DE102012212426B3

DE102012212426B3 - Wälzlagerelement, insbesondere Wälzlagerring

Info

Publication number: DE102012212426B3
Application number: DE102012212426A
Authority: DE
Inventors: Christian Schulte-Nölle
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: KR20150036049A; US20150184695A1; EP2872787A1; CA2870114A1; CN104662312B; CN104662312A; WO2014012748A1

Abstract

Wälzlagerelement (2), insbesondere Wälzlagerring (3, 4), welches Wälzlagerelement (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet ist, wobei es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements (2) gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlagerelement, insbesondere einen Wälzlagerring, welches Wälzlagerelement aus einem austenitischen Stahl gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager bzw. Wälzlagerelemente, wie insbesondere Wälzlagerringe, Wälzkörper, Wälzkörper aufnehmende Wälzkörperkäfige etc., werden bekanntermaßen in unterschiedlichen Gebieten der Technik eingesetzt. Dabei werden entsprechende Wälzlagerelemente im Betrieb regelmäßig hohen mechanischen und/oder korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt.
Bekannte Wälzlagerelemente werden beispielsweise aus nichtrostenden, martensitischen Wälzlagerstählen mit darin eingelagerten Karbidphasen gebildet, welche jedoch gegenüber korrosiven Medien keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Wälzlagerelemente aus höher legierten Stählen zeigen gegenüber korrosiven Medien eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, allerdings weisen diese im Vergleich in der Regel schlechtere mechanische Eigenschaften, insbesondere betreffend die Verschleißfestigkeit, auf, was auf deren homogene austenitische oder bei so genannten Duplexstählen ferritisch-austenitische Gefügestruktur zurückzuführen ist.
Sonach ist das Eigenschaftsprofil bekannter Wälzlagerelemente im Hinblick auf deren mechanische Eigenschaften, wie insbesondere Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit, als auch auf deren Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Umgebungen häufig nicht zufriedenstellend.
DE 25 18 452 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer gegenüber Chloridionen beständigen austenitischen Eisenlegierung mit einem Erzeugnis aus einem austenitischen Stahl mit Massenanteilen von 10 bis 30% Chrom, 21 bis 45% Mangan, 1 bis 5% Molybdän, 0,85 bis ca. 3% Stickstoff, bis zu ca. 1% Kohlenstoff und Rest Eisen bis auf unvermeidliche Verunreinigungen, wobei die Oberfläche mit Stickstoff angereicht wird, wozu eine Stickstoffglühung des Erzeugnisses bei Temperaturen von mehr als 982°C in einer Stickstoffatmosphäre oder in einer stickstoffhaltigen Flamme bei Temperaturen von mehr als 927°C durchgeführt wird. Für die Massenfertigung von Wälzlagerelementen sind derartig hohe Temperaturen ungünstig.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Wälzlagerelement, das nach einem günstigeren Verfahren hergestellt werden kann, anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Wälzlagerelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements ausgebildete Stickstoff (N) und/oder Kohlenstoff (C) enthaltende Randschicht aufweist, wobei erfindungsgemäß die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht eine Schichtdicke von 1 bis 50 μm aufweist.
Durch die Ausbildung einer Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Randschicht weist das erfindungsgemäße Wälzlagerelement sowohl im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit etc., als auch auf seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Medien, das heißt insbesondere in Chloridhaltigen Medien, wie in Meerwasser oder dergleichen, ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf.
Insbesondere ist das Wälzlagerelement sonach auch für eine so genannte Medienschmierung, bei welcher die Schmierung des das erfindungsgemäße Wälzlagerelement umfassenden Wälzlagers nicht über Schmiermittel wie Schmierfette bzw. Schmieröle, sondern über die jeweilige Systemflüssigkeit des Einsatzorts des Wälzlagers erfolgt, geeignet. Mediengeschmierte Wälzlager werden z. B. eingesetzt, wenn das Wälzlager abdichtende Dichtungen unerwünscht sind und/oder aufgrund von Kontaminationsgefahr auf gängige Schmiermittel verzichtet werden soll. Bisher war insbesondere die Medienschmierung mit wässrigen Lösungen problematisch, als mit wässrigen Lösungen, insbesondere auch unter hochdynamischen Bedingungen, die Bildung eines ausreichend tragfähigen Schmierfilms zwischen den Wälzkörpern und den Wälzlagerlagerringen des Wälzlagers kaum möglich ist.
Sonach kann das Wälzlagerelement aus einem austenitischen Stahl mit einer Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, gebildet sein, wobei erfindungsgemäß die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht eine Schichtdicke von 1 bis 50 μm aufweist.
Das erfindungsgemäße Wälzlagerelement ist aus von Haus aus aus einem korrosionsbeständigen austenitischen Stahl gebildet. Zwei mögliche Stahlvarianten werden im Folgenden beschrieben.
Zwei Beispiele für konkrete Zusammensetzungen des vorgenannten Stahls ergeben sich aus nachfolgender Tabelle. Die Angaben beziehen sich jeweils auf Masseprozent.

