DE102016210287A1

DE102016210287A1 - Stahlzusammensetzung zum Abbrennstumpfschweißen

Info

Publication number: DE102016210287A1
Application number: DE102016210287.7A
Authority: DE
Inventors: Staffan Larsson
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN106244932A; US20160363167A1

Abstract

Lagerstahlzusammensetzung für eine abbrennstumpfgeschweißte Lagerkomponente mit den folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozent; C 0,89–0,95, Si 0,18–0,26, Mn 0,5–0,8, Cr 1,65–1,95, Ni 0,2–0,25, Mo 0,45–0,6, Cu 0,1–0,3, S 0,001–0,0025 und optional eine oder mehrere der folgenden Elemente: P 0–0,018, Ca 0,001–0,003, Al 0,02–0,05, O 0–0,0010, As 0–0,04, Pb 0–0,002, Ti 0–0,003, N 0,005–0,015, H 0–0,00015, V 0–0,03, Sn 0–0,075, wobei As + Sn + Sb 0–0,075, Ausgleichs Fe, zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen.

Description

TECHNISCHES UMFELD
Die Offenbarung betrifft das Feld von Stahl und Lagern. Genauer gesagt betrifft die Offenbarung eine neuartige Lagerstahlzusammensetzung und ein Verfahren zum Formen einer Lagerkomponente, die die neuartige Stahlzusammensetzung aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lager sind Vorrichtungen, die eine beschränkte relative Bewegung zwischen zwei Teilen ermöglichen. Wälzlager umfassen eine innere und äußere Lauffläche und mehrere Wälzkörper, die zwischen ihnen angeordnet sind. Für eine lang dauernde Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ist es wichtig, dass die verschiedenen Elemente einen hohen Widerstand gegen Wälzkontaktermüdung, Verschleiß und Kriechen haben.
Die Stärke des Stahls ist eine sehr wichtige mechanische Eigenschaft, wenn ein Stahl für einen Lagereinsatz ausgewählt wird, da diese eine große Signifikanz für die Haltbarkeit der Lager hat. Die Lebensdauer von Wälzlagern ist direkt durch die Haltbarkeit der Lager beeinflusst. Deshalb haben die Stärkeeigenschaften einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Lager und sind entscheidend für die Sicherheit und Sicherung. Um einen hohen und gleichmäßigen Härtegrad in der ganzen Lagerkomponente und demnach eine lange Haltbarkeit der Lager zu erhalten, wird oftmals ein Durchhärten durchgeführt, wobei ein Stahl auf eine Temperatur oberhalb seiner kritischen Transformationstemperatur erhitzt wird und dann schnell, üblicherweise durch ein Abschrecken in einem Abschreckmedium, abgekühlt wird.
Moderne Stähle sind, abhängig von dem gewünschten Einsatz des Stahlprodukts, aus unterschiedlichen Kombinationen von Eisen und Legierungselementen hergestellt. Kohlenstoff, Silizium, Chrom und Molybden sind gewöhnliche Legierungselemente und werden für einen Stärkeeffekt und verbesserte Härte eingesetzt. Durch Härten wird bei hoch karbonhaltigen Stählen, wie beispielsweise Stählen, die einen Karbongehalt von mindestens 0,85 Gewichtsprozent oder über 1,0 Gewichtsprozent aufweisen, verwendet. Wenn die Menge des Kohlenstoffs zu gering ist, resultiert das Durchhärten in einer ungenügenden Härte der Lageroberfläche, die zu Eindellungen und einer geringen Lagerlebensspanne führt.
Wenn die Lagerkomponenten hergestellt werden, wird der Stahl oft von den Stahlwerken in Form von Stahlplatten, Stangen und Röhren als Ausgangsmaterial geliefert, wobei die Komponenten während der Herstellung sowohl auf hohe Temperaturen, wie beispielsweise während des Schweißens, Heißwalzens und Schmiedens gebracht werden. Die Komponenten werden auch bei Temperaturen unterhalb der Stahlrekristallisationstemperatur geformt, üblicherweise bei Raumtemperaturen, wobei dieser Prozess bekannt ist als Kaltverarbeitung oder Kaltformen. Während des Kaltformens des Stahls sollte die Härte nicht zu hoch sein, um das Risiko von Rissbildung zu vermeiden.
Abbrennstumpfschweißen, oder „Abbrennschweißen“ ist eine Widerstandsschweißtechnik zum Verbinden von Metallteilen, wie beispielsweise Stahlkomponenten, bei welcher die Teile Ende an Ende zueinander ausgerichtet sind und ein elektrischer Strom angelegt wird, der einen elektrischen Lichtbogen produziert, der die Enden der Teile schmilzt und aneinander schweißt, was in einer außergewöhnlich starken und glatten Verbindung resultiert. Auch wenn das Abbrennstumpfschweißen eine einfache und effiziente Schweißtechnik ist, können die physikalischen Eigenschaften einer Komponente in der Nähe von seiner Schweißnaht/seinen Schweißnähten negativ durch das Abbrennstumpfschweißen beeinflusst sein aufgrund von Fehlern, wie beispielsweise Schweiß-/Abschreckrisse, die während oder nach dem Abbrennstumpfschweißen auftreten, und da die Mikrostruktur des Stahls in einer Hitze beeinflussten Zone (HAZ) um die Schweißnaht durch das Abbrennstumpfschweißen modifiziert sein kann, und dementsprechend schwer kalt formbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Lagerstahlzusammensetzung mit verbesserten Kaltformeigenschaften, auch nach einem Abbrennstumpfschweißen, bereitzustellen, während eine hohe Stärke durch die gesamte Stahlkomponente und demnach eine hohe Haltbarkeit aufrecht erhalten wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Lagerstahlzusammensetzung nach Anspruch 1 gelöst.
Insoweit betrifft die vorliegende Erfindung eine Lagerstahlzusammensetzung für abbrennstumpfgeschweißte Lagerkomponenten mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent;

