DE102016224191A1 - Ermüdungsfester Lagerstahl - Google Patents

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Abstract

Stahllegierung für ein Lager, wobei die Legierung eine Zusammensetzung hat, welche aufweist: 0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium, 0,2 bis 0,9 Gewichtsprozent Mangan, 2,0 bis 3,3 Gewichtsprozent Chrom, 0 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium, 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Niob, 0 bis 0,5 Gewichtsprozent Wolfram, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Nickel, 0 bis 0,4 Gewichtsprozent Kupfer, 0 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium, 0 bis 150 ppm Stickstoff, und den Rest Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Metallurgie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Stahllegierung, die bei der Herstellung von Lager verwendet wird.
  • Hintergrund
  • Lager sind Vorrichtungen, die eine eingeschränkte relative Bewegung zwischen zwei Teilen zulassen. Wälzlager weisen innere und äußere Laufflächen und eine Mehrzahl von Wälzkörpern (beispielsweise Kugeln und/oder Rollen), die dazwischen angeordnet sind, auf. Für eine langfristige Zuverlässigkeit und Leistung ist es wichtig, dass die verschiedenen Elemente einen hohen Widerstand gegenüber Wälzkontakt-Ermüdung, Abnutzung und Kriechen haben.
  • Herkömmliche Techniken zum Herstellen von Metallbauteilen beinhalten ein Warmwalzen oder Warmschmieden, um eine Stange, Stab, Rohr oder Ring zu bilden, gefolgt durch ein Weichumformungs-/Herstellungsverfahren, um die gewünschten endkonturnahen Bauteile zu erhalten. Oberflächenhartungs- und Durchhärtungsverfahren sind bekannt und werden verwendet, um die Härte von Oberflächen von fertiggestellten oder halbfertiggestellten Bauteilen lokal zu erhöhen, um beispielsweise die Abnutzungswiderstandsfähigkeit und die Ermüdungswiderstandsfähigkeit zu verbessern. Eine Anzahl von Flächen- oder Einsatzhärtungsverfahren ist bekannt, um die Wälzkontaktermüdungswiderstandsfähigkeit zu verbessern.
  • Eine typische gehärtete Lagerstahlmikrostruktur ist aus einer Matrix, die häufig entweder bainitisch oder angelassen martensitisch ist, und Karbiden zusammengesetzt. Die Karbide können Zementitpartikel enthalten. Beispielsweise können sie in dem Stahlsystem 100Cr6 die Stöchiometrie M3C (M = Metall, meistens Fe) haben. Die Zementitpartikel, die in üblichen gehärteten Lagerstahlmikrostrukturen gefunden werden, sind entscheidend in Lageranwendungen, insbesondere wenn bei dem Lagerkontakt Rutschen stattfindet. In dem Zusammenhang von Ermüdung stellen jedoch diese Partikel interne Mikrokerben dar, obgleich sie relativ sehr hart und stark und klein in der Größe von ungefähr 1 μm oder weniger sind.
  • Es wurde herausgefunden, dass die Zementitpartikel scheren und reißen können, sobald Ermüdungsbänder gebildet wurden, und zusätzlich auch amorph werden oder die Bildung von amorphen Bereichen in dem Lagerbauteil aufgrund von der Reibung der entstehenden Brechflächen unter Wälzkontakt verursachen können. Diese Formen von mikrostrukturellem Verfall erscheinen weiß, sobald ein Schnitt des beeinträchtigten Lagerbauteils metallographisch untersucht wird („weiß anätzende Bereiche”).
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich mit manchen der Probleme, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu befassen oder zumindest eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative dazu bereitzustellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Stahllegierung für ein Lager bereit, wobei die Legierung eine Zusammensetzung, welche aufweist:
    0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff,
    0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium,
    0,2 bis 0,9 Gewichtsprozent Mangan,
    2,0 bis 3,3 Gewichtsprozent Chrom,
    0 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium,
    0 bis 0,1 Gewichtsprozent Niob,
    0 bis 0,5 Gewichtsprozent Wolfram,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Nickel,
    0 bis 0,4 Gewichtsprozent Kupfer,
    0 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium,
    0 bis 150 ppm Stickstoff, und
    den Rest Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Absätzen werden unterschiedliche Aspekte der Erfindung detaillierter definiert. Jeder Aspekt, der so definiert wird, kann mit irgendeinem anderen Aspekt oder Aspekten kombiniert werden, sofern nicht eindeutig gegenteilig angegeben. Insbesondere kann jedes Merkmal, das als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben ist, mit irgendeinem Merkmal oder Merkmalen kombiniert werden, die als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben sind.
