DE102016203022A1

DE102016203022A1 - Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung

Info

Publication number: DE102016203022A1
Application number: DE102016203022.1A
Authority: DE
Inventors: Hanzheng HUANG; Mohamed Sherif
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2016-09-01
Also published as: GB2535782A; US10113221B2; US20160251744A1; CN105925880A; GB201503357D0

Abstract

Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung, wobei die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die Folgendes umfasst: von 0,5 bis 0,9 Gew.-% Kohlenstoff, von 1,2 bis 1,8 Gew.-% Silizium, von 1,1 bis 1,7 Gew.-% Mangan, von 0,7 bis 1,3 Gew.-% Chrom, von 0,05 bis 0,6 Gew.-% Molybdän, gegebenenfalls von 0 bis 0,25 Gew.-% Nickel, von 0 bis 0,02 Gew.-% Vanadium, von 0 bis 0,05 Gew.-% Aluminium, von 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer, von 0 bis 0,5 Gew.-% Kobalt, von 0 bis 0,1 Gew.-% Niobium, von 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal, von 0 bis 150 ppm Stickstoff, von 0 bis 50 ppm Kalzium, den Restgehalt Eisen sowie jegliche unvermeidliche Verunreinigungen, wobei die Stahllegierung ein Feingefüge, das bainitisches Ferrit und Restaustenit umfasst, und eine Härte (nach Vickers) von mindestens 650 HV aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Metallurgie. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Stahllegierung und ein Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung, die beispielsweise bei der Herstellung von Lagern verwendet werden kann.
Hintergrund
Bei Lagern handelt es sich um Vorrichtungen, die eine beschränkte gegenseitige Bewegung zwischen zwei Teilen erlauben. Lager mit Wälzkörpern umfassen innere und äußere Laufringe sowie mehrere dazwischen angeordnete Wälzkörper (beispielsweise Kugeln und/oder Walzen). Im Hinblick auf eine langfristige Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ist es wichtig, dass die verschiedenen Elemente eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wälzkontaktermüdung, Verschleiß und Mikroschlupf aufweisen.
Herkömmliche Techniken zur Herstellung von Metallkomponenten beziehen zum Bilden eines Stabs, einer Stange, eines Rohrs oder eines Rings Warmwalzen oder Warmschmieden mit ein, gefolgt von einem Weichumform/Bearbeitungsprozess, um das gewünschte Bauteil zu erhalten. Oberflächenhärtungsprozesse sind wohlbekannt und werden verwendet, um die Härte von Oberflächen fertiger Bauteile oder von Halbfabrikaten örtlich zu erhöhen, um so beispielsweise die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Zahlreiche Oberflächen- bzw. Einsatzhärtungsprozesse sind zur Verbesserung des Widerstands gegenüber einer Wälzkontaktermüdung bekannt.
Eine Alternative zum Einsatzhärten stellt Durchhärten dar. Durchgehärtete Bauteile unterscheiden sich von einsatzgehärteten Bauteilen dadurch, dass die Härte durch das Bauteil hinweg gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig ist. Auch sind durchgehärtete Bauteile, weil dabei die aufwändigen Wärmebehandlungen beispielsweise im Zusammenhang mit einem Aufkohlen vermieden werden, allgemein billiger in der Herstellung als einsatzgehärtete Bauteile.
Für durchgehärtete Lagerstahlbauteile bieten sich zwei Wärmebehandlungsverfahren an: martensitisches Härten oder Bainitisieren. Eigenschaften der Bauteile wie Zähigkeit, Härte, Feingefüge, Restaustenitgehalt sowie Formstabilität hängen mit der jeweils durchgeführten Wärmebehandlung zusammen bzw. sind durch diese beeinflusst.
Beim martensitischen Durchhärtungsprozess wird der Stahl vor Abschrecken unter der martensitischen Anfangstemperatur austenitisiert. Der Stahl kann dann bei niedriger Temperatur vergütet werden, um das Feingefüge zu stabilisieren.
Beim bainitischen Durchhärtungsprozess wird der Stahl vor Abschrecken über der martensitischen Anfangstemperatur austenitisiert. Nach dem Abschrecken erfolgt eine isothermische Bainitumwandlung. Manchmal wird bei Stählen statt des martensitischen Durchhärtens ein bainitisches Durchhärten bevorzugt. Das liegt daran, dass eine Bainitstruktur überlegene mechanische Eigenschaften wie beispielsweise Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Rissausbreitung besitzen kann.
Bainitische Stahlstrukturen werden durch die Umwandlung von austenitischem Ferrit zu bainitischem Ferrit bei Zwischentemperaturen von typischerweise 190 bis 500°C erzeugt. Das Auskühlen des Austenits führt zu einem Feingefüge, das Ferrit, Karbide und Restaustenit umfasst. Bainit selbst umfasst eine Struktur aus übersättigtem Ferrit, das Karbidpartikel enthält, wobei deren Dispersion von der Bildungstemperatur abhängt. Die Härte von Bainit liegt üblicherweise zwischen der Härte von Perlit und Martensit.
