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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils.
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Wälzlager kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Ein entscheidendes Qualitätskriterium ist die Ausfallsicherheit, das heißt, dass die Wälzlager eine möglichst lange Lebensdauer bis zu einem etwaigen Ausfall haben sollen. Neben der klassischen Wälzermüdung wird zunehmend als eine Frühausfallursache das Entstehen sogenannter White Etching Cracks (WEC) festgestellt. White Etching Cracks bilden sich, wenn neben der klassischen Beanspruchung durch Überrollung der Ringe mit Hertz'schem Kontakt noch eine sogenannte Zusatzbeanspruchung anliegt. Diese Zusatzbeanspruchung kann eine statische oder dynamische Elektrizität oder eine starke Mischreibung sein. Zwar ist der Schadensmechanismus noch nicht abschließend geklärt, die vorherrschende Meinung ist aber, dass diese Zusatzbeanspruchung zu einer Freisetzung von Wasserstoff aus dem Schmierstoffsystem führt. Dieser Wasserstoff führt im Gefüge der stählernen Wälzlagerkomponente zur Umwandlung von martensitischen Strukturen mit oder ohne Carbideinschlüssen zu amorphem bzw. nanokristallinem Ferrit mit zwangsgelöstem Kohlenstoff.
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Es besteht also zunehmend ein Bedürfnis, ein Wälzlager respektive eine Wälzlagerkomponente sowohl gegen eine konventionelle Überrollung als auch gegen einen Ausfall durch WEC-Bildung resistent auszugestalten. Um die Ermüdungsfestigkeit so hoch wie möglich zu gestalten, ist innerhalb des durch die Überrollung beanspruchten Volumens eine Mindesthärte erforderlich, die mit 58 HRC beziffert wird. Um diese Härte einzustellen, genügt bei schroffer Abschreckung des Stahls wie etwa bei der induktiven Randschichtenhärtung von der Austenitisiertemperatur ein Kohlenstoff-Gehalt von rund 0,4%. Bei etwas größeren Querschnitten und hierdurch verursachter verzögerter Abschreckung steigt der Mindestgehalt an und liegt oberhalb von 0,6% z. B. nach konventioneller Einsatzhärtung.
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Der zur Härtung erforderliche gelöste Kohlenstoff kann durch Stickstoff teilweise ersetzt werden. Dieser Stickstoff wird in niedrig legierten Stählen durch eine Carbonitrierung meist oberhalb von 850 °C bis zu 960 °C eingebracht. Dabei wird der Gehalt durch den gelösten Kohlenstoff begrenzt, das Stickstoffmaximum beträgt regelmäßig 0,25%. Durch die Kombination von Kohlenstoff und bereits sehr wenig gelöstem Stickstoff, oft bereits weniger als 0,1%, steigt gleichzeitig der Restaustenitgehalt der Randschicht auf mehr als 30% an, ein Gehalt bis zu 40% ist keine Seltenheit. In diesem Restaustenit ist der Kohlenstoffgehalt deutlich größer, er liegt bei wenigstens 0,7%.
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Teile dieses Restaustenits wandeln sich unter Belastung im Betrieb in Martensit mit hohem Gehalt an gelöstem Kohlenstoff um. Diese Umwandlung beeinflusst zwar die Belastbarkeit gegen konventionelle Beanspruchung positiv, ist aber im Hinblick auf das potentielle Auftreten von WECs nachteilig. Um in solchen Fällen die Bildung von WECs zu hemmen, ist es bekannt, eine Beschichtung aufzubringen, beispielsweise durch Brünieren, wobei dieser Schutz aber nur so lange hält, solange die Beschichtung nicht im Betrieb abgerieben ist.
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Anders als die klassische Beanspruchbarkeit ist es für eine hohe Resistenz gegen WECs erforderlich, den Kohlenstoffgehalt relativ niedrig zu halten, was aber wiederum nachteilige Auswirkungen auf die Überrollfestigkeit hat.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerbauteils vorgesehen, bei dem durch Carbonitrieren eine Randaufkohlung auf einen Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0,3 Masse% und maximal 0,5 Masse% bei gleichzeitiger Einstellung eines Gesamtgehalts an Kohlenstoff und Stickstoff von wenigstens 0,6 Masse% und maximal 1,6 Masse% in der Randschicht erfolgt, wonach das Bauteil abgekühlt und anschließend wärmebehandelt wird.
