teilweise Aufnahme aus dem kohlenstoffabgebenden Medium kompensiert wird. Das Medium wirkt so in Bezug auf den Kohlenstoff als „Effusionsbarriere“, indem aus der Oberfläche 120 aufgrund der Prozesstemperaturen austretender Kohlenstoff durch Kohlenstoff aus dem Medium ersetzt werden kann.
  • Wegen der durch Stickstoff veränderten Aktivitäts-Konzentrationsbeziehung von Kohlenstoff weist der Kohlenstoffanteil 300 (c(C)) ein lokales Maximum etwa in einem Bereich auf, in dem der Stickstoffanteil 330 auf einen Wert gefallen ist, bei dem der Einfluss von Diffusionsprozessen an Bedeutung abgenommen hat. Dies kann – je nach konkretem Verlauf des beteiligten Anteile 300, 330 – beispielsweise etwa im Bereich der größten Änderung des Stickstoffanteils 330 erfolgen.
  • Wie auch der Verlauf 300 des Kohlenstoffanteils c(C) zeigt, der bereits im Bereich der Oberfläche 120, also bei d = 0, einen Wert aufweist, der etwa im Bereich des Werts c0(C) im Inneren des Bauteils ist, handelt es sich bei dem hier eingesetzten Stahl um einen durchhärtenden Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von etwa 1 Gew.-%, beispielsweise auf Basis des Stahls 100Cr6. Da trotz der beschriebenen Veränderung des Kohlenstoffgehalts c(C) im Bereich der Randzone 130 dieser typischerweise nicht unter einen Wert von etwa 0,8 Gew.-% fällt, führt diese Änderung des Kohlenstoffgehalts c(C) jedoch kaum zu einer Änderung des Härteverlaufs 300 (H). Dieser ist daher im Wesentlichen konstant. Das Kohlenstoff abgebende Medium beim Carbonitrieren kann so gewählt werden, dass der einheitliche Ausgangskohlenstoffanteil eines verwendeten durchhärtenden Stahls möglichst wenig verändert wird.
  • Auf Basis einer der Aufkohlungstiefe Atxx ähnlichen Definition der Carbonitriertiefe CNtyy, wobei xx und yy jeweils vorbestimmte Grenzwerte der Kohlenstoff- bzw. Stickstoffanteile darstellen, liegt so, abhängig von der Wahl yy, das lokale Maximum des Kohlenstoffanteils 300 (c(C)) etwa bei der Carbonitriertiefe. Im Vergleich zu einem Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten auf Basis eines Einsatzstahls mit einem Kohlenstoffanteil von typischerweise weniger als 0,6 Gew.-%, tritt die Änderung des Stickstoffanteils c(N) hier auf einer sehr viel kleineren Längenskale als die typische Aufkohlungstiefe Atxx auf. Als Folge fällt so der Punkt der maximalen Änderung des Verlaufs des Stickstoffanteils 330 hier im Wesentlichen mit der Carbonitriertiefe zusammen. Die Änderung des Stickstoffanteils c(N), wie er in 4 gezeigt ist, tritt bei einem Ausführungsbeispiel eines Bauteils so häufig auf einer Längenskala auf, die einige 100 µm beträgt, also beispielsweise 500 µm umfasst. Die Verwendung erfindungsgemäßer mikrolegierter kornstabiler Stähle erlaubt eine Verlängerung der Zeit und/oder Erhöhung der Temperatur des Carbonitrierens, sodass auch tiefere Einflusszonen CNtyy um 1 mm oder darüber bei geeignetem Einsatzgefüge des Werkstoffs erreichbar sind.
  • Während der Härteverlauf 310 ausgehend von der Oberfläche 120 (d = 0) so im Wesentlichen seinen Wert im Inneren des Bauteils aufweist (H(d) = H0), weist der Verlauf des Kohlenstoffanteils 300 an der Oberfläche 120 des Bauteils 100 einen ersten Wert auf, der kleiner als ein zweiter Wert im Bereich des lokalen Maximums ist. Wie bereits im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde, nähert sich der Verlauf 300 dann wieder einem dritten Wert C0(C) im Inneren des Bauteils 100. Der dritte Wert C0(C) entspricht bei dem in 4 gezeigten Verlauf 300 etwa dem ersten Wert an der Oberfläche 120 (d = 0). In der Randzone 130 ändern sich daher bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl der Kohlenstoffanteil c(C) wie auch der Stickstoffanteil c(N), während eine Änderung des nach dem Härten vorliegenden Härteverlaufs 310 im Wesentlichen nicht stattfindet.