Der als SP10 bekannte Stahl weist die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% auf: Fe-0.8C-1.5Si-2Mn-1Al-1Cr-0.25Mo-1.5Co. Austenitisieren gefolgt von bainitischem Härten (200°C, 72 Stunden) ergibt ein feines Feingefüge, das Restaustenit und bainitisches Ferrit umfasst. Jedoch werden die Härte und die Formstabilität dieser Legierungsstruktur für Anwendungen bei Lagern als zu niedrig angesehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einige der mit dem Stand der Technik zusammenhängende Probleme anzugehen bzw. mindestens eine wirtschaftlich nützliche Alternative dazu bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Stahllegierung für ein Lager bereit, wobei die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die Folgendes umfasst:
Eine Stahllegierung für ein Lager, wobei die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die Folgendes umfasst:
von 0,5 bis 0,9 Gew.-% Kohlenstoff,
von 1,2 bis 1,8 Gew.-% Silizium,
von 1,1 bis 1,7 Gew.-% Mangan,
von 0,7 bis 1,3 Gew.-% Chrom,
von 0,05 bis 0,6 Gew.-% Molybdän,
gegebenenfalls
von 0 bis 0,25 Gew.-% Nickel,
von 0 bis 0,02 Gew.-% Vanadium,
von 0 bis 0,05 Gew.-% Aluminium,
von 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer,
von 0 bis 0,5 Gew.-% Kobalt,
von 0 bis 0,1 Gew.-% Niobium,
von 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal,
von 0 bis 150 ppm Stickstoff,
von 0 bis 50 ppm Kalzium,
den Restgehalt Eisen sowie jegliche unvermeidliche Verunreinigungen, wobei die Stahllegierung ein Feingefüge, das bainitisches Ferrit und Restaustenit umfasst, und eine Härte (nach Vickers) von mindestens 650 HV aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird nun näher beschrieben. In den folgenden Absätzen werden verschiedene Aspekte der Erfindung näher definiert. Jeder in dieser Weise definierte Aspekt kann, außer wo dies ausdrücklich gegenteilig erwähnt ist, mit einem beliebigen anderen Aspekt bzw. beliebigen anderen Aspekten kombiniert werden. Insbesondere kann jedes als bevorzugt oder vorteilhaft ausgewiesene Merkmal mit einem beliebigen anderen als bevorzugt oder vorteilhaft ausgewiesenen Merkmal bzw. beliebigen anderen als bevorzugt oder vorteilhaft ausgewiesenen Merkmalen kombiniert werden.
In der vorliegenden Erfindung umfasst die Stahllegierungszusammensetzung von 0,5 bis 0,9 Gew.-% Kohlenstoff, bevorzugt von 0,6 bis 0,8 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt von 0,6 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, ganz besonders bevorzugt von 0,65 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff. In Kombination mit den anderen Legierungselementen ergibt dies die gewünschte feine Bainitstruktur. Kohlenstoff bewirkt eine tiefere Temperatur, bei der Bainit gebildet werden kann, so dass eine feine Struktur erzielbar ist. Das Vorhandensein von Kohlenstoff kann ergeben, dass Karbide und/oder Kohlenstoffnitride während dem Austenitisieren zurückgehalten werden, die als Verfeiner des Austenitkorns wirken können. Wenn der Kohlenstoffanteil 0,9 Gew.-% übersteigt, stellt sich eine Verringerung des maximalen Volumenanteils des bainitischen Ferritanteils am Feingefüge ein. Wenn der Kohlenstoffanteil unter 0,5 Gew.-% liegt, weisen die Legierungen eine höhere martensitische Anfangstemperatur auf.
Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst 1,2 bis 1,8 Gew.-% Silizium, bevorzugt 1,3 bis 1,7 Gew.-% Silizium, besonders bevorzugt 1,4 bis 1,6 Gew.-% Silizium. In Kombination mit den anderen Legierungselementen ergibt dies die gewünschte feine Bainitstruktur mit einem Minimum an Restaustenit. Silizium trägt zur Unterdrückung der Bildung von Zementit und Karbid bei. Ein zu hoher Siliziumanteil kann jedoch zu unerwünschten Oberflächenoxiden und einer unzulänglichen Endoberfläche führen. Aus diesem Grund beträgt der maximale Siliziumanteil 1,8 Gew.-%.
Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst 1,1 bis 1,7 Gew.-% Mangan, bevorzugt 1,2 bis 1,6 Gew.-% Mangan, besonders bevorzugt 1,3 bis 1,5 Gew.-% Mangan. Mangan bewirkt eine Erhöhung der Stabilität von Austenit gegenüber Ferrit. Ein Manganniveau über 1,7 Gew.-% kann jedoch dazu beitragen, dass die Menge an Restaustenit ansteigt und die Umwandlungsrate zu Bainit verringert wird. Mangan bewirkt auch eine verbesserte Härtbarkeit.
Die Stahlzusammensetzung umfasst 0,7 bis 1,3 Gew.-% Chrom, bevorzugt 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom, besonders bevorzugt 0,9 bis 1,1 Gew.-% Chrom. Chrom bewirkt eine Erhöhung der Härtbarkeit und eine Verringerung der bainitischen Anfangstemperatur. Chrom kann auch hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit und dem Widerstand gegenüber strukturellem Zerfall zuträglich sein.
