DE102022100951A1

DE102022100951A1 - Stahllegierung für ein Großwälzlagerbauteil sowie Großwälzlager und Verfahren zur Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils aus dieser Stahllegierung

Info

Publication number: DE102022100951A1
Application number: DE102022100951.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Dinkel; Werner Trojahn; Johannes Moeller; Dieter Steinhoff
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023134810A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für ein Großwälzlagerbauteil aufweisend
mindestens 0,17 bis höchstens 0,23 Gew.-% Kohlenstoff,
mindestens 0,25 bis höchstens 0,5 Gew.-% Silizium,
mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Mangan,
höchstens 0,025 Gew.-% Phosphor,
höchstens 0,020 Gew.-% Schwefel,
mindestens 1,90 bis höchstens 2,30 Gew.-% Chrom,
mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Molybdän,
höchstens 0,50 Gew.-% Nickel,
höchstens 0,030 Gew.-% Kupfer,
höchstens 0,025 Gew.-% Aluminium,
mindestens 0,08 bis höchstens 0,12 Gew.-% Vanadium,
mindestens 0,018 bis höchstens 0,025 Gew.-% Niob,
höchstens 0,003 Gew.-% Bor,
höchstens 0,012 Gew.-% Stickstoff,
insbesondere höchstens 10 ppm Sauerstoff, und
Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Großwälzlager mit einem Großwälzlagerbauteil aus dieser Stahllegierung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils aus dieser Stahllegierung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung für ein Großwälzlagerbauteil. Ferner betrifft die Erfindung ein Großwälzlager mit einem Großwälzlagerbauteil, das aus einer solchen Stahllegierung hergestellt ist, sowie mehrere Verfahren zur Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils aus dieser Stahllegierung.
Großwälzlager werden beispielsweise als vierreihige Kegel- oder Zylinderrollenlager in Walzstraßen von Stahlwerken eingesetzt. Die Anwendungsbedingungen in solchen Fertigungsbetrieben sind sehr herausfordernd für Großwälzlager, da oftmals Kontamination durch Partikel oder auch durch Fluide im Schmierstoff vorliegen und in den Schmierspalt der Großwälzlager geraten können. Aufgrund der Dimensionen und der technischen Anforderungen sind Großwälzlager in der Regel relevanten Biegespannungen und hohen Umfangsspannungen aus der Presspassung unterworfen. Großwälzlager stellen ein kritisches Element für die Produktivität solcher Fertigungsbetriebe dar. Daher wird zunehmend eine höhere Gebrauchsdauer für Großwälzlager gefordert, um die Revisionsintervalle solcher Anlagen zu verlängern.
Großwälzlager für höchstbeanspruchte Anwendungen wie beispielsweise Walzwerkslagerungen, werden nach dem Stand der Technik aus einsatzgehärteten Einsatzstählen gefertigt. Dies kann sowohl durch klassisches Aufkohlen oder durch Carbonitrieren erfolgen. Für die Herstellung von Großwälzlagerbauteilen, also Lagerringen oder Wälzkörper, werden Werkstoffe mit einem hohen Nickelgehalt von mindestens 1,75 Gew.-% Nickel verwendet, um eine hohe Bruchzähigkeit zu erreichen. Ein solcher Nickelgehalt führt speziell beim Carbonitrieren zu hohen Restaustenitgehalten und verringerter Oberflächenhärte. Der Abtrag bei der Hartbearbeitung kann nun schon bei geringen Abträgen von weniger als 0,5 mm zu einer Härte unter 58 HRC an der Oberfläche führen, so dass die dynamische Tragfähigkeit dadurch reduziert wird. Deswegen werden die Lagerringe typischerweise über eine gefesselte Abschreckung abgehärtet, um das Maß und die Form der Lagerringe zu kontrollieren. Dies ist notwendig, um gleichmäßigen Materialabtrag in der Hartbearbeitung und damit gleichmäßige Werkstoffeigenschaften zu gewährleisten. In der Regel ist das Gefüge in einem Kernbereich derart hergestellter Großwälzlagerbauteile als Mischgefüge aus Martensit, Bainit und teilweise Ferrit oder Perlit ausgebildet. Dadurch kommt es bei dem umwandlungsbedingten Maßverhalten zu unvorteilhaften Schwankungen. Dies kann mit einem hohen Schleifabtrag verbunden sein, wobei aufgrund der Schwankungen am gleichen Lagerring an anderer Stelle nicht genügend Schleifabtrag möglich sein kann, so dass Oberflächenbeeinflussungen aus der Wärmebehandlung nicht entfernt werden können oder sogar ein Untermaß vorliegt. Dies verringert die Qualität der Großwälzlagerbauteile oder produziert Ausschuss.
