DE102011079955A1 - Steel, component and method of making steel - Google Patents

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Abstract

Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel weist Tantal mit einem Anteil zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil auf, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt. Ein Bauteil (110; 120) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist diesen Stahl wenigstens in einem Abschnitt auf, wobei sich der Abschnitt von einer Oberfläche (160; 170) des Bauteils (110; 120) in ein Inneres des Bauteils (110; 120) erstreckt, und wobei das Bauteil (110; 120) in dem Abschnitt eine Randhärtung (200; 210) aufweist. Hierdurch kann gegebenenfalls eine verbesserte und/oder leichtere Randhärtung erzielt werden.Steel according to one embodiment has tantalum at a level of between 0.01 and 2 percent by weight and a carbon content that is at least 0.25 percent by weight and at most 1.55 percent by weight. A component (110; 120) according to an embodiment of the present invention comprises said steel in at least a portion, said portion being adapted to move from a surface (160; 170) of said component (110; 120) into an interior of said component (110; ), and wherein the member (110; 120) has edge hardening (200; 210) in the portion. As a result, an improved and / or lighter edge hardening can optionally be achieved.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen Stahl, ein Bauteil, das den Stahl aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen des Stahls. Embodiments of the present invention relate to steel, a structural member having the steel, and a method of manufacturing the steel.

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

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

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

Um dem 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. To counteract this, preference is given to using steels which have a large number of grain boundaries, ie have small crystals in the microstructure, since in this way the mechanical stresses and segregation with weakening elements (eg phosphorus, sulfur) or even compounds (For example, carbides) are distributed over a larger number and thus area of grain boundaries and decreases the stress of the individual grain boundaries.

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

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

Bisher wurden hierzu Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 1,1 Gewichtsprozent (Gew.-%) und einer hinreichenden Randschichthärtbarkeit verwendet, die durch die Legierungszusammensetzung beeinflusst wird. Ferner wird versucht, den Härtungsprozess so zu führen, dass ein übermäßiges Kornwachstum vermieden wird.Heretofore, steels having a carbon content of at most 1.1% by weight (wt%) and a sufficient surface hardenability, which is influenced by the alloy composition, have been used. Furthermore, an attempt is made to guide the curing process so that excessive grain growth is avoided.

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

Diese Aufgabe wird durch einen Stahl gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zum Herstellen von Stahl gemäß Anspruch 8 gelöst.This object is achieved by a steel according to claim 1 or a method for producing steel according to claim 8.

Ein Ausführungsbeispiel eines Stahls weist Tantal mit einem Anteil zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil auf, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.An exemplary embodiment of a steel comprises tantalum in a proportion of between 0.01 and 2 percent by weight and a carbon content of at least 0.25 percent by weight and at most 1.55 percent by weight.

Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen von Stahl umfasst ein Bereitstellen einer Basislegierung des Stahls und ein Legieren der Basislegierung mit Tantal, sodass der Stahl Tantal mit einem Anteil zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent ist und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt. One embodiment of a method of making steel includes providing a base alloy of the steel and alloying the base alloy with tantalum such that the steel has tantalum at a level of between 0.01 and 2 percent by weight and a carbon content that is at least 0.25 percent by weight; at most 1.55 weight percent.

Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte Härtbarkeit und/oder eine verbesserte Kornstabilität und/oder statische Festigkeit dadurch erzielbar ist, dass einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent Tantal als (Mikro-)Legierungselement hinzugefügt wird. Hierbei haben Untersuchungen gezeigt, dass bereits sehr geringe Tantalanteile von etwa 0,01 Gewichtsprozent zu einer verbesserten Härtbarkeit bzw. zu einer verbesserten Kornstabilität führen. Mit wachsendem Tantalanteil wird im Bereich zwischen 0,01 bis einschließlich 2,0 Gewichtsprozent eine entsprechende Verbesserung der vorgenannten Eigenschaften gegenüber unlegiertem Stahl erzielt. Die Beimischung von Tantal ermöglicht hierbei eine Erhöhung der Austenitisierungstemperatur beim Randhärten. Hierdurch können die zugänglichen Prozesstemperaturen auf über 1000 °C, beispielsweise auf bis zu 1150 °C, erhöht werden, während konventionelle Stähle deutlich niedrigere Temperaturen erfordern. Embodiments of the invention are based on the finding that an improved hardenability and / or improved grain stability and / or static strength can be achieved by using tantalum as a (carbon) steel having a carbon content of at least 0.25% by weight and at most 1.55% by weight. ) Alloying element is added. Here, investigations have shown that even very low tantalum levels of about 0.01 percent by weight lead to improved hardenability or to improved grain stability. With increasing proportion of tantalum, a corresponding improvement of the abovementioned properties compared to unalloyed steel is achieved in the range between 0.01 and 2.0 per cent by weight. The addition of tantalum makes it possible to increase the austenitizing temperature during edge hardening. As a result, the accessible process temperatures can be increased to over 1000 ° C, for example, up to 1150 ° C, while conventional steels require significantly lower temperatures.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zu schaffen, welches wenigstens in einem Abschnitt eine verbesserte Ermüdungsresistenz aufweist. Embodiments of the present invention further have for its object to provide a component which has improved fatigue resistance in at least one section.