  • In der vorliegenden Erfindung weist die Stahllegierungszusammensetzung 0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, vorzugsweise 0,8 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff, auf. In manchen Ausführungsformen, in denen eine höhere Harte benötigt wird, weist die Zusammensetzung 0,85 bis 0,95 Gewichtsprozent Kohlenstoff auf. In Kombination mit den anderen Legierungselementen resultiert dies in der gewünschten Mikrostruktur, die Karbidpartikel aufweist, und einer Widerstandsfähigkeit gegenüber mikrostrukturellem Fall, der durch Wälzkontaktermüdung verursacht wird. Insbesondere wird die Bildung von weiß anätzenden Bereichen durch die Kombination der Legierungselemente reduziert oder eliminiert. Es wird davon ausgegangen, dass dies ein Ergebnis der Karbidpartikel, insbesondere Zementit, und der Matrixphasen in der finalen funktionellen Mikrostruktur, die höhere elastische Eigenschaften, beispielsweise ein höheres Schubmodul, aufweist, sein kann, wodurch einer Amorphisierung widerstanden wird. Kohlenstoff wirkt auch, um die Temperatur zu verringern, bei der Bainit gebildet werden kann, so dass eine feine Struktur erreichbar ist. Das Vorhandensein von Kohlenstoff kann in dem Erhalt von Karbiden und/oder Karbonitriden während des Austenitisierens resultieren, die als Austenit-Kornfeinungsmittel wirken können. Wenn Kohlenstoffgehalt höher als 1,0 Gewichtsprozent ist, kann es eine Erhöhung in der Neigung des Materials, weiß anätzende Bereiche zu bilden, geben. Wenn der Kohlenstoffgehalt niedriger als 0,8 Gewichtsprozent ist, können Legierungen eine martensitische Starttemperatur haben, was in Schwierigkeiten resultiert, rein bainitische Mikrostrukturen mit einer adäquaten Harte für Lageranwendungen zu erhalten.
  • Die Stahllegierungszusammensetzung weist 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium, bevorzugt 0,1 bis 0,45 Gewichtsprozent Silizium, bevorzugter 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Silizium, auf. In Kombination mit den anderen Legierungselementen resultiert dies in der gewünschten Mikrostruktur mit einer minimalen Menge an Restaustenit. Silizium hat eine vernachlässigbare Löslichkeit in Karbiden; insbesondere bei hohen Temperaturen, bei denen seine Diffusionsfähigkeit ausreichend hoch ist, um nicht in Karbiden gefangen zu werden. Silizium hilft auch, eine übermäßige Ausfällung von Zementit und Karbidbildung zu unterdrücken. Zusätzlich stabilisiert Silizium Übergangskarbide und verbessert die Anlasswiderstandsfähigkeit der Stahlmikrostruktur. Jedoch kann ein zu hoher Siliziumgehalt in einer Verringerung der elastischen Eigenschaften der Matrix resultieren. Aus diesem Grund ist der maximale Siliziumgehalt 0,5 Gewichtsprozent.
  • Die Stahllegierungszusammensetzung weist 0,2 bis 0,9 Gewichtsprozent Mangan, bevorzugt 0,35 bis 0,8 Gewichtsprozent Mangan, bevorzugter 0,4 bis 0,6 Gewichtsprozent Mangan, auf. Der Mangangehalt ist zumindest 0,2 Gewichtsprozent, da dies in Kombination mit den anderen Legierungselementen hilft, die Bildung von weiß anätzenden Bereichen zu reduzieren. Mangan wirkt auch, um die Härtbarkeit zu verbessern. Zusätzlich wirkt Mangan, um die Stabilität von Austenit im Verhältnis zu Ferrit zu erhöhen. Jedoch können Manganlevel über 0,9 Gewichtsprozent dazu dienen, die Menge an Restaustenit zu erhöhen und die Transformationsrate zu Bainit zu verringern. Dies kann zu praktischen metallurgischen Problemen führen, wie beispielsweise zu starker Stabilisierung des Restaustenits, was zu potentiellen Problemen mit der maßlichen Stabilität der Lagerbauteile führt.
  • Zusätzlich kann Mangan die elastischen Eigenschaften der Matrix reduzieren, beispielsweise Latten-Martensit, aber da es die Karbiden zu einem Bereich anreichert, der größer als die Matrix ist, kann sein Gehalt in der Legierung bei den genannten Level gehalten werden. Sobald es in den Karbiden, insbesondere Zementit, gelöst ist, sind die Karbide thermodynamisch stabiler, weisen bessere elastische Eigenschaften und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Reissen (Scheren) und der Bildung von weiß anätzenden Bereichen auf.