Aus der DE 10 2006 052 834 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagerringes hervor, bei dem ein Lagerring aus einem niedriglegierten, durchhärtbaren Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von über 0,5 Gew.-% und mit einem Gehalt an Chrom, Nickel und Molybdän von in Summe zwischen 1,4 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% erzeugt wird. Der Lagerring wird einer Härtungsbehandlung unterzogen, bei der der Lagerring auf eine Außentemperatur zwischen 800°C und 880° C erwärmt und anschließend abgeschreckt wird, bis er eine Temperatur von unter 150°C erreicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Stahllegierung für ein Großwälzlagerbauteil, ein Großwälzlager und Verfahren zur Wärmebehandlung von Großwälzlagerbauteilen aus einer solchen Stahllegierung zu schaffen. Insbesondere soll ein Einsatzstahl für Großwälzlager geschaffen werden, der einen Nickelgehalt von 0,5 Gew.-% nicht übersteigt und der ein verbessertes, homogenes Umwandlungsverhalten aufweist.
Diese Aufgaben werden durch eine Stahllegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Großwälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und jeweiligen Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Eine erfindungsgemäße Stahllegierung für ein Großwälzlagerbauteil weist

mindestens 0,17 bis höchstens 0,23 Gew.-% Kohlenstoff,
mindestens 0,25 bis höchstens 0,5 Gew.-% Silizium,
mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Mangan,
höchstens 0,025 Gew.-% Phosphor,
höchstens 0,020 Gew.-% Schwefel,
mindestens 1,90 bis höchstens 2,30 Gew.-% Chrom,
mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Molybdän,
höchstens 0,50 Gew.-% Nickel,
höchstens 0,030 Gew.-% Kupfer,
höchstens 0,025 Gew.-% Aluminium,
mindestens 0,08 bis höchstens 0,12 Gew.-% Vanadium,
mindestens 0,018 bis höchstens 0,025 Gew.-% Niob,
höchstens 0,003 Gew.-% Bor,
höchstens 0,012 Gew.-% Stickstoff,
insbesondere höchstens 10 ppm Sauerstoff, und
Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen auf.

Insbesondere soll die erfindungsgemäße Stahllegierung anstelle der in der Regel für Großwälzlagerbauteile verwendeten Stähle SAE 3311 und 17NiCrMo17 eingesetzt werden. Der Einsatz Bauteile für Walzwerkslagerungen, Hauptlagerungen für Windkraftwellen sowie Großlager des allgemeinen Maschinenbaus ist bevorzugt.
Mit anderen Worten basiert der erfindungsgemäße Werkstoff auf Eisen und weist neben den oben genannten Legierungselementen nicht vermeidbare Verunreinigungen, wie Spurenelemente auf, wie beispielsweise Arsen, Antimon und Zinn. Insbesondere weist der erfindungsgemäße Werkstoff höchstens 10 ppm Sauerstoff auf. Die Legierungszusammensetzung der Stahllegierung beziehungsweise des jeweiligen Großwälzlagerbauteils lässt sich beispielsweise mittels Spektralanalyse (OES) oder mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) bestimmen, wobei die Legierungszusammensetzung des Großwälzlagerbauteils, vorzugsweise in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils erfasst wird.
Mit der erfindungsgemäßen Stahllegierung wird bei entsprechender Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils eine Oberflächenhärte von mindestens 61 HRC (Rockwellhärte) auf. Die Einheit HRC setzt sich aus HR (Härte nach Rockwell, im Englischen „Hardness Rockwell“) als Kennzeichnung des Prüfverfahrens gefolgt von einem weiteren Buchstaben, hier C, zusammen, der die Skala und damit die Prüfkräfte und -körper angibt. Bei der Skala C (C steht für „cone“, im Deutschen Kegel) wird ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel und eine Prüfvorkraft von 98,0665 N verwendet. Die Prüfzusatzkraft beträgt bei Skala C 1372,931 N.