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Erfindungsgemäß wird das Wälzlagerbauteil durch Carbonitrieren in seinem Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randschicht gezielt derart beeinflusst, dass einerseits eine hinreichend hohe Randschichthärte gegeben ist, also die Überrollfestigkeit in hohem Maß gegeben ist, gleichzeitig aber auch der Kohlenstoffgehalt in der Randzone des Bauteils im beanspruchten Werkstoffvolumen die für die WEC-Bildung kritische Grenze von 0,5 Masse% nicht übersteigt. Erfindungsgemäß wird hierzu teilweise das Härtungselement Kohlenstoff durch Stickstoff ersetzt, wobei bei niedrigem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0,3 Masse% bis maximal 0,5, Masse% der Stickstoffanteil so gewählt wird, dass sich ein Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff von wenigstens 0,6 Masse% und maximal 1,6 Masse% in der Randschicht einstellt. Im Gegensatz zum klassischen Prozess des Nitrocarburierens wird der Stickstoffgehalt derart eingestellt, dass es nicht zur Bildung einer Verbindungsschicht an der Bauteileoberfläche kommt. Durch das zusätzliche Einbringen des Legierungselements Stickstoff wird die Randhärte angehoben, so dass sich eine sichere, 100%ige Tragfähigkeit des Bauteils bei hoher Zähigkeit und Verschleißfestigkeit ergibt. Im Bauteilrand bildet sich aufgrund dieser Wärmebehandlung ein Mischgefüge mit Martensit, Carbiden bzw. Nitriden und Carbonitriden sowie Restaustenitanteilen aus. Gleichzeitig stellen sich die für eine thermochemische Randschichtenhärtung typischen Druckeigenspannungen im Randbereich an. Das Anreichern der Randzone des niedrigkohlenstoffhaltigen Stahls mit Kohlenstoff und Stickstoff in den oben angegebenen Mengen erfolgt dabei stets unter der Prämisse, dass der finale randschichtseitige Kohlenstoffgehalt des Bauteils im später beanspruchten Werkstoffvolumen 0,5 Masse% nicht übersteigt, ein höherer Kohlenstoffgehalt wirkt sich nachteilig auf die Bildung von WECs aus. Durch diesen Prozess weist die Randzone des Bauteils eine deutlich höhere WEC-Beständigkeit des Gefüges bei ausreichender Härte mit Härtewerten >58 HRC und erhöhter Verschleißbeständigkeit auf.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufkohlung auf einen Wert zwischen 0,4 - 0,5 Masse% erfolgt, und dass der Stickstoffgehalt wenigstens 0,25 Masse% und maximal 1 Masse% beträgt.
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Das Carbonitrieren selbst kann bei einer Temperatur zwischen 760 - 980 °C erfolgen.
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Nach dem Carbonitrieren wird das Bauteil gekühlt, bevorzugt geschieht dies durch Abschrecken im Salz-, Polymer- oder Ölbad. Das Bauteil wird auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Hieran schließt sich eine weitere Wärmebehandlung an, die in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein kann. Gemäß einer ersten Erfindungsalternative kann als Wärmebehandlung ein Anlassen auf eine Temperatur zwischen 150 - 250 °C erfolgen, wonach das Bauteil auf Raumtemperatur abkühlt. Das resultierende Gefüge weist in der Randzone Martensit, Carbide bzw. Carbonitride und gegebenenfalls Restaustenit auf. Die Haltezeit auf der Anlasstemperatur wird je nach Bedarf gewählt, sie beträgt üblicherweise mehrere Stunden.
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Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, als Wärmebehandlung ein langsames Aufheizen auf eine Temperatur zwischen 500 - 700 °C vorzusehen, wobei diese Temperatur für eine Dauer zwischen 3,5 - 5 Stunden gehalten wird, wonach das Bauteil abkühlt. Hieran schließt sich bevorzugt eine Erwärmung auf die für das Material typisch Austenitisiertemperatur an, wobei diese Temperatur solange gehalten wird, bis das Bauteil vollständig durchwärmt ist, wonach das Bauteil endgültig abgekühlt wird. Auch dieses Abkühlen kann durch Abschrecken im Salz-, Polymer- oder Ölbad auf Raumtemperatur erfolgen. Hieran kann sich nochmals ein Anlassschritt mit einer Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 150 - 250 °C anschließen, wonach das Bauteil endgültig abkühlt. Das resultierende Gefüge weist auch hier in der Randzone, Martensit, Carbide, bzw. Carbonitride und gegebenenfalls Restaustenit auf.
