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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Kettenelement, welches als, insbesondere in Kettenantrieben verwendete, Kette oder als Teil einer solchen Kette wie z. B. als Kettenbolzen ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Gebiet der Erfindung
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Hintergrund der Erfindung
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Gattungsgemäße Kettenelemente werden z. B. als Kettenantriebe oder Teile entsprechender Kettenantriebe zur Übertragung von Kräften verwendet und kommen in einer Vielzahl an unterschiedlichen Gebieten der Technik, wie beispielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, zum Einsatz.
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Kettenelemente sind aufgrund der bei deren Betrieb herrschenden hohen mechanischen Beanspruchungen üblicherweise aus mechanisch besonders beanspruchbaren Stählen gebildet. Weiterhin ist es bekannt, Kettenelemente, insbesondere in den andere Kettenelemente oder sonstige Bauteile kontaktierenden Bereichen, mit einer die mechanischen Eigenschaften beeinflussenden Oberflächenmodifizierung, insbesondere Oberflächenhärtung zu versehen, worunter beispielsweise eine verschleißfeste und gegenüber korrosiven Medien stabile Beschichtung zu verstehen ist. Eine entsprechende Oberflächenmodifizierung, das heißt insbesondere die Ausbildung einer besonderen Randschicht, kann beispielsweise dazu dienen, dem das Kettenelement bildenden Grundmaterial im Bereich seiner Oberfläche ein verändertes Eigenschaftsspektrum zu verleihen. So kann beispielsweise ein Material, insbesondere ein Stahl, mit einer bestimmten Festigkeit und Zähigkeit mit einer besonders verschleißfesten und korrosionsstabilen Randschicht versehen und so gezielt in seinen mechanischen Eigenschaften verändert werden. Bekannte Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche von Stählen, das heißt zur Ausbildung entsprechender Randschichten sind beispielsweise Aufkohlen (Carburieren), Nitrieren und/oder die Aufbringung von auf Titan oder Molybdän basierenden Beschichtungen.
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Allerdings sind die durch entsprechende Prozesse ausgebildeten Randschichten im Hinblick auf die besonders verschleißintensiven und gegebenenfalls zusätzlich korrosiv wirkenden Bedingungen im Anwendungsbereich entsprechender Kettenelemente, welche sich z. B. durch Kontaminierung mit Schmiermitteln oder Schmiermittelrückständen oder Verbrennungsrückständen von Verbrennungsmotoren ergeben, für die spätere Anwendung häufig nicht oder nur bedingt zufriedenstellend.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein, insbesondere im Hinblick auf Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessertes, Kettenelement anzugeben.
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Zur Lösung des Problems ist bei einem Kettenelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es eine durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor (B) und Vanadium (V) in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements gebildete Bor und Vanadium, das heißt insbesondere Bor-Vanadium-Verbindungen wie z. B. VB und/oder V2B, enthaltende Randschicht aufweist.
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Das erfindungsgemäße Kettenelement weist durch die durch die wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements gebildete Bor und Vanadium enthaltende Randschicht ein verbessertes Eigenschaftsprofil auf. Durch die Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht weist das erfindungsgemäße Kettenelement sowohl im Hinblick auf seine mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere Oberflächenhärte, wobei weiterhin regelmäßig eine ausreichende Duktilität gewährleistet ist, Verschleißfestigkeit, Überrollfestigkeit etc., als auch auf seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Medien, das heißt insbesondere den eingangs genannten Schmiermitteln wie, insbesondere degradierten, Schmierölen oder Schmierfetten etc., ein hervorragendes Eigenschaftsprofil auf.
