DE10161721B4 - Wälzlagerkomponenten mit verschleißfester Oberfläche - Google Patents

Abstract

Wärmebehandlungsverfahren für eine Wälzlagerkomponente aus einem Stahl (Tabelle ISO 683-17, durchhärtender Stahl), mit C > 0,9% und 0,35% < Si < 0,8 % und 0,8% < Mn < 1,7% zum Erzielen einer temperaturstabilen, harten Oberfläche mit mindestens 58 HRC, Druckeigenspannungen von mindestens 250 MPa an der Oberfläche und einem Restaustenitgehalt von mehr als 10% im Randbereich, mit den Verfahrensschritten:
– carbonitrieren bei 860°C bis 930°C in einer Atmosphäre mit 0,6 bis 1,3 % Kohlenstoff und bis zu 20% Ammoniak NH₃, bis mindestens 1,1 % als Summe aus Kohlenstoff und Stickstoff an der Oberfläche des Stahles vorliegt,
– einstellen einer Austenitisiertemperatur zwischen 830°C und 860°C,
– abschrecken auf 190°C bis 230°C,
– isotherme Umwandlung zwischen 190°C und 230°C über mehrere Stunden bis im Kern des Bauteils ein Restaustenit von weniger als 5% vorliegt.
– abschließende Abkühlung auf Raumtemperatur.
(Chemische Zusammensetzung in Masse %)

