DE102019127268B4

DE102019127268B4 - Gleitelement und Kufe für einen Schlitten oder Schlittschuh

Info

Publication number: DE102019127268B4
Application number: DE102019127268.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Schulte-Nölle; Sven Claus; Carsten Ludwig; Thomas Kirchner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: DE102019127268A1

Abstract

Gleitelement für eine Kufe (2) eines Schlittens oder Schlittschuhs (1), bestehend aus einem hochlegierten Stahl, umfassend 0,05 bis 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,4 bis 1 Gewichtsprozent Stickstoff, 17 bis 21 Gewichtsprozent Mangan, 15 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und höchstens 3 Gewichtsprozent Molybdän, sowie Eisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, insbesondere Kufe eines Schlittens oder Schlittschuhs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kufe für einen Schlitten oder Schlittschuh, umfassend das Gleitelement.
Bei der Entwicklung von Sportgeräten für Winterdisziplinen, wie Eiskunst- oder - Eisschnelllauf sowie Rodeln oder Bobfahren spielt vor allem der Gleitkontakt zwischen dem Metall der Kufe und dem Eis eine wesentliche Rolle. Das Reibverhalten wird dabei wesentlich dadurch bestimmt, wie gut sich der zum Gleiten erforderliche Wasserfilm zwischen dem Eis und dem Metall zwischen den Kontaktpartnern ausbilden kann. Neben den Formmaßen und Oberflächenkennwerten kommt es hierfür auch auf die physikalischen Eigenschaften des metallischen Gleitpartners an.
Beispielsweise offenbart die DE 10 304 349 A1 Kufen für Schlittschuhe aus Feinstkornhartmetall oder Gradientenhartmetall, wobei die Kufen aus Hartstoffen mit einer Härte (HV 10) größer als 1500 bzw. (HRC) größer als 90, einer Biegebruchfestigkeit (MPa) größer als 2000 sowie einer Bruchzähigkeit K1c (MP a.m-1/2) größer als ca. 10 bestehen. Dem Vorteil der hohen Verschleißfestigkeit steht die aus der Härte und Festigkeit resultierende schlechte Bearbeitbarkeit entgegen, die ein Anpassen der Kontur und Gleitflächengeometrie an den jeweiligen Einsatzfall erschwert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein mittels eines alternativen Werkstoffs hergestelltes Gleitelement vorzuschlagen, welches verbesserte Gleiteigenschaften des Gleitelements gegenüber Eis sowie eine verbesserte Bearbeitbarkeit bei gleichzeitig hohem Verschleißwiderstand realisiert. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ein erfindungsgemäßes Gleitelement, insbesondere eine Kufe eines Schlittens oder Schlittschuhs besteht aus einem hochlegierten Stahl, umfassend 0,05 bis 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C), 0,4 bis 1 Gewichtsprozent Stickstoff (N), 17 bis 21 Gewichtsprozent Mangan (Mn), 15 bis 21 Gewichtsprozent Chrom (Cr) und höchstens 3 Gewichtsprozent Molybdän (Mo), sowie Eisen (Fe). Unter einer Kufe ist ein längliches, holmähnliches Element mit einer im Wesentlichen geraden, glatten Unterfläche als tragendes Teil einer Konstruktion zu verstehen. Auf der Kufe ist ein tragendes, verbindendes Gestell verbaut, auf dem in der Regel das komplette Gewicht der Last (z. B. eines Fahrzeugs oder Passagiers) ruht. Kufen zeichnen sich unter anderem durch die angestellte vordere Spitze aus, die bewirkt, dass das Gewicht nicht auf die Fahrfläche (Schnee, Wasser) einsinkt.
Bei dem Stahl handelt es sich um einen hochlegierten austenitischen Stahl, der aufgrund des vergleichsweise hohen Mangangehaltes bis zur Raumtemperatur eine im Wesentlichen austenitische Matrix aufweist. Die Stahllegierung ermöglicht aufgrund ihrer hohen Zähigkeit ein Umformen des Gleitelements in die gewünschte Form sowie eine vor- oder nachgelagerte spanende Bearbeitung im vorverfestigten Zustand, ohne die Rauigkeit und/oder weitere physikalische Eigenschaften des Stahls negativ zu beeinflussen.