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

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

Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann sich diese beispielsweise wenigstens 5 mm in das Innere des Bauteils erstrecken, während bei anderen Ausführungsbeispielen auch geringere oder größere Randhärtungstiefen realisierbar sind.For example, in some embodiments of the present invention, it may extend at least 5 mm into the interior of the component, while in other embodiments, lower or greater edge cure depths may be realized.

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

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

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

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert.Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Kegelrollenlager mit Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; 1 shows a cross section through a tapered roller bearing with components according to embodiments of the present invention;

2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung während der Randhärtung; und 2 shows a schematic cross-sectional view through a component according to an embodiment of the present invention during the edge hardening; and

3 illustriert einen Verlauf einer Härte durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Funktion eines Abstands von der Oberfläche des Bauteils. 3 Figure 12 illustrates a graph of hardness through a component according to an embodiment of the present invention as a function of a distance from the surface of the component.

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

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

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

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

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

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

Allerdings sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf solche Bauteile mit einer Randhärtungstiefe von wenigstens 5 mm beschränkt. Es können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ebenso Bauteile mit geringeren oder größeren Randhärtungstiefen realisiert werden, also beispielsweise von wenigstens 100 µm, wenigstens 1 mm oder von wenigstens einer der weiteren, hier im Rahmen der vorliegenden Beschreibung genannten möglichen Randhärtungstiefen. Wird bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Kohlenstoffanteil des Stahls auf Werte von wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,1 Gewichtsprozent oder sogar höchstens 0,6 Gewichtsprozent reduziert, kann dies gegebenenfalls zu einer weiter verbesserten Randhärtbarkeit führen, die größere Randhärtungstiefen erlaubt und die Gefahr des Aufschmelzens des Gefüges verringert. However, embodiments of the present invention are not limited to such components having an edge hardening depth of at least 5 mm. It is also possible, according to embodiments of the present invention, to realize components with lower or greater edge hardening depths, for example of at least 100 μm, at least 1 mm or at least one of the further possible edge hardening depths mentioned here within the scope of the present description. Reducing the carbon content of the steel to values of at least 0.25 weight percent and at most 1.1 weight percent, or even at most 0.6 weight percent, in embodiments of the present invention may eventually result in further improved edge hardenability allowing greater edge cure depths and risk the melting of the microstructure is reduced.