Die Stahlzusammensetzung umfasst 0,05 bis 0,6 Gew.-% Molybdän, bevorzugt 0,1 bis 0,5 Gew.-% Molybdän, besonders bevorzugt 0,15 bis 0,4 Gew.-% Molybdän, ganz besonders bevorzugt 0,2 bis 0,3 Gew.-% Molybdän. Molybdän bewirkt, dass ein Verspröden der Austenitkorngrenzen aufgrund von Verunreinigungen wie beispielsweise mit Phosphor vermieden wird. Molybdän bewirkt auch eine erhöhte Härtbarkeit und eine verringerte bainitische Anfangstemperatur. Der Molybdänanteil in der Legierung beträgt bevorzugt nicht mehr als etwa 0,6 Gew.-%, da sonst die austenitische Umwandlung zu bainitischem Ferrit zu früh endet, was dazu führen kann, dass erhebliche Restmengen von Austenit in der Struktur zurückbleiben.
Die Stahlzusammensetzung kann gegebenenfalls bis zu 0,02 Gew.-% Vanadium, beispielsweise 0,003 bis 0,02 Gew.-% Vanadium, bevorzugt 0,003 bis 0,01 Gew.-% Vanadium, besonders bevorzugt 0,004 bis 0,008 Gew.-% Vanadium, ganz besonders bevorzugt 0,005 bis 0,007 Gew.-% Vanadium umfassen. Vanadium bildet Karbide (und gegebenenfalls Nitride und/oder Kohlenstoffnitride), was zum Erzielen einer guten Härte für Anwendungen als Lager wichtig ist. Das Vanadium kann auch dazu beitragen, ein potentiell übermäßiges Wachstum des Austenitkorns beim Härten zu verhindern.
Die Stahlzusammensetzung kann gegebenenfalls bis zu 0,25 Gew.-% Nickel, beispielsweise 0,05 bis 0,25 Gew.-% Nickel, bevorzugt 0,08 bis 0,2 Gew.-% Nickel umfassen.
Die Stahlzusammensetzung kann gegebenenfalls bis zu 0,3 Gew.-% Kupfer, beispielsweise 0,05 bis 0,3 Gew.-% Kupfer, bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew.-% Kupfer umfassen.
Die Stahlzusammensetzung kann gegebenenfalls bis zu 0,05 Gew.-% Aluminium, beispielsweise 0,005 bis 0,05 Gew.-% Aluminium, bevorzugt 0,01 bis 0,03 Gew.-% Aluminium umfassen. Aluminium kann die intrinsische Zähigkeit eines Lagerbauteils möglicherweise dadurch verbessern, dass damit die Bildung von Karbid unterdrückt wird. Aluminium kann auch als Desoxidationsmittel dienen. Die Verwendung von Aluminium bedingt jedoch zum Einhalten der Reinheit strenge Kontrollen bei der Stahlherstellung, was die Verarbeitungskosten erhöht. Die Stahllegierung umfasst deshalb allgemein nicht mehr als 0,05 Gew.-% Aluminium.
Die Stahllegierung kann frei von Kobalt sein. Dies bedeutet, dass die Legierung ≤ 0,01 Gew.-% Kobalt, bevorzugt 0 Gew.-% Kobalt enthält. Alternativ dazu kann die Stahllegierung gegebenenfalls bis zu 0,5 Gew.-% Kobalt, beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% Kobalt umfassen. Während Kobalt im Hinblick auf die Kosten bevorzugt auf ein Minimum beschränkt wird, können kleine Mengen von Kobalt zur Verbesserung der Härte des Endprodukts dienen. Bei der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine hohe Härte auch beim Fehlen von Kobalt erreicht werden. Um die Kosten zu verringern, enthält die Legierungszusammensetzung daher bevorzugt keine absichtlichen Kobaltzusätze.
In einigen Ausführungsformen kann Stickstoff zugefügt werden, so dass die Stahllegierung 50 bis 150 ppm Stickstoff, bevorzugt 75 bis 100 ppm Stickstoff umfasst. Das Vorhandensein von Stickstoff kann zur Begünstigung der Bildung von komplexen Nitriden und/oder Kohlenstoffnitriden nützlich sein. In anderen Ausführungsformen sind keine absichtlichen Stickstoffzusätze vorgesehen. Trotzdem kann die Legierung, da sie während des Schmelzens der Atmosphäre ausgesetzt ist, notwendigerweise bis zu 50 ppm Stickstoff umfassen.
Die Stahllegierungszusammensetzung kann gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Niobium, bevorzugt 0,001 bis 0,05 Gew.-% Niobium, besonders bevorzugt 0,001 bis 0,03 Gew.-% Niobium und/oder gegebenenfalls bis zu 0,1 Gew.-% Tantal, bevorzugt 0,001 bis 0,05 Gew.-% Tantal umfassen. Niobium und Tantal können eine Steuerung der austenitischen Korngröße bewirken.