Der Werkstoff wird nicht thermisch gehärtet, wodurch ein sprunghafter Anstieg der Härte sowie ein Abfall der Risszähigkeit vermieden wird. Dies wiederum führt zu einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Materials. Insbesondere an der Oberfläche weist das Gleitelement eine hohe Härte sowie eine hohe Schneidhaltigkeit auf, wobei die Härte zum Bauteilinneren abnimmt. Unter dem Begriff Schneidhaltigkeit, auch Schnitthaltigkeit genannt, wird der Widerstand der Schneide eines Messers oder in diesem Fall, der Kufe des Schlittens bzw. Schlittschuhs, gegen Abnutzung durch mechanische, thermische und chemische Einflüsse verstanden. Anders gesagt wird über die Schneidhaltigkeit definiert, wie lange eine Klinge über einen bestimmten Gebrauchszeitraum und unter bestimmten Einsatzbedingungen scharf bleibt, oder in diesem Fall, über welche/n Gebrauchszeitraum bzw. Gleitstrecke die eingestellte Kontur und Oberflächengeometrie stabil bzw. unverändert bleibt.
Vorzugsweise weist das Gleitelement an dessen Oberfläche eine Härte zwischen 600 und 750 HV1 auf. Insbesondere weist das Gleitelement an dessen Oberfläche eine Härte zwischen 650 und 730 HV1 auf. Die Härte in der Randschicht wird im Vergleich zum unbehandelten Ausgangszustand durch eine bearbeitungsbedingte Kaltverfestigung mit entsprechender Erhöhung der Kristallversetzungsdichte erreicht. Anders gesagt erfolgt durch die spanende Bearbeitung, wie beispielsweise Fräsen, Schleifen, oder dergleichen, eine Verfestigung der Oberfläche, die zu einem Härte- bzw. Festigkeitsgradienten zwischen der Oberfläche und dem Kern des Materials führt. Nach dem Erschmelzen des Materials erfolgt bevorzugt ein Lösungsglühen, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 900 °C und 1150 °C, um alle Ausscheidungen, die bei der Abkühlung nach der Erschmelzung z.B. in Seigerungszonen entstanden sind, wieder zu entfernen, sodass die Legierungselemente in gelöster Form vorliegen. Ein separates Härten des Werkstoffs wird nicht durchgeführt und es gibt keine Ausscheidungen und somit auch keine Hartstoffe oder Hartphasen. Aufgrund der nach Bauteilinnen abnehmenden Härte weist das Gleitelement folglich an der Oberfläche eine hohe Verschleißfestigkeit an der Oberfläche sowie im Bauteilinneren eine vergleichsweise hohe Zähigkeit auf. Die oberflächennahen Bereiche werden ferner durch weitere Bearbeitungsschritte, wie Umformen oder Schleifen, sowie durch die Nutzung des Materials in der Praxis, beispielsweise während des Eislaufens oder eines Rodellaufs weiter verfestigt, sodass sich die Eigenschaften des Materials während der Lebensdauer verbessern. Darüber hinaus erfolgt eine zusätzliche Einglättung der Rauheitsspitzen.
Der vergleichsweise hohe Chromanteil erhöht des Weiteren die Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Stahls gegenüber Wasser, insbesondere Süßwasser, was einen zusätzlichen positiven Einfluss auf das äußere Erscheinungsbild des Gleitelements hat. Mithin eignet sich die Verwendung eines solchen Stahls für Kufen von Schlittschuhen, insbesondere für den Eiskunstlauf oder das Rennrodeln. Zudem wird die Wärmeleitfähigkeit des Stahls durch den hohen Chromanteil des Werkstoffs herabgesetzt. Dies unterstützt die Wasserfilmbildung im Kontaktbereich zwischen der Kufe und dem Eis, wodurch wiederum die Reibung zwischen den Kontaktpartnern reduziert wird. Mit anderen Worten wird eine Gleitfilmbildung im Tribokontakt zwischen dem Stahl und Eis beim Eislaufen oder beim Rodeln verbessert.
Vorzugsweise umfasst der Stahl ferner höchstens 1 Gewichtsprozent Nickel (Ni) und/oder Niob (Nb) und/oder Silizium (Si) und/oder Kupfer (Cu) und/oder Tantal (Ta) und/oder Titan (Ti) und/oder Vanadium (V) und/oder Wolfram (W). Durch gezielten Einsatz und Zusammensetzung der Legierungselemente wird eine homogene Kornstruktur sowie Oberflächentopografie erreicht, die unter Berücksichtigung des Einsatzgebiets eine hohe Festigkeit und Formstabilität sowie eine gute Schleifbarkeit bewirkt. Die vorgenannten Legierungselemente senken die Wärmeleitfähigkeit weiter ab und verhindern die Ausscheidung von Chromkarbiden auf Korngrenzen während der Abkühlung aus der Warmumformtemperatur. Dadurch wird ein negativer Einfluss auf die Zähigkeit oder den Korrosionswiderstand verhindert.