  • Im Fall eines Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärtens eines nicht durchhärtenden Stahls, also beispielsweise eines Einsatzstahls, kommt es durch die Aufnahme von Kohlenstoff aus dem diesen abgebenden Medium ebenfalls zu einer messbaren Änderung des Kohlenstoffanteils im Bereich der Oberfläche 120 und damit der Randzone 130. So wird bei diesem zum Einsatzhärten zählenden Carbonitrierprozess Kohlenstoff aus dem Medium im Stahl, also im Bauteil 100 aufgenommen, wodurch der Kohlenstoffanteil derart ansteigt, sodass damit ebenfalls nach dem (Einsatz-)Härten eine Erhöhung der Härte in der Randschicht einhergeht. Allerdings weist auch hier der Kohlenstoffgehalt aufgrund von Diffusionsprozessen typischerweise ein lokales Maximum auf, das nicht an der Oberfläche 120 des Bauteils 100 liegt. So weist der Kohlenstoffanteil an der Oberfläche 120 einen ersten Wert auf, der auf einen höheren zweiten Wert, nämlich den Wert des lokalen Maximums ansteigt, und dann auf einen dritten Wert abfällt, der im Inneren des Bauteils 100 vorliegt und etwa der ursprünglichen Kohlenstoffkonzentration entspricht.
  • Gleichzeitig dient das Medium aber auch als Quelle für den Stickstoff. Es kommt daher auch bei einem solchen Prozess in der Randzone 130 zu einer Änderung des Stickstoffanteils c(N) und auch zu einer messbaren Änderung des Kohlenstoffanteils c(C).
  • Ein nicht durchhärtender Stahl ist hierbei typischerweise ein solcher Stahl, der vor dem Einsatzhärten und/oder dem Kohlenstoff-Stickstoff-Einsatzhärten einen Kohlenstoffanteil von höchstens 0,6 Gew.-% aufweist, meist höchstens 0,3 Gew.-%, während ein durchhärtender Stahl ein solcher ist, bei dem typischerweise vor dem Carbonitrieren der Kohlenstoffanteil wenigstens 0,6 Gew.-% beträgt.
  • Neben dem in 1 gezeigten Bauteil sind bisher der in 2 gezeigte Innenring 210 sowie der Außenring 220 eines einreihigen Kegelrollenlagers 200 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.
  • Wie bereits zuvor erläutert wurde, können Bauteile gemäß Ausführungsbeispielen vollständig oder teilweise, also abschnittsweise aus Stahl gefertigt sein. Anders ausgedrückt sind Ausführungsbeispiele in dieser Beziehung nicht auf eine vollständige Ausführung aus einem Material beschränkt. 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 Klebung 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.
  • Bei Ausführungsbeispielen können das Bauteil bzw. sein Abschnitt, der den Stahl aufweist, gegebenenfalls weitere Materialien umfassen. 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 zur Anwendung kommt.
  • Ein Stahl, wie er im Rahmen eines Ausführungsbeispiels zur Anwendung kommen kann, kann ein Wälzlagerstahl sein.
  • 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 Einsatz- bzw. Randschichthärtung ratsam macht. Hierzu zählen Wind- und Gezeitenkraftanlagen ebenso, wie Generatoren, Baumaschinen, Kräne, Bagger, Transporter, Züge, Schiffsantriebe, 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 das Einsatzhärten oder Carbonitrieren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, sowie entsprechende Bauteile sind daher in einem weiten Feld von Anwendungen einsetzbar.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung von Ausführungsbeispielen in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und – soweit sich nicht aus der Beschreibung etwas anderes ergibt – beliebig miteinander kombiniert werden.