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Mithin kann das erfindungsgemäße Kettenelement z. B. ohne Weiteres unter den dort regelmäßig mechanisch wie auch korrosiv hoch beanspruchenden Betriebsbedingungen als Teil des Antriebsstrangs moderner Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wo es sich durch seine im Vergleich zu konventionellen Kettenelementen verbesserte Standzeit auszeichnet. Dies begründet sich insbesondere durch die vorgenannte erhöhte Verschleißfestigkeit gegenüber von im Betrieb des Kraftfahrzeugs entstehenden, aus Komponenten des Antriebsstrangs durch Verschleiß entstammenden abrasiven Partikeln wie auch der erhöhten Korrosionsbeständigkeit gegenüber der durch degradierte Schmiermittel bedingten korrosiven Umgebung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht des erfindungsgemäßen Kettenelements.
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Da die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht nur in oberflächennahen Bereichen des erfindungsgemäßen Kettenelements ausgebildet ist, bleibt das übrige, das erfindungsgemäße Kettenelement bildende Grundmaterial, bei welchem es sich in der Regel um einen Stahl wie z. B. SAE 1010, SAE 1012, SAE 8620, DIN 16MnCr5 handelt, bzw. dessen Grundgefüge, in seinen Eigenschaften unverändert. Bevorzugt wird als Grundmaterial ein Werkstoff, d. h. insbesondere ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,8 Gew.-% verwendet. Das das Kettenelement bildende Grundmaterial kann beispielsweise auch aus Stählen vom Typ CK75 oder 100Cr6 gebildet sein.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht lässt sich von dem übrigen Material des Kettenelements gedanklich derart abgrenzen, dass diese einen im Vergleich zu dem das Kettenelement bildenden Grundmaterial höheren Anteil an Bor und Vanadium bzw. Bor- und Vanadiumverbindungen aufweist, was sich z. B. anhand von Schliffbildern darstellen lässt.
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Gleichermaßen lässt sich derart erläutern, was erfindungsgemäß unter einem oberflächennahen Bereich des Kettenelements zu verstehen ist, nämlich jener Bereich der Oberfläche des Kettenelements, in welchem die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht ausgebildet ist.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht ist erfindungsgemäß durch wenigstens eine Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements ausgebildet. Mithin kann in Abhängigkeit der jeweiligen im Rahmen der Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements konkret ausgewählten respektive verwendeten Prozessparameter wie z. B. Temperatur, Druck, Dauer etc. gezielt Einfluss auf die auszubildende bzw. ausgebildete Bor und Vanadium enthaltende Randschicht des Kettenelements genommen werden. Insbesondere sind derart die Eindringtiefe der Bor- und/oder Vanadiumatome respektive Bor- und Vanadiumverbindungen sowie die Konzentration der Bor- und/oder Vanadiumatome respektive Bor- und Vanadiumverbindungen in der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht prozesstechnisch beeinflussbar bzw. kontrollierbar.
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Wie im Weiteren noch erläutert wird, kann die Bor und Vanadium, das heißt insbesondere Bor-Vanadium-Verbindungen wie z. B. VB oder V2B enthaltende Randschicht insbesondere über thermochemische Verfahren zur Diffusion von Bor und Vanadium, das heißt zur Diffusion von Bor- und Vanadiumatomen sowie gegebenenfalls Bor- und Vanadiumverbindungen in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements ausgebildet sein.