Wie oben erwähnt kann die Stahlzusammensetzung gegebenenfalls auch eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen:
von 0 bis 0,25 Gew.-% Nickel (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% Nickel)
von 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% Kupfer)
von 0 bis 0,5 Gew.-% Kobalt (beispielsweise 0,01 bis 0,1 Gew.-% Kobalt)
von 0 bis 0,05 Gew.-% Aluminium (beispielsweise 0,01 bis 0,04 Gew.-% Aluminium)
von 0 bis 0,1 Gew.-% Niobium (beispielsweise 0,025 bis 0,05 Gew.-% Niobium)
von 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal (beispielsweise 0,025 bis 0,05 Gew.-% Tantal)
von 0 bis 150 ppm Stickstoff (beispielsweise 50 bis 150 ppm Stickstoff).
Es versteht sich, dass die vorliegende erwähnte Stahllegierung unvermeidliche Verunreinigungen enthalten kann, obschon diese insgesamt kaum mehr als 0,3 Gew.-% der Zusammensetzung überschreiten werden. Die Legierungen enthalten bevorzugt unvermeidliche Verunreinigungen in einer Menge von nicht mehr als 0,1 Gew.-% der Zusammensetzung, besonders bevorzugt von nicht mehr als 0,05 Gew.-% der Zusammensetzung. Die Stahlzusammensetzung kann insbesondere auch ein oder mehrere Verunreinigungselemente aufweisen. Eine nicht ausschöpfende Liste der Verunreinigungen umfasst beispielsweise:
von 0 bis 0,025 Gew.-% Phosphor
von 0 bis 0,015 Gew.-% Schwefel
von 0 bis 0,04 Gew.-% Arsen
von 0 bis 0,075 Gew.-% Zinn
von 0 bis 0,075 Gew.-% Antimon
von 0 bis 0,002 Gew.-% Blei
von 0 bis 0,002 Gew.-% Bor.
Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst bevorzugt wenig oder keinen Schwefel, beispielsweise 0 bis 0,015 Gew.-% Schwefel.
Die Stahllegierungszusammensetzung umfasst bevorzugt wenig oder keinen Phosphor, beispielsweise 0 bis 0,025 Gew.-% Phosphor.
Die Stahlzusammensetzung umfasst bevorzugt ≤ 15 ppm Sauerstoff. Sauerstoff kann als eine Verunreinigung vorliegen. Die Stahlzusammensetzung umfasst bevorzugt ≤ 30 ppm Titan. Titan kannals eine Verunreinigung vorliegen. Die Stahlzusammensetzung umfasst bevorzugt ≤ 20 ppm Bor. Die Stahlzusammensetzung umfasst bevorzugt ≤ 50 ppm Kalzium. Kalzium kann als eine Verunreinigung vorliegen.
Die Stahllegierungszusammensetzung kann im Wesentlichen aus den aufgeführten Elementen bestehen. Es versteht sich somit, dass zusätzlich zu diesen obligatorischen Elementen auch andere nicht spezifizierte Elemente in der Zusammensetzung vorhanden sein können, vorausgesetzt, dass durch deren Vorhandensein die wesentlichen Eigenschaften der Zusammensetzung nicht materiell beeinflusst werden.
Die Stahllegierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt ein Feingefüge auf, das Bainit und eine kleine Menge an Restaustenit umfasst. Das Feingefüge kann weiterhin kleine Mengen von einem oder mehreren Karbiden, Nitriden und/oder Kohlenstoffnitriden umfassen.
Die Stahllegierung kann eine hohe Härte und/oder Formstabilität aufweisen. Das bedeutet, dass die Stahllegierung nutzbringend in der Herstellung beispielsweise eines Lagerbauteils wie beispielsweise eines inneren oder äußeren Laufrings Verwendung finden kann. Bei der Stahllegierung handelt es sich typischerweise um eine Lagerstahllegierung.
Im Einzelnen betrachtet umfasst das Feingefüge der wärmebehandelten Stahllegierung typischerweise nanostrukturiertes bainitisches Ferrit und Restaustenit. Das Feingefüge ist typischerweise im Wesentlichen frei von Karbid, obschon kleine Mengen von einem oder mehreren Karbiden, Nitriden und/oder Kohlenstoffnitriden vorhanden sein können. Das Feingefüge kann gegebenenfalls etwas vergütetes Martensit enthalten, insbesondere dann, wenn eine gemischte martensitische/bainitische Struktur erwünscht ist.
Das Feingefüge umfasst insbesondere typischerweise mindestens 70 Vol.-% Bainit, typischerweise bevorzugt mindestens 80 Vol.-% Bainit, typischerweise besonders bevorzugt mindestens 90 Vol.-% Bainit (bainitisches Ferrit). Beim Bainit handelt es sich bevorzugt um unteres Bainit bevorzugt mit einer sehr feinen Struktur. Der Werkstoff weist insbesondere bevorzugt ein Feingefüge auf, das Plättchen aus bainitischem Ferrit von weniger als 200 nm, typischerweise von 10 bis 100 nm, typischerweise bevorzugt von 20 bis 80 nm umfasst. Die Plättchen aus bainitischem Ferrit sind typischerweise mit Restaustenit durchsetzt. Das Bainit bildet in der Regel mindestens 60%, typischerweise bevorzugt mindestens 80%, typischerweise besonders bevorzugt mindestens 90% (vom Volumen) des Feingefüges.