  • Ein Bauteil 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel kann so eine geringere Korngröße nach einer Wärmebehandlung im Rahmen seiner Herstellung aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Bauteil
    110
    Abschnitt
    120
    Oberfläche
    130
    Randzone
    140
    weiterer Abschnitt
    200
    Kegelrollenlager
    210
    Außenring
    220
    Innenring
    230
    Symmetrielinie
    240
    Wälzkörper
    250
    Käfig
    260
    Lauffläche
    270
    Lauffläche
    280
    erster Bord
    290
    zweiter Bord
    300
    Verlauf des Kohlenstoffanteils
    310
    Härteverlauf
    320
    Linie
    330
    Verlauf des Stickstoffanteils
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) [0012]
    • ASTM E45 (Ausgabe 2011) [0027]
    • ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) [0027]
    • DIN 50602:1985 [0027]
    • HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 53 [0049]
    • HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 115 [0049]
    • HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009), 186 [0049]
    • ISO 683-17:1999 [0061]
    • ASTM-Standard E 112 (Ausgabe 2010) (ASTM = American Society for Testing Materials) [0066]
    • ASTM E45 (Ausgabe 2011) [0067]
    • ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) [0067]
    • DIN 50602:1985 [0067]
    • ASTM E45 (Ausgabe 2011) [0067]
    • ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) [0067]
    • DIN 50602:1985 [0068]
    • DIN EN 10052:1994-01 [0097]
    • DIN EN ISO 2639:2003-04 [0097]

Claims (10)

  1. Bauteil (100) mit folgenden Merkmalen: wenigstens einem Abschnitt (110), der einen Stahl umfasst, wobei sich der Abschnitt (110) von einer Oberfläche (120) des Bauteils (100) in ein Inneres des Bauteils (100) erstreckt; und einer Randzone (130) in dem Abschnitt (110), die sich unmittelbar an die Oberfläche (120) des Bauteils (100) anschließt, und in der sich ein Anteil eines chemischen Elements in dem Stahl messbar ändert; wobei der Stahl in der Randzone (130) wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM-E 112 (Ausgabe 2010) aufweist; wobei der Stahl einen Chromanteil aufweist, der höchstens 7 Gewichtsprozent beträgt; und wobei der Stahl ferner Tantal mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,4 Gewichtsprozent, Niob mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent, Titan mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,12 Gewichtsprozent oder Vanadium mit einem Gewichtsanteil von mehr als 0,05 Gewichtsprozent aufweist.
  2. Bauteil (100) nach Anspruch 1, bei dem das chemische Element Kohlenstoff oder Stickstoff ist.
  3. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der Anteil des chemischen Elements um wenigstens 0,1 Gewichtsprozent ändert.
  4. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gewichtsanteil des Tantals, des Niobs, des Titans oder des Vanadiums höchstens 2 Gewichtsprozent beträgt.
  5. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Chromanteil höchstens 5 Gewichtsprozent beträgt.
  6. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stahl ferner ein Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweist, wobei das Legierungselement Molybdän, Nickel, Silizium, Mangan oder Chrom ist.
  7. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stahl in der Randzone eine Aufkohlungstiefe von wenigstens 5 mm und/oder eine Carbonitriertiefe von wenigstens 0,1 mm aufweist, wobei die Aufkohlungstiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Kohlenstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Kohlenstoffanteil, beispielsweise 0,35 Gewichtsprozent, fällt, und wobei die Carbonitriertiefe ein Abstand von der Oberfläche des Bauteils ist, bei der ein Stickstoffgehalt des Stahls unter einen vorbestimmten Stickstoffanteil, beispielsweise 0,05 Gewichtsprozent, fällt.
  8. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, das ausgehend von der Oberfläche in der Randzone bis zu einer Einsatzhärtungstiefe von wenigstens 5 mm eine Härte von wenigstens 52,5 HRC aufweist.
  9. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem der nichtmetallische Einschlüsse gemäß ASTM E45 (Ausgabe 2011) und ISO 4967 (Ausgabedatum 1998-10) aufweist, die maximal der in Tabelle 3 definierten Werten entspricht, oder der nichtmetallischen Einschlüsse gemäß DIN 50602:1985 aufweist, die maximal der in Tabelle 4 definierten Werten entspricht.
  10. Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil (100) eine Wälzlagerkomponente, beispielsweise eine Wälzlagerkomponente einer Großmaschine, beispielsweise einer Windkraftanlage, einer Gezeitenkraftanlage, eines Generators, einer Baumaschine, eines Transporters, eines Zugs, eines Walzwerks, eines Schiffsantriebs, einer Papiermaschine oder eines Flugzeugs ist.
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