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Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner ein Wälzlagerbauteil, hergestellt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren.
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Daneben betrifft die Erfindung ferner ein Wälzlager, umfassend ein oder mehrere derartiger Wälzlagerbauteile.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung für verschiedene Kohlenstoff- und Stickstoffverläufe im Randzonenbereich, und
- 2 eine Prinzipdarstellung der summierten minimalen und maximalen Kohlenstoff-Stickstoffgehalte.
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1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung verschiedene Kurvenverläufe für verschiedene Kohlenstoffgehalte sowie zwei Kurven, die die untere Grenze und die obere Grenze für den Stickstoffgehalt beschreiben.
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Die Kurve a zeigt den Verlauf des Stickstoffgehalts in einem Stahlwerkstoff, der einen niedrigen Grundkohlenstoffgehalt aufweist. Die Kurve b zeigt den typischen Verlauf bei mittlerem Kohlenstoffgehalt, während die Kurve c ein Beispiel für einen Vergütungsstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt ist.
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Demgegenüber zeigt die Kurve d die untere Grenze für den Stickstoffgehalt, die Kurve e zeigt die obere Grenze für den Stickstoffgehalt.
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Die Kurven a - e sind lediglich beispielhaft und keinesfalls beschränkend.
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2 zeigt zwei Kurven I und II, die als Summenkurven den jeweiligen minimalen und maximalen Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff im Bauteil zeigen, die sich also quasi als Grenzkurven ergeben, wenn die den jeweiligen Elementgehalt beschreibenden Kurven aus 1 summiert werden.
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So sei angenommen, dass sich die Kurve I, die den minimalen Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff beschreibt, durch Addition der Kurven a und d ergibt. Daneben sei angenommen, dass sich die Kurve II, die den maximalen Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Stickstoff darstellt, durch Addition der Kurven c und e ergibt. Es zeigt sich also eine Art Band, innerhalb dem durch das erfindungsgemäße Verfahren der jeweilige Gehalt an Stickstoff und Kohlenstoff eingestellt wird, wobei die Prämisse gilt, dass der finale Randkohlenstoffgehalt im später beanspruchten Werkstoffvolumen die für die WEC-Bildung kritische Grenze von 0,5 Masse% Kohlenstoff nicht übersteigt.
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Nachfolgend werden zwei Beispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die jedoch keinesfalls beschränkend sind.
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Variante 1: Wärmebehandlung mit Direkthärtung
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Das Wälzlagerbauteil, z. B. ein Lagerring, wird in einem ersten Teilprozess carbonitriert, mit dem Ziel einer festgelegten Einsatzhärtetiefe. Die Zielgröße des Randkohlenstoffgehalts am fertigen Bauteil nach Abschliff liegt bei 0,4 - 0,5 Masse% Kohlenstoff. Gleichzeitig wird Stickstoff in die Oberfläche eindiffundiert. Zielwert ist hier nach Abschliff ein Stickstoffgehalt von mindestens 0,25 Masse% an der Oberfläche, maximal 1 Masse%.
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Die Ausführung dieser Aufkohlungs-/Aufstickungsphase kann kontinuierlich mit gleichbleibender Temperatur, gleichem Kohlenstoff-Pegel und gleichem Ammoniakgehalt in der Gasphase durchgeführt werden. In diesem Fall liegt das bevorzugte Temperaturfeld zwischen 760 - 980 °C.
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Eine Abstufung bzw. Absenkung des Kohlenstoff-Pegels bzw. der Temperatur und des Ammoniakgehalts im Sinne eines Boost & Diffuse-Prozesses ist ebenfalls möglich. Das Temperaturfeld liegt im Bereich zwischen 760- 980 °C, typischerweise unterhalb von 480 °C. Typische Kohlenstoff-Pegel liegen in der Boost-Phase bei 0,65 - 1,2, abhängig von der Legierung. Am Ende des Prozesses muss die Kohlenstoffregelung dergestalt ausgeführt werden, dass der Kohlenstoffgehalt am finalen Bauteil 0,5 Masse% nicht überschreitet. Gleichzeitig muss der Stickstoff-Gehalt über die Ammoniakzugabe im Ofen auf einen Gehalt >0,25 - 1 Masse% eingestellt werden, die Menge an Stickstoff richtet sich nach der angestrebten Gefügeausprägung.