  • Die Stahlzusammensetzung weist 2,0 bis 3,3 Gewichtsprozent Chrom, bevorzugt 2,3 bis 3,3 Gewichtsprozent Chrom, bevorzugter 2,5 bis 3,1 Gewichtsprozent Chrom, auf. Der Grundgehalt ist zumindest 2,0 Gewichtsprozent, da dies in Kombination mit den anderen Legierungselementen hilft, die Bildung von weiß anätzenden Bereichen zu verringern. Anders als Mangan kann Chrom die elastischen Eigenschaften sowohl der Matrix als auch der Karbide erhöhen. Bei höheren Leveln von Chrom kann Zementit teilweise oder Großteils durch das stabilere chromreiche Karbid, M7C3, ersetzt werden. Chrom wirkt auch, um die Härtbarkeit zu erhöhen und die Bainitstarttemperatur zu verringern. Chrom kann auch vorteilhaft in Bezug auf die Korrosionswiderstandsfähigkeit sein.
  • Die Stahlzusammensetzung kann optional bis zu 0,4 Gewichtsprozent Molybdän, beispielsweise 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän, bevorzugt 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent Molybdän, bevorzugter 0,25 bis 0,3 Gewichtsprozent Molybdän, aufweisen. Molybdän kann wirken, um eine Austenitkorngrenzenversprödung aufgrund von Verunreinigungen, wie beispielsweise Phosphor, zu vermeiden. Molybdän kann auch die Bainitstarttemperatur reduzieren und die Härtbarkeit erhöhen, was wichtig ist, wenn der Stahl verwendet wird, um zum Beispiel einen großformatigen Lagerring herzustellen, der eine Härtung bis zu einer relativ großen Tiefe beim Abschrecken von einer hohen Temperatur benötigt. Der Molybdängehalt in der Legierung ist bevorzugt nicht mehr als ungefähr 0,4 Gewichtsprozent, andernfalls kann die Austenitumwandlung in Bainitferrit zu früh enden, was in signifikanten Mengen von Austenit, das in der Struktur übrig bleibt, resultieren kann. In anderen Ausführungsformen, bei denen der Stahl verwendet wird, um einen relativ kleinformatigen Lagering herzustellen, und bei denen die Härtbarkeit weniger kritisch ist, kann Mo auf einem Minimum gehalten werden, nämlich auf einem Level von 0,1 Gewichtsprozent oder weniger.
  • Die Stahlzusammensetzung kann optional ein oder mehr aufweisen von: bis zu 0,2 Gewichtsprozent Kobalt (beispielsweise 0,05 bis 0,15 Gewichtsprozent Kobalt), bis zu 0,2 Gewichtsprozent Iridium (beispielsweise 0,05 bis 0,15 Gewichtsprozent Iridium), bis zu 0,2 Gewichtsprozent Rhenium (beispielsweise 0,05 bis 0,15 Gewichtsprozent Rhenium), bis zu 0,2 Gewichtsprozent Vanadium (beispielsweise 0,05 bis 0,15 Gewichtsprozent Vanadium), bis zu 0,1 Gewichtsprozent Niob (beispielsweise 0,05 bis 0,10 Gewichtsprozent Niob) und bis zu 0,5 Gewichtsprozent Wolfram (beispielsweise 0,05 bis 0,4 Gewichtsprozent Wolfram). Es wurde erstaunlicherweise herausgefunden, dass Co, Ir, Re, V, Nb und/oder W die Mikrostruktur weiter verbessern, möglicherweise durch Gewähren einer mikrostrukturellen Verfeinerung und/oder Erhöhen seiner elastischen Eigenschaften, wodurch der Bildung von weiß anätzendem Material während des Wälzkontakts besser widerstanden wird.
  • Die Stahlzusammensetzung kann optional bis zu 0,2 Gewichtsprozent Nickel, beispielsweise 0,05 bis 0,1 Gewichtsprozent Nickel, aufweisen. Nickel fehlt jedoch bevorzugt in der Stahllegierung.
  • Die Stahlzusammensetzung kann optional bis zu 0,4 Gewichtsprozent Kupfer, beispielsweise 0,05 bis 0,35 Gewichtsprozent Kupfer, aufweisen.
  • Die Stahlzusammensetzung kann optional bis zu 0,05 Gewichtsprozent Aluminium, beispielsweise 0,005 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium, bevorzugt 0,01 bis 0,03 Gewichtsprozent Aluminium, aufweisen. Aluminium kann auch als ein Desoxidationsmittel dienen. Jedoch erfordert die Verwendung von Aluminium strenge Stahlherstellungskontrollen, um die Reinheit sicherzustellen, und dies erhöht die Herstellungskosten. Daher weist die Stahllegierung nicht mehr als 0,05 Gewichtsprozent Aluminium auf.