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung eines Stahles für den Einsatz in Wälzlagern.
• Hintergrund der Erfindung
• Liegt bei Wälzlagern im Wälzkontakt eine Mangelschmierung vor, berühren sich die Wälzpartner teilweise metallisch. Dies führt dazu, dass im Wälzkontakt aufgrund der Reibungsverhältnisse die Temperatur steigt und in der Oberfläche der Wälzpartner, aufgrund der vorliegenden Tangentialspannungen im Wälzkontakt, sich Mikrorisse bilden können. Um diese Probleme zu lösen, werden auch an Lagerstellen mit Mangelschmierung Einsatzstähle eingesetzt. Die Druckeigenspannungen an der Oberfläche dieser einsatzgehärteten Bauteile erschweren die Bildung und verhindern die Ausbreitung der Mikrorisse. Das Problem der Einsatzstähle liegt darin, dass diese Stähle nicht temperaturstabil sind, d. h. bei einer Betriebstemperatur von über 100°C eine langsame Materialumwandlung einsetzt, die zu ungünstigeren Gefügeeigenschaften und dem Abbau der Druckeigenspannungen in der Oberfläche führen, wodurch die Lebensdauer dieser Bauteile reduziert wird. Ein weiteres Problem des Einsatzstahles gegenüber dem durchhärtenden Wälzlagerstahl besteht darin, dass der Stahl höhere Anschaffungskosten hat, und bei der Wärmebehandlung ein großer Zeitanteil für das Aufkohlen dieses Stahles benötigt wird.
• Aus der DE 44 19 035 A1 ist ein Wärmebehandlungsverfahren für Wälzlager mit längerer Wälzlebensdauer bekannt, bei dem ein Wälzlager aus einer Stahllegierung mit den Massenanteilen 0,1–1,2 % C und bis 1 % Si zum Erzielen einer harten Oberfläche von mindestens 60 HRC und einem Volumenanteil von 25 bis 40 % Restaustenit im Randbereich bei Temperaturen von über 900° C in einer Atmosphäre, die 0,3 bis 0,7 % angereichertes Gas und 3 bis 10 % Ammoniakgas enthält, karbonitriert wird bis mindestens 0,9 Kohlenstoff und mindestens 0,05 % Stickstoff (Massenanteile) an der Oberfläche des Stahls vorliegen, bei einer Temperatur oberhalb des A₁-Umwandlungspunktes (723° C) austenitisiert wird, auf eine sekundäre Abschreckungstemperatur, durch deren Auswahl ein geeigneter niedriger Wert an Restaustenit im Kern eingestellt wird, abgeschreckt wird und angelassen wird.
• Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren für einen Wälzlagerstahl mit einer harten, zähen Randschicht mit Druckeigenspannungen aufzuzeigen, das dauerhafte Temperaturstabilität mit höherer Wirtschaftlichkeit koppelt.
• Beschreibung der Erfindung
• Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches erreicht.
• Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, dass ein kostenmäßig günstiger durchhärtender Wälzlagerstahl (Tabelle ISO 683-17, durchhärtender Stahl), mit C > 0,9% und 0,35% < Si < 0,8 % und 0,8% < Mn < 1,7% (Chemische Zusammensetzung in Masse %) eingesetzt wird. Dieser durchhärtende Stahl wird zusätzlich noch carbonitriert. Die Temperatur beim Carbonitrieren beträgt 860°C bis 930°C und in einer Atmosphäre enthält 0,6 bis 1,3 % Kohlenstoff und bis zu 20% Ammoniak NH₃. Der Stahl wir so lange carbonitriert, bis mindestens 1,1 % als Summe aus Kohlenstoff und Stickstoff an der Oberfläche des Stahles vorliegt,
• Da es sich bei dem Wälzlagerstahl um einen durchhärtenden Stahl handelt, müssen die Elemente beim Carbonitrieren nicht so tief in den Wälzlagerstahl diffundieren wie bei Einsatzstahl, was die Carbonitrierzeiten deutlich verringert. Die gesamte Druckellipse im Wälzkontakt muß beim durchhärtenden Stahl nicht in der carbonitrierten Randzone liegen, wie beim Einsatzstahl.
• Durch die genannte Kombination der Elemente (C > 0,9%; 0,35% < Si < 0,8%; 0,8% < Mn < 1,7%), verbunden mit dem Carbonitrieren der Randschicht, läuft die Gefügeumwandlung bei dem Abkühlen (bzw. Abschrecken) auf im Mittel 210°C mit einem isothermen Halten auf dieser Temperatur im Kern und in der Randschicht unterschiedlich ab. Im Kern liegt dann unter 5 % Restaustenit vor und in der Randschicht mehr als 10%. Der hohe Anteil des Restaustenits in der Randschicht erhöht dort die Zähigkeit. Die dauerhafte Temperaturstabilität dieser Teile liegt bei einer Betriebstemperatur von 160°C und die dauerhaften Druckeigenspannungen im Randbereich liegen bei mehr als 250 MPa. Diese Oberfläche weist dann eine hohe Verschleißfestigkeit auf, ist gut bei Mangelschmierung einsetzbar und verhält sich gutmütig bei Verschmutzungen im Wälzlager.

Claims (1)

1. Wärmebehandlungsverfahren für eine Wälzlagerkomponente aus einem Stahl (Tabelle ISO 683-17, durchhärtender Stahl), mit C > 0,9% und 0,35% < Si < 0,8 % und 0,8% < Mn < 1,7% zum Erzielen einer temperaturstabilen, harten Oberfläche mit mindestens 58 HRC, Druckeigenspannungen von mindestens 250 MPa an der Oberfläche und einem Restaustenitgehalt von mehr als 10% im Randbereich, mit den Verfahrensschritten: – carbonitrieren bei 860°C bis 930°C in einer Atmosphäre mit 0,6 bis 1,3 % Kohlenstoff und bis zu 20% Ammoniak NH₃, bis mindestens 1,1 % als Summe aus Kohlenstoff und Stickstoff an der Oberfläche des Stahles vorliegt, – einstellen einer Austenitisiertemperatur zwischen 830°C und 860°C, – abschrecken auf 190°C bis 230°C, – isotherme Umwandlung zwischen 190°C und 230°C über mehrere Stunden bis im Kern des Bauteils ein Restaustenit von weniger als 5% vorliegt. – abschließende Abkühlung auf Raumtemperatur. (Chemische Zusammensetzung in Masse %)