Das Feingefüge der Stahllegierung umfasst bevorzugt weniger als 15 Vol.-% Restaustenit, besonders bevorzugt weniger als 12 Vol.-% Restaustenit, ganz besonders bevorzugt weniger als 10 Vol.-% Restaustenit, beispielsweise 5 bis 10 Vol.-% Restaustenit. Das niedrige Niveau an Restaustenit ist dahingehend vorteilhaft, dass die Formstabilität eines Lagerbauteils verbessert wird.
Das Feingefüge kann auch kleine Ausfällungen von Karbid, Nitrid und/oder Kohlenstoff, beispielsweise Ausfällungen im Nanobereich von typischerweise 5–30 nm Durchschnittsgröße enthalten. Beliebige solcher Ausfällungen machen typischerweise nicht mehr als 5 Vol.-%, typischerweise bevorzugt nicht mehr als 3 Vol.-%, beispielsweise 0,5 bis 3 Vol.-% des Feingefüges aus.
Die Struktur der Stahllegierungen kann mit herkömmlichen Feingefügeprüftechniken wie beispielsweise der optischen Mikroskopie, TEM, SEM, APFIM und Röntgendiffraktion sowie Kombinationen aus zwei oder mehr dieser Techniken bestimmt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lagerbauteil bereitgestellt, das eine wie vorliegend beschriebene Stahllegierung umfasst. Beispiele von Lagerbauteilen, bei denen der Stahl verwendet werden kann, sind u.a. ein Wälzkörper (beispielsweise eine Kugel, ein Zylinder oder ein kegelförmiger Wälzkörper), ein innerer Laufring und ein äußerer Laufring. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Lager bereit, das ein wie vorliegend beschriebenes Lagerbauteil umfasst.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf eine geeignete Wärmebehandlung für die Stahllegierung näher beschrieben.
Die Zusammensetzung und das Feingefüge ergeben gute mechanische Eigenschaften für Anwendungen als Lager. Beispielsweise lässt sich eine Härte von 681 HV erzielen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(i) Bereitstellen einer Stahllegierungszusammensetzung, umfassend: von 0,5 bis 0,9 Gew.-% Kohlenstoff, von 1,2 bis 1,8 Gew.-% Silizium, von 1,1 bis 1,7 Gew.-% Mangan, von 0,7 bis 1,3 Gew.-% Chrom, von 0,05 bis 0,6 Gew.-% Molybdän, gegebenenfalls von 0 bis 0,25 Gew.-% Nickel, von 0 bis 0,02 Gew.-% Vanadium, von 0 bis 0,05 Gew.-% Aluminium, von 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer, von 0 bis 0,5 Gew.-% Kobalt, von 0 bis 0,1 Gew.-% Niobium, von 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal, von 0 bis 150 ppm Stickstoff, von 0 bis 50 ppm Kalzium, den Restgehalt Eisen sowie jegliche unvermeidliche Verunreinigungen,
(ii) Erwärmen der Zusammensetzung auf eine Temperatur von mindestens 865°C, um die Zusammensetzung mindestens teilweise zu austenitisieren;
(iii) Abschrecken der Zusammensetzung auf eine erste Temperatur T1, wobei 0.7M_s ≤ T1 ≤ 1.6M_s, wobei es sich bei M_s um die martensitische Anfangstemperatur der austenitisierten Zusammensetzung handelt; und
(iv) Erwärmen der Zusammensetzung auf eine zweite Temperatur T2 unter der bainitischen Anfangstemperatur der austenitisierten Zusammensetzung B_s.

Der Ausdruck “martensitische Anfangstemperatur” bezieht sich wie vorliegend verwendet auf die Temperatur, bei der die Umwandlung von Austenit zu Martensit beim Abkühlen beginnt. Die martensitische Anfangstemperatur wird typischerweise mit M_s gekennzeichnet.
Der Ausdruck “bainitische Anfangstemperatur” bezieht sich wie vorliegend verwendet auf die höchste Temperatur, bei der Ferrit durch Verdrängung umgewandelt werden kann. Die bainitische Anfangstemperatur wird typischerweise mit B_s gekennzeichnet.
Die sich daraus ergebende Stahllegierung weist eine hohe Härte und/oder Formstabilität auf. Dies bedeutet, dass die Stahllegierung nutzbringend in der Herstellung beispielsweise eines Lagerbauteils wie beispielsweise eines inneren oder äußeren Laufrings oder eines Wälzkörpers Verwendung finden kann.
Das in Bezug auf die im ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschriebene Stahllegierungszusammensetzung in aller ihrer Ausführungsformen Gesagte trifft gleichermaßen auf diesen weiteren Aspekt zu.
Wie oben erwähnt umfasst das Feingefüge der sich daraus ergebenden Stahllegierung typischerweise nano-strukturiertes bainitisches Ferrit und Restaustenit. Die Schritte (iii) and (iv) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ergeben typischerweise eine bainitische Umwandlung. Diese bainitische Umwandlung wird typischerweise bei einer Temperatur von weniger als 300°C, typischerweise bevorzugt von weniger als 280°C durchgeführt. Eine Folge der niedrigen Umwandlungstemperatur liegt darin, dass die Plättchen aus bainitischem Ferrit sehr fein sind. Der Werkstoff weist insbesondere bevorzugt ein Feingefüge auf, das Plättchen aus bainitischem Ferrit von weniger als 200 nm, typischerweise von 10 bis 100 nm, typischerweise bevorzugt von 20 bis 80 nm umfasst.