  • In manchen Ausführungsformen kann Stickstoff hinzugefügt werden, so dass die Stahllegierung 50 bis 150 ppm Stickstoff, bevorzugt 75 bis 100 ppm Stickstoff aufweist. Das Vorhandensein von Stickstoff kann vorteilhaft sein, um die Bildung von komplexen Nitriden und/oder Karbonitriden zu fördern. In anderen Ausführungsformen gibt es kein absichtliches Hinzufügen von Stickstoff. Nichtsdestotrotz kann die Legierung notwendigerweise dennoch bis zu 50 ppm Stickstoff aufgrund eines Atmosphärenaussetzens während des Schmelzens aufweisen.
  • Wie oben erwähnt kann die Stahlzusammensetzung optional ein oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen:
    0 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän (beispielsweise 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent Molybdän)
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt)
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium)
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium)
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium)
    0 bis 0,1 Gewichtsprozent Niob (beispielsweise 0,05 bis 0,10 Gewichtsprozent Niob)
    0 bis 0,5 Gewichtsprozent Wolfram (beispielsweise 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent Wolfram)
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Nickel (beispielsweise 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Nickel)
    0 bis 0,4 Gewichtsprozent Kupfer (beispielsweise 0,05 bis 0,35 Gewichtsprozent Kupfer)
    0 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium (beispielsweise 0,01 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium)
    0 bis 150 ppm Stickstoff (beispielsweise 50 bis 150 ppm Stickstoff)
  • Es wird anerkannt werden, dass die Stahllegierung, auf die hierin Bezug genommen wird, unvermeidbare Verunreinigungen aufweisen kann, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass diese insgesamt 0,3 Gewichtsprozent der Zusammensetzung überschreiten. Bevorzugt weisen die Legierungen unvermeidbare Verunreinigungen in einer Menge von nicht mehr als 0,1 Gewichtsprozent der Zusammensetzung, bevorzugter nicht mehr als 0,05 Gewichtsprozent der Zusammensetzung, auf. Insbesondere kann die Stahlzusammensetzung auch ein oder mehrere Verunreinigungselemente aufweisen. Eine nicht abschließende Liste von Verunreinigungen weist beispielsweise auf:
    0 bis 0,025 Gewichtsprozent Phosphor
    0 bis 0,015 Gewichtsprozent Schwefel
    0 bis 0,04 Gewichtsprozent Arsen
    0 bis 0,075 Gewichtsprozent Zinn
    0 bis 0,075 Gewichtsprozent Antimon
    0 bis 0,002 Gewichtsprozent Blei
    0 bis 0,002 Gewichtsprozent Bor
  • Die Stahllegierungszusammensetzung weist bevorzugt weniger oder keinen Schwefel, beispielsweise 0 bis 0,015 Gewichtsprozent Schwefel, auf.
  • Die Stahllegierungszusammensetzung weist bevorzugt wenig oder keinen Phosphor, beispielsweise 0 bis 0,025 Gewichtsprozent Phosphor, auf.
  • Die Stahlzusammensetzung weist bevorzugt ≤ 15 ppm Sauerstoff auf. Sauerstoff kann als eine Verunreinigung vorhanden sein. Die Stahlzusammensetzung weist bevorzugt ≤ 30 ppm Titan auf. Titan kann als eine Verunreinigung vorhanden sein. Die Stahlzusammensetzung weist bevorzugt ≤ 20 ppm Bor auf. Die Stahlzusammensetzung weist bevorzugt ≤ 50 ppm Kalzium auf. Kalzium kann als eine Verunreinigung vorhanden sein.
  • Bevorzugt ist der Maximalgehalt der Kombination von einem oder mehreren von etwas Arsen, etwas Zinn und etwas Antimon 0,075 Gewichtsprozent.
  • In einer Ausführungsform weist die Stahllegierungszusammensetzung auf:
    0,85 bis 0,95 Gewichtsprozent Kohlenstoff,
    0,15 bis 0,3 Gewichtsprozent Silizium,
    0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Mangan,
    2,5 bis 2,9 Gewichtsprozent Chrom,
    0,3 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän,
    0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent Kupfer,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium,
    0 bis 0,1 Gewichtsprozent Niob,
    0 bis 0,2 Gewichtsprozent Wolfram,
    0 bis 0,1 Gewichtsprozent Nickel,
    0 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium,
    0 bis 150 ppm Stickstoff, und
    den Rest Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen.