C 0,89–0,95

Si 0,18–0,26

Mn 0,5–0,8

Cr 1,65–1,95

Ni 0,2–0,25

Mo 0,45–0,6

Cu 0,1–0,3

S 0,001–0,0025

und optional ein oder mehrere der folgenden Elemente

P 0–0,018

Ca 0,001–0,003

Al 0,02–0,05

O 0–0,0010

As 0–0,04

Pb 0–0,002

Ti 0–0,003

N 0,005–0,015

H 0–0,00015

V 0–0,03

Sn 0–0,075

wobei As + Sn + Sb 0–0,075
Ausgleichs Fe, zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen.
Optional umfasst die Lagerzusammensetzung von 0,9 Gewichtsprozent C, wie beispielsweise von 0,91 Gewichtsprozent C, und optional bis zu 0,94 Gewichtsprozent C. Es wurde herausgefunden, dass in Kombination mit den anderen Legierungselementen die resultierende Stahlzusammensetzung verbesserte Kaltformeigenschaften und eine verbesserte Schweißfähigkeit für eine Lagerstahlkomponente, die aus der Stahlzusammensetzung hergestellt sind, bereitstellt, während es dennoch möglich ist, die Lagerstahlkomponente durchzuhärten, und eine hohe Stärke und Haltbarkeit sichergestellt ist.
Optional umfasst die Lagerstahlzusammensetzung von 0,2 bis zu 0,25 Gewichtsprozent Si. Es wurde herausgefunden, dass in Kombination mit den anderen Legierungselementen dieser relativ niedrige Si-Gehalt in verbesserten Kaltformeigenschaften und einer verbesserten Schweißfähigkeit bei einer Lagerstahlkomponente, die aus der Stahlzusammensetzung hergestellt ist, resultiert, indem unter anderem die Fließgrenze der Ferritlamellen während einer wiederherstellenden Glühbehandlung, nach beispielsweise einem Schweißen, reduziert wird, und demnach die Duktilität verbessert wird, während dennoch ermöglicht wird, dass die Lagerkomponente durchgehärtet wird und eine hohe Stärke und Haltbarkeit sichergestellt ist.
Optional umfasst die Lagerstahlzusammensetzung von 0,6 bis 0,7 Gewichtsprozent Mn.
Optional umfasst die Lagerstahlzusammensetzung von 1,75 bis 1,85 Gewichtsprozent Cr.
Optional umfasst die Lagerstahlzusammensetzung von 0,47 bis 0,5 Gewichtsprozent Mo.
In Kombination mit anderen Legierungselementen verbessert der Gehalt von Mangan, Chrom und Molybden die Kaltformeigenschaften, in dem eine ausreichend geringe Carbidformation sichergestellt ist. Es ist herausgefunden worden, dass, wenn die Carbidformation auf einem relativ geringen Niveau gehalten wird, wie beispielsweise ungefähr um 13,5 bis ungefähr 14 Gewichtsprozent, und unterhalb 15 Gewichtsprozent, dies dazu beiträgt, zu verbesserten Kaltform- und Schweißbarkeitseigenschaften für eine Lagerstahlkomponente, die aus der Stahlzusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung hergestellt ist, zu kommen.
Überraschender Weise ist herausgefunden worden, dass eine Lagerstahlkomponente, die aus der Stahlzusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung hergestellt ist, exzellente Kaltformeigenschaften, sogar nach einem Abbrennstumpfschweißen, aufweist, während gleichzeitig die Grundvoraussetzung für das Durchführen eines Durchhärteprozesses erfüllt ist, und demnach eine lange Haltbarkeit der Lagerstahlkomponente sichergestellt ist. Durch Ausbalancieren des Kohlenstoffgehalts und der Mengen von Chrom und Molybden gemäß vorliegender Offenbarung kann die Formation von Carbiden während des Erhitzens auf einem ausreichend geringen Niveau gehalten werden, um die mechanischen Eigenschaften, die für Lagerkomponenten erwünscht sind, und die Möglichkeit des Durchhärtens sicherzustellen, während die Härte des Stahls für verbesserte Kaltformeigenschaften so gering wie möglich gehalten ist.
Optional ist die Lagerkomponente aus der Stahlzusammensetzung ausgebildet und optional ist die Lagerkomponente zumindest ein Teil eines Lagerrings.
Optional hat die Lagerkomponente eine Abbrennstumpfschweißnaht. Abbrennstumpfschweißen übt eine hohe Beanspruchung auf das Material in der hitzebeaufschlagten Zone aus, und die Stahlzusammensetzung gemäß vorliegender Offenbarung ist insbesondere dazu ausgelegt, den Bedingungen während des Abbrennstumpfschweißens zu widerstehen und einer wiederherstellenden Glühbehandlung nach dem Schweißen ausgesetzt zu werden.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Lagerstahlkomponente mit einer Abbrennstumpfschweißnaht umfassend die Schritte:

(i) Bereitstellen einer Lagerstahlkomponente nach irgendeinem Aspekt dieser Offenbarung,
(ii) Ausformen zumindest eines Teils einer Lagerstahlkomponente aus der Lagerstahlzusammensetzung; und
(iii) Abbrennstumpfschweißen einer Naht durch Abbrennen und Stauchen der Schweißstelle.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Lagerstahlzusammensetzung gemäß vorliegender Offenbarung ist gedacht für das Herstellen von beliebigen Arten von Lagerkomponenten, wie beispielsweise einem Lagerring oder einem Teil eines Lagerrings, für die Verwendung in einem Lager, wie beispielsweise einem Wälzlager, einem Nadellager, einem Kegelrollenlager, einem Pendelrollenlager, einem Toroidallager, einem Axiallager oder einem Lager für irgendeinem Einsatz, in welchem das Lager wechselnden Hertzschen Pressungen, wie beispielsweise Wälzkontakten oder kombinierten Roll- und Schlupfbewegungen ausgesetzt ist. Das Lager kann beispielsweise bei Automobil-, Wind-, Marine-, Metallherstellungs- oder anderen Maschineneinsätzen verwendet werden, die einen hohen Verschleißwiderstand und/oder eine gesteigerte Ermüdungsstärke und Bruchfestigkeit erfordern.
1 zeigt ein Beispiel eines Lagers 1, nämlich ein Wälzlager, das einen Größenbereich von 10 mm Durchmesser bis zu einigen Metern Durchmesser haben kann und eine Lastaufnahmekapazität von wenigen Zehntelgramm bis mehreren tausend Tonnen aufweisen kann. Das Lager 1 gemäß vorliegender Erfindung kann nämlich jede beliebige Größe und jede beliebige Lastaufnahmekapazität haben. Das Lager 1 hat einen Innenring 2 und einen Außenring 3, wobei einer oder beide als Ring gemäß vorliegender Erfindung ausgebildet sein kann, und einen Satz Wälzelemente 4. Der Innenring 2, der Außenring 3 und/oder die Wälzkörper 4 des Wälzlagers 1, und vorzugsweise alle der Rollkontaktteile können aus einer Stahlzusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung herstellt sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lagerstahlkomponente mit einer Schweißnaht wie beispielsweise einer Abbrennstumpfschweißnaht, die durch ein Verfahren gemäß einem dieser Aspekte der Offenbarung hergestellt ist. 2 zeigt ein Abbrennstumpfschweißen eines offenen Rings 5, wobei der Ring nahe der Enden 6, 7, die verschweißt werden sollen, eingespannt ist, wobei zwei Spannelektroden 8, 9 verwendet werden, und wobei die Enden 6, 7 dann zusammengebracht werden, bis sie sich treffen, wobei sie sich leicht kontaktieren, und eine Abbrennstumpfschweißnaht bilden. Während der Ring während des Schweißens im Allgemeinen auf ungefähr 200 °C erhitzt wird, ist die Hitze, die sich zwischen den Spannern an der Schweißnaht ausbildet, ungefähr 1.300 °C bis ungefähr 1.500 °C. Die Mikrostruktur der resultierenden Stahlringe 2, 3 im Bereich der Schweißnaht, der hitzebeaufschlagten Zone (HAZ), ist demnach beeinträchtigt und die Eigenschaften der Lagerkomponenten in der HAZ sind verschlechtert. Für einen Lagerring 2, 3 sind die Rollkontaktermüdungseigenschaften dieser Zone unzulänglich. Die Schweißbarkeit des Stahls ist in einem hohen Maße durch den Kohlenstoffgehalt festgelegt und ist negativ durch das Vorhandensein von Kohlenstoff aufgrund der Carbidformation, die durch das Vorhandensein von Kohlenstoff entsteht, beeinflusst.