Anschließend an die Schritte (i) bis (iii) wird die Stahllegierungszusammensetzung auf eine zweite Temperatur T2 erwärmt, die unter der bainitischen Anfangstemperatur der austenitischen Zusammensetzung B_S liegt. Dieser Erwärmungsschritt (iv) ergibt eine Beschleunigung der Kinetik der bainitischen Umwandlung. Als Folge dieser Beschleunigung enthält die fertige Stahllegierung typischerweise bei gleicher Umwandlungsdauer und -zeit weniger Restaustenit. Dies ergibt eine erhöhte Festigkeit und Härte sowie eine bessere Formstabilität. Die Formstabilität ist kritisch, wenn die Stahllegierung in der Form eines Lagerbauteils vorliegt, das bei warmen bis erhöhten Temperaturen von typischerweise 80°C und höher betrieben wird. Die Menge an Restaustenit beträgt typischerweise weniger als 15 Vol.-%, typischerweise bevorzugt weniger als 12 Vol.-%, typischerweise besonders bevorzugt weniger als 10 Vol.-%. In einer Ausführungsform beträgt die Menge an Restaustenit etwa 8 Vol.-%.
Zusätzlich dazu kann die Beschleunigung der Kinetik der bainitischen Umwandlung eine kürzere Umwandlungszeit für einen gegebenen Restaustenitanteil in der fertigen Legierungsstruktur ergeben. Beispielsweise kann die Gesamtzeit für die bainitische Umwandlung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber einer herkömmlichen Wärmebehandlung (beispielsweise einer Austenitisierung mit nachfolgender Erwärmung auf 200°C während 72 Stunden) um mindestens 12 Stunden verringert werden. Dies kann erhebliche Kosten- und Zeiteinsparungen ergeben.
Beim Schritt (ii) wird die Zusammensetzung auf eine Temperatur von mindestens 865°C erwärmt, um die Zusammensetzung mindestens teilweise zu austenitisieren. In einer typischen Ausführungsform kann die Zusammensetzung auf eine Temperatur von 865 bis 900°C, typischerweise bevorzugt von 870 bis 880°C erwärmt werden. Die Zusammensetzung wird typischerweise für mindestens 50 Minuten, typischerweise für 50 bis 100 Minuten bei solchen Temperaturen gehalten. Dieser Schritt ist wichtig, um das gewünschte feine Bainit-Feingefüge mit einem niedrigen Niveau an Restaustenit zu erreichen.
In einer Ausführungsform liegt T1 über der martensitischen Anfangstemperatur. Dies kann eine Deformation des Restaustenits ergeben, d.h. interne Spannungen hervorrufen. Während des nachfolgenden Schritts (iv) kann die bainitische Umwandlung wesentlich beschleunigt werden. Dementsprechend kann die Gesamtzeit für die bainitische Umwandlung des vorliegend beschriebenen Verfahrens insbesondere gegenüber einem herkömmlichen Schritt der bainitischen Umwandlung mit einer Erwärmung auf 200°C während 72 Stunden verkürzt werden.
In dieser Ausführungsform beträgt T1 bevorzugt 190 bis 210°C, besonders bevorzugt etwa 200°C. Solche Temperaturen sind geeignet, um das Restaustenit zu deformieren sowie um eine ausreichend feine Bainitstruktur sicherzustellen.
In dieser Ausführungsform wird die Zusammensetzung während dem Schritt (iii) bevorzugt für mindestens 5 Stunden, besonders bevorzugt für 12 bis 36 Stunden, noch weiter bevorzugt für 12 bis 24 Stunden, ganz besonders bevorzugt für 12 bis 16 Stunden bei T1 gehalten. Die Zeit, für die die Zusammensetzung bei T1 gehalten wird, wird im Hinblick auf die Kosten bevorzugt minimiert. Ein Halten der Zusammensetzung bei T1 für mindestens 5 Stunden, bevorzugt mindestens 12 Stunden, kann besonders vorteilhafte Niveaus von Restaustenitdeformationen ergeben.
In einer alternativen Ausführungsform liegt T1 unter der martensitischen Anfangstemperatur. Dies kann das Vorhandensein von kleinen Mengen an Martensit in der fertigen Stahllegierung ergeben, womit Festigkeit und Härte zunehmen. Zusätzlich dazu kann die martensitische Umwandlung eine erhöhte Austenitdeformation ergeben. Da die martensitische Umwandlung unmittelbar stattfindet, ist es nicht notwendig, dass die Legierungszusammensetzung für lange Zeitdauern bei T1 gehalten wird. Dementsprechend wird die Zusammensetzung typischerweise für weniger als 30 Minuten, bevorzugt für etwa 15 Minuten oder weniger bei T1 gehalten. In dieser Ausführungsform kann das Feingefüge der sich daraus ergebenden Stahllegierung bevorzugt 10 bis 50 Vol.-% Martensit, besonders bevorzugt 15 bis 40 Vol.-% Martensit umfassen, wobei es sich beim Rest um bainitisches Ferrit und Restaustenit handelt.