Das Gefüge in der Randzone weist insbesondere Martensit, Restaustenit und Carbide auf. Sofern das Großwälzlagerbauteil carbonitriert wird, sind zusätzlich Carbonitride eingebunden. Alternativ kann das Gefüge in der Randzone zumindest teilweise oder vollständig bainitisch ausgebildet sein. Solche Gefügestrukturen in der Randzone ermöglichen eine deutlich verschleißresistentere Oberfläche im Vergleich zu den nickellegierten Einsatzstählen aus dem Stand der Technik. Das Kerngefüge ist überwiegend bainitisch ausgebildet, wodurch im Vergleich zu konventionellen einsatzgehärteten Kerngefügen, welche aus Martensit, Bainit und Ferrit/Perlit bestehen, eine erhöhte Zähigkeit erzielt wird. Insbesondere beträgt eine Kerbschlagarbeit im Kerngefüge nach der Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils mindestens 100 J. Die Kerbschlagarbeit kann im Kerbschlagbiegeversuch ermittelt werden und weist die Einheit Joule auf.
Entsprechend den gewählten Kohlenstoff/Stickstoff-Randgehalten beträgt ein Restaustenitgehalt vorzugsweise mindestens 15%, insbesondere 25% bei 0,80 % C in der Randzone. Bei zusätzlichem Stickstoffeintrag beträgt ein Restaustenitgehalt vorzugsweise mindestens 30 % in der Randzone. Bevorzugt beträgt ein Restaustenitgehalt in der Randzone höchstens 40 %.
Ein erfindungsgemäßes Großwälzlager umfasst mindestens einen Innenring, mindestens einen Außenring und mehrere Wälzkörper, die zwischen dem mindestens einen Innenring und dem mindestens einen Außenring angeordnet sind, wobei zumindest eines der Großwälzlagerbauteile Innenring, Außenring und Wälzkörper aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung hergestellt ist. Vorzugsweise sind die Lagerringe, also zumindest der Innenring und der Außenring aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung ausgebildet. Bevorzugt sind alle Großwälzlagerbauteile aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung ausgebildet. Insbesondere weist das Großwälzlager auch einen Käfig zum Führen der Wälzkörper auf. Beispielsweise weist ein Lagerring des Großwälzlagers einen Durchmesser von mindestens 50 cm und eine Wandstärke von mindestens 4 cm bis höchstens 9 cm auf. Insbesondere kann das Großwälzlager einreihig oder mehrreihig ausgebildet sein.
Gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil zunächst einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen. Beispielsweise erfolgt ein Aufkohlungsprozess mit geregeltem Kohlenstoffpotential bis zur Erzeugung eines gewünschten Kohlenstoffprofils in der Randzone des Großwälzlagerbauteils. Alternativ erfolgt eine Carbonitrierung mit einem beispielsweise geregelten Kohlenstoffpotential und paralleler Zugabe eines Stickstoffträgers, insbesondere Ammoniak, bis zur Einstellung einer ausreichenden Kohlenstoffeindringtiefe bzw. Stickstoffeindringtiefe. Die Temperaturen für den jeweiligen Prozess liegen oberhalb der Ac3-Temperatur des Werkstoffs, nämlich bei mindesten 900°C bis 1020°C, bevorzugt bei mindestens 960°C bis 990°C bei dem Aufkohlungsprozess, bevorzugt bei mindestens 930°C bis 980°C bei dem Carbonitrierungsprozess. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in der Randzone, also an der Oberfläche, unterhalb einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt. Die Abschreckung des Großwälzlagerbauteils kann beispielsweise durch Luft, Salzwarmbad, Ölbad oder Polymer erfolgen. Hierbei kommt es zur Martensitbildung in der Randzone des Großwälzlagerbauteils und zur Bainitbildung im Kernbereich des Großwälzlagerbauteils. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C, bevorzugt bei 175°C, für mindestens 120 min unterzogen, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge und im Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Mithin erfolgt gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils eine Direkthärtung, die in der Randzone zum martensitischen Gefüge und im Kernbereich zum bainitischen Gefüge führt.