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

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

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

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

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

Häufig ist bei Stählen mit Niobanteil (Nb) der Gewichtsanteil des Tantals (Ta) wenigstens das 1-fache, wenigstens das 5-fache, wenigstens das 10-fache, wenigstens das 20-fache, wenigstens das 50-fache oder wenigstens das 100-fache des Gewichtsanteils von Niob (Nb). In diesen Verhältnissen der Massen von Niob (Nb) und Tantal (Ta) kommt zum Ausdruck, dass Niob sehr häufig als Kontamination bzw. zusätzliches Element von Tantal auftritt. Gerade im Hinblick auf die verbesserte Härtbarkeit und die damit möglichen positiven Auswirkungen auf den Stahl und die diesen umfassende Bauteile deuten Untersuchungen darauf hin, dass Tantal (Ta) zu einer besseren Härtbarkeit des Stahls als Niob führt. 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 stark an der Grenze der technischen Separationsmöglichkeit der beiden Elemente angesiedelt sind. Aufgrund der scheinbar nicht stark nachteiligen Wirkung des Niobs (Nb) kann es daher aus ökonomischen und beschaffungstechnischen Gründen, sowie aus Gründen der eigentlichen Stahlherstellung geeigneter sein, einen gewissen Niobanteil zu tolerieren, um den Prozess der Stahlherstellung zu vereinfachen und/oder technisch stabiler zu halten.In the case of steels with niobium content (Nb), the proportion by weight of tantalum (Ta) is frequently at least 1-fold, at least 5-fold, at least 10-fold, at least 20-fold, at least 50-fold or at least 100 times. times the weight fraction of niobium (Nb). In these proportions of the niobium (Nb) and tantalum (Ta) masses, it is found that niobium very often occurs as a tantalum contaminant. Especially with regard to the improved hardenability and the resulting positive effects on the steel and its components, studies suggest that tantalum (Ta) leads to better hardenability of the steel than niobium. Although niobium does not appear to have any seriously negative effects, the studies indicate that tantalum niobium could lead to better hardenability. In this context, the possibility is discussed whether this could possibly be due to the formation of tantalum carbide (TaC) in the microstructure. Thus, there is an initial desire to limit the niobium content in comparison to the tantalum content. In the case of particularly high-quality applications, therefore, a proportion of tantalum of at least 120 times, at least 150 times or at least 200 times the niobium content may also correspond, these ratios already being very close to the limit of the technical separation possibility of the two elements. Due to the apparently not very detrimental effect of niobium (Nb), it may therefore be more suitable for economic and procurement reasons, and for reasons of actual steel production, to tolerate a certain niobium content in order to simplify the process of steel production and / or to keep it technically more stable ,

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

Im Hinblick auf weitere Elemente umfasst ein Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung häufig außer Eisen (Fe) keine weiteren Legierungselemente (d. h. Kohlenstoff ausgenommen) mit einem jeweiligen Anteil von mehr als 0,2 Gew.-%, wobei ein Gesamtanteil der weiteren Elemente insgesamt 10 Gew.-% nicht übersteigt. Bei reineren Ausführungen von Stählen können diese Grenzen auch bei 0,1 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% liegen.With regard to further elements, a steel according to an embodiment of the present invention often comprises no other alloying elements (ie excluding carbon) other than iron (Fe) in a respective proportion of more than 0.2 wt.%, Wherein a total proportion of the further elements as a whole 10 wt .-% does not exceed. In purer versions of steels, these limits may also be 0.1 wt .-% and 5 wt .-%.

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

Ein Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel kann als Wälzlagerstahl ausgeführt sein, wie er beispielsweise in der ISO 683-17:1999 definiert ist. Ein solcher induktionshärtbarer Stahl auf Basis einer 43CrMo4-Basislegierung gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise eine oder mehrere Härtewerte erreichen, wie sie in nachfolgend wiedergegebenen Tabelle 1 aufgeführt sind. Tabelle 1 stellt hierbei einen für eine typische Stahllegierung minimalen HRC-Wert (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 A steel according to an embodiment may be designed as bearing steel, as it is for example in the ISO 683-17: 1999 is defined. Such an induction hardenable steel based on a 43CrMo4-base alloy according to one embodiment can achieve, for example, one or more hardness values, as listed in Table 1 reproduced below. Table 1 shows a HRC value (HRC min ) which is minimal for a typical steel alloy and a maximum HRC value (HRC max ) as a function of a distance d from a quenched face in mm for a typical steel alloy. The hardenability can be measured here by Jominy forehead quenching tests at different end face distances. Table 1: d [mm] HRC max HRC min 1.5 61 53 3 61 53 5 61 52 7 60 51 9 60 49 11 59 43 13 59 40 15 58 37 20 56 34 25 53 32 30 51 31 35 48 30 40 47 30 45 46 29 50 45 29

Die Härtewerte sind hierbei nach Rockwell gemäß der HRC-Skala angegeben werden. Je nach genauer Legierungszusammensetzung können auch hiervon abweichende HRC-Werte erzielbar sein. So können gegebenenfalls auf Basis der genannten Basislegierung 43CrMo4 auch HRC-Werte erzielbar sein, die 2 oder 3 HRC-Werte über oder unter den genannten minimalen und/oder maximalen HRC-Werten HRCmax bzw. HRCmin liegen.The hardness values are given here according to Rockwell according to the HRC scale. Depending on the exact alloy composition, deviating HRC values may also be achievable. Thus, based on the abovementioned base alloy 43CrMo4, it is also possible to obtain HRC values which are 2 or 3 HRC values above or below the minimum and / or maximum HRC values HRC max and HRC min, respectively.