Cr Mn Ni Mo C N

18,80 18,90 0,40 0,60 0,49 0,58

18,20 18,90 0,30 0,70 0,35 0,61
Ferner ist jeweils ein Rest an Eisen (Fe) und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei Letztere einen Gesamtgehalt von nicht größer als 2,5 Masseprozent aufweisen, enthalten, so dass sich jeweils insgesamt 100 Masseprozent ergeben.
Alternativ kann das Wälzlagerelement aus einem austenitischen Stahl mit einer Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, gebildet sein, wobei erfindungsgemäß die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht eine Schichtdicke von 1 bis 50 um aufweist.

Vier Beispiele für konkrete Zusammensetzungen des vorgenannten Stahls sind in folgender Tabelle gegeben. Die Angaben beziehen sich jeweils auf Masseprozent.

C	N	S	Si	Cr	Mn	Mo	Cu	Ni	V	C + N	C/N
0,30	0,30	< 0,001	0,30	17,89	19,93	4,10	0,02	0,31	0,07	0,60	1,00
0,35	0,58	< 0,001	0,31	19,79	18,16	2,93	0,03	0,32	0,07	0,93	0,60
0,36	0,45	< 0,001	0,32	19,24	18,56	1,97	1,50	0,33	0,07	0,81	0,80
0,36	0,38	0,003	0,33	19,38	18,73	0,06	2,00	0,33	0,07	0,74	0,95

Ferner ist jeweils ein Rest an Eisen (Fe) sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei Letztere einen Gesamtgehalt von bis zu 2,5 Masseprozent aufweisen, enthalten, so dass sich jeweils insgesamt 100 Masseprozent ergeben.
Die genannten Stähle zeichnen sich, wie erwähnt, einerseits durch eine von Haus auf gute Korrosionsbeständigkeit aus, indes zeigen diese von Haus aus eine vergleichsweise geringe Verschleißfestigkeit. Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist die hohe Löslichkeit der Stähle für Fremdatome. Sonach ist es möglich, dass unter geeigneten Bedingungen Fremdatome, insbesondere Kohlenstoff und/oder Stickstoff, in die Gefügestruktur der Stähle eindiffundieren können. Derart lässt sich die eingangs genannte Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht in den rand- bzw. oberflächennahen Bereichen des Wälzlagerelements bilden.
Die durch die Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die Gefügestruktur gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht führt zu einer Art Mischkristallverfestigung im Bereich der Randschicht, welche insbesondere auf eine Aufweitung der austenitischen Gefügestruktur durch die Einbringung der Kohlenstoff und/oder Stickstoffatome zurückzuführen ist. Derart ist eine hohe Härte der Randschicht gegeben.
Eine Gefügeveränderung des Wälzlagerelements im Bereich der wie beschrieben ausgebildeten Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht ist in der Regel nicht gegeben, da die in die Stähle eindiffundierten Fremdatome Kohlenstoff und/oder Stickstoff dort insbesondere als Interstitionsatome zwischen den eigentlichen Gitterplätzen der Gefügestruktur vorliegen bzw. angeordnet sind. Mithin bleibt die austenitische Gefügestruktur der Stähle auch im Bereich der gebildeten Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht im Wesentlichen erhalten.
Grundsätzlich lässt sich die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht von dem übrigen Gefügematerial des Wälzlagerelements sonach durch entsprechende auf Zwischengitterplätzen angeordnete Kohlenstoffatome und/oder Stickstoffatome abgrenzen. Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht kann auch als der Bereich des Wälzlagerelements verstanden werden, in welchem durch die Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements eine zusätzliche Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff erfolgt ist, wobei die eindiffundierten Kohlenstoffatome und/oder Stickstoffatome bevorzugt auf Zwischengitterplätzen lokalisiert sind.
Der Unterschied zwischen der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht und dem übrigen Gefüge des Wälzlagerelements zeigt sich besonders deutlich im Schliffbild.
Die derart gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht ist zudem weitgehend ausscheidungsfrei. Die Korrosionsbeständigkeit der Stähle verbessernde Legierungselemente wie insbesondere Chrom (Cr), Molybdän (Mo) oder Stickstoff (N) werden durch die zusätzliche Einbringung bzw. Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff nicht oder nur geringfügig in Karbid- oder Nitridverbindungen gebunden. Demnach nimmt die Einbringung von Kohlenstoff und/oder Stickstoff zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht keinen wesentlichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit der Stähle.
Insbesondere kann sogar eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit im Bereich der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht möglich sein, was sich durch die Einbringung von zusätzlichem Stickstoff und/oder der Ausbildung einer stabilen, eine Passivierung gegenüber korrosiven Medien gewährleistenden Passivschicht im Sinne einer zusätzlichen Oberflächenpassivierung des Wälzlagerelements erklären lässt. Entsprechende Versuche zeigten z. B., dass durch die Ausbildung einer Kohlenstoff enthaltenden Randschicht eine merkliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer 3,5%-igen NaCl-Lösung möglich ist. Im Vergleich zu Proben ohne entsprechende Randschicht wurde für Proben mit einer Kohlenstoff enthaltenden Randschicht ein Anstieg des Lochkorrosionspotentials von 500 mV (gegen Ag/AgCl) auf knapp 1 V gemessen.
Unter einem erfindungsgemäßen Wälzlagerelement ist beispielsweise ein Wälzlagerring, ein zwischen entsprechenden Wälzlagerringen wälzender Wälzkörper oder ein Wälzkörperkäfig zur Aufnahme entsprechender Wälzkörper zu verstehen. Bezogen auf als Wälzlagerringe vorliegende Wälzlagerelemente ist die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht sonach wenigstens abschnittsweise, insbesondere komplett, am Außen- und/oder Innenumfang des Wälzlagerrings und sonach insbesondere in dem im Betrieb hoch beanspruchten, die Wälzkörperlaufbahnen umfassenden Bereich des Wälzlagerrings ausgebildet.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht lässt sich im Übrigen von dem übrigen Material des Wälzlagerelements derart abgrenzen, dass diese einen im Vergleich höheren Anteil an Kohlenstoff und/oder Stickstoff aufweist, was sich z. B. anhand von Schliffbildern darstellen lässt.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht ist erfindungsgemäß durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements ausgebildet. Mithin kann in Abhängigkeit der jeweiligen im Rahmen der Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements konkret ausgewählten Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements respektive die jeweils in diesem Zusammenhang verwendeten Prozessparameter wie z. B. Temperatur, Druck, Dauer, Konzentration des Kohlenstoff und/oder Stickstoffgehalts einer gegebenenfalls notwendigen Kohlenstoff und/oder Stickstoffatmosphäre gezielt Einfluss auf die auszubildende bzw. ausgebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht des Wälzlagerelements genommen werden. Insbesondere sind derart die Eindringtiefe der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome sowie die Konzentration der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatome in der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht prozesstechnisch beeinflussbar bzw. kontrollierbar.
Durch die bei der Durchführung der Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die oberflächennahen Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht, erfindungsgemäße Einstellung einer Temperatur unterhalb 500°C, wird es möglich, keine, insbesondere auf das temperaturbedingte Wandern von Versetzungen zurückzuführende, negative Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des das Wälzlagerelement bildenden austenitischen Stahls zu riskieren. Sonach können die mechanischen Eigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit etc. des eingesetzten Stahls im Wesentlichen erhalten bleiben.
Weiterhin ist durch eine vergleichsweise niedrige Prozesstemperatur auch eine negative Beeinflussung der Abmessungen bzw. Maße als auch der Oberflächengüte, das heißt insbesondere der Rauhigkeit des Wälzlagerelements ausgeschlossen oder nur in geringfügigem Ausmaß zu verzeichnen.
Als entsprechende Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements kommt insbesondere eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements in Frage, das heißt die Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht beruht vorteilhaft auf einer thermochemischen Behandlung des Wälzlagerelements.
Durch eine geeignete Prozessauswahl und Prozessführung der wenigstens einen Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht kann diese insbesondere Härten im Bereich von 800–1500 HV (Härte Vickers), insbesondere größer 900 HV, aufweisen. Grundsätzlich sind dabei möglichst hohe Härten der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht anzustreben, da diese einen wesentlichen Einfluss auf die Verschleißfestigkeit des Wälzlagerelements haben. Selbstverständlich kann die Härte der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht in Ausnahmefällen oder abschnittsweise auch unterhalb 800 HV bzw. oberhalb 1500 HV liegen.
Gleichermaßen lässt sich durch eine geeignete Prozessauswahl und Prozessführung der wenigstens einen Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht deren Schichtdicke einstellen. Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht weist erfindungsgemäß eine Schichtdicke von 1 bis 50 μm, bevorzugt von 2,5 bis 40 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μm, aufweisen. Selbstverständlich kann die Schichtdicke der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht in Ausnahmefällen oder abschnittsweise auch unterhalb 2,5 μm bzw. oberhalb 40 μm liegen.
Das erfindungsgemäße Wälzlagerelement lässt sich durch nachfolgend beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements, insbesondere eines Wälzlagerrings, mit einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht herstellen, welches sonach ebenso einen Teil der vorliegenden Erfindung darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines Wälzlagerelements aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist oder
– Bereitstellen eines Wälzlagerelements, aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, und
– Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die thermochemische Behandlung in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, vorzugsweise unterhalb von 450°C oder von 400°C durchgeführt wird.

Zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gelten grundsätzlich obige Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Wälzlagerelement, das heißt insbesondere sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht respektive deren Ausbildung, das heißt der oder den Maßnahmen zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements analog.
Als Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht wird bevorzugt eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements durchgeführt. Hierzu kommen insbesondere folgende Prozesse zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in rand- bzw. oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements in Frage: Kolsterisieren, Plasmaaufkohlen, Plasmanitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrocarburieren. Die Prozesse können gegebenenfalls auch kombiniert bzw. zeitlich nacheinander durchgeführt werden.
Unter Kolsterisieren wird im Allgemeinen eine Eindiffusion von Kohlenstoff in das zu behandelnde Material bei Temperaturen unterhalb 300°C verstanden, wobei der Kohlenstoff in Zwischengitterplätzen des Ausgangsmaterials gelöst wird, was zu Druckspannungen und derart zu einer hohen Härte (größer 1000 HV (Härte Vickers)) führt.
Eine Plasmaaufkohlung dient unter Einsatz eines Plasmas zur Eindiffusion von Kohlenstoff in rand- bzw. oberflächennahe Bereiche des aufzukohlenden Materials. Gleichermaßen kann derart aufgrund der Einbringung von auf die Einlagerung von Kohlenstoff zurückzuführenden Druckspannungen eine hohe Härte erreicht werden.
Gleiches gilt im Wesentlichen für eine Plasmanitrierung, wobei hier selbstverständlich nicht Kohlenstoff, sondern Stickstoff in das zu behandelnde Ausgangsmaterial eindiffundiert wird.
Gasnitrieren ist ein thermochemisches Verfahren, bei dem das zu behandelnde, das heißt insbesondere zu härtende Material temperiert und dabei einem Stickstoff enthaltenden Gas wie z. B. Ammoniak (NH₃) ausgesetzt wird, welches sodann zur Eindiffusion von Stickstoff in das Ausgangsmaterial führt.
Beim Gasnitrocarburieren, bei welchem eine Eindiffusion von Kohlenstoff und Stickstoff in das zu behandelnde Material erreicht wird, wird das zu behandelnde Material zusätzlich einem Kohlenstoff enthaltenden Gas wie z. B. CO₂, das heißt insgesamt einem Gasgemisch aus einem Stickstoff und einem Kohlenstoff enthaltenden Gas ausgesetzt und entsprechend temperiert.
Im Rahmen von Versuchen zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht an entsprechenden Wälzlagerelementen zeigte sich, dass durch Plasmanitrieren besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf die Ausbildung einer Stickstoff enthaltenden Randschicht an entsprechenden Wälzlagerelementen erzielbar sind.
Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass die thermochemische Behandlung in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, vorzugsweise unterhalb von 450°C oder von 400°C durchgeführt wird. Durch die Einstellung der im Rahmen der thermochemischen Behandlung anliegenden Temperatur kann gezielt Einfluss auf die Kinetik der Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in den Rand- bzw. Oberflächenbereich des Wälzlagerelements genommen und so gezielt ein bestimmtes Eigenschaftsspektrum der zu bildenden Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht eingestellt werden. Durch die vergleichsweise niedrigen Temperaturen können temperaturbedingte Einflüsse auf die Maßhaltigkeit und/oder Oberflächengüte bzw. Rauhigkeit des Wälzlagerelements ausgeschlossen oder zumindest in einem tolerierbaren Ausmaß gehalten werden.
Die thermochemische Behandlung kann insbesondere für eine Dauer von zwei bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt werden. Ähnlich wie bei der Einstellung der im Rahmen der Durchführung der thermochemischen Behandlung anliegenden Temperatur kann auch durch die Einstellung der Dauer bzw. Prozesszeit gezielt Einfluss auf die Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in den Rand- bzw. Oberflächenbereich des Wälzlagerelements genommen und so gezielt ein bestimmtes Eigenschaftsspektrum der zu bildenden Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht eingestellt werden. Selbstverständlich kann die thermochemische Behandlung in Ausnahmefällen auch kürzer als zwei Stunden oder länger als 24 Stunden durchgeführt werden.
Grundsätzlich kann die Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht derart durchgeführt werden, dass sich eine Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 50 μm, bevorzugt von 2,5 bis 40 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μm, ausbildet. In Ausnahmefällen kann die Schichtdicke der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht auch unterhalb 1 μm oder oberhalb 40 μm liegen.
Es ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass vor dem Durchführen der wenigstens einen Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht wenigstens eine Maßnahme zur Kaltverfestigung, insbesondere ein Kaltumformen, des Wälzlagerelements durchgeführt wird. Unter dem zu den Maßnahmen zur Kaltverfestigung eines metallischen Materials zählenden Kaltumformen ist das plastische Umformen metallischer Materialien bei einer Temperatur deutlich unterhalb deren jeweiliger Rekristallisationstemperatur zu verstehen. Die plastische Umformung des Materials erhöht die Versetzungsdichte innerhalb des Materials und bedingt derart eine Erhöhung der Härte. Derart können bereits vor der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführenden Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht die mechanischen Eigenschaften des Wälzlagerelements erhöht werden, welche sodann, das heißt nach Durchführung der wenigstens einen Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht nochmals erhöht bzw. verbessert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Wälzlager, umfassend mehrere Wälzlagerelemente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und
2 eine Vergrößerung der in 1 gezeigten Einzelheit.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Wälzlager 1, umfassend mehrere Wälzlagerelemente 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Ersichtlich liegt das Wälzlager 1 als Kugellager vor. Die Wälzlagerelemente 2 sind als Wälzlagerringe 3, 4 ausgebildet zwischen welchen Wälzkörper 5 wälzen.
Die als Wälzlagerringe 3, 4 ausgebildeten Wälzlagerelemente 2 sind aus einem austenitischen Stahl gefertigt, welcher Stahl eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist.
Alternativ kann eines der Wälzlagerelemente 2 oder können beide Wälzlagerelemente 2 auch aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet sein.
Konkrete Zusammensetzungen beispielhafter austenitischer Stähle können aus den oben genannten Tabellen entnommen werden.
Die die Laufflächen für die Wälzkörper 5 bildenden oder diese umfassenden Innen- bzw. Außenumfänge der Wälzlagerelemente 2 weisen eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements gebildete Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltende Randschicht 6 auf.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 ist besonders deutlich auch aus der die vergrößerte Darstellung der in 1 gezeigten Einzelheit zeigenden 2 ersichtlich. Es zeigt sich, dass sich eine Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 mit einer weitgehend homogenen Schichtdicke d gebildet hat. Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 hat beispielsweise eine Schichtdicke d von ca. 20 μm. Das austenitische Grundgefüge 7 des das Wälzlagerelement 2 bildenden Stahls ist ebenso dargestellt.
Die Randschicht 6 ist insbesondere mittels einer thermochemischen Behandlung respektive eines thermochemischen Prozesses zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in rand- bzw. oberflächennahe Bereiche der Wälzlagerelemente 2 gebildet. Beispielsweise ist die Randschicht durch Plasmaaufkohlung oder Plasmanitrieren gebildet.
Die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 weist sonach durch den eindiffundierten, insbesondere auf Zwischengitterplätzen der ursprünglichen Gefügestruktur 7 des jeweiligen austenitischen Stahls im Sinne von Interstitionsatomen angeordneten Kohlenstoff bzw. Stickstoff eine hohe Härte oberhalb 1000 HV, insbesondere im Bereich von 1200 HV, und somit eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf.
Der Verbund zwischen der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 und dem übrigen Material bzw. Grundgefüge 7 des jeweiligen Wälzlagerelements 2 ist sehr gut, da die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht 6 nicht als Beschichtung auf das Wälzlagerelement 2 aufgebracht, sondern unmittelbar aus dem das Wälzlagerelement 2 bildenden Stahl bzw. Grundgefüge 7 des Stahls gebildet wurde.
Ein entsprechendes Wälzlagerelement 2 kann beispielsweise durch ein nachfolgend beschriebenes Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements 2, insbesondere eines Wälzlagerrings 3, 4, mit einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 hergestellt werden.
Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Wälzlagerelement 2 aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, bereitgestellt.
Denkbar ist auch die Bereitstellung eines Wälzlagerelements 2, aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, 0,1 bis 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist.
Konkrete Zusammensetzungen beispielhafter austenitischer Stähle können, wie erwähnt. aus den oben genannten Tabellen entnommen werden.
Nach der Bereitstellung des Wälzlagerelements 2 wird wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements 2 zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 durchgeführt.
Als Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 wird dabei eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements 2 durchgeführt. Die thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements 2 erfolgt insbesondere in Form von Kolsterisieren und/oder Plasmaaufkohlen und/oder Plasmanitrieren und/oder Gasnitrieren und/oder Gasnitrocarburieren.
Um die Abmessungen sowie die Oberflächengüte, das heißt insbesondere die Rauhigkeit des Wälzlagerelements 2 nicht negativ zu beeinflussen, wird die thermochemische Behandlung bei niedrigen Temperaturen in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, durchgeführt.
Die thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements 2 wird typischerweise für eine Dauer von zwei bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt. Derart lassen sich regelmäßig Schichtdicken d entsprechender Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltender Randschichten 6 von 1 bis 50 μm, bevorzugt von 2,5 bis 40 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μm, ausbilden.
Es ist möglich, dass vor dem Durchführen der wenigstens einen Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6, das heißt vor der Durchführung der thermochemischen Behandlung des Wälzlagerelements 2 wenigstens eine Maßnahme zur Kaltverfestigung, insbesondere ein Kaltumformen, des Wälzlagerelements 2 durchgeführt wird. Dieser Kaltverfestigungsschritt kann ebenfalls ein wesentlicher Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Derart kann das Eigenschaftsprofil, das heißt insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Wälzlagerelements 2 bereits vor Durchführung der der wenigstens einen Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht 6 verbessert werden. Diese Maßnahmenkombination führt zu einem besonders vorteilhaften Bauteil. Der erfindungsgemäße Werkstoff bewirkt die Korrosionsbeständigkeit, die Kaltverfestigung (auf 650–730 HV) bewirkt die Wälzlager-Überrollfestigkeit, während die Randschichtbehandlung die Verschleißfestigkeit bewirkt. Im Gegensatz zu Martensiten und Standard-Austeniten kann der Austenit „Carnit” zumindest in der Randschicht bis in eine Tiefe von ca. 1,5 mm bis zu 300 HV an Härte gewinnen. Im Gegensatz zu Martensiten kann eine weitgehend ausscheidungsfreie Randschicht bis ca. 50 μm thermochemisch eingestellt werden. Typisch ist die hohe Löslichkeit an Interstitionsatomen in vielen Austeniten. Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Werkstoff ist diese Eigenschaft aufgrund seines hohen Mn-Gehalts besonders gut ausgeprägt. Im Gegensatz zu vielen Martensiten und einigen Austeniten reduziert sich die Härte aufgrund von Erholungen bei der thermochemischen Randbehandlung im Temperaturbereich von 250–550°C nicht, so dass ein hervorragende Eigenschaften aufweisendes Wälzlagerelement erhalten wird.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Wälzlagerelement
3: Wälzlagerring
4: Wälzlagerring
5: Wälzkörper
6: Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht
7: Gefügestruktur

Claims

Wälzlagerelement (2), insbesondere Wälzlagerring (3, 4), welches Wälzlagerelement (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet ist, wobei es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements (2) gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) eine Schichtdicke (d) von 1 bis 50 μm aufweist.
Wälzlagerelement (2), insbesondere Wälzlagerring (3, 4), welches Wälzlagerelement (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, gebildet ist, wobei es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements (2) gebildete Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) eine Schichtdicke (d) von 1 bis 50 μm aufweist.
Wälzlagerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) eine Härte von 800–1500 HV, insbesondere größer 900 HV, aufweist.
Wälzlagerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) eine Schichtdicke (d) von 2,5 bis 40 μm, bevorzugt von 5 bis 25 μm, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements (2), insbesondere eines Wälzlagerrings (3, 4), mit einer Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6), gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen eines Wälzlagerelements (2) aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, 0,5 bis 2,0 Masseprozent Molybdän, insgesamt 0,8 bis 1,1 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff 0,5 bis 1,1 beträgt, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist oder – Bereitstellen eines Wälzlagerelements (2), aus einem austenitischen Stahl, welcher eine Zusammensetzung von 16–21 Masseprozent Chrom, 16–21 Masseprozent Mangan, entweder größer 2 Masseprozent Molybdän oder kleiner gleich 2 Masseprozent Kupfer, oder größer gleich 2 Masseprozent Molybdän und 0,25 bis 2 Masseprozent Kupfer, sowie insgesamt mehr als 0,5 Masseprozent Kohlenstoff und Stickstoff, wobei das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff größer 0,5 ist, bis zu 2,5 Masseprozent erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und einem Rest an Masseprozent aus Eisen, wobei die Summe aller Bestandteile 100 Masseprozent ergibt, aufweist, – Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in oberflächennahe Bereiche des Wälzlagerelements (2) zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6), wobei als Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6) eine thermochemische Behandlung des Wälzlagerelements (2) durchgeführt wird, und wobei die thermochemische Behandlung in einem Temperaturbereich von 250 bis 550°C, insbesondere unterhalb 500°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Behandlung für eine Dauer von zwei bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahme zur Ausbildung der Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Randschicht (6) derart durchgeführt wird, dass sich eine Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthaltende Randschicht (6) mit einer Schichtdicke (d) von 1 bis 50 μm, bevorzugt von 2,5 bis 40 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 25 μm, ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme zur Ausbildung der Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Randschicht (6) Kolsterisieren und/oder Plasmaaufkohlen und/oder Plasmanitrieren und/oder Gasnitrieren und/oder Gasnitrocarburieren durchgeführt wird.