  • Diese bevorzugten Ausführungsformen beschreiben Stahllegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die als besonders widerstandsfähig gegenüber mikrostrukturellem Verfall verursacht durch Wälzkontaktermüdung gefunden worden. Insbesondere wird die Bildung von weiß anätzenden Bereichen durch die Kombination von Legierungselementen reduziert oder eliminiert.
  • Die Stahllegierungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung können im Wesentlichen aus den genannten Elementen bestehen. Es wird daher anerkannt werden, dass zusätzlich zu diesen Elementen, die zwingend sind, andere nicht angegebene Elemente in der Zusammensetzung vorhanden sein können, vorausgesetzt, dass die wesentlichen Eigenschaften der Zusammensetzung durch ihre Anwesenheit nicht wesentlich beeinflusst werden.
  • Die Stahllegierungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung haben bevorzugt eine Mikrostruktur, welche (i) Martensit (üblicherweise angelassenes Martensit) und/oder bainitisches Ferrit, (ii) Karbide und/oder Karbonitride und (iii) optional Restaustenit aufweist. Ein niedriger Level von Restaustenit ist vorteilhaft darin, dass er die maßliche Stabilität eines Lagerbauteils verbessert. Die Mikrostruktur kann des Weiteren Nitride aufweisen.
  • Die Struktur der Stahllegierungen kann durch herkömmliche mikrostrukturelle Charakterisierungstechniken, wie beispielsweise optische Mikroskopie, TEM, SEM, AP-FIM und Röntgenbeugung, einschließlich Kombinationen von zwei oder mehreren dieser Techniken, bestimmt werden.
  • Die Stahllegierung kann eine höhere Härte und/oder maßliche Stabilität aufweisen. Dies bedeutet, dass die Stahllegierung sinnvoll in der Herstellung von beispielsweise einem Lagerbauteil, wie beispielsweise einem Wälzkörper, einem inneren Lagerring oder einem außeren Lagerring, Anwendung finden kann. Die Stahllegierung ist typischerweise eine Lagerstahllegierung.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lagerbauteil bereitgestellt, das eine Stahllegierung, wie sie hierin beschrieben ist, aufweist. Beispiele von Lagerbauteilen, bei denen der Stahl verwendet werden kann, weisen einen Wälzkörper (beispielsweise Kugeln oder zylindrische, kegelförmige, toroidale oder sphärische Rollen), einen inneren Ring und einen äußeren Ring auf. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Lager bereit, das ein Lagerbauteil, wie es hierin beschrieben ist, aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf eine geeignete Wärmebehandlung für die Stahllegierung beispielhaft beschrieben.
  • Die Stahllegierungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden üblicherweise einem herkömmlichen GKZ-Glühprozess vor dem Härten unterzogen. Ein herkömmlicher Normalglüh-Wärmebehandlungsprozess kann auch vor dem GKZ-Glühprozess angewendet werden. Härten wird üblicherweise zumindest das teilweise Austenitisieren der Mikrostruktur benötigen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Lagerbauteile innerhalb des Temperaturbereichs von 850 bis 859°C bevorzugt für eine Dauer von 15 bis 120 Minuten gehalten werden. Eine übliche Voraustenitkorngröße ist weniger als 20 μm. Manche Karbide bleiben während des Austenitisierens ungelöst. Solche Karbide sind beispielsweise M3C (Eisenreich) und M7C3 (Chromreich). Eine übliche Karbitgröße in diesem Fall ist bis zu 3 μm, bevorzugt um 1 μm.
  • Anschließend werden die Lagerkomponenten üblicherweise in einem geeigneten Medium, beispielsweise Öl (üblicherweise verwendet für eine Martensithärtung), oder in einem Salzbad, wenn eine Bainitumwandlung benötigt wird, abgekühlt.
  • Wenn eine martensitische Mikrostruktur benötigt wird, werden die Bauteile üblicherweise unter der MS-Temperatur abgekühlt (MS ist die Martensitstarttemperatur, die sich auf die Temperatur bezieht, bei der die Umwandlung von Austenit zu Martensit beim Kühlen beginnt). Jedoch können in manchen Fällen, insbesondere beim Verarbeiten von größeren Lagerbauteilen mit dickeren Abschnitten, die Bauteile bei Temperaturen gerade über der MS-Temperatur für eine ausreichende Dauer vor dem nachfolgenden Abkühlen equilibriert werden, damit eine Bainitumwandlung beginnt. In jedem Fall wird das gekühlte, nicht-angelassene Martensit von einem Anlassschritt gefolgt werden.