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

So kann bei einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel – beispielsweise auf Basis einer 50CrMo4-Basislegierung – ein oder mehrere Härtewerte gemäß der folgenden, in Tabelle 2 angegebenen minimalen und maximalen HRC-Werte 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 Thus, in a steel according to an embodiment -, for example, based on a 50CrMo4-based alloy - one or more hardness values according to the following, shown in Table 2 minimum and maximum HRC values HRC min or HRC max as a function of the distance d from the quenched end face be achievable in mm. Table 2: d [mm] HRC max HRC min 1.5 65 60 3 65 60 5 64 59 7 64 58 9 63 57 11 63 56 13 63 55 15 62 53 20 61 50 25 60 47 30 58 45 35 57 44 40 55 43 45 54 42 50 54 42

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Über die Frequenz kann aufgrund des Skin-Effekts eine Eindringtiefe des Wechselfeldes und damit eine Dicke des zu erzeugenden Randhärtungsbereichs bestimmt werden. Hierdurch kann somit eine Wärmemenge in das Werkstück (Außenring 110) unter seine Oberfläche (Lauffläche 170) eingebracht werden, durch die es zu dem thermisch induzierten Härten des Stahls kommt. Aufgrund der Wärmeeinwirkung kommt es dann in dem Randhärtungsbereich 170 zu einer Gefügeneubildung, wobei jedoch aufgrund der Verwendung des Stahls gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Grobkornbildung im Austenit mit beim Abschrecken entstehenden großen Martensitnadeln bzw. -latten und entsprechenden ehemaligen Austenitkorngrenzen im Wesentlichen unterbunden, zumindest jedoch reduziert werden kann, sodass die zuvor genannten Dicken der Randhärtungsbereiche zumindest ohne übermäßige Werkstoffschädigung (z. B. Grobkorn mit Korngrenzensegregation) erzielbar sind.Due to the skin effect, a penetration depth of the alternating field and thus a thickness of the edge hardening area to be generated can be determined via the frequency. As a result, an amount of heat in the workpiece (outer ring 110 ) under its surface (tread 170 ), which causes the thermally induced hardening of the steel. Due to the effect of heat, it then comes in the edge hardening area 170 However, due to the use of the steel according to embodiments of the present invention, coarse-grained austenite with quenching-resultant large martensite needles and corresponding former austenite grain boundaries may be substantially inhibited, but at least reduced, such that the aforementioned thicknesses of the Edge hardening areas at least without excessive material damage (eg coarse grain with grain boundary segregation) can be achieved.

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

Stähle gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind so induktiv härtbar und können durch eine solche Härtung zumindest im Randbereich hochfest ausgeführt werden. Sie eignen sich daher als Stähle für Wälzlager und für andere Anwendungsgebiete, bei denen die aus ihnen gefertigten Bauteile starken dynamischen und/oder statischen Belastungen unterworfen werden. Bei Wälzlagern handelt es sich hierbei typischerweise um eine zyklische und/oder statische Druckbeanspruchung, wobei die verbesserte Härtbarkeit und Kornstabilität dem Verschleiß, der Ermüdung und dem spontanen Versagen entgegenwirken. Das Fehlen kritischer Zugspannungen und der hohe hydrostatische Druck im Hertzschen Kontakt lassen den gehärteten Stahl mikroplastisch fließen und führen zu einer etwa gegenüber einer vergleichbaren zyklischen Zug-Druck- oder Umlaufbiegebeanspruchung um Größenordnungen höheren Lebensdauer bei Wälzermüdung durch Überrollung.Steels according to the embodiments of the present invention are so inductively curable and can be made high strength by such a cure at least in the edge region. They are therefore suitable as steels for rolling bearings and for other applications in which the manufactured from them Components are subjected to strong dynamic and / or static loads. Rolling bearings are typically cyclic and / or static compressive, with improved hardenability and grain stability counteracting wear, fatigue and spontaneous failure. The lack of critical tensile stresses and the high hydrostatic pressure in Hertzian contact cause the hardened steel to flow in a microplastic manner and lead to an order of magnitude greater rolling fatigue life due to rolling over orders of magnitude than a comparable cyclic tensile, compressive or circumferential bending stress.

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

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

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

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

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

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

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

Insgesamt wird so der Werkstoff durch Mikrolegieren toleranter gegen Überhitzung beim Induktionshärten. Dadurch wird das verfügbare Prozessfenster erweitert und das Verfahren bezüglich Abweichungen unempfindlicher. Overall, the material becomes more tolerant to overheating during induction hardening due to microalloying. This expands the available process window and makes the process less susceptible to deviations.