Nach dem Schweißen, wie beispielsweise nach einem Abbrennstumpfschweißen, wird die Komponente und insbesondere die Schweißnaht üblicherweise einer Wiederherstellungsprozedur, die ein Glühen beinhaltet, ausgesetzt, um die Mikrostruktur der Stahlkomponenten in dem Bereich der Schweißnaht wiederherzustellen, um eine korrekt gehärtete Mikrostruktur zu erhalten und um eine angemessene Verschleißfestigkeit sicherzustellen. Es wurde herausgefunden, dass durch Verwendung einer Stahlzusammensetzung mit einem Siliziumgehalt von 0,18 bis 0,26 Gewichtsprozent, die Fließgrenze der Ferritlamellen während des Glühens ausreichend gering ist, um ein ausreichend duktiles Material für ein Kaltformen bei der Lagerherstellung zu erreichen. Der Ausdruck „ein ausreichend duktiles Material“ ist dazu gedacht, ein Material zu bezeichnen, das, wenn eine Stahlplatte mit einer Dicke von 60 mm oder weniger ausgebildet ist, biegbar ist und das die Spezifikationen gemäß ISO 15614-13 Teil 13 „Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen" S. 4 Tabelle 1; Testklasse A für Stangen/Barren, erfüllt.
Dennoch ist es auch ein Ziel vorliegender Erfindung, die zusammen existierenden und einander widerstreitenden Erfordernisse der Schweißbarkeit und der Kaltformbarkeit mit den Fähigkeitsanforderungen, die Stahlkomponente einem Durchhärten, das heißt, einem Härten der Stahlkomponente gleichmäßig durch die gesamte Komponente, zu unterziehen, auszutarieren.
Das Durchhärten kann bei hoch kohlenstoffhaltigen Stählen, wie beispielsweise Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von zumindest 0,85 Gewichtsprozent oder über 1,0 Gewichtsprozent verwendet werden. Dies wurde konventionell als inkompatibel mit den Erfordernissen an eine gute Schweißbarkeit und gute Kaltformeigenschaften gehalten. Es wurde jedoch überraschenderweise gefunden, dass eine Stahlzusammensetzung mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,89 bis 0,95 Gewichtsprozent, wie beispielsweise von 0,9 bis 0,94 Gewichtsprozent, die Fähigkeitsanforderungen erfüllt, dass eine Stahlkomponente aus der Stahlzusammensetzung einem Durchhärteprozess ausgesetzt wird, während sie in Kombination mit anderen Legierungselementen auch für ein Schweißen geeignet ist, und die einem nachfolgenden wiederherstellenden Glühen und/oder Kaltformen ausgesetzt wird.
Der Ausdruck „Glühen“ ist dazu gedacht, eine Hitzebehandlung zu bezeichnen, die die Mikrostruktur eines Materials ändert, indem Änderungen in den Eigenschaften wie beispielsweise Stärke, Härte und/oder Formbarkeit verursacht werden.
Es wurde herausgefunden, dass eine Stahlzusammensetzung in Kombination mit den anderen oben beschriebenen Legierungselementen, und einem Legierungsgehalt von 0,5 bis 0,8 Gewichtsprozent Mn, 0,2 bis 0,25 Gewichtsprozent Ni und 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent Cu, wenn es für die Herstellung von Lagerkomponenten verwendet wird, in einer Stahlkomponente resultiert, die ausreichend duktil für ein Kaltformen während einer Lagerstahlkomponentenherstellung ist.
Es wurde auch herausgefunden, dass der Gehalt von Cr und Mo aufgrund ihrer Funktion als carbidformende Elemente wichtig für die Stahlzusammensetzung und die resultierenden Kaltformeigenschaften sind. Durch das Bereitstellen einer Zusammensetzung mit einem Gehalt von Cr von 1,65 bis 1,95 Gewichtsprozent und einem Gehalt von Mo von 0,45 bis 0,6 Gewichtsprozent kann eine Lagerstahlkomponente aus der Zusammensetzung erhalten werden, die ausreichend duktil für ein Kaltformen während der Lagerkomponentenherstellung ist. Dies ist ebenfalls zutreffend für Vanadium, sodass durch das Bereitstellen einer Zusammensetzung mit 0,01 bis 0,03 Gewichtsprozent V die Kaltformeigenschaften einer Lagerstahlkomponente, die aus der Zusammensetzung hergestellt ist, zusätzlich verbessert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 15614-13 Teil 13 „Pressstumpf- und Abbrennstumpfschweißen“ S. 4 Tabelle 1 [0023]