  • Martensitisches Härten und Anlassen kann auch beispielsweise über Durchhärten oder Oberflächeninduktionshärten erreicht werden. In einem solchen Fall würde das Material bevorzugt vor dem Härten robust-angelassen werden.
  • Bainitisches Härten weist üblicherweise das Abkühlen der austenitisierten Lagerbauteile herunter auf Temperaturen gerade über der MS-Temperatur der Austenit-Matrix auf. Die Bauteile können dann isotherm bei einer Temperatur für eine Zeit, die beispielsweise von 10 Minuten bis zu 24 Stunden pro Stufe reicht, gehalten werden. Der Bainit-Härtungs-(Umwandlungs-)Prozess kann beispielsweise ein, zwei oder drei Umwandlungsstufen aufweisen, die alle bei unterschiedlichen Temperaturen ausgeführt werden. Ein typischer Temperaturbereich für eine Umwandlungsstufe ist 175 bis 270°C. Das Ziel ist es, die Härte und die Gesamtumwandlungszeit zu optimieren. Nachdem die Bainit-Umwandlung geendet hat, werden die Bauteile üblicherweise auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • Optional können die austenitisierten Lagerbauteile gehärtet werden, sodass eine gemischte martensitische-bainitische Mikrostruktur erhalten wird.
  • Zusätzlich kann eine Tiefkühlbehandlung auf die Lagerkomponenten angewendet werden, die üblicherweise von einem Anlassen gefolgt wird.
  • Bevorzugt sind die gehärteten Lagerbauteile frei oder im Wesentlichen frei von Restaustenit.
  • Optional kann die Stahllegierung oder das Lagerbauteil Oberflächenmodifikationen unterworfen werden, ob thermo-chemisch, mechanisch oder beides. Solche Prozesse können angewendet werden, um die Leistung des Lagerbauteils zu erhöhen. Beispiele für solche Prozesse enthalten Karbonitrieren und Polieren.
  • Zusätzlich kann die Stahllegierung oder das Lagerbauteil einer Oberflächenveredelungstechnik unterworfen werden. Beispielsweise Polieren – insbesondere für Laufflächen – welches von Anlassen und Luftkühlung gefolgt sein kann. Anschließend kann die Stahllegierung oder das Lagerbauteil mittels Hartdrehen und/oder Schleifoperationen wie Läppen und Honen fertiggestellt werden.
  • Die Polier- und Anlassoperationen können veranlassen, dass sich die Streckfestigkeit der beeinflussten Bereiche dramatisch mit signifikanter Verbesserung in der Härte, der Druckeigenspannung und besserer Widerstandskraft gegenüber Wälzkontaktermüdung erhöht.
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft weiter mit Bezugnahme auf die begleitenden nicht beschränkenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1a und 1b zeigen einen Mikrographen einer oberen Fläche und einen Querschnitt durch einen Abnutzungskratzer, der auf einem Testabschnitt erzeugt wurde, der aus Stahl A hergestellt wurde, der ein Beispiel in Übereinstimmung mit der Erfindung ist.
  • 2a und 2b zeigen einen Mikrographen einer oberen Fläche und einen Querschnitt durch einen Abnutzungskratzer, der auf einem Testabschnitt erzeugt wurde, der aus Stahl B hergestellt wurde, der ein Vergleichsbeispiel ist.
  • Beispiele
  • Ein Stahl mit der chemischen Zusammensetzung: (Gewichtsprozent) 0,84C-0,24Si-0,51Mn-2,92Cr-0,28Mo wurde in der vorliegenden Arbeit verwendet (Stahl A). Eine chemische Analyse einer Probe, die aus dem Stahl A erzeugt wurde, offenbarte das Vorhandensein von weiteren Elementen: (Gewichtsprozent) 0,003P-0,001S-0,01Ni-0,018Cu-0,029A1-0,004As-0,001 Sn sowie Spuren von Ti, Pb, Ca, Sb und O. Der Rest ist aus Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen hergestellt. Stahl A ist geeignet zur Verwendung in der Herstellung von großformatigen Lagerringen und hat eine hohe Härtbarkeit. Der erwartete ideale kritische Durchmesser für die Zusammensetzung ist 160,3 mm (siehe C. F. Jatczak: Hardenability in high carbon steels. Metallurgical Transactions Volume 4: 2267–2277, 1973).