Insbesondere weist die Randzone eine Tiefe von mindestens 3 mm bis höchstens 8 mm von der Oberfläche nach Innen auf. Der Kernbereich schließt sich vorzugsweise an einer Übergangszone von mindestens 2 mm an, wobei die Übergangszone somit zwischen der Randzone und dem Kernbereich angeordnet ist. Bevorzugt weist der Kernbereich einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% Kohlenstoff, insbesondere mindestens 0,17 bis höchstens 0,23 Gew.-% Kohlenstoff auf.
Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen. Dieser Verfahrensschritt ist identisch zum Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt. Die Dauer ist abhängig vom gewünschten Bainitisierungsgrad des Gefüges, wobei die Abschreckung vorzugsweise im Salzwarmbad vorgenommen wird, wobei ferner die Randzone bainitisch oder teilbainitisch umwandelt. Während des Abschreckens im Salzwarmbad erfolgt eine Phasenumwandlung im Gefüge des Großwälzlagerbauteils, wobei sich im Großwälzlagerbauteil sowohl an der Oberfläche beziehungsweise in oberflächennahen Bereichen wie die Randzone sowie im Kernbereich beziehungsweise in oberflächenfernen Bereichen des Großwälzlagerbauteils eine im Wesentlichen perlitische und/oder eine im Wesentlichen ferritische Gefügestruktur ausbildet. Welches Gefüge sich einstellt, hängt dabei im Wesentlichen von dem Lösungszustand im Gefüge sowie der Legierungszusammensetzung und der Geometrie des Wälzlagerbauteils ab. Mittels des Salzwarmbades wird eine vergleichsweise milde Abschreckwirkung erzielt, die sich über Temperatur und Wassergehalt des Salzwarmbades einstellen lässt. Die damit einhergehenden Vorteile bestehen in der reduzierten Rissbildung infolge thermischer Beanspruchung. Das Großwälzlagerbauteil wird derart lange im Salzwarmbad abgeschreckt bis zumindest im Kernbereich das perlitische und/oder ferritische Gefüge eingestellt ist. Dabei ist möglich, dass das gesamte Großwälzlagerbauteil die Temperatur des Salzwarmbades angenommen hat. Denkbar ist aber auch, dass nur ein äußerer Teil des Großwälzlagerbauteils die Temperatur des Salzwarmbades angenommen hat und ein innerer Teil des Wälzlagerbauteils eine höhere Temperatur aufweist. Insbesondere erfolgt das Abschrecken im Salzwarmbad zeitgesteuert. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C, bevorzugt bei 175°C für mindestens 120 min unterzogen, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und im Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Mithin erfolgt gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils eine Direkthärtung, die in der Randzone zum bainitischen oder teilbainitischen Gefüge und im Kernbereich zum bainitischen Gefüge führt.
Gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen. Dieser Verfahrensschritt ist identisch zum Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil auf eine Temperatur von mindestens 830°C bis höchstens 900°C im Ofen abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise mit maximal 10°K pro Minute, wobei die Zieltemperatur von mindestens 830°C bis höchstens 900°C dann wenigstens 2 Stunden bis höchstens 20 Stunden gehalten wird, um den beim Aufkohlen oder Carbonitrieren aufgenommenen Wasserstoff zu reduzieren und gleichzeitig die beim Abkühlen und nachfolgenden Abschrecken entstehenden Spannungen zu reduzieren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt, wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C, bevorzugt bei 175°C für mindestens 120 min unterzogen wird. Diese Verfahrensschritte sind identisch zum Abschrecken und Anlassen gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Durch das dritte erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung des Großwälzlagerbauteils wird in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet. Mithin erfolgt eine Direkthärtung mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt der Temperaturabsenkung.
Gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen, wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf eine Temperatur von mindestens 830°C bis höchstens 900°C im Ofen abgekühlt wird. Diese beiden Verfahrensschritte sind identisch zu den beiden Verfahrensschritten gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Großwälzlagerbauteil wird danach in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt, wobei die Dauer abhängig vom gewünschten Bainitisierungsgrad ist. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C, bevorzugt bei 175°C für mindestens 120 min unterzogen, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Diese Verfahrensschritte sind identisch zum Abschrecken und Anlassen gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Mithin erfolgt eine Direkthärtung mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt der Temperaturabsenkung.