Als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für Bauteile sind bisher der in 1 auch gezeigte Innenring 110 und der Außenring 120 eines einreihigen Kegelrollenlagers beschrieben worden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind hierauf jedoch bei Weitem nicht beschränkt. Neben mehrreihigen (z. B. zweireihigen) Wälzlagerringen, Wälzkörpern (u. a. ein Zylinderrolle, Kugel und Kegelrolle) und anderen induktiv zu härtenden Wälzlagerkomponenten zählen zu den Ausführungsbeispielen ebenfalls andere Bauformen von Wälzlagern, also etwa Zylinderrollenlager, Tonnenlager, Kugellager, Vierpunktlager und Nadellager ebenso, wie Gleitlager, Zwischenringe und andere Bau- und Maschinenteile der rotativen und linearen Lagertechnik. Auch Bauteile anderer Disziplinen des Fahrzeug- und Maschinenbaus können als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden. Hierzu zählen grundsätzlich alle Bauteile, die wenigstens einen Bereich aufweisen, der einer erhöhten Belastung unterworfen ist, sodass es sinnvoll ist, dort eine entsprechende Randhärtung ausgehend vom Rand des betreffenden Bauteils vorzunehmen.As embodiments of the present invention for components are so far in 1 also shown inner ring 110 and the outer ring 120 a single row tapered roller bearing has been described. However, embodiments of the present invention are by no means limited thereto. In addition to multi-row (eg double-row) roller bearing rings, rolling elements (including a cylindrical roller, ball and tapered roller) and other induction-hardening rolling bearing components, the embodiments also include other types of rolling bearings, such as cylindrical roller bearings, roller bearings, ball bearings, four-point bearings and needle bearings as well, such as plain bearings, intermediate rings and other construction and machine parts of rotary and linear bearing technology. Also components of other disciplines of vehicle and mechanical engineering can be implemented as embodiments of the present invention. In principle, this includes all components which have at least one region which is subjected to an increased load, so that it makes sense to carry out a corresponding edge hardening starting from the edge of the relevant component.

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

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

Ein Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel kann also beispielsweise ein Stahl zur Flamm- oder Induktionshärtung sein. Es kann sich alternativ oder ergänzend hierzu auch um einen Wälzlagerstahl handeln. Bei einem Stahl gemäß einem Ausführungsbeispiel kann dieser außer Eisen und Kohlenstoff sowie den zuvor genannten Legierungsstoffen keine weiteren Elemente mit einem jeweiligen Anteil von mehr als 0,2 Gewichtsprozent aufweisen, wobei ein Gesamtanteil der weiteren Elemente 10 Gewichtsprozent nicht übersteigt. Durch die Implementierung eines Ausführungsbeispiels kann gegebenenfalls eine verbesserte und/oder leichtere Randhärtung erzielbar sein.A steel according to one embodiment may thus be, for example, a steel for flame or induction hardening. It may alternatively or additionally be a rolling bearing steel. In the case of a steel according to an embodiment, this can have no further elements with a respective proportion of more than 0.2 percent by weight, except for iron and carbon and the abovementioned alloying materials, with a total proportion of the further elements not exceeding 10 percent by weight. By implementing an exemplary embodiment, an improved and / or lighter edge hardening may optionally be achievable.

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

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Kegelrollenlager Tapered roller bearings
110110
Außenring outer ring
120120
Innenring inner ring
130130
Symmetrielinie line of symmetry
140140
Wälzkörper rolling elements
150150
Käfig Cage
160160
Lauffläche tread
170170
Lauffläche tread
180180
erste Borde first shelves
190190
zweite Borde second shelves
200200
Randhärtungsbereich Randhärtungsbereich
210210
Randhärtungsbereich Randhärtungsbereich
220220
Induktor inductor
230230
Härteverlauf hardness profile

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • ISO 683-17:1999 [0041] ISO 683-17: 1999 [0041]
  • ASTM-Standard E 112 [0046] ASTM standard E 112 [0046]
  • Standards ASTM E45 [0047] Standards ASTM E45 [0047]
  • ISO 4967 [0047] ISO 4967 [0047]
  • DIN 50602:1985 [0047] DIN 50602: 1985 [0047]
  • DIN 50602:1985 [0048] DIN 50602: 1985 [0048]

Claims (10)