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Anschließend an diesen Prozess wird das Bauteil abgekühlt. Es wird abgeschreckt, was im Salzwarm-, Polymer- oder Ölbad mit einer Abkühlung bis auf Raumtemperatur erfolgt.
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Hieran schließt sich ein Anlassen bei einer Temperatur von 150 - 250 °C an.
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Das resultierende Gefüge weist in der Randzone Martensit, Carbid bzw. Carbonitride und gegebenenfalls Restaustenit auf.
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Variante 2: Wärmebehandlung mit Einfachhärtung
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Das Bauteil, z. B. ein Lagerring, wird in einem ersten Teilprozess carbonitriert, mit dem Ziel einer festgelegten Einsatzhärtetiefe. Die Zielgröße des Randkohlenstoffgehalts am Fertigbauteil nach Abschliff liegt bei 0,4 - 0,5 Masse% Kohlenstoff. Gleichzeitig wird Stickstoff in die Oberfläche eindiffundiert. Zielwert ist hier nach Abschliff ein Stickstoffgehalt von mindestens 0,25 Masse% an der Oberfläche, maximal 1 Masse%.
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Die Ausführung dieser Aufkohlungs- und Aufstickungsphase kann kontinuierlich mit gleichbleibender Temperatur, gleichbleibendem Kohlenstoff-Pegel und gleichbleibendem Ammoniakgehalt in der Gasphase durchgeführt werden. In diesem Fall ist das Temperaturfeld zwischen 760 - 980 °C zu wählen.
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Eine Abstufung/Absenkung des Kohlenstoffpegels bzw. der Temperatur des Ammoniakgehalts im Sinne eines Boost & Diffuse-Prozesses ist ebenso möglich, das Temperaturfeld liegt zwischen 760 - 980 °C. Es wird auf die Ausführungen zu Variante 1 verwiesen.
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Am Ende des Prozesses muss die Kohlenstoffregelung dergestalt ausgeführt werden, dass der Kohlenstoffgehalt am Bauteil 0,5 Masse% Kohlenstoff nicht überschreitet. Gleichzeitig muss der Stickstoff-Gehalt über die Ammoniakzugabe im Ofen auf einen Gehalt von >0,25 - 1 Masse% eingestellt werden, die Menge an Stickstoff richtet sich nach der angestrebten Gefügeausprägung.
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Hieran schließt sich ein Abkühlschritt an, bevorzugt durch Abkühlen im Salzwarm-, Polymer- oder Ölbad.
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Im nächsten Teilschritt erfolgt, eventuell abhängig von der zu erzielenden Härte, ein langsames, eventuell gestuftes Aufheizen auf eine Zwischenglühtemperatur im Bereich von 500 - 700 °C, abhängig vom verwendeten Grundwerkstoff. Diese wird für mindestens 4 Stunden gehalten, anschließend wird das Bauteil abgekühlt.
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Danach erfolgt eine Erwärmung bis auf die für den verwendeten Werkstoff typische Austenitisiertemperatur. Diese Temperatur wird bei gleichzeitiger Kontrolle des Randkohlenstoffgehalts gehalten, bis eine querschnittsabhängige vollständige Durchwärmung des Bauteils erzielt ist. Die Haltezeit wird gegebenenfalls verlängert, beispielsweise um weitere 30 Minuten. Es ist hierbei zu gewährleisten, dass etwaige Aufkohlungseffekte mit einem Randkohlenstoffgehalt von maximal bzw. weniger als 0,5 Masse% innerhalb des Schleifaufmaßes der überrollten, also wälzbeanspruchten Bereiche des Wälzlagerbauteils, also der Wälzlagerlaufbahn liegen.
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Anschließend an diesen Prozess erfolgt ein Abschrecken im Salzwarm-, Polymer- oder Ölbad mit einer Abkühlung bis auf Raumtemperatur. Hieran schließt sich ein Anlassen bei einer Anlasstemperatur von 150 - 250 °C an, die für eine zweckentsprechende Zeit gehalten wird, wonach die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt.
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Das resultierende Gefüge weist in der Randzone Martensit, Carbide bzw. Carbonitride und gegebenenfalls Restaustenit auf.
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Die beschriebenen Varianten sind lediglich exemplarischer Natur und keinesfalls beschränkend.
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Bezugszeichenliste
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- a - e
- Kurven
- I, II
- Kurven