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Als entsprechende Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium Stickstoff in Oberflächennahe Bereiche des Kettenelements kommen insbesondere thermochemische Behandlungen des Kettenelements in Frage, das heißt die Eindiffusion von Bor und Vanadium zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht beruht vorteilhaft auf einer thermochemischen Behandlung wie Borieren und nachfolgendem Vanadieren des Kettenelements.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht kann aufgrund ihrer Herstellung über ein Borieren und nachfolgendes Vanadieren in wenigstens zwei Randschichtabschnitte unterteilt sein, wobei ein erster Randschichtabschnitt unmittelbar an das Grundmaterial des Kettenelements angrenzt und im Wesentlichen aus Bor-Vanadium-Verbindungen und ein zweiter, an den ersten Ranschichtabschnitt angrenzender Randschichtabschnitt im Wesentlichen aus Vanadium besteht. Dies lässt sich durch das dem Borieren folgende Vanadieren bei der Herstellung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht erklären, wobei in eine durch das Borieren gebildete im Wesentlichen Bor enthaltende Randschicht durch das Vanadieren Vanadium diffundiert, wobei sich ein Bor und Vanadium bzw. Bor-Vanadium-Verbindungen enthaltender Randschichtabschnitt ausbildet, an welchen angrenzend sich zusätzlich ein weiterer, im Wesentlichen Vanadium enthaltender Ranschichtabschnitt ausbildet. Beide Randschichtabschnitte bilden die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht des erfindungsgemäßen Kettenelements.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht weist z. B. eine Harte von 2000–3500 HV (Härte Vickers), insbesondere größer 3000 HV, auf. Die sonach hohe Harte der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht trägt wesentlich zu der verbesserten Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Kettenelements bei. Selbstverständlich kann die Harte der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht in Ausnahmen auch unterhalb 2000 HV sowie oberhalb 3500 HV liegen.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke von 10 bis 350 μm, bevorzugt von 100 bis 300 μm, besonders bevorzugt von 150 bis 250 μm, auf. Wie erwähnt, kann die Schichtdicke insbesondere über eine Auswahl und Einstellung der im Rahmen der Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht angewandten Prozessparameter beeinflusst werden. Selbstverständlich kann die Schichtdicke der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht in Ausnahmen auch unterhalb 10 μm sowie oberhalb 350 μm liegen.
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Das erfindungsgemäße Kettenelement ist insbesondere ein Kettenbolzen zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder einer Kette. Kettenbolzen sind regelmäßig hoch beanspruchte Komponente einer Kette, so dass die erfindungsgemäße Ausbildung einer durch wenigstens eine Maßnahme zur Eindiffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenbolzens gebildeten Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht besonders zweckmäßig ist.
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Grundsätzlich gelten sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Kettenelement analog für den erfindungsgemäßen Kettenbolzen.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kettenelements, insbesondere eines Kettenbolzens zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder, mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht, gekennzeichnet durch die Schritte Bereitstellen des Kettenelements und Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht.
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Dabei wird als Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht bevorzugt ein thermochemisches Borieren und ein nachfolgendes thermochemisches Vanadisieren des Kettenelements durchgeführt.
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Borieren ist im Allgemeinen ein Verfahren zum Einbringen von Bor in die Oberfläche eines Werkstücks. Dabei erfolgt eine Diffusion von pulver- oder pastenförmig auf der Oberfläche des zu borierenden Werkstücks aufgebrachten Bors bei erhöhten Temperaturen, das heißt bei insbesondere bei Temperaturen oberhalb 800°C, insbesondere zwischen 850 und 1050°C. Es bildet sich bei auf Eisen basierenden Werkstücken typischerweise eine, insbesondere stengelartig ausgebildete, Boridschicht.
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Das im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dem Borieren, welches zur Ausbildung eines im Wesentlichen Bor bzw. Borverbindungen enthaltenden Ranschichtabschnitts führt, folgende Vanadieren ist im Allgemeinen ein Verfahren zum Einbringen von Vanadium in die Oberfläche eines Werkstücks. Ähnlich wie beim Borieren erfolgt auch hier die Aufbringung eines Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen enthaltenden Pulvers oder einer Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen enthaltenden Paste auf die Oberfläche des zu vanadierenden Werkstücks, wobei Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen bei erhöhten Temperaturen in das Werkstück eindringt und sich eine Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen enthaltende Randschicht ausbildet.