Vorzugsweise ist das Gleitelement oberflächenbehandelt. Die Oberflächenbehandlung kann sowohl mechanisch durch beispielsweise Kugelstrahlen, Shot-Peening oder Hämmern erfolgen. Alternativ kann die Oberflächenbehandlung auch thermochemisch durch beispielsweise Plasma-Nitrieren oder Plasma-Carbonitrieren erfolgen. Sowohl die mechanische Behandlung als auch die thermochemische Behandlung erfolgt vorteilhafterweise am fertiggestellten bzw. nahezu fertiggestellten Gleitelement, da dadurch nur der oberflächennahe Bereich verfestigt wird und bei einer später erfolgenden Nacharbeit dieser wieder abgetragen würde.
Das Gleitelement bildet eine erfindungsgemäße Kufe für einen Schlitten oder Schlittschuh aus oder ist Teil der Kufe.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Schlittschuh mit einem erfindungsgemäßen Gleitelement.
Das als Kufe 2 eines Schlittschuhs 1 ausgebildete Gleitelement besteht aus einem hochlegierten austenitischen Stahl, der 0,05 bis 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,4 bis 1 Gewichtsprozent Stickstoff, 17 bis 21 Gewichtsprozent Mangan, 15 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und höchstens 3 Gewichtsprozent Molybdän sowie ferner höchstens 1 Gewichtsprozent Nickel, Niob, Silizium, Kupfer, Tantal, Titan, Vanadium und/oder Wolfram umfasst. Der Rest besteht im Wesentlichen aus Eisen, wobei auch erschmelzungsbedingte Verunreinigungen im Stahl vorliegen können. Der Stahl, aus dem die Kufe 2 hergestellt ist, ist bei einer Temperatur zwischen 900 °C und 1050 °C lösungsgeglüht und weist an dessen Oberfläche eine Härte zwischen 600 und 750 HV1 auf, wobei die Härte ausgehend von der Oberfläche der Kufe 2 zum Bauteilinneren abnimmt. Anders gesagt weist die Kufe 2 eine verschleißresistente Oberfläche und in dessen Inneren eine höhere Zähigkeit auf. Zusätzlich wird die Kufe 2 nach Herstellung, insbesondere nach dem Gießen und Umformen und/oder Schleifen oberflächenbehandelt, um die oberflächennahen Bereiche der Kufenoberfläche ergänzend mechanisch oder thermochemisch zu verfestigen.
Durch die gezielte chemische Zusammensetzung des Stahls werden die Gleiteigenschaften der Kufe 2 verbessert, wobei gleichzeitig eine gute Bearbeitbarkeit des Werkstoffs gewährleistet ist. Insbesondere ist der Werkstoff vorteilhaft zur Feinjustierung der Kufe, beispielsweise zur Einstellung des Sprungs, also die Einstellung der Längsbiegbarkeit der Kufe 2, sowie zur Einstellung der Oberflächentopografie, insbesondere durch Schleifen und/oder Umformen.
Zudem reduziert die Legierungszusammensetzung des hochlegierten Stahls die Wärmeleitfähigkeit des Gleitelements und verbessert infolgedessen die Wasserfilmbildung zwischen der Kufe 2 und der - hier nicht gezeigten - Eisoberfläche. Mithin wird dadurch die Reibung im Einsatz herabgesetzt, sodass die Gleiteigenschaften verbessert werden. Außerdem verbessert der Werkstoff die Korrosionsbeständigkeit der Kufe 2 gegen Süßwasser.
Neben der hier gezeigten Verwendung des Stahls für die Kufe 2 eines Schlittschuhs 1 kann der Stahl auch für andere Wintersportkomponenten, die im Tribosystem Metall/Eis eingesetzt werden, verwendet werden. Solche Wintersportkomponenten sind beispielsweise Kufen für Schlitten im Bob- oder Rodelsport.
Bezugszeichenliste

1: Schlittschuh
2: Kufe

Claims

Gleitelement für eine Kufe (2) eines Schlittens oder Schlittschuhs (1), bestehend aus einem hochlegierten Stahl, umfassend 0,05 bis 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,4 bis 1 Gewichtsprozent Stickstoff, 17 bis 21 Gewichtsprozent Mangan, 15 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und höchstens 3 Gewichtsprozent Molybdän, sowie Eisen.
Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ferner höchstens 1 Gewichtsprozent Nickel und/oder Niob und/oder Silizium und/oder Kupfer und/oder Tantal und/oder Titan und/oder Vanadium und/oder Wolfram umfasst.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl lösungsgeglüht ist.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement an dessen Oberfläche eine Härte zwischen 600 und 750 HV1 aufweist.
Gleitelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement an dessen Oberfläche eine Härte zwischen 650 und 730 HV1 aufweist.
Gleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement oberflächenbehandelt ist.
Kufe (2) für einen Schlitten oder Schlittschuh (1), umfassend ein Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6.