Stahl, der Tantal mit einem Anteil zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.Steel comprising tantalum in a proportion of between 0.01 and 2% by weight and a carbon content of at least 0.25% by weight and at most 1.55% by weight. Stahl nach Anspruch 1, bei dem der Tantalanteil höher als 0,1 Gewichtsprozent oder höher als 0,5 Gewichtsprozent ist, und/oder wobei der Kohlenstoffanteil höchstens 1,1 Gewichtsprozent oder höchstens 0,6 Gewichtsprozent beträgt.The steel of claim 1, wherein the tantalum content is greater than 0.1 weight percent or greater than 0.5 weight percent, and / or wherein the carbon content is at most 1.1 weight percent or at most 0.6 weight percent. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Legierungselement mit einem Gewichtsanteil zwischen 0,1 und 5 Gewichtsprozent aufweist, wobei das Legierungselement Molybdän, Nickel, Silizium, Mangan oder Chrom ist.A steel according to any one of the preceding claims, further comprising an alloying element having a weight fraction of between 0.1 and 5 percent by weight, said alloying element being molybdenum, nickel, silicon, manganese or chromium. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Tantal mit einem Gewichtsanteil aufweist, der größer als der 1-fache Gewichtsanteil von Niob ist.Steel according to one of the preceding claims, having tantalum with a weight fraction which is greater than 1-fold by weight of niobium. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der nichtmetallischen Einschlüsse gemäß ASTM E45 und ISO 4967 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.Steel according to one of the preceding claims, which has non-metallic inclusions according to ASTM E45 and ISO 4967, which corresponds at most to the values defined in Table 3, or which has non-metallic inclusions according to DIN 50602: 1985, which corresponds at most to the values defined in Table 4. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein wenigstens abschnittsweise ein Gefüge mit Körnern mit einer Kennzahl von 5 oder darüber gemäß ASTM aufweist, und/oder eine Härtbarkeit mit wenigstens einem Härtewert bei wenigstens einem Abstandswert von einer Oberfläche aufweist, 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 3 HRC-Stufen unter- oder überschritten werden dürfen.A steel according to any one of the preceding claims, having at least in sections a structure with grains having a coefficient of 5 or more according to ASTM, and / or a hardenability having at least one hardness value at least one distance from a surface, the at least one hardness value in is an interval given by an HRC max value and an HRC min value, the HRC max and HRC min values being lower than the HRC max and HRC min values given in Table 2 by up to 3 HRC levels. or may be exceeded. Stahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich um einen Stahl zur Flamm- oder Induktionshärtung handelt, und/oder wobei der Stahl ein Wälzlagerstahl ist.Steel according to one of the preceding claims, which is a steel for flame or induction hardening, and / or wherein the steel is a bearing steel. Verfahren zum Herstellen von Stahl, umfassend: Bereitstellen einer Basislegierung des Stahls; und Legieren der Basislegierung mit Tantal, sodass der Stahl Tantal mit einem Anteil zwischen 0,01 und 2 Gewichtsprozent und einen Kohlenstoffanteil aufweist, der wenigstens 0,25 Gewichtsprozent und höchstens 1,55 Gewichtsprozent beträgt.A method of producing steel comprising: Providing a base alloy of the steel; and Alloying the base alloy with tantalum, so that the steel has tantalum in a proportion of between 0.01 and 2% by weight and a carbon content of at least 0.25% by weight and at most 1.55% by weight. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Legieren ein Hinzufügen von Tantalkarbid, Tantalborid, Tantalsilizid, Tantaloxid oder Tantal zu der Basislegierung umfasst.The method of claim 8, wherein said alloying comprises adding tantalum boride, tantalum boride, tantalum silicide, tantalum oxide or tantalum to the base alloy. Bauteil (110; 120), das wenigstens in einem Abschnitt Stahl gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei sich der Abschnitt von einer Oberfläche (160; 170) des Bauteils (110; 120) in ein Inneres des Bauteils (110; 120) erstreckt, und wobei das Bauteil (110; 120) in dem Abschnitt eine Randhärtung (200; 210) aufweist.Component ( 110 ; 120 ) comprising at least a portion of steel according to any one of claims 1 to 7, wherein the portion of a surface ( 160 ; 170 ) of the component ( 110 ; 120 ) in an interior of the component ( 110 ; 120 ), and wherein the component ( 110 ; 120 ) in the section an edge hardening ( 200 ; 210 ) having.
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