Gemäß einem fünften erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen. Dieser Verfahrensschritt ist identisch zum Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt. Das Großwälzlagerbauteil wird danach in einem Temperaturbereich von mindestens 550°C bis höchstens 670°C für mindestens 5 Stunden, bevorzugt 8 Stunden zwischengeglüht, also erwärmt. Danach wird das Großwälzlagerbauteil auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt und nach Erreichen der Zieltemperatur für mindestens 20 Minuten bis maximal 300 Minuten gehalten, wobei die Haltedauer von dem Querschnitt bzw. der Dicke des Großwälzlagerbauteils abhängig ist. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Mithin erfolgt eine Einfachhärtung mit Zwischenglühung.
Gemäß einem sechsten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen. Dieser Verfahrensschritt ist identisch zum Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt. Das Großwälzlagerbauteil wird danach in einem Temperaturbereich von mindestens 550°C bis höchstens 670°C für mindestens 5 Stunden, bevorzugt 8 Stunden, zwischengeglüht. Danach wird das Großwälzlagerbauteil auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt, wobei die Dauer abhängig vom gewünschten Bainitisierungsgrad ist. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C, bevorzugt bei 175°C für mindestens 120 min unterzogen, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Mithin erfolgt eine Einfachhärtung mit Zwischenglühung.
Gemäß einem siebten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen. Dieser Verfahrensschritt ist identisch zum Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt, wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt wird. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Dies entspricht einer Einfachhärtung des Großwälzlagerbauteils.
Gemäß einem achten erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung, wird das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C unterzogen. Dieser Verfahrensschritt ist identisch zum Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur des Werkstoffs abgeschreckt, wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt wird. Danach wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt, wobei die Dauer abhängig vom gewünschten Bainitisierungsgrad ist. Anschließend wird das Großwälzlagerbauteil optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C, bevorzugt bei 175°C für mindestens 120 min unterzogen, sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird. Dies entspricht einer Einfachhärtung des Großwälzlagerbauteils, wobei gegenüber dem siebten erfindungsgemäßen Verfahren ein bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit ausgebildet wird.
Insbesondere kann nach der jeweiligen Wärmebehandlung eine mechanische Nachbehandlung erfolgen, um das Großwälzlagerbauteil in die Endgeometrie zu bringen.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigt

1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Wälzlagerbauteils
2 eine stark schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Großwälzlagers nach einer bevorzugten Ausführungsform, und
3 ein stark schematischer Querschnitt eines Großwälzlagerbauteils gemäß 2.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils, das aus einer erfindungsgemäßen Stahllegierung mit mindestens 0,17 bis höchstens 0,23 Gew.-% Kohlenstoff, mindestens 0,25 bis höchstens 0,5 Gew.-% Silizium, mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Mangan, höchstens 0,025 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,020 Gew.-% Schwefel, mindestens 1,90 bis höchstens 2,30 Gew.-% Chrom, mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Molybdän, höchstens 0,50 Gew.-% Nickel, höchstens 0,030 Gew.-% Kupfer, höchstens 0,025 Gew.-% Aluminium, mindestens 0,08 bis höchstens 0,12 Gew.-% Vanadium, mindestens 0,018 bis höchstens 0,025 Gew.-% Niob, höchstens 0,003 Gew.-% Bor, und höchstens 0,012 Gew.-% Stickstoff ausgebildet ist gemäß eines Blockschaltbilds visualisiert.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird das Großwälzlagerbauteil aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung ausgeformt. In einem zweiten Verfahrensschritt 101 wird das Großwälzlagerbauteil beispielsweise einem Aufkohlungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 960°C bis höchstens 990°C unterzogen. Alternativ kann das Großwälzlagerbauteil einem Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 930°C bis höchstens 980°C unterzogen werden. In einem dritten Verfahrensschritt 102 wird das Großwälzlagerbauteil in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur der besagten Stahllegierung abgeschreckt. Anschließend wird in einem vierten Verfahrensschritt 103 das Großwälzlagerbauteil einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen. Durch diese Wärmebehandlung der Stahllegierung wird in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge eingestellt. Um in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge auszubilden, kann das Großwälzlagerbauteil alternativ in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt, beispielsweise in einem Salzwarmbad abgeschreckt werden.