Bei ihrer Obergrenze kann T2 gerade unter der bainitischen Anfangstemperatur liegen. T2 liegt bevorzugt 50 bis 150°C unter der bainitischen Anfangstemperatur, besonders bevorzugt 90 bis 110°C unter der bainitischen Anfangstemperatur. T2 beträgt bevorzugt 200 bis 280°C, besonders bevorzugt 210 bis 260°C, ganz besonders bevorzugt etwa 250°C. Tiefere Temperaturen können eine nur minimale Verringerung bei den Niveaus von Restaustenit der sich daraus ergebenden Stahllegierungen ergeben. Im Hinblick auf die Kosten und auf die etwas schwächere Struktur, die dadurch erhalten wird, werden höhere Temperaturen bevorzugt vermieden. Es ist anzumerken, dass sich die bainitische Anfangstemperatur für den zweiten Deformationsschritt ändern kann, da das Austenit während dem ersten bainitischen Umwandlungsschritt mit Kohlenstoff angereichert wird.
Während dem Schritt (iv) wird die Zusammensetzung typischerweise isothermisch erwärmt.
Das Verfahren kann weiterhin (v) das Abkühlen der Zusammensetzung auf Raumtemperatur umfassen.
Das Verfahren umfasst weiterhin bevorzugt (vi) das Abkühlen der Zusammensetzung auf eine Temperatur von weniger als 0°C. Dies kann den Austenitanteil an der sich daraus ergebenden Stahllegierung verringern, wobei deren Festigkeit, Härte und Formstabilität erhöht werden.
Das Verfahren umfasst weiterhin bevorzugt (vii) das Vergüten bei einer Temperatur von 100 bis 200°C für mindestens eine Stunde. Ein solches Vergüten kann zur Verminderung des Auftretens von Rissen in der sich daraus ergebenden Stahllegierung dienen. Ein solches Vergüten wird bevorzugt nach dem Schritt (vi) durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zusammensetzung doppelt oder dreifach vergütet, wobei zwischen den Vergütungsschritten ein Gefrieren (Schritt (vi)) dazwischengeschaltet wird. Wenn beide Schritte (vi) und (vii) durchgeführt worden sind, lässt man die Stahllegierungszusammensetzung typischerweise vor dem nachfolgenden Gefrieren auf Raumtemperatur abkühlen. Zusätzlich dazu folgt auf den endgültigen Vergütungsschritt typischerweise ein Luftkühlen auf Raumtemperatur.
Das Verfahren umfasst weiterhin bevorzugt (viii) das Unterziehen der Stahllegierung einer Oberflächenendbearbeitungstechnik. Die gehärteten Lagerstahlbauteile, speziell die Laufringe, können gegebenenfalls brüniert werden, worauf ein Vergüten und ein Luftkühlen folgt. Danach werden die Lagerstahlbauteile mittels Hartdreh- und/oder Schleifvorgängen wie Läppen und Honen endbearbeitet.
Die Brünier- und Vergütungsvorgänge können bewirken, dass sich die Streckgrenze der betroffenen Bereiche dramatisch erhöht, was von einer erheblichen Verbesserung der Härte, der Restspannung unter Druck und der Wälzkontaktermüdung begleitet wird.
Bei der Stahllegierungszusammensetzung kann es sich um eine Lagerstahllegierung handeln. Die Stahllegierung kann in Form eines Lagerbauteils, bevorzugt eines Wälzkörpers, eines inneren Laufrings und/oder eines äußeren Laufrings vorhanden sein.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Stahllegierung oder ein Lagerbauteil hergestellt gemäß dem vorliegend beschriebenen Verfahren bereit.
Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die folgenden nichteinschränkenden Figuren näher beschrieben:
1 zeigt ein Diagramm der Längenveränderung gegenüber der Temperatur für Dilatometermessungen (Austenitisiertemperatur 860°C/20 Minuten).
2 zeigt ein Diagramm der Längenveränderung gegenüber der Temperatur für Dilatometermessungen (Austenitisiertemperatur 870°C/50 Minuten).
3 zeigt ein Diagramm der Längenveränderung gegenüber der Zeit für Dilatometermessungen (Austenitisiertemperatur 870°C/50 Minuten).
4 zeigt Elektronenkleingefügebilder, die ein feines bainitisches Feingefüge mit einer kleinen Menge (ca. 8 Vol.-%) an Restaustenit zeigen.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden nichteinschränkenden Beispiele näher beschrieben.
In der vorliegenden Ausgestaltung wurde ein Stahl mit der chemischen Zusammensetzung 0.67C-1.53Si-1.42Mn-1Cr-0.12Ni-0.25Mo-0.13Cu-0.006V-0.028Al in Gew.-% verwendet. Der Restgehalt setzt sich aus Eisen mit den unvermeidlichen Verunreinigungen zusammen.
Nach einer vollständigen Glühbehandlung zum Aufweichen der Struktur zur besseren spanabhebenden Bearbeitungsfähigkeit wurde der Stahl in einem Dilatometer bei 870°C austenitisiert und bei dieser Temperatur für 50 Minuten getränkt. Danach wurde der Prüfling mit Stickstoffgas auf eine Temperatur von 200°C abgeschreckt und für 72 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, bis die bainitische Umwandlung beendet war. Schlussendlich ließ man den Prüfling auf Raumtemperatur abkühlen.