  • Als eine Referenz wurde ein bekannter Stahl mit einem äquivalenten Level an Härtbarkeit verwendet, der die folgende Zusammensetzung hat: (Gewichtsprozent) 0,96C-0,52Si-0,93Mn-1,86Cr-0,57Mo (Stahl B). Eine chemische Analyse einer Probe, die aus dem Stahl B hergestellt wurde, offenbarte das Vorhandensein von weiteren Elementen: (Gewichtsprozent) 0,003P-0,0015-0,01Ni-0,017Cu-0,029A1-0,003As-0,002Sn sowie Spuren von Ti, Pb, Ca, Sb und O. Der Rest ist aus Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen hergestellt. Der erwartete ideale kritische Durchmesser für die Zusammensetzung ist 163,9 mm.
  • Stahl A und Stahl B wurden in einer identischen Weise vorbereitet. Jede Zusammensetzung wurde Vakuum-Induktions-geschmolzen und in Barren von jeweils 100 kg gegossen, die eine Dicke von ungefähr 80 mm haben. Die Barren wurden homogenisiert und dann geglüht, um das Material aufzuweichen, wonach Blöcke von den Barren aus Stahl A und Stahl B geteilt wurden. Die Blöcke wurden dann warmgewalzt, um Platten mit einer Dicke von ungefähr 20 mm zu erzeugen. Die Platten wurden in einer identischen Weise wärmebehandelt, unter Verwendung von herkömmlichen Prozessen, wie sie oben beschrieben wurden, welche die Schritte aufweisen:
    • • Normalglühen
    • • GKZ-Glühen
    • • martensitisches Härten
    • • Anlassen.
  • Testabschnitte jedes Stahls wurden aus den Platten weichbearbeitet, nach dem Schritt des GKZ-Glühens. Nach dem Härten und Anlassen wurden die Testabschnitte geschliffen und poliert und die Härte wurde gemessen. Die gemessene Härte für den Stahl A war 61,3 HRC; die gemessene Härte für den Stahl B war 62,4 HRC.
  • Die Testabschnitte wurden einem Fretting-Abnutzungstest unterworfen, in dem eine gehärtete Stahlkugel mit einem Durchmesser von 12,7 mm gegen die Testabschnittfläche gedrückt wurde, ohne Schmierung, während des Schwingens mit tangentialen Mikroverschiebungen von 30 μm. Der maximale Kontaktdruck zwischen der Kugel und der Testabschnittfläche (gegeben durch die Hertzsche Verteilung) wurde bei zwei GPa festgesetzt. Der Test wurde für 15 × 103 Zyklen bei einer Schwingungsfrequenz von 20 Hz und unter Umgebungsbedingungen, ohne absichtliches Erwärmen oder Abkühlen, durchgeführt.
  • Aufgrund der leicht niedrigeren Harte des Stahls A erlebten die Abschnitte, die aus diesem Material hergestellt wurden, eine leicht höhere tangentiale Reibungskraft von 110 N während des Fretting-Abnutzungstests verglichen mit den 100 6N, die durch die Abschnitte erlebt wurden, die aus dem Stahl B hergestellt wurden.
  • Nach dem Test wurden die resultierenden Abnutzungskratzer leicht poliert und säuregeätzt unter Verwendung einer 1,5% Nitallösung, um weiß anätzende Bereiche aufzuzeigen. Ein Mikrograph des Abnutzungskratzers, der auf der oberen Fläche der Abschnitte von Stahl A und Stahl B erzeugt wurde, ist jeweils in 1A und 2a gezeigt. Die Richtung der Fretting-Bewegung ist durch die Pfeile in jeder Figur angegeben. Des Weiteren wurde jeder Abschnitt entlang des Abnutzungskratzers in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Fretting-Bewegung geteilt. Ein Mikrograph der geteilten Abschnitte von Stahl A und Stahl B ist jeweils in 1a und 2b gezeigt.
  • Der Fretting-Test simuliert eine Wälzkontaktermüdung (RCF), die eine der Ausfallarten in Lager ist. Häufig wird diese Ausfallart durch die Bildung von weiß anätzendem Material in beschädigten Zonen begleitet, getrieben durch mikrostrukturelle Veränderungen oder einen Verfall des Stahls. Der RCF-Schaden wird üblicherweise mit dem Beginn von Flächen- oder Unterflächenrissen verbunden, die sich in Ermüdung fortsetzen und schließlich zu einem Abblättern des Materials von der Lauffläche führen. Weiß anätzende Bereiche werden im Allgemeinen entlang von Unterflächenermüdungsrissen lokalisiert.
  • Wenn man auf 1a und 2a schaut, kann gesehen werden, dass der Abnutzungskratzer auf beiden Testabschnitten eine Rissbildung und weiß anätzendes Material aufweist. Jedoch ist das weiß anätzende Material auf dem Abschnitt, der aus Stahl A hergestellt wurde, nur oberflächlich. Wie aus der Schnittansicht, die in 1b gezeigt ist, gesehen werden kann, ist in der Unterfläche des Abnutzungskratzer kein weiß anätzendes Material vorhanden.