2 zeigt ein Großwälzlager mit einem Innenring 1, einem Außenring 2 und mehreren Wälzkörpern 3, die in einem Käfig 4 zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 geführt sind. Die Großwälzlagerbauteile Innenring 1, Außenring 2 und Wälzkörper 3 sind vorliegend aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung hergestellt.
Gemäß 3 ist eine Querschnittsfläche eines Wälzkörpers 3 des Großwälzlagers dargestellt. An einer an der Oberfläche 5 angrenzenden Randzone 6 des Wälzkörpers 3 ist das Gefüge entweder martensitisch oder bainitisch-martensitisches und kann zusätzlich Restaustenit, Carbide und/oder Carbonitride aufweisen. Dadurch wird insbesondere eine Oberflächenhärte von mindestens 61 HRC und eine hohe Verschleißfestigkeit realisiert. Aufgrund des bainitisch ausgebildeten Gefüges im Kernbereich 7 des Wälzkörpers 3 wird gleichzeitig eine hohe Zähigkeit realisiert, wobei die Kerbschlagbiegearbeit mindestens 100 J beträgt.
Insbesondere weist die Randzone 6 eine Tiefe von mindestens 3 mm bis höchstens 8 mm von der Oberfläche 5 in radialer Richtung nach Innen auf, wobei sich der Kernbereich 7 über eine Übergangszone 8 von mindestens 2 mm an die Randzone 6 anschließt.
Bezugszeichenliste

1: Innenring
2: Außenring
3: Wälzkörper
4: Käfig
5: Oberfläche
6: Randzone
7: Kernbereich
8: Übergangszone
100: Erster Verfahrensschritt
101: Zweiter Verfahrensschritt
102: Dritter Verfahrensschritt
103: Vierter Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006052834 A1 [0004]

Claims

Stahllegierung für ein Großwälzlagerbauteil aufweisend mindestens 0,17 bis höchstens 0,23 Gew.-% Kohlenstoff, mindestens 0,25 bis höchstens 0,5 Gew.-% Silizium, mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Mangan, höchstens 0,025 Gew.-% Phosphor, höchstens 0,020 Gew.-% Schwefel, mindestens 1,90 bis höchstens 2,30 Gew.-% Chrom, mindestens 0,65 bis höchstens 0,95 Gew.-% Molybdän, höchstens 0,50 Gew.-% Nickel, höchstens 0,030 Gew.-% Kupfer, höchstens 0,025 Gew.-% Aluminium, mindestens 0,08 bis höchstens 0,12 Gew.-% Vanadium, mindestens 0,018 bis höchstens 0,025 Gew.-% Niob, höchstens 0,003 Gew.-% Bor, höchstens 0,012 Gew.-% Stickstoff, insbesondere höchstens 10 ppm Sauerstoff, und Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Großwälzlager umfassend mindestens einen Innenring (1), mindestens einen Außenring (2) und mehrere Wälzkörper (3), wobei zumindest eines der Großwälzlagerbauteile Innenring (1), Außenring (2) und Wälzkörper (3) aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1 hergestellt ist.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf eine Temperatur von mindestens 830°C bis höchstens 900°C abgekühlt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf eine Temperatur von mindestens 830°C bis höchstens 900°C abgekühlt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einem Temperaturbereich von mindestens 550°C bis höchstens 670°C für mindestens 5 Stunden zwischengeglüht wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einem Temperaturbereich von mindestens 550°C bis höchstens 670°C für mindestens 5 Stunden zwischengeglüht wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Großwälzlagerbauteils aus einer Stahllegierung gemäß Anspruch 1, • wobei das Großwälzlagerbauteil einem Aufkohlungsprozess oder Carbonitrierungsprozess bei einer Temperatur von mindestens 900°C bis höchstens 1020°C für mindestens 50 Stunden bis maximal 200 Stunden unterzogen wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone unterhalb einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach auf mindestens 800°C bis höchstens 860°C erhitzt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil danach in einer Randzone auf eine um mindestens 10°C bis höchstens 40°C höhere Temperatur gegenüber einer Martensitstarttemperatur abgeschreckt wird, • wobei das Großwälzlagerbauteil anschließend optional einer Anlassbehandlung bei 150°C bis 240°C für mindestens 120 min unterzogen wird, • sodass in der Randzone des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisch-martensitisches Gefüge mit Restaustenit und in einem Kernbereich des Großwälzlagerbauteils ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge ausgebildet wird.