Das Austenitisieren für 50 Minuten bei 870°C wurde als wichtig befunden, um sicherzustellen, dass die martensitische Anfangstemperatur der austenitischen Matrix, d.h. die MS-Temperatur, genügend weit unter die vorgesehene bainitische Umwandlungstemperatur gedrückt wird. Vorgängig ergab das Halten eines ähnlichen Prüflings für 20 Minuten bei 860°C die versuchsmäßig gemessene MS-Temperatur von etwa 200°C nach dem Abschrecken (siehe 1). Demgegenüber wurde, wie in 2 gezeigt, beim bei 870°C austenitisierten Muster keine Dilatation (eingekreist), die auf die martensitische Umwandlung hinweist, in der gemessenen Dilatometerkurve vor der bainitischen Umwandlung beobachtet. Die bainitische Umwandlungsphase lässt sich in 3 deutlicher erkennen.
4 zeigt eine typische, feine bainitische Struktur, die gemäß der spezifizierten Wärmebehandlung in der Legierung dieses Beispiels erhalten wurde. Röntgenmessungen zeigten das Vorhandensein von lediglich ca. 8 Vol.-% Restaustenit.
Die sehr feine bainitische Struktur ergibt eine sehr hohe Zähigkeit und Härte. Das niedrige Niveau an Restaustenit in der bainitisch gehärteten Struktur ergibt eine verbesserte Formstabilität.
Härtemessungen, die nach den Wärmebehandlungen vorgenommen wurden, ergaben eine Härte von 681 HV (Durchschnitt aus 3 Messungen). Dies ist ungefähr 50 HV mehr als bei vorherigen wärmebehandelten Legierungen.
Dieser Härteunterschied entspricht einem Zuwachs von etwa 2 HRC (Härte nach Rockwell). Die Härte der Legierung von mindestens 59 HRC übertrifft das für Anwendungen als Lager verlangte Minimum von 58 HRC.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung ist zum Zweck der Beschreibung und Veranschaulichung bereitgestellt worden und soll den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Zahlreiche Varianten bei den vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen, die hier dargestellt werden, sind für den Durchschnittsfachmann erkennbar und liegen innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche sowie deren Äquivalente.

Claims

Verfahren zum Wärmebehandeln einer Stahllegierung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (i) Bereitstellen einer Stahllegierungszusammensetzung umfassend: von 0,5 bis 0,9 Gew.-% Kohlenstoff, von 1,2 bis 1,8 Gew.-% Silizium, von 1,1 bis 1,7 Gew.-% Mangan, von 0,7 bis 1,3 Gew.-% Chrom, von 0,05 bis 0,6 Gew.-% Molybdän, von 0 bis 0,25 Gew.-% Nickel, von 0 bis 0,02 Gew.-% Vanadium, von 0 bis 0,05 Gew.-% Aluminium, von 0 bis 0,3 Gew.-% Kupfer, von 0 bis 0,5 Gew.-% Kobalt, von 0 bis 0,1 Gew.-% Niobium, von 0 bis 0,1 Gew.-% Tantal, von 0 bis 150 ppm Stickstoff, von 0 bis 50 ppm Kalzium, den Restgehalt Eisen sowie jegliche unvermeidliche Verunreinigungen, (ii) Erwärmen der Zusammensetzung auf eine Temperatur von mindestens 865°C, um die Zusammensetzung mindestens teilweise zu austenitisieren; (iii) Abschrecken der Zusammensetzung auf eine erste Temperatur T1, wobei 0.7M_s ≤ T1 ≤ 1.6M_s, wobei es sich bei M_s um die martensitische Anfangstemperatur der austenitisierten Zusammensetzung handelt; und (iv) Erwärmen der Zusammensetzung auf eine zweite Temperatur T2 unter der bainitischen Anfangstemperatur der austenitisierten Zusammensetzung B_s.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei T1 über der martensitischen Anfangstemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei T1 von 190 bis 210°C, bevorzugt etwa 200°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zusammensetzung beim Schritt (iii) für mindestens 5 Stunden, bevorzugt für 12 bis 36 Stunden, besonders bevorzugt für 12 bis 24 Stunden, ganz besonders bevorzugt für 12 bis 16 Stunden bei T1 gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei T1 unter der martensitischen Anfangstemperatur M_S liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei T2 50 bis 150°C unter der bainitischen Anfangstemperatur, bevorzugt 90 bis 110°C unter der bainitischen Anfangstemperatur liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei T2 220 bis 280°C, bevorzugt 240 bis 260°C, besonders bevorzugt etwa 250°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt (ii) bei einer Temperatur von 865 bis 950°C, bevorzugt von 865 bis 900°C, besonders bevorzugt von 870 bis 880°C ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schritt (ii) während einer Zeitdauer von mindestens 30 Minuten, bevorzugt mindestens 40 Minuten, besonders bevorzugt mindestens 50 Minuten ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Zusammensetzung beim Schritt (iv) isothermisch erwärmt wird.