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Wesentlich für diese bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das dem Borieren folgende Vanadieren, welches zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht führt. Wie oben bezüglich des erfindungsgemäßen Kettenelements erläutert, kann die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht bedingt durch deren Ausbildung über ein Borieren und nachfolgendes Vanadieren zumindest gedanklich in wenigstens zwei Randschichtabschnitte unterteilt sein, wobei ein erster Randschichtabschnitt unmittelbar an das Grundmaterial des Kettenelements angrenzt und im Wesentlichen aus Bor-Vanadium-Verbindungen und ein zweiter, an den ersten Ranschichtabschnitt angrenzender Randschichtabschnitt im Wesentlichen aus Vanadium besteht. Dies lässt sich durch das dem Borieren folgende Vanadieren bei der Herstellung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht erklären, wobei in eine durch das Borieren gebildete im Wesentlichen Bor enthaltende Randschicht durch das Vanadieren Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen diffundiert bzw. diffunideren, wobei sich ein Bor und Vanadium bzw. Bor-Vanadium-Verbindungen enthaltender Randschichtabschnitt ausbildet, an welchen angrenzend sich zusätzlich ein weiterer, im Wesentlichen Vanadium bzw. Vanadiumverbindungen enthaltender Ranschichtabschnitt ausbildet. Beide Randschichtabschnitte bilden die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht des erfindungsgemäßen Kettenelements.
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Die thermochemische Behandlung des Kettenelements, das heißt insbesondere das thermochemische Borieren und das diesem nachfolgende thermochemische Vanadieren, kann bzw. können jeweils in einem Temperaturbereich von 800 bis 1200°C, insbesondere zwischen 850 und 1050°C, durchgeführt werden. Es ist denkbar, das Vanadieren ummittelbar anschließend an das Borieren durchzuführen oder zwischen dem Borieren und dem Vanadieren eine Abkühlung des Kettenelements erfolgen zu lassen. Selbstverständlich können die genannten Temperaturen in Ausnahmen auch über- oder unterschritten werden.
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Es ist möglich, dass die thermochemische Behandlung für eine Dauer von 2 bis 24 Stunden, insbesondere 4 bis 16 Stunden, durchgeführt wird. Über die Dauer der thermochemischen Behandlung, das heißt insbesondere der jeweiligen Dauer für das Borieren und das diesem nachfolgende Vanadieren, kann prozesstechnisch Einfluss auf die Eigenschaften wie z. B. Härte, Eindringtiefe, Homogenität etc. der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht genommen werden. Selbstverständlich kann bzw. können die thermochemischen Behandlungen in Ausnahmen auch kürzer oder länger als die genannten Zeiten erfolgen.
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Die wenigstens eine Maßnahme zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht wird vorteilhaft derart durchgeführt, dass sich eine Bor und Vanadium enthaltende Randschicht mit einer Schichtdicke von 10 bis 350 μm, bevorzugt von 100 bis 300 μm, besonders bevorzugt von 150 bis 250 μm, ausbildet. In Ausnahmen kann die wenigstens eine Maßnahme zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht auch derart ausgeführt werden, dass sich entsprechende Schichtdicken unterhalb 10 μm oder oberhalb 350 μm ausbilden.
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Grundsätzlich gelten sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kettenelements mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht analog für das erfindungsgemäße Kettenelement sowie für den erfindungsgemäßen Kettenbolzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen charakteristischen Ausschnitt einer Kette, umfassend mehrere Kettenelemente;
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2 ein Kettenelement in Form eines Kettenbolzens zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder einer Kette;
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3 eine Vergrößerung der in den 1 und 2 dargestellten Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt einen charakteristischen Ausschnitt einer Kette 1, umfassend mehrere Kettenelemente 2. Die Kette 1 kann als Zahnkette ausgebildet sein und so beispielsweise zur Kraftübertragung im Antriebsstrang oder als Teil des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs dienen.
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Ersichtlich umfasst die Kette 1 mehrere Kettenelemente 2 in Form von aufeinander folgend angeordneten, insbesondere laschenförmigen, Kettengliedern 3, welche über Kettenbolzen 4 miteinander verbunden sind. 2 zeigt eine gesonderte Darstellung eines Kettenelements 2 in Form eines Kettenbolzens 4 zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder 3 einer Kette 1.