Claims

Lagerstahlzusammensetzung für abbrennstumpfgeschweißte Lagerkomponenten mit den folgenden Zusammensetzungen in Gewichtsprozent; C 0,89–0,95 Si 0,18–0,26 Mn 0,5–0,8 Cr 1,65–1,95 Ni 0,2–0,25 Mo 0,45–0,6 Cu 0,1–0,3 S 0,001–0,0025

und optional ein oder mehrere der folgenden Elemente P 0–0,018 Ca 0,001–0,003 Al 0,02–0,05 O 0–0,0010 As 0–0,04 Pb 0–0,002 Ti 0–0,003 N 0,005–0,015 H 0–0,00015 V 0–0,03 Sn 0–0,075

wobei As + Sn + Sb 0–0,075 Ausgleichs Fe, zusammen mit unvermeidbaren Verunreinigungen.
Lagerstahlzusammensetzung nach Anspruch 1, mit mindestens 0,9 Gewichtsprozent C.
Lagerstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit bis zu 0,94 Gewichtsprozent C.
Lagerstahlzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit 0,2 bis 0,25 Gewichtsprozent Si.
Lagerstahlzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit 0,6 bis 0,7 Gewichtsprozent Mn.
Lagerstahlzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit 1,75 bis 1,85 Gewichtsprozent Cr.
Lagerstahlzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit, 0,47 bis 0,5 Gewichtsprozent Mo.
Lagerkomponente gebildet aus einer Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Lagerkomponente nach Anspruch 8, wobei die Lagerkomponente eine Abbrennstumpfschweißnaht aufweist.
Lagerkomponente nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Lagerkomponente ein Lagerring ist.
Verwendung einer Lagerstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–7 in einer Lagerstahlkomponente, die dazu ausgelegt ist, abbrenngeschweißt zu werden.
Verwendung der Lagerstahlzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Lagerstahlkomponente ein Lagerring ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lagerstahlkomponente mit einer Abbrennstumpfschweißnaht, wobei das Verfahren umfasst: (i) Bereitstellen einer Lagerstahlzusammensetzung wie in einem der Ansprüche 1–7 definiert; (ii) Ausbilden von zumindest einem Teil einer Lagerkomponente aus der Lagerstahlzusammensetzung; und (iii) Abbrennstrumpfschweißen einer Naht durch Abbrennen und Stauchen der Schweißstelle.
Verfahren zum Herstellen einer Lagerstahlkomponente nach Anspruch 13, wobei das Verfahren den weiteren Schritt umfasst: (iv) Aussetzen der mindestens einen Naht einer Glühbehandlung.