  • Dies ist in Gegensatz zu dem Abnutzungskratzer, der auf dem Testabschnitt erzeugt wurde, der aus dem Stahl B hergestellt wurde. Wie aus 2b gesehen werden kann, ist weiß anätzendes Material in der Unterfläche vorhanden. Des Weiteren ist Materialverlust aufgetreten, möglicherweise aufgrund von Abblättern. Der Abnutzungskratzer auf dem Testabschnitt, der aus dem Stahl A hergestellt wurde, zeigt kaum Materialverlust.
  • Es kann daher geschlossen werden, dass der Stahl in Übereinstimmung mit der Erfindung eine verbesserte Ermüdungswiderstandsfähigkeit hat und weniger anfällig auf weiß anätzenden Schaden ist.
  • Die vorhergehende detaillierte Beschreibung wurde als Erklärung und Veranschaulichung bereitgestellt, und ist nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der angehängten Ansprüche zu beschränken. Viele Variationen in den vorliegend bevorzugten Ausführungsformen, die hierin veranschaulicht sind, werden für den Fachmann offensichtlich sein, und bleiben innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche und deren Äquivalenten.
  • 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
    • C. F. Jatczak: Hardenability in high carbon steels. Metallurgical Transactions Volume 4: 2267–2277, 1973 [0048]

Claims (15)

  1. Stahllegierung für ein Lager, wobei die Legierung eine Zusammensetzung hat, welche aufweist: 0,8 bis 1,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent Silizium, 0,2 bis 0,9 Gewichtsprozent Mangan, 2,0 bis 3,3 Gewichtsprozent Chrom, 0 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium, 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Niob, 0 bis 0,5 Gewichtsprozent Wolfram, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Nickel, 0 bis 0,4 Gewichtsprozent Kupfer, 0 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium, 0 bis 150 ppm Stickstoff, und den Rest Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen.
  2. Stahllegierung gemäß Anspruch 1, welche 0,8 bis 0,9 Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweist.
  3. Stahllegierung gemäß Anspruch 1 oder 2, welche 0,1 bis 0,45 Gewichtsprozent Silizium, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Silizium, aufweist.
  4. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 0,35 bis 0,8 Gewichtsprozent Mangan, vorzugsweise 0,4 bis 0,6 Gewichtsprozent Mangan, aufweist.
  5. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 2,35 bis 3,3 Gewichtsprozent Chrom, vorzugsweise 2,5 bis 3,1 Gewichtsprozent Chrom, aufweist.
  6. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän, vorzugsweise 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent Molybdän, aufweist.
  7. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche nicht mehr als 0,1 Gewichtsprozent Molybdän aufweist.
  8. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ein oder mehrere aufweist von: 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt, 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium, 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium, 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium, 0,03 bis 0,1 Gewichtsprozent Niob, und/oder 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent Wolfram.
  9. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Nickel, vorzugsweise 0,05 bis 0,1 Gewichtsprozent Nickel, aufweist.
  10. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 0,05 bis 0,4 Gewichtsprozent Kupfer, vorzugsweise 0,25 bis 0,35 Gewichtsprozent Kupfer, aufweist.
  11. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche 0,005 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium, vorzugsweise 0,01 bis 0,03 Gewichtsprozent Aluminium, aufweist.
  12. Stahllegierung gemäß Anspruch 1, welche aufweist: 0,85 bis 0,95 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,15 bis 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Mangan, 2,5 bis 2,9 Gewichtsprozent Chrom, 0,3 bis 0,4 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 bis 0,35 Gewichtsprozent Kupfer, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Kobalt, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Iridium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Rhenium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Vanadium, 0 bis 0,2 Gewichtsprozent Wolfram, 0 bis 0,1 Gewichtsprozent Nickel, 0 bis 0,05 Gewichtsprozent Aluminium, 0 bis 150 ppm Stickstoff, und den Rest Eisen zusammen mit irgendwelchen unvermeidbaren Verunreinigungen.
  13. Stahllegierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Mikrostruktur hat, die (i) Martensit und/oder bainitisches Ferrit, (ii) Karbide und/oder Karbonitride und (iii) optional Restaustenit aufweist.
  14. Lagerbauteil, das aus der Stahllegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt ist, welches eines von einem Wälzkörper, einem inneren Ring oder einem äußeren Ring für ein Lager ist.
  15. Lager, welches ein Lagerbauteil gemäß Anspruch 14 aufweist.
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