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Die die Kette 1 bildenden Kettenelemente 2, das heißt die Kettenglieder 3 und die Kettenbolzen 4 sind aus einem metallischen Grundmaterial 8, insbesondere einem Stahl wie z. B. SAE 1010, gebildet. Die Oberfläche der Kettenelemente 2 oder eines Teils der Kettenelemente 2 wurden einer thermochemischen Oberflächenbehandlung in Form wenigstens einer Maßnahme zur Ausbildung einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 5 unterzogen.
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Konkret wurden die Kettenelemente 2 hierzu zunächst mittels Borieren boriert und nachfolgend mittels Vanadieren vanadiert. Nach dem Borieren bildete sich eine Bor bzw. Borverbindungen enthaltende Randschicht, aus welcher durch das Vanadieren und das damit verbunden Eindiffundieren von Vanadium eine Bor und Vanadium, das heißt insbesondere Bor-Vanadium-Verbindungen wie VB und/oder V2B, enthaltende Randschicht gebildet wurde.
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Wie sich aus 3 ergibt, kann die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht 5 einen durch das Vanadieren gebildeten, im Wesentlichen Vanadium enthaltenden Randschichtabschnitt 6 aufweisen, welcher Randschichtabschnitt 6 auf dem Bor und Vanadium, das heißt im Wesentlichen Bor-Vanadium-Verbindungen enthaltenden Randschichtabschnitt 7 ausgebildet ist. Beide Randschichtabschnitte 6, 7 sind der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 5 zuzuordnen.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht 5 weist eine Schichtdicke von ca. 250 μm auf. Hiervon können auf den im Wesentlichen Vanadium enthaltenden Randschichtabschnitt 6 ca. 100 μm und auf den im Wesentlichen Bor und Vanadium, das heißt im Wesentlichen Bor-Vanadium-Verbindungen enthaltenden Randschichtabschnitt 7 ca. 150 μm abfallen.
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Die Bor und Vanadium enthaltende Randschicht 5 verleiht dem Kettenelement 2 ein verbessertes Eigenschaftsprofil, wobei insbesondere die Verschleißfestigkeit bedingt durch die bei weiterhin ausreichender Duktilität hohe Härte im Bereich von ca. 3000 HV (Härte Vickers) der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 5 sowie die Korrosionsbeständigkeit verbessert ist.
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Die Herstellung eines Kettenelements 2, insbesondere eines Kettenbolzens 4 zum Verbinden wenigstens zweier Kettenglieder 3, mit einer Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 5, erfolgt über ein Verfahren mit den Schritten Bereitstellen des Kettenelements 2 und Durchführen wenigstens einer Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements 2 zur Ausbildung der Bor und Vanadium enthaltenden Randschicht 5.
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Als Maßnahme zur Diffusion von Bor und Vanadium in oberflächennahe Bereiche des Kettenelements 2 wird bevorzugt ein thermochemisches Borieren und ein diesem nachfolgendes thermochemisches Vanadieren des Kettenelements 2 durchgeführt.
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Das thermochemische Borieren wie auch das thermochemische Vanadieren des Kettenelements 2 erfolgt z. B. bei Temperaturen im Bereich von ca. 900°C für eine Dauer von ca. 4 Stunden, so dass sich eine homogene Bor und Vanadium enthaltende Randschicht 5 mit der vorgenannten Schichtdicke von ca. 250 μm ausbildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kette
- 2
- Kettenelement
- 3
- Kettenglied
- 4
- Kettenbolzen
- 5
- Randschicht
- 6
- Randschichtabschnitt
- 7
- Randschichtabschnitt
- 8
- Grundmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- SAE 1010 [0009]
- SAE 1012 [0009]
- SAE 8620 [0009]
- 16MnCr5 [0009]
- SAE